JP2016168604A - 電縫鋼管におけるエッジ位置推定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サンプリング並びにトライアンドエラーによることなく、画像から特徴点を抽出・追跡し、溶融前後の突合せにおけるエッジの位置を推定することができる電縫鋼管におけるエッジ位置推定方法および装置を提供することを課題とする。【解決手段】熱延鋼帯の幅方向両エッジの溶融圧接を行い製造される電縫鋼管の突合せ溶接時の溶接部を直上に近い位置から高速度撮影した画像を用いて、両エッジ近傍にある特徴点を追跡することにより得られたエッジ軌跡に基づいて、Vスロートの幾何的接合点の位置、両エッジが機械的に接合する圧接点の位置、および両エッジが機械的に接合した状態での押し込み量である片側機械アップセット量を推定する。【選択図】図４

Description

本発明は、熱延鋼帯の幅方向の両方の端（以下、エッジとも記す）を電気抵抗による発熱、溶融現象を利用して溶融圧接を行い電縫鋼管を製造する技術に関し、特に、溶融前後の突合せにおけるエッジの位置を推定する電縫鋼管におけるエッジ位置推定方法および装置に関するものである。

電縫鋼管は、熱延鋼帯（以下、鋼帯とも略して記す）の幅方向両端に誘導または直接電極で高周波電流を通電することにより、鋼の電気抵抗による発熱、溶融現象を利用して熱延鋼帯の幅方向両端の溶融圧接を行い製造される。

電縫鋼管の製造における入熱自動制御については、種々の技術が開示されている。例えば、溶接現象を映像化した上で特徴量を画像処理により抽出しフィードバックを行う技術がある。

上記技術は、特許文献１および２をはじめとして、突合せ部周辺の画像から、主に色温度並びに溶鋼の排出挙動を観察することにより特徴量抽出に基づく入熱制御を試みている。特許文献１では、溶接点を鋼帯進行方向入り側より観察した結果から溶接入熱の制御を行っている。また、特許文献２では、温度上昇に伴う輝度上昇をカメラによって捉え、その分布情報を使用して入熱制御行っている。

特再公表２０１１−１１８５６０ 号公報 特開２０１１−２３０１７５ 号公報

特許文献１および２に開示された技術に代表される、画像から特徴量を抽出する技術は、基本的思想として印加電圧の制御を主目的としているため、実運用における重要管理パラメータである、突合せロールの突合せ角度、突合せロールの突合せ量であるアップセット量が適正に管理されている事を前提としている。

しかしながら、溶接現象は少なくとも上記した印加電圧、突合せ角度、およびアップセット量が影響しあう、入熱現象と突合せ現象との複合現象であり、品質に対する因子としての分離が難しいことから、その判別のためには一方のパラメータを固定した上で、トライアンドエラーにより、最適解を探索する必要がある。したがって、実用上厳格な溶接品質管理が必要な場合には、突合せ角度とアップセット量を別途サンプリングし、トライアンドエラーにて別個に入熱量並びにアップセットを管理または制御する必要があった。

加えて、例えば、外径100mm程度の小径管製造時には、適切なアップセット量の管理として、0.1mm以下のオーダーの細かい管理が必要となる。

このように、サンプリング並びにトライアンドエラーによる合わせ込みには一定の時間と経験を要するため、操業運用において少なからずダウンタイムや品質のバラツキを発生し、時間的ネックかつ品質リスクとなっていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、サンプリング並びにトライアンドエラーによることなく、画像から特徴点を抽出・追跡し、溶融前後の突合せにおけるエッジの位置を推定することができる電縫鋼管におけるエッジ位置推定方法および装置を提供することを課題とする。

上記課題は、以下の発明によって解決できる。

［１］ 熱延鋼帯の幅方向両エッジの溶融圧接を行い製造される電縫鋼管の突合せ溶接時の溶接部を直上に近い位置から高速度撮影した画像を用いて、
両エッジ近傍にある特徴点を追跡することにより得られたエッジ軌跡に基づいて、
Vスロートの幾何的接合点の位置、両エッジが機械的に接合する圧接点の位置、および両エッジが機械的に接合した状態での押し込み量である片側機械アップセット量を推定することを特徴とする電縫鋼管におけるエッジ位置推定方法。

［２］ 上記［１］に記載の電縫鋼管におけるエッジ位置推定方法において、
前記圧接点の位置は、前記幾何的接合点以降のエッジの移動速度が所定の閾値以下となった位置として、
前記片側機械アップセット量は、前記圧接点の位置および相当ロールカリバー径に基づいて推定することを特徴とする電縫鋼管におけるエッジ位置推定方法。

［３］ 上記［１］または［２］に記載の電縫鋼管におけるエッジ位置推定方法において、
溶接部の高速度撮影にあたっては、
撮影のサンプリング周期を（１）式の条件を満たすように設定し、
前記幾何的接合点および前記圧接点が視野幅の中心に位置するように視野を設定することを特徴とする電縫鋼管におけるエッジ位置推定方法。

［４］ 熱延鋼帯の幅方向両エッジの溶融圧接を行い製造される電縫鋼管の突合せ溶接時の溶接部を直上に近い位置から高速度撮影する高速度カメラと、
該高速度カメラで高速度撮影した画像を用いて、両エッジ近傍にある特徴点を追跡することにより得られたエッジ軌跡に基づいて、Vスロートの幾何的接合点の位置、両エッジが機械的に接合する圧接点の位置、および両エッジが機械的に接合した状態での押し込み量である片側機械アップセット量を推定する画像処理装置とを具備することを特徴とする電縫鋼管におけるエッジ位置推定装置。

本発明によれば、電縫鋼管の製造時における溶接部付近を高速度撮影した画像から両エッジ近傍にある特徴点を抽出・追跡し、溶融前後の突合せにおけるエッジの位置を推定するようにしたので、サンプリング並びにトライアンドエラーによることなく、幾何的接合点の位置、圧接点の位置、および片側機械アップセット量といった溶接における特徴量を精密に求めることができる。

本発明における一実施形態の装置構成例を示す図である。 突合せロールセットのロールギャップとともにカメラ視野を模式的に示す図である。 視野内を拡大して示す図である。 溶接部の溶融前後を模式的に示す図である。 本実施例にあたっての測定視野を示す図である。 本実施例における検出例を示す図である。

溶接においては、品質を満たす製造パラメータ範囲で、
・両エッジがV字状に近づいていくVスロート部と幾何学的な交差点
・両エッジの溶融による後退と、その近接速度と、エッジの後退速度が等しい区間(狭間部)
・狭間部の終端である両エッジの接合点
といった分類可能で時系列的な現象遷移と特徴点があり、その現象を俯瞰的に捉えた映像と機械構成、溶接品質の間で強い相関があることが知られている。

本発明は、溶接点とその近傍における接合現象を上方に設置した高速度カメラで撮影し、撮影した画像中の特徴点を追跡することにより、溶融前後の突合せにおけるエッジの位置を推定する。

以下、図面および数式を参照して、本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明における一実施形態の装置構成例を示す図である。図中、１は熱延鋼帯、２は成型ロール、３は突合せロール、４は高周波溶接機、５は高速度カメラ、６は制御装置、７は画像処理装置、および１３は電縫鋼管をそれぞれ表す。

熱延鋼帯１を多数の成型ロール２により、断面がC型になるまで成型を行った後、高周波溶接機４により幅方向の両端部に高周波の電流を直接、または誘導起電力として与える。そして、エッジが適切に溶融した後に、突合せロール３で圧接を行うことにより電縫鋼管１３に製管される。以上の装置構成は、電縫鋼管ミルでは一般的なものであるが、本発明ではこれに加えて、溶接部を直上に近い位置（溶接部直上から溶接線方向に傾斜角±30°以内）に設置して連続写真が撮影可能な高速度カメラ５と、得られた画像の特徴点検出機能および視野内距離測定機能を有する画像処理装置７、および突合せロール３と高周波溶接機４を制御する制御装置６を備える。

溶融圧接を受ける鋼帯の幅方向両端からは、溶鋼の噴出ならびに圧接部の塑性変形によりビードと呼ばれる溶接余盛が内外面共に発生し、製管後に除去される。このビード形成の妨げにならないよう、突合せロールセットのうち、鋼帯幅方向両端が圧接時に通過する部分には、形成されるビードより広いロールギャップを設けてある。

図２は、突合せロールセットのロールギャップとともにカメラ視野を模式的に示す図である。さらに、図３は、視野内を拡大して示す図である。図中、３は突合せロール、５は高速度カメラ（カメラとも略す）、８はカメラの視野、９は２つの突合せロール中心点を結ぶ直線（突合せロール間中心線と称する）、１０はVスロート、１１は狭間部、および１２は圧接点をそれぞれ表す。

溶接部の直上に設置した高速度カメラ５の視野として、図２の点線で示すカメラの視野８は、突合せロール間中心線９を含む直線より上流にロールギャップを含むように設定する。

さらに、カメラの視野８の中には、図３で示すように、Vスロート１０、エッジの溶融速度とエッジの進行速度が釣合う、すなわちエッジ距離が一定の値で保持される峡間部１１、および圧接点１２を含み、さらに峡間部１１および圧接点１２が視野８の幅（Y軸方向）の中心に位置するようにして、両エッジを確実に抽出・追跡できるようにする。

カメラにより連続的に撮影された溶接部画像から、熱延鋼帯エッジ付近の特徴点を可能な限り多く抽出する。そして、特徴点としては、例えば、黒皮材であればスケール付着斑、光沢を持つめっき部の斑、酸洗鋼帯であれば微小な板波部、付着したスパッタなど、カメラの各サンプリング周期の間で形状、存在に大きな変化がなく光学的に抽出・追跡可能なものであればよい。

また、カメラのサンプリング周期については、移動する特徴点を精度よく確実に抽出できることが必要である。例えば、以下の（１）式の条件を満たすことが必要である。

なお、上記サンプリング周期より長い場合には、精度の良い補間処理を施すことが必要である。

溶接現象にはVスロートによるショートとそれによるスパッタの飛散といった光学的な外乱を含むため、測定する特徴点は視野上で可能な限り多く、特徴点が視野内の鋼帯進行方向上流から、下流まで一貫して追跡可能であることが望ましい。

特徴点の移動量は、例えば、サンプリング周期Tcとすると、時刻tと時刻t+Tcにおける特徴点の位置からサンプリング周期Tcの間の特徴点の移動量（2次元の移動ベクトル）を計測する。各特徴点の移動前後のベクトル群から、各特徴点位置における座標Y軸方向のTcあたりの特徴点移動量Y(Tc)を算出する。これら特徴点の移動量計測を連続的に行うことにより、溶接時における特徴点の移動軌跡が得られる。

図４は、溶接部の溶融前後を模式的に示す図である。PvはVスロートの幾何的接合点、Psは圧接点、L1およびL2はそれぞれPvおよびPsの突合せロール間中心線からの距離、Rは相当ロールスロート径、およびUmは片側機械アップセット量を表す。

先ず、Vスロートの幾何的接合点Pvを両エッジとその延長線でなす2直線の交点として定義する。

Vスロートおよび幾何的接合点Pvと圧接点Psとの間の狭間部（図３の狭間部１１）は、エッジが機械的に開放（すなわち、両エッジが非接触）されており、Y軸方向のTcあたりの特徴点移動量Y(Tc)はほぼ一定と見做せる。しかし、エッジが機械的に接合する圧接点Ps以降（圧接点Psが形成された時刻より後）の特徴点移動量Y(Tc)はロールカリバーに依存する。このため、圧接点Ps位置でのエッジの移動速度V(Tc)（特徴点移動量Y(Tc)の微分係数）は急落する（後述する図６の（ａ）参照）。

以上の現象を捉えて、圧接点Psを推定する。具体的には、Vスロートの幾何的接合点Pv以降のエッジの移動速度V(Tc)に所定の閾値を設けて、この閾値以下となった位置を圧接点Psとする。そして、L1およびL2を、それぞれPvおよびPsの突合せロール間中心線からの距離とする。

幾何的接合点Pvと圧接点Psとの間の狭間部の長さLuは、以下の（２）式にて求める。
Lu = L1−L2・・・（２）

次に、圧接点Ps後のエッジがくっ付いた状態での押し込み量である片側機械アップセット量Umは、以下の（３）式にて求める。
Um = R−SQRT（R²−L2²）・・・（３）

溶接部付近での特徴点追従において外乱が無視できない場合、得られたPs点位置から相当ロールカリバー径Rを用いることで上記（３）式によりUmを精度良く推定することができる。

図１に示す装置構成に本発明を適用した実施例を示す。図５は、本実施例にあたっての測定視野を示す図である。その他の仕様は以下に示すとおりである。

・ 製造サイズ60.0mm径×3.0mm厚さ
・ 解像度：画素256×96
・ 撮像速度：1/3000sec
・ 使用鋼：SS400相当

図６は、本実施例における検出例を示す図である。撮像した画像中の両エッジおよびエッジ近傍にある特徴点を追跡した結果であり、図６（ａ）および（ｂ）は、Ｖスロートの上側エッジ（溶接進行方向に向かって左側のエッジまたは図６（ｃ）に示す画像におけるＶスロート部の上側のエッジであり、もう一方のエッジを下側エッジと称する）の軌跡を示しており、横軸にＸ方向のエッジ位置、縦軸にそれぞれ、Ｙ方向のエッジ速度、Ｙ方向のエッジ位置をプロットしたものである。図６（ｃ）は、ある時刻の溶接現象並びに特徴点を撮影した画像の一例と物差しを並べて示している。なお、以下の演算に用いた特徴点としては、追跡可能な大きさでエッジにしっかり付着したスパッタを用いている。

図６（ｂ）で示す幾何的接合点Pvの位置は、上述したように、下側エッジを含めた両エッジとその延長線でなす2直線の交点として決める。

このようにして決まった幾何的接合点Pv（X方向エッジ位置の30mm）前後のＹ方向のエッジ速度は、図６（ａ）で見ると略一定の値を示している。しかしながら、X方向エッジ位置40mmの位置で急落しており、この位置を両エッジが圧接した圧接点Psとする。具体的には、エッジ速度に所定の閾値（例えば、0.5mm/sec）を設けて、この閾値以下となった位置を圧接点Psとしている。

こうして求めた圧接点Psと幾何的接合点Pvの位置から、狭間部の長さLuは10mm(＝40 mm−30mm)と特定することができる。

そして、圧接点Ps以降の両エッジがくっ付いた状態での押し込み量である片側機械アップセット量Umは、（３）式により求めた値が図６（ｂ）で示した画像から正しいことを確認できた。溶接点付近でのショートやスパッタ飛散などの外乱が無視できない場合であっても、圧接点Ps点の位置に基づいて（３）式から片側機械アップセット量Umを精度良く求めることができるようになった。

本発明をもとに、入熱現象と突合せ現象を分離し、溶接の3要素である突合せ形状、印加電力、アップセットに対して個別に適切な管理と制御を行うことの可能性が高まる。そして、より厳密な電縫溶接の管理および制御につなげることができる。

１ 熱延鋼帯
２ 成型ロール
３ 突合せロール
４ 高周波溶接機
５ 高速度カメラ
６ 制御装置
７ 画像処理装置
８ カメラの視野
９ 突合せロール間中心線
１０ Vスロート
１１ 狭間部
１２ 圧接点
１３ 電縫鋼管
Pv Vスロートの幾何的接合点
Ps 圧接点
L1 Pvの突合せロール間中心線からの距離
L2 Psの突合せロール間中心線からの距離
R 相当ロールスロート径
Um 片側機械アップセット量

Claims (4)

1. 熱延鋼帯の幅方向両エッジの溶融圧接を行い製造される電縫鋼管の突合せ溶接時の溶接部を直上に近い位置から高速度撮影した画像を用いて、
   両エッジ近傍にある特徴点を追跡することにより得られたエッジ軌跡に基づいて、
   Vスロートの幾何的接合点の位置、両エッジが機械的に接合する圧接点の位置、および両エッジが機械的に接合した状態での押し込み量である片側機械アップセット量を推定することを特徴とする電縫鋼管におけるエッジ位置推定方法。
2. 請求項１に記載の電縫鋼管におけるエッジ位置推定方法において、
   前記圧接点の位置は、前記幾何的接合点以降のエッジの移動速度が所定の閾値以下となった位置として、
   前記片側機械アップセット量は、前記圧接点の位置および相当ロールカリバー径に基づいて推定することを特徴とする電縫鋼管におけるエッジ位置推定方法。
3. 請求項１または２に記載の電縫鋼管におけるエッジ位置推定方法において、
   溶接部の高速度撮影にあたっては、
   撮影のサンプリング周期を（１）式の条件を満たすように設定し、
   前記幾何的接合点および前記圧接点が視野幅の中心に位置するように視野を設定することを特徴とする電縫鋼管におけるエッジ位置推定方法。
   
4. 熱延鋼帯の幅方向両エッジの溶融圧接を行い製造される電縫鋼管の突合せ溶接時の溶接部を直上に近い位置から高速度撮影する高速度カメラと、
   該高速度カメラで高速度撮影した画像を用いて、両エッジ近傍にある特徴点を追跡することにより得られたエッジ軌跡に基づいて、Vスロートの幾何的接合点の位置、両エッジが機械的に接合する圧接点の位置、および両エッジが機械的に接合した状態での押し込み量である片側機械アップセット量を推定する画像処理装置とを具備することを特徴とする電縫鋼管におけるエッジ位置推定装置。