JPWO2018087818A1 - 溶接監視装置及び溶接監視方法 - Google Patents

Abstract

帯状の金属板を搬送しながら円筒状に成形し、さらに前記金属板の両側縁をＶ字状に収束させながら互いに突き合わせて加熱溶融することによって電縫鋼管を製造する際に、前記金属板の前記Ｖ字状に収束するＶ字収束領域の溶接状態を監視する溶接監視装置である。この溶接監視装置は、前記Ｖ字収束領域を含む領域の画像を時系列に撮影する画像撮影手段と；前記時系列に撮影された前記画像に基づいて溶接点を抽出し、前記溶接点或いは前記溶接点の上流側における非定常アーキングの有無及び位置を検出する画像処理手段と；を備える。

Description

本発明は、電縫鋼管の溶接監視装置及び溶接監視方法に関する。

電縫鋼管は、以下の工程を経て製造される。すなわち、まず帯状の金属板をその長手方向に沿って搬送しながら、ロール群により連続的に円筒状に成形する。そして、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側縁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側縁を加熱溶融させて突き合わせることで溶接する。この電縫鋼管の溶接工程は、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。

例えば特許文献１には、溶接時に与える入熱量により、溶接個所の形態が、「第１種」、「第２種」、「遷移域」、または「第２’種」に変わることが示されている（図８参照）。そして、この特許文献１では、「前記鋼板の衝合する衝合点であるＶ字収束点（Ｖ１）と、鋼板内部からの溶鋼排出が始まる溶接点（Ｗ）との間に発生する溶接スリットを含む狭小領域をアーク検出領域として抽出するアーク検出領域抽出手段と、前記アーク検出領域で発生するアークを検出するアーク検出手段と」を備える電縫溶接操業管理装置を採用している。
この構成によれば、Ｖ字収束点よりも下流側において定常的に発生するアーク（以下、定常アークと呼ぶ）の発生頻度を求めることが可能としている。

さらに、この電縫溶接操業管理装置では、「前記アークの発生頻度を計測するアーク発生頻度計測手段と、前記アークの発生頻度が規定値以上であるか否かに基づいてその溶接現象を判定する溶接現象判定手段を有する」構成を採用している。
この構成によれば、定常アークの発生頻度に基づいて、Ｖ字収束点よりも下流における定常アークの形態を把握し、もって適切な入熱量制御を行うものとしている。

日本国特開２０１６−７８０５６号公報

上記特許文献１に記載の技術によれば、Ｖ字収束点よりも下流における溶接状態を適切なものとすることができるが、溶接個所の品質向上の観点より更なる改良が求められている。
例えば、高周波電縫溶接は、溶接部における鋼材エッジの近接効果と表皮効果とを利用し、溶接面に電流を集中させて効率的に溶接する技術であるが、高周波電縫溶接を行う際、鋼材エッジに大電流を流すため、鋼材エッジの周辺には強力な電磁場が形成される。この電磁場は溶接点（Ｖ点）で最大となるため、周囲に磁性体があると溶接点に飛び込みやすい。

電縫鋼管の材料は、しばしば、熱間圧延時に生成したスケールが付着したままの鋼板であり、成形の過程やフィンパスロールでスケールが表層から剥離する。特にフィンパスロールでは溶接面を削ることで新生面を形成できる一方、スケールや鉄粉を生じさせることがある。また表層にスケールが殆ど付着していない酸洗材でも同様に鉄粉を生じさせる可能性がある。このようにして剥離したスケール或いは削られたスケール粉や鉄粉などが異物として溶接部に噛込まれる現象が発生することがある。この場合、異物のサイズがある程度大きいと、アプセットするまでに溶融せず固体のまま溶接面に残留し、排出されずに欠陥となる可能性がある。こうした欠陥発生の頻度は高くないものの、溶接部の靭性を低下させ、加工時の割れ原因となるため、異物サイズの大小に関わらず、造管中に検出することが強く望まれる。

しかしながら、特許文献１に開示の技術においては、溶接点（Ｖ点）よりも下流側における定常アークの発生頻度を求め、溶接の入熱状態を把握するものであるため、異物の噛込みによる欠陥発生については対策が講じられていなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、電縫鋼管の溶接工程において、スケール粉や鉄粉などの異物の飛び込みによる比較的軽度な噛込み欠陥をもリアルタイムで検出ができる、溶接監視装置及び溶接監視方法の提供を目的とする。

本発明者らは、上記の課題に応えるために、まず、対象欠陥の分析を行った。図１Ａ及び図１Ｂは、電縫鋼管を、その欠陥発生部位の溶接部が鉛直方向から９０°位置になるよう設置し、そして鉛直方向に圧下する扁平試験を行った結果であり、図１Ａが割れた破面の外観写真を示し、図１ＢがＳＥＭで撮影した二次電子像を示す。図１Ａに示すように、対象とする欠陥は、割れの中心位置に、板厚方向に延びた幅数ｍｍ以下の細長い黒すじ模様が存在するという特徴がある。図１Ｂに示す二次電子像でも、黒すじ部と周辺部との境界が顕在化しており、周辺部において低入熱時に特徴的に発生するディンプル破面が確認された。以上の扁平試験結果より、周辺部を抜熱するような、溶接時の溶接面よりも低温の異物が噛込んだことにより欠陥が生じたと推察された。

さらに、図２Ａ及び図２Ｂに、前記黒すじ部のＳＥＭ分析結果を示す。黒すじ部を拡大した図２Ａ中の部位３をＳＥＭにより成分分析した結果、図２Ｂに示すように鉄と酸素のピークが顕著である一方、両元素以外はほぼノイズレベルであったことから、黒すじ部の成分が酸化鉄であることが分かった。複数箇所を分析したところ、黒すじ部内にはこのような酸化鉄の微小な塊が散在しており、全体的に高濃度になっていた。従って、本欠陥は、酸化鉄（スケール）を噛込んだか、或いは鉄粉を噛込んで溶接面で酸化したことに起因すると判断された。

こうした欠陥がどのような噛込み過程を経て発生するのかについては、これまで明確ではなかった。そこで、スケール或いは鉄粉を用いて溶接時の欠陥を人為的に発生させる実験を行った。この時、溶接部上方に設置したカメラで溶接部を周期的に撮影し、扁平試験による割れ（すなわち欠陥発生部位）とのつき合わせを行った。その結果、異物が溶接面に付着したまま溶接点上流側から運ばれてきて噛込まれる可能性があること、さらには異物の噛込み時に溶接面同士（エッジ同士）が近接すると両エッジ間が短絡してアーキング（以下、非定常アーキングと呼ぶ）が発生することを発見した。そこで、本発明者らは、この非定常アーキングが、溶接点或いはそれよりも上流側で発生するという特徴を利用し、これを自動検出する画像処理法を発明した。

すなわち、本発明は以下の各態様を提供する。
（１）本発明の一態様は、帯状の金属板を搬送しながら円筒状に成形し、さらに前記金属板の両側縁をＶ字状に収束させながら互いに突き合わせて加熱溶融することによって電縫鋼管を製造する際に、前記金属板の前記Ｖ字状に収束するＶ字収束領域の溶接状態を監視する溶接監視装置であって、前記Ｖ字収束領域を含む領域の画像を時系列に撮影する画像撮影手段と；前記時系列に撮影された前記画像に基づいて溶接点を抽出し、前記溶接点或いは前記溶接点の上流側における非定常アーキングの有無及び位置を検出する画像処理手段と；を備える。
（２）上記（１）に記載の態様では、以下のように構成してもよい：前記画像撮影手段が撮影する前記画像がＲＧＢ画像であり；前記画像処理手段が、前記ＲＧＢ画像から赤色画像及び青色画像の少なくとも一方を抽出し、前記赤色画像に対しては、前記赤色画像の反転２値化及びラベリング処理を施し、前記青色画像に対しては、前記青色画像中の高輝度部位を検出する。
（３）上記（１）または（２）に記載の態様では、前記画像撮影手段が、毎秒２００フレーム以上のカメラであってもよい。

（４）また、本発明の他の態様は、帯状の金属板を搬送しながら円筒状に成形し、さらに前記金属板の両側縁をＶ字状に収束させながら互いに突き合わせて加熱溶融することによって電縫鋼管を製造する際に、前記金属板の前記Ｖ字状に収束するＶ字収束領域の溶接状態を監視する溶接監視方法であって、前記Ｖ字収束領域を含む領域の画像を時系列に撮影する撮影工程と；前記時系列に撮影された前記画像に基づいて溶接点を抽出し、前記溶接点或いは前記溶接点の上流側における非定常アーキングの有無及び位置を検出する検出工程と；を有する。
（５）上記（４）に記載の態様では、以下のようにしてもよい：前記画像としてＲＧＢ画像を用い；前記検出工程で、前記ＲＧＢ画像から赤色画像及び青色画像の少なくとも一方を抽出し、前記赤色画像に対しては、前記赤色画像の反転２値化及びラベリング処理を施し、前記青色画像に対しては、前記青色画像中の高輝度部位を検出する。
（６）上記（４）または（５）に記載の態様では、前記撮影工程で、毎秒２００フレーム以上のフレームレートで撮像してもよい。

（７）上記（４）〜（６）の何れか一項に記載の態様で、前記電縫鋼管の、長手方向における前記非定常アーキングの前記位置をマーキングするマーキング工程をさらに有してもよい。
（８）上記（７）に記載の場合、前記マーキングを付した部位に超音波テストを行う不具合有無特定工程をさらに有してもよい。
（９）上記（４）〜（６）の何れか一項に記載の態様で、前記電縫鋼管の、長手方向における前記非定常アーキングの前記位置を追跡するトラッキング工程をさらに有してもよい。

尚、前記画像撮影手段及び前記撮影工程において用いるカメラとしては、モノクロカメラ、カラーカメラいずれも用いることが可能であるが、上記（２）及び上記（５）の態様を採用する場合には、色分解をして溶鋼からの自発光と非定常アーキングとを高コントラストで識別できるカラーカメラを用いることが好ましい。

本発明の上記各態様に係る溶接監視装置及び溶接監視方法によれば、溶接面に異物が噛込んで発生する欠陥を、比較的軽度なものも含めて検出することが可能になる。そして、この検出情報を、電縫鋼管の製造工程においてトラッキングするか、或いは、欠陥検出直後に鋼管自体にマーキングすることもできる。この場合、欠陥部位を製品から的確に除去し、噛込み欠陥のない正常な部位のみを製品として出荷することが可能となる。

対象欠陥の外観写真を示す写真である。 対象欠陥の二次電子像を示す写真である。 対象欠陥に対してＳＥＭによる定性分析を行った一例を示す図であって、ＳＥＭ反射電子像の写真である。 対象欠陥に対してＳＥＭによる定性分析を行った一例を示す図であって、図２Ａの部位３をＳＥＭにより成分分析した結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る溶接監視装置及び溶接監視方法を適用した、電縫鋼管溶接装置を示す斜視図である。 同溶接監視装置及び同溶接監視方法によって欠陥発生を検出する画像処理アルゴリズムのフローチャートである。 欠陥発生を検出する画像処理過程の画像例を示す写真であり、（ａ）が撮影画像、（ｂ）が溶接点検出、（ｃ）が青色成分検出、（ｄ）が高輝度部位の検出、を示す。 欠陥発生時の溶接部の状態を撮影した写真である。 欠陥発生位置と扁平試験で割れが発生した部位とをつき合せた一例を示す図であって、（ａ）が扁平試験後に確認した実疵部位とその外観写真を示し、（ｂ）が非定常アーキングが発生した部位と画像とのつき合わせを示す。 従来の溶接監視方法の一例を説明する図であって、溶接個所における、「第１種」、「第２種」、「遷移域」、及び「第２’種」の各溶接現象を示す図である。

本発明の電縫鋼管の溶接監視装置及び溶接監視方法の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明を行う。
図３に、同溶接監視装置及び同溶接監視方法を適用した、電縫鋼管溶接装置の斜視図を示す。同電縫鋼管溶接装置は、帯状の金属板１をその長手方向に沿って搬送しながら円筒状に成形し、さらに金属板１の両側縁（エッジ）１ａ，１ｂを平面視してＶ字状に収束させながら互いに突き合わせて加熱溶融することによって電縫鋼管を製造する装置である。なお、図３に示す符合３は、Ｖ字状に収束した両側縁１ａ，１ｂが互いに突き合わされて加熱溶融するＶ字収束点である。この図３において、金属板（鋼板）１は紙面手前側より紙面奥側に向かってその長手方向に沿って進行するので、Ｖ字収束点３を基準とした場合、紙面手前側が上流側となり、紙面奥側が下流側となる。
本実施形態の溶接監視装置は、電縫鋼管を製造する際に、金属板１のＶ字状に収束するＶ字収束領域の溶接状態を監視する。

図３における符号４ａ、４ｂは、Ｖ収束点３に向かう金属板１の周方向の両側縁１ａ、１ｂの付近に接触するように配置された一対のコンタクトチップである。また、図３の符号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であり、符号６はコンタクトチップ４ａ、４ｂのそれぞれ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の周方向の両側縁１ａ、１ｂの延在方向に沿って矢印のように流れ、そして高周波抵抗により金属板１の両側縁１ａ、１ｂを加熱溶融する。この高周波電流により、従来と同様に入熱制御が行われている。加熱溶融された金属板１の両側縁１ａ、１ｂは、Ｖ収束点３の付近で一対のスクイズロール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を用いる高周波抵抗溶接の代りに、誘導コイルを用いて加熱する、誘導加熱方式の溶接も採用可能である。

このように加熱溶融された金属板１の両側縁１ａ、１ｂに、スクイズロール２，２による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、優れた溶接品質が得られる。しかし、前述の通り、溶接面に異物が噛込むと溶接面の強度が低下し、鋼管の加工時や鋼管に内圧がかかったときに割れる可能性が高くなる。
本実施形態の溶接監視装置は、従来では監視できなかった軽度のものも含む噛込み欠陥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とを備える。この溶接監視装置によれば、溶接部あるいは溶接部よりも上流側で生じた非定常アーキング（異物混入アーキング）を検出し、もって電縫鋼管における欠陥部位を特定可能としている。なお、非定常アーキングは、以下の点において前述の定常アーキングとは異なる。すなわち、定常アーキングは溶接部（Ｖ字収束点３）よりも下流側で生じる一方、非定常アーキングは溶接部（Ｖ字収束点３）及び溶接部（Ｖ字収束点３）よりも上流側において発生する。また、定常アーキングは電縫鋼管を形成する際に一対の端縁（エッジ）同士間で発生するためその結果として生じる溶接部位の材質が金属板１の母材質と等しい。これに対し、非定常アーキングの場合は酸化鉄（スケール）や鉄粉等の異物により生じるものであるため、溶接部位の材質が金属板１の母材質と異なる。

画像撮影手段７は、金属板１の両側縁１ａ，１ｂがＶ字状に収束するＶ字収束領域を含む領域の表面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。画像撮影装置は、溶接部（Ｖ字収束点３）及び溶接部（Ｖ字収束点３）よりも上流側を含む範囲をその上方より撮影できるよう、溶接部（Ｖ字収束点３）の上方に配置されている。このような上方配置を採用することで、例えば小径ラインに適用した場合であっても、他の設備（窒素パージノズルや冷却水配管など）と干渉せずに無理なく設置可能としている。
金属板１はその両側縁１ａ、１ｂが集中的に加熱溶融されるため、両側縁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。

画像撮影手段７と画像処理手段８とを用いて自動検出するための画像処理アルゴリズムを図４に示す。また、処理した画像例を図５の（ａ）〜（ｄ）に示す。
図４のステップＳ１において撮影したＲＧＢ画像（図５の（ａ）参照）から赤色成分及び青色成分の少なくとも一方を抽出する（図４では双方を抽出する場合を例示している）。
ステップＳ２に示す赤色成分抽出においては、赤色画像で溶接点を求めるために反転２値化（ステップＳ３）とラベリング処理（ステップＳ４）とを施し、鋼材エッジ（両側縁１ａ、１ｂ）で挟まれたくさび型の領域の最下流点を溶接点とする（ステップＳ５。図５の（ｂ）も参照）。
一方、ステップＳ６に示す青色成分抽出においては、青色画像に対して２値化（ステップＳ７。図５の（ｃ）も参照）とラベリング処理（ステップＳ８）とを施し、高輝度部位を検出する（ステップＳ９。図５の（ｄ）も参照）。溶鋼の輻射パターンを撮影した本画像では、青色成分のレベルは低いが、非定常アーキングが存在する場合は高輝度となって検出できる。ここで高輝度とは、２５５階調のうち例えば２００レベル以上のことを指す。この高輝度部位をラベリング処理（前記ステップＳ８）し、位置情報を導出する。尚、ラベリング処理とは、２値画像で一つの固まり（ブロッブ）に同一のラベル番号をつけて特定のブロッブを抽出し、画像内におけるブロッブの位置（Ｘ座標の最大点及び最小点、Ｙ座標の最大点及び最小点）や幅、長さ、面積等を抽出する処理を示す。複数の非定常アーキング部位が存在してもそれぞれの位置情報を導出可能である。
このようにして得られた溶接点と高輝度部位の位置をステップＳ１０で比較し、高輝度部位の位置が溶接点よりも下流側でなければ（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、非定常アーキング部位発生として欠陥発生の判定を行い（ステップＳ１１）、ステップＳ１に戻る。一方、高輝度部位の位置が溶接点よりも下流側であれば（ステップＳ１０：ＮＯ）、正常と判定し（ステップＳ１２）、続いて処理をステップＳ１に戻す。
以上により、常時、欠陥判定が可能となった。尚、ここでは非定常アーキング部位を高コントラストで検出するために青色成分画像を抽出して処理したが、非定常アーキング部位は高い確率で赤色成分画像でも飽和（２５５階調のうち２５５レベル）するため、赤色成分のみでも検出可能である。

撮影に際しては毎秒２００フレーム以上のカメラを用いると、非定常アーキング部位の検出に漏れがないことが実験的に分かっていることから、ステップＳ１の撮影では、毎秒２００フレーム以上のカメラを用いることが好ましい。
以下に本発明の実施例を示す。

実際の製造ラインにおいて、溶接部の連続的な撮影と画像処理とを行いながら溶接点位置を測定した。溶接監視対象としたパイプはφ１００ｍｍ×４ｍｍｔの実管であり、撮像に用いたカメラにおいては、２００フレーム／秒、露光時間を１／１００００秒と設定した。
溶接監視の一例を、図６に示す。図６に示す欠陥発生時の画像では、一対の溶接面同士（エッジ同士）が近接した時に、前記異物がスケールや鉄粉といった導電性を有するために溶接面間が短絡し、非定常アーキングを起こしている。尚、異物が付着していない場所では、近接時も非定常アーキングが発生せず、欠陥も発生しないことが確認できている。

この現象と欠陥発生とをつき合わせた一例を図７の（ａ）及び（ｂ）に示す。
図７の（ａ）では、扁平試験後に割れが発生した実疵部位と、これら実疵部位のそれぞれに対応する外観写真とを示す。鋼管先頭から０．２４ｍ、１．９３ｍ、２．５１ｍの３箇所に割れが発生したことが分かる。尚、１．１７ｍ位置にある「切り欠き」は、トラッキングのためのマーカーとして予めエッジに切り欠きを入れた部位を示している。このマーカーは、実管の長手方向に沿った位置特定のための基準位置として用いられる。
図７の（ｂ）は、撮影画像のうち、溶接点或いはそれよりも上流側で非定常アーキングが発生した部位の画像と、対応する部位とをつき合わせて示したものである。図示はしていないが、前記マーカーの画像も確認できており、それぞれの発生部位は扁平割れ部位と非常によく対応していることが分かる。対応部位以外の画像は非定常アーキングや他の異常もなく正常であることから、欠陥発生には非定常アーキングを伴うことが実証された。

上述した実施形態に係る溶接監視装置及び溶接監視方法の骨子を以下に纏める。
（１）本実施形態の溶接監視装置は、帯状の金属板１をその長手方向に沿って搬送しながら円筒状に成形し、さらに前記金属板１の両側縁１ａ，１ｂをＶ字状に収束させながら互いに突き合わせて加熱溶融することによって電縫鋼管を製造する際に、前記金属板１の前記Ｖ字状に収束するＶ字収束領域の溶接状態を監視する。そして、この溶接監視装置は、前記Ｖ字収束領域を含む領域の画像を時系列に撮影する画像撮影手段７と；前記時系列に撮影された前記画像に基づいて溶接点を抽出し、前記溶接点或いは前記溶接点の上流側における非定常アーキングの有無及び位置を検出する画像処理手段８と；を備える。

（２）上記（１）に記載の溶接監視装置で、以下のように構成されている：前記画像撮影手段７が撮影する前記画像がＲＧＢ画像であり；前記画像処理手段８が、前記ＲＧＢ画像から赤色画像及び青色画像の少なくとも一方を抽出し、前記赤色画像に対しては、前記赤色画像の反転２値化及びラベリング処理を施し、前記青色画像に対しては、前記青色画像中の高輝度部位を検出する。
（３）上記（１）または（２）に記載の態様では、前記画像撮影手段が、毎秒２００フレーム以上のカメラである。

（４）また、本実施形態の溶接監視方法は、帯状の金属板１をその長手方向に沿って搬送しながら円筒状に成形し、さらに前記金属板１の両側縁１ａ，１ｂをＶ字状に収束させながら互いに突き合わせて加熱溶融することによって電縫鋼管を製造する際に、前記金属板１の前記Ｖ字状に収束するＶ字収束領域の溶接状態を監視する。この溶接監視方法は、前記Ｖ字収束領域を含む領域の画像を時系列に撮影する撮影工程と；前記時系列に撮影された前記画像に基づいて溶接点を抽出し、前記溶接点或いは前記溶接点の上流側における非定常アーキングの有無及び位置を検出する検出工程と；を有する。

（５）上記（４）に記載の溶接監視方法で、以下のことを行う：前記画像としてＲＧＢ画像を用い；前記検出工程で、前記ＲＧＢ画像から赤色画像及び青色画像の少なくとも一方を抽出し、前記赤色画像に対しては、前記赤色画像の反転２値化及びラベリング処理を施し、前記青色画像に対しては、前記青色画像中の高輝度部位を検出する。
（６）上記（４）または（５）に記載の溶接監視方法おいて、前記撮影工程で、毎秒２００フレーム以上のフレームレートで撮像する。

さらに、下記（７）及び（８）、又は、下記（９）に記載の工程を行うことができる。
（７）上記（４）〜（６）の何れか一項に記載の溶接監視方法おいて、前記電縫鋼管の、長手方向における前記非定常アーキングの前記位置をマーキングするマーキング工程をさらに有する。
（８）上記（７）に記載の溶接監視方法おいて、前記マーキングを付した部位に超音波テストを行う不具合有無特定工程をさらに有する。
（９）上記（４）〜（６）の何れか一項に記載の態様で、前記電縫鋼管の、長手方向における前記非定常アーキングの前記位置を追跡するトラッキング工程をさらに有する。

以上説明の溶接監視装置及び溶接監視方法によれば、溶接点を抽出し、溶接点近傍或いは溶接点よりも上流側における非定常アーキング発生有無を自動判定することで、噛込み欠陥有無をリアルタイムで容易に検出できる。そして、非定常アーキング発生有無の情報に基づいて製品トラッキングするか或いは非定常アーキング検出直後にスクイズロール２の近傍で鋼管にマーキングすることにより、欠陥発生部位の位置を明示して精製工程で容易に除去できる。そのため、欠陥を含まない正常な部位のみを製品として出荷できる。

本発明によれば、電縫鋼管の溶接工程において、スケール粉や鉄粉などの異物の飛び込みによる比較的軽度な噛込み欠陥をもリアルタイムで検出ができる、溶接監視装置及び溶接監視方法を提供できる。

１：金属板
１ａ、１ｂ：金属板の両側縁
２：スクイズロール
３：溶接点
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

こうした欠陥がどのような噛込み過程を経て発生するのかについては、これまで明確ではなかった。そこで、スケール或いは鉄粉を用いて溶接時の欠陥を人為的に発生させる実験を行った。この時、溶接点上方に設置したカメラで溶接点を周期的に撮影し、扁平試験による割れ（すなわち欠陥発生部位）とのつき合わせを行った。その結果、異物が溶接面に付着したまま溶接点上流側から運ばれてきて噛込まれる可能性があること、さらには異物の噛込み時に溶接面同士（エッジ同士）が近接すると両エッジ間が短絡してアーキング（以下、非定常アーキングと呼ぶ）が発生することを発見した。そこで、本発明者らは、この非定常アーキングが、溶接点或いはそれよりも上流側で発生するという特徴を利用し、これを自動検出する画像処理法を発明した。

すなわち、本発明は以下の各態様を提供する。
（１）本発明の一態様は、帯状の金属板を搬送しながら円筒状に成形し、さらに前記金属板の両側縁をＶ字状に収束させながら互いに突き合わせて加熱溶融することによって電縫鋼管を製造する際に、前記金属板の前記Ｖ字状に収束するＶ字収束領域の溶接状態を監視する溶接監視装置であって、前記Ｖ字収束領域を含む領域の画像を時系列に撮影する画像撮影手段と；前記時系列に撮影された前記画像に基づいて、前記金属板の両側縁が互いに突き合わされたＶ字収束点を抽出し、前記Ｖ字収束点及び前記Ｖ字収束点の上流側において発生するアーキングである非定常アーキングの有無及び位置を検出する画像処理手段と；を備える。
（２）上記（１）に記載の態様では、以下のように構成してもよい：前記画像撮影手段が撮影する前記画像がＲＧＢ画像であり；前記画像処理手段が、前記ＲＧＢ画像から赤色画像及び青色画像の少なくとも一方を抽出し、前記赤色画像に対しては、前記赤色画像の反転２値化及びラベリング処理を施し、前記赤色画像中の前記Ｖ字収束点を検出し、前記青色画像に対しては、前記青色画像の２値化及びラベリング処理を施し、前記青色画像中の高輝度部位を検出し、前記Ｖ字収束点と前記高輝度部位の位置を比較し、前記高輝度部位の位置が前記Ｖ字収束点の位置よりも上流側であるか否かを判定する。
（３）上記（１）または（２）に記載の態様では、前記画像撮影手段が、毎秒２００フレーム以上のカメラであってもよい。

（４）また、本発明の他の態様は、帯状の金属板を搬送しながら円筒状に成形し、さらに前記金属板の両側縁をＶ字状に収束させながら互いに突き合わせて加熱溶融することによって電縫鋼管を製造する際に、前記金属板の前記Ｖ字状に収束するＶ字収束領域の溶接状態を監視する溶接監視方法であって、前記Ｖ字収束領域を含む領域の画像を時系列に撮影する撮影工程と；前記時系列に撮影された前記画像に基づいて、前記金属板の両側縁が互いに突き合わされたＶ字収束点を抽出し、前記Ｖ字収束点及び前記Ｖ字収束点の上流側において発生するアーキングである非定常アーキングの有無及び位置を検出する検出工程と；を有する。
（５）上記（４）に記載の態様では、以下のようにしてもよい：前記画像としてＲＧＢ画像を用い；前記検出工程で、前記ＲＧＢ画像から赤色画像及び青色画像の少なくとも一方を抽出し、前記赤色画像に対しては、前記赤色画像の反転２値化及びラベリング処理を施し、前記赤色画像中の前記Ｖ字収束点を検出し、前記青色画像に対しては、前記青色画像の２値化及びラベリング処理を施し、前記青色画像中の高輝度部位を検出し、前記Ｖ字収束点と前記高輝度部位の位置を比較し、前記高輝度部位の位置が前記Ｖ字収束点の位置よりも上流側であるか否かを判定する。
（６）上記（４）または（５）に記載の態様では、前記撮影工程で、毎秒２００フレーム以上のフレームレートで撮像してもよい。

このように加熱溶融された金属板１の両側縁１ａ、１ｂに、スクイズロール２，２による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、優れた溶接品質が得られる。しかし、前述の通り、溶接面に異物が噛込むと溶接面の強度が低下し、鋼管の加工時や鋼管に内圧がかかったときに割れる可能性が高くなる。
本実施形態の溶接監視装置は、従来では監視できなかった軽度のものも含む噛込み欠陥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とを備える。この溶接監視装置によれば、溶接点あるいは溶接点よりも上流側で生じた非定常アーキング（異物混入アーキング）を検出し、もって電縫鋼管における欠陥部位を特定可能としている。なお、非定常アーキングは、以下の点において前述の定常アーキングとは異なる。すなわち、定常アーキングは溶接点（Ｖ字収束点３）よりも下流側で生じる一方、非定常アーキングは溶接点（Ｖ字収束点３）及び溶接点（Ｖ字収束点３）よりも上流側において発生する。また、定常アーキングは電縫鋼管を形成する際に一対の端縁（エッジ）同士間で発生するためその結果として生じる溶接部位の材質が金属板１の母材質と等しい。これに対し、非定常アーキングの場合は酸化鉄（スケール）や鉄粉等の異物により生じるものであるため、溶接部位の材質が金属板１の母材質と異なる。

画像撮影手段７は、金属板１の両側縁１ａ，１ｂがＶ字状に収束するＶ字収束領域を含む領域の表面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。画像撮影装置は、溶接点（Ｖ字収束点３）及び溶接点（Ｖ字収束点３）よりも上流側を含む範囲をその上方より撮影できるよう、溶接点（Ｖ字収束点３）の上方に配置されている。このような上方配置を採用することで、例えば小径ラインに適用した場合であっても、他の設備（窒素パージノズルや冷却水配管など）と干渉せずに無理なく設置可能としている。
金属板１はその両側縁１ａ、１ｂが集中的に加熱溶融されるため、両側縁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。

実際の製造ラインにおいて、溶接点の連続的な撮影と画像処理とを行いながら溶接点位置を測定した。溶接監視対象としたパイプはφ１００ｍｍ×４ｍｍｔの実管であり、撮像に用いたカメラにおいては、２００フレーム／秒、露光時間を１／１００００秒と設定した。
溶接監視の一例を、図６に示す。図６に示す欠陥発生時の画像では、一対の溶接面同士（エッジ同士）が近接した時に、前記異物がスケールや鉄粉といった導電性を有するために溶接面間が短絡し、非定常アーキングを起こしている。尚、異物が付着していない場所では、近接時も非定常アーキングが発生せず、欠陥も発生しないことが確認できている。

Claims (9)

1. 帯状の金属板を搬送しながら円筒状に成形し、さらに前記金属板の両側縁をＶ字状に収束させながら互いに突き合わせて加熱溶融することによって電縫鋼管を製造する際に、前記金属板の前記Ｖ字状に収束するＶ字収束領域の溶接状態を監視する溶接監視装置であって、
   前記Ｖ字収束領域を含む領域の画像を時系列に撮影する画像撮影手段と；
   前記時系列に撮影された前記画像に基づいて溶接点を抽出し、前記溶接点或いは前記溶接点の上流側における非定常アーキングの有無及び位置を検出する画像処理手段と；
   を備えることを特徴とする溶接監視装置。
2. 前記画像撮影手段が撮影する前記画像がＲＧＢ画像であり；
   前記画像処理手段が、
   前記ＲＧＢ画像から赤色画像及び青色画像の少なくとも一方を抽出し、
   前記赤色画像に対しては、前記赤色画像の反転２値化及びラベリング処理を施し、
   前記青色画像に対しては、前記青色画像中の高輝度部位を検出する；
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接監視装置。
3. 前記画像撮影手段が、毎秒２００フレーム以上のカメラである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の溶接監視装置。
4. 帯状の金属板を搬送しながら円筒状に成形し、さらに前記金属板の両側縁をＶ字状に収束させながら互いに突き合わせて加熱溶融することによって電縫鋼管を製造する際に、前記金属板の前記Ｖ字状に収束するＶ字収束領域の溶接状態を監視する溶接監視方法であって、
   前記Ｖ字収束領域を含む領域の画像を時系列に撮影する撮影工程と；
   前記時系列に撮影された前記画像に基づいて溶接点を抽出し、前記溶接点或いは前記溶接点の上流側における非定常アーキングの有無及び位置を検出する検出工程と；
   を有することを特徴とする溶接監視方法。
5. 前記画像としてＲＧＢ画像を用い；
   前記検出工程で、
   前記ＲＧＢ画像から赤色画像及び青色画像の少なくとも一方を抽出し、
   前記赤色画像に対しては、前記赤色画像の反転２値化及びラベリング処理を施し、
   前記青色画像に対しては、前記青色画像中の高輝度部位を検出する；
   ことを特徴とする請求項４に記載の溶接監視方法。
6. 前記撮影工程で、毎秒２００フレーム以上のフレームレートで撮像する
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の溶接監視方法。
7. 前記電縫鋼管の、長手方向における前記非定常アーキングの前記位置をマーキングするマーキング工程をさらに有する
   ことを特徴とする請求項４〜６の何れか一項に記載の溶接監視方法。
8. 前記マーキングを付した部位に超音波テストを行う不具合有無特定工程をさらに有する
   ことを特徴とする請求項７に記載の溶接監視方法。
9. 前記電縫鋼管の、長手方向における前記非定常アーキングの前記位置を追跡するトラッキング工程をさらに有する
   ことを特徴とする請求項４〜６の何れか一項に記載の溶接監視方法。