JP5881942B2 - 溶接欠陥検出システム及び電縫鋼管の製造方法並びに溶接製品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接欠陥検出システム及び電縫鋼管の製造方法並びに溶接製品の製造方法に関する。

特許文献１に記載されるとおり、例えば、電縫鋼管などの溶接製品の製造に用いられる高周波加熱溶接や高周波抵抗溶接などにおいては、正常な状態では、溶接部分の発熱や発光はほぼ一定に安定している。一方、種々の溶接条件により、異常となった場合には、加熱コイルの電流及び電圧に変動が生じ、スパークが発生する。
スパークとは、溶接部分を中心に、周囲へ激しく火花が飛び散る現象を指し、スパークが発生した部分は、一般的に、溶接不良となることが多いことが知られている。したがって、溶接時に、スパークが発生したか否かを正確に検出し、スパークを検出した場合には、需要家に出荷しないように、当該部位の切除（切断除去）を行なうことが必要である。

しかしながら、溶接時には、スパークと似た火花による発光現象である、スパッタも発生する。スパッタは、一般に、スパークに比べて、発生頻度は高いものの、スパッタの発生した部位が溶接不良となる確率は低い。したがって、スパークの検出に当たっては、スパッタとの弁別を行うことが肝要である。
そこで、特許文献１に記載の発明では、青色フィルタを用いて、スパークの輝度は大きくなり、スパッタと正常時の輝度は小さくなるようにし、その間の輝度レベルに閾値を設定することにより、スパークを検出することを提案している。

特開２００９−０７２７８８号公報

しかしながら、上記スパーク検出技術を用いて、スパーク発生部位を切除してもなお、溶接部の機械的特性が局部的に低下することがあり、この点が未解決の課題となっていた。本発明は、この課題を解決し、溶接部に機械的特性の低下部分を含まない溶接製品を得ることを可能ならしめる溶接欠陥検出システムを提供することを目的とする。

発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討し、次の知見を得た。
（i）スパーク発生部位を切除した後の電縫鋼管において溶接部の機械的特性が低下している造管長さ方向部分からサンプルを切り出して走査型電子顕微鏡で観察すると、極めて微細な溶接欠陥が存在している。
(ii)極めて微細な溶接欠陥が生じるのは、電縫溶接部に微細な異物が混入する場合と、管素材である帯材の幅端部（管状に成形後は管状体の円周方向縁部となる）に当て疵などが存在する場合である。すなわち、管素材のロール成形乃至電縫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。
（iii）上記溶接欠陥が生じる際に、溶接点出側（下流側）の輝度の分布状態が瞬間的にダーク（暗い）側に変化する。

尚、溶接点とは、溶接時の溶接部において溶接進行方向における既溶接部分（これを溶接線ともいう）と未溶接部分との境界点を指す。又、溶接点出側とは、溶接点から見て前記既溶接部分側（前記溶接線側）を指す。
(iv)従って、溶接点近傍を対象としてスパーク検出と輝度監視とを併せて行うことで、溶接不良部のみならず微細な溶接欠陥の発生部をも同定してそれら部位を切断除去することが可能である。

本発明は、上記知見に基づき、更に検討を重ねてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）溶接施工時の溶接部を対象とし、該対象の発光状態をスパークセンサである撮像装置で撮像し、該撮像した画像からスパークを判定するスパーク判定工程と、前記対象の輝度を前記スパークセンサの下流側に別個に設置したＤＳセンサである輝度センサで画像信号として捉えて監視する輝度監視工程と、前記スパーク判定工程の判定結果と前記輝度監視工程の監視結果との両方の結果を用いて溶接欠陥を判定する欠陥判定工程とを、コンピュータにて実行するよう構成してなり、
前記スパーク判定工程は、前記スパークセンサで撮像した画像の画像信号から青色成分強度を抽出し、該青色成分強度が所定の閾値以上のときのみスパークが発生したと判定すること、
および、
前記輝度監視工程は、前記ＤＳセンサで溶接線にほぼ直交する線状領域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、これを画像処理して得た経時変化データから輝度が所定の閾値を下回った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溶接欠陥検出システム。
（２）前記欠陥判定工程は、前記スパーク判定工程と前記輝度監視工程における双方の画像信号をリアルタイムで捉えてそれぞれ画像処理後、所定の閾値と比較する演算を行い、該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により溶接欠陥を判定することを特徴とする前記（１）に記載の溶接欠陥検出システム。
（３）鋼の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電縫溶接する電縫鋼管の製造方法において、電縫溶接時の溶接部を対象として前記（１）または（２）に記載の溶接欠陥検出システムを適用することを特徴とする電縫鋼管の製造方法。
（４）金属材料に対して溶接を施す溶接製品の製造方法において、該溶接施工時の溶接部を対象として前記（１）または（２）に記載の溶接欠陥検出システムを適用することを特徴とする溶接製品の製造方法。

本発明によれば、スパーク発生及び/又は粉塵もしくはスパッタ粒飛び込みに起因する溶接部機械特性低下部を確実に且つ過不足なく検出でき、これらの部分を切除した溶接製品を得ることができるので、溶接製品の信頼性が格段に向上する。

本発明の実施形態の例を示す概略斜視図 図１の例に係る概略平面図 スパークの判定方法を示す説明図 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

図１は、電縫鋼管製造工程に適用した本発明の実施形態の例を示す概略斜視図であり、図２は、図１の例に係る概略平面図である。電縫管製造工程では、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同士を連続的に電縫溶接する。より具体的には、高周波発振装置３ｄからワークコイル３ａに高周波電流を通電して縁部１ｂ、１ｃに誘導電流を発生させ、そのジュール熱により縁部１ｂ、１ｃを融点以上に加熱しつつ、Ｖ字状ギャップの収束点をスクイズロール２ａ，２ｂで圧接することで溶接点１ａを形成する。溶接点１ａから下流側には溶接線１ｗが形成される。
（スパーク判定工程）
スパーク判定工程の実施形態に関しては、特許文献１に詳細な記載があるので、ここでは、かいつまんで説明する。

溶接施工時の溶接部の発光状態は、撮像装置（以下、スパークセンサともいう）１２を用いて撮像する。スパークセンサ１２には、モノクロのＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ等を用い、溶接点１ａを中心に約３００ｍｍ四方を撮像領域１３として、そこから斜め上方に少なくとも５００ｍｍ程度離して設置するのがよい。撮像された画像の画像信号はＰＣ（パソコン）等のコンピュータに取り込んで画像処理する。

撮像条件としては、撮像回数（コマ数）＝３０回/ｓ程度、撮像速度（露光時間）＝（１/３０）s＝３３ｍｓ程度が好適であるが、これに限定されない。但し、スパークを見逃がさないためには、撮像回数×撮像時間＝１ｓ、を満たすことが望ましい。
スパークセンサのカメラレンズ前面には、透過率が約３００ｎｍ以上約５００ｎｍ以下の波長の範囲で最大となる特性を有する青色フィルタを装着するとよい。これにより、モノクロカメラでも、発光した光の青色成分を抽出して受光でき、その信号変化によって、スパッタと区別して、スパークを検出することができる。尚、モノクロカメラに代えて、カラーカメラを用いて青色成分の信号だけを取り出して処理してもよい。

撮像した画像の画像信号から得られる青色成分強度は、例えば図３中にデータ２１、２２として示すように、光量（カウント数）で表わされ、時間と共に変化するが、その変化するデータ２１、２２の中に時々ピーク２１ａ，２２ａが現れる。そこで、これらピークの高さが所定の閾値２０（図３の例では閾値＝２００とした）を超えたときのみ、スパークが発生したと判定する。すなわち、図３（ａ）ではスパーク発生有り（すなわちスパーク検出）、図３（ｂ）ではスパーク発生無しと判定される。閾値２０は、自然光ノイズ域３０よりも高い値とし、ピーク検出部位でのピーク高さと溶接部機械特性との対応調査実験等により定めればよい。

前記スパークを検出した時点に関する情報（スパーク検出時点情報）を、常用のトラッキング技術（例えばコンタクトロール及びロータリーエンコーダを用いて走間材料の走行方向位置をトラッキングする技術）により、対応する造管長位置情報に変換して、前記スパーク検出時点に対応する造管長位置を特定できる。
（輝度監視工程）
輝度監視工程では、溶接施工時の溶接部の輝度を画像信号として捉えて監視する手段として、輝度センサ（以下、ＤＳセンサともいう）１０を用いる。ＤＳセンサ１０は、線状の監視領域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おり、これには例えば市販のラインスキャンカメラ等が好ましく適用できる。

撮影コマごとの輝度情報（瞬時輝度）はＰＣ（パソコン）等のコンピュータに取り込んで画像処理することで、図４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、常用のトラッキング技術により、対応する造管長位置情報に変換して、前記ＤＳ検出時点に対応する造管長位置を特定できる。

瞬時輝度の変化を確実に捉えるためには、監視領域１１は、溶接点１ａから下流に２０〜５００ｍｍ離れた位置で溶接線１ｗを中心に溶接線１ｗとほぼ直交（９０°±１０°程度）することが望ましい。
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。
次に、輝度監視工程の監視結果からＤＳを検出するための、より具体的な方法について述べる。

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４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（図５、図６参照）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５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（データ４１）の１例を示し、また、図６には、図５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（データ５１）の１例を示す。これら図５、図６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。尚、ＤＳが発生したことの判定には、実験等により適宜定めた閾値（図５では閾値４０、図６では閾値５０）を用い、推移曲線が閾値未満となった造管長部位をＤＳ発生部位とする。閾値４０或いは５０は、輝度低下検出部位での極小輝度値と溶接部機械特性との対応調査実験等により定めればよい。
（欠陥判定工程）
発明者らの検討によると、上述のようにして検出した、管のスパーク発生部位では溶接部機械特性が低下するが、スパーク光量が閾値を下回った部位でも溶接部機械特性が低下する場合もある。一方、上述のようにして検出したＤＳ発生部位では、溶接部機械特性が低下する場合と低下しない場合とがある。

そこで、更に検討を重ねた結果、溶接部機械特性が確実に低下するのは、スパーク光量が自然光ノイズレベル上限超のピーク高さを示し、且つＤＳ発生が検出された造管長部位であることが分かった。
そこで、本発明では、欠陥判定工程における溶接欠陥有りの判定条件として、スパークセンサで捉えたスパーク光量が自然光ノイズレベル上限超のピーク高さを示し、それとほぼ同時（前記ピーク検出時点から約５秒以内）にＤＳセンサがＤＳを検出することという条件を採用するとよい。

さらに、データ記憶手段の容量を節約する観点から、前記欠陥判定工程では、前記スパーク判定工程と前記輝度監視工程における双方の画像信号をリアルタイムで捉えてそれぞれ画像処理後、所定の閾値と比較する演算を行い、該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により溶接欠陥を判定することが好ましい。
尚、上記実施形態では、電縫溶接鋼管の製造工程に本発明を適用した場合について説明したが、本発明の溶接欠陥検出方法は、電縫鋼管以外の溶接製品（例えば溶接構造物）の溶接製造工程における溶接監視等の用途にも適用できることはいうまでもない。

実施例として、電縫鋼管製造ラインにおいて図１に示した形態で本発明を実施した。溶接施工時の溶接部を対象に、１水準当たりの造管長を１０００ｍとした複数の水準について、スパークセンサで発光状態を撮像し、該撮像した画像から、自然光ノイズレベル超の光量を示した造管長部位を特定し、かつ、その特定した部位についての、ＤＳセンサでの監視結果（輝度低下の有無）を記録した。そして、各水準の前記特定した部位について、溶接部の９０°偏平試験（例えばJIS G３４４５に規定される偏平試験）を行い、溶接部の偏平特性（溶接部機械特性を代表する）を調査した。その結果を表１に示す。尚、上記偏平試験では、管の溶接部を通る管直径方向と直交する方向に管を押し潰してゆき、溶接部に割れが生じた時の管潰し方向の外径を求め、これの対初期外径比を偏平値とする。

表１より、偏平値の高い部位、すなわち溶接部機械特性不良部（溶接欠陥部に対応する）は、スパークセンサとＤＳセンサの併用により、完全に検出可能であることが分る。

１ 管素材（初期形態は帯材）
１ａ 溶接点
１ｂ，１ｃ 縁部
１ｗ 溶接線
２ａ，２ｂ スクイズロール
３ａ ワークコイル
３ｄ 高周波発振装置
１０ 輝度センサ（ＤＳセンサ）
１１ 監視領域（溶接線にほぼ直交する線状領域）
１２ 撮像装置（スパークセンサ）
１３ 撮像領域
２０，４０，５０ 閾値
２１，２２，４１，５１ データ
２１ａ，２２ａ ピーク
３０ 自然光ノイズ域

Claims (4)

1. 溶接施工時の溶接部を対象とし、該対象の発光状態をスパークセンサである撮像装置で撮像し、該撮像した画像からスパークを判定するスパーク判定工程と、前記対象の輝度を前記スパークセンサの下流側に別個に設置したＤＳセンサである輝度センサで画像信号として捉えて監視する輝度監視工程と、前記スパーク判定工程の判定結果と前記輝度監視工程の監視結果との両方の結果を用いて溶接欠陥を判定する欠陥判定工程とを、コンピュータにて実行するよう構成してなり、
   前記スパーク判定工程は、前記スパークセンサで撮像した画像の画像信号から青色成分強度を抽出し、該青色成分強度が所定の閾値以上のときのみスパークが発生したと判定すること、
   および、
   前記輝度監視工程は、前記ＤＳセンサで溶接線にほぼ直交する線状領域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、これを画像処理して得た経時変化データから輝度が所定の閾値を下回った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溶接欠陥検出システム。
2. 前記欠陥判定工程は、前記スパーク判定工程と前記輝度監視工程における双方の画像信号をリアルタイムで捉えてそれぞれ画像処理後、所定の閾値と比較する演算を行い、該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により溶接欠陥を判定することを特徴とする請求項１に記載の溶接欠陥検出システム。
3. 鋼の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電縫溶接する電縫鋼管の製造方法において、電縫溶接時の溶接部を対象として請求項１または２に記載の溶接欠陥検出システムを適用することを特徴とする電縫鋼管の製造方法。
4. 金属材料に対して溶接を施す溶接製品の製造方法において、該溶接施工時の溶接部を対象として請求項１または２に記載の溶接欠陥検出システムを適用することを特徴とする溶接製品の製造方法。

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