JP2504056B2

JP2504056B2 - 電縫管溶接の入熱制御方法およびその装置

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Publication number: JP2504056B2
Application number: JP62137058A
Authority: JP
Inventors: 雄二石坂; 敏幸木村
Original assignee: Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1987-05-30
Filing date: 1987-05-30
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2011-06-05
Also published as: JPS63303684A

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野本発明は電縫管溶接の入熱制御方法に係り、特に溶接
現象モードを監視しながら被溶接部の適正な入熱制御を
可能にした電縫管溶接における入熱制御方法および装置
に関する。

B.発明の概要本発明は、アルミニウム系や銅系の物質からなる管素
材をＶ字状ギャップを有する管状に成形し、該Ｖ字状ギ
ャップの対向する縁部をその縁部同志の接合点で連続的
に電気溶接する電縫管溶接装置において、前記溶接点に
対向して溶接の状態を示す溶接点近傍での輝度レベル又
は輝度分布ときての撮像信号で捕え、該撮像信号を基準
の溶接現象モードにもとづく設定値と比較して前記溶接
状態が適正状態を逸脱したとき、溶接電力制御，表示又
は警報を発するようにしたものである。

C.従来の技術第６図（Ａ）は誘導式高周波電縫管溶接を示し、第６
図（Ｂ）は接触式高周波電縫管溶接を示す。図中、3aは
電磁誘導のためのワークコイル、3b,3cは接触通電のた
めのチップ（接触子）、2a,2bはスクイズロール、１は
溶接されるアルミニウム系や銅系の物質からなる管素
材、1b,1cはＶ字状ギャップを形成する縁部、1aは溶接
点、3dは高周波発振装置である。ワークコイル3a又はチ
ップ3b,3cはスクイズロール2a,2bの前段部に配置されて
おり、これらにより多段の成形ロール（図示省略）によ
って管素材１に作られたＶ字ギャップの対向する縁部1
b,1cに高周波電流ｉを流すと、対向する縁部1b,1cが高
周波電流によって加熱され溶接点1aにおいて最高温度に
達するとともにスクイズロール2a,2bによって加圧溶接
される。

上述した電縫管溶接において、縁部（Ｖ字状ギャッ
プ）1b,1cに流れる高周波電流ｉを制御する従来の入熱
制御方法として、いかに述べる種々の方法があった。す
なわち、（１）オペレータの肉眼による溶接部の温度等の目視と
造管後の管の加工形状，ビート形状および機械破壊試験
等を併用して溶接投入電力のレベルをセットする方法、
いわゆる目視による制御方法。

（２）温度計で溶接部の温度を連続的に計測することに
よってオペレータの肉眼でセットした温度レベルを維持
調節すると共に造管後の管をチェックするいわゆる温度
計併用による制御方法。

（３）たとえば特開昭59−220289号広報に開示している
ように、オペレータの肉眼と温度計による計測結果のフ
ィールドバック制御に加えてさらに被加工物である管素
材1,板厚，移動速度，スクイズロールによる加工力等に
よる温度変化外乱要因を別に検出してフィードフォアー
ド制御することで投入電力レベルを調整維持する方法お
よび造管後の管のチェックの併用。

（４）電縫管溶接においては、縁部への投入電力による
縁部1b,1cの加熱状態に応じて溶接点1aでの溶接現象に
異なる溶接現象モードが見られることが知られている。
そしてこの溶接現象モードほ大別にして３種類のモード
に大きく分類することができる。

第４図（Ａ）〜（Ｄ）は溶接点1a近傍を上方から見た
拡大図であって代表的な４つの溶接現象モードを示して
いる。（Ａ）は第１のモードで投入電力が不足して縁部
1b,1cの加熱が不充分な状態であり、縁部1b,1cは単純な
Ｖ字状のまま溶接点1aにて収束している。（Ｂ）は投入
電力が増加した第２のモードであってＶ字状ギャップを
形成する縁部1b,1cは（Ａ）にて見られた収束点である
溶接点1aの手前の4bにて見かけ上収束し、4bと溶接点1a
の間の縁部1b,1cの間隙を溶融金属1eが運動しながら埋
めている。見かけ上の収束点4bには頻繁にアークが生じ
る。（ｃ）および（Ｄ）は更に投入電力が増加した第３
のモードであって縁部1b,1cの見かけ上の収束点4cおよ
び4dは更に手前側に移動してこの見かけ上の収束点4cお
よび4dと溶接点1aの間の距離が大きくなる。見かけ上の
収束点4c,4dでは頻繁にアークが生じ、（Ｃ）の状態で
は4cと溶接点1aの間の縁部1b,1cの間隙を溶融金属1eが
激しく運動しながら不安定な状態で埋めているのに対し
て（Ｄ）の状態では見かけ上の収束点4dと溶接点1aの間
の縁部1b,1cの間隙を溶融金属1eが埋めきれずに空隙1f
が生じる。

（Ａ）の状態では投入電力の不足から縁部1b,1cの加
熱、溶融が不充分なため溶接結果は好ましくない。また
（Ｄ）の状態では投入電力が大きすぎるとことからオー
バーヒートとなり溶接結果は同様に好ましくない。
（Ｂ）および（Ｃ）の状態はそれらの中間で良好な溶接
結果が得られる範囲である。

このような溶接点における溶接現象モードを観察し、
その結果にもとづいて投入電力の制御を行う方法。

D.発明が解決しようとする問題点上述した従来の入熱制御方法において、（１）の目視
による制御の場合には、高度の熟練度を必要とし、また
（２）の温度計併用による制御の場合には、溶接点1aに
おける水膜や水蒸気の存在が正確な温度計側の妨げとな
ったり、管素材１の板厚や移送速度の変動等の外乱の影
響を受けるという問題点があった。

更にまた、温度計側上で次のような問題点もあった。
すなわち、溶接点1a近傍における温度は一様ではなく、
アークや溶融金属の存在を含めて部位によって極めて大
きな温度差を示す。さらにその各部位や温度分布のパタ
ーンが第４図（Ａ）〜（Ｄ）に示したように変化したり
管素材１の走行方向に移動したりする。

従って温度計のセッティングが難かしいのみならず、
温度の分布やパターンが変化するのでどの部位の温度を
主体に計測している状態にあるかによって温度検出値そ
のものの持つ意味が変わり、検出値も変わってくる。従
って効果的な検出値を得て有効に制御に使用するには基
本的な難点を含んでいる。

さらにまた温度計としては水膜や水蒸気等の影響を比
較的に受けにくい等のことから２色温度計が通常使用さ
れているが、アルミ系や銅系の管素材の電縫管溶接の場
合には溶接点の温度が鉄鋼系に比べて低く２色温度計が
その性能上有効に使用できないので、温度計によって溶
接部の温度を正確に計測することが難しいという問題点
も有った。また前述の（３）項による入熱制御方法で
は、管素材の搬送速度、板厚、スクイズロールによる加
工力の変動等を検出してフィールドフォワード制御を付
加することで入熱制御の精度は向上するものの（２）項
の場合と同様に溶接点の温度測定上の問題点は残された
ままである。

また前述の（４）項における入熱制御方法は、溶接点
近傍における溶接現象モードを観察して判断するもので
あって、溶接状態の適否を総合的に正確に判断するうえ
で極めて有効な手段であると考えられているが、高速度
カメラ等によるこの溶接現象モードの観察結果を作業者
が判断して、溶接条件の修正助手段には使用されている
ものの、溶接点という微少部位でのパターン現象であり
高温で輝度が高いことや動的なパターン現象であるなど
からこのパターン現象を情報信号として捕えて自動的に
正確な判断を行わせることの困難さなどから自動溶接制
御ラインにおける判断要素に直接組込んで、この溶接現
象モードの計測結果に基づいて自動溶接制御を行う方法
はいまだ実現されていなかった。従って、このような電
縫管溶接における従来の入熱制御方法はいずれも良好な
溶接結果を安定して得るうえでまだ充分なものではなか
った。

E.問題点を解決するための手段本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであっ
て、電縫鑑溶接において、その溶接状態（レベル）の総
合的な判断手段として最も有効であると考えられている
溶接点近傍での輝度レベル又は輝度分布にもとづていＶ
字状ギャップの対向する縁部に供給する溶接電力を自動
制御することを第一の特徴とし、更にこの輝度レベルに
もとづく溶接電力の自動制御を可能にするための手段と
して溶接点近傍での溶接現象モードを撮像手段により輝
度レベルおよび輝度分布として捕えることを第二の特徴
とする。

溶接点近傍に対向して配置した撮像手段によって輝度
レベルおよびその輝度レベルにもとづく輝度分布（パタ
ーン）として捕え、その情報信号を画像処理部に入力す
るとともに予め画像処理部内に記憶せしめておいた基準
の溶接現象モードにもとづく基準の輝度レベルおよび輝
度分布のうちの少なくともいずれかと比較せしめること
によって溶接状態が適正レベルに対してどのようなレベ
ルにあるかの判断を行わせる。

次に前記判断結果にもとづく画像処理部からの出力信
号を信号補正部に入力して、ワークコイルまたは接触子
に電源部から供給する電力値を補正せしめることによっ
てＶ字状ギャップの対向する縁部に供給される溶接電力
を自動制御するものである。

または画像処理部からの出力信号を信号補正部に入力
して溶接状態を表示したり警報を発するものである。

このように溶接点近傍での輝度レベル又は輝度分布を
監視し、溶接電力の自動入熱制御を行わせることによっ
て常に補正状態（レベル）を維持して管素材の電縫管溶
接を行うものである。

F.実施例以下に本発明の実施例を第１図〜第５図によって説明
する。

第１図ほ本発明の実施例に係る電縫管溶接装置の入熱
制御方法およびその装置を示し、20は電縫管溶接におけ
る溶接部位を側面より見たものである。第２図は溶接部
位20を上方より見た平面図である。第１図および第２図
において、５はCCD素子を備えたカメラで、管素材１の
溶接点1a上に配設されている。６はカメラ５からのアナ
ログ画像信号S₁をデイジタル画像信号S₂に変換するアナ
ログ／デイジタル変換器、７はデイジタル画像信号S₂を
格納する画像メモリ、８は予め設定された画像パターン
を格納しておくための設定メモリ、９は演算処理部（CP
U）で、画像メモリ７の画像メモリ信号S₃と設定信号S₄
をもとに演算処理して画像解析を行うとともにその解析
された画像の判定を行う。これらのA/D変換器6,画像メ
モリ7,設定メモリ８および演算処理部（CPU）９によっ
て画像処理部10が構成され、この画像処理部10の処理信
号をもとに種々の制御を実行する。

11は信号補正部で、CPU9の判別信号S₅に基づいて適正な
電気制御信号を得るものである。すなわち、信号補正部
11は信号変換回路12と信号制御回路13によって構成さ
れ、画像判別信号S₅を電気信号に変換し、該電気信号を
修正する。信号制御回路13は加熱部であるワークコイル
3aへの供給電力設定信号と変換回路12の電気信号S₆に基
づいて電力制御信号S₇を出力する。14は電力制御部で、
電力制御信号S₇に基づいてワークコイル3aに電力を供給
する。15は警報回路、16は表示部である。

第１図に示す装置の動作をさらに詳しく説明すると、
まず横×縦方向にｎ×ｍ個のCCD素子を備えたカメラ５
は第４図（Ａ）〜（Ｄ）に代表例を示した溶接点の状態
を各CCD素子ごとにその対応する位置の輝度レベル（従
って全体としては輝度分布パターン）としてとらえ、ス
キャニングによる画像信号S₁を出力する。画像信号S₁は
輝度信号であって、ｎ×ｍ個のCCD素子よりなるカメラ
５の受光体からの電気信号である。この電気信号は、A/
D変換器６によってデイジタル信号S₂に変換された後、
ｎ×ｍ個の各画素ごとの輝度Cd/M²を例えば128の段階の
レベルに解析したデイジタル量として画像メモリ７に格
納される。画像メモリ７内の画像データS₃はCPU9に入力
される。CPU9は、画像データS₃を受け入れ、第３図に示
す、横×縦方向にｎ×ｍ個の各画素の輝度レベルに従っ
て、例えば第３図のパターンP₁,P₂に示すようにデイジ
タル計測を行う。第３図の各パターンP₁,P₂は各画素ご
との輝度分布をX,Y軸方向の位置関係で示したものであ
る。

第３図に例示したパターンは溶接点1aの近傍における
前記の第４図（Ｃ）に示した溶接現象モードに相当する
ものであって第３図におけるP₁で囲まれた部位は最も輝
度レベルの高い部分であって第４図（Ｃ）の溶接金属1e
に相当する。また第３図におけるP₁の外側でP₂で囲まれ
た部位は２番目に輝度レベルの高い部分であって、第４
図（Ｃ）の溶融金属1eの周囲の高温に加熱されたエッジ
部1b,1cに相当する。CPU9は、一方で設定メモリ８に予
め記憶していた基準値といての複数の基準の輝度レベル
および輝度分布データS₄を受け入れ、画像メモリ７から
の信号S₃にもとづく前記の第３図のパターンを基準デー
タS₄と比較してその形状（輝度分布）や輝度レベルから
溶接状態が適正レベルに対してどのようなレベルにある
かを判断することによってＶシームを形成する対向エッ
ジ部への投入電力の適否を判断して画像識別信号S₅を信
号補正部11に入力する。

なおCPUにおいて、カメラ５がとらえた溶接現象モー
ドにもとづく輝度レベルおよび輝度分布データ（S₃）を
複数の基準データ（S₄）と比較せしめるには、例えば最
も単純な方法の１例としては前記の第３図のパターンに
あけるP₁で囲まれた部分のＸ方向の長さを基準データの
基準長と比較することでよい。即ちこれによって前記の
第４図（Ａ）〜（Ｄ）における溶融金属1eの存在する部
位の長さから溶接状態（レベル）の適否を判断すること
ができる。

信号補正部11においては、信号変換回路12が、CPU9か
らの画像判別信号S₅を電気信号S₆に変換すると共に修正
して信号制御回路13,警報回路15および表示部16に入力
する。信号制御回路13は信号変換回路12の電気信号S₆と
電力設定基準信号を比較して電力制御信号S₇を電力制御
部14に入力する。電力制御部14は電力制御信号S₇に応じ
てワークコイル3aへの供給電力の電圧を調整する。

なお前記の画像処理部10内のCPU9での比較判断処理に
際しての設定メモリ８にに予め記憶せしめる基準値の数
を増やすほど高精度で溶接電力の補正を行うことができ
る。または基準値の数をふやす代わりにリニアライザー
による処理を行わせることによってもよい。

また第５図（Ａ），（Ｂ）は第４図と同じく溶接点1a
近傍を上方から見た拡大図であって溶接現象モードを示
すとともに管素材１のねじれ等のために対向する縁部1
b,1cや溶接点1aがスクイズロール2aおよび2bの中間であ
る中心線Ｏ−Ｏから左または右方へずれている。このよ
うなずれが顕著になると左右の演舞1b,1cにおける加熱
条件や溶接条件がアンバランスになり溶接結果が不良と
なる。

前述のように溶接点近傍における溶接現象モードを輝
度レベルおよび輝度分布としてカメラ５によってとらえ
てその出力情報S₁を画面処理部10に入力して画面解析を
行う際にこのような溶接点1aの左右へのずれもまた前記
の第３図における基準線（Ｘ）に対する画像のずれとし
てそのずれ量を識別することができる。従ってこのずれ
量にもとづいて警報回路15によって警告を発したり表示
部16に表示したりまたは管素材のねじれを修正するため
の信号を出してワークコイル3aの前方にある図示されて
いない成形ロール部を自動調整することによって溶接点
の左または右方へのずれを自動的に修正制御することも
できる。

同様にまた画像処理の結果から溶接点1aにおける左右
の縁部1b,1cの突合せ段差の有無や縁部の突合せ状態の
適否を識別，判断して警告を発したり表示したりまたは
自動修正制御を行うこともできる。

なおカメラでの撮像における溶接点付近での水や水蒸
気，スパッタ等の外乱要因の影響を避けるためには、上
記の画像処理において画素輝度の微分信号（輝度変化
量）を得るようにすれば、前記の外乱を除去して該外乱
の影響なしに測定，識別をすることができる。

上述の電縫管溶接装置の入熱制御方法および装置によ
れば、制御応答速度として02秒以下の制御周期にて良好
な自動入熱制御を実現できると共に、溶接点における温
度計測に通常使用される２色温度計による温度の計測が
溶接温度が低いために困難であったアルミ系，銅系の材
料にも使用できる。また溶接点における溶接現象モード
は縁部への投入電力量のほかに管素材の板厚の変動や移
送速度の変動などの要因をすべて含んだ総合的な結果と
しての溶接レベルに対応するものでこのような絶対的な
溶接レベルを直接計測することからより総合的に溶接条
件を制御することができ、溶接入熱制御および異常状態
の判別を従来よりはるかに総合的に精度よく行うことが
できるとともに安値に実施することが可能となり、電縫
管溶接における溶接品質の向上とシステムの自動化に寄
与できる。

G.発明の効果本発明は電縫管溶接の際の溶接電力を適正値に自動制
御するものにおいて、前述のように被加工物である管素
材の板厚の変動や移送速度の変動等の該乱要因による影
響はすべて包含し、最終的な溶接レベルに直接的に対応
する現象である溶接点近傍での輝度レベル又は輝度分布
としてとらえて画像処理を行うことにより、最も好まし
い溶接電力の自動入熱制御を行うようにしたものである
ので、従来より高精度のかつ総合的な自動入熱制御を実
施することができると共に適確な異常警報および表示を
行うことができる。

従って常に最適溶接条件で高品質の電縫管溶接を実施
できるので、安定して高品質の電縫管を製造できると共
に製品の歩留まりを向上できる効果が大きい。

また測定上の難点を有していた従来の温度計による溶
接点近傍の温度の計測手段やＶ字状ギャップの縁部を流
れる高周波電流値の計測手段などおよびこれらの計測結
果にもとづくフィードフォワード制御手段等が不要とな
り従ってまたこれらのための費用も不要になるという効
果がある。

本発明はさらにまた溶接点の温度が低いため、従来溶
接点近傍の温度計測にもとづく溶接電力の有効な自動制
御が難しく、このため従来正確な自動入熱制御を実施す
ることが難しかったアルミ系や銅系の管材の電縫管溶接
にも適用して溶接電力の自動入熱制御を高精度で行うこ
とができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電縫管溶接入熱制御装置のブロッ
ク図、第２図は電縫管溶接における溶接部位を示す平面
図、第３図は溶接部位における画像パターン図、第４図
（Ａ）〜（Ｄ）は溶接点近傍における溶接現象モードを
示す図、第５図（Ａ），（Ｂ）は溶接状態の異常を示す
図、第６図（Ａ）は誘導式高周波電縫管溶接を示す斜視
図、第６図（Ｂ）は接触式高周波電縫管溶接を示す斜視
図である。１……管素材、1a……溶接点、1b,1c……縁部、3a……
ワークコイル、５……カメラ、６……アナログ／デイジ
タル変換器、７……画像メモリ、８……設定メモリ、９
……演算処理部、10……画像処理部、11……信号補正
部、12……信号変換回路、13……信号制御回路、14……
電力制御部、15……警報回路、16……表示部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム系や銅系の物質からなる管素
材をＶ字状ギャップを有する管状に成形し、該Ｖ字状ギ
ャップの対向する縁部をその縁部同志が接合する溶接点
で連続的に電気溶接する電縫管溶接の自動入熱制御方法
において、撮像手段により溶接点近傍の輝度レベル又は
輝度分布を画像信号として捕え、該画像信号を予め設定
しておいた溶接点近傍での基準となる輝度レベルおよび
輝度分布のうちの少なくともいづれかと比較して溶接状
態の適否を判別するとともに、該判別結果にもとずいて
溶接電力を制御することを特徴とする電縫管溶接の入熱
制御方法。
【請求項２】アルミニウム系や銅系の物質からなる管素
材をＶ字状ギャップを有する管状に成形し、該Ｖ字状ギ
ャップの対向する縁部をその縁部同志の接合点で連続的
に電気溶接する電縫管溶接装置において、溶接点近傍の輝度レベル又は輝度分布を検出し画像信号
を得る撮像手段と、該撮像手段による画像信号と予め設
定された溶接点近傍における基準の輝度レベルおよび輝
度分布のうちの少なくともいづれかをもとに溶接状態の
適否を判別する画像処理部と、該画像処理部の判別信号を修正して電気信号に変換する
とともに、該電気信号を溶接電力レベルに対する補正信
号に変換する信号補正部と、該信号補正部の補正信号を
入力として溶接電力を制御する電力制御部によって構成
したことを特徴とする電縫管溶接の入熱制御装置。
【請求項３】特許請求の範囲第２項の電縫管溶接の入熱
制御装置において、さらに前記信号補正部の補正信号を
入力として溶接状態を表示する表示部によって構成した
ことを特徴とする電縫管溶接の入熱制御装置。
【請求項４】特許請求の範囲第２項又は第３項の電縫管
溶接の入熱制御装置において、前記信号補正部の電気信
号を入力とし、前記溶接状態が適正状態を逸脱したとき警報を発する警
報回路を有する構成したことを特徴とする電縫管溶接の
入熱制御装置。