JP6720507B2 - 溶接状態監視装置及び溶接状態監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管を電縫溶接する際に、その溶接部を撮影して溶接状態を監視する溶接状態監視装置及び溶接状態監視方法に関する。

電縫鋼管は、まず、帯状の鋼板を複数のロールで搬送しながら、その両端部が互いに対向するように円筒状に成形される。そして、Ｖ字状に収束する鋼板の両端部において、高周波抵抗溶接又は誘導加熱溶接による入熱制御を行いながら各端部を加熱溶融し、スクイーズロールでアプセット（突き合わせ方向への圧力）を加えながら溶接する方法により製造される。

鋼管の電縫溶接においては、投入電力（入熱量）が大きくなるにつれて、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。機械構造管では、スパッタ発生が欠陥につながる可能性が高いことから、比較的低入熱の第１種条件で操業が行われている。その場合、溶接面の突き合わせ状態やアペ角、造管速度などが適正でない場合には、冷接が生じる危険性がある。特に、トーションビームのような溶接部の割れ耐性が要求される品種では、冷却水に混入したスケールが噛み込む等による欠陥が発生しないよう、溶接状態を厳しく管理する必要がある。

このように、溶接部への入熱状態は、投入電力だけでなく、溶接面の突き合わせ状態などの他の要因によっても影響されることから、的確な入熱制御のためには、溶接状態を監視する技術が重要とされている。例えば特許文献１には、製造中の電縫管の管内にイメージファイバ（ファイバスコープ）を通し、そのイメージファイバにより得られた溶接部の画像を処理して、電縫管の突き合わせ状態を推定する技術が提案されている。しかしこの方法では、個々のファイバの径が小さくできない制約（回折限界）があること且つ束ねるファイバ本数に限界があることから、分解能の高い画像を得ることは難しい。これに対し、発明者らは、更に電縫溶接面の状態を直接監視できるようにするために、ボアスコープ方式の監視方法を提案済みである（例えば、特許文献２、３参照）。ボアスコープにおいて、リレーレンズなどの光学系を組み込むシースをセラミック製に改造し、シースの先端部にプリズムを装着したサイドビュー方式としたことで、鋼板の板厚方向における電縫溶接面の高分解能撮影が実現されている。

特開昭６２−２０３６８０号公報 特許第４７０５６９２号公報 特許第５４４５４２８号公報

しかし、溶接面の状態を直接監視するボアスコープにおいては、溶接部に近接する位置に光学系を収容するシースが配置されるため、溶鋼からの強い輻射を受けてシースや光学系が局所的に加熱されることから更なる耐久性が求められている。そのため、本発明の目的は、高い耐久性を有する撮像装置を用いて溶接状態を正確に監視できる技術を提供することである。

上記課題を解決するためになされた請求項１の発明の溶接状態監視装置は、インナーシースの先端部にプリズムを装着し、鋼管を電縫溶接する際にその溶接部を外部から撮影して溶接状態を監視するサイドビュー方式の溶接状態監視装置であって、リレーレンズはインナーシースに収納され、当該インナーシースは耐熱性誘電体材からなる保護シースで覆われ、前記インナーシースには、その先端底部を覆う第一部分が備わり、前記保護シースには、その先端底部に前記インナーシースの第一部分を覆う第二部分が備わり、当該第二部分がセラミックにより一体形成された長さが２０ｍｍ以上の有底筒体であって溶接部を撮影するための入光窓が開口形成されており、前記プリズムが装着されたインナーシースの先端底部は、インナーシースの先端側を覆う第一部分と保護シースの第二部分の、それぞれ２つの部分の先端底部により二重に覆われており、前記インナーシースと保護シースとの間に冷却用気体が投入されるとともに、前記冷却用気体が前記入光窓から外部に放出される構造であることを特徴とする。

また、本発明の溶接状態監視方法は、鋼管を電縫溶接する際に、その溶接状態を請求項１に記載のインナーシースの先端部にプリズムを装着したサイドビュー方式の溶接状態監視装置を用いて監視する溶接状態監視方法であって、前記インナーシースの外側に耐熱性誘電体材からなる保護シースを被せ、前記インナーシースと保護シースとの間、および前記インナーシースの先端底部と保護シースの先端底部との間に冷却用気体を投入しながら、前記保護シースの先端部の入光窓から前記冷却用気体を外部に放出することを特徴とする。

本発明によれば、シースを二重保護構造としたことにより、ボアスコープ先端部の耐熱性を従来よりも向上させることができる。また、耐熱性を向上させたことにより、シース先端部を可及的に溶接部に接近して配置させることができる。これにより撮影視野角内に溶接部が位置し、溶接状態の監視を正確に行うことができる。

鋼管の電縫溶接工程の一例を説明するための斜視図である。 電縫溶接面の状態を説明するための縦断面図である。 本発明の一実施形態によるボアスコープの略断面図である。

以下、本発明に係る好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、電縫溶接工程の一例を説明するための図である。電縫鋼管の溶接工程は、まず、帯状の鋼板１を図示しない複数のロールで搬送しながら、その両端部が互いに対向するように円筒状に成形する。そして、Ｖ字状に収束する鋼板の両端部において、高周波抵抗溶接による入熱制御を行いながら加熱溶融し、スクイーズロール２ａ、２ｂによりアプセット（突き合わせ方向への圧力）を加えながら、これらの突き合わせ面を連続的に溶接していく。

インピーダ３は、円筒状に曲げられた鋼板１の内部に配置される。例えばワークコイル４は、Ｖ字収束領域（溶接部）５に向かう鋼板１の両端部近くに配置され、高周波電源６から高周波電力が供給されると、電磁誘導によって鋼板１の周方向に電流が有機される。この時インピーダ３との相互作用と鋼板１端部の近接効果によりＶ字収束領域５付近に集中的に大きな電流が発生する。この電流によるジュール熱により溶接面を有する両端部が溶融する。なお、図１において、ワークコイルの他にも鋼板１に接触するコンタクトチップにより高周波電流を直接通電する方式もある。

スクイーズロール２ａ、２ｂは、溶接部よりも下流側であって、円筒状に曲げられた鋼板１を介して互いに対向する位置に配置される。円筒状鋼板１は、このスクイーズロール２ａ、２ｂにより加圧されることで、高周波誘導加熱により溶融した両端部が確実に接合される。溶接面の加熱、溶融の過程で表面に酸化物が生成されるが、スクイーズロール２ａ、２ｂによりアプセットを加えることによって、鋼板１の表面の酸化物が溶接面から押し出され、優れた溶接部品質が達成できる。しかし、外部からスケールが溶接面に噛み込んだりすると十分排出されずに欠陥が発生する可能性が生じてくる。また入熱が適正でなければ冷接や過入熱によるペネトレータと呼ばれる欠陥が発生する可能性があり、更に両端部の突き合わせが平行状態からずれると内外表面で入熱状態が変化することに起因した溶接品質の低下が生じることもある。したがって、優れた溶接部品質を得るには、溶接状態を常時監視しながら、入熱量や突き合わせ状態等を適宜制御することが重要である。

本発明に係る溶接状態監視装置は、鋼板１の溶接部の板厚方向における突き合わせ領域５ａを直接監視できる、高い耐久性を有する撮像装置としてボアスコープ１０を備える。「ボアスコープ」とは、構造物の内部等、直接目視できない部位の観察や検査をするための工業的内視鏡をいう。ボアスコープは、一般的に、円筒状のシース内に光像を伝播する光学系（具体的にはリレーレンズ：画像を一定周期で結像しながら伝播するレンズセット）と、伝送された光像を画像データに変換する撮像部（具体的にはＣＣＤやＣＭＯＳなどのイメージセンサ）とを備えている。

図２に示すように、ボアスコープ１０は、Ｖ字収束領域５の上流側であって、その斜め上方から鋼板１の板厚方向の突き合わせ領域５ａを撮影できる位置に配置される。上述したように高周波誘導加熱では、渦電流が誘起される鋼板１の表面、とくに角部から溶融が開始されるため、その溶接面は、例えば図２に示すように、上下端が先行的に溶融し、中央部が最も下流側で溶融する窪んだ断面状態を呈することとなる。したがって、突き合わせ領域５ａ全体が、ボアスコープ１０の撮影視野角θ内に入るようにするためには、ボアスコープ１０の入光角度（撮影仰角）をゼロに近付けること、言い換えるとシース１１の先端部が可能な限り鋼板１に近い位置に配置されることが望ましい。本実施形態のボアスコープ１０は、後述するように高い耐熱性及び耐磁性を有することにより、この問題の解決が図られている。

画像処理手段８は、ボアスコープ１０により撮影された画像を時系列で取り込み、これらの画像に基づいて、Ｖ字収束領域５及び溶接面の突き合わせ領域５ａを抽出する。また、入熱による溶接部の輝度変化も捉えることができる。

図３は、本実施形態によるボアスコープ１０の略断面図である。ボアスコープ１０は、上述したようにリレーレンズ１２、１２、・・・及び先端部にプリズム１３を収容するセラミック製のシース（これを「インナーシース」という）１１と、リレーレンズ１２、１２、・・・で伝播された光を結像して画像データに変換するＣＣＤイメージセンサ１５とを備える基本構造を有している。セラミック製のインナーシース１１は、例えば２００℃程度以上の耐熱性と、強磁場の影響を受けない誘電体材料から形成される。そのような誘電体材料としては、例えばセラミック材料を用いることができる。ＣＣＤイメージセンサ１５は、例えば１００万画素以上の分解能を有することが好ましい。ＣＣＤイメージセンサ１５は、ボアスコープ１０本体の外側から挿入されるピン１９で固定される。

本実施形態のボアスコープ１０は、インナーシース１１の外側を覆うセラミック製の保護シース１６を備えた二重保護構造を有している。保護シース１６は、インナーシース１１と同様に、耐熱性誘電体材であるセラミックにより製造される。一つの実施例において、保護シース１６を黒ジルコニアで製造し、インナーシース１１の直径φ１０ｍｍに対し、保護シース１６の直径をφ１５．４ｍｍとした（インナーシース１１の１．５倍）。図３に示されるように、インナーシース１１には、その先端底部を覆う第一部分が備わり、保護シース１６には、その先端底部に前記インナーシースの第一部分を覆う第二部分が備わり、インナーシース１１の先端底部は、インナーシース１１の先端側を覆う第一部分と、保護シース１６の先端側を覆う第二部分とにより二重に覆われている。

保護シース１６は、更に、インナーシース１１の基端側を覆う第１部分である円筒部１６ｂと、インナーシース１１の先端部側に被せられる有底筒体であって、入光窓１６ａを有する第２部分であるキャップ部１６ｃとにより分割してなるものであることが好ましい。キャップ部１６ｃの入光窓１６ａは、インナーシース１１のプリズム１３に臨む位置に開口形成される。

このように円筒部１６ｂ及びキャップ部１６ｃとからなる保護シース１６を、それぞれが耐熱性誘電体材で一体形成することにより、特に高い加工精度が要求されるキャップ部１６ｃの削り出しによる微細加工が可能となる。上述したように、溶接面の突き合わせ領域５ａ全体をボアスコープ１０の撮影視野に入れるためには、インナーシース１１の先端部と鋼板１との間の距離であるクリアランスを限りなく小さくすることが望ましいが、その反面、小さいほど輻射熱による影響が大きくなる。試作では、キャップ部１６ｃの肉厚を１．７ｍｍとし、キャップ部１６ｃ内のギャップを１ｍｍ以下に詰めることで、インナーシース１１の先端と保護シース１６（キャップ部１６ｃ）の最外面との間の寸法距離Ｄｔｏｐを３ｍｍ以下にした。その場合の実施例として、管径φ６３．５ｍｍ、板厚ｔ３．２の鋼管に対しクリアランスを５ｍｍとして実溶接を行った。数時間オーダの連続稼働後において、シース外観及びレンズ性能に異常はなく、高い耐久性を得られることが確認された。

また、保護シース１６の先端部の局所加熱を考慮して、キャップ部１６ｃの長さＬｃａｐを２０ｍｍ以上とした。この位置では先端部の熱影響を受けないことが見出されていることから、円筒部１６ｂとキャップ部１６ｃとの接合部１６ｄの接合方法は、接着剤を用いた。熱影響の回避を更に考慮すると、キャップ部１６ｃの長さＬｃａｐは４０ｍｍ以上が好ましく、５０ｍｍ以上が更に好ましいといえる。
更にインナーシースの受光部と保護シース１６の開口部とを正確に一致させなければ、撮影視野に「ケラレ」が発生して画像の一部が暗くなる現象が発生する。これを回避するためにインナーシースと保護シース１６はピン止め構造とした。また、冷却気体を効率よくキャップ部１６ｃの入光窓１６ａから排出するために、Ｏリングを装着した構造とした。

また、本実施形態のボアスコープ１０は、インナーシース１１及び保護シース１６が二重構造となっているため、溶接による過熱を抑制するために、これらの間に露点０℃以下の冷却用気体（エアー又はＮ₂）が投入されることが好ましい。とりわけ溶接部付近は、溶融した溶接面から押し出された酸化物などのスパッタの他にも、冷却水や冷却水に不純物として含まれる金属イオン化合物などが噴霧状に気化した状態で飛散している。ボアスコープ１０の眼でもあるシース１６の先端部は、そのような汚れた雰囲気に曝されている。

しかしながら、本実施形態では、保護シース１６内に冷却用気体を投入し、シース先端部の入光窓１６ａから外部に放出させる気流を作ることにより、気化したスパッタや水分の侵入を効果的に防ぐことができる。また、反応性化合物を含む雰囲気による影響を排除することや気体が溶接面に噴射されることによる溶接面の酸化抑制効果を考慮すれば、不活性ガスでもあるＮ₂により保護シース１６内をパージすることが好ましい。これにより、インナーシース１１及び保護シース１６の冷却と、スパッタ侵入防止のためのパージとを同時に行うことができる。

１ 鋼板
２ａ、２ｂ スクイーズロール
３ インピーダ
４ ワークコイル
５ Ｖ字収束領域
５ａ 突き合わせ領域
１０ ボアスコープ
１１ インナーシース
１２ リレーレンズ
１３ プリズム
１５ ＣＣＤイメージセンサ
１６ 保護シース
１６ａ 入光窓
１６ｂ 円筒部
１６ｃ キャップ部
１６ｄ 接合部

Claims (2)

1. インナーシースの先端部にプリズムを装着し、鋼管を電縫溶接する際にその溶接部を外部から撮影して溶接状態を監視するサイドビュー方式の溶接状態監視装置であって、
   リレーレンズはインナーシースに収納され、当該インナーシースは耐熱性誘電体材からなる保護シースで覆われ、
   前記インナーシースには、その先端底部を覆う第一部分が備わり、前記保護シースには、その先端底部に前記インナーシースの第一部分を覆う第二部分が備わり、
   当該第二部分がセラミックにより一体形成された長さが２０ｍｍ以上の有底筒体であって溶接部を撮影するための入光窓が開口形成されており、
   前記プリズムが装着されたインナーシースの先端底部は、インナーシースの先端側を覆う第一部分と保護シースの第二部分の、それぞれ２つの部分の先端底部により二重に覆われており、
   前記インナーシースと保護シースとの間に冷却用気体が投入されるとともに、前記冷却用気体が前記入光窓から外部に放出される構造であることを特徴とする、溶接状態監視装置。
2. 鋼管を電縫溶接する際に、その溶接状態を請求項１に記載のインナーシースの先端部にプリズムを装着したサイドビュー方式の溶接状態監視装置を用いて監視する溶接状態監視方法であって、
   前記インナーシースの外側に耐熱性誘電体材からなる保護シースを被せ、前記インナーシースと保護シースとの間、および前記インナーシースの先端底部と保護シースの先端底部との間に冷却用気体を投入しながら、前記保護シースの先端部の入光窓から前記冷却用気体を外部に放出することを特徴とする、溶接状態監視方法。

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