JP6958423B2 - 溶接操業監視システム及び溶接操業監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接操業監視システム及び溶接操業監視方法に関する。

電縫鋼管を製造する際には、鋼板を搬送しながら連続的に管状に成形して、鋼板の突合せ端部をＶ字状に収束させながら、高周波電流によって加熱溶融し、スクイズロールによって加圧しながら突合せ端部を溶接する電縫溶接操業が行われている。このような従来の電縫溶接では、電縫溶接を行う際に溶接部が大気に曝露されるため、溶接部表面に酸化物が生成される。この酸化物が溶接部の表面に残留した場合には、溶接欠陥の原因となり得るペネトレーターが発生する。

近年、電縫溶接時に溶接部の表面に生じる酸化物を低減するために、溶接部に対してプラズマを照射する技術が開示されている。ここでは、溶接部にプラズマを照射しながら電縫溶接を行う技術を、プラズマシールド電縫溶接と称する。なお、プラズマシールド電縫溶接は、プラズマ照射そのものにより溶接を行うプラズマ溶接とは、技術思想が根本的に異なる。

プラズマシールド電縫溶接では、溶接部の適所にプラズマを照射することにより、鋼板の突合せ端部が加熱、溶融する過程において、イオン化されたプラズマガスによる突き合せ端部のシールド作用や、イオン化されたプラズマガスによる還元作用等によって、酸素濃度の低い状態を保持できるようになる。その結果、溶接後に酸化物欠陥となる可能性のある突合せ端部の酸化膜を発生過程において抑制することができ、欠陥の少ない高品質な溶接が可能になる。

このような鋼板の溶接部にプラズマを照射して電縫溶接を行うプラズマシールド電縫溶接の分野においては、溶接部の溶接状態を監視する溶接状態監視システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この溶接状態監視システムでは、溶接部にプラズマを照射するプラズマ照射装置と、当該溶接部を撮像する撮像装置とが管状に形成される鋼板の上方に配置されており、撮像装置と同じ上方からプラズマが照射されている溶接部を、フィルタを介して撮像装置によって撮像し、得られた画像に対して所定の画像処理を行うことで溶接部の状態を解析している。

このような従来の溶接状態監視システムでは、鋼板上方から溶接部に向けてプラズマが照射されていることから、同じく鋼板上方から溶接部を撮像した撮像画像内にはプラズマを示す短波長の光の輝度が強く表れている。このように、短波長の光の輝度が強いプラズマと鋼板が溶融している突合せ端部の発光輝度を実波長領域で比較すると、プラズマ部分が、突合せ端部に対して十分に大きなコントラストを有することに着目し、僅かにコントラストを改善しただけでもプラズマ位置を検出できると考え、実波長の領域でのコントラストの改善を図るために短波長透過フィルタ（すなわち、波長カットフィルタ）を設けている。

特許第５８８０７９４号公報

しかしながら、プラズマシールド電縫溶接の分野においては、溶接部へのプラズマの照射手法等について日々改善が行われており、必ずしもプラズマの発光輝度が溶接部の発光輝度に対して十分に大きくなるとは限らない。そのような場合には、実波長における波長分離として、波長カットフィルタを用いる程度では、プラズマと溶接部との両者の間に十分なコントラストの改善が得られず、プラズマの位置を特定することは困難であると推測される。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、撮像装置で得られるカラー画像において溶接部の影響を低減し、プラズマ位置を解析できる溶接操業監視システム及び溶接操業監視方法を提供することを目的とする。

本発明の溶接操業監視システムは、帯状の鋼板を管状に成形するプラズマシールド電縫溶接の溶接操業を監視する溶接操業監視システムであって、管状に成形される前記鋼板の突合せ端部がＶ字状に収束してＶ字領域をなす溶接部に対しプラズマを照射するプラズマ照射装置と、前記鋼板の管外側方側から前記溶接部を撮影し、赤信号、緑信号及び青信号を基にカラー画像を生成する側方撮像装置と、前記側方撮像装置と前記溶接部との間に配置され、長波長をカットする波長カットフィルタと、前記側方撮像装置から前記カラー画像を取得する溶接操業監視装置と、を備え、前記溶接操業監視装置は、前記側方撮像装置が前記波長カットフィルタを通して前記溶接部を撮像することで、前記側方撮像装置での前記カラー画像の色味が調整されて前記突合せ端部の周辺の青成分が抑制された前記カラー画像を取得する取得部と、前記カラー画像から青成分を抽出する青成分画像抽出部と、前記青成分画像抽出部で生成された青成分画像に基づいて、造管方向のプラズマ位置を算出するプラズマ位置算出部と、を備えるものである。

また、本発明の溶接操業監視方法は、帯状の鋼板を管状に成形するプラズマシールド電縫溶接の溶接操業を監視する溶接操業監視方法であって、管状に成形される前記鋼板の突合せ端部がＶ字状に収束してＶ字領域をなす溶接部に対し、プラズマを照射するプラズマ照射ステップと、赤信号、緑信号及び青信号を基にカラー画像を生成する側方撮像装置によって、長波長をカットする波長カットフィルタを通し、前記鋼板の管外側方側から前記溶接部を撮像する撮像ステップと、前記波長カットフィルタによって前記側方撮像装置での前記カラー画像の色味が調整されて前記突合せ端部の周辺の青成分が抑制された前記カラー画像を取得する取得ステップと、前記カラー画像から青成分を抽出し、青成分画像に基づいて造管方向のプラズマ位置を算出するプラズマ位置算出ステップと、を備えるものである。

本発明によれば、カラー画像内で、溶接部の色味を調整して突合せ端部の周辺の青成分を抑制させ、青成分を有するプラズマと区別させることができるので、撮像装置で得られるカラー画像において溶接部の影響を低減し、プラズマ位置を解析できる。

溶接操業監視システムの全体構成を示す概略図である。 溶接部におけるＶ字領域での漏れプラズマを再現するための検証装置の構成を示す概略図である。 図２に示した検証装置において、実際に漏れプラズマを再現したときの様子を示す写真である。 図４Ａは、再現した漏れプラズマの赤成分、緑成分及び青成分の各輝度の割合を示したグラフであり、図４Ｂは、再現した溶接部の赤成分、緑成分及び青成分の各輝度の割合を示したグラフである。 溶接部を再現しているときを示す写真である。 図６Ａは、カット波長が４５０ｎｍ以上の波長カットフィルタを通して図５の溶接部を撮像したときのカラー画像を示す写真であり、図６Ｂは、カット波長が５３０ｎｍ以上の波長カットフィルタを通して図５の溶接部を撮像したときのカラー画像を示す写真であり、図６Ｃは、カット波長が５７０ｎｍ以上の波長カットフィルタを通して図５の溶接部を撮像したときのカラー画像を示す写真であり、図６Ｄは、カット波長が５９０ｎｍ以上の波長カットフィルタを通して図５の溶接部を撮像したときのカラー画像を示す写真である。 プランク輻射則で発光している溶接部における波長分布を示すグラフである。 図８Ａは、ＣＩＥ（国際照明委員会）による等色関数（１）を示すグラフであり、図８Ｂは、ＣＩＥ（国際照明委員会）による等色関数（２）を示すグラフである。 プラズマの波長分布を示すグラフである。 溶接操業監視装置の回路構成を示すブロック図である。 側方撮像装置により得られるカラー画像を示した概略図である。 図１１のカラー画像から生成した青成分２値化画像を示した概略図である。 図１３Ａは、図１１のカラー画像から生成した赤成分２値化画像を示した概略図であり、図１３Ｂは、図１３Ａの赤成分２値化画像から溶接外挿線を求めたときの説明に供する概略図である。 プラズマ外挿近似線と溶接外挿線との交点を示す概略図である。 図１５Ａは、撮像角度θが０度のときのカラー画像を示した概略図であり、図１５Ｂは、撮像角度θが９０度のときのカラー画像を示す概略図である。

以下図面について、本発明の一実施形態を詳述する。以下の説明において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

＜本発明の溶接操業監視システムの構成＞
図１は、プラズマシールド電縫溶接に用いる、本発明の溶接操業監視システム１の構成を示した概略図である。ここでプラズマシールド電縫溶接では、鋼板６を造管方向Ｘに向けて搬送しながら、ロール群（図示せず）によって鋼板６を管状に成形する。この際、図示しないワークコイルによる誘導加熱又はコンタクトチップによる直接通電加熱を行い、鋼板６の突合せ端部７ａ，７ｂを加熱及び溶融する。なお、図１において、Ｚは造管方向Ｘと直交する高さ方向を示し、Ｙは、造管方向Ｘ及び高さ方向Ｚと直交し、突合せ端部７ａ，７ｂが突き合せする方向（突合せ方向）を示す。

溶接操業監視システム１には、プラズマシールド電縫溶接が行われる際に管状に成形される鋼板６の管内側に、プラズマ照射装置２が設置されている。また、溶接操業監視システム１には、プラズマ照射装置２が設置された管内側とは逆側の鋼板６の管外側に、上方撮像装置３ａ及び側方撮像装置３ｂが配置されている。さらに、溶接操業監視システム１は、上方撮像装置３ａ及び側方撮像装置３ｂでそれぞれ生成されたカラー画像を取得する溶接操業監視装置４を備えている。

プラズマ照射装置２は、鋼板６の突合せ端部７ａ，７ｂがＶ字状に収束するＶ字領域ＥＲ_Ｖが形成された溶接部ＥＲに対し、鋼板６の管内側から鋼板６の造管方向Ｘ側に向けてプラズマ９を照射する。プラズマ照射装置２は、プラズマシールド電縫溶接の際に溶接部ＥＲに対してプラズマ９を照射することにより、溶接部ＥＲをプラズマ９で覆うようにしている。この実施形態の場合、プラズマ照射装置２は、層流のプラズマ９を溶接部ＥＲに照射し、プラズマシールド電縫溶接の際に溶接部ＥＲへの大気の巻き込みを大幅に低減している。これにより、溶接部ＥＲでは、溶鋼表面における酸化物の生成を大幅に低減できる。

プラズマ照射装置２は、溶接部ＥＲの全範囲に対してプラズマ９を照射するため、鋼板６上において少なくとも長さ１００ｍｍ以上、より好ましくは２００ｍｍ以上の範囲にプラズマ９を照射することが望ましい。なお、このプラズマ照射装置２は、消費電力が約４０ｋＷであり、これは、溶接専用のプラズマ溶接装置の消費電力の約１／１０である。

プラズマ照射装置２は、Ａｒ、Ｎ_２を主成分としたプラズマ９を照射する。ただし、プラズマ照射装置２は、Ｈ_２を含有したプラズマを照射してもよく、この場合、当該プラズマ９によって、溶接部ＥＲの周辺に還元性雰囲気を形成し得る。これにより、溶接部ＥＲの周辺における酸素濃度が低くなり、溶接部ＥＲの表面における酸化物の形成を抑制できる。

上方撮像装置３ａは、溶接部ＥＲの上方に配置されており、溶接部ＥＲ上方から当該溶接部ＥＲを撮像する。上方撮像装置３ａは、鋼板６の管内側からプラズマ９が照射された溶接部ＥＲを上方から撮像していることから、Ｖ字領域ＥＲ_Ｖ越しに、管内側から照射しているプラズマ９を見ることができる。そのため、上方撮像装置３ａが撮像する範囲には、こうしたＶ字領域ＥＲ_Ｖ内にプラズマ９が見える領域が含まれる。

上方撮像装置３ａは、撮像した画像を、赤成分（Ｒ）、緑成分（Ｇ）及び青成分（Ｂ）を含んだカラー画像（ＲＧＢ画像）として再現可能に構成されており、得られたカラー画像を溶接操業監視装置４に入力する。具体的には、可視光（３８０〜７８０ｎｍ）を検出可能な撮像素子が設けられた上方撮像装置３ａであることが望ましい。

上方撮像装置３ａの一例としては、Ｖ字領域ＥＲ_Ｖを含む溶接部ＥＲからの自発光パターン（輻射パターン）を撮像し得るＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラやＣＭＯＳ（Complementary metal-oxide-semiconductor）カメラを用いることが望ましい。因みに、この実施形態においては、例えば、１９２０×５１２の画素を有した上方撮像装置３ａによって、撮影視野が１９０ｍｍ×５０ｍｍ、分解能が１００μｍ／画素以上、撮影フレームレートが２００ｆｐｓ、露光時間が１／１００００ｓｅｃの条件で、Ｖ字領域ＥＲ_Ｖを含む溶接部ＥＲを上方から撮像する。

なお、Ｖ字領域ＥＲ_Ｖからは、管外側にプラズマ９が一定量漏れ出しており、Ｖ字領域ＥＲ_Ｖより広範囲にプラズマ９が広がっているはずである。しかしながら、そうしたプラズマは管内側のプラズマ９に比べ圧倒的に量が少なく、プラズマ９が周りの溶接部ＥＲに対して十分な輝度を有しない。そのため、溶接部ＥＲの真上から撮像する上方撮像装置３ａでは、溶接部ＥＲと重なる位置に見える、Ｖ字領域ＥＲ_Ｖから管外側に一定量漏れ出たプラズマ（以下、漏れプラズマと称する）を撮像することが難しい。このため、上方撮像装置３ａでは、漏れプラズマは写っていないものと見なすことができるため、漏れプラズマについて事実上無視することが可能であり、上方撮像装置３ａの説明においては、この点の説明を省略する。

溶接操業監視システム１では、上方撮像装置３ａにより撮影された溶接部ＥＲのカラー画像に基づき、後述する溶接操業監視装置４において物理的衝合点（図示せず）を検出する。物理的衝合点は、Ｖ字状に収束する鋼板６の両突合せ端部７ａ，７ｂが物理的に衝合（接触）する点である。上方撮像装置３ａは、カラー画像を基に、溶接操業監視装置４が物理的衝合点を決定できるような分解能で溶接部ＥＲを撮影する。

画像処理によって溶接状態を解析するには、溶接部ＥＲの突合せ端部７ａ，７ｂだけでなく、上方撮像装置３ａにより突合せ端部７ａ，７ｂ周辺の溶接ビードも鮮明に撮影することが望ましい。溶接ビードとは、両突合せ端部７ａ，７ｂを突き合わせる際に、管状に成形した鋼板６の内外面に、溶融した鋼が流出することにより成形された盛り上がり部分を示す。

上方撮像装置３ａにより、溶接ビードの撮影をする際には、被写界深度を±４ｍｍ以上にすることが好ましい。溶接部ＥＲの上方３ｍ程度の位置に上方撮像装置３ａを設置した場合には、上記の撮影条件を満たすために、上方撮像装置３ａの絞り条件をＦ８〜Ｆ１１に設定することが望ましい。

溶接操業監視装置４は、上方撮像装置３ａからカラー画像が入力されると、当該カラー画像に対して物理的衝合点解析処理（後述する）を実行することにより、溶接部ＥＲにおける物理的衝合点を検出する。

かかる構成に加えて、溶接操業監視システム１には、鋼板６の管外側方側から溶接部ＥＲを撮像する側方撮像装置３ｂが設けられている。また、溶接部ＥＲ及び側方撮像装置３ｂの間には、長波長をカットする波長カットフィルタ５が設けられている。側方撮像装置３ｂは、溶接部ＥＲを真上から撮像する上方撮像装置３ａでは撮像が難しい漏れプラズマ９ａ（Ｖ字領域ＥＲ_Ｖから管外側に向けて一定量漏れ出ているプラズマ９）を撮像するものである。

側方撮像装置３ｂは、溶接部ＥＲにおいて突合せ端部７ａ，７ｂが突き合わされる鋼板６の外周面に接し、かつ、造管方向Ｘ及び高さ方向Ｚに直交する突合せ方向Ｙと平行な接線Ｙ_１を含む面より高い位置に配置されており、溶接部ＥＲを側方側から、即ち、略Ｙ方向の斜め上から撮像する。こうした配置にすることで、側方撮像装置３ｂの撮像視野内において、溶接部ＥＲと漏れプラズマ（の少なくとも一部）とが異なる位置に撮像されることになるため、高輝度の溶接部ＥＲに、輝度の弱い漏れプラズマが埋もれることがなく、漏れプラズマの撮像をより容易に行うことができる。

側方撮像装置３ｂの光軸方向（側方撮像装置３ｂが被写体を撮像する方向）Ｙ_２と、接線Ｙ_１を含む面とがなす角度（以下、撮像角度とも称する）θは、０度以上６０度以下に選定されることが望ましい。なお、図１に示す側方撮像装置３ｂは、接線Ｙ_１を含む面よりも高い位置に配置され、側方斜め上方から漏れプラズマ及び溶接部ＥＲを撮像している。

側方撮像装置３ｂは、上方撮像装置３ａと同様に、撮像した画像を赤成分（Ｒ）、緑成分（Ｇ）及び青成分（Ｂ）を含んだカラー画像（ＲＧＢ画像）として再現可能に構成されており、得られたカラー画像を溶接操業監視装置４に入力する。具体的には、可視光（３８０〜７８０ｎｍ）を検出可能な撮像素子が設けられた側方撮像装置３ｂであることが望ましい。

側方撮像装置３ｂの一例としては、Ｖ字領域ＥＲ_Ｖから管外側に漏れ出る漏れプラズマの自発光パターン（輻射パターン）を撮像し得るＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラを用いることが望ましい。

側方撮像装置３ｂは、溶接部ＥＲを側方から撮像し、Ｖ字領域ＥＲ_Ｖから管外側に漏れ出た漏れプラズマの一部又は略全体を、溶接部ＥＲやＶ字領域ＥＲ_Ｖと重ならずに撮像している。なお、突合せ端部７ａ，７ｂがＶ字状に収束する方向に向けて管内側から管外側に向けてプラズマ９が照射されていることから、漏れプラズマは、Ｖ字領域ＥＲ_Ｖの造管方向Ｘに広がった範囲から漏れ出し、管外に向かって先細りとなる。そのため、漏れプラズマを側方から見ると、図３に示すように、物理的衝合点近傍に鈍角の頂点を持つ鈍角三角形状に撮像される。

側方撮像装置３ｂは、このような漏れプラズマを、波長カットフィルタ５を通して撮像している。側方撮像装置３ｂは、波長カットフィルタ５を通して漏れプラズマ及び溶接部ＥＲを撮像することで、赤成分（Ｒ）、緑成分（Ｇ）及び青成分（Ｂ）を含んだカラー画像を生成する際に、後述するように、カラー画像内に写る溶接部ＥＲの色味が調整される。

このように側方撮像装置３ｂは、カラー画像の色味が調整されることで、突合せ端部７ａ，７ｂ周辺の青成分が抑制され、その一方で漏れプラズマの青成分についてはそのまま残ったカラー画像を生成できる。

波長カットフィルタ５は、５８０ｎｍ以上の波長の光をカットするものが望ましく、より好ましくは５９０ｎｍ以上の波長の光をカットするものが望ましい。

溶接操業監視システム１では、側方撮像装置３ｂにより撮影された漏れプラズマ及び溶接部ＥＲのカラー画像に基づき、後述する溶接操業監視装置４において漏れプラズマのプラズマ位置を算出する。側方撮像装置３ｂは、管内側のプラズマ９に比べ圧倒的に量が少なく、輝度の小さい漏れプラズマを、溶接操業監視装置４により特定できるような分解能で、溶接部ＥＲとともに撮影し、カラー画像を生成する。

溶接操業監視装置４は、側方撮像装置３ｂからカラー画像が入力されると、当該カラー画像に対してプラズマ位置算出処理（後述する）を実行することにより、造管方向Ｘの漏れプラズマのプラズマ位置を算出する。また、溶接操業監視装置４は、上述した上方撮像装置３ａからのカラー画像を基に特定した物理的衝合点と、側方撮像装置３ｂからのカラー画像を基に特定したプラズマ位置とを利用して、距離算出処理（後述する）を実行し、プラズマ位置が最適な範囲に位置しているかを特定できる。

＜波長カットフィルタを通して撮像した漏れプラズマ及び溶接部について＞
本発明の溶接操業監視システム１では、波長カットフィルタ５を通して漏れプラズマ及び溶接部ＥＲを側方撮像装置３ｂで撮像している。本発明者らは、所定の波長以上の長波長の光をカットする波長カットフィルタ５を通して、漏れプラズマ及び溶接部ＥＲを側方撮像装置３ｂにより撮像すると、側方撮像装置３ｂでカラー画像を生成する際の赤成分、緑成分及び青成分の色味が調整され、突合せ端部７ａ，７ｂ周辺の溶接部ＥＲの青成分が抑制されるとともに、漏れプラズマの青成分についてはそのまま残るカラー画像を生成できることを見出した。

以下、このような現象について確認した検証試験について説明する。検証試験を行うために、図２に示すように、Ｃｕ（銅）でなる板状部材をＶ字状に切り欠き、Ｖ字領域ＥＲ_Ｖを形成したＶ字開先板６ａを用意した。そして、Ｖ字開先板６ａの裏面側にプラズマ照射装置２を配置し、Ｖ字開先板６ａの裏面側からＶ字領域ＥＲ_Ｖの収束する先端側に向けてプラズマ９を照射した。プラズマ９は、Ａｒ、Ｎ_２をプラズマガスとして用いた。

このようにして、Ｖ字領域ＥＲ_Ｖから上方に向けてプラズマ９が漏れ出る漏れプラズマ９ａを再現した。次いで、この漏れプラズマ９ａを、波長カットフィルタ５を通して側方撮像装置３ｂで撮像した。側方撮像装置３ｂとしては、ＣＣＤカメラ（ＢａｓｌｅｒＡＧ社製、商品名ａｃＡ１３００−３０ｕｃ）を用いた。

波長カットフィルタ５は、カットする波長が異なるものを複数用意した。ここでは、波長カットフィルタ５の有無でどのようにカラー画像が変化するかを確認するため、先ず始めに、波長カットフィルタ５を設けずに、漏れプラズマ９ａを側方撮像装置３ｂで直接撮像した。

次いで、４５０ｎｍ以上の波長の光をカットする波長カットフィルタ５と、５３０ｎｍ以上の波長の光をカットする波長カットフィルタ５と、５７０ｎｍ以上の波長の光をカットする波長カットフィルタ５と、５９０ｎｍ以上の波長の光をカットする波長カットフィルタ５と、６１０ｎｍ以上の波長の光をカットする波長カットフィルタ５を用意した。

そして、各波長カットフィルタ５をそれぞれ用い、波長カットフィルタ５を通して漏れプラズマ９ａを側方撮像装置３ｂにより撮像した。なお、この際、側方撮像装置３ｂの光軸方向Ｙ_２と接線Ｙ_１を含む面とがなす撮像角度θは任意の値とし、漏れプラズマ９ａを斜め上方から撮像できる角度とした。

図３は、図２に示した構成の検証装置を作製し、Ｖ字領域ＥＲ_Ｖから上方に向けてプラズマ９が漏れ出る漏れプラズマ９ａを再現したときの写真である。図３は、波長カットフィルタ５を通さずに、側方撮像装置３ｂによって漏れプラズマ９ａを直接撮像したものである。図３からは、Ｖ字領域ＥＲ_Ｖの収束する先端側に向けて鈍角三角形状に噴出する漏れプラズマ９ａが確認できた。

次に、波長カットフィルタ５を設けなかったとき（以下、「フィルタなし」と称する）と、カット波長が４５０ｎｍ以上の波長カットフィルタ５を使用したとき（以下、単に「４５０ｎｍ」と称する）と、カット波長が５３０ｎｍ以上の波長カットフィルタ５を使用したとき（以下、単に「５３０ｎｍ」と称する）と、カット波長が５７０ｎｍ以上の波長カットフィルタ５を使用したとき（以下、単に「５７０ｎｍ」と称する）と、カット波長が５９０ｎｍ以上の波長カットフィルタ５を使用したとき（以下、単に「５９０ｎｍ」と称する）と、カット波長が６１０ｎｍ以上の波長カットフィルタ５を使用したとき（以下、単に「６１０ｎｍ」と称する）と、について、それぞれ漏れプラズマ９ａの輝度評価を行った。

上方撮像装置３ａや側方撮像装置３ｂに用いるような一般の撮像装置で撮像した場合には、当該撮像した画像のカラーを再現するために、赤成分（Ｒ）、緑成分（Ｇ）、青成分（Ｂ）の値が自動的に振り分けられ、それらの値が合成されて、カラー画像が生成される。こうした撮像装置では、全ての色を赤成分（Ｒ），緑成分（Ｇ），青成分（Ｂ）だけで表現する必要があるため、例えば紫色（青より短波長なので、本来、長波長である赤成分（Ｒ）は含まれない筈）を表現する場合であっても、赤成分（Ｒ）の値が生じることがあり得る。

そうした撮像装置である側方撮像装置３ｂを用いて、図３に示す漏れプラズマ９ａの根本側に近いＥＲ_Ｐの領域を輝度評価領域として、「フィルタなし」、「４５０ｎｍ」、「５３０ｎｍ」、「５７０ｎｍ」、「５９０ｎｍ」、「６１０ｎｍ」の各カラー画像毎に漏れプラズマ９ａを撮像し、輝度評価領域ＥＲ_Ｐ内の赤成分（Ｒ）、緑成分（Ｇ）及び青成分（Ｂ）の割合をそれぞれ調べた。その結果、図４Ａに示すような結果が得られた。

その結果、図４Ａに示すように、「４５０ｎｍ」、「５３０ｎｍ」、「５７０ｎｍ」、「５９０ｎｍ」、「６１０ｎｍ」では、青成分が残っているとともに、「フィルタなし」に比較して赤成分が抑制されていることが確認できた。また、図４Ａから、単に波長カットフィルタ５でカットされる波長を上げてゆけば、カット波長以上の成分が抑制されてゆく、というような単純な結果とはならないことが確認できた。これは、漏れプラズマ９ａの発光が、組成ガスの発光輝線で構成される飛び飛びの波長にピークを持った輝度分布により構成されており、発光の主成分が波長５００ｎｍ以下の短波長の発光により構成されていることによるものである。

次に、鋼板６の突合せ端部７ａ，７ｂを加熱及び溶融して突き合わせてゆき、溶接部ＥＲに溶接ビードが形成されている状態を再現し、図５に示すように、溶接直後の溶接シーム１２を撮影した画像を得、輝度を評価した。溶接シーム１２は溶接直後の状態であるので、Ｖ字領域ＥＲ_ｖを形成する突合せ端部７ａ，７ｂ周辺の溶接ビードとほぼ同じ温度で溶融状態にあると見なすことができ、その結果、溶接シーム１２は黒体輻射則に基づく状態にある（即ち、溶接シーム１２の発光は、突合せ端部７ａ、７ｂ周辺の溶接ビードと同等の発光をしている）と見なすことができる。そのため、図５中のＥＲ_Ｂの領域（輝度評価領域ＥＲ_Ｂ）を、突合せ端部７ａ、７ｂ周辺の溶接ビードと同じように発光している領域であると見なして、輝度評価を行った。

そして、上述した図２と同様に、この溶接シーム１２を、波長カットフィルタ５を通して側方撮像装置３ｂで撮像した。波長カットフィルタ５の有無でどのようにカラー画像が変化するかを確認するため、先ず始めに、波長カットフィルタ５を設けずに、溶接部ＥＲを側方撮像装置３ｂで直接撮像した。

次いで、上記と同様に、４５０ｎｍ以上の波長の光をカットする波長カットフィルタ５と、５３０ｎｍ以上の波長の光をカットする波長カットフィルタ５と、５７０ｎｍ以上の波長の光をカットする波長カットフィルタ５と、５９０ｎｍ以上の波長の光をカットする波長カットフィルタ５と、６１０ｎｍ以上の波長の光をカットする波長カットフィルタ５を用意した。

そして、各波長カットフィルタ５をそれぞれ用い、波長カットフィルタ５を通して溶接部ＥＲを側方撮像装置３ｂにより撮像した。なお、この際も、側方撮像装置３ｂの光軸方向Ｙ_２と接線Ｙ_１を含む面とがなす撮像角度θは任意の値とし、溶接部ＥＲを斜め上方から撮像できる角度とした。

図６Ａは、４５０ｎｍ以上の波長の光をカットする波長カットフィルタ５を通して側方撮像装置３ｂにより溶接部ＥＲを撮像したときのカラー画像である。図６Ｂは、５３０ｎｍ以上の波長の光をカットする波長カットフィルタ５を通して側方撮像装置３ｂにより溶接部ＥＲを撮像したときのカラー画像である。図６Ｃは、５７０ｎｍ以上の波長の光をカットする波長カットフィルタ５を通して側方撮像装置３ｂにより溶接部ＥＲを撮像したときのカラー画像である。図６Ｄは、５９０ｎｍ以上の波長の光をカットする波長カットフィルタ５を通して側方撮像装置３ｂにより溶接部ＥＲを撮像したときのカラー画像である。

図６Ａ〜図６Ｄに示すように、撮像した画像をモニター上で視認したところ、図６Ａでは溶接部ＥＲが赤系に発光しており、図６Ｂでは溶接部ＥＲが青系に発光していた。一方、図６Ｃでは溶接部ＥＲが緑系に発光し、青成分が確認できなかった。また、図６Ｄでも溶接部ＥＲが黄緑系に発光し、青成分が確認できなかった。

次に、「フィルタなし」、「４５０ｎｍ」、「５３０ｎｍ」、「５７０ｎｍ」、「５９０ｎｍ」、「６１０ｎｍ」の各カラー画像毎に、図５に示した輝度評価領域ＥＲ_Ｂ内における赤成分（Ｒ）、緑成分（Ｇ）及び青成分（Ｂ）の割合をそれぞれ調べた。その結果、図４Ｂに示すような結果が得られた。

図４Ｂから、「フィルタなし」や、「４５０ｎｍ」、「５３０ｎｍ」、「５７０ｎｍ」のときは、青成分が検出された。また、カットする波長が異なることで、赤成分や緑成分、青成分の各検出量がそれぞれ異なる結果となることを確認した。

その一方、波長カットフィルタ５のカット波長を５９０ｎｍ以上（「５９０ｎｍ」）、６１０ｎｍ以上（「６１０ｎｍ」）としたときには、青成分が検出されなくなった。このことは「５９０ｎｍ」及び「６１０ｎｍ」のとき、側方撮像装置３ｂが、（モニター上の視認で、緑および黄緑に見える画像について）青信号を用いずに、輝度評価領域ＥＲ_Ｂ内の色味が再現されるように、側方撮像装置３ｂや溶接操業監視装置４の内部で調整が行われていることを示す。また、この「５９０ｎｍ」、「６１０ｎｍ」のときには、赤成分の検出量が異なっており、「５９０ｎｍ」のときは、赤成分が検出されなかった。その一方で、緑成分の検出量については、「４５０ｎｍ」、「５３０ｎｍ」のときよりも多かった。

即ち、例えば、カット波長が５９０ｎｍ未満の波長カットフィルタ（図４Ｂ中、「４５０ｎｍ」、「５３０ｎｍ」、「５７０ｎｍ」）を使用したときには、５９０ｎｍよりも波長の短い青成分については、「フィルタなし」と同様に現れているが、カット波長値を上げた「５９０ｎｍ」、「６１０ｎｍ」のときは、波長カット条件としては青成分に相当する波長を透過しているにも拘わらず、撮影した画像からは青成分が検出されないという結果が得られた。このことから、波長カットフィルタ５でカットされる波長を長くしてゆけば、カット波長以上の波長の輝度信号成分が単に抑制されてゆくというような単純な結果とはならないことを確認した。

このように、カット波長が５９０ｎｍ以上及び６１０ｎｍ以上の波長カットフィルタ５を使用することで、側方撮像装置３ｂで得られるカラー画像の色味が調整され、溶接部ＥＲを写した領域の画像から、青成分のみを格段的に抑制できることを見出した（図４Ｂ）。さらに、その一方で、漏れプラズマ９ａを写した領域は、青成分をそのまま残すことができることを見出した（図４Ａ）。

従って、カット波長が５９０ｎｍ以上及び６１０ｎｍ以上の波長カットフィルタ５を通して漏れプラズマ９ａ及び溶接部ＥＲを側方撮像装置３ｂで撮像し、得られたカラー画像から青成分のみを抽出すれば、溶接部ＥＲの突合せ端部７ａ，７ｂの発光輝度をほぼゼロにでき、青成分の発光信号に値を有している漏れプラズマ９ａの位置を特定することができる。なお、図４Ｂでは示していないが、「５７０ｎｍ」と「５９０ｎｍ」との間である、カット波長が５８０ｎｍ以上の波長カットフィルタ５を用いた場合でも、同様に、溶接部ＥＲを写した領域では青成分を格段的に抑制できる。

＜波長カットフィルタを通して撮像したときの漏れプラズマ及び溶接部の色味の違いについて＞
次に、上述したように、カット波長が最適な波長カットフィルタ５を用いることで、カラー画像において、溶接部ＥＲの青成分の発光強度が大きく低下し、一方、漏れプラズマ９ａの青成分はそのまま残る点について以下説明する。

鋼板６の溶接部ＥＲにおける突合せ端部７ａ，７ｂの発光波長分布とその輝度は、物体の温度で決定されるプランクの輻射則に従っている。溶接部ＥＲにおける突合せ端部７ａ，７ｂの温度はおおよそ１５００〜１６００℃程度である。プランクの輻射則によると、この温度条件では、図７に示すように、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラの検出波長帯域（０．４〜１．０μｍ）だと、長波長の光ほど発光輝度が強くなる。

ここで、側方撮像装置３ｂとしてＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラを用い、波長カットフィルタ５を通して、溶融した突合せ端部７ａ，７ｂを含む溶接部ＥＲを撮像すると、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラに入射する、溶接部ＥＲからの光の波長を、波長カットフィルタ５により制限することになる。

ＣＭＯＳカメラやＣＣＤカメラに入射する、溶接部ＥＲにおける突合せ端部７ａ，７ｂからの光の波長を制限すると、当該突合せ端部７ａ，７ｂの色味として、強度の強い波長の長いカット波長値近傍の色味が観察されることになる。例えば、カット波長が５９０ｎｍ以上の波長カットフィルタ５を用いた場合、図７に示したように、短波長からカット波長値である５９０ｎｍに近づくほど、プランクの輻射則によって輝度成分が高くなる。よって、カット波長値直前付近の波長の光成分の影響が最も優勢となり、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラにはカット波長値近傍の波長が主体となり入射される。

ここで、側方撮像装置３ｂとして用いるＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラでは、赤成分、緑成分及び青成分の光の三原色でカラー画像の色味を表現する際、例えば、図８Ａ又は図８Ｂに示すような強度割合で赤信号、緑信号及び青信号をそれぞれ混合させて色味を表現する。なお、図８Ａは、ＣＩＥ（国際照明委員会）が定義した等色関数を示し、ｂ⁻は青成分、ｇ⁻は緑成分、ｒ⁻は赤成分を示し、各色を表現する際の規格化した混色比を示しており、ｒ⁻＋ｇ⁻＋ｂ⁻＝１となっている。

図８Ｂは、図８Ａにおいて負の値を有する赤成分（ｒ⁻）を、正の値として表現したＸＹＺ表色系の等色関数を示す（ＲＧＢからの変換式を式（１）〜（３）に示す）。図８Ｂにおいて、ｚ⁻は主に青成分、ｙ⁻は主に緑成分、ｘ⁻は主に赤成分を示し、各色を表現する際の混色比を示している。

x＝X/（X+Y+Z）、y＝Y/（X+Y+Z）、z＝Z/（X+Y+Z） … （２）
r=R/（R+G+B）、g=R/（R+G+B）、b=R/（R+G+B） … （３）

図８Ａ及び図８Ｂから、例えば、緑色から黄色（５４０〜５９０ｎｍ付近）の色味の光の表現においては、主に緑成分と赤成分の混合により表現され、青成分の混合比が非常に小さくなることが分かる。一般的なＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラでは、モニター装置等の表示部でカラー画像を表示させる際、自然な色味を再現するため、図８Ａ又は図８Ｂに示すようなグラフに従って、赤信号、緑信号及び青信号が出力される。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、黄色付近（５８０〜５９０ｎｍ付近）の領域では、青成分がほぼゼロ近傍となり、青成分を極めて小さい値にすることができる。図８Ａでは５８０ｎｍ以上の波長領域ＥＲ_４では青成分がほぼゼロとなっている。

ここで、例えば、カット波長が５９０ｎｍ以上の波長カットフィルタ５を通して、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラで溶接部ＥＲにおける突合せ端部７ａ，７ｂを撮像した場合、突合せ端部７ａ，７ｂ付近については、プランクの輻射則によって、図７から、カット波長値である５９０ｎｍ付近の波長の光成分が最も優勢な光成分として、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラに入射される。

その結果、溶接部ＥＲの突合せ端部７ａ，７ｂが撮像された領域では、カラー画像内の色味が、優勢な５９０ｎｍ直前付近の波長の色味に近い黄色付近の領域に調整される。ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラで５９０ｎｍ付近の黄色の色味を表現する際は、図８Ａ及び図８Ｂから、緑成分及び赤成分が大きく、青成分が極めて小さい値となる。よって、カラー画像では、溶接部ＥＲの突合せ端部７ａ，７ｂが撮像された領域の青成分が抑制されると推測される。

次に、漏れプラズマ９ａに含まれる波長成分を、分光計測により調べた。その結果、図９に示すような結果が得られた。漏れプラズマ９ａの波長成分は、溶融した突合せ端部７ａ，７ｂの光の波長分布とは全く異なり、プランクの輻射則に従っておらず、不規則に複数のピークが立った波長分布となっている。このような漏れプラズマ９ａの波長分布は、基本的にプラズマガスの発光輝線により決定される。

図９に示すように、漏れプラズマ９ａの波長分布は、波長３５０ｎｍ〜４３０ｎｍの範囲にＮ^２ガス、Ａｒガスに起因する強い発光輝線成分が現れている。よって、このような波長分布では、波長カットフィルタ５を用いても、溶融した突合せ端部７ａ，７ｂで生じたようにカット波長位置で優勢な色味に基づいて色味は決まらず、波長カットフィルタ５を透過する光成分の色味になる。その結果、漏れプラズマ９ａを撮像した領域では、青成分はゼロにならずに残存し、青み掛かったままとなると推測される。

以上より、適正な波長カットフィルタ５を通して側方撮像装置３ｂ（例えばＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ）で、漏れプラズマ９ａ及び溶接部ＥＲを側方から撮影し、得られたカラー画像から青成分のみを抽出することで、溶接部ＥＲの突合せ端部７ａ，７ｂでの発光が消え、かつ漏れプラズマ９ａの像のみが写った青成分画像を得ることができる。

なお、カット波長が４５０ｎｍ以上の波長カットフィルタを用いた場合、図４Ｂに示すように、溶接部ＥＲの輝度評価領域ＥＲ_Ｂは赤成分が存在している。ここで、カット波長が４５０ｎｍ以上の波長カットフィルタを用いた場合、図７のプランクの輻射則から、カット波長値である４５０ｎｍ直前付近の波長の光成分が最も優勢な光成分として、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラに入射される。

ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラで４５０ｎｍ直前付近の色味を表現する際、図８Ｂによると、主に緑成分を表すｙ値が小さく、主に赤成分を表すｘ値が大きく示されている。よって、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラで色信号を基にカラー画像を生成した際には、図８Ｂを基に、緑成分に影響を受けない赤成分を用いてカラー画像が生成されているため、溶接部ＥＲの輝度評価領域ＥＲ_Ｂには赤成分が現れているものと推察できる。

以上のように、５８０ｎｍ以上、好ましくは５９０ｎｍ以上の波長をカットする波長カットフィルタ５を用いることで、側方撮像装置３ｂでは、溶接部ＥＲの突合せ端部７ａ，７ｂの色味を、青信号が存在しない緑色から黄色に調整できる。一方、このカラー画像には、フィルタにより色味に変化がでない飛び飛びの輝線スペクトルで構成される漏れプラズマ９ａの像を示す青成分の輝度についてはそのまま残すことができる。

＜溶接操業監視装置の構成＞
次に、溶接操業監視装置４について以下説明する。図１０に示すように、溶接操業監視装置４は、側方撮像画像取得部２１、青成分画像抽出部２２、赤成分画像抽出部２３、２値化処理部２４，２５、プラズマ後方線抽出部２６、溶接ビード線抽出部２７、プラズマ外挿近似線算出部２８、溶接外挿線算出部２９、プラズマ位置算出部３０、上方撮像画像取得部３１、物理的衝合点解析部３２、座標変換部３３、及びプラズマ位置制御部３４を備えている。

溶接操業監視装置４は、図示しない操作部に作業者から各種操作命令が与えられると、図示しないＲＯＭに予め格納しているプラズマ外挿近似線算出処理プログラムや、交点算出処理プログラム、プラズマ位置算出処理プログラム等を、操作命令に基づき適宜読み出してＲＡＭに展開する。これにより、プラズマ外挿近似線算出処理プログラムや、交点算出処理プログラム、プラズマ位置算出処理プログラム等の各プログラムに従って各回路部を制御する。溶接操業監視装置４は、これら各種プログラムの実行結果を表示部（図示せず）に表示し、表示部を介して、造管方向Ｘにおけるプラズマ位置を作業者に把握させる。

側方撮像画像取得部２１は、側方撮像装置３ｂと接続されており、側方撮像装置３ｂにより得られたカラー画像が入力されると、青成分画像抽出部２２並びに赤成分画像抽出部２３（及び図示しない緑成分画像抽出部）に当該カラー画像をそれぞれ入力する。ここで、側方撮像装置３ｂから入力されるカラー画像は、波長カットフィルタ５を通して側方撮像装置３ｂにより漏れプラズマ９ａ及び溶接部ＥＲが撮像されたものであり、溶接部ＥＲの突合せ端部７ａ，７ｂの色味が、青成分が存在しない緑・黄・赤色系に調整されている。

ここで、図１１は、側方撮像装置３ｂから入力されるカラー画像の概略図を示す。図１１に示すように、カラー画像には、漏れプラズマ９ａの像が青成分の濃淡によって表示された漏れプラズマ領域４１が現れる。また、カラー画像には、溶接部ＥＲの溶接ビード及び突合せ端部７ａ，７ｂの像が、緑・赤成分の濃淡によって表示された溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂが現れる。

青成分画像抽出部２２（図１０）は、側方撮像装置３ｂから入力されたカラー画像から青成分を抽出して青成分画像を生成する。青成分画像では、カラー画像内で青成分が抑制されていた溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂの輝度が大きく低下してほぼゼロとなる。その一方で、青成分画像には、カラー画像内に漏れプラズマ９ａが青成分の濃淡で示されていたことから、青成分の濃淡で現れた漏れプラズマ領域４１がそのまま表示される。

２値化処理部２４は、青成分画像抽出部２２で生成された青成分画像を受け取り、青成分画像に対して２値化処理を行う。２値化処理部２４は、漏れプラズマ領域４１が青成分の濃淡で現れている青成分画像に対して２値化処理を行うことで、漏れプラズマ領域４１とその周囲とを白黒の２値で区分けし、漏れプラズマ領域４１の輪郭が明確になった青成分２値化画像を生成する。

ここで、図１２は、青成分画像を２値化処理した青成分２値化画像の概略図を示す。例えば、青成分２値化画像では、輝度が所定閾値以上の画素に画素値「１」が与えられて漏れプラズマ領域４１が特定され、残りの所定閾値未満の画素に画素値「０」が与えられる。これにより、青成分２値化画像では、周囲よりも輝度が高い青成分の濃淡で示されていた漏れプラズマ領域４１が、輝度が低い周囲の領域とは区別されて明確に表示される。

２値化処理部２４は、青成分２値化画像をプラズマ後方線抽出部２６に入力する。プラズマ後方線抽出部２６は、青成分２値化画像内から漏れプラズマ領域４１の外形線を特定し、漏れプラズマ領域４１の外形線から後方線４１ａ（図１２）を抽出する。ここで漏れプラズマ領域４１の後方線４１ａとは、鈍角三角形状に現れる漏れプラズマ領域４１の外形を示した外形線のうち、鈍角と対向した、造管方向ｘの上流側に配置された外形線であり、溶接ビード線４２から溶融エッジ線４３ａ，４３ｂ側（図１１）に向けて延びた外形線である。

プラズマ外挿近似線算出部２８は、プラズマ後方線抽出部２６で抽出した漏れプラズマ領域４１の後方線４１ａを直線近似し、直線近似した後方線４１ａを、造管方向ｘの上流側にそのまま直線的に延ばしたプラズマ外挿近似線Ｌｐｂを算出する。プラズマ外挿近似線算出部２８は、プラズマ外挿近似線Ｌｐｂの算出結果をプラズマ位置算出部３０に入力する。

一方、赤成分画像抽出部２３（又は図示しない緑成分画像抽出部）（図１０）は、側方撮像装置３ｂからカラー画像が入力されると、カラー画像から赤成分（又は緑成分）を抽出した画像を生成する。

波長カットフィルタ５を通して側方撮像装置３ｂで撮像された画像は、例えば、図８Ａ又は図８Ｂに示すような等色関数を利用して、側方撮像装置３ｂにより、赤信号、緑信号及び青信号を適宜組み合わせて色味が調整されることで、カラー画像には、溶接部ＥＲの溶接ビード線４２及び突合せ端部７ａ，７ｂが赤成分（又は緑成分）の濃淡で現れる。

突合せ端部７ａ、７ｂは元の発光輝度が大きいため、赤成分（又は緑成分）の輝度値は、図４Ｂに示す様に、漏れプラズマ９ａの赤成分（又は緑成分）よりも十分に大きな値を持っている。従って、カラー画像から生成される赤成分画像（又は緑成分画像）に２値化処理を行うことで、漏れプラズマ領域４１を消去することができ、図１３Ａに示すように、溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂのみを残すことができる。以下、赤成分画像を用いて処理する場合について、詳細に記載する。なお、緑成分画像を用いても、全く同様の処理が可能である。

２値化処理部２５は、赤成分画像抽出部２３で生成された赤成分画像を受け取り、赤成分画像に対して２値化処理を行う。２値化処理部２５は、溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂが赤成分の濃淡で現れている赤成分画像に対して２値化処理を行うことで、溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂとその周囲とを白黒の２値で区分けし、図１３Ａに示すように、溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂの輪郭が明確になった赤成分２値化画像を生成する。

例えば、赤成分２値化画像では、輝度が所定閾値以上の画素に画素値「１」が与えられて溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂが特定され、残りの所定閾値未満の画素に画素値「０」が与えられる。これにより、赤成分２値化画像では、周囲よりも輝度が高い赤成分の濃淡で示されていた溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂが、輝度が低い周囲の領域とは区別されて明確に表示される。その結果、赤成分２値化画像には、図１３Ａに示すように、ほぼ直線的に延びた溶接ビード線４２と、溶接ビード線４２の後方末端からＶ字状に二股に分かれた溶融エッジ線４３ａ，４３ｂと、が表示される。

２値化処理部２５は、赤成分２値化画像を溶接ビード線抽出部２７に入力する。溶接ビード線抽出部２７は、赤成分２値化画像内から輝度を基に溶接ビード線４２を特定して抽出する。

溶接ビード線４２と溶融エッジ線４３ａ，４３ｂとの区別は、例えば、赤成分２値化画像（緑成分画像を用いる場合には、緑成分２値化画像であり、以下同様）の左端部より、赤成分２値化画像の輝度分布を垂直ピクセル方向に評価し、輝度値の垂直ピクセル上の分布が１つの連続したピークを有する場合を、１本の溶接ビード線４２が存在している領域とし、一方、輝度値のピーク分布が２つになる領域を２本の溶融エッジ線（４３ａ、４３ｂ）が存在している領域とするなどの方法により行う。

溶接外挿線算出部２９は、図１３Ｂに示すように、溶接ビード線抽出部２７で抽出した溶接ビード線４２を直線近似し、直線近似した溶接ビード線４２を、造管方向ｘの上流側にそのまま直線的に延ばした溶接外挿線Ｌ_Ｗを算出する。溶接外挿線算出部２９は、溶接外挿線Ｌ_Ｗの算出結果をプラズマ位置算出部３０に入力する。

プラズマ位置算出部３０は、交点算出部３５及び距離算出部３６を備えている。交点算出部３５は、プラズマ外挿近似線算出部２８からプラズマ外挿近似線Ｌｐｂの算出結果が入力されるとともに、溶接外挿線算出部２９から溶接外挿線Ｌ_Ｗの算出結果が入力される。交点算出部３５は、図１４に示すように、プラズマ外挿近似線Ｌｐｂと溶接外挿線Ｌ_Ｗとが交わる交点Ｐｂを算出し、この算出結果を距離算出部３６に入力する。

なお、この実施形態の場合、交点算出部３５は、側方撮像装置３ｂで生成されたカラー画像内の各画素位置を示す座標（Ｘｓ、Ｙｓ）を基に、交点Ｐｂの位置（カラー画像内の位置座標（Ｘｓｐ、Ｙｓｐ））を特定し、これを距離算出部３６に入力する。

次に、物理的衝合点Ｖ_１の算出手法について以下説明する。この場合、上方撮像画像取得部３１は、溶接部ＥＲを上方から撮像したカラー画像を上方撮像装置３ａから取得し、これを物理的衝合点解析部３２に入力する。物理的衝合点解析部３２は、溶接部ＥＲを上方から撮像したカラー画像に基づいて、物理的衝合点Ｖ_１の位置を検出し、これを座標変換部３３に入力する。

ここで、Ｖ字状に収束する鋼板６の両突合せ端部７ａ，７ｂが物理的に衝合（接触）する物理的衝合点Ｖ_１の検出手法については、例えば、特許第５８８０７９４号公報に開示されているため、ここでは詳細な説明は省略し、概略についてのみ説明する。

物理的衝合点解析部３２は、例えば、カラー画像を反転２値化処理し、得られた反転２値化画像に対し、ブロッブ毎にラベルを割り当てるラベリング処理を行う。物理的衝合点解析部３２は、所定の条件に合致するブロッブを、鋼板６の両突合せ端部７ａ，７ｂにより形成されるＶ字収束領域のブロッブとして抽出する。なお、ブロッブとは、同一ラベルが割り当てられた領域のことをいう。

所定の条件としては、例えば、画像の右端には接さずに、画像の左端のみに接しており、面積が５０ｍｍ^２以上であり、ブロッブの縦の長さをブロッブの横の長さで除した値（アスペクト比）が０．２以下であるという条件が挙げられる。物理的衝合点解析部３２は、抽出したＶ字収束領域のブロッブの最下流点を物理的衝合点Ｖ_１とする。

座標変換部３３は、上方撮像装置３ａで生成されるカラー画像内の各画素位置を示す座標（Ｘｕ、Ｙｕ）と、側方撮像装置３ｂで生成されるカラー画像内の各画素位置を示す座標（Ｘｓ、Ｙｓ）と、の対応関係を示した校正情報ｆを記憶している。座標変換部３３は、上方撮像装置３ａで生成されたカラー画像内で特定した物理的衝合点Ｖ_１の位置座標（Ｘｕｏ、Ｙｕｏ）を、校正情報ｆを基に、側方撮像装置３ｂで生成されたカラー画像内での位置座標（（Ｘｓｏ、Ｙｓｏ）＝ｆ（Ｘｕｏ、Ｙｕｏ））に変換する。

これにより、物理的衝合点Ｖ_１を、側方撮像装置３ｂで生成されるカラー画像内に示すことができる。座標変換部３３は、このようにして算出した物理的衝合点Ｖ_１の位置座標（Ｘｓｏ、Ｙｓｏ）の算出結果を、プラズマ位置算出部３０の距離算出部３６に入力する。距離算出部３６は、交点算出部３５で求めた交点Ｐｂの算出結果と、座標変換部３３で求めた物理的衝合点Ｖ_１の算出結果と、を受け取る。

距離算出部３６は、物理的衝合点Ｖ_１と交点Ｐｂとの距離を算出する。この場合、交点Ｐｂは、側方撮像装置３ｂで得られるカラー画像内の位置座標により特定されており、物理的衝合点Ｖ_１についても、座標変換部３３によって、側方撮像装置３ｂで得られるカラー画像内の位置座標で特定されている。これにより、距離算出部３６は、交点Ｐｂの位置座標（Ｘｓｐ、Ｙｓｐ）と、物理的衝合点Ｖ_１の位置座標（Ｘｓｏ、Ｙｓｏ）との距離を示す、造管方向Ｘの距離△Ｓｘ（＝ｇ｛（Ｘｓｐ、Ｙｓｐ）−（Ｘｓｏ、Ｙｓｏ）｝）を算出する。なお、ｇは、側方撮像装置３ｂから得られるカラー画像における距離校正情報の換算係数である。

このようにして算出された距離△Ｓｘは、プラズマ９が溶接部ＥＲの最適な位置に照射されているか否かを判断する目安となる。例えば、距離△Ｓｘが、予め設定した最適範囲内であるか否かを監視することで、プラズマ９が溶接部ＥＲの最適な位置に照射されているか否かを判断できる。なお、プラズマ９の最適な照射位置となる距離△Ｓｘの最適範囲とは、プラズマ９によるシールド効果により、溶接部ＥＲの酸化が抑制される範囲である。

プラズマ位置制御部３４には、プラズマ位置算出部３０より算出された距離△Ｓｘの算出結果が入力される。プラズマ位置制御部３４は、例えば、上述した最適範囲を予め記憶しており、距離△Ｓｘが最適範囲内にあるか否かを判断する。その結果、プラズマ位置制御部３４は、距離△Ｓｘが最適範囲内から外れていると判断すると、距離△Ｓｘが最適範囲内に収めるために必要となる、造管方向Ｘでのプラズマ照射装置２の移動距離を算出する。

プラズマ位置制御部３４は、この移動距離の算出結果をプラズマ照射装置２に入力する。これにより、プラズマ照射装置２は、駆動装置によって、移動距離分、造管方向Ｘに沿って移動され、プラズマ９を照射するプラズマ位置を溶接部ＥＲの最適な位置に変更できる。

＜側方撮像装置の撮像角度について＞
次に、図１に示す、側方撮像装置３ｂの光軸方向（側方撮像装置３ｂが被写体を撮像する方向）Ｙ_２と、接線Ｙ_１を含む面と、がなす撮像角度θについて考察する。ここで、管内側から溶接部ＥＲにプラズマ９を照射することで、溶接部ＥＲのＶ字領域ＥＲ_Ｖから管外側に漏れ出る漏れプラズマ９ａは、溶接部ＥＲにおける突合せ端部７ａ，７ｂの発光と比較して、約１／１０〜１／１００以下程度であり、非常に小さい。

従って、側方撮像装置３ｂで漏れプラズマ９ａを撮像する際に、上方撮像装置３ａと同様に、漏れプラズマ９ａ全てが、溶接部ＥＲの突合せ端部７ａ，７ｂの発光領域と重なってしまうと、カラー画像内で漏れプラズマ９ａが当該発光領域内に埋もれてしまう恐れがある。

そこで、側方撮像装置３ｂは、漏れプラズマ９ａを撮像した際に、漏れプラズマ９ａの少なくとも一部が、溶接部ＥＲの突合せ端部７ａ，７ｂの発光領域と重ならずに、カラー画像内に写るように、撮像角度θを設定することが望ましい。

ここで、側方撮像装置３ｂの撮像角度θを０度（側方撮像装置３ｂを溶接部ＥＲに水平）に設定したときに、側方撮像装置３ｂから得られるカラー画像について検討する。この場合、図１５Ａに示すようなカラー画像が得られる。

実際に得られるカラー画像では、溶接部ＥＲの溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂから所定距離付近までは、溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂの輝度が非常に高くなっており、溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂの発光領域ＥＲ_６となっている。そのため、発光領域ＥＲ_６では、漏れプラズマ領域４１の下部が、溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂの輝度に埋もれてしまい、視認することが困難である。

その一方で、溶接部ＥＲの溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂの発光領域ＥＲ_６付近より高い位置では、溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂの輝度による影響を受け難く、漏れプラズマ領域４１の輪郭を視認することができる。

従って、溶接部ＥＲの溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂの発光領域ＥＲ_６付近より高い位置では、漏れプラズマ領域４１の外形（例えば、図１２の後方線４１ａ）を抽出することができる。よって、撮像角度θを０度としたときには、直線近似した後方線４１ａからプラズマ外挿近似線Ｌｐｂを算出でき、かくして、交点Ｐｂを求めることができる。

次に、側方撮像装置３ｂの撮像角度θを９０度とし、上方撮像装置３ａと同様、溶接部ＥＲの真上に側方撮像装置３ｂを設定したときに、側方撮像装置３ｂから得られるカラー画像について検討する。この場合、図１５Ｂに示すようなカラー画像が得られる。

図１５Ｂに示すように、この場合、カラー画像内の漏れプラズマ領域４１と、溶接部ＥＲの溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂと、が重なってしまい、漏れプラズマ領域４１が溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂの輝度により埋もれ、漏れプラズマ領域４１を視認することができない。よって、撮像角度θを９０度としたときには、漏れプラズマ領域４１の外形（後方線４１ａ）を抽出することができない。

以上より、撮像角度θは９０度よりも小さい角度に設定することが望ましいが、その際には、図１５Ａに示したように、溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂの輝度により、漏れプラズマ領域４１が埋もれてしまう発光領域ＥＲ_６を考慮する必要がある。

ここで、撮像角度θを０度として真横から漏れプラズマ領域４１を見たときの、漏れプラズマ領域４１の高さをＨｏ（図１５Ａ）とすると、撮像角度θから見たときの、漏れプラズマ領域４１の高さｈ´は、下記の式で表すことができる。

ｈ´＝Ｈｏ×ｃｏｓθ …（４）

漏れプラズマ領域４１が溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂの輝度により埋もれてしまう発光領域ＥＲ_６を考慮すると、ｈ´≧２０ｍｍが望ましい。また、Ｈｏを４０ｍｍとしたときには、上記の式（４）から、撮像角度θは６０度となる。よって、溶接部ＥＲと水平な位置をθ＝０度、溶接部ＥＲの真上をθ＝９０度としたとき、撮像角度θは、θ≦６０度であることが望ましい。

＜作用及び効果＞
以上の構成において、溶接操業監視システム１では、管状に成形される鋼板６の突合せ端部７ａ，７ｂがＶ字状に収束してＶ字領域ＥＲ_Ｖをなす溶接部ＥＲに対し、プラズマ９を照射する（プラズマ照射ステップ）。溶接操業監視システム１では、赤信号、緑信号及び青信号を基にカラー画像を生成する側方撮像装置３ｂによって、波長カットフィルタ５を通して溶接部ＥＲ及び漏れプラズマ９ａを撮像する（撮像ステップ）。

このように、溶接操業監視システム１では、波長カットフィルタ５を通して溶接部ＥＲ及び漏れプラズマ９ａを側方撮像装置３ｂで撮像することで、プランク輻射則で発光している溶接部ＥＲの色味が調整され、突合せ端部７ａ，７ｂの青成分を抑制させたカラー画像を取得できる（取得ステップ）。また、このようにして得られたカラー画像では、溶接部ＥＲとは異なる波長分布でなる漏れプラズマ９ａの青成分をそのまま残すことができる。

従って、溶接操業監視装置４では、このようにして得たカラー画像から青成分を抽出して青成分画像を生成することで、青成分画像に基づいて、造管方向Ｘのプラズマ位置を算出することができる（プラズマ位置算出ステップ）。以上より、溶接操業監視システム１では、側方撮像装置３ｂで得られるカラー画像において溶接部ＥＲの影響を低減し、プラズマ位置を解析できる。

また、側方撮像装置３ｂは、突合せ端部７ａ，７ｂが突き合せする突合せ方向Ｙ側の所定位置に配置し、Ｖ字領域ＥＲ_Ｖの漏れプラズマ９ａの少なくとも一部が、溶接部ＥＲと重ならないように撮像する。これにより、溶接操業監視装置４では、カラー画像において、漏れプラズマ領域４１が溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂの輝度により埋もれずに、プラズマ位置を特定できる。

さらに、溶接操業監視装置４では、側方撮像装置３ｂからのカラー画像の各画素位置と、上方撮像装置３ａからのカラー画像の各画素位置との対応関係を特定する。これにより、溶接操業監視装置４では、側方撮像装置３ｂからのカラー画像を基に算出したプラズマ位置と、上方撮像装置３ａからのカラー画像を基に検出した物理的衝合点Ｖ_１と、の位置関係を同一画像上に示すことができる。

＜他の実施形態＞
上述した実施形態においては、管状に成形される鋼板６の管内側に、溶接部ＥＲの下方からプラズマ９を照射するプラズマ照射装置２を設け、Ｖ字領域ＥＲ_Ｖからの漏れプラズマ９ａを側方撮像装置３ｂ及び上方撮像装置３ａにより撮像するようにした場合について述べた。しかしながら、本発明はこれに限らず、管状に成形される鋼板６の管外側に、溶接部ＥＲの上方側からプラズマ９を照射するプラズマ照射装置を設け、上方からＶ字領域ＥＲ_Ｖに向けて照射されるプラズマ９を、側方撮像装置３ｂ及び上方撮像装置３ａにより撮像するようにしてもよい。

また、上述した実施形態においては、カラー画像から赤成分を抽出して、赤成分の濃淡で表示された溶接部ＥＲの溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂを残した赤成分画像を生成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らない。カラー画像内に表示される溶接部ＥＲの溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂの色味合わせて、例えば、カラー画像から緑成分を抽出するようにしてもよい。

この場合は、例えば、カラー画像から緑成分を抽出して、緑成分の濃淡で表示された溶接部ＥＲの溶接ビード線４２及び溶融エッジ線４３ａ，４３ｂを残した緑成分画像を生成すればよい。

また、上述した実施形態においては、側方撮像装置３ｂと波長カットフィルタ５とを別体として設けたが、側方撮像装置３ｂに波長カットフィルタ５を設けた一体型の構成としてもよい。

上述したカラー画像や、青成分画像、青成分２値化画像、赤成分画像、赤成分２値化画像等の各画像は、ディスプレイ等に表示される具体的な画像としての形態だけでなく、画像として生成される前のデータも含まれる。

１ 溶接操業監視システム
２ プラズマ照射装置
３ａ 上方撮像装置
３ｂ 側方撮像装置
４ 溶接操業監視装置
５ 波長カットフィルタ
２１ 側方撮像画像取得部（取得部）
２２ 青成分画像抽出部
３０ プラズマ位置算出部
２８ プラズマ外挿近似線算出部
２９ 溶接外挿線算出部
３５ 交点算出部
３２ 物理的衝合点解析部
３３ 座標変換部

Claims (9)

1. 帯状の鋼板を管状に成形するプラズマシールド電縫溶接の溶接操業を監視する溶接操業監視システムであって、
   管状に成形される前記鋼板の突合せ端部がＶ字状に収束してＶ字領域をなす溶接部に対しプラズマを照射するプラズマ照射装置と、
   前記鋼板の管外側方側から前記溶接部を撮影し、赤信号、緑信号及び青信号を基にカラー画像を生成する側方撮像装置と、
   前記側方撮像装置と前記溶接部との間に配置され、長波長をカットする波長カットフィルタと、
   前記側方撮像装置から前記カラー画像を取得する溶接操業監視装置と、
   を備え、
   前記溶接操業監視装置は、
   前記側方撮像装置が前記波長カットフィルタを通して前記溶接部を撮像することで、前記側方撮像装置での前記カラー画像の色味が調整されて前記突合せ端部の周辺の青成分が抑制された前記カラー画像を取得する取得部と、
   前記カラー画像から青成分を抽出する青成分画像抽出部と、
   前記青成分画像抽出部で生成された青成分画像に基づいて、造管方向のプラズマ位置を算出するプラズマ位置算出部と、を備える、溶接操業監視システム。
2. 前記プラズマ照射装置は、前記溶接部に対して前記鋼板の管内側からプラズマを照射する、請求項１に記載の溶接操業監視システム。
3. 前記側方撮像装置は、
   前記突合せ端部が突き合せする突合せ方向側の所定位置に配置され、前記Ｖ字領域から前記プラズマが漏れ出た漏れプラズマの少なくとも一部を、前記溶接部と重ならずに撮像する、請求項２に記載の溶接操業監視システム。
4. 前記溶接部において前記突合せ端部が突き合わされる前記鋼板の外周面に接し、かつ、前記突合せ端部の突合せ方向と平行な接線Ｙ_１を含む面と、前記側方撮像装置の光軸方向Ｙ_２とがなす撮像角度θが、０度以上６０度以下に選定されている、請求項３に記載の溶接操業監視システム。
5. 前記溶接操業監視装置は、
   前記Ｖ字領域から前記プラズマが漏れ出た漏れプラズマの外形を近似したプラズマ外挿近似線を算出するプラズマ外挿近似線算出部を備え、
   前記プラズマ位置算出部は、前記プラズマ外挿近似線に基づいて前記造管方向の前記プラズマ位置を算出する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の溶接操業監視システム。
6. 前記突合せ端部が収束して溶接された溶接ビードの溶接外挿線を算出する溶接外挿線算出部と、
   前記プラズマ外挿近似線及び前記溶接外挿線の交点を算出する交点算出部と、を備え、
   前記プラズマ位置算出部は、前記交点に基づいて前記造管方向の前記プラズマ位置を算出する、請求項５に記載の溶接操業監視システム。
7. 前記溶接部を上方から撮像する上方撮像装置を備え、
   前記溶接操業監視装置は、
   前記上方撮像装置からの撮像画像から、前記鋼板の両突合せ端部が物理的に衝合する物理的衝合点を解析する物理的衝合点解析部と、
   前記側方撮像装置からの前記カラー画像の各画素位置と、前記上方撮像装置からの前記撮像画像の各画素位置との対応関係を特定し、前記プラズマ位置と前記物理的衝合点との位置関係を同一画像上に示す座標変換部と、を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶接操業監視システム。
8. 前記波長カットフィルタは５８０ｎｍ以上の波長の光をカットする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の溶接操業監視システム。
9. 帯状の鋼板を管状に成形するプラズマシールド電縫溶接の溶接操業を監視する溶接操業監視方法であって、
   管状に成形される前記鋼板の突合せ端部がＶ字状に収束してＶ字領域をなす溶接部に対し、プラズマを照射するプラズマ照射ステップと、
   赤信号、緑信号及び青信号を基にカラー画像を生成する側方撮像装置によって、長波長をカットする波長カットフィルタを通し、前記鋼板の管外側方側から前記溶接部を撮像する撮像ステップと、
   前記波長カットフィルタによって前記側方撮像装置での前記カラー画像の色味が調整されて前記突合せ端部の周辺の青成分が抑制された前記カラー画像を取得する取得ステップと、
   前記カラー画像から青成分を抽出し、青成分画像に基づいて造管方向のプラズマ位置を算出するプラズマ位置算出ステップと、を備える、溶接操業監視方法。

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