JP7260785B2

JP7260785B2 - 電縫管溶接装置及び電縫管溶接方法

Info

Publication number: JP7260785B2
Application number: JP2019159337A
Authority: JP
Inventors: 将人平; 昌秀林
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2023-04-19
Anticipated expiration: 2039-09-02
Also published as: JP2021037520A

Description

本発明は、走行する金属帯板を円筒状のオープン管に成形し、当該オープン管の周方向両端部同士を、高周波電力により溶接する電縫鋼溶接装置及び電縫管溶接方法に関するものである。

金属製の管としては、電縫管やスパイラル管等のように、金属帯板を成形しながら溶接によって管形状とされるものの他、シームレス管のように、金属ビレットに直接穴をあけて製造されるものや、押し出しにより成形されるものがある。

電縫管は、特に生産性が高く、しかも安価に製造できることから、多く用いられている。このような電縫管の製造の際は、金属帯板を走行させながら円筒状のオープン管に成形し、その後、対向するオープン管の周方向両端面に電流を流して加熱すると共に上記周方向両端面同士を圧接して溶接する。オープン管の周方向両端面に電流を供給し加熱する方式としては、誘導加熱方式と直接通電加熱方式がある。誘導加熱方式では、例えば、円筒状に成形されたオープン管の外周を囲むように誘導コイルを巻き、この誘導コイルに一次電流を流すことにより、当該オープン管に誘導電流を発生させ、直接通電加熱方式では、金属製の電極を上記オープン管の周方向両端面の上部に押し当て、電源から直接通電する。一般的に、誘導コイルや電極に通じる電流は、１００～４００ｋＨｚの高周波電力が用いられ、また、高周波電力の供給源として、負荷回路の固有振動周波数により発振する自励式発振回路を有する真空管式高周波電源がこれまで用いられていた。

ところで、電縫管の品質を適切に管理するためには、溶接異常（例えば溶融不足やスパッタ）またはその兆候を検出し、以後の溶接での溶接異常の発生を防止するための操業条件の変更、または、不良部排除のための後工程での追加検査、不良部除去を行わなければならない。
そのためには、まず溶接異常またはその兆候の発生を的確に検知することが重要であり、従来、溶接部分の撮像画像に基づく異常発生の監視（以下、画像診断という。）や、真空管式高周波電源からの高周波電力の周波数の時間変化率に基づく異常発生の監視（以下、周波数変化監視という。）のうちいずれか一方または両方を用いて、監視するようにしている。このうち、周波数変化監視は、溶接点の変動やスパッタ発生に起因した真空管式高周波電源からの高周波電力の周波数の変化を計測しており、画像診断のように溶接の様相を直接確認するものではないが、画像診断に比べてデータ容量が少なくてすむため、定常的な溶接状態の管理に適している。

しかし、省エネや長寿命化等の観点から、高周波電源として、真空管式高周波電源に代えて半導体式高周波電源を用いることが求められてきているが、半導体式高周波電源では、上記周波数変化監視を用いることはできない。なぜならば、真空管式高周波電源が真空管の発振作用を利用して高周波電力を発生させるのに対し、半導体式高周波電源では、素子のスイッチング動作を高速で行うことで高周波電力を発生させており、出力する高周波電力の周波数はスイッチング周波数で一定であるからである。

特許文献１には、高周波電縫溶接において、被溶接部も含めて形成する高周波電気回路の高周波電流、高周波電圧等を計測し、その計測値の変動分のみを信号処理により、変動振幅、変動周期及び変動波形形状信号の溶接特性値として取り出し、該溶接特性値の１つ以上と予め設定された管理値との大小比較及び形状比較によって溶接異常を検出することが開示されている。

特許文献２に開示の高周波加熱装置は、負荷回路に接続された、所定の共振周波数を有する共振回路と、上記共振周波数に応じた所定の直流電圧を発生する直流電圧発生回路と、上記直流電圧に応じた周波数で直流電源電圧をスイッチングし、共振手段に印加して高周波電力を発生させるスイッチング回路と、を有する。さらに、この高周波加熱装置は、さらに、負荷回路において変動する溶接現象を検出するため共振回路における高周波電流を検出する高周波電流検出回路と、高周波電流の周期的変動分を検出し、その変動分に基づいて高周波電力の過不足を補正するのに必要な直流電圧を出力する演算回路とを有する。

特許文献３には、電縫鋼管の溶接方法において、予め設定した１０秒未満の時間間隔で溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｅを測定し、溶接電流Ｉの時間変化量ΔＩ及び溶接電圧Ｅの時間変化量ΔＥをそれぞれ求めた後、ΔＺ＝ΔＥ／ΔＩで定義されるインピーダンスの時間変化量ΔＺを求め、この時間変化量ΔＺからシーム溶接部の冷接欠陥の発生を予測することが開示されている。

特開昭５９－１０８７１号公報特開平７－４００６２号公報特開２００６－０８８２２０号公報

特許文献１～３に開示の技術は、高周波電源が半導体式高周波電源である場合にも、溶接異常の検出に用いることが可能な技術である。
しかし、半導体式高周波電源ではスイッチングにより高周波電力を生成しているためスイッチングに起因する高周波ノイズが高周波電力に含まれる場合があり、この場合、高周波電源からの出力を用いる特許文献１～３に開示の技術では、溶接異常を正確に検知することができない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、スイッチングにより生成された高周波電力を用いて溶接し電縫管を製造する際の、溶接異常を正確に検知することを目的としている。

前記の目的を達成するための本発明は、走行する金属帯板を円筒状のオープン管に成形し、当該オープン管の周方向両端部同士を、高周波電力により溶接する電縫鋼管溶接装置であって、スイッチを有し、前記スイッチのスイッチングにより、直流電力を前記高周波電力に変換し出力する高周波生成部と、前記高周波生成部に入力される直流電力の電流及び電圧の少なくともいずれか一方を検出する検出部と、前記検出部での検出結果に基づいて、溶接異常の有無を判定する判定部と、を備えることを特徴としている。

本発明では、高周波生成部に入力される直流電力の電流及び電圧の少なくともいずれか一方の検出結果に基づいて、溶接異常の有無を判定する。したがって、高周波生成部からの出力にスイッチングに起因する高周波ノイズが含まれていても溶接異常の有無を検知することができるため、溶接異常を正確に検知することができる。
なお、上記の「溶接異常」には、実際の溶接異常だけでなく溶接異常の兆候も含まれる。

前記判定部は、前記検出部で検出された前記直流電力の電流及び電圧の少なくともいずれか一方と基準値とを比較し、その比較結果に基づいて、溶接異常の有無を判定してもよい。

前記判定部は、前記検出部で検出された前記直流電力の電流の波形及び電圧の波形の少なくともいずれか一方に基づいて、溶接異常の有無を判定してもよい。

上記電縫管溶接装置がさらに、前記金属帯板の溶接部を撮像する撮像部と、前記判定部により溶接異常が有ると判定された場合に、前記撮像部での撮像結果に基づいて、溶接条件を補正する補正部と、を備えていてもよい。

別な観点による本発明は、走行する金属帯板を円筒状のオープン管に成形し、当該オープン管の周方向両端部同士を、高周波電力により溶接する電縫鋼管溶接方法であって、高周波生成部が有するスイッチのスイッチングを行い、直流電力を前記高周波電力に変換し出力する高周波生成工程と、前記高周波生成部に入力される直流電力の電流及び電圧の少なくともいずれか一方を検出する検出工程と、前記検出工程での検出結果に基づいて、溶接異常の有無を判定する判定工程と、を含むことを特徴としている。

本発明によれば、スイッチングにより生成された高周波電力を用いて溶接し電縫管を製造する際の、溶接異常を正確に検知することができる。

本発明の第１実施形態にかかる電縫管溶接装置の一例の概略図である。電源装置の構成例を示す図である。図２の回路構成を有する電源装置における、インバータ部に入力される直流電力の電圧と誘導性負荷のインダクタンスとの関係についてのシミュレーション結果を示す図である。電源装置の溶接異常の検知に関する処理を説明するためのフローチャートである。溶接異常の種類の判別に用いられる撮像画像の例を示す図である。電源装置の他の構成例を示す図である。図６の回路構成を有する電源装置における、インバータ部に入力される直流電力の電圧と誘導性負荷のインダクタンスとの関係についてのシミュレーション結果を示す図である。本発明の第２実施形態にかかる電縫管溶接装置の一例の概略図である。

以下、本発明の実施形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる電縫管溶接装置の一例の概略図である。
図１の電縫管溶接装置１は、製造ラインでその長手方向に走行する金属帯板としての鋼板２を、成形ロール（図示せず）を用いて順次円筒状に成形してオープン管２とし、互いに対向した金属帯板の両側の端面部２ａに誘導電流を集中的に流して加熱し、連続的にスクイズロール（図示せず）で圧接しながら溶接し電縫管３とする。

電縫管溶接装置１は、誘導加熱方式で通電し加熱を行うものであり、円筒状に成形されたオープン管２の溶接部近傍で、オープン管２と略同軸になるように配設された誘導コイル１０と、円筒状に成形されたオープン管２の内部に当該オープン管２の長手方向に沿って延びるように配設されたインピーダコア１１とを有する。インピーダコア１１は、強磁性体であり、比透磁率が大きく、誘導コイル１０に供給される高周波電力によりオープン管２に発生する誘導電流の円筒内周への分流を低減して加熱効率を向上させる。

また、電縫管溶接装置１は、周波数が固定された交流電力（高周波電力）を誘導コイル１０に供給する電源装置２０を有する。電源装置２０から誘導コイル１０に供給される高周波電力により、交番磁束が発生し、当該交番磁束によって、オープン管２の端面部２ａに誘導電流が流れ、当該端面部２ａが加熱、溶融された状態で、スクイズロール（図示せず）により、端面部２ａ同士が圧接されて溶接される。

さらに、電縫管溶接装置１は、誘導コイル１０の下流側に位置する鋼板２の溶接部３ａの上方に配設された撮像装置３０を有する。撮像装置３０は、溶接部３ａを上方から撮像し、撮像結果である撮像画像を制御部２００に出力する。

図２は、電源装置２０及び後述の制御部２００の構成例を示す図である。
電源装置２０は、図示するように、直流電源部１１０、インバータ部１２０、変圧器１３０、共振コンデンサ１４０及び電圧計１５０を有する。電源装置２０には、これを制御する制御部２００が接続される。

直流電源部１１０は、インバータ部１２０に対して直流電力を供給する。直流電源部１１０は、整流器１１１、リアクトル１１２及びコンデンサ１１３を有する。
整流器１１１は、その入力端に、交流電力を出力する交流電源３００が接続されており、交流電源３００からの交流電力を整流して直流電力を出力する。
リアクトル１１２及びコンデンサ１１３は、整流器１１１からの出力（脈流）を平滑化する。平滑化された直流電力は、インバータ部１２０に供給される。

高周波生成部としてのインバータ部１２０は、４つのスイッチ１２１～１２４を有し、スイッチ１２１～１２４のスイッチングすなわちオン・オフ動作により、上記平滑化された直流電力を交流電力（高周波電力）に変換する。上記４つのスイッチ１２１～１２４はフルブリッジ回路を構成する。

スイッチ１２１～１２４はそれぞれ、等価回路的には、並列に接続されたスイッチ部とダイオード部とから構成されている。図の例では、スイッチ１２１～１２４はそれぞれ、ｎチャンネル型ＭＯＳＦＥＴから構成され、当該ＭＯＳＦＥＴの自己消弧型素子の部分が上記スイッチ部を構成し、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードの部分が上記ダイオード部を構成する。なお、ｎチャンネル型ＭＯＳＦＥＴの代わりに、ＩＧＢＴ等の他の自己消弧型素子とダイオードとを並列接続したスイッチを用いてもよい。

スイッチ１２１、１２４の組をオンにすると正波が出力され、スイッチ１２２、１２３の組をオンにすると負波が出力され、スイッチ１２１、１２４の組とスイッチ１２２、１２３の組とを交互にオンにすることで、高周波電力が出力される。

変圧器１３０は、インバータ部１２０から出力された高周波電力の電圧を例えば降圧させて出力する。
変圧器１３０から出力された高周波電力は、共振コンデンサ１４０と誘導性負荷３１０との直列回路に供給される。誘導性負荷３１０は、被加熱物であるオープン管２と誘導コイル１０（図１参照）である。変圧器１３０から高周波電力が誘導性負荷３１０との直列回路に供給されると、誘導コイル１０が磁力線を発生させる。この磁力線により、オープン管２に渦電流が流れる。この渦電流により、オープン管２が非接触で加熱される。

共振コンデンサ１４０と誘導性負荷３１０との直列回路に供給される高周波電力は、以下の式（１）で示される共振周波数ｆ_ＬＣの付近の周波数で固定であるため、溶接異常の検知に、前述の周波数変化監視の技術を利用することはできない。
ｆ_ＬＣ＝１／｛２π（Ｌ_０・Ｃｒ）^１／２｝ …（１）
Ｃｒ：共振コンデンサ１４０の容量
Ｌ_０：共振状態となるときの誘導性負荷３１０のインダクタンス（成分）

ただし、誘導性負荷３１０のインダクタンスＬは、被加熱物の状態によって大きく変化する。そして、上記インダクタンスＬは、インバータ部１２０に入力される直流電力にも影響を与える。

例えば、インバータ部１２０を定電力制御した場合、当該インバータ部１２０に入力される直流電力の電圧Ｖと上記インダクタンスＬの関係は、以下の式（２）で表される。

Ｖ_０：上記インダクタンスＬ＝Ｌ_０のときの直流電力の電圧（基準電圧）
Ｒ：誘導性負荷３１０の抵抗成分

また、上記インダクタンスＬは共振状態時からのずれ量ΔＬを用いて、
Ｌ＝Ｌ_０＋ΔＬ
と表すことができる。したがって、上記式（２）は、以下の式（３）のように、インバータ部１２０に入力される直流電力の電圧Ｖと上記ずれ量ΔＬとの関係式に変換することができる。

よって、インバータ部１２０に入力される直流電力の電圧に基づいて、溶接異常の有無の判定が可能であることが推察される。

図３は、図２の回路構成を有する電源装置２０における、インバータ部１２０に入力される直流電力の電圧Ｖと誘導性負荷３１０のインダクタンスＬとの関係についてのシミュレーション結果を示す図である。
このシミュレーションでは、変圧器１３０から出力された高周波電力が４００ｋＷで一定となるようにインバータ部１２０が定電力制御され、誘導性負荷３１０のインダクタンスが０．１μＨのときに共振状態になるものとし（Ｌ_０＝０．１（μＨ））、また、以下の条件を満たすようにした。
変圧器１３０から出力される高周波電力の周波数Ｆ：３００ｋＨｚ
変圧器１３０の降圧比Ｔｒ：１／３
リアクトル１１２のインダクタンス：３ｍＨ
コンデンサ１１３の容量Ｃｄ：１０００μＦ
共振コンデンサ１４０の容量Ｃｒ：２．８μＦ
誘導性負荷３１０の抵抗成分Ｒ：３２ｍΩ

図示するように、誘導性負荷３１０のインダクタンスＬの共振状態時からのずれ量ΔＬが大きくなるにしたがって、インバータ部１２０に入力される直流電力の電圧Ｖが大きくなっている。
このシミュレーション結果からも、インバータ部１２０に入力される直流電力の電圧に基づいて、溶接異常の有無の判定が可能であることが推察される。

そこで、本実施形態では、電圧計１５０でインバータ部１２０に入力される直流電力の電圧を検出する。そして、制御部２００の後述の判定部２０２において、電圧計１５０での検出結果に基づいて、溶接異常の有無を判定する。

なお、上記シミュレーション結果によれば、変圧器１３０から出力される高周波電力の電圧（実効値）Ｖｌｏａｄも、誘導性負荷３１０のインダクタンスＬの共振状態時からのずれ量ΔＬが大きくなるにしたがって大きくなっていた。

制御部２００は、例えばＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、電源装置２０を制御する処理を含む各種処理等を行うためのプログラムが格納されている。なお、上記プログラムは、コンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、当該記憶媒体から制御部２００にインストールされたものであってもよい。プログラムの一部または全ては専用ハードウェハ（回路基板）で実現してもよい。

また、制御部２００は、スイッチ制御部２０１、判定部２０２、撮像制御部２０３、判別部２０４、駆動制御部２０５及び記憶部２０６を有する。

スイッチ制御部２０１は、予め定められた周波数の高周波電力が生成されるよう、予め定められたスイッチング周波数で、スイッチ１２１～１２４のスイッチングを制御する。

判定部２０２は、電圧計１５０での検出結果に基づいて、具体的には、電圧計１５０で検出されたインバータ部１２０に入力される直流電力の電圧（以下、「インバータ部１２０への入力直流電圧」ということがある。）に基づいて、溶接異常の有無を判定する。例えば、判定部２０２は、電圧計１５０で検出されたインバータ部１２０への入力直流電圧と基準値との比較結果に基づいて、溶接異常の有無を判定する。

撮像制御部２０３は、撮像装置３０（図１参照）を制御する。特に、判定部２０２により溶接異常有りと判定された場合、撮像装置３０を制御して、オープン管２の溶接部３ａの撮像画像を出力させる。

判別部２０４は、溶接異常有りと判定された場合に、撮像装置３０での撮像結果に基づいて、具体的には、鋼板２の溶接部３ａの撮像画像に基づいて、溶接異常の種類を判別する。

駆動制御部２０５は、判別部２０４で判別された溶接異常の種類に基づいて、溶接条件を補正する補正部であり、具体的には、上記溶接条件が補正されるよう信号を出力する。より具体的には、駆動制御部２０５は、判別部２０４で判別された溶接異常の種類に基づいて、上記溶接条件としてのオープン管２の走行速度が増減されるよう、オープン管２を走行させる成形ロール、スクイズロール等の駆動部（図示せず）に信号を出力する。

記憶部２０６は、各種情報を記憶するものであり、例えば、判定部２０２の判定で用いられる基準値を記憶する。

続いて、図４及び図５を用いて、電源装置２０の溶接異常の検知に関する処理を説明する。図４は、上記処理の一例を説明するためのフローチャートである。図５は、溶接異常の種類の判別に用いられる撮像画像の例を示す図である。

電縫溶接が開始されると、電圧計１５０によるインバータ部１２０への入力直流電圧の測定が開始される（ステップＳ１）。以後、この測定は電縫溶接が完了するまで継続される

そして、判定部２０２が、電圧計１５０で測定されたインバータ部１２０への入力直流電圧に基づいて、溶接異常があるか否かを判定する（ステップＳ２）。具体的には、判定部２０２が、上記入力直流電圧の所定期間中の統計値を取得し、その統計値と、記憶部２０６に記憶の基準値とを比較し、その比較結果に基づいて、溶接異常が有るか否かを判定する。例えば、判定部２０２は、上記統計値が上記基準値を超えている場合、溶接異常有りと判定する。なお、上記統計値とは、例えば平均値であり、最大値や最小値であってもよい。また、上記所定期間とは、例えば５秒以下である。
また、判定部２０２が、上記入力直流電圧の時間変化を示す波形に基づいて、溶接異常の有無を判定するようにしてもよい。例えば、判定部２０２が、上記入力直流電圧の波形と、当該波形の基準値である基準波形とを比較し、両波形の一致率に基づいて、異常の有無を判定するようにしてもよい。

判定部２０２により、溶接異常有りと判定された場合、撮像制御部２０３が、撮像装置３０に、鋼板２の溶接部３ａを撮像させ、その撮像画像を出力させる（ステップＳ３）。

次いで、判別部２０４が、鋼板２の溶接部３ａの撮像画像に基づいて、発生したと検知された溶接異常が入熱量不足による溶接異常であるか否か判定する（ステップＳ４）。例えば、判別部２０４が、まず、鋼板２の溶接部３ａの撮像画像を画像処理して、図５に示す、圧接直後の溶融部２ｂを輝度値により識別する。なお、この溶融部２ｂが冷えて固まると、溶接シーム２ｃとなる。すなわち、溶融部２ｂの幅は溶接シーム２ｃの幅と略同一となる。そして、判別部２０４が、図５（ａ）に示すように、圧接直後の溶融部２ｂの幅Ｚが、下限基準値Ｚ_０－ΔＺより小さい場合、未溶融の状態であるため、入熱量不足による溶接異常であると判定する。

入熱量不足による溶接異常であると判定された場合、駆動制御部２０５が、入熱量が増加するよう溶接条件が補正されるように、信号を出力する（ステップＳ５）。例えば、駆動制御部２０５が、オープン管２の走行速度が所定速度分減速されるよう、オープン管２を走行させる成形ロール、スクイズロール等の駆動部（図示せず）に信号を出力する。

また、入熱量不足による溶接異常であると判定されなかった場合、オープン管２の溶接部３ａの撮像画像に基づいて、発生したと検知された溶接異常が入熱量過多による溶接異常であるか否か判定する（ステップＳ６）。例えば、判別部２０４が、図５（ｃ）に示すように、撮像画像中の圧接直後の溶融部２ｂの幅Ｚが、上限基準値Ｚ_０＋ΔＺより大きい場合、過溶融の状態であるため、入熱量過多による溶接異常であると判定する。

入熱量過多による溶接異常であると判定された場合、駆動制御部２０５が、入熱量が減少するよう溶接条件が補正されるように、信号を出力する（ステップＳ７）。例えば、駆動制御部２０５が、オープン管２の走行速度が所定速度分増加されるよう、オープン管２を走行させる成形ロール、スクイズロール等の駆動部（図示せず）に信号を出力する。

ステップＳ４～Ｓ７が行われることにより、図５（ｂ）に示すような、良好な溶融状態になるように、入熱量が調整される。

以後、電縫溶接が完了するまで、ステップＳ２～Ｓ７が繰り返し行われる。

以上のように、本実施形態の電縫管溶接装置１では、インバータ部１２０に入力される直流電力の電圧の検出結果に基づいて、溶接異常の有無を判定する。したがって、インバータ部１２０からの出力にスイッチングに起因する高周波ノイズが含まれていても溶接異常の有無を検知することができるため、溶接異常を正確に検知することができる。

また、本実施形態では、判定部２０２により溶接異常があると判定された場合に、撮像装置３０での撮像結果に基づいて、溶接条件を補正している。したがって、オープン管２への入熱量を適切にすることができ、高品質な電縫管を製造することができる。

以上の例では、オープン管２の走行速度で入熱量を調整していたが、高周波電力の電圧を増減させることで調整するようにしてもよい。高周波電力の電圧は、例えば、変圧器１３０を可変変圧器とし、昇圧比や降圧比を変更することで、増減させることができる。
また、以上の例では、溶接異常の有無の判定に、インバータ部１２０に入力される直流電力の電圧の検出結果を用いていたが、該直流電力の電流の検出結果を代わりに用いてもよいし、上記電圧の検出結果及び上記電流の検出結果の両方に基づいて行ってもよい。インバータ部１２０に入力される直流電力の電流の検出結果を用いる場合、記憶部２０６に記憶の基準値と比較して、溶接異常の有無を判定してもよいし、当該電流の波形に基づいて判定を行ってもよい。

溶接異常の有無の判定は、以下のように、誘導性負荷３１０のインダクタンスの時間変化量ΔＬに基づいて行ってもよい。すなわち、インバータ部１２０への入力直流電圧を時系列データとして記録しておき、その時系列データから誘導性負荷３１０のインダクタンスの時間変化量ΔＬ_ｔを捉え、当該時間変化量ΔＬ_ｔに基づいて、溶接異常の有無を判定するようにしてもよい。なお、インバータ部１２０への入力直流電圧の時系列データは、例えば、前述した当該入力直流電圧の所定期間中の統計値の時間的推移を示すデータである。このように、溶接異常の有無の判定を行うことにより、突発的な溶接異常よりも長期的な溶接状態の変化を捉えることができる。

図６は、電源装置の他の構成例を示す図である。
図２の例の電源装置２０は、出力する高周波電力が予め定められ固定であった。それに対し、図６の例の電源装置２０ａは、出力する高周波電力が、制御部２００の周波数設定部２０７により設定され可変である。

電源装置２０ａでは、整流器１１１からの出力（脈流）は、直流電源部１１０ａのリアクトル１１２により平滑化されてインバータ部４００に供給され、高周波電力に変換される。そして、インバータ部４００から出力された高周波電力は、変圧器１３０でその電圧が降圧され、誘導性負荷３１０との直列回路に供給される。ただし、変圧器１３０と誘導性負荷３１０との間には、図２の共振コンデンサ１４０は設けられていない。

また、この電源装置２０ａでは、インバータ部４００が、磁気エネルギー回生スイッチから構成される。
具体的には、インバータ部４００は、４つのスイッチ４０１～４０４と、１つのコンデンサ４０５とを有する。上記４つのスイッチ４０１～４０４はフルブリッジ回路を構成する。インバータ部４００は、スイッチ４０１～４０４のスイッチングにより誘導性負荷３１０に蓄積された磁気エネルギーを回収してコンデンサ４０５に静電エネルギーとして蓄積することと、当該蓄積した静電エネルギーを誘電性負荷に供給することを行う。

スイッチ４０１～４０４はそれぞれ、等価回路的には、並列に接続されたスイッチ部とダイオード部とコンデンサ部（ロスレススナバコンデンサ）とから構成されている。

スイッチ４０１、４０４の組をオフにすると、電流は誘導性負荷３１０を紙面の下から上に流れ、スイッチ４０２、４０４のダイオード部を通してコンデンサ４０５を充電する。コンデンサ４０５が充電を完了すると電流は０となる。
次にコンデンサ４０５が充電を完了するまでにスイッチ４０２、４０３の組をオン（スイッチ４０１、４０４の組はオフ）にすると、コンデンサ４０５に充電されたエネルギーはスイッチ４０２、４０３を通じて放電され、電流が誘導性負荷３１０を紙面の上から下に流れ出す。

コンデンサ４０５が放電を完了するとコンデンサ電圧は０となり、スイッチ４０１、４０４のダイオード部が逆電圧ではなくなることから導通して、スイッチ４０１からスイッチ４０３とスイッチ４０２からスイッチ４０４の二つのパスを通して、電流が誘導性負荷３１０を紙面の上から下に増加して流れる。この期間は、電流は誘導性負荷３１０とインバータ部４００の間を還流しているので、誘導性負荷３１０のインピーダンスから決まる時定数によって電流は減衰する。その後は同様にして、スイッチ４０２、４０３の組をオフにし、スイッチ４０１、４０４の組をオンにするとスイッチ４０１、４０４を通じてコンデンサ４０５が充放電し、電流が誘導性負荷３１０を紙面の下から上に流れるようになる。

そして、スイッチ４０１、４０４の組、スイッチ４０２、４０３の組のオン・オフタイミングを調整することで、誘導性負荷３１０には周波数が異なる高周波電力を供給することができる。

先に説明した本実施形態に係る技術を用いれば、誘導性負荷３１０に供給する高周波電力が、制御部２００の周波数設定部２０７での設定に応じて可変である場合にも、溶接異常を検知することができる。

図７は、図６の回路構成を有する電源装置２０ａにおける、インバータ部４００に入力される直流電力の電圧Ｖｍと誘導性負荷３１０のインダクタンスＬとの関係についてのシミュレーション結果を示す図であり、インバータ部４００からの出力電流Ｉｏｕｔ及び出力電圧Ｖｏｕｔも併せて示されている。図７（Ａ）、図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）はそれぞれ、誘導性負荷３１０のインダクタンスＬが０．１μＨ、０．２μＨ及び０．０５μＨのときの、インバータ部４００への入力直流電圧Ｖｍ等を示している。
このシミュレーションでは、変圧器１３０から出力された高周波電力が４００ｋＷで一定となるようにインバータ部４００が定電力制御され、誘導性負荷３１０のインダクタンスが０．１μＨのときに共振状態になるものとし、また、以下の条件を満たすようにした。
変圧器１３０から出力される高周波電力の周波数Ｆ：３００ｋＨｚ
変圧器１３０の降圧比Ｔｒ：１／３
リアクトル１１２のインダクタンス：３ｍＨ
コンデンサ４０５の容量Ｃｍ：０．２８μＦ
誘導性負荷３１０の抵抗成分Ｒ：３２ｍΩ

図７（Ａ）～図７（Ｃ）に示すように、誘導性負荷３１０のインダクタンスＬが変化すると、インバータ部４００への入力直流電圧Ｖｍの大きさや当該入力直流電圧Ｖｍの時間変化を示す波形も変化する。
このシミュレーション結果から、誘導性負荷３１０に供給する高周波電力が、制御部２００の周波数設定部２０７での設定に応じて可変である場合にも、インバータ部４００に入力される直流電力の電圧Ｖｍに基づいて、溶接異常の有無の判定が可能であることが分かる。

なお、図６の電源装置２０ａを用いる場合、入熱量の調整を高周波電力の周波数を調整することで行ってもよい。例えば、高周波電力の周波数を増加させることで、入熱量を増加させることができる。

（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態にかかる電縫管溶接装置の一例の概略図である。
第１実施形態にかかる電縫管溶接装置１は、誘導加熱方式で通電し加熱を行うものであったのに対し、図８の本実施形態にかかる電縫管溶接装置１ａは、直接通電方式で通電し加熱を行うものである。したがって、電縫管溶接装置１ａは、図１の誘導コイル１０は設けられておらず、一対の直接通電用の電極１０ａが設けられている。電極１０ａは、円筒状に成形されたオープン管２の周方向両端面の上部に押し当てられるように設けられている。
電縫管溶接装置が本実施形態のように構成されていても本発明は適用することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、走行する金属帯板を円筒状のオープン管に成形し、当該オープン管の周方向両端部同士を、高周波電力により溶接し電縫管を製造する際に有用である。

１、１ａ電縫管溶接装置
２オープン管（鋼板）
２ａ端面部
２ｂ溶融部
２ｃ溶接シーム
３電縫管
３ａ溶接部
１０誘導コイル
１０ａ電極
１１インピーダコア
２０、２０ａ電源装置
３０撮像装置
１１０、１１０ａ直流電源部
１１１整流器
１１２リアクトル
１１３コンデンサ
１２０インバータ部
１２１～１２４スイッチ
１３０変圧器
１４０共振コンデンサ
１５０電圧計
２００制御部
２０１スイッチ制御部
２０２判定部
２０３撮像制御部
２０４判別部
２０５駆動制御部
２０６記憶部
２０７周波数設定部
３００交流電源
３１０誘導性負荷
４００インバータ部
４０１～４０４スイッチ
４０５コンデンサ

Claims

走行する金属帯板を円筒状のオープン管に成形し、当該オープン管の周方向両端部同士を、高周波電力により溶接する電縫鋼管溶接装置であって、
スイッチを有し、前記スイッチのスイッチングにより、直流電力を前記高周波電力に変換し出力する高周波生成部と、
前記高周波生成部に入力される直流電力の電流及び電圧の少なくともいずれか一方を検出する検出部と、
前記検出部での検出結果に基づいて、溶接異常の有無を判定する判定部と、を備えることを特徴とする、電縫管溶接装置。
前記判定部は、前記検出部で検出された前記直流電力の電流及び電圧の少なくともいずれか一方と基準値とを比較し、その比較結果に基づいて、溶接異常の有無を判定することを特徴とする、請求項１に記載の電縫管溶接装置。
前記判定部は、前記検出部で検出された前記直流電力の電流の波形及び電圧の波形の少なくともいずれか一方に基づいて、溶接異常の有無を判定することを特徴とする、請求項１に記載の電縫管溶接装置。
前記金属帯板の溶接部を撮像する撮像部と、
前記判定部により溶接異常が有ると判定された場合に、前記撮像部での撮像結果に基づいて、溶接条件を補正する補正部と、を備えることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の電縫管溶接装置。
走行する金属帯板を円筒状のオープン管に成形し、当該オープン管の周方向両端部同士を、高周波電力により溶接する電縫鋼管溶接方法であって、
高周波生成部が有するスイッチのスイッチングを行い、直流電力を前記高周波電力に変換し出力する高周波生成工程と、
前記高周波生成部に入力される直流電力の電流及び電圧の少なくともいずれか一方を検出する検出工程と、
前記検出工程での検出結果に基づいて、溶接異常の有無を判定する判定工程と、を含むことを特徴とする、電縫管溶接方法。