JPS63303684A - 電縫管溶接の入熱制御方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は電縫管溶接の入熱制御方法に係り、特に溶接現
象モードを監視しながら被溶接部の適正な入熱制御を可
能にした電縫管溶接における入熱制御方法および装置に
関する。

Ｂ１発明の概要 本発明は、管素材をＶ字状ギャップを有する管状に成形
し、該Ｖ字状ギャップの対向する縁部をその縁部同志の
接合点で連続的に電気溶接する電縫管溶接装置において
、 前記溶接点に対向して溶接の状態を示す溶接点近傍での
溶接現象モードを輝度レベルおよび輝度分布としての撮
像信号で捕え、該撮像信号を基準の溶接現象モードにも
とづく設定値と比較して前記溶接状態が適正状態を逸脱
したとき、溶接電力制御９表示又は警報を発するように
したものである。

Ｃ６従来の技術 第６図（Ａ）は誘導式高周波電縫管溶接を示し、第６図
（Ｂ）は接触式高周波電縫管溶接を示す。

図中、３ａは電磁誘導のためのワークコイル、３ｂ、３
ｃは接触通電のためのチップ（接触子）、２ａ、２ｂは
スクイズロール、ｌは溶接される管素材、Ｉｂ、ｌｃは
Ｖ字状ギャップを形成する縁部１ａは溶接点、３ｄは高
周波発振装置である。

ワークコイル３ａ又はチップ３ｔ）、３ｃはスクイズロ
ール２ａ、２ｂの前段部に配置されており、これらによ
り多段の成形ロール（図示省略）によって管素材ｌに作
られたＶ字状ギャップの対向する縁部１ｂ、ｌｃに高周
波電流ｉを流すと、対向する縁部１ｂ、１ｃが高周波電
流によって加熱され溶接点１ａにおいて最高温度に達す
るとともにスクイズロール２ａ、２ｂによって加圧溶接
される。

上述した電縫管溶接において、縁部（Ｖ字状ギャップ）
ｌｂ、ｌｃに流れる高周波電流ｉを制御する従来の入熱
制御方法として、いかに述べる種々の方法があった。す
なわち、 （１）オペレータの肉眼による溶接部の温度等の目視と
造管語の管の加工形状、ビート形状および機械破壊試験
等を併用して溶接投入電力のレベルをセットする方法、
いわゆる目視による制御方法。

（２）温度計で溶接部の温度を連続的に計測することに
よってオペレータの肉眼でセットした温度レベルを維持
調節すると共に造管後の管をチェックするいわゆる温度
計併用による制御方法。

（３）たとえば特開昭５９−２２０２８９号公報に開示
しているように、オペレータの肉眼と温度計による計測
結果のフィードバック制御に加えてさらに被加工物であ
る管素材１．板厚、移動速度。

スクイズロールによる加圧等による温度変化外乱要因を
別に検出してフィードフオアード制御することで投入電
力レベルを調節維持する方法および造管後の管のチェッ
クの併用。

（４）電縫管溶接においては、縁部への投入電力による
縁部１ｂ、１ｃの加熱状態に応じて溶接点ｌａでの溶接
現象に異なる溶接現象モードが見られることが知られて
いる。そしてこの溶接現象モードは大別して３種類のモ
ードに大きく分類することができる。

第４図（Ａ）〜（Ｄ）は溶接点１ａ近傍を上方から見た
拡大図であって代表的な４つの溶接現象モードを示して
いる。（Ａ）は第１のモードで投入電力が不足して縁部
１ｂ、１ｃの加熱が不充分な状態であり、縁部１ｂ、Ｉ
ｃは単純なＶ字状のまま溶接点１ａにて収束している。

（Ｂ）は投入電力が増加した第２のモードであってＶ字
状ギャップを形成する縁部１ｂ、ｌｃは（Ａ）にて見ら
れた収束点である溶接点１ａの手前の４ｂにて見かけ主
収束１，４ｂと溶接点１ａの間の縁部１ｂ。

ｌｃの間隙を溶融金属１ｅが運動しながら埋めている。

見かけ上の収束点４ｂには頻繁にアークが生じる。（Ｃ
）および（Ｄ）は更に投入電力が増加した第３のモード
であって縁部１ｂ、ｌ−ｃの見かけ上の収束点４ｃおよ
び４ｄは更に手前側に移動してこの見かけ上の収束点４
ｃおよび４ｄと溶接点１ａの間の距離が大きくなる。見
かけ上の収束点４ｃ、４ｄでは頻繁にアークが生じ、（
Ｃ）の状態では４ｃと溶接点１ａの間の縁部１ｂ、ＩＣ
の間隔を溶融金属１ｅが激しく運動しながら不安定な状
態で埋めているのに対して（Ｄ）の状態では見かけ上の
収束点４ｄと溶接点１ａの間の縁部１ｂ、１ｃの間隙を
溶融金属１ｅが埋めきれずに空隙Ｉｆが生じる。

（Ａ）の状態では投入電力の不足から縁部１ｂ。

１ｃの加熱、溶融が不充分なため溶接結果は好ましくな
い。また（Ｄ）の状態では投入電力が大きすぎるとこと
からオーバーヒートとなり溶接結果は同様に好ましくな
い。（Ｂ）および（Ｃ）の状態はそれらの中間で良好な
溶接結果が得られる範囲である。

このような溶接点における溶接現象モードを観察し、そ
の結果にもとづいて投入電力の制御を行う方法。

Ｄ１発明が解決しようとする問題点 上述した従来の入熱制御方法において、（１）の目視に
よる制御の場合には、高度の熟練度を必要とし、また（
２）の温度計併用による制御の場合には、溶接点１ａに
おける水膜や水蒸気の存在が正確な温度計側の妨げとな
ったり、管体ｌの板厚や移送速度の変動等の外乱の影響
を受けるという問題点があった。

更にまた、温度計側上での次のような問題点もあった。

すなわち、溶接点１ａ近傍における温度は一様ではなく
、アークや溶融金属の存在を含めて部位によって極めて
大きな温度差を示す。さらにその各部位や温度分布のパ
ターンが第４図（Ａ）〜（Ｄ）に示したように変化した
り管素材ｌの走行方向に移動したりする。

従って温度計のセツティングが難しいのみならず、温度
の分布やパターンが変化するのでどの部位の温度を主体
に計測している様態にあるかによって温度検出値そのも
のの持つ意味が変わり、検出値も変わってくる。従って
効果的な検出値を得て有効に制御に使用するには基本的
な難点を含んでいる。

さらにまた温度計としては水膜や水蒸気等の影響を比較
的に受けにくい等のことから２色温度計が通常使用され
ているが、アルミ系や銅系の管素材の電縫管溶接の場合
には溶接点の温度が鉄鋼系に比べて低く２色温度計がそ
の性能上有効に使用できないので、温度計によって溶接
部の温度を正確に計測することが難しいという問題点も
有った。

また前述の（３）項による入熱制御方法では、管素材の
搬送速度、板厚、スクイズロールによる加圧力の変動等
を検出してフィードフォワード制御を付加することで入
熱制御の精度は向上するものの（２）項の場合と同様に
溶接点の温度側上の問題点は残されたままである。

また前述の（４）項における入熱制御方法は、溶接点近
傍における溶接現象モードを観察して判断するものであ
って、溶接状態の適否を総合的に正確に判断するうえで
極めて有効な手段であると考えられているが、高速度カ
メラ等によるこの溶接現象モードの観察結果を作業者が
判断して、溶接条件の修正補助手段には使用されている
ものの、溶接点という微少部位でのパターン現象であり
高温で輝度が高いことや動的なパターン現象であること
などからこのパターン現象本情報信号として捕えて自動
的に正確な判断を行わせることの困難さなどから自動溶
接制御ラインにおける判断要素に直接組込んで、この溶
接現象モードの計測結果に基づいて自動溶接制御を行う
方法はいまだ実現されていなかった。従って、このよう
な電縫管溶接における従来の入熱制御方法はいずれも良
好な溶接結果を安定して得るうえでまだ充分なものでは
なかった。

Ｅ８問題点を解決するための手段 本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであって、
電縫管溶接において、その溶接状態（レベル）の総合的
な判断手段として最も有効であると考えられている溶接
点近傍での溶接現象モードにもとづていＶ字状ギャップ
の対向する縁部に供給する溶接電力を自動制御すること
を第一の特徴とし、更にこの溶接現象モードにもとづく
溶接電力の自動制御を可能にするための手段として溶接
点近傍での溶接現象モードを撮像手段により輝度レベル
および輝度分布として捕えることを第二の特徴とする。

溶接点近傍に対向して配設した撮像手段によりて溶接現
象モードを輝度レベルおよびその輝度レベルにもとづく
輝度分布（パターン）として捕え、その情報信号を画像
処理部に人力するとともに予め画像処理部内に記憶せし
めておいた基準の溶接現象モードにもとづく基準の輝度
レベルおよび輝度分布のうちの少なくともいづれかと比
較せしめることによって溶接状態が適正レベルに対して
どのようなレベルにあるかの判断を行わせる。

次に前記判断結果にもとづいく画像処理部からの出力信
号を信号補正部に入力して、ワークコイルまたは接触子
に電源部から供給する電力値を補正せしめることによっ
てＶ字状ギャップの対向する縁部に供給される溶接電力
を自動制御するものである。

または画像処理部からの出力信号を信号補正部に入力し
て溶接状態を表示したり警報を発するものである。

このように溶接点近傍での溶接現象モードを監視し、溶
接現象モードにもとづいて溶接電力の自動入熱制御を行
わせることによって常に補正状態（レベル）を維持して
管素材の電縫管溶接を行うものである。

Ｆ、実施例 以下に本発明の実施例を第１図〜第５図によって説明す
る。

第１図は本発明の実施例に係る電縫管溶接装置の入熱制
御方法およびその装置を示し、２０は電縫管溶接におけ
る溶接部位を側面より見たものである。第２図は溶接部
位２０を上方より見た平面図である。第１図および第２
図において、５はＣＣＤ素子を備えたカメラで、管素材
ｌの溶接点１３上に配設されている。６はカメラ５から
アナログ画像信号Ｓ１をディジタル画像信号Ｓ、に変換
するアナログ／ディジタル変換器、７はディジタル画像
信号Ｓ、を格納する画像メモリ、８は予め設定された画
像パターンを格納しておくための設定メモリ、９は演算
処理部（ＣＰＵ）で、画像メモリ７の画像メモリ信号Ｓ
３と設定信号Ｓ４をもとに演算処理して画像解析を行う
とともにその解析された画像の判定を行う。これらのＡ
／Ｄ変換器６゜画像メモリ７、設定メモリ８および演算
処理部（ＣＰＵ）９によって画像処理部ｌＯが構成され
、この画像処理部１０の処理信号をもとに種々の制御を
実行する。

１１は信号補正部で、ＣＰＵ９の判別信号Ｓ５に基づい
て適正な電気制御信号を得るものである。

すなわち、信号補正部１１は信号変換回路Ｉ２と信号制
御回路１３によって構成され、画像判別信号Ｓ、を電気
信号に変換し、該電器信号を修正する。信号制御回路１
３は加熱部であるワークコイル３ａへの供給電力設定信
号と変換回路Ｉ２の電気信号Ｓ３に基づいて電力制御信
号Ｓ７を出力する。

１４は電力制御部で、電力制御信号Ｓ７に基づいてワー
クコイル３に電力を供給する。１５は警報回路、１６は
表示部である。

第１図に示す装置の動作をさらに詳しく説明すると、ま
ず横×縦方向にｎＸｍ個のＣＣＤ素子を備えたカメラ５
は第４図（Ａ）〜（Ｄ）に代表例を示した溶接点の溶接
現象モード等を各ＣＣＤ素子ごとにその対応する位置の
輝度レベル（従って全体としては輝度分布パターン）と
してとらえ、スキャニングによる画像信号Ｓｌを出力す
る。画像信号Ｓ、は輝度信号であって、ｎＸｍ＠のＣＣ
Ｄ素子よりなるカメラ５の受光体からの電気信号である
。この電気信号は、Ａ／Ｄ変換器６によってディジタル
信号Ｓ２に変換された後、ｎＸｍ個の各画素ごとの輝度
Ｃｄ／Ｍ”を例えば１２８の段階のレベルに解析したデ
ィジタル量として画像メモリ７に格納される。画像メモ
リ７内の画像データＳ３はＣＰＵ９に人力される。ＣＰ
ｔＪ９は、画像データＳ３を受は入れ、第３図に示す、
横×縦方向にｎＸｍ個の各画素の輝度レベルに従って、
例えば第３図のパターンＰ、、Ｐ、に示すようにディジ
タル計測を行う。第３図の各パターンＰ、。

Ｐｇは各画素ごとの輝度分布をＸ、Ｙ軸方向の位置関係
で示したものである。

第３図に例示したパターンは溶接点１ａの近傍における
前記の第４図（Ｃ）に示した溶接現象モードに相当する
ものであって第３図におけるＰ。

で囲まれた部位は最も輝度レベルの高い部分でありで第
４図（Ｃ）の溶融金属１ｅに相当する。また第３図にお
けるＰ、の外側でＰ、で囲まれた部位は２番目に輝度レ
ベルの高い部分であって、第４図（Ｃ）の溶融金属１ｅ
の周囲の高温に加熱されたエツジ部１ｂ、Ｉｃに相当す
る。ＣＰＵ９は、一方で設定メモリ８に予め記憶してい
た基準値としての複数の溶接現象モードにもとづく基準
の輝度レベルおよび輝度分布データＳ４を受は入れ、画
像メモリ７からの信号Ｓ３にもとづく前記の第３図のパ
ターンを基準データｓ４と比較演算してその形状（輝度
分布）や輝度レベルから溶接状態が適正レベルに対して
どのようなレベルにあるかを判断することによってＶシ
ームを形成する対向エツジ部への投入電力の適否を判断
して画像識別信号Ｓ、を信号補正部１１に入力する。

なおＣＰＵ９において、カメラ５がとらえた溶接現象モ
ードにもとづく輝度レベルおよび輝度分布データ（Ｓ３
）を複数の基準データ（Ｓ４）と比較せしめるには、例
えば最も単純な方法の１例としては前記の第３図のパタ
ーンにおけるＰ、で囲まれた部分のＸ方向の長さを基準
データの基準長と比較することでよい。即ちこれによっ
て前記の第４図（Ａ）〜（Ｄ）における溶融金属１ｅの
存在する部位の長さから溶接状態（レベル）の適否を判
断することができる。

信号補正部１１においては、信号変換回路１２が、ＣＰ
Ｕ９からの画像判別信号Ｓ、を電気信号Ｓ、に変換する
と共に修正して信号制御回路１３゜警報回路１５および
表示部１６に入力する。信号制御回路１３は半号変換回
路１２の電気信号Ｓ８と電力設定基準信号を比較して電
力制御信号Ｓ７を電力制御部１４に入力する。電力制御
部１４は電力制御信号Ｓ７に応じてワークコイル３への
供給電力の電圧を調整する。

なお前記の画像処理部１０内のＣＰＵ９での比較判断処
理に際しての設定メモリ８に予め記憶せしめる基準値の
数を増やすほど高精度で溶接電力の補正を行うことがで
きる。または基準値の数をふやす代わりにリニアライザ
ーによる処理を行わせることによってもよい。

また第５図（Ａ）、（Ｂ）は第４図と同じく溶接点１ａ
近傍を上方から見た拡大図であって溶接現象モードを示
すとともに管体ｌのねじれ等のために対向する縁部１ｂ
、ｌｃや溶接点１ａがスクイズロール２ａおよび２ｂの
中間である中心線０−０から左または右方へずれている
。このようなずれが顕著になると左右の縁部１ｂ、ｌｃ
における加熱条件や溶接条件がアンバランスになり溶接
結果が不良となる。

前述のように溶接点近傍における溶接現象モードを輝度
レベルおよび輝度分布としてカメラ５によってとらえて
その出力情報Ｓｌを画面処理部ｌＯに入力して画面解析
を行う際にこのような溶接点１ａの左右へのずれもまた
前記の第３図における基準線（Ｘ）に対する画像のずれ
としてそのずれ量を識別することができる。従ってこの
ずれ量にもとづいて警報回路１５によって警告を発した
り表示部１６に表示したりまたは管体のねじれを修正す
るための信号を出してワークコイル３ａの前方にある図
示されていない成形ロール部を自動調整することによっ
て溶接点の左または右方へのずれを自動的に修正制御す
ることもできる。

同様にまた画像処理の結果から溶接点１ａにおける左右
の縁部１ｂ、１ｃの突合せ段差の有無や縁部の突合せ状
態の適否を識別１判断して警告を発したり表示したりま
たは自動修正制御を行うこともできる。

なおりメラでの撮像における溶接点付近での水や水蒸気
、スパッタ等の外乱要因の影響を避けるためには、上記
の画像処理において画素輝度の微分信号（輝度変化量）
を得るようにすれば、前記の外乱を除去して該外乱の影
響なしに測定、識別をすることができる。

上述の電縫管溶接装置の入熱制御方法および装置によれ
ば、制御応答速度として０．２秒以下の制御周期にて良
好な自動入熱制御を実現できると共に、溶接点における
温度計測に通常使用される２色温度計による温度の計測
が溶接温度が低いために困難であったアルミ系、銅系の
材料にも使用できる。また溶接点における溶接現象モー
ドは縁部への投入電力量のほかに管体の板厚の変動や移
送速度の変動などの要因をすべて含んだ総合的な結果と
しての溶接レベルに対応するものでこのような絶対的な
溶接レベルを直接計測することからより総合的に溶接条
件を制御することができ、溶後入熱制御および異常状態
の判別を従来よりはるかに総合的に精度よく行うことが
できるとともに安値に実施することが可能となり、電縫
管溶接における溶接品質の向上とシステムの自動化に寄
与できる。

Ｇ１発明の効果 本発明は電縫管溶接の際の溶接電力を適正値に自動制御
するものにおいて、前述のように被加工物である管素材
の板厚の変動や移送速度の変動等の外乱要因による影響
はすべて包含し、最終的な溶接レベルに直接的に対応す
る現象である溶接点近傍での溶接現象モードを輝度レベ
ルおよびその輝度分布としてとらえて画像処理を行うこ
とにより、この溶接現象モードにもとづく最も好ましい
溶接電力の自動入熱制御を行うようにしたものであるの
で、従来より高精度のかつ総合的な自動入熱制御を実施
することができると共に適確な異常警報および表示を行
うことができる。

従って常に最適溶接条件で高品質の電縫管溶接を実施で
きるので、安定して高品質の電縫管を製造できると共に
製品の歩留まりを向上できる効果が大きい。

また測定上の難点を有していた従来の温度計による溶接
点近傍の温度の計測手段やＶ字状ギャップの縁部を流れ
る高周波電流値の計測手段などおよびこれらの計測結果
にもとづくフィードフォワード制御手段等が不要となり
従ってまたこれらのための費用も不要になるという効果
がある。

本発明はさらにまた溶接点の温度が低いため、従来溶接
点近傍の温度計測にもとづく溶接電力の有効な自動制御
が難しく、このため従来正確な自動入熱制御を実施する
ことが難しかったアルミ系や銅系の管材の電縫管溶接に
も適用して溶接電力の自動入熱制御を高精度で行うこと
ができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電縫管溶接入熱制御装置のブロッ
ク図、第２図は電縫管溶接における溶接部位を示す平面
図、第３図は溶接部位における画像パターン図、第４図
（Ａ）〜（Ｄ）は溶接点近傍における溶接現象モードを
示す図、第５図（Ａ）、（Ｂ）は溶接状態の異常を示す
現象モード図、第６図（Ａ）は誘導式高周波電縫管溶接
を示す斜視図、第６図（Ｂ）は接触式高周波電縫管溶接
を示す斜視図である。 ｌ・・・管体、ｌａ・・・溶接点、ｌｂ、ｌｃ・・・縁
部、３ａ・・・ワークコイル、５・・・カメラ、６・・
・アナログ／ディジタル変換器、７・・・画像メモリ、
８・・・設定メモリ、９・・・演算処理部、ＩＯ・・・
画像処理部、ｌ■・・・信号補正部、１２・・・信号変
換回路、１３・・・信号制御回路、１４・・・電力制御
部、１５・・・警報回路、１６・・・表示部。 第４図 （Ｂ）　　　　　　（Ａ） （Ｄ）　　　　　　（Ｃ） 第５図 （Ａ） ｈ （Ｂ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）管素材をＶ字状ギャップを有する管状に成形し、
   該Ｖ字状ギャップの対向する縁部をその縁部同志が接合
   する溶接点で連続的に電気溶接する電縫管溶接の自動入
   熱制御方法において、撮像手段により前記溶接点近傍で
   の溶接現象モードを輝度レベルおよびその輝度分布とし
   ての画像信号として捕え、該画像信号を予め設定してお
   いた溶接点近傍での基準となる溶接現象モードにもとづ
   く基準の輝度レベルおよび輝度分布とのうちの少なくと
   もいづれかと比較して溶接状態の適否を判別するととも
   に、該判別結果にもとずいて溶接電力を制御することを
   特徴とする電縫管溶接の入熱制御方法。
2. （２）管素材をＶ字状ギャップを有する管状に成形し、
   該Ｖ字状ギャップの対向する縁部をその縁部同志の接合
   点で連続的に電気溶接する電縫管溶接装置において、 前記溶接点近傍での溶接現象モードを輝度レベルおよび
   その輝度分布として検出し画像信号を得る撮像手段と、 該撮像手段による画像信号と予め設定された溶接点近傍
   における基準の輝度レベルおよび輝度分布のうちの少な
   くともいづれかをもとに溶接状態の適否を判別する画像
   処理部と、 該画像処理部の判別信号を修正して電気信号に交換する
   とともに、該電気信号を溶接電力レベルに対する補正信
   号に交換して電源装置制御部に入力することを特徴とす
   る電縫管溶接の入熱制御装置。
3. （３）管素材をＶ字状ギャップを有する管状に成形し、
   該Ｖ字状ギャップの対向する縁部をその縁部同志の接合
   点で連続的に電気溶接する電縫管溶接装置において、 前記溶接点近傍での溶接現象モードを輝度レベルおよび
   その輝度分布として検出し画像信号を得る撮像手段と、 該撮像手段による画像信号と予め設定された溶接点近傍
   における基準の輝度レベルおよび輝度分布のうちの少な
   くともいづれかをもとに溶接状態の適否を判別する画像
   処理部と、 該画像処理部の判別信号を修正して電気信号に交換する
   とともに、該電気信号を表示回路に入力し、前記溶接状
   態を表示することを特徴とする電縫管溶接の入熱制御装
   置。
4. （４）管素材をＶ字状ギャップを有する管状に成形し、
   該Ｖ字状ギャップの対向する縁部をその縁部同志の接合
   点で連続的に電気溶接する電縫管溶接装置において、 前記溶接点近傍での溶接現象モードを輝度レベルおよび
   その輝度分布として検出し画像信号を得る撮像手段と、 該撮像手段による画像信号と予め設定された溶接点近傍
   における基準の輝度レベルおよび輝度分布のうちの少な
   くともいづれかをもとに溶接状態の適否を判別する画像
   処理部と、 該画像処理部の判別信号を修正して電気信号に交換する
   とともに、該電気信号を警報回路に入力し、前記溶接状
   態が適正状態を逸脱したとき警報を発するように構成し
   たことを特徴とする電縫管溶接の入熱制御装置。