JP5079929B2 - 高周波抵抗溶接及び誘導加熱溶接の操業管理装置、操業管理方法及び操業管理プログラム - Google Patents

Description

本発明は、金属板を搬送しながらロール群により連続的に円筒状に成形し、Ｖ字を形成しながら収束するこの金属板の両端部を加熱溶融させて突合せる高周波抵抗溶接または誘導加熱溶接（以下、電縫溶接と称する）を管理する操業管理装置、操業管理方法及び操業管理プログラムに関する。
本願は、２０１０年３月２３日に、日本に出願された特願２０１０−６６３５７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

石油又は天然ガス用ラインパイプ、油井管、原子力用、地熱用、化学プラント用、機械構造用及び一般配管用のパイプ等の広い分野において電縫鋼管が使用されている。電縫鋼管の製造設備では、帯状の鋼板を搬送しながらその両端部（周方向両端部、両端縁）が徐々に対向するようにロール群により連続的に円筒状に成形しつつ、この両端部が互いに対向しながら突合う部分であるＶ字収束部を加熱により溶融させて突合せる。この電縫溶接に際しては、入熱量を適正な範囲に制御して入熱不足及び過入熱を避ける必要がある。

この種の技術として、特許文献１には、鋼板の板厚ｔ（ｍｍ）と突合せ角度φとが下式（１０１）を満足する条件において、溶接金属を含む衝合点とその近傍を撮影し、得られた画像データに基づいて、未溶着時の溶接点を原点に設定したときに、溶接点の位置が溶接方向に−２．０ｍｍ以下となるように入熱量を制御する電縫鋼管の製造方法が開示されている。
０≦φ≦ｔａｎ（０．４／ｔ）^−１・・・（１０１）

また、特許文献２には、ワークの溶接点近傍箇所を高速度カメラにより連続撮影し、その撮影画像を基に、溶接点からＶ字収束位置までの狭間隙部の長さを計測し、この計測した狭間隙部の長さＬが下式（１０２）を満たすように電縫溶接の溶接入熱を調整する電縫溶接管の製造方法が開示されている。
０．２５９ｔ＋０．０１３ｄ−０．００５４８ｖ−６．１６＜Ｌ＜０．２５９ｔ＋０．０１３ｄ−０．００５４８ｖ＋２３．８４・・・（１０２）
ｔ：金属帯の板厚（ｍｍ）、ｄ：管の外径（ｍｍ）、ｖ：溶接速度（ｍｍ／ｓ）

日本国特開２００８−２１２９６１号公報 日本国特開２００９−２３３６７８号公報

重ねおよび突合せシーム溶接、溶接学会技術資料Ｎｏ．１０（１９８９年１１月）、溶接学会軽構造接合加工研究委員会編

しかしながら、特許文献１に開示されている方法は、突合せ角度φが式（１０１）を満足する場合にのみ適用可能であり、突合せ角度φが式（１０１）を満足しない突合せ状態が発生した場合に適用することができないと思われる。

また、特許文献２に開示されている方法では、溶接点からＶ字収束位置までの狭間隙部の長さＬがＶ収束角に依存し、この長さＬとＶ収束角とが加熱効率に大きな影響を与え、これらの値がロールの偏心及び材料の状態によって容易に変動するため、溶接管理の精度が低いと考えられる。特に、非特許文献１に記載されているような電縫溶接の理論式（下記式（１０３））を考慮すると、入熱当量Ｑが幾何学的なＶ収束角θに依存するため、特許文献２では、溶接管理の精度が低いと思われる。
Ｑ＝ｋＰｖ^−０．６ｌ^{−０．５５}θ^{−０．１５}ｔ^{−０．８５}・・・（１０３）
Ｐ：溶接電力、θ：幾何学的なＶ収束角
ｌ：給電距離、ｋ：ライン構成により決まる定数

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、広範囲の突合せ状態において突合せ面の一部が未溶融で接合されていない冷接欠陥及び突合せ面に酸化物が存在するペネトレータ欠陥のない電縫溶接を可能にすることを目的とする。

（１）本発明の一態様に係る高周波抵抗溶接及び誘導加熱溶接の操業管理装置は、帯状の金属板を搬送しながらその両端部が徐々に互いに対向するように円筒状に成形しつつ、この両端部が互いに対向して突合う部分であるＶ字収束部を溶接する高周波抵抗溶接または誘導加熱溶接の操業管理を行う装置であって、前記Ｖ字収束部を含む領域の画像に基づいて、前記金属板の前記両端部が幾何学的に交わる第一のＶ収束点と、前記金属板の前記両端部の衝合点である第二のＶ収束点との距離Ｌ［ｍｍ］、及び、この第一のＶ収束点でのＶ収束角θ［°］を測定する測定部と；前記距離Ｌ［ｍｍ］及び前記Ｖ収束角θ［°］が下式（１）を満たすか否かを判定する判定部と；を備える。
Ｌ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}≦Ｌ≦３５・・・（１）
Ｌ_ｍｉｎ［ｍｍ］：予め設定された基準距離
θ_ｓｔ［°］：予め設定された基準角度
（２）上記（１）に記載の高周波抵抗溶接及び誘導加熱溶接の操業管理装置は、前記測定部で測定した距離Ｌ［ｍｍ］及びＶ収束角θ［°］が前記式（１）を満たすように入熱量を制御する制御部をさらに備えてもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載の高周波抵抗溶接及び誘導加熱溶接の操業管理装置では、前記測定部が、前記画像を２値化して２値化画像を生成し、前記２値化画像から前記金属板の前記両端部を決定し、Ｖ字を形成しながら収束する方向の所定の範囲で前記金属板の前記両端部を直線近似して２本の近似直線を生成し、これら近似直線の交点を前記第一のＶ収束点として検出する第１の検出部を備えてもよい。
（４）上記（１）または（２）に記載の高周波抵抗溶接及び誘導加熱溶接の操業管理装置では、前記測定部が、前記画像を２値化して２値化画像を生成し、前記２値化画像から前記第二のＶ収束点を検出する第２の検出部を備えてもよい。
（５）上記（１）または（２）に記載の高周波抵抗溶接及び誘導加熱溶接の操業管理装置では、前記測定部が、前記画像を２値化して２値化画像を生成し、この２値化画像から前記金属板の前記両端部を決定し、Ｖ字を形成しながら収束する方向の所定の範囲で前記金属板の前記両端部を直線近似して２本の近似直線を生成し、これら近似直線の交点を前記第一のＶ収束点として検出する第１の検出部と；前記画像を２値化して２値化画像を生成し、この２値化画像から前記第二のＶ収束点を検出する第２の検出部と；を備えてもよい。
（６）本発明の一態様に係る高周波抵抗溶接及び誘導加熱溶接の操業管理方法は、帯状の金属板を搬送しながらその両端部が徐々に互いに対向するように円筒状に成形しつつ、この両端部が互いに対向して突合う部分であるＶ字収束部を溶接する高周波抵抗溶接または誘導加熱溶接の操業管理を行う方法であって、前記Ｖ字収束部を含む領域を撮影装置により撮影して画像を生成し；前記画像に基づいて、前記金属板の前記両端部が幾何学的に交わる第一のＶ収束点と、前記金属板の前記両端部の衝合点である第二のＶ収束点との距離Ｌ［ｍｍ］、及び、この第一のＶ収束点でのＶ収束角θ［°］を測定し；前記距離Ｌ［ｍｍ］及び前記Ｖ収束角θ［°］が下式（２）を満たすか否かを判定する。
Ｌ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}≦Ｌ≦３５・・・（２）
Ｌ_ｍｉｎ［ｍｍ］：予め設定された基準距離
θ_ｓｔ［°］：予め設定された基準角度
（７）本発明の一態様に係る高周波抵抗溶接及び誘導加熱溶接の操業管理プログラムは、帯状の金属板を搬送しながらその両端部が徐々に互いに対向するように円筒状に成形しつつ、この両端部が互いに対向して突合う部分であるＶ字収束部を溶接する高周波抵抗溶接または誘導加熱溶接をコンピュータにより管理するプログラムであって、前記Ｖ字収束部を含む領域の画像に基づいて、前記金属板の前記両端部が幾何学的に交わる第一のＶ収束点と、前記金属板の前記両端部の衝合点である第二のＶ収束点との距離Ｌ［ｍｍ］、及び、この第一のＶ収束点でのＶ収束角θ［°］を測定する測定工程と、前記距離Ｌ［ｍｍ］及び前記Ｖ収束角θ［°］が下式（３）を満たすか否かを判定する判定工程と；を備える。
Ｌ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}≦Ｌ≦３５・・・（３）
Ｌ_ｍｉｎ［ｍｍ］：予め設定された基準距離
θ_ｓｔ［°］：予め設定された基準角度

本発明によれば、Ｖ収束角の時間変動を考慮した条件に基づいて電縫溶接の操業を管理することにより、広範囲の突合せ状態において冷接欠陥及びペネトレータ欠陥のない電縫溶接が可能になる。特に、鋼板の両端部の溶接開始から溶接終了まで、操業時における突合せ状態の時間変動に影響を受けることなく安定した溶接を行うことができる。

電縫鋼管の製造設備及び電縫溶接の操業管理装置の構成を示す概略図である。 電縫溶接の操業管理装置による操業管理方法を示すフローチャートである。 撮影装置により撮影した画像を示す模式図である。 測定部で処理を行った２値化画像を示す模式図である。 ２値化画像中の各ブロッブを示す模式図である。 抽出されたＶ字収束部のブロッブを示す模式図である。 幾何学的なＶ収束点Ｖ_１を決定する方法の一例を示す模式図である。 衝合点であるＶ収束点Ｖ_２を決定する方法の一例を示す模式図である。 Ｖ字収束部のブロッブが抽出されない２値化画像の例を示す模式図である。 ２段収束現象を説明するための鋼板の概略上面図である。 ２段収束現象を説明するための鋼板端部の縦断面図である。 ２段収束現象を説明するための鋼板の概略上面図である。 ２段収束現象を説明するための鋼板端部の縦断面図である。 突合せ距離を説明するための鋼板端部の縦断面図である。 突合せ距離と入熱量との各組み合わせで溶接を行ったときの溶接品質の評価結果を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
まず、図１を参照して、電縫鋼管の製造設備の概要を説明する。図１に示すように、帯状の鋼板（金属板）１を方向Ｄ１に向かって搬送しながら、ロール群（図示せず）によりこの鋼板１を連続的に円筒状に成形する。そして、円筒状に成形される鋼板１の内部にインピーダー６を配置し、一対のコンタクトチップ７（高周波抵抗溶接に対応）又は誘電コイル（図示せず、誘導加熱溶接に対応）により鋼板１の溶接部に高周波電流Ｉ１を流しつつ、スクイズロール２によりアップセットを加える。これにより、鋼板１の周方向両端部４、４（以下では、単に端部ともいう）を方向Ｄ１に向かってＶ字状に収束させながら加熱溶融させて突合せ、鋼板１を溶融接合することができる（電縫溶接（ＥＲＷ））。

しかしながら、溶接時には、鋼板１の両端部４、４の端面が必ずしも平行ではなく、図９に示すように、突合せられた鋼板１の両端部４、４の間にギャップが生じる。このギャップの最大長さ寸法（以下、突合せ距離と称する）ｈが大きいと、正常に溶接できないことがある。さらに、この突合せ距離ｈは、溶接時に時間変動することがあり、突合せ距離ｈが大きくなった溶接部の位置で溶接品質が低下しやすい。尚、図９には鋼材の上側（鋼管の外面側）にギャップが発生する状態のみを記載しているが、下側（鋼管の内面側）にギャップが発生することもあり得る。
そこで、鋼板１の両端部４、４の突合せ状態と入熱量とを変化させて溶接品質の評価（１６０［℃］程度の高温下でのシャルピー衝撃試験）を行った。その結果、突合せ距離ｈ（図９を参照）が０．３［ｍｍ］を超える場合であっても入熱量を制御することにより正常に溶接することができた。図１０には、突合せ距離ｈ（０、０．３、０．６、０．９［ｍｍ］）と入熱量（図１０中の溶接状態Ａ〜Ｄがそれぞれ低入熱量〜高入熱量に対応する）との各組み合わせで溶接を行ったときの溶接品質の評価結果を示す。図１０中で、「不良」は、冷接欠陥またはペネトレータ欠陥が発生していることを、また、「良」は、いずれの欠陥も発生せず正常に溶接できていることを示す。溶接状態Ａでは、入熱不足のため、溶融不足に起因する冷接欠陥が発生した。特に、突合せ距離ｈが長くなるとともに、冷接欠陥の発生頻度が増加した。また、溶接状態Ｂでは、突合せ距離ｈが短ければ（突合せが平行に近ければ）正常に溶接できたが、突合せ距離ｈが長くなると冷接欠陥が発生した。さらに、溶接状態Ｃでは、入熱量が適切に制御されており、突合せ距離ｈが０．３［ｍｍ］を超えても正常に溶接できた。また、溶接状態Ｄでは、過入熱のため、冷接欠陥及び酸化した状態での圧接によって発生するペネトレータ欠陥が発生した。実操業では、板厚や突合せ時の鋼板１の両端面４、４の位置の変動（時間変動）等により突合せ距離ｈが０．３［ｍｍ］を超える場合があるため、溶接状態Ｃが理想的な溶接状態である。
すなわち、溶接状態Ａは、冷接欠陥が発生する低入熱量での溶接状態であり、溶接状態Ｂは、操業時の突合せ距離ｈが大きくなった場合に冷接欠陥が発生する低入熱量（溶接状態Ａより高い入熱量）での溶接状態である。溶接状態Ｃは、操業時の突合せ距離に依存せず、正常に溶接可能な最適入熱量（溶接状態Ｂより高い入熱量）での溶接状態である。また、溶接状態Ｄは、冷接欠陥及びペネトレータ欠陥が発生する過入熱（溶接状態Ｃより高い入熱量）での溶接状態である。なお、図１０中の総合評価は、実操業時における突合せ距離ｈの時間変動を考慮した評価を示す。図１０に示すように、溶接状態Ａ、溶接状態Ｂ及び溶接状態Ｄでは、実操業時に上記の欠陥が発生するが、溶接状態Ｃでは、実操業時に安定的に溶接を行うことができる。

本発明者らは、上述したように突合せ距離ｈが０．３［ｍｍ］を超える場合にも正常に溶接できる条件が、Ｖ収束角が２段階に変化する現象（２段収束現象と称する）と相関することを見出した。２段収束現象は、鋼板１の端部４の板厚方向の溶融部分が排出されながら突合される際に、板厚中心部が溶融して排出されるため、端部４が後退したように観察される現象である（図８Ｂを参照）。

鋼板１の上方からＶ字収束部を含む領域の自発光パターンを高精細にかつ像流れなく撮影（撮影分解能：６０［μｍ／画素］、露光時間：１／１００００［秒］の条件）して高い精度でＶ収束点を測定したところ、この２段収束現象が観測された。２段収束現象が発生すると、図８Ａに示すように、搬送方向Ｄ１の上流側に幾何学的なＶ収束点Ｖ_１（以下、第一のＶ収束点と呼ぶ）が存在し、下流側に衝合点であるＶ収束点Ｖ_２（以下、第二のＶ収束点と呼ぶ）が存在することがわかった。第一のＶ収束点は、図８Ａに破線で示すように、Ｖ字状に収束する両端部４、４が幾何学的に交わる点である。すなわち、直線近似可能な上流側の両端部４、４の接線（延長線）の交点である。また、第二のＶ収束点は、Ｖ字状に収束する両端部４、４が物理的に衝合（接触）する点である。なお、溶接点（凝固が始まる点）は、第二のＶ収束点より更に下流側に存在する。

さらに、第一のＶ収束点と第二のＶ収束点との距離Ｌは、入熱量によって変化し、入熱量が高くなるに従って第一のＶ収束点と第二のＶ収束点とが離れることが確認された。図７Ａ、７Ｂは、溶接状態Ｂで観察された２段収束現象を示し、図７Ａに示すように、第一のＶ収束点と第二のＶ収束点とが近い（略一致している）。この場合、図７Ｂに示すように、鋼板１の端部４の板厚中心部での溶融が不十分であり、冷接欠陥が発生する可能性がある。それに対して、図８Ａ、８Ｂは、溶接状態Ｃで観察された２段収束現象を示し、図８Ａに示すように、第一のＶ収束点と第二のＶ収束点とが離れている。この場合、図８Ｂに示すように、鋼板１の端部４の板厚中心部の溶融が適正になり、鋼板１の端部４、４を正常に溶接することができる。なお、図７Ｂ、図８Ｂに示す矢印は、鋼板１の端部４、４が溶融して溶融部分が排出される状態を表わす。

以上のように、２段収束現象で現れる第一のＶ収束点と第二のＶ収束点との距離Ｌが、鋼板１の端部４の板厚中心部の溶融状態と相関があることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて、この距離Ｌの適正な範囲を定め、画像処理により精度よく距離Ｌを測定することによって連続的に電縫溶接の操業を管理している。

図１に電縫溶接の操業管理装置１００の機能構成を示す。図１に示すように、鋼板１の上方に撮影装置８が配置され、鋼板１のＶ字収束部を含む領域の自発光パターン（輻射パターン）を撮影する。撮影装置８には、例えば１６００×１２００画素の３ＣＣＤ型カラーカメラが用いられ、撮影視野が５０［ｍｍ］×１００［ｍｍ］、分解能が５０［μｍ／画素］、撮影レートが４０［ｆｐｓ］、露光時間が１／１００００［秒］の条件で上記自発光パターンを撮影する。ここで、後述する画像処理のために、撮像画像中の第二のＶ収束点の位置が、定常操業時において、例えば搬送方向Ｄ１の下流側から搬送方向Ｄ１の視野幅の約１／３の位置に来るように撮像範囲を設定する。

電縫溶接の操業管理装置１００は、入力部１０１と、測定部１０２と、判定部１０３と、制御部１０４とを備える。この入力部１０１には、撮影装置８により撮影された画像データが入力される。

測定部１０２は、入力部１０１に入力された画像データに基づいて、第一のＶ収束点と第二のＶ収束点との距離Ｌ［ｍｍ］、及び、第一のＶ収束点でのＶ収束角θ［°］を測定する。測定部１０２は、第１の検出部１０２ａ、第２の検出部１０２ｂ、演算部１０２ｃを備える。第１の検出部１０２ａは、入力部１０１に入力された画像データを２値化して２値化画像を生成し、その２値化画像から鋼板１の両端部４、４を決定した後、Ｖ字状に収束する方向の所定の範囲でこの鋼板１の両端部４、４を直線近似して２本の近似直線を生成し、これら近似直線の交点を第一のＶ収束点として検出する。また、第２の検出部１０２ｂは、入力部１０１に入力された画像データを２値化して２値化画像を生成し、その２値化画像から第二のＶ収束点を検出する。さらに、演算部１０２ｃは、第１の検出部１０２ａで検出した第一のＶ収束点と第２の検出部１０２ｂで検出した第二のＶ収束点とに基づいて、第一のＶ収束点と第二のＶ収束点との距離Ｌ［ｍｍ］、及び、第一のＶ収束点でのＶ収束角θ［°］を求める。

判定部１０３は、測定部１０２で測定した距離Ｌ［ｍｍ］及びＶ収束角θ［°］が下式（４）を満たすか否かを判定する。
Ｌ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}≦Ｌ≦３５・・・（４）
Ｌ_ｍｉｎ：予め設定された基準距離
θ_ｓｔ：予め設定された基準角度

下限値Ｌ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}は、入熱量が（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}に比例するという理論に基づいて実験的に得られる基準距離Ｌ_ｍｉｎを補正した値である。また、第一のＶ収束点と第二のＶ収束点との距離Ｌ［ｍｍ］がＬ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}［ｍｍ］より短くなると、操業時の溶接状態が入熱不足の溶接状態Ａ又は溶接状態Ｂになってしまう。Ｌ_ｍｉｎ及びθ_ｓｔは、例えば鋼板１の材質、板厚、管径に応じて設定される。炭素鋼を例として説明すれば、例えば、板厚が４［ｍｍ］未満であればＬ_ｍｉｎが３．５［ｍｍ］でθ_ｓｔが３．５［°］、板厚が４［ｍｍ］以上かつ１０［ｍｍ］未満であればＬ_ｍｉｎが５［ｍｍ］でθ_ｓｔが５［°］、板厚が１０［ｍｍ］以上であればＬ_ｍｉｎが６．５［ｍｍ］でθ_ｓｔは７［°］といったようにＬ_ｍｉｎ及びθ_ｓｔを細かく設定してもよい。また、例えば、板厚によらずＬ_ｍｉｎが５［ｍｍ］でθ_ｓｔが５［°］といったようにＬ_ｍｉｎ及びθ_ｓｔを一律に設定してもよい。他の材質の鉄鋼材料についてもＬ_ｍｉｎ及びθ_ｓｔを同様に設定できる。このように、距離Ｌを下限値Ｌ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}以上に制御することによって、実操業時に上記突合せ距離ｈの時間変動（例えば、一時的な増加）があった場合でも、入熱不足による冷接欠陥を防ぐことができる。

また、上限値３５は、実験的に得られた値であり、第一のＶ収束点と第二のＶ収束点との距離Ｌ［ｍｍ］が３５［ｍｍ］より長くなると、過入熱の溶接状態Ｄになってしまう。すなわち、距離Ｌが３５［ｍｍ］より長くなると、距離Ｌの増加とともに、酸化物（ペネトレータ欠陥）の発生頻度が増加する。したがって、距離Ｌを３５［ｍｍ］以下に制御することによって、実操業時に過入熱によるペネトレータ欠陥を防ぐことができる。

制御部１０４は、距離Ｌ［ｍｍ］及びＶ収束角θ［°］が上記式（４）を満たしていないと判定部１０３が判定した場合、上記式（４）を満たすようにコンタクトチップ７または誘導コイルのような溶接装置への印加電圧（または、周波数）を変えて入熱量を制御する。すなわち、距離ＬがＬ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}未満になった場合には入熱量を上げ、距離Ｌが３５［ｍｍ］を超えた場合には入熱量を下げて、距離Ｌが上記式（４）を満たすように入熱量を制御する。なお、距離Ｌが上記式（４）を満足している間は、入熱量を変更することなく制御しても良く、上記式（４）を満足する所定値に制御しても良い。また、距離ＬがＬ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}未満になった場合に入熱量を上げると、距離Ｌの増加に加え、Ｖ収束角θが増加するため、下限値Ｌ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}が低下して、処理が発散することなく安定的に溶接を継続することができる。

図２に電縫溶接の操業管理装置１００による操業管理方法を示す。撮影装置８による撮影は、一定の時間間隔で連続的に行われ、あるタイミングで撮影された一枚の画像をフレームと呼ぶ。撮影装置８から入力部１０１に画像データが入力されると（ステップＳ１）、コントラストを明確にするために、入力部１０１または測定部１０２においてその画像データから赤色成分（波長５９０〜６８０ｎｍ）を抽出する（ステップＳ２）。図３には、撮影装置８により撮影した画像の模式図を示す。なお、以下の説明では、図３、図４Ａ〜４Ｄ、図５、図６に示す画像において縦方向（周方向）をＹ方向、横方向（搬送方向）をＸ方向と表現する。撮影装置８により撮影した画像では、鋼板１の両端部４、４に沿って輝度レベルの高い高熱領域５１が現れ、搬送方向（Ｘ方向）の下流側では両端部４、４の溶融部分が排出されて形成される波状の模様が現れる。

測定部１０２の第１の検出部１０２ａは、ステップＳ２において赤色成分が抽出された画像データを２値化（反転）する（ステップＳ３）。ここでは、輝度レベルが一定値以上の画素に「０」を、一定値未満の画素に「１」を代入する。図４Ａには、２値化画像の模式図を示す。

次に、第１の検出部１０２ａは、２値化画像においてブロッブ毎にラベルをつけるラベリング処理を行い（図４Ｂを参照）（ステップＳ４）、所定の条件に合致するブロッブが抽出されたか否かを判定する（ステップＳ５）。ここで、ブロッブは、２値化画像において「１」の画素が隣接する上下左右の４画素及び斜め方向の４画素を含む隣接８画素のいずれかが「１」であり、画素が連結されて一塊（ここでは、「１」の画素の塊）になった個々の領域である。また、ラベリング処理では、個々のブロッブを識別し、個々のブロッブにラベル番号をつけて特定のブロッブを抽出し、その特定のブロッブの画像内の位置（Ｘ座標の最大点及び最小点、Ｙ座標の最大点及び最小点）や幅、長さ、面積などの情報を抽出する。例えば、図４Ｂでは、３つのブロッブがそれぞれ［１］、［２］及び［３］とラベル付けされている。ステップＳ５では、所定の条件に合致するブロッブがあれば、そのブロッブ（ここでは、ラベル［２］）を、周方向両端部４、４がＶ字状に収束する部位であるＶ字収束部のブロッブ５２として抽出し（図４Ｃを参照）、このブロッブ５２について座標や面積等の形状情報を取得する。例えば、図４Ａに示す２値化画像において、左端に接し、かつ、所定の面積条件を有するブロッブがあれば、そのブロッブをＶ字収束部のブロッブ５２として抽出する。所定の面積条件としては、例えば、ブロッブの面積の実寸法が１５〜１５０ｍｍ^２であるという条件や外接する矩形ブロックの実寸法が２５〜３２０ｍｍ^２であるという条件等の条件を設定すればよい。また、この所定の面積条件には、複数の条件を組み合わせることができる。ステップＳ５において所定の条件に合致するブロッブが抽出されなければ、ステップＳ１７に進む。例えば、入熱量が低すぎる場合には、図６に示すようにＶ字収束部のブロッブが抽出されないので、ステップＳ１７に進む。

次に、第１の検出部１０２ａは、ステップＳ４、Ｓ５において抽出したＶ字収束部のブロッブ５２から鋼板１の周方向両端部４、４を探索する。図４Ｄに示すように、Ｖ字収束部のブロッブ５２の搬送方向の最下流点（下記ステップＳ１１で検出される第二のＶ収束点）を通りＸ方向と平行な直線（図４Ｄ中に１点鎖線で示す）上の点から＋Ｙ方向及び−Ｙ方向に向けて画素値が初めて「０」（「１」→「０」）になる点をそれぞれ探索し、その点を鋼板１の端部４に決定する。この探索処理を、Ｖ字状に収束する方向（Ｘ方向）の所定の範囲、例えば２値化画像の左端（搬送方向の上流側）からＶ字収束部のブロッブ５２の先端までの範囲のうち左端から２／３の範囲で実行する。そして、この所定の範囲で鋼板１の端部４を直線近似し（ステップＳ６）、近似直線の交点を第一のＶ収束点として検出する（ステップＳ７）。なお、上記所定の範囲は、常に同じ基準（例えば、「左端から２／３の範囲」）に設定されるわけではなく、操業条件に応じて適宜適切な範囲に設定されることが望ましい。例えば、操業条件によって第一のＶ収束点の位置が搬送方向の上流側に移動する可能性がある場合には、より小さな値（例えば、「左端から１／２の範囲」）に上記所定の範囲を設定することが望ましい。

なお、鋼板１の端部４を探索する際に、例えば図４Ｄに示す画像の上下位置（最上位置及び最下位置）から内側（中心部）に向かって初めて「１」（「０」→「１」）になる点を探索してもよい。ただし、Ｖ字収束部のブロッブ５２は、画像の上下方向（Ｙ方向）の中央付近に現れるため、画像の最上位置及び最下位置から探索を始めると、無駄な処理が多くなる。そこで、上述したようにＶ字収束部のブロッブ５２の内側から＋Ｙ方向及び−Ｙ方向に向かって初めて「０」（「１」→「０」）になる点を探索することにより処理時間を短縮化させている。また、画像の上下位置から内側に向かって初めて「１」（「０」→「１」）になる点を探索する場合にも、ラベリング処理によりＶ字収束部のブロッブ５２の幅広部（画像の左端）のＹ方向位置を決定できるので、そのＹ方向位置或いはその近傍から内側に向かって初めて「１」（「０」→「１」）になる点を探索すれば処理時間を短縮化させることができる。

ステップＳ３〜Ｓ７の処理と並行して、測定部１０２の第２の検出部１０２ｂは、ステップＳ２において赤色成分が抽出された画像データを２値化（反転）する（ステップＳ８）。ここでは、輝度レベルが一定値以上の画素に「０」を、一定値未満の画素に「１」を代入する。

次に、第２の検出部１０２ｂは、第１の検出部１０２ａと同様に、２値化画像においてブロッブ毎にラベルをつけるラベリング処理を行い（ステップＳ９）、所定の条件に合致するブロッブが抽出されたか否かを判定する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０では、所定の条件に合致するブロッブがあれば、そのブロッブをＶ字収束部のブロッブ５２として抽出し、このブロッブ５２について座標や面積等の形状情報を取得する。そして、図５に示すように、Ｖ字収束部のブロッブ５２のＸ方向の先端を第二のＶ収束点として検出する（ステップＳ１１）。この場合も、ステップＳ１０において所定の条件に合致するブロッブが抽出されなければ、ステップＳ１７に進む。

本実施形態では、第１の検出部１０２ａ及び第２の検出部１０２ｂのそれぞれで２値化処理を行っているが、これは、２値化処理の閾値をそれぞれの検出部（処理）で適値に設定するためである。もちろん、２値化処理の閾値がそれぞれの検出部に対して同じ設定でよければ、第１の検出部１０２ａ及び第２の検出部１０２ｂで２値化処理やラベリング処理等の処理を共通化させてもよい。

以上のように第一のＶ収束点と第二のＶ収束点とを検出した後、演算部１０２ｃは、第一のＶ収束点と第二のＶ収束点との距離Ｌ［ｍｍ］を求め（ステップＳ１３）、また、幾何学的なＶ収束点でのＶ収束角θ［°］を求める（ステップＳ１２）。

次に、判定部１０３は、測定部１０２でフレーム毎に測定した距離Ｌ［ｍｍ］及びＶ収束角θ［°］の平均計算を行う（ステップＳ１４）。例えば、ステップＳ１〜Ｓ１３を例えば１６回程度繰り返して得た距離Ｌ［ｍｍ］及びＶ収束角θ［°］に対して平均計算、好ましくは移動平均計算を行う。そして、ステップＳ１４における平均計算により得られた距離Ｌ［ｍｍ］及びＶ収束角θ［°］が上記式（４）を満たすか否かを判定する（ステップＳ１５）。

制御部１０４は、ステップＳ１５において距離Ｌ［ｍｍ］及びＶ収束角θ［°］が上記式（４）を満たしていないと判定部１０３が判定した場合、上記式（４）を満たすようにコンタクトチップ７や誘導コイルのような溶接装置への印加電圧（または、周波数）を変えて入熱量を制御する（ステップＳ１６）。すなわち、距離ＬがＬ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}未満になった場合には入熱量を上げ、距離Ｌが３５［ｍｍ］になった場合には入熱量を下げて、上記式（４）を満たすように入熱量を制御する。なお、距離Ｌが上記式（４）を満足している場合には、入熱量がそのまま維持されるように入熱量を制御する。ステップＳ１６の後、再度ステップＳ１に戻って、溶接完了まで入熱量の制御を繰り返す。なお、このステップＳ１からステップＳ１６までの処理は、一定間隔毎（例えば、撮影間隔毎）に行われることが望ましい。

なお、ステップＳ１７では、異常フラグを立てる。その後、ステップＳ１８では、例えば２５フレーム以上連続して異常フラグが立ったか否かを判定する。ステップＳ１８で異常フラグの連続フレーム数が例えば２５回に達しない場合（「Ｎ」）には、再びステップＳ１に戻る。また、ステップＳ１８において例えば２５フレーム以上連続して異常フラグが立った場合（「Ｙ」）には、ステップＳ１９で異常アラームを出力する。さらに、このステップＳ１９の後、再びステップＳ１に戻る。
なお、検出された距離Ｌ［ｍｍ］及びＶ収束角θ［°］の平均回数或いは移動平均回数は、１６回に制限されず、溶接機や鋼板の品種に応じて適宜変更することができる。同様に、異常アラームを出力するための異常フラグの連続フレーム数は、２５フレームに制限されず、溶接機や鋼板の品種に応じて適宜変更することができる。
このように、本実施形態では、操業時に突合せ距離ｈが時間変動（増加）した場合に冷接欠陥やペネトレータ欠陥を防ぐことができるだけではなく、上記距離Ｌ及びＶ収束角θのみを用いて入熱量を制御することができるため、安定的にかつ効率よく溶接を行うこともできる。

さらに、図１の電縫鋼管の製造設備を使用して、鋼板から鋼管を作製した。
表１には、上記式（４）を満たす例（実施例）と上記式（４）を満たさない例（比較例）とを示す。
ここで、ｔは、鋼板の板厚［ｍｍ］、Ｖは、溶接速度［ｍｐｍ］、ＥｐＩｐは、投入電力［ｋＷ］である。例えば、実施例Ｎｏ．１では、距離Ｌが２９．７［ｍｍ］で、下限値Ｌ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}が４．９［ｍｍ］であるため、距離Ｌが上記式（４）を満たしていた（４．９≦２９．７≦３５）。また、例えば、実施例Ｎｏ．１１では、距離Ｌが３４．８［ｍｍ］で、下限値Ｌ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}が４．３［ｍｍ］であるため、距離Ｌは上限値３５［ｍｍ］に近いが、距離Ｌが上記式（４）を満たしていた（４．３≦３４．８≦３５）。同様に、実施例Ｎｏ．３〜１３では、距離Ｌが上記式（４）を満たしていた。そのため、これら実施例Ｎｏ．１〜１３では、溶接現象タイプは理想的な溶接状態Ｃであった。

一方、例えば、比較例Ｎｏ．１４では、距離Ｌが、０．２［ｍｍ］であり、下限値Ｌ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}である４．９［ｍｍ］を下回っている。この場合の溶接現象タイプは、入熱不足のため、溶融不足に起因する冷接欠陥が発生する可能性がある溶接状態Ａであった。同様に、比較例Ｎｏ．１５、１６、１８、１９、２２、２３、２５、２６、２７、２９、３０では、距離Ｌが、下限値Ｌ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}よりも小さいため、溶接現象タイプは、入熱不足である溶接状態Ａまたは溶接状態Ｂであった。

また、例えば、比較例Ｎｏ．３１では、距離Ｌが、３７．６［ｍｍ］であり、上限値３５［ｍｍ］を上回っている。この場合の溶接現象タイプは、過入熱のため、冷接欠陥及び溶接部が一部酸化した状態で圧接されるために発生するペネトレータ欠陥が発生している溶接状態Ｄであった。同様に、比較例Ｎｏ．１７、２０、２１、２４、２８、３２では、距離Ｌが、上限値３５［ｍｍ］よりも大きいため、溶接現象は、過入熱である溶接状態Ｄであった。

以上述べたように、Ｖ収束角θの時間変動を考慮した式（４）に基づいて電縫溶接の操業を管理することによって、突合せ距離ｈが０．３［ｍｍ］を超えるような突合せ状態においても冷接欠陥及びペネトレータ欠陥のない電縫溶接が可能になる。

本発明の電縫溶接の操業管理装置は、具体的にはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータシステムにより構成することができ、ＣＰＵがプログラムを実行することによって実現される。また、本発明の電縫溶接の操業管理装置は、一つの装置から構成されても、複数の機器から構成されてもよい。

また、本発明の目的は、上述した帯状体の電縫溶接の操業管理機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システム或いは装置に供給することによっても達成できる。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した実施形態の機能を実現し、プログラムコード自体及びそのプログラムコードを記憶した記憶媒体が本発明を構成する。プログラムコードを供給する記憶媒体として、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。

Ｖ収束角の時間変動を考慮した条件に基づいて電縫溶接の操業を管理して、広範囲の突合せ状態において冷接欠陥及びペネトレータ欠陥のない電縫溶接を可能にする。

１０１ 入力部
１０２ 測定部
１０２ａ 第１の検出部
１０２ｂ 第２の検出部
１０２ｃ 演算部
１０３ 判定部
１０４ 制御部

Claims (7)

1. 帯状の金属板を搬送しながらその両端部が徐々に互いに対向するように円筒状に成形しつつ、この両端部が互いに対向して突合う部分であるＶ字収束部を溶接する高周波抵抗溶接または誘導加熱溶接の操業管理を行う装置であって、
   前記Ｖ字収束部を含む領域の画像に基づいて、前記金属板の前記両端部が幾何学的に交わる第一のＶ収束点と、前記金属板の前記両端部の衝合点である第二のＶ収束点との距離Ｌ［ｍｍ］、及び、この第一のＶ収束点でのＶ収束角θ［°］を測定する測定部と；
   前記距離Ｌ［ｍｍ］及び前記Ｖ収束角θ［°］が下式（１）を満たすか否かを判定する判定部と；
   を備えることを特徴とする高周波抵抗溶接及び誘導加熱溶接の操業管理装置。
   Ｌ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}≦Ｌ≦３５・・・（１）
   Ｌ_ｍｉｎ［ｍｍ］：予め設定された基準距離
   θ_ｓｔ［°］：予め設定された基準角度
2. 前記測定部で測定した距離Ｌ［ｍｍ］及びＶ収束角θ［°］が前記式（１）を満たすように入熱量を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の高周波抵抗溶接及び誘導加熱溶接の操業管理装置。
3. 前記測定部が、前記画像を２値化して２値化画像を生成し、この２値化画像から前記金属板の前記両端部を決定し、Ｖ字を形成しながら収束する方向の所定の範囲で前記金属板の前記両端部を直線近似して２本の近似直線を生成し、これら近似直線の交点を前記第一のＶ収束点として検出する第１の検出部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波抵抗溶接及び誘導加熱溶接の操業管理装置。
4. 前記測定部が、前記画像を２値化して２値化画像を生成し、この２値化画像から前記第二のＶ収束点を検出する第２の検出部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波抵抗溶接及び誘導加熱溶接の操業管理装置。
5. 前記測定部が、
   前記画像を２値化して２値化画像を生成し、この２値化画像から前記金属板の前記両端部を決定し、Ｖ字を形成しながら収束する方向の所定の範囲で前記金属板の前記両端部を直線近似して２本の近似直線を生成し、これら近似直線の交点を前記第一のＶ収束点として検出する第１の検出部と；
   前記画像を２値化して２値化画像を生成し、この２値化画像から前記第二のＶ収束点を検出する第２の検出部と；
   を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波抵抗溶接及び誘導加熱溶接の操業管理装置。
6. 帯状の金属板を搬送しながらその両端部が徐々に互いに対向するように円筒状に成形しつつ、この両端部が互いに対向して突合う部分であるＶ字収束部を溶接する高周波抵抗溶接または誘導加熱溶接の操業管理を行う方法であって、
   前記Ｖ字収束部を含む領域を撮影装置により撮影して画像を生成し；
   前記画像に基づいて、前記金属板の前記両端部が幾何学的に交わる第一のＶ収束点と、前記金属板の前記両端部の衝合点である第二のＶ収束点との距離Ｌ［ｍｍ］、及び、この第一のＶ収束点でのＶ収束角θ［°］を測定し；
   前記距離Ｌ［ｍｍ］及び前記Ｖ収束角θ［°］が下式（２）を満たすか否かを判定する；
   ことを特徴とする高周波抵抗溶接及び誘導加熱溶接の操業管理方法。
   Ｌ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}≦Ｌ≦３５・・・（２）
   Ｌ_ｍｉｎ［ｍｍ］：予め設定された基準距離
   θ_ｓｔ［°］：予め設定された基準角度
7. 帯状の金属板を搬送しながらその両端部が徐々に互いに対向するように円筒状に成形しつつ、この両端部が互いに対向して突合う部分であるＶ字収束部を溶接する高周波抵抗溶接または誘導加熱溶接をコンピュータにより管理するプログラムであって、
   前記Ｖ字収束部を含む領域の画像に基づいて、前記金属板の前記両端部が幾何学的に交わる第一のＶ収束点と、前記金属板の前記両端部の衝合点である第二のＶ収束点との距離Ｌ［ｍｍ］、及び、この第一のＶ収束点でのＶ収束角θ［°］を測定する測定工程と、
   前記距離Ｌ［ｍｍ］及び前記Ｖ収束角θ［°］が下式（３）を満たすか否かを判定する判定工程と；
   を備える高周波抵抗溶接及び誘導加熱溶接の操業管理プログラム。
   Ｌ_ｍｉｎ（θ／θ_ｓｔ）^{−０．１５}≦Ｌ≦３５・・・（３）
   Ｌ_ｍｉｎ［ｍｍ］：予め設定された基準距離
   θ_ｓｔ［°］：予め設定された基準角度

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