JP6699116B2 - 電縫溶接工程におけるアプセット制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電縫鋼管の製造工程のうちの電縫溶接工程におけるアプセット制御装置及び制御方法に関するものである。

電縫鋼管は、帯状の金属板を搬送しながらロール群により連続的に円筒状に成形し、成形された円筒状の金属板に対してその側方から一対のスクイズロールによりアプセットを加えながら、かつ、Ｖ字状に収束する金属板の周方向の両端部への入熱制御を行いながら、高周波抵抗溶接または誘導加熱溶接により加熱溶融させて突き合わせて溶接する方法で製造される。この電縫溶接工程は電縫鋼管の品質に直接影響する重要な工程であるため、従来から様々な検討がなされてきた。

電縫鋼管の製造における高周波抵抗溶接または誘導加熱溶接のような場合、その溶接現象は投入電力（入熱量）が高くなるにつれて、冷接、第１種、第２種、過入熱といった溶接現象が発現することが知られている。この中で第２種現象は広い入熱条件で安定した溶接部品質が得られると考えられていたが、溶接欠陥に着目した品質と溶接現象の詳細な観察により、第２種は３つの現象に細分類されることが分かった。これらを入熱の低い方から狭義の第２種、遷移領域、２段収束を伴う第２種と定義した。とりわけ遷移領域では溶接欠陥が増加する可能性が高いこと、２段収束を伴う第２種ではＶ収束角が２段階に変化する現象（２段収束）が起こること、２段収束＝全厚溶融であることなどを見出した。実操業では冷接、過入熱及び遷移領域を回避し、品種毎に第２種、２段収束を伴う第２種領域に入熱を制御して溶接部品質の高い溶接を行うことが要求される。

しかし、入熱状態を左右するのは供給電力だけではなく、Ｖ収束角や突合せ角など他の要因にも影響されるため、溶接状態を連続的に監視する技術が効果的であると考えられる。本発明者らは、これまでに溶接スリットの長さを測定することで適切な溶接条件に制御する手法（特許文献１、特許文献２）、２段収束型第２種溶接現象を把握することで溶融証明、入熱制御を行う技術、溶接点位置とスクイズロールセンター間の距離を測定することで入熱上限を監視する技術（特許文献３）などを開発し、２段収束を伴う第２種現象が発現する入熱状態に制御するためのシステムを構築、導入してきた。更に、より低入熱側で造管する品種にも対応するため、アーク検出による第２種領域の境界を判別する技術も出願済みであるが、更により正確な溶接状態の監視方法及び装置が求められている。

特許第５０１４８３７号公報 ＷＯ１１／１１８５６０号公報 特許５５１０６１５号公報

本発明者らはこの要望に応えるために検討を重ねた結果、電縫溶接の品質は入熱状態の他に、スクイズロールによるアプセットが適切に行われているか否かによっても大きく左右されることに着目した。特にアプセットが適正値よりも小さい場合は、加熱・溶融過程で溶接面に成長した酸化物が正常に排出されずに残留し、ペネトレータと呼ばれる酸化物欠陥が発生する可能性が高くなる。従来の電縫溶接工程の監視技術は入熱状態の監視に主眼が置かれてきた上、直接的にアプセット状態を把握する技術がなかったことから、アプセット状態の監視ができていなかった。従って本発明の目的は、電縫溶接工程において適正なアプセット状態であるか否かを正確に監視し、アプセット状態を制御することができる技術を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明の電縫溶接工程におけるアプセット制御装置は、ロール群により円筒状に成形された金属板に対してその側方から一対のスクイズロールによりアプセットを加えながら、かつＶ字状に収束する金属板の周方向の両端部への入熱制御を行いながら、高周波抵抗溶接または誘導加熱溶接により前記両端部を加熱溶融させて突き合わせて溶接する電縫溶接工程におけるアプセット制御装置であって、前記金属板のＶ字状に収束する領域であるＶ字収束領域を含む領域の表面の画像が撮影される画像撮影手段と、前記画像撮影手段により撮影された画像を取り込み、時系列で撮影された画像に基づいて金属板がＶ字状に収束するＶ字収束点を抽出し、その絶対位置の周期変動の振幅或いは周期を測定することでアプセット状態を判定する画像処理手段と、アプセット状態が適正でないと判定されたときにアプセット条件を制御する制御手段とを備え、前記Ｖ字収束点の絶対位置の周期変動の振幅或いは周期の測定には、フーリエ変換を用いて周波数成分に変換した後に、特定周波数の振幅又は強度を測定する方法を用いることを特徴とするものである。

また本発明の電縫溶接工程におけるアプセット制御方法は、帯状の金属板を搬送しながらロール群により連続的に円筒状に成形し、前記円筒状の金属板に対してその側方から一対のスクイズロールによりアプセットを加えながら、かつＶ字状に収束する金属板の周方向の両端部への入熱制御を行いながら、高周波抵抗溶接または誘導加熱溶接により加熱溶融させて突き合わせて溶接する電縫溶接工程におけるアプセット制御方法であって、前記金属板のＶ字状に収束する領域であるＶ字収束領域を含む領域の表面の画像を撮影する画像撮影手段により撮影された画像を取り込み、画像処理手段にて時系列で撮影された画像に基づいて金属板がＶ字状に収束するＶ字収束点を抽出し、このＶ字収束点の絶対位置の周期変動の振幅或いは周期を、フーリエ変換を用いて周波数成分に変換した後に、特定周波数の振幅又は強度を測定する方法で測定してアプセット状態を判定し、アプセット状態が適正でないと判定されたときにはアプセット条件を制御することを特徴とするものである。

上記した本発明においては、前記Ｖ字収束点として、幾何学的収束点、物理的衝合点もしくはＶ収束角を用いることが好ましい。

また本発明においては、前記Ｖ字収束点の絶対位置の周期変動の振幅或いは周期の測定には、１周期以上の時間ウィンドウ内で最大、最小値を監視して振幅の大きさを把握するか、フーリエ変換を用いて周波数成分に変換した後に特定周波数の振幅または強度を測定するか、の何れかを用いることが好ましい。

本発明の電縫溶接工程におけるアプセット制御装置及び制御方法によれば、従来は知り得なかったアプセット状態をリアルタイムで監視し、適正なアプセット状態を維持することができる。このため従来の入熱状態の監視技術と併用すれば、より正確な溶接監視とアプセット制御を行なうことが可能となる。

電縫溶接工程の説明図である。 Ｖ字収束領域を含む領域の表面の画像の模式図である。 直線近似された金属板の両端部の様々なエッジ形状を示す図である。 適正アプセットの場合における幾何学的収束点Ｖ０の変動を示すグラフである。 低アプセットの場合における幾何学的収束点Ｖ０の変動を示すグラフである。 適正アプセットの場合における幾何学的収束点Ｖ０の変動の周波数成分を示すグラフである。 低アプセットの場合における幾何学的収束点Ｖ０の変動の周波数成分を示すグラフである。 別品種の適正アプセットの場合における幾何学的収束点Ｖ０の変動を示すグラフである。 別品種の低アプセットの場合における幾何学的収束点Ｖ０の変動を示すグラフである。

以下に本発明の実施形態を説明する。
図１は電縫溶接工程の説明図である。電縫鋼管は、帯状の金属板（鋼板）を搬送しながら図示しない多数のロール群により連続的に円筒状に成形し、円筒状に成形された金属板１に対してその側方から一対のスクイズロール２，２によりアプセットを加えながら、電縫溶接する方法で製造される。

図１に示されるように、スクイズロール２，２の手前側では金属板１の周方向の両端部１ａ、１ｂが、矢印で示す金属板１の進行方向に向かって次第に接近し、Ｖ字状に収束して行く。この場合、入熱条件によって２種類の収束点が発生するため、金属板１の両端部１ａ、１ｂの近似直線の交点を幾何学的収束点Ｖ０、両エッジが接触する点を物理的衝合点Ｖ１、Ｖ字状に収束する領域をＶ字収束領域と呼び、幾何学的収束点Ｖ０に向かう金属板１の周方向の両端部１ａ、１ｂがなす角度をＶ収束角と呼ぶ。

図１に示される４ａ、４ｂはＶ字収束領域３に向かう金属板１の周方向の両端部１ａ、１ｂ付近に接触するように配置される一対のコンタクトチップであり、５は円筒状に成形された金属板１の中心部に配置されたインピーダ、６はコンタクトチップ４ａ、４ｂに接続された高周波電源である。コンタクトチップ４ａ、４ｂから給電される高周波電流は、金属板１の周方向の両端部１ａ、１ｂに沿って矢印のように流れて高周波抵抗により金属板１の両端部１ａ、１ｂを加熱溶融する。この高周波電流については、従来と同様に入熱制御が行われている。そして加熱溶融された金属板１の両端部１ａ、１ｂは、Ｖ字収束領域３の付近でスクイズロール２，２によるアプセットが加えられ、電縫溶接される。なおコンタクトチップ４ａ、４ｂの代りに誘導コイルを用い、同様に誘導加熱溶接を行なうこともできる。上記した電縫溶接工程は周知である。

このように加熱溶融された金属板１の両端部１ａ、１ｂに、スクイズロール２，２によりアプセットを加えることによって、金属板１の表面の酸化物が溶接面から押出されて排出され、優れた溶接品質が達成できる。しかしアプセットが不足すると酸化物が溶接面に残存して溶接欠陥を発生させる可能性が高くなる。本発明では、従来は知り得なかったアプセット状態をリアルタイムで監視するために、画像撮影手段７と、画像処理手段８とが設けられている。

画像撮影手段７は、金属板１のＶ字状に収束する領域であるＶ字収束領域を含む領域の表面の画像を撮影するものであり、例えばＣＣＤカメラが用いられる。金属板１はその両端部１ａ、１ｂが集中的に加熱溶融されるため両端部１ａ、１ｂ及びそれらの近傍から輻射光を発する。画像撮影手段７はこの輻射光のうち赤色光を含む金属板１の表面の画像を撮影する。

画像処理手段８は、画像撮影手段７により撮影された画像を取り込み、時系列で撮影された画像に基づいて金属板１がＶ字状に収束するＶ字収束領域３を抽出する。具体的には、図２に示されるようなＶ字収束領域を含む画像から赤色成分を抽出して金属板１の両端部１ａ、１ｂのエッジを検出し、直線近似する。さらに２値化とラべリング処理とを行ない、Ｖ字状に収束する幾何学的収束点Ｖ０と、エッジが物理的に衝合される物理的収束点Ｖ１とを求める。なお、図２に示される金属板１の両端部１ａ、１ｂの外側の凹凸形状は、押出された酸化物の赤色画像である。

図３に画像処理手段８により直線近似された金属板１の両端部１ａ、１ｂの様々なエッジ形状を示す。図３の上段の図は、近似直線が幾何学的収束点Ｖ０に向かってＶ字状に収束した様子を示している。両側の近似直線がなす角度をＶ収束角という。この図では幾何学的収束点Ｖ０と、物理的衝合点Ｖ１が一致している。このような状態は比較的入熱が低い場合に生じ、背景技術に記載した第１種の溶接現象に相当する。

図３の下段の図は、上段の図より入熱が高い場合を示しており、幾何学的収束点Ｖ０と物理的衝合点Ｖ１が完全に分離した様子を示している。このような状態は背景技術に記載した２段収束を伴う第２種の溶接現象（２段収束現象）に相当する。

画像処理手段８は、上記のように幾何学的収束点Ｖ０、物理的収束点Ｖ１またはＶ収束角の少なくとも１つを抽出し、その絶対値の周期変動の振幅或いは周期を測定する。すなわち、アプセットが不足した状態で溶接した場合には、幾何学的収束点Ｖ０、物理的収束点Ｖ１またはＶ収束角の少なくとも１つが周期的に変動するため、その周期的な変動を観察すれば、アプセットが低下したかどうかを判定することが可能となる。このような幾何学的収束点Ｖ０、物理的収束点Ｖ１またはＶ収束角の少なくとも１つの周期的な変動とアプセットとの関係は従来全く知られておらず、本発明者らが初めて見出したものである。

図４はアプセットが適正な場合の幾何学的収束点Ｖ０の位置の変動状態を示すグラフである。このような周期的な変動は、溶接部のロバスト性のため、フォーミングやロール偏芯などによる揺らぎが顕在化することで発生すると推測される。しかしアプセットが適正な場合、幾何学的収束点Ｖ０の位置の変動は数ｍｍ以内に留まる。

これに対して、アプセットが不足している場合には、幾何学的収束点Ｖ０は下流側にシフトするとともに、図５に示すようにその周期的な変動幅は大きくなり、数ｍｍを超える。そこで、Ｖ字収束領域３の変動幅を把握することにより、アプセット状態の良否を判定することができる。

Ｖ字収束領域３の変動幅を把握するには、１周期以上の時間ウィンドウ内で最大値、最小値を監視して振幅の大きさを把握するか、あるいはＶ字収束領域３の変動をフーリエ変換を用いて周波数成分に変換した後に、特定周波数の振幅または強度を測定するか、の何れかの方法を用いることが好ましい。アプセット状態が適切でないと判定された場合には、スクイズロール２，２にフィードバックして、適切なアプセット状態とする。
以下に本発明の実施例を示す。

直径３２３.９ｍｍ、板厚１５.９ｍｍの電縫鋼管を、高周波抵抗溶接により製造する実際の電縫鋼管製造ラインの溶接部のほぼ鉛直上方位置に、画像撮影手段であるカメラを取付け、撮影と画像処理とを連続的に行いながら、Ｖ字収束点である幾何学的収束点Ｖ０の位置を測定した。カメラは４０フレーム／秒、露光時間は１／１００００秒に設定した。

アプセットを１０ｍｍとした適正アプセット条件下では、前述の図４に示したように、幾何学的収束点Ｖ０の周期的な変動幅は±２ｍｍ程度であったが、アプセットを５ｍｍとした低アプセット条件下では、前述の図５に示したように、幾何学的収束点Ｖ０の周期的な変動幅は±４ｍｍ以上となった。なおこのような傾向は、入熱量を変化させた場合にも同様に生じることを確認した。こうした周期的な変動は、溶接条件によって幾何学的収束点Ｖ０、物理的収束点Ｖ１またはＶ収束角の少なくとも１つで顕著に発生することも考えられるため、少なくとも１つでも変動幅が大きくなった場合には、アプセットが低下したと判断する。

この幾何学的収束点Ｖ０の変動の周期は鋼種によって異なるが、実施例では６秒程度の周期であった。適正アプセットの場合には、目立った周期性は確認できなかった。

図６、図７は図４、図５と同一のデータを、高速フーリエ変換を用いて周波数変換した結果を示すグラフであり、図７に示す低アプセット条件下では、図６の適正アプセット条件では見られなかった０.１５Ｈｚ付近の周波数成分が高くなっていることが判る。

また図８、図９は、直径３２３.９ｍｍ、板厚６.４ｍｍの別品種の電縫鋼管を製造する実際の電縫鋼管製造ラインのデータであり、図９に示す低アプセット時に発生する周波数が、図７とは異なっている。これは品種によって、造管速度やロール径などが異なることが原因となって、周波数が変化するためと考えられる。しかし同一品種の場合には、ほぼ同じ周波数成分が現れるので、閾値を設定してアプセット状態の正常／異常を容易にかつ正確に判別することができる。

このように本発明によれば、Ｖ字収束点を抽出し、その絶対位置の周期変動の振幅或いは周期を測定することでアプセット状態の適否をリアルタイムで容易に判定することができるので、スクイズロールの動きにフィードバックすれば、従来は不可能であったアプセット状態の監視とアプセットの制御が可能となり、より正確な溶接条件の制御を行なうことができる。

１：金属板
１ａ、１ｂ：金属板の両端部
２：スクイズロール
３：Ｖ字収束領域
４ａ、４ｂ：コンタクトチップ
５：インピーダ
６：高周波電源
７：画像撮影手段
８：画像処理手段

Claims (6)

1. ロール群により円筒状に成形された金属板に対してその側方から一対のスクイズロールによりアプセットを加えながら、かつＶ字状に収束する金属板の周方向の両端部への入熱制御を行いながら、高周波抵抗溶接または誘導加熱溶接により前記両端部を加熱溶融させて突き合わせて溶接する電縫溶接工程におけるアプセット制御装置であって、
   前記金属板のＶ字状に収束する領域であるＶ字収束領域を含む領域の表面の画像が撮影される画像撮影手段と、
   前記画像撮影手段により撮影された画像を取り込み、時系列で撮影された画像に基づいて金属板がＶ字状に収束するＶ字収束点を抽出し、その絶対位置の周期変動の振幅或いは周期を測定することでアプセット状態を判定する画像処理手段と、
   アプセット状態が適正でないと判定されたときにアプセット条件を制御する制御手段とを備え、
   前記Ｖ字収束点の絶対位置の周期変動の振幅或いは周期の測定には、フーリエ変換を用いて周波数成分に変換した後に、特定周波数の振幅又は強度を測定する方法を用いることを特徴とする電縫溶接工程におけるアプセット制御装置。
2. 前記Ｖ字収束点には、幾何学的収束点、物理的衝合点またはＶ収束角のうち少なくとも１つが用いられることを特徴とする請求項１に記載の電縫溶接工程におけるアプセット制御装置。
3. 前記Ｖ字収束点の絶対位置の周期変動の振幅或いは周期の測定には、１周期以上の時間ウィンドウ内で最大、最小値を監視して振幅の大きさを把握するか、フーリエ変換を用いて周波数成分に変換した後に特定周波数の振幅または強度を測定するか、の何れかが用いられることを特徴とする請求項１または２に記載の電縫溶接工程におけるアプセット制御装置。
4. 帯状の金属板を搬送しながらロール群により連続的に円筒状に成形し、前記円筒状の金属板に対してその側方から一対のスクイズロールによりアプセットを加えながら、かつＶ字状に収束する金属板の周方向の両端部への入熱制御を行いながら、高周波抵抗溶接または誘導加熱溶接により加熱溶融させて突き合わせて溶接する電縫溶接工程におけるアプセット制御方法であって、
   前記金属板のＶ字状に収束する領域であるＶ字収束領域を含む領域の表面の画像を撮影する画像撮影手段により撮影された画像を取り込み、画像処理手段にて時系列で撮影された画像に基づいて金属板がＶ字状に収束するＶ字収束点を抽出し、このＶ字収束点の絶対位置の周期変動の振幅或いは周期を、フーリエ変換を用いて周波数成分に変換した後に、特定周波数の振幅又は強度を測定する方法で測定してアプセット状態を判定し、アプセット状態が適正でないと判定されたときにはアプセット条件を制御することを特徴とする電縫溶接工程におけるアプセット制御方法。
5. 前記Ｖ字収束点には、幾何学的収束点、物理的衝合点またはＶ収束角のうち少なくとも１つを用いることを特徴とする請求項４に記載の電縫溶接工程におけるアプセット制御方法。
6. 前記Ｖ字収束点の絶対位置の周期変動の振幅或いは周期の測定には、１周期以上の時間ウィンドウ内で最大、最小値を監視して振幅の大きさを把握するか、フーリエ変換を用いて周波数成分に変換した後に特定周波数の振幅または強度を測定するか、の何れかを用いることを特徴とする請求項４または５に記載の電縫溶接工程におけるアプセット制御方法。