JP4138929B2 - 高周波造管方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に電縫管と呼ばれる金属管を、高周波誘導溶接によって連続的に製造する高周波造管方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、高周波電流を用いて溶接する造管方法は、生産性が極めて高いことから、広く用いられており、その制御に関しても多くの提案がなされている。基本的には、溶接部に流れる電流を制御することが望ましいことから、造管速度に対し一定割合の電流とする制御方法、電流を検知してフィードバック制御する方法や、接合点の温度や加熱状態を計測し、これらを一定とするように一次側の投入電力を一定とする制御方法等が公知となっている。
【０００３】
たとえば特開昭５５−１０９５８２には、溶接負荷の変化を検出し、フィードバックによって溶接電流を一定に制御する方法が開示されている。特開平２−２５５２８３には、溶接点の温度および高周波発信回路に流れる電流を検出し、これらの検出結果に基づいて溶接電圧を制御する方法が開示されている。第２５０４０５６号特許公報（特開昭６３−３０３６８４）には、溶接点近傍を撮像し、輝度レベルに基づいて溶接状態の適否を判別し、判別結果に基づいて溶接電力を制御する方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような公知となっている方法では、高周波造管の際に、いずれも電気的に加熱状態を一定に制御しようとする考え方が基本となっている。しかしながら、高周波造管においては、成形状態によっても溶接結果は大きく影響を受け、また接合点の位置が変動すると、従来技術で制御のために検出しようとするパラメータが変動してしまう。すなわち、溶接結果を安定させるためには、成形状態を制御することが不可欠なはずであるけれども、従来技術にはそのために適切な対策を行う考え方が示されていない。このため微小欠陥などの発生を防止することも困難である。
【０００５】
本発明の目的は、成形状態を制御して溶接結果を安定させることができる高周波造管方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多段の成形ロールで金属帯を順次円形に成形し、金属帯の両側縁部が突き合される接合点付近を高周波誘導溶接する高周波造管方法において、溶接部を撮像手段によって監視して接合点を検出し、接合点が一定位置となるように成形ロールの押付力を制御しながら、高周波誘導電流を検出し、検出する電流値が一定となるように溶接電流を制御することを特徴とする高周波造管方法である。
【０００７】
本発明に従えば、撮像手段によって溶接部の監視を行い、発熱して輝度が高くなる位置を接合点の位置として、その位置が一定位置となるように成形条件を制御しながら、高周波誘導電流が一定となるように電気的な制御を行う。加熱状態に直接関連する高周波誘導電流の検出に対し、独立に撮像手段による溶接部の監視を導入するので、電気系統の制御とは切離して成形条件の制御を行うことができる。成形条件の制御によって接合点が一定位置となる定常な状態とした上で電流検出による溶接状態の制御を行うので、溶接結果を安定させることができる。
【０００８】
また本発明で前記成形ロールの押付力の制御は、前記多段の成形ロールのうち、前段側に配置されるブレイクダウンパスの押付力の増減によって行うことを特徴とする。
【０００９】
本発明に従えば、多段の成形ロールのうちで、前段側に配置されるブレイクダウンパスの押付力の増減によって成形条件の制御を行う。押付力を強くすると、金属帯の端縁部を曲げるブレイクダウンパスでは曲げのスプリングバック量が小さくなり、フィンパスで両端縁部を突き合わせるように成形し、スクイズロールで幅方向の両側から加圧すると、接合点位置が上流側にずれてスクイズロールから離れるようになる。逆に押付力を弱くすると、接合点位置はスクイズロールに近付いて下流側に変化する。押付力の調整で、広い範囲の位置調整を行うことができる。
【００１０】
また本発明で前記成形ロールの押付力の制御は、前記多段の成形ロールのうち、後段側に配置されるフィンパスの押付力の増減によって行うことを特徴とする。
【００１１】
本発明に従えば、多段の成形ロールの後段側に配置されるフィンパスで押付力を強くすると、金属帯の対向する両端縁部間の間隙が狭くなるので、接合点は上流側に移動し、スクイズロールから離れる。押付力を弱くすると、接合点は下流側に移動してスクイズロールに近付く。接合点に近い位置で調整するので、応答性の良い調整を行うことができる。
【００１２】
また本発明で前記成形ロールの押付力の制御は、前記多段の成形ロールのうち、最終段に配置されるシームガイドロールの押付力の増減によって行うことを特徴とする。
【００１３】
本発明に従えば、成形ロールの最終段にシームガイドロール設け、その押付力を強くして接合点の位置を上流側に変化させ、押付力を弱くして下流側に変化させることができる。接合点の位置に最も近い位置で調整するので、応答性の良い調整を行うことができる。
【００１４】
また本発明の前記撮像手段による監視では、撮像した画像を接合点を含む高輝度領域と周囲の低輝度領域とに二値化して分け、高輝度領域の重心位置として接合点位置を算出することを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、撮像手段は溶接部を監視して画像を撮像する。溶接部では金属帯が高周波誘導電流によって加熱される。接合点は溶接電流が最も集中するので最も高温度になり、輝度が高くなる。溶接部の温度は、接合点から離れるに従って低下するので、画像中の輝度は低くなる。画像を二値化し、高輝度領域と低輝度領域とに分けると、ほぼ円形の高輝度領域が得られ、その中心が接合点となる可能性が高くなる。高輝度領域の形状の重心位置を接合点として算出するので、高輝度領域の形状が円形に近ければ、画像データの演算処理で容易に接合点の位置を精度よく算出することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態として高周波造管を行うために必要な構成を示す。素材となる金属帯１は、成形機２で、平たい帯状の状態から円筒状の状態に曲げられる。誘導コイル３は、成形機２によって円筒状に成形された素材に電磁誘導によって高周波電流を流し、金属帯１の両側縁がスクイズロール４で閉じられる部分に形成される溶接部５の接合点６を集中的に加熱する。これによって金属帯１の側縁部は溶融して接合し、電縫管７が得られる。誘導コイル３には、発振機８から高周波電流が供給される。この高周波電流の周波数は、４００ｋＨｚ前後である。溶接条件を安定化させるため、発振機８の出力は発振機制御装置９によって制御される。発振機制御装置９には、電流センサ１０が検出する溶接電流に応じた検出出力を、増幅器１１で増幅し、記録器１２で記録しながらフィードバックする。
【００１７】
本実施形態では、溶接部５を撮像手段であるカメラ１３で監視する。ＣＣＤなどを用いるカメラ１３によって撮像される画像は、マトリクス状に配置されるＣＣＤの各受光素子毎にアナログの画像信号として出力され、画像処理装置１４で二値化され、高輝度に対応する二値化画像の重心を算出して、接合点６の位置を求めることができる。画像処理装置１４によって求められる接合点６の位置は、成形機制御装置１５に入力され、後述するようなフィードバック制御によって、接合点６の位置を一定位置とするような成形機２の制御が行われる。
【００１８】
図２は、図１に示す成形機２の内部でのロール配置の一例を示す。成形機２は、複数段の成形ロールが上流側から下流側に順次配置されて形成される。最上流側にはプレフォームロール２０が配置される。成形機２の前半部分には、ブレイクダウンパスを構成するブレイクダウンパス用ロール２１，２２，２３，２４が配置される。成形機２の後半部分には、フィンパスを構成するフィンパス用ロール２５，２６，２７が配置される。これらのブレイクダウンパス用ロール２１〜２４およびフィンパス用ロール２５〜２７は、モータによって駆動され、さらに駆動を行わないアイドルロール２８，２９も適宜配置される。成形機２の最終段で、スクイズロール４の直前には、シームガイドロール３０が配置される場合がある。これらの各ロールは、軸線が水平であり、その他に軸線が鉛直で金属帯１の幅を規制するサイドロール３１，３２，３３，３４も配置される。図３（ａ），（ｂ）は、図２に示すブレイクダウンパス用ロール２１〜２４およびサイドロール３１〜３４の部分の概略的な構成をそれぞれ示す。図３（ａ）に示すブレイクダウンパス用ロール２１〜２４では、上ロール４０と下ロール４１との間で金属帯１の曲げ加工を行う。金属帯１の両側縁部は、ケージロール４３，４４で支える。図３（ｂ）に示すサイドロール３１では、ケージロール４５，４６，４７，４８によって金属帯１の中間的な形状を保持する。
【００１９】
図４は、図２に示すような成形機２で電縫管７が製造される過程を示す。図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図２のブレイクダウンパス用ロール２１，２２，２３によって成形される状態をそれぞれ示す。図４（ｄ），（ｅ），（ｆ）は、図２のフィンパス用ロール２５，２６，２７によって成形される状態をそれぞれ示す。ブレイクダウンパスの段階では、金属帯１を大略的に断面が半円形となる程度まで曲げる。フィンパスの状態では、断面が半円形となった金属帯１をさらに両側縁部が突合わされて閉じる状態まで曲げる。
【００２０】
図５は、図１に示す成形機制御装置１５によって成形条件を制御する具体的な方法を示す。図５（ａ）は、ブレイクダウンパス用ロール２１〜２４で、上ロール４０の下ロール４１に対する押付力を増減して、図１の接合点６の位置を調節する考え方を示す。ブレイクダウンパスでは、金属帯１の端を曲げる。押付力を大きくして強く曲げると、金属帯１のスプリングバック量が小さくなるので、図１に示すような接合点６に向けて金属帯１の両縁部間の距離が縮まっていくＶ字状の部分の間隔が小さくなり、接合点６の位置が上流側に移動してスクイズロール４から離れる。押付力を弱くすると、スプリングバック量が小さくなるので、金属帯１の両縁部間の距離が大きくなり、接合点６の位置が下流側にずれてスクイズロール４に近付く。ブレイクダウンパス用ロールでの金属帯１の側縁部の成形では、押付力に対するスプリングバック量の変化が大きいので、広い範囲で接合点６の位置を調整することができる。この効果は、前段側ほど大きくなるので、１段目のブレイクダウンパス用ロール２１について押付力を制御することが好ましい。
【００２１】
図５（ｂ）では、フィンパス用ロール２５〜２７で上ロール５０の下ロール５１に対する押付力を調整し、接合点６の位置を制御する。押付力を大きくすると、金属帯１の側縁部間の間隔が縮まり、接合点６の位置を上流側に移動させて、スクイズロール４から遠ざけることができる。押付力を少なくすれば、接合点６の位置は下流側に移動し、スクイズロール４に近付けることができる。
【００２２】
図５（ｃ）では、シームガイドロール３０を成形機２の最終段に用いる場合に、その押付力で接合点６の位置を制御する。シームガイドロール３０の押付力を大きくすれば、フィンパス用ロール２５〜２７と同様に、接合点６の位置を上流側に移動させ、押付力を弱くすれば下流側に移動させることができる。シームガイドロール３０は、成形機２の最終段に設けられ、接合点６の位置に近いので応答性の良好な制御を行うことができる。シームガイドロール３０を用いない場合は、図５（ｂ）に示すフィンパス用ロール２５〜２７での押付力の制御でも、ブレイクダウンパス用ロール２１〜２４に比較すれば接合点６に近い位置での制御となるので、応答性を良くすることができる。
【００２３】
図６は、溶接部５付近で電縫管７が製造されている状態を示す。誘導コイル３によって誘導される誘導電流６０は、誘導コイル３よりも下流側の接合点６に集中して流れる。接合点６付近は誘導電流６０によって高温に加熱され、金属帯１の両側縁部分が溶融して接合する。接合点６から離れると、温度は低下する。したがって、接合点６の周囲には、高温領域６１が生じ、高温であるほど白熱してＣＣＤなどを用いる図１のカメラ１３が撮像する画像の輝度は高くなる。カメラ１３の出力する画像信号を、適切な基準レベルの上下で弁別して、二値化すると、高温領域６１に対応する形状の二値化画像が得られ、その重心位置を演算する画像処理を行えば、接合点６の位置を精度よく算出することができる。
【００２４】
図７は、接合点６の位置と成形や溶接の条件との関係を示す。溶接条件で加熱を大にすれば加熱が小のときに比較して、接合点位置は下流側にずれる。成形機２のブレイクダウンパス用ロールでの押付力を強くすれば、スプリングバック量が小さくなって接合点位置は上流側にずれ、弱くすれば下流側にずれる。またスクイズロール４が電縫管７を幅方向の両側から加圧する加圧力を小さくすると、接合点６の位置は下流側に移り、加圧力を大きくすると上流側に移る。
【００２５】
スクイズロール４の加圧は、溶接品質の点から固定することが望ましい。したがって、電縫管７の製造で制御を行うべき対象は、誘導加熱と成形との２つのパラメータである。本実施形態では、溶接電流によって示される加熱状態を、図１の電流センサ１０によってモニタし、発振器制御装置９を介して発振器８にフィードバックして制御する。成形状態は、カメラ１３で接合点６の位置を検出し、接合点６の位置が一定となるように成形機制御装置１５によって成形機２を制御する。このような別の方法によるモニタリングに従って、接合点６の位置と加熱状態とを一定に保つ制御を行うことができる。したがって、予め製品製造に適切な製造条件を定めておけば、その適正な製造状態を保って安定な品質の電縫管７を製造することができる。
【００２６】
次の表１は、図１に示す実施形態で、加熱電流を一定に保って造管を行った結果を示す。造管条件として、速度は７０ｍ／ｍｉｎであり、入熱設定はそれぞれの場合の適性条件とする。適性条件は、条件設定の段階のテストで欠陥発生がみられない条件として決定する。金属帯１の素材としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４１０ＬおよびＳＵＳ４３０ＬＸで、これらはオーステナイト系ステンレス鋼、フエライト系ステンレス鋼およびマルテンサイト系ステンレス鋼としてそれぞれ代表的な鋼種であり、板厚１〜２ｍｍの素材を用いている。比較例として、電流制御または溶接点制御を行わない場合も合わせて示す。品質の評価としては、密着扁平試験を行い、割れ、ピンホール状の微小欠陥の発生率で評価を行っている。次の表１に示す造管の結果では、本実施形態による電縫管７であるパイプの品質は極めて安定しており、欠陥の発生は全く見られないことが判る。一方、比較例では、造管開始時には欠陥発生のない条件で設定しているにもかかわらず、１％以下程度の割合で欠陥が発生していることが判る。すなわち、本実施形態のように成形条件を安定化させた状態で溶接条件を安定化させないと、微小欠陥の撲滅はきわめて困難である。
【００２７】
なお、電縫管７の素材となる金属帯１は、表１に示すもの以外のステンレス鋼や、他の鉄系または非鉄系の材料を同様に使用することができる。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、接合点の位置が一定となるように撮像手段で監視して接合点を検出し、成形ロールの押付力を制御した上で、電気的な制御により高周波誘導電流値が一定となるように制御するので、予め求めてある適正な溶接状態を安定に保って管を製造することができる。
【００３０】
特に、本発明では従来の高周波造管方法では発生の撲滅が極めて困難と考えられている微小欠陥の発生を防止することができ、産業上の効果は極めて大きい。
【００３１】
また本発明によれば、成形段階の初期に行われるブレイクダウンパスで押付力を増減して接合点の位置を調整するので、広い範囲にわたって接合点の位置の調整を行うことができる。
【００３２】
また本発明によれば、成形の後半に行われるフィンパスで押付力を調整して、接合点の位置を制御するので、応答性の良い制御を行うことができる。
【００３３】
また本発明によれば、成形ロールの最終段にシームガイドロールを配置する場合に、その押付力で接合点の位置を制御するので、応答性の極めて高い制御を行うことができる。
【００３４】
また本発明によれば、接合点の位置を撮像手段が撮像した画像を二値化し、高輝度領域の重心として算出するので、画像データの演算処理から接合点の位置を容易に求めて、求められた接合点の位置に基づく成形条件の制御を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の概略的な構成を示すブロック図である。
【図２】図１の成形機２における成形ロールの配置を示す簡略化した平面図である。
【図３】図２のブレイクダウンパスにおけるロールの構成を示す部分的な正面図である。
【図４】図２の成形機２で金属帯１が成形される状態を示す部分的な正面断面図である。
【図５】図２の成形機２で成形条件の制御を行う考え方を示す部分的な正面断面図である。
【図６】図１の実施形態で接合点６付近での溶接状態を示す概略的な平面図である。
【図７】図１の実施形態で接合点６の位置と溶接条件、成形条件および加圧条件との関係を示す簡略化した平面図である。
【符号の説明】
１ 金属帯
２ 成形機
３ 誘導コイル
４ スクイズロール
５ 溶接部
６ 接合点
７ 電縫管
８ 発振器
９ 発振器制御装置
１０ 電流センサ
１３ カメラ
１４ 画像処理装置
１５ 成形機制御装置
２１〜２４ ブレイクダウンパス用ロール
２５〜２７ フィンパス用ロール
３０ シームガイドロール
４０，５０ 上ロール
４１，５１ 下ロール

Claims (5)

1. 多段の成形ロールで金属帯を順次円形に成形し、金属帯の両側縁部が突き合される接合点付近を高周波誘導溶接する高周波造管方法において、溶接部を撮像手段によって監視して接合点を検出し、接合点が一定位置となるように成形ロールの押付力を制御しながら、高周波誘導電流を検出し、検出する電流値が一定となるように溶接電流を制御することを特徴とする高周波造管方法。
2. 前記成形ロールの押付力の制御は、前記多段の成形ロールのうち、前段側に配置されるブレイクダウンパスの押付力の増減によって行うことを特徴とする請求項１記載の高周波造管方法。
3. 前記成形ロールの押付力の制御は、前記多段の成形ロールのうち、後段側に配置されるフィンパスの押付力の増減によって行うことを特徴とする請求項１記載の高周波造管方法。
4. 前記成形ロールの押付力の制御は、前記多段の成形ロールのうち、最終段に配置されるシームガイドロールの押付力の増減によって行うことを特徴とする請求項１記載の高周波造管方法。
5. 前記撮像手段による監視では、撮像した画像を接合点を含む高輝度領域と周囲の低輝度領域とに二値化して分け、高輝度領域の重心位置として接合点位置を算出することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高周波造管方法。

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