JP5625292B2 - 電縫溶接部の監視システム - Google Patents

Description

本発明は、電縫管製造ライン内で溶接部を監視する電縫溶接部の監視システムに関する。

電縫管は帯材（管素材）を成形機で円筒状に成形しながら、そのＶ字状ギャップをなす両縁部を高周波電流通電により加熱溶融し、スクイズロールで加圧接合することにより製造される。
溶接状態はほぼ適度な温度と適度な成形具合，適正素材および運転レベルに反映される。ここで、計測可能な要素の変化を捉えて、溶接適否を判別すること、不適原因を判別することおよび投入電力量をフィードフォワード的に抑制し、さらに他の要因による変化を包括的に温度で捉えてフィードバック的に設定しようとするのが溶接監視および入熱制御の基本的な考え方である。

図７は誘導式高周波電縫管溶接を示し、図８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またはチップ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字状ギャップの対向する縁部１ｂ，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によって加圧接合される。

高周波溶接は前記縁部に高周波電流を集中通電して当該縁部を溶接温度まで加熱し、圧接する。高周波電流は２つの縁部に沿って往復するので、近接効果で縁部に集中すると同時に表皮効果によって縁部のコーナに電流が集中する。縁部の中央まで溶接温度で加熱すると、コーナが過熱されて溶けてしまい反発する電磁力と衝合点に向かって近接する材料の速度と衝合点の移動と加熱電流の変動とそれに伴う入熱変動と溶融金属の表面張力による復元作用等が相互作用する複雑なモードになり不良が出やすくなる。

このような電縫管溶接においては、入熱の大小，管径，板厚によって溶接状態に特色のある現象が現れる。余り入熱を加えない状態では溶接点１ａで溶接され、溶接点の位置はほぼ不変である。入熱を上げると、図６に示すように、溶融金属が流れる電流による電磁力で排除されて、Ｖ収束点１ａで溶接されず、縁部１ｂ，１ｃにおいて収束点１ａの後方に溶融部４ａ，４ｂが形成される。管素材１は移動しており、溶融部４ａ，４ｂが溶接されることになる。

上述した電縫管溶接において、溶接状態のうち溶接入熱状態を監視する従来の方法として以下の方法があった。
（１）操作員の肉眼による判断方法。（２）溶接部の温度を放射温度計を用いて計測する方法であって、全放射エネルギーを温度に換算する方法と、全放射エネルギーのうち特定の２波長のエネルギーレベルの比を用いて温度に換算する方法。（３）共振周波数の変化を電気的に検出し、入熱量の過多を判別する方法。（４）溶接後のビードの突起の形状を把握する方法。

さらには、入熱が適正でも、縁部の成形状態にねじれがあったり、縁部が振れたりあるいはスクイズロールの加圧（アップセット）が変化すると、溶接不良となることがあり、このような条件変化をも含めて把握できる監視方法として、溶接部と溶接入側の発熱金属部を撮像手段によって走査して複数の画像として分割して捉えて、これらの画像の特長量を画像処理部によって求めて解析信号を得、この解析信号を基に溶接状態の適否を判定することにより、溶接状態の適正な判別と入熱制御を可能にする方法があった（特許文献１：［０００２］〜［００１３］参照）。

特開平５−３１８１４２号公報

上述したいずれの従来技術も、溶接状態が最適になるように工夫された方法ではある。
しかしながら、従来技術の範囲内で溶接状態を最良に保ってもなお、極めて微細な溶接欠陥が生じることがある。これは、電縫溶接部に微細な異物が混入する場合と、帯材（管素材）の端部（縁部）に当て疵などが存在する場合である。すなわち、電縫成形溶接過程において管素材表面の酸化鉄や鉄などが剥離して、大気中に微量の粉塵として存在しており、電縫溶接過程においては、溶接時に発生する溶鋼がスパッタ粒として存在しているが、これらの粉塵やスパッタ粒が溶接部に稀に飛び込んだ場合に溶接欠陥を生じることがある。さらに、帯材の端部にわずかな疵が生じている部分が電縫溶接される場合にも、その疵が溶接欠陥の発生原因となることがある。これらの溶接欠陥はいずれも、その大きさが数ｍｍ以下と小さいものであり、上述の従来技術をもってしても、このような微小な外乱因子による溶接欠陥を検出することは極めて困難であった。

上述のように従来の技術では、電縫管製造ラインにおいて電縫溶接部に粉塵やスパッタ粒などの飛び込みや帯材端部の疵により発生する数ｍｍ以下の微小な溶接欠陥の検出が極めて困難であるという課題があった。

本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（請求項１）
帯材を管状に成形して形成したＶ字状ギャップの縁部同士を連続的に溶接する電縫管製造ラインの操業中に、溶接点から下流側に２０〜５００ｍｍ離間した位置に監視領域として予め定めた、溶接線にほぼ直交する線状領域の線長方向の輝度分布を撮影速度１ｍｓ以下、撮影回数１０００回/ｓ以上の撮影による画像信号として捉えるラインスキャンカメラからなる輝度センサを有し、前記捉えた画像信号を監視しながら、撮影コマごとの輝度分布情報である瞬時輝度の総和および/または半値幅を演算し、この演算結果の経時変化データから、粉塵やスパッタ粒の飛び込みや帯材端部の疵による溶接欠陥発生に対応するＤＳすなわち所定の輝度閾値と比較して暗い部分であるダークスポットを検出することを特徴とする電縫溶接部の監視システム。
（請求項２）
前記ＤＳの検出時点情報を、トラッキング機能により、対応する造管長位置情報に変換して、前記溶接欠陥が発生した造管長位置を特定し、その位置情報を造管工程の下流の精整工程に通知して、この溶接欠陥部を含む管長さ部分を製品管から排除することを特徴とする請求項１に記載の電縫溶接部の監視システム。

本発明によれば、電縫管製造ラインにおいて電縫溶接部への粉塵やスパッタ粒などの稀な飛び込み、あるいは帯材端部に付いた微小な疵など、により発生する数ｍｍ以下程度の微小な溶接欠陥をも容易に検出できて、格段に高い品質の電縫管を提供できるようになり、品質の信頼性が向上する。

本発明を実施するための形態の１例を示す概略斜視図 図１の例に係る概略平面図 輝度分布監視データの推移を示す模式図 造管長に対する瞬時輝度の総和の推移曲線の１例を示す線図 造管長に対する瞬時輝度の半値幅の推移曲線の１例を示す線図 背景技術としての溶接モードを示す説明図 背景技術としての誘導式高周波電縫管溶接を示す斜視図 背景技術としての溶解式高周波電縫管溶接を示す斜視図

発明者らは、前記課題を解決するために実験・検討を重ね、次の知見を得た。
（１）粉塵やスパッタが被溶接部に稀に飛び込んで溶接欠陥が生じる際、あるいは帯材端部の微小な疵が生じている部分が電縫溶接されて溶接欠陥が生じる際に、溶接点出側の輝度の分布状態が瞬間的にダーク（暗い）側に変化する。
（２）しかし、溶接点から２０ｍｍ未満の下流域では、溶接欠陥部の輝度の変化が周囲の溶融部の輝度に邪魔されるために、十分には観察できない。
（３）また、溶接点から５００ｍｍ超の下流域では、溶接欠陥部の輝度の変化は少なくなり、判別が困難になる。

上記知見に基づいて、本発明では、例えば図１、図２に示すように、初期形態が帯材である管素材１を管状に成形して形成したＶ字状ギャップの縁部１ｂ、１ｃ同士を連続的に溶接する電縫管製造ラインの操業中に、溶接点１ａから下流側に距離Ｌ＝２０〜５００ｍｍだけ離間した位置に監視領域１１として予め定めた、溶接線１ｗにほぼ直交する線状領域の輝度分布を、輝度センサ１０での撮影による画像信号として捉え、これを監視することとした。ここで、「ほぼ直交」とは、交差角度が９０°±１０°の範囲内であることを意味する。監視領域１１として定める線状領域の長さ方向が溶接線１ｗとほぼ直交でないと、瞬時輝度の変化を捉えることが困難となる。

輝度センサ１０は輝度カメラとも呼ばれ、監視領域１１を撮影し、該撮影した画面内の輝度分布を導出する機能を有している。このような輝度センサとしては、例えば市販のラインスキャンカメラなどが挙げられる。輝度センサ１０の撮影コマごとの輝度情報（瞬時輝度）は図１に示すようにＰＣ（パソコン）等に取り込んで画像処理することで、図３に模式的に示すように、瞬時輝度の分布曲線に相当する画像信号の経時変化データとして監視することができる。そして、この監視される経時変化データから、粉塵やスパッタの稀な飛び込みや帯材端部の微小な疵による溶接欠陥発生に対応するＤＳ（ダークスポット）を検出することができ、該ＤＳ検出時点情報を、通常用いられるトラッキング機能により、対応する造管長位置情報に変換して、前記溶接欠陥が発生した造管長位置を特定でき、その位置情報を造管工程の下流の精整工程に通知して、この溶接欠陥部を含む管長さ部分を製品管から確実に排除することができる。

ところで、電縫溶接の速度（溶接線生成速度または造管速度）は、各種溶接法の中でも高速溶接法に分類され、１００ｍ/分を超える速度で溶接される場合がある。これらの溶接速度において、数ｍｍ以下の溶接欠陥を判別するためには、撮影速度（１撮影コマの露光時間）は１ｍｓ（＝１/１０００秒）以下にしなければならない。１ｍｓを超える撮影速度では、溶接欠陥部の輝度変化部以外の部分が同じ撮影コマ内にかなりの程度まで入って、ＤＳの検出が困難となる。さらに、微小な溶接欠陥を見逃さないためには、撮影回数（撮影コマ数）は、毎秒１０００回（毎秒１０００コマ）以上にしなければならない。撮影回数が毎秒１０００回未満の場合、溶接欠陥部が撮影コマから外れて、見逃しが発生することがある。

したがって、本発明においては、電縫溶接の速度が１００ｍ/分を超える場合でも、溶接欠陥部の判別が確実にでき、かつ溶接欠陥部の見逃しが生じないように、輝度センサで監視する輝度分布は、撮影速度１ｍｓ以下、撮影回数１０００回/ｓ以上の撮影による画像信号として捉えることが好ましい。
また、輝度センサでの撮影による画像信号として捉えられる輝度分布は、実際には、必ずしも図３の模式図に示すような単純で滑らかな山形の曲線形状を示すわけではなく、大きな凹凸を多数含む複雑な曲線形状を示す場合が少なからずあり、そのような複雑な分布曲線形状の瞬時輝度データから直ちにＤＳ検出（すなわち瞬時的な溶接状態の適否判別）を行うのは困難である。そこで発明者らは、この困難を克服するための手法を検討し、その結果、前記画像信号を処理して瞬時輝度の総和および/または半値幅を演算した結果を用いることによりＤＳ検出が確実かつ容易となることが分った。なお、図４には、画像信号を処理・演算してなる瞬時輝度の総和の、造管長に対する推移曲線の１例を示し、また、図５には、図４と同じ画像信号を処理・演算してなる瞬時輝度の半値幅の、造管長に対する推移曲線の１例を示す。これら図４、図５の推移曲線はほぼフラットな中に明瞭な窪み部を有する形状を示しており、これにより確実かつ容易にＤＳの発生した造管長部位を検出できることが分る。さらに、データ記憶手段の容量を節約する観点から、前記瞬時輝度の総和および/または半値幅の演算は、リアルタイムで実行するのがよいことも分った。

したがって、本発明においては、前記画像信号が複雑な曲線形状を示す場合でも、より少ない記憶手段にて確実かつ容易にＤＳ検出（すなわち瞬時的な溶接状態の適否判別）ができるように、前記画像信号をリアルタイムで処理して瞬時輝度の総和および/または半値幅を演算し、この演算結果に基づいて瞬時的な溶接状態の適否を判別することが好ましい。

（従来例）
従来は、初期形態がコイル状に巻かれた帯鋼である管素材を、アンコイラで直線状に展開しつつ、管状にロール成形して形成したＶ字状ギャップの縁部同士を連続的に、高周波誘導溶接で加熱しスクイズロールで圧接することにより溶接して、溶接管となし、その溶接部のビードをビード切削機で切削後、溶接部をシームアニーラーで熱処理し、サイザーで外径調整し、管切断機で所定の長さに切断するよう構成された電縫管製造ライン（造管ライン）を使用し、電縫溶接の速度（造管速度）＝２０〜１２０ｍ/分の操業条件下で、外径：２５．４〜１８０ｍｍ、肉厚：１．２ｍｍ〜９．０ｍｍの電縫管を製造していた。

製品管の出荷後の品質フィードバック情報実績によると、概して造管長５０ｋｍ当たり１箇所の割合で、下流の精整ラインで検出できなかった数ｍｍ程度以下の微小な溶接欠陥が生じており、品質の信頼性に改善の余地があった。
（本発明例）
従来例と同じ造管ラインに対し、図２の形態にてＬ＝２００ｍｍ（スクイズロールとビード切削機との間隔範囲内）として線状の監視領域（溶接線との交差角＝９０°とした）を予め定め、前記造管ラインの従来例同様の操業条件下での操業中に、前記監視領域の輝度分布を、輝度センサ（前記ラインスキャンカメラを使用）での撮影による画像信号として捉えるようにした。撮影速度は０．０５〜５ｍｓ、撮影回数は２００〜２００００回/ｓとし、この範囲内で造管速度に応じて設定を変えた。なお、造管速度が１００ｍ／分を超える場合は、撮影速度を１ｍｓ以下、撮影回数を１０００回/ｓ以上に設定した。

かくして捉えた画像信号をリアルタイムで処理して瞬時輝度の総和を演算し、その演算結果から図４のような推移曲線を求め、これを所定の輝度閾値と比較することでＤＳの発生した造管長位置を特定して、下流の精整ラインに通知するようにした。
その結果、従来では検出できなかった、数ｍｍ程度以下の微小な溶接欠陥が検出可能となり、かかる微小な溶接欠陥を含む造管長部分の排除が可能となって、格段に高品質の製品管を提供できるようになり、品質の信頼性が著しく向上した。
（比較例）
本発明例において、Ｌ＝１０ｍｍまたは６００ｍｍに変更し、それ以外は本発明例と同様にして、輝度分布の監視を試行したが、いずれの場合もＤＳ検出はできなかった。

１ 管素材（初期形態は帯材）
１ａ 溶接点（Ｖ収束点、収束点）
１ｂ，１ｃ 縁部
１ｗ 溶接線
２ａ，２ｂ スクイズロール
３ａ ワークコイル
３ｂ，３ｃ チップ
３ｄ 高周波発振装置
４ａ，４ｂ 溶融部を含む発熱金属部
１０ 輝度センサ
１１ 監視領域（溶接線にほぼ直交する線状領域）

Claims (2)

1. 帯材を管状に成形して形成したＶ字状ギャップの縁部同士を連続的に溶接する電縫管製造ラインの操業中に、溶接点から下流側に２０〜５００ｍｍ離間した位置に監視領域として予め定めた、溶接線にほぼ直交する線状領域の線長方向の輝度分布を撮影速度１ｍｓ以下、撮影回数１０００回/ｓ以上の撮影による画像信号として捉えるラインスキャンカメラからなる輝度センサを有し、前記捉えた画像信号を監視しながら、撮影コマごとの輝度分布情報である瞬時輝度の総和および/または半値幅を演算し、この演算結果の経時変化データから、粉塵やスパッタ粒の飛び込みや帯材端部の疵による溶接欠陥発生に対応するＤＳすなわち所定の輝度閾値と比較して暗い部分であるダークスポットを検出することを特徴とする電縫溶接部の監視システム。
2. 前記ＤＳの検出時点情報を、トラッキング機能により、対応する造管長位置情報に変換して、前記溶接欠陥が発生した造管長位置を特定し、その位置情報を造管工程の下流の精整工程に通知して、この溶接欠陥部を含む管長さ部分を製品管から排除することを特徴とする請求項１に記載の電縫溶接部の監視システム。

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