JP6028765B2 - 電縫溶接の監視方法および監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、電縫鋼管を製造するにあたり、溶接において突き合わせる鋼板の両端部での加熱状態の対称性を監視する電縫溶接の監視方法および監視装置に関する。

電縫鋼管は、鋼板を連続的にロール成形によって丸めて幅方向の両端部を突き合わせ、高周波電流を通電して突き合わせた両端部を加熱後圧接する（電縫溶接）ことによって製造される。一般に、この圧接された両端部（溶接部）の特性（例えば低温靭性）は母材より劣ることが多い。そのため、電縫鋼管の製造技術においては、溶接部の特性を確保する技術が期待されている。

電縫溶接における最大の不良原因は、溶接加熱時に発生する酸化物が溶接部に残留する、いわゆるペネトレータと呼ばれるものである。このペネトレータが原因で靭性が低下して強度不足になることが多い。そのため、このような酸化物を溶接部に残留させないように、溶接時に酸化物を溶鋼とともに突き合わせた両端部の外側へ全て排出されるようにする（溶鋼排出）ことが重要である。

そこで、従来、溶接部およびその近傍における加熱と溶鋼排出とが適切に行われているかどうかを監視あるいは判定する技術が開示されている。例えば、特許文献１には、溶接点上方に高速シャッターを備えた２次元イメージセンサカメラを設置して溶接点周辺の静止画像を撮影し、撮影された画像を２値化してある一定温度より高い部分の面積を求めることにより溶鋼排出量を求める技術が開示されている。

特開昭６１−１４０３８４号公報

一般に、電縫鋼管を製造する際、突き合わせる鋼板の両端部の形状や位置関係が突合せ線（突き合わせる両端部の接線）に対して対称であることが前提として必要である。すなわち、通常は両端部の板厚、断面の形状、突合せ高さ（突き合わせる板面の高さ）、突合せ角度などが同じになるように設計されている。一方、電縫溶接の加熱方法では、高周波電流の表皮効果および近接効果により、突き合わせた鋼板の両端部に電流が集中するようにしているため、両端部の形状や位置関係に対して加熱状態は敏感に変化する。そのため、鋼板の両端部の形状や位置関係の対称性が崩れると、両端部の温度分布、昇温速度、さらには溶鋼の排出性（排出量や排出方向）が非対称となり、加熱で生じた酸化物が想定通りに排出されなくなるおそれがある。特に、両端部の板厚、突合せ高さおよび突合せ角度の非対称性により鋼管が偏肉や形状不良となるおそれがある。しかしながら、特許文献１に開示された技術では、溶鋼排出量を求めるのみで、鋼板両端部の加熱状態や溶鋼排出の非対称性を検知することはできなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、溶接において突き合わせる鋼板の両端部の加熱状態の非対称性を検知することができる電縫溶接の監視方法および監視装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電縫溶接の監視方法は、鋼管の製造において、鋼板を連続的に管状に形成しながら突き合わせた該鋼板の両端部を加熱後に圧接して溶接する電縫溶接の溶接部を監視する電縫溶接の監視方法であって、溶接部近傍を撮影した撮影画像から、加熱された前記鋼板の端部が溶融して生じた溶鋼が該鋼板の外面に排出され始める位置を前記鋼板の各端部について検出する検出ステップと、前記両端部で検出された溶鋼が排出され始める位置が該両端部の突合せ線に対して対称か否かを判定する判定ステップと、前記判定ステップにおいて前記両端部で検出された溶鋼が排出され始める位置が対称でないと判定された場合に、その旨を通知する情報を出力する出力ステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る電縫溶接の監視方法は、上記発明において、前記判定ステップは、前記両端部で検出された溶鋼が排出され始める位置が相対的にずれているか否かに基づいて判定することを特徴とする。

また、本発明に係る電縫溶接の監視方法は、上記発明において、前記判定ステップは、前記各端部で検出された溶鋼が排出され始める位置が所定の範囲内であるか否かに基づいて判定することを特徴とする。

また、本発明に係る電縫溶接の監視装置は、鋼管の製造において、鋼板を連続的に管状に形成しながら突き合わせた該鋼板の両端部を加熱後に圧接して溶接する電縫溶接の溶接部を監視する電縫溶接の監視装置であって、溶接部近傍を撮影した撮影画像から、加熱された前記鋼板の端部が溶融して生じた溶鋼が該鋼板の外面に排出され始める位置を前記鋼板の各端部について検出する検出手段と、前記両端部で検出された溶鋼が排出され始める位置が該両端部の突合せ線に対して対称か否かを判定する判定手段と、前記判定手段により前記両端部で検出された溶鋼が排出され始める位置が対称でないと判定された場合に、その旨を通知する情報を出力する出力手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、溶接において突き合わせる鋼板の両端部の加熱状態の非対称性を検知することができる。

図１は、本発明の原理を説明するための図である。 図２は、本発明の原理を説明するための図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る監視装置の概略構成を示す模式図である。 図４は、本実施の形態の監視処理手順を示すフローチャートである。 図５は、溶接部画像を例示する図である。 図６は、エッジ抽出画像を例示する図である。 図７は、溶鋼排出開始位置の検出方法を説明するための図である。 図８は、溶鋼排出開始位置の検出方法を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である監視装置および監視処理を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

まず、図１および図２を参照して、本発明の原理について説明する。発明者らは、電縫鋼管の溶接中に、溶接部とその周辺とを真上から撮影して観察した。その結果、鋼板の突合せ高さが異なる場合には、図１に示すように、溶鋼排出を示す垂れ出しが始まる位置（ａ１，ａ２）が両端部で異なり、板面が高い方の端部で垂れ出しが始まる位置ａ１が下流側となることが分かった。また、鋼板の両端部の板厚が異なる場合には、図２に示すように、板厚の厚い方の端部で溶鋼の垂れ出しがない、あるいは小さいことが分かった。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

次に、図３を参照して、本実施の形態の対象とする処理の流れと監視装置の概略構成について説明する。図３に示すように、鋼板（鋼帯）１は、上流でロール成形によってオープン管状にされた後、図中の矢印ｖの方向に進みながら、フィンパスロール２によって鋼板１の幅方向の両端部の突き合わせ位置がセンタリングされ、溶接時の突合わせ角度が調整される。その後、鋼板１の幅方向の両端部は、高周波発振装置３からコンタクトチップ３１ａ，３１ｂを介して高周波電流が供給されて、溶融するまで加熱される。次に、鋼板１は、スクイーズロール（４１ａ，４１ｂ）、トップロール（４２ａ，４２ｂ）、ボトムロール４３からなるロール群で囲まれた位置を通過しながら両端部が圧接され、溶鋼が外面（管状の鋼板１の外周面）に排出されながら溶接される。

監視装置１０は、カメラ１１と画像処理装置１２とを備える。カメラ１１は、ロール群より上流側を撮影可能に設置され、鋼板１の両端部(溶接部)が加熱されて溶融し圧接される様子を撮影する。なお、カメラ１１はモノクロ画像撮影用でもカラー画像撮影用でもよい。カラー画像撮影用のカメラ１１である場合には、例えば、ＲＧＢ３色のうちの１色の情報を用いる。あるいは、ＲＧＢ各色の重み付き和によって輝度情報を抽出する。例えば、ＹＣｒＣｂ変換やＹＵＶ変換などによる輝度Ｙを利用する。

画像処理装置１２は、ワークステーションやパソコン等の汎用コンピュータで実現され、ＣＰＵ、更新記録可能なフラッシュメモリ等のＲＯＭやＲＡＭなどの各種メモリ、内蔵あるいはデータ通信端子で接続されたハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体およびその読み書き装置などの各種記録装置、通信装置、入力装置などを備えて構成される。画像処理装置１２は、また、出力手段として、表示装置や印刷装置やアラーム装置等の出力装置１２３を備える。画像処理装置１２は、処理プログラム等を記憶したメモリおよび処理プログラムを実行するＣＰＵなどを用いて、溶鋼排出開始位置検出部１２１、および判定部１２２として機能して、カメラ１１の撮影画像を取得して、後述する監視処理を実行する。

ここで、図４のフローチャートを参照して、監視装置１０による監視処理手順について説明する。図４のフローチャートは、例えば、操作者により監視処理開始の指示入力があったタイミングで開始となり、監視処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、画像処理装置１２がカメラ１１から溶接部の撮像画像（以下、溶接部画像）を取得して、取得した溶接部画像から鋼板１の加熱により周辺より高温になっている加熱部２０１のエッジを抽出する処理を行う。具体的には、溶鋼排出開始位置検出部１２１が、図５に例示する溶接部画像２０から、図６に例示するように加熱部２０１のエッジを抽出したエッジ抽出画像２１を得る。その際、溶鋼排出開始位置検出部１２１は、溶接部画像２０の輝度のＹ方向（管状の鋼板１の周方向）の差分（微分）値が最大および最小となる位置を検出することによって、エッジを抽出する。なお、溶鋼排出開始位置検出部１２１は、溶接部画像２０を適当な閾値で輝度を２値化して高温の加熱部２０１を抽出し、その境界線としてエッジを求めることもできる。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、監視処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、溶鋼排出開始位置検出部１２１が、ステップＳ１の処理で得られたエッジ抽出画像２１において、鋼板１の両端部に相当する内側エッジ２１１ａ，２１１ｂを検出する処理を行う。具体的に、溶鋼排出開始位置検出部１２１は、鋼板１の両端部が未だ接触していない空間部分２１０の内側から外側に向かってエッジを探索することによって、内側エッジ２１１ａ，２１１ｂを検出する。そして、溶鋼排出開始位置検出部１２１は、図７に示すように、検出された内側エッジ２１１ａ，２１１ｂを近似する直線Ｌａ，Ｌｂをそれぞれ算出する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、監視処理はステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、溶鋼排出開始位置検出部１２１が、ステップＳ２の処理で算出された２本の直線Ｌａ，Ｌｂの交点を求め、これをＶ収束点とする。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、監視処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、溶鋼排出開始位置検出部１２１が、直線Ｌａ，Ｌｂのなす角を２等分する直線Ｌｃを算出する。この直線Ｌｃは、鋼板１の両端部の突合せ線に相当し、図７に示すように、概ねＸ方向（鋼板１の進行方向）に平行である。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、監視処理はステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、溶鋼排出開始位置検出部１２１が、鋼板１の各端部について、Ｘ座標位置における加熱部２０１の幅を算出する。ここで、図８に両矢印で示すように、内側エッジ２１１ａ側の加熱部２０１の幅Ｗａ（Ｘ）は、Ｖ収束点のＸ座標位置（Ｖ収束位置）より上流側では直線Ｌａと外側エッジ２１３ａとで挟まれた領域の幅とし、Ｖ収束位置より下流側では直線Ｌｃと外側エッジ２１３ａとに挟まれた領域の幅である。同様に、内側エッジ２１１ｂ側の加熱部２０１の幅Ｗｂ（Ｘ）は、Ｖ収束位置より上流側では直線Ｌｂと外側エッジ２１３ｂとで挟まれた領域の幅とし、Ｖ収束位置より下流側では直線Ｌｃと外側エッジ２１３ｂとに挟まれた領域の幅である。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、監視処理はステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ６の処理では、溶鋼排出開始位置検出部１２１が、ステップＳ５の処理で算出された加熱部２０１の幅Ｗａ（Ｘ），Ｗｂ（Ｘ）に基づいて、それぞれの溶鋼排出開始位置Ｘａ，Ｘｂを検出する。具体的に、溶鋼排出開始位置検出部１２１は、図８に示すように、それぞれ上流側から探索し、Ｗａ（Ｘ），Ｗｂ（Ｘ）が各々の所定の閾値Ｔａ，Ｔｂを超えた位置を溶鋼排出開始位置Ｘａ，Ｘｂとして特定する。ここで、閾値Ｔａ，Ｔｂには、Ｖ収束位置より上流側での加熱部２０１の幅Ｗａ（Ｘ），Ｗｂ（Ｘ）の平均値＜Ｗａ＞，＜Ｗｂ＞に所定のマージンを加えた値が設定される。または、閾値Ｔａ，Ｔｂには、所定の定数を予め設定してもよい。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、監視処理はステップＳ７の処理に進む。

ステップＳ７の処理では、判定部１２２が、ステップＳ６の処理で検出された溶鋼排出開始位置Ｘａ，Ｘｂの非対称性があるか否かを判定する。具体的に、判定部１２２は、溶鋼排出開始位置Ｘａ、Ｘｂの差Ｘａ−Ｘｂが予め決定された所定の適正な範囲内であるか否かを判定する。差Ｘａ−Ｘｂが所定の範囲内でない場合には（ステップＳ６，Ｙｅｓ）、判定部１２２は、溶鋼排出開始位置Ｘａ，Ｘｂにずれがあるものと判定し、監視処理をステップＳ８の処理に進める。一方、差Ｘａ−Ｘｂが所定の範囲内である場合には（ステップＳ６，Ｎｏ）、判定部１２２は、溶鋼排出開始位置Ｘａ，Ｘｂにずれがないものと判定し、一連の監視処理を終了させる。

なお、溶鋼排出開始位置Ｘａ，Ｘｂにずれがあることは、鋼板１の幅方向の両端部の形状や位置関係の突合せ線に対する非対称性に起因して、両端部の加熱状態に突合せ線に対する非対称性が生じたことを意味する。

ステップＳ８の処理では、監視装置１０は、表示装置やアラーム装置の出力装置１２３により異常、すなわち、鋼板１の両端部の加熱状態の非対称性を通知する通知情報を出力する。これにより、ステップＳ８の処理は完了し、一連の監視処理は終了する。

以上、説明したように、本実施の形態の監視装置１０による監視処理によれば、溶鋼排出開始位置検出部１２１が鋼板１の各端部の溶鋼排出開始位置を検出し、判定部１２２が、溶鋼排出開始位置のずれを検出し、出力装置１２３が非対称性を通知する通知情報を出力するので、溶接において突き合わせる鋼板の両端部の加熱状態の非対称性を検知することができる。

なお、上記実施の形態では、ステップＳ７の処理において、鋼板１の各端部の溶鋼排出開始位置の相対的な位置（差Ｘａ−Ｘｂ）について適正な所定の範囲を設定したが、これに限定されない。例えば、鋼板１の各端部の溶鋼排出開始位置Ｘａ，Ｘｂの絶対的な位置について、適正な所定の範囲を設定してもよい。そうすれば、ステップＳ６の処理において、溶鋼排出の垂れ出しがないか少ないために、溶鋼排出開始位置Ｘａ，Ｘｂの一方あるいは両方が検出されない場合にも、判定部１２２が異常と判定することが可能となる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例および運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ 鋼板
２ フィンパスロール
３ 高周波発振装置
３１ａ，３１ｂ コンタクトチップ
４１ａ，４１ｂ スクイーズロール
４２ａ，４２ｂ トップロール
４３ ボトムロール
１０ 監視装置
１１ カメラ
１２ 画像処理装置
１２１ 溶鋼排出開始位置検出部
１２２ 判定部
１２３ 出力装置
２０ 溶接部画像
２０１ 加熱部
２１ エッジ抽出画像
２１１ａ，２１１ｂ 内側エッジ
２１３ａ，２１３ｂ 外側エッジ

Claims (4)

1. 鋼管の製造において、鋼板を連続的に管状に形成しながら突き合わせた該鋼板の両端部を加熱後に圧接して溶接する電縫溶接の溶接部を監視する電縫溶接の監視方法であって、
   溶接部近傍を撮影した撮影画像から、加熱された前記鋼板の端部が溶融して生じた溶鋼が該鋼板の外面に排出され始める位置を該鋼板の各端部について検出する検出ステップと、
   前記両端部で検出された溶鋼が排出され始める位置が該両端部の突合せ線に対して対称か否かを判定する判定ステップと、
   前記判定ステップにおいて前記両端部で検出された溶鋼が排出され始める位置が対称でないと判定された場合に、その旨を通知する情報を出力する出力ステップと、
   を含むことを特徴とする電縫溶接の監視方法。
2. 前記判定ステップは、前記両端部で検出された溶鋼が排出され始める位置が相対的にずれているか否かに基づいて判定することを特徴とする請求項１に記載の電縫溶接の監視方法。
3. 前記判定ステップは、前記各端部で検出された溶鋼が排出され始める位置が所定の範囲内であるか否かに基づいて判定することを特徴とする請求項１に記載の電縫溶接の監視方法。
4. 鋼管の製造において、鋼板を連続的に管状に形成しながら突き合わせた該鋼板の両端部を加熱後に圧接して溶接する電縫溶接の溶接部を監視する電縫溶接の監視装置であって、
   溶接部近傍を撮影した撮影画像から、加熱された前記鋼板の端部が溶融して生じた溶鋼が該鋼板の外面に排出され始める位置を該鋼板の各端部について検出する検出手段と、
   前記各端部で検出された溶鋼が排出され始める位置が該両端部の突合せ線に対して対称か否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により前記各端部で検出された溶鋼が排出され始める位置が対称でないと判定された場合に、その旨を通知する情報を出力する出力手段と、
   を備えることを特徴とする電縫溶接の監視装置。