JP5332287B2 - 電縫溶接システム - Google Patents

Description

本発明は、電縫溶接システムに関し、詳しくは、溶接部に生成される微小酸化物を減少させるために電縫溶接時の入熱量を制御して、溶接品質に優れた電縫溶接管を製造するための、電縫溶接システムに関する。

近年、成形、溶接技術の発展に伴い、炭素鋼管をはじめステンレス鋼管、Ｔｉ管、超合金管等種々の電縫溶接管が製造されるようになり、その用途はラインパイプ、配管、構造用管等と多岐にわたるようになってきた。これらの用途における電縫溶接管の使用条件は年々苛酷さを増し、溶接部に対する品質要求が厳しくなる傾向に有り、溶接欠陥の防止が重要な課題となっている。

一般に、電縫溶接管の製造においては、素材が金属帯であるワークを、ロール成形により連続的に幅を丸めて、幅の両端部が向かい合ったシーム部を有するオープン管形状とし、このシーム部を、高周波加熱およびスクイズ圧接により、溶接（電縫溶接）して管にする方法がとられる。かかる製造方法においては、電縫溶接時の入熱量（ジュール発熱量）が低すぎると、主に、シーム部が未溶着になる溶接欠陥、あるいは、シーム部の溶融不足に起因する、冷接欠陥と称される溶接欠陥が生じることが知られている。一方、入熱量が高すぎると、シーム部にペネトレータと称される溶接欠陥が発生しやすくなることが知られている。

前記入熱量の変化に伴い、溶接点の位置が変化することが知られている。すなわち、ワークのシーム部は通材の向きに間隔が狭くなるＶ字形をなし、その幾何学的なＶ収束点が溶接点となっているが、この溶接点の位置は必ずしも一定ではなく、溶接条件によって変化する。そこで、溶接点を基準位置に安定させるために、溶接点近傍位置を睨んで設置したカメラによりその領域をオンラインで撮影し、得られる画像の輝度レベルを２値化処理して溶接点位置を検知し、この現溶接点位置と所定の基準溶接点位置との偏差がゼロになるように、溶接機の入熱電圧を制御することが知られている（特許文献１）。

また、入熱量の変化に伴い、溶接点がＶ収束位置から分離する現象が知られている（非特許文献１）。この現象では、Ｖ収束位置よりも前方（通材方向の下流側）に溶接点が移行し、Ｖ収束位置と溶接点の間はシーム部が未溶着の狭間隙部が発達するような形態が現出する。かかる溶接点近傍の形態変化情報を捉えて溶接欠陥を防止すべく、溶接入熱を最適に制御する方法として、溶接電源の周波数変動を監視し、それが最適になるよう入熱制御する方法（特許文献２）などが知られている。
特開平8-71638号公報 特開昭61-135490号公報 製鉄研究第297号p.84-93

しかし、前記従来の技術によるのでは、苛酷な環境で使用される電縫溶接管の品質要求を十分満足する範囲まで、溶接欠陥を低減させるのは困難であり、この点が課題であった。

発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究し、その結果、次の知見を得た。すなわち、図２に示すように、適正な入熱条件（図２(b)）であれば、溶接点３の位置は中位に変動するとともに、溶接点３から後方（通材方向の上流側）のＶ収束位置（端面１，１が斜め対向状態から正面対向状態に変わる位置）７までの範囲に形成した狭間隙部４の長さＬの変動も中位である。一方、溶接入熱が低い（図２(a)）と溶接点３の位置変動は小さく狭間隙部はほとんど形成せず、また、溶接入熱が高い（図２(c)）と溶接点３の後方の狭間隙部４が大きくなり、その長さＬは0.1秒以下の短時間のうちに大きく変動する。なお、狭間隙部４の長さ範囲内で、あたかもシーム部が接合しているかのような箇所がいくつか見られる場合があるが、そのような箇所は無視する。すなわち、狭間隙部４が破線状に見えるときは、その破線の延在範囲の最前方端を溶接点３としてそこからＶ収束位置７までの長さを狭間隙部４の長さとして採用する。

そして、適正な溶接条件に対応する狭間隙部４の長さＬの上下限は、ワークの板厚、管の外径、および溶接速度をパラメータとした関数（例えば線形関数）と非常に良い相関関係を有している。
すなわち、溶接点近傍の形態変化情報を捉えるのではなく、狭間隙部の長さそのものを観測し、これが前記関数に基づく適正な範囲に収まるように溶接入熱を最適化することにより、溶接欠陥を格段に低減させうることを把握し、以下の要旨構成になる本発明をなした。
（請求項１）
素材が金属帯であるワークを、前記素材を連続的にロール成形してなるオープン管の周方向両端部に形成したシーム部を高周波加熱および圧接する電縫溶接により、管となす電縫溶接システムであって、前記高周波加熱を行うワークコイルと、前記圧接を行うスクイズロールと、前記ワークの溶接点近傍箇所を1/200秒以下の撮影速度で10ｍｓ以上の時間連続撮影可能な高速度カメラと、該高速度カメラの撮影画像を基に、溶接点からその上流側の端面が斜め対向状態から正面対向状態に変わる位置であるＶ収束位置までの範囲に形成した狭間隙部の長さを計測し、該計測した狭間隙部長さLと、金属帯の板厚ｔ、管の外径ｄ、溶接速度ｖの関数F(t,d,v)に基づく下記所定範囲（F+A1,F+A2）とのずれを判定する画像処理装置と、該画像処理装置の判定結果であるずれ量δに応じて、前記ワークコイルへの電力供給量を前記ずれ量δに正比例する量だけ増すよう調整する制御装置とを有することを特徴とする電縫溶接システム。

記
所定範囲（F+A1,F+A2）：“関数F(t,d,v)の値F＋定数A1”より大で、かつ“関数F(t,d,v)の値F＋定数A2”より小である範囲。ただしA1＜A2である。
（請求項２）
前記関数F(t,d,v)及び前記所定範囲（F+A1,F+A2）の定数A1、A2が夫々、
F(t,d,v)＝0.259t［mm］+0.013d［mm］-0.00548v［mm/s］、A1＝-6.16、A2＝23.84
であることを特徴とする請求項１に記載の電縫溶接システム。
（請求項３）
請求項１又は２に記載の電縫溶接システムを用いて製造されてなる電縫溶接管。

本発明の電縫溶接システムによれば、溶接点からＶ収束位置までの狭間隙部の長さを高精度に計測でき、この計測長さを用いて狭間隙部の長さが最適になるようにワークコイルへの供給電力量を調整することにより、溶接品質の極めて優れた電縫溶接管の製造が可能である。本発明の電縫溶接システムを用いて製造された電縫溶接管は、苛酷な環境で使用される際の品質要求を十分満足する範囲まで溶接欠陥を低減された、信頼性の高いものである。

以下、本発明の実施形態について、図１に示す例を用いて詳細に述べる。素材が金属帯であるワーク10は、ロール成形により連続的に幅を丸められてオープン管とされ、該オープン管の周方向両端面（シーム部）１，１がＶ字状に収束しながら、ワークコイル２から誘導供給される高周波電流により加熱・溶融されて、Ｖ収束位置７および/または狭間隙部４内のどこかの位置で接合したかのような様相を呈し、スクイズロール５，５で圧接されて、溶接点３の位置で溶接が完了する（溶接点３、狭間隙部４、Ｖ収束位置７については図２参照）。なお、溶接点３の下流側のシーム溶接部９に形成した管外面側のビード11はバイト13で切削され、ビード屑12となる。また、ワークコイル２による端面加熱効率を高めるべく、インピーダ14をロッド15で支持してオープン管内面側に配置している。

本発明に用いる高速度カメラ６は、デジタル式のものとする。無論、撮影した画像を録画するものである。また、光学レンズ系を有するものが好ましい。高速度カメラ６は、狭間隙部４の全長が同一視野内に収まるような、ワーク10外面側の位置に配設するとよい。また、視野に狭間隙部４の全長が収まりきらない場合は、高速度カメラ６を管軸方向に移動させるとともに傾斜させて複数の視野で全長をカバーしてもよい。その場合には撮影画像の補正を行う。また、本例では撮影対象からの光を、直接、高速度カメラ６の視野に入射させるようにしたが、これに限らず、撮像対象からの光を、ファイバスコープや反射鏡等で伝送して、高速度カメラ６の視野に入射させるようにしてもよい。

高速度カメラ６は、撮影速度1/200秒以下で10ｍｓ以上の時間連続撮影可能なものでなければならない。撮影速度が1/200秒を超える遅い速度である場合は、狭間隙部の長さが短時間のうちに変化する現象を捉えることが困難である上に、シーム溶接部の撮影像が不鮮明になるため、変化する現象を鮮明な撮影像として捉えるには1/200秒以下の速い速度で撮影可能な高速度カメラを用いる必要がある。また、最適入熱条件下では、狭間隙部の長さがある程度の周期性をもって変化しており、その長さ変化は、10ｍｓ未満の観測時間（連続撮影時間）では十分に捉えきれないため、10ｍｓ以上の時間連続撮影可能な高速度カメラを用いる必要がある。

高速度カメラ６で撮影し録画した、狭間隙部４像を含む画像は、パソコンの画像入力ボードから、同パソコンに組込まれた画像処理装置100に入力される。また、前記画像入力ボードから入力された画像は、必要に応じて同パソコンのモニタ画面に表示される。
画像処理装置100は、次のように機能する。
(1) 入力された狭間隙部４像を含む画像を基に、溶接点からＶ収束位置までの狭間隙部４の長さLを計測する。
(2) 現在通材中のワーク10に係る素材（金属帯）板厚t、管外径d、溶接速度（通材速度）vのデータを用いて所定の関数F(t、d、v)を演算し、該演算結果Fと所定の定数A1,A2（A1＜A2）とを用いて所定範囲（F+A1,F+A2)を算出する。なお、Lの単位を[mm]とするとき、t,d,vの単位はそれぞれ[mm],[mm],[mm/s]とするのがよい。
(3) 前記計測したLと前記算出した所定範囲（F+A1,F+A2)とのずれを判定し、その判定結果を、D/Oボード経由で制御装置110への出力信号とする。このずれの判定は、例えば次のように行われる。
・L≦F+A1である場合、ずれ量δ＝L-（F+A1）(このときδ≦０）を算出し、判定結果とする。
・L≧F+A2である場合、ずれ量δ＝L-（F+A2）（このときδ≧０）を算出し、判定結果とする。
・F+A1≦L≦F+A2である場合、ずれ量δ＝０とし、判定結果とする。

制御装置110は、画像処理装置100から送られた判定結果（前記δに対応する信号）に応じて、溶接機に溶接電力の変更を、例えば次のように指令する。すなわち、現行の溶接電力がＰであるとき、送られたδに応じて、溶接電力をＰ’＝Ｐ＋kδ（kは所定の正の係数）へと変更するよう指令する。この指令に応じて溶接機はワークコイル２への供給電力量を加減調整する。なお、供給電力量（溶接電力）の調整方法は、電圧一定下で電流を加減する方法（図１の例ではこの方法を採用している）、電流一定下で電圧を加減する方法、電圧、電流を共に加減する方法、のいずれを用いてもよい。

これにより、溶接入熱を適正範囲に高精度に制御でき、溶接欠陥を格段に低減させることが可能となる。

本発明の実施例として、図１に例示し説明した本発明の電縫溶接システム（略して本発明システム）を用い、素材が0.05％（質量％、以下同じ）Ｃ‐0.2％Si‐1.4％Mn鋼（Ac₃変態点：約860℃）の熱延鋼帯であるワークを、t,d,vの種々異なる条件下で、本発明システムを稼動させつつ電縫溶接し、電縫溶接管を得た。
高速度カメラは、ワークの溶接点近傍箇所を1/200秒以下の撮影速度で10ｍｓ以上の時間連続撮影可能なものを用いている。本実施例では、撮影速度を1/500秒、連続撮影時間を100ｍｓに設定した。

所定範囲（F+A1,F+A2）を定めるための関数F(t,d,v)および定数A1,A2としては、電縫鋼管製造実験データの解析から決定したところの、
F(t,d,v)＝0.259t+0.013d-0.00548v、A1＝-6.16、A2＝23.84
を用いた。前記電縫鋼管製造実験データの解析において、関数F(t,d,v)のパラメータt[mm],d[mm],v[mm/s]の変域は、t=0.8〜25.4mm, d=25.4〜660mm, v=200〜1500mm/sであった。本実施例では、t,d,vを前記変域の範囲内で種々違えている。

得られた電縫鋼管のシーム溶接部位置を２mmVノッチ位置とするシャルピー試験片を各条件で５本ずつ採取し、それらを用いてシャルピー衝撃試験を行い、延性破壊させた試験片破面をＳＥＭで観察し、溶接欠陥の面積率を測定した。このようにして測定した溶接欠陥面積率データは、本実施例の全条件を通じて、平均値＝0.06％、標準偏差＝0.04％を示した。

上記本実施例についての溶接欠陥面積率データは、高速度カメラでの狭間隙部の撮影は行わずに、ワークコイルへの供給電力量を経験に頼って設定して電縫溶接を行った従来例について同様に求めた溶接欠陥面積率データ（平均値＝0.4％、標準偏差＝1.3％を示した）と比べて、平均値、標準偏差とも格段に小さくなっており、本発明による溶接欠陥防止効果が極めて大きいことが明らかである。

本発明の実施形態の１例を示す説明図である。 本発明に係る狭間隙部を示す説明図である。

符号の説明

１ 端面（シーム部）
２ ワークコイル
３ 溶接点
４ 狭間隙部
５ スクイズロール
６ 高速度カメラ
７ Ｖ収束位置
９ シーム溶接部
10 ワーク（加工対象物）
11 ビード
12 ビード切削屑
13 バイト
14 インピーダ
15 ロッド
100 画像処理装置
110 制御装置

Claims (3)

1. 素材が金属帯であるワークを、前記素材を連続的にロール成形してなるオープン管の周方向両端部に形成したシーム部を高周波加熱および圧接する電縫溶接により、管となす電縫溶接システムであって、前記高周波加熱を行うワークコイルと、前記圧接を行うスクイズロールと、前記ワークの溶接点近傍箇所を1/200秒以下の撮影速度で10ｍｓ以上の時間連続撮影可能な高速度カメラと、該高速度カメラの撮影画像を基に、溶接点からその上流側の端面が斜め対向状態から正面対向状態に変わる位置であるＶ収束位置までの範囲に形成した狭間隙部の長さを計測し、該計測した狭間隙部長さLと、金属帯の板厚ｔ、管の外径ｄ、溶接速度ｖの関数F(t,d,v)に基づく下記所定範囲（F+A1,F+A2）とのずれを判定する画像処理装置と、該画像処理装置の判定結果であるずれ量δに応じて、前記ワークコイルへの電力供給量を前記ずれ量δに正比例する量だけ増すよう調整する制御装置とを有することを特徴とする電縫溶接システム。
   記
   所定範囲（F+A1,F+A2）：“関数F(t,d,v)の値F＋定数A1”より大で、かつ“関数F(t,d,v)の値F＋定数A2”より小である範囲。ただしA1＜A2である。
2. 前記関数F(t,d,v)及び前記所定範囲（F+A1,F+A2）の定数A1、A2が夫々、
   F(t,d,v)＝0.259t［mm］+0.013d［mm］-0.00548v［mm/s］、A1＝-6.16、A2＝23.84
   であることを特徴とする請求項１に記載の電縫溶接システム。
3. 請求項１又は２に記載の電縫溶接システムを用いて製造されてなる電縫溶接管。

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