JP2021178346A - 溶接部の良否判定方法及び良否判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼板の幅方向における溶接部の表面温度分布形状に基づいて溶接部の良否を判定可能な溶接部の良否判定方法及び良否判定装置を提供する。【解決手段】溶接部の良否判定装置１５は、連続鋼板処理ラインに設置された溶接機２を用いて鋼板である先行材Ｍ１の尾端部と後行材Ｍ２の先端部とを溶接した後の鋼板の幅方向における溶接部の表面温度分布形状の実績データを用いて主成分分析により典型的な表面温度分布形状を抽出する抽出手段と、判定対象の溶接部の表面温度分布形状について、典型的な表面温度分布形状からの逸脱度合いを定量的に評価するパラメータを算出する算出手段と、算出手段によって算出されたパラメータに基づいて、溶接部の良否を判定する判定手段と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、溶接部の良否判定方法及び良否判定装置に関する。

特許文献１には、熱伝導モデルに基づいて溶接部の温度分布を算出し、算出された温度分布と設定温度とを比較することにより、溶接部の良否を判定する技術が記載されている。特許文献２には、鋼板の重ね合わせ幅方向の温度のうち最も高い温度と基準温度とを比較することにより、溶接部の良否を判定する技術が記載されている。特許文献３には、ナゲット比が４０〜６０％の範囲内になる溶接温度に溶接条件を設定する技術が記載されている。特許文献４には、溶接接合部の平均温度が第一の閾値以下であり、且つ、溶接接合部の温度差が第二の閾値以上である場合、溶接接合不良が発生したと判定する技術が記載されている。

特開平７−１８５８３５号公報 特開平７−１９５１７９号公報 特開２０００−５２０５２号公報 国際公開第２０１８／１８１３９８号

特許文献１，２に記載の技術は、鋼板の幅方向における溶接部の表面温度分布形状の異常性を一切考慮していない。また、特許文献１，２に記載の技術では、鋼種や板厚毎に分類されたテーブルを用いて設定温度や基準温度等の設定値を決定するが、このテーブルの数が多すぎる場合、設定値を決定するプロセスが煩雑になる。一方、このテーブルの数が少ない場合には、同じ設定値の範囲内であるのにも関わらず溶接不良が発生する材と発生しない材とが出る可能性がある。また、特許文献３に記載の技術では、ライン操業時に発生し得る溶接機の作動状況（例えばシーム溶接機であれば電極輪の摩耗不具合等）や先行材及び後行材の表面及び内部の状態等に起因する鋼板の幅方向における溶接部の表面温度の不均一性を評価することができない。また、特許文献４に記載の技術では、鋼板の幅方向における溶接部の表面温度分布形状そのものの情報が抜け落ちてしまっている。このため、鋼板の幅方向における溶接部の表面温度分布形状に基づいて溶接部の良否を判定可能な技術の提供が期待されていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、鋼板の幅方向における溶接部の表面温度分布形状に基づいて溶接部の良否を判定可能な溶接部の良否判定方法及び良否判定装置を提供することにある。

本発明に係る溶接部の良否判定方法は、連続鋼板処理ラインに設置された溶接機を用いて鋼板である先行材の尾端部と後行材の先端部とを溶接した後の鋼板の幅方向における溶接部の表面温度分布形状の実績データを用いて主成分分析により典型的な表面温度分布形状を抽出する抽出ステップと、判定対象の溶接部の表面温度分布形状について、前記典型的な表面温度分布形状からの逸脱度合いを定量的に評価するパラメータを算出する算出ステップと、前記算出ステップにおいて算出されたパラメータに基づいて、前記溶接部の良否を判定する判定ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る溶接部の良否判定方法は、上記発明において、前記抽出ステップは、実績データ間で表面温度測定値のデータ点数を所定値に揃えるステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る溶接部の良否判定方法は、上記発明において、前記抽出ステップは、前記表面温度測定値を全幅方向の温度平均値でセンタリングし、前記温度平均値と前記表面温度測定値との差を標準化するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る溶接部の良否判定方法は、上記発明において、前記抽出ステップは、前記鋼板の両端部から所定範囲内の表面温度測定値を処理対象から除外するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る溶接部の良否判定装置は、連続鋼板処理ラインに設置された溶接機を用いて鋼板である先行材の尾端部と後行材の先端部とを溶接した後の鋼板の幅方向における溶接部の表面温度分布形状の実績データを用いて主成分分析により典型的な表面温度分布形状を抽出する抽出手段と、判定対象の溶接部の表面温度分布形状について、前記典型的な表面温度分布形状からの逸脱度合いを定量的に評価するパラメータを算出する算出手段と、前記算出手段によって算出されたパラメータに基づいて、前記溶接部の良否を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る溶接部の良否判定方法及び良否判定装置によれば、鋼板の幅方向における溶接部の表面温度分布形状に基づいて溶接部の良否を判定することができる。

図１は、本発明の一実施形態である溶接良否判定システムの構成を示す模式図である。 図２は、実施例の溶接良否判定処理を説明するための図である。 図３は、実施例の溶接良否判定処理で抽出された主成分を示す図である。 図４は、実施例の溶接良否判定処理で算出されたＱ統計量を示す図である。

〔本発明の概念〕
まず、本発明に係る溶接部の良否判定方法及び良否判定装置の概念について説明する。

本発明に係る溶接部の良否判定方法及び良否判定装置は、連続鋼板処理ラインに設置された溶接機を用いて鋼板である先行材の尾端部と後行材の先端部とを溶接した後の鋼板の幅方向における溶接部の表面温度分布形状に関する過去の実績データから主成分分析と呼ばれる統計解析手法を用いて典型的な表面温度分布形状(以下、主成分と表記)を抽出する。そして、判定対象の溶接部の幅方向の表面温度分布形状について、その主成分からの逸脱度合いを定量的に評価するパラメータ(以下、Ｑ統計量と表記)を算出し、Ｑ統計量に基づいて溶接部の良否を判定する。

一般に、溶接破断が発生する時間的頻度は２〜３ヶ月に１回程度であるが、これを通常操業時の溶接イベントの回数に直した場合、溶接破断が発生する頻度は約４０００回に１回となる。これは、解析対象データの個数が溶接イベントの回数に直して数千にのぼることを意味している。このため、表面温度分布形状に関する過去の実績データの解析には統計解析手法を選定することが適切である。また、溶接破断に繋がる溶接イベントの発生頻度が非常に低いことは、異常とタグ付けできる教師データの収集に非常に時間を要することを意味する。このため、表面温度分布形状に関する過去の実績データの解析には教師なし学習に向いた統計解析手法を選定することが適切である。さらに、溶接破断時の表面温度分布形状には確たる規則性がないため、解析結果の説明及び考察を実施しやすい統計解析手法を選定することが適切である。以上のことから、本発明の発明者らは、統計解析手法として主成分分析を採用することが最適であると判断した。

なお、一般に、鋼板の幅寸法はその時の操業条件によってまちまちの値をとる一方、放射温度計を用いた鋼板の表面温度測定値のサンプリングピッチは予め設定された一定値である。このため、表面温度測定値の点数は溶接イベント毎に異なり、そのままでは主成分分析を施すことができない。そこで、前処理として、鋼板の幅方向をＮ個の決められた数の領域に分割し、溶接イベント間で表面温度測定値のデータ点数をＮ個に揃えることが望ましい。また、表面温度測定値を主成分分析にかける際、前処理を施さずに表面温度測定値を用いた場合、表面温度測定値の絶対値の大きさの寄与が過剰に大きくなると考えられる。この状況は、表面温度分布形状を評価するにあたり不適切であると考えられる。このため、前処理として、表面温度測定値を全幅方向の温度平均値でセンタリングし、温度平均値と表面温度測定値との差を溶接コード毎に標準化することが望ましい。また、この時、鋼板両端検出位置付近の温度測定値は除外することが望ましい。

なお、上述した溶接コードとは、先行材と後行材の鋼種及び板厚に基づいて設定する溶接条件を分類・管理するための番号である。標準化に際しては、以下に示す数式（１）を用いるとよい。

ここで、ｔ_ｋは標準化された温度データ、ｋは領域分割をする際の通し番号、Ｔ_ｋはｋ番目の領域内における温度測定値の平均値、Ｔ_ａｖｅは全幅方向の温度平均値、σは温度測定値と温度平均値Ｔ_ａｖｅの差に対して取った標準偏差の溶接コード毎の平均値と、溶接コードを鋼種のみで区分した際の温度測定値と温度平均値Ｔ_ａｖｅとの差の標準偏差の中央値とを比べて値が小さい方を取った値である。σの値は、データ集計期間内での各溶接イベントについて、鋼板の幅方向の温度平均値からの差の大きさを評価するにあたり、溶接コード内で許容される表面温度分布形状の不均一性を取りこむことを意図して決定する。

〔溶接良否判定システム〕
次に、図１を参照して、上記概念に基づいて想到された、本発明の一実施形態である溶接良否判定システムの構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である溶接良否判定システムの構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である溶接良否判定システム１は、連続鋼板処理ラインにおいて鋼板である先行材Ｍ１の後端部と後行材Ｍ２の先端部とを溶接する溶接機２による鋼板の幅方向における溶接部の表面温度分布形状に基づいて溶接部の良否を判定するシステムである。

本実施形態では、溶接機２は、図示しない入側クランプ装置によってクランプされた先行材Ｍ１及び後行材Ｍ２の溶接箇所を加圧する上下一対のスエージングロール２１と、先行材Ｍ１と後行材Ｍ２とをラップさせ、加圧しながら通電して溶接箇所を溶接する上下一対の電極輪２２と、スエージングロール２１及び電極輪２２を支持しながら先行材Ｍ１及び後行材Ｍ２の幅方向に移動可能なキャリッジ２３と、を備えている。

本発明の一実施形態である溶接良否判定システム１は、放射温度計１１、温度検出器１２、溶接良否判定用センサ１３、演算装置１４、及び溶接良否判定装置１５を主な構成要素として備えている。

放射温度計１１は、先行材Ｍ１と後行材Ｍ２の溶接部の表面温度を先行材Ｍ１及び後行材Ｍ２の幅方向に沿って測定する。

温度検出器１２は、放射温度計１１によって測定された先行材Ｍ１及び後行材Ｍ２の幅方向における溶接部の表面温度のデータを取得し、取得した表面温度のデータを示す電気信号を溶接良否判定装置１５に出力する。

溶接良否判定用センサ１３は、溶接機２内に設置され、スエージングロール２１の加圧力（スエージング加圧力）、電極輪２２の加圧力（電極輪加圧力）、入側クランプ装置の加圧力（入側クランプ加圧力）、溶接電流、溶接電圧、及び溶接速度を溶接実績データとして検出する。溶接良否判定用センサ１３は、検出された溶接実績データを示す電気信号を溶接良否判定装置１５に出力する。

演算装置１４は、コンピュータ等の情報処理装置によって構成され、前処理計算部１４ａ、判定部１４ｂ、及びデータベース１４ｃを備えている。

前処理計算部１４ａは、溶接良否判定装置１５を介して温度検出器１２から先行材Ｍ１及び後行材Ｍ２の幅方向における溶接部の表面温度のデータを取得し、取得した表面温度のデータに対して上述した前処理を施す。そして、前処理計算部１４ａは、前処理が施された表面温度のデータを判定部１４ｂに出力する。

判定部１４ｂは、前処理計算部１４ａから出力された先行材Ｍ１及び後行材Ｍ２の幅方向における溶接部の表面温度のデータについて、データベース１４ｃ内に格納されている主成分に対するＱ統計量を算出する。そして、判定部１４ｂは、算出されたＱ統計量が所定の閾値以上であるか否かを判別することにより溶接部の良否を判定し、判定結果を溶接良否判定装置１５に出力する。

データベース１４ｃには、判定部１４ｂが溶接部の良否判定に使用する主成分及び閾値のデータや、前処理計算部１４ａが前処理の際に使用する各種パラメータが格納されている。

溶接良否判定装置１５は、コンピュータ等の情報処理装置によって構成され、上位計算機（Ｐ／Ｃ）１６及び溶接機制御盤１７に接続されている。溶接良否判定装置１５は、上位計算機１６からコイル情報を取得し、溶接機制御盤１７から溶接条件（溶接電流設定値、溶接電圧設定値等）に関する情報を取得する。溶接良否判定装置１５は、温度検出器１２、溶接良否判定用センサ１３、及び上位計算機１６から取得した情報に基づいて溶接部の良否を判定する。また、溶接良否判定装置１５は、演算装置１４の判定結果に基づいて溶接部の良否を判定する。溶接部が不良であると判定した場合、溶接良否判定装置１５は、アラームを出力する。溶接良否判定装置１５からアラームが出力されると、オペレータは、溶接部を再度溶接することによって溶接箇所の不良を解消して溶接作業の歩留まりを向上させる。

本実施例では、まず、２０１８年７月２７日〜２０１８年９月２９日の期間における４６００件の溶接データのうち、正常な４５４５件の溶接データを使用し、主成分分析を用いて主成分を抽出した。具体的には、図２（ａ）に示すように鋼板の幅方向両端部にあるオペレータ（ＯＰ）領域及び駆動（ＤＲ）領域の表面温度データを削除した後、図２（ｂ）に示すように、鋼板の幅方向に沿って溶接部を２０個の領域に分割し、各領域の表面温度の平均値を算出した。そして、図２（ｃ）に示すように、主成分分析時の入力データ（溶接データ）として、各領域の表面温度平均値（区間データ）、全幅方向の表面温度平均値、及び最大温度差を用いた。その結果、図３（ａ）〜（ｄ）に示す主成分（単調パターン、１次〜３次パターン）が抽出された。

次に、抽出した主成分を用いてＱ統計量を算出した。Ｑ統計量の算出対象は２０１８年７月２７日〜２０１８年９月２９日の期間における４６００件の溶接データのうち、正常な４５４５件の溶接データと、至近で溶接破断実績のあった１つの溶接データとした。Ｑ統計量の算出結果を図４に示す。図４の横軸がＱ統計量の値、縦軸は確率密度を示している。山状の確率分布領域が正常な溶接データを示している。この図４から、正常な溶接データ（表面温度分布形状）と溶接破断実績のある異常な溶接データ（表面温度分布形状）とを峻別できていることがわかる。具体的には、溶接破断発生時には表面温度分布形状はへこみ付きの表面温度分布形状になっていた。このことから、鋼板の幅方向における溶接部の表面温度分布形状に基づいて溶接部の良否を判定できることが確認された。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ 溶接良否判定システム
２ 溶接機
１１ 放射温度計
１２ 温度検出器
１３ 溶接良否判定用センサ
１４ 演算装置
１４ａ 前処理計算部
１４ｂ 判定部
１４ｃ データベース
１５ 溶接良否判定装置
２１ スエージングロール
２２ 電極輪
２３ キャリッジ
Ｍ１ 先行材
Ｍ２ 後行材

Claims (5)

1. 連続鋼板処理ラインに設置された溶接機を用いて鋼板である先行材の尾端部と後行材の先端部とを溶接した後の鋼板の幅方向における溶接部の表面温度分布形状の実績データを用いて主成分分析により典型的な表面温度分布形状を抽出する抽出ステップと、
   判定対象の溶接部の表面温度分布形状について、前記典型的な表面温度分布形状からの逸脱度合いを定量的に評価するパラメータを算出する算出ステップと、
   前記算出ステップにおいて算出されたパラメータに基づいて、前記溶接部の良否を判定する判定ステップと、
   を含むことを特徴とする溶接部の良否判定方法。
2. 前記抽出ステップは、実績データ間で表面温度測定値のデータ点数を所定値に揃えるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の溶接部の良否判定方法。
3. 前記抽出ステップは、前記表面温度測定値を全幅方向の温度平均値でセンタリングし、前記温度平均値と前記表面温度測定値との差を標準化するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の溶接部の良否判定方法。
4. 前記抽出ステップは、前記鋼板の両端部から所定範囲内の表面温度測定値を処理対象から除外するステップを含むことを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の溶接部の良否判定方法。
5. 連続鋼板処理ラインに設置された溶接機を用いて鋼板である先行材の尾端部と後行材の先端部とを溶接した後の鋼板の幅方向における溶接部の表面温度分布形状の実績データを用いて主成分分析により典型的な表面温度分布形状を抽出する抽出手段と、
   判定対象の溶接部の表面温度分布形状について、前記典型的な表面温度分布形状からの逸脱度合いを定量的に評価するパラメータを算出する算出手段と、
   前記算出手段によって算出されたパラメータに基づいて、前記溶接部の良否を判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とする溶接部の良否判定装置。

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