JP6064754B2

JP6064754B2 - 電縫鋼管の外表面形状計測方法および外表面形状計測装置

Info

Publication number: JP6064754B2
Application number: JP2013081014A
Authority: JP
Inventors: 瑛一浦畑
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2033-04-09
Also published as: JP2014202683A

Description

本発明は、電縫溶接の溶接ビードを切削した後の電縫鋼管の外表面形状の計測方法および外表面計測装置に関する。

図１に電縫鋼管の製造工程を示す。電縫鋼管は、鋼帯１の幅方向両端側を曲げ加工した後、両端部を突き合わせて円形断面の空筒にした略管形のオープン管３とし、オープン管３の両エッジ部を連続的に電縫溶接し、工業用カメラ７などで形状を確認して製造されている。

電縫鋼管の溶接部には、両エッジ部の突き合わせの際にビード部が管内外面に生じるが、通常、ビード部は溶接機４よりも下流に設置された切削バイト６により鋼帯長手方向に連続的に切削除去される。

ビード部を切削除去した後の鋼管は、切削部が鋼管外周に沿った形状であることが望ましいことから、切削バイト６は刃先を管表面に合せた形状とし、先端位置が適切な位置となるように調整・保持されている。

従来、製造開始の時点においてビード切削を行ったサンプルを採取し、作業者が切削形状を目視やマイクロメータ等による厚み計測により確認を行った上で、切削バイト６の保持位置を調整・決定していたが、製造する電縫鋼管の管厚や突き合わせ条件などの製造条件により、微調整が必要であった。

また、長時間の使用により切削バイト６の磨耗や欠損、設定位置のずれ等により、ビード切削後の切削不足や切削過多等の切削不良が発生する場合があり、このような切削不良が生じると製品の外観を非常に損なってしまうため、不良材にされていた。

切削不良を防止するためには、製造中にビード切削形状を計測し、その結果に応じて切削バイト位置を修正したり、切削バイト６を交換する必要がある。

しかしながら、作業者の目視確認は、ビード切削形状が、外から観察しやすい管外面であっても常時は困難であるため、不良を見逃したり、あるいは発見が遅れる可能性があり、計測結果の信頼性にも問題があった。

更に、電縫鋼管の製造では、電縫溶接の際に鋼管外表面を圧下するスクイズ上ロール５による圧下痕や、電縫溶接時に発生する溶接スパッタがスクイズ上ロール５に付着した状態で鋼管外表面を圧下することによって生ずる圧下痕による形状不良も防止しなければならない。圧下痕はその深さが規定値を超えると外観不良となり、手直しによる補修を行うことが必要で、製造中にそれらの圧下痕の発生を早期に検知して、対策を図ることが製造現場では求められている。そのため、製造中の電縫鋼管の外表面形状を常時、精度良く計測する方法がいくつか提案されている。

特許文献１は電縫鋼管のビード切削後のビード部の形状を計測する方法に関し、スリット光とＩＴＶカメラにより得られたビード切削部の光切断画像を細線化処理して断面形状を算出し、その断面形状における輝度の違いにより切削部と非切削部を区別し、切削部中央値と切削部右端の値と切削部左端の値を求め、この三つの計測値をもとに切削深さ量や切削傾き量を算出することを提案している。

特許文献２は電縫溶接管のビード切削形状を、光切断像における切削部と非切削部の輝度レベルの影響を受けずに精度良く計測する計測方法および装置に関する。切削部の管軸方向の最大輝度およびスリット光の照射領域から外れる地合部領域の最大輝度をそれぞれ求め、管軸方向の最大輝度と地合部領域の最大輝度より得た値を閾値とし、その閾値より大である輝度および前記輝度を示す管軸方向座標の加重平均を当該幅方向座標、管軸方向座標における擬似断面方向座標とする。

そして、擬似断面方向座標を幅方向に連ねて得られる擬似断面形状と、スリット光の光源、撮像手段および電縫鋼管の幾何学的位置関係から決まる所定の変換式に基づいてビード切削形状を算出することを提案している。

特許２６１８３０３号公報特開２００３−３２２５１３号公報

特許文献１や特許文献２の技術は、スリット光をビード切削部に照射し、その反射光をＩＴＶカメラで捕らえた光切断画像の輝度データに所定の演算処理を行うことにより切削断面形状を算出している。

しかしながら、輝度は周囲環境の影響を受けやすいため、ビード切削形状の微妙な変化に対して形状データを精度良く得ることは困難で、正確な管外表面形状が得られない場合がある。

また、計測データより表面の曲率半径を正確に算出することが困難なため、正確なビード切削中心位置が得られず、溶接スパッタによる圧下痕と健全部を識別することは困難である。

更に、切削部の検出精度を高めるためにＩＴＶカメラの感度を大きくしたり鋼管表面の露光時間を長くするなどして切削部の輝度を高めようとすると、非切削部がハレーションを起こして、正確な切削部付近の形状を計測することが困難となる場合もある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、ビード切削部とビード非切削部の輝度の違いを利用することなく電縫鋼管のビード切削後における管周方向の管外表面形状を精度よく計測する外表面形状計測方法及び外表面形状計測装置を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．ビード切削後の電縫鋼管の外表面形状計測方法であって、ビード切削部と左右の鋼管母材部を含む一定幅の領域に対して、ビード切削部の上方より垂直方向に、ビード切削部に対して直角となるように照射したスリット状のレーザ光を、前記ビード切削部の斜め上方より観察して得られる像に対して、演算処理を行って前記ビード切削部と左右の鋼管母材部を含む一定幅の領域の形状を求めることを特徴とする電縫鋼管の外表面形状計測方法。
２．スリット状のレーザ光の照射と、スリット状のレーザ光の像の観察を２次元レーザ変位計で行い、前記ビード切削部と左右の鋼管母材部を含む一定幅の領域の形状を求める演算処理が、前記観察された像の形状データより管周方向の曲率半径を算出し、予め設定した管の周方向の曲率半径外となる領域をビード切削部と見なし、当該ビード切削部の切削幅中心を算出することを特徴とする１記載の電縫鋼管の外表面形状計測方法。
３．前記演算処理において、更に、電縫溶接の際に鋼管外表面を圧下するスクイズ上ロールにより鋼管の進行方向に連続的に生じる電縫溶接部付近のスクイズ上ロールの圧下痕を、検出することを特徴とする２記載の電縫鋼管の外表面形状計測方法。
４．前記圧下痕が電縫溶接時に発生する溶接スパッタが付着したスクイズ上ロールによるものであることを特徴とする３記載の電縫鋼管の外表面形状計測方法。
５．電縫鋼管の管外面のビードを切削した後の外表面形状を計測する管外表面形状計測装置であって、前記ビード切削部直上に配置された２次元レーザ照射手段と、前記２次元レーザ照射手段によりビードの切断方向に対して管周方向かつ垂直方向に照射されるスリット状のレーザ光の像を受光する手段と、前記スリット状のレーザ光の像よりビード切削部と左右母材部の管周方向の外表面形状を算出する演算手段と、前記外表面形状を目視可能に表示するための表示装置と具備することを特徴とする、管外表面形状計測装置。
６．前記演算手段が、電縫鋼管の製造において、鋼管外表面を圧下するスクイズ上ロールによって鋼管の進行方向に連続的に付与される電縫溶接部付近のスクイズ上ロールの圧下痕を、算出することを特徴とする５記載の管外表面形状計測装置。
７．前記スクイズ上ロールに電縫溶接時に発生する溶接スパッタが付着していることを特徴とする６記載の管外表面形状計測装置。

本発明によれば、電縫鋼管のビード切削後における外表面形状を精度よく計測して、
ビード切削部の形状やビード切削部の幅中心位置、スクイズロール圧下痕の深さを求めることが可能であるので、ビード切削量の定量的な管理、外面ビード切削装置の切削位置制御、スクイズ上ロールの設定管理の強化など、より高品質な電縫鋼管製造の操業が可能となり、産業上極めて有用である。

電縫鋼管の製造工程を説明する模式図。本発明法の測定原理を示す図。本発明法による外表面形状計測結果の一例を示す図。本発明法による外表面形状計測結果の他の例を示す図。本発明法による外表面形状計測結果の他の例を示す図。本発明法による外表面形状計測結果の他の例を示す図。

以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。本発明は図１で説明した製造工程により製造された電縫溶接鋼管のビード切削後の外表面形状計測方法を対象とする。

図２は本発明に係る外表面形状計測方法の原理を説明する模式図で、図において、８は電縫鋼管の外表面、９は余盛切削後のビード切削部、１０はレーザ発光部、１１はレーザ受光部、１２はスリット状のレーザ光、１３はスリット状のレーザ光１２による光切断像、１４は光切断像１３の反射像、１５は２次元レーザ変位計、１６は２次元レーザ変位計１５のレーザ受光部１１で受光した光切断像１３を表示するモニター画面を示す。

本発明では、ビード切削部９と左右の鋼管母材部の外表面８を含む一定幅の領域に対して、スリット状のレーザ光１２をビード切削部９に対して垂直方向で、且つ直角方向となるように上方からレーザ発光部１０で照射して前記一定幅の領域の光切断像１３を得る。

次に、ビード切削部９の斜め上方にあるレーザ受光部１１が受光した光切断像１３に対して、三角測量法による演算処理を行ってビード切削部９と左右の鋼管母材部の外表面８を含む領域の形状をＸＹ座標で数値化し、モニター画面１６の２次元座標軸上に反射像１４として表示する。

斜め上方から観察された光切断像１３は、モニター画面１６上において、ビード切削部９はＹ軸を挟んだ一定幅の略直線に、ビード切削部９の左右の母材の外表面８は、前記一定幅の直線の左右に弧を描く反射像１４として表示される。

スリット状のレーザ光１２の照射と、光切断像１３の観察は、レーザ発光部１０とレーザ受光部１１の両方を備えた２次元レーザ変位計１５で行うことが好ましい。

ビード切削部９を中心として左右の母材部を含む領域を示す反射像１４の形状からビード切削部を判別する場合は、ビード切削部が略平坦で管周方向の曲率がビード切削部の左右の母材部（鋼管の一部）の曲率半径と異なることを利用する。

図４に反射像１４の一例を模式的に示す。座標点Ｐ，Ｑ間の距離Ｗの領域は略平坦で、その外側の曲線Ｒの部分と管周方向の曲率半径が相違するので、座標点Ｐ，Ｑ間の距離Ｗの領域がビード切削部９で、曲線Ｒ部が鋼管母材部と判別される。ビード切削部９が平坦でない場合も、予め管の周方向の曲率半径の閾値をＲ_ｓとして、反射像１４で曲率半径ＲがＲ_ｓ≦Ｒの領域をビード切削部９とみなすことができる。ビード切削部９の中心Ｃは距離Ｗの１／２位置と算出される。

図３はビード切削部が傾斜している場合の反射像１４の例を示す模式図で、曲率半径ＲがＲ_ｓ≦Ｒの領域（座標点Ｐ_２とＱ_２間）がビード切削部９と判別することができる。座標点Ｐ_１−Ｐ_２とＱ_１−Ｑ_２の間は曲率半径Ｒがその他の部分と異なるのでビード非切削部（母材が増肉して余盛となっておりビードであるが、切削バイトにより切削されていない部分）と判別できる。

ビード切削部の左側の境界となる座標点Ｐ_２の高さＨ_１、ビード非切削部の左側の境界（ビード非切削部と鋼管母材部の境界）となる座標点Ｐ_１の高さＨ_２、ビード切削部の右側の境界となる座標点Ｑ_２の高さＨ_４、ビード非切削部の右側の境界となる座標点Ｑ_１の高さＨ_３が判るので、切削傾きをＴ＝（Ｈ_４−Ｈ_３）−（Ｈ_１−Ｈ_２）として求めることが出来る。

図５はビード非切削部の管外面にスクイズ上ロールによる圧下痕が生じた場合の反射像１４を示し、圧下痕の急峻な形状変化により変曲点として座標点Ｐ，Ｑが設定できる。座標点Ｐの高さＨ_６，Ｑの高さＨ_５より、段差をＤ＝Ｈ_６―Ｈ_５と定義し、Ｄが閾値を超えている場合にスクイズロール圧下痕として検出することができる。

図６はビード非切削部の管外表面に窪みが生じた場合の反射像１４を示し、窪みの急峻な形状変化により変曲点として座標点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｑが設定できる。このような場合は、スパッタ圧下痕として検出することが出来る。

本発明に係る外表面形状計測方法は、レーザ受光部１１が受光した光切断像１３に対して、演算処理を行ってＸＹ座標で数値化し、モニター画面１６上に反射像１４として表示するので、図３〜６に示したビード切削部の寸法データをモニター画面１６で表示したり、鋼管表面で圧下痕が検出されたことを、操作員に知らせる機能をもたせることが可能である。

そして、ビード切削部の形状やビード切削部の幅中心位置、スクイズロール圧下痕の深さを定量的に求めることが可能であるので、ビード切削量の定量的な管理、外面ビード切削装置の切削位置制御、スクイズ上ロールの設定管理の強化など、より高品質な電縫鋼管製造の操業が可能となる。

また、本発明は、電縫鋼管の管外面のビードを切削した後の外表面形状を計測する管外表面形状計測装置であって、前記ビード切削部直上に配置されたレーザ照射手段と、前記レーザ照射手段によりビードに直角方向かつ垂直方向に照射されるスリット状のレーザ光の光切断像を受光する手段と、前記スリット状のレーザ光の光切断像より前記スリット状のレーザ光の像よりビード切削部と左右母材部の管周方向の外表面形状を算出する演算手段と、前記外表面形状を目視可能に表示する表示装置とを具備し、好ましくはレーザ照射手段と受光する手段を備えた２次元レーザ変位計を用いることを特徴とする管外表面形状計測装置である。

図１に示した電縫鋼管製造ラインを用いて、外径２７３．１ｍｍ、管厚１２．７ｍｍの電縫鋼管を製造し、本発明法により外表面形状計測を行った。なお、本発明の適用に際して、レーザ光を照射する部分については水滴やスケール等が付着し、２次元レーザ変位計にとって外乱となる可能性があるため、これらを除去するために２次元レーザ変位計の前にエアパージを配置した。

ビード切削後の形状でＺ方向の計測値（高さ）はビード切削部左端で＋０．３０ｍｍ、ビード切削部右端で＋０．３２ｍｍであった。造管後、計測を行った箇所と同一の部分よりサンプルを採取し、ビード切削部の管厚断面方向の検鏡を実施し、ビード切削部の寸法を実測した。計測値は切削部左端で＋０．３２ｍｍ、切削部右端で＋０．３４ｍｍであった。

このように本発明の電縫管溶接ビード切削形状計測方法により、実際の切削部寸法に対して０．０５ｍｍの範囲内で計測を行うことが出来た。

本発明法を用いてビード切削部の中心を算出するためにビード切削幅を求めたところ、計測値では１２．１ｍｍであった。造管後に計測を行った箇所と同一の部分のサンプル採取を行い、ビード切削幅を実測したところ、１２．２２ｍｍで、実際の切削部寸法に対して０．１ｍｍの範囲内でビード切削幅が計測可能であることが確認された。

本発明法を用いて電縫溶接時に生ずるスクイズ上ロールの圧下痕の検出を行ったところ、圧下痕深さの計測値は０．２５ｍｍであった。造管後に計測を行った箇所と同一の部分のサンプル採取を行い、ビード切削幅を実測したところ、０．２８ｍｍで、実際の切削部寸法に対して０．０５ｍｍの範囲内でビード切削部が計測可能であることが確認された。

本発明法を用いて溶接スパッタ圧下痕の検出を行い、表示装置に圧下痕と推定される出力が確認された箇所の鋼管外表面を確認したところ、実際に溶接スパッタによる圧下痕が確認された。

以上より、本発明を用いることにより、鋼管外表面の形状寸法を精度良く計測できることが確認された。

１鋼帯
３オープン管
４溶接機
５スクイズロール
６切削バイト
７工業用カメラ
８外表面
９ビード切削部
１０レーザ発光部
１１レーザ受光部
１２スリット状のレーザ光
１３光切断像
１４反射像
１５２次元レーザ変位計
１６モニター画面

Claims

ビード切削後の電縫鋼管の外表面形状計測方法であって、２次元レーザ変位計を用いて、ビード切削部と左右の鋼管母材部を含む一定幅の領域に対して、ビード切削部の上方より垂直方向に、ビード切削部に対して直角となるように照射したスリット状のレーザ光を、前記ビード切削部の斜め上方より観察して得られる像に対して、三角測量法を用いた演算処理を行ってビード切削部と左右の鋼管母材部の外表面を含む領域の形状をＸＹ座標で数値化し、該数値化に基づき作成した２次元座標軸上の反射像を得て、該反射像の形状データより管周方向の反射像の曲率半径を算出し、反射像の曲率半径Ｒが予め設定した管の周方向の曲率半径Ｒｓ以上の領域をビード切削部とみなし、前記ビード切削部と左右の鋼管母材部を含む一定幅の領域の形状を求めることを特徴とする電縫鋼管の外表面形状計測方法。
前記ビード切削部の中心を算出することを特徴とする請求項１記載の電縫鋼管の外表面形状計測方法。
前記演算処理において、更に、電縫溶接の際に鋼管外表面を圧下するスクイズ上ロールにより鋼管の進行方向に連続的に生じる電縫溶接部付近のスクイズ上ロールの圧下痕を、検出することを特徴とする請求項２記載の電縫鋼管の外表面形状計測方法。
前記圧下痕が電縫溶接時に発生する溶接スパッタが付着したスクイズ上ロールによるものであることを特徴とする請求項３記載の電縫鋼管の外表面形状計測方法。
電縫鋼管の管外面のビードを切削した後の外表面形状を計測する管外表面形状計測装置であって、前記ビード切削部直上に配置された２次元レーザ照射手段と、前記２次元レーザ照射手段によりビードの切断方向に対して管周方向かつ垂直方向に照射されるスリット状のレーザ光の像を受光する手段と、三角測量法を用いて前記スリット状のレーザ光の像よりビード切削部と左右の鋼管母材部の外表面を含む領域の形状をＸＹ座標で数値化して表した反射像において反射像の曲率半径Ｒが予め設定した管の周方向の曲率半径Ｒｓ以上の領域をビード切削部とみなし、ビード切削部と左右母材部の管周方向の外表面形状を算出する演算手段と、前記外表面形状を目視可能に表示するための表示装置と具備することを特徴とする、管外表面形状計測装置。
前記演算手段が、電縫鋼管の製造において、鋼管外表面を圧下するスクイズ上ロールによって鋼管の進行方向に連続的に付与される電縫溶接部付近のスクイズ上ロールの圧下痕を、算出することを特徴とする請求項５記載の管外表面形状計測装置。
前記スクイズ上ロールに電縫溶接時に発生する溶接スパッタが付着していることを特徴とする請求項６記載の管外表面形状計測装置。