JP6745655B2 - 電縫鋼管の溶接監視装置及び溶接監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、電縫鋼管の溶接面にスケールや鉄粉などの異物が噛込むことによって発生する欠陥をリアルタイムで検出する監視方法及び監視装置に関するものである。

従来から、高周波抵抗溶接（高周波電縫溶接）を利用して形成された鋼管である電縫鋼管が知られている。鋼管の材料はしばしば黒皮材と呼ばれる表層にスケールが成長した熱延鋼板が用いられ、成形の過程やフィンパスロールなどで当該熱延鋼板表層のスケールが剥離する。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作る作用がある一方、当該熱延鋼板表層のスケールや鋼板自体の鉄粉の剥離を生じさせる。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冷却水に混入すると、巡り巡ってスケール粉や鉄粉などが溶接部に噛込む現象が発生することがある。この場合、これら異物のサイズがある程度大きいと、アプセット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。こうした欠陥は、溶接部の靭性を低下させるだけでなく、加工時及び加工後の割れ原因にもなるため、造管中に検出することが強く望まれている。そこで、特許文献１には、このような欠陥を検出することを目的とした技術が提案されている。しかしながら、特許文献１に記載の方法では、ビード部の発光輝度を著しく低下させるくらい多量のスケールが混在しているような状況でないと、その検出は困難であった。

一方、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を利用し、溶接面に電流を集中させて効率的に溶接する工程である。高周波電縫溶接では、鋼材エッジに大電流を流すため、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環境になっている。

特開２０１１−０３６８９２号公報

ところで、こうした欠陥がどのような噛込み過程を経て発生するか、これまで明確ではなかった。そこで今回、スケール或いは鉄粉を混入させた冷却水をフィンパスやワークコイルに振りかけることで現象を人為的に発生させる実験を行った。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つき合わせを行った結果、「冷却水に混入した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噛込まれる可能性がある。」という知見が得られた。

また、発明者らが、ボアスコープ或いは高倍率レンズを用いて溶接面を直接撮影しながら人為的なスケール噛込み実験を行った結果、上流側から異物が運ばれ、溶接面に噛込む過程が観察でき、スケールの多寡や噛込み側（外面／中心／内面）によって見え方が異なることが明らかになった。しかし、いずれも溶接面の衝合位置（溶接線）に収束する傾向があり、溶接線部の輝度が著しく低下することが分かった。

本発明は、このような経緯でなされた発明であり、スケールや鉄粉などの異物が溶接面に噛み込むことで発生する欠陥の部位の自動検出を可能にすることである。

上記課題を解決するためになされた本発明は次の手段を採用する。先ず、第一の手段は、帯状の金属板を搬送しながらロール群により連続的に円筒状に成形し、前記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つつ、Ｖ字状に収束する金属板の周方向の両端部への入熱制御を行いながら、高周波接触抵抗溶接又は高周波誘導抵抗溶接により加熱溶融させて突き合わせて鋼管を製造する電縫鋼管の溶接工程の溶接監視装置であって、前記金属板が突き合わされた板厚方向にのびる溶接線を含む領域の画像を撮影する画像撮影手段と、前記画像撮影手段により撮影された画像を取り込み、連続的に撮影された画像に基づいて溶接線における輝度の変化を捉えることが可能な画像処理手段と、前記輝度を設定した閾値と比較して異常の有無を判別する判別手段と、が備えられていることを特徴とする、電縫鋼管の溶接工程の溶接監視装置である。

第一の手段に、前記画像処理手段は、撮影された画像内から溶接線の少なくとも板厚を網羅する設定エリアが矩形状に抽出されており、設定エリア内に区分けされた区域における最大輝度を各区域の代表値とした輝度分布を基に、画像毎に平均輝度を算出する手段を備える構成とすることが好ましい。

第一の手段に、前記の異常有無を判別する判別手段には、異常を発生させる予備試験によって予め求めておいた正常時及び異常時の平均輝度を用いて決定された異常有無判断用の閾値を備え、前記閾値を画像毎の平均輝度と比較する手段を備える構成とすることが好ましい。

第一の手段において、前記画像処理手段は、異常発生がないことを確認したスタート時の複数画像から、正常時の平均輝度を算出するとともに閾値を設定し、前記閾値を画像毎の平均輝度と比較する手段を備える構成とすることが好ましい。

第一の手段において、前記異常有無を判別する判別手段は、画像毎に計算した平均輝度が設定した閾値以下になることで異常発生と判別する手段を備える構成とすることが好ましい。

第一の手段において、溶接面輝度が低下した位置に、マーキングおよび／または上位計算機への位置情報伝送を行う手段を備える構成とすることが好ましい。

また、第二の手段は、帯状の金属板を搬送しながらロール群により連続的に円筒状に成形し、前記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つつ、Ｖ字状に収束する金属板の周方向の両端部への入熱制御を行いながら、高周波接触抵抗溶接及び高周波誘導抵抗溶接により加熱溶融させて突き合わせて鋼管を製造する電縫鋼管の溶接工程の溶接監視方法あって、前記金属板が突き合わされた板厚方向にのびる溶接線を含む領域の画像を撮影し、前記画像撮影手段により撮影された画像を取り込み、連続的に撮影された画像に基づいて溶接線の輝度変化を捉え、前記輝度を設定した閾値と比較して異常有無を判別することを特徴とする、電縫鋼管の溶接工程の溶接監視方法である。

第二の手段において、前記の時系列で撮影された画像に基づいて溶接線の輝度変化を捉える際、撮影された画像内から溶接線の少なくとも板厚を網羅する設定エリアを矩形状に抽出し、設定エリア内に区分けされた区域における最大輝度を各区域の代表値とした輝度分布を基に、画像毎に平均輝度を算出するようにすることが好ましい。

第二の手段において、前記の異常有無を判別する際には、異常を発生させる予備試験によって予め求めておいた正常時及び異常時の平均輝度を用いて決定された閾値を決定し、前記閾値を画像毎の平均輝度と比較するようにすることが好ましい。

第二に手段において、前記時系列で撮影された画像に基づいて溶接線の輝度変化を捉える際、異常発生がないことを確認したスタート時の複数画像から正常時の平均輝度を算出し、正常状態の下限を閾値として設定し、前記閾値を画像毎の平均輝度と比較するようにすることが好ましい。

第二の手段において、前記異常有無を判別する際、画像毎に計算した平均輝度が設定した閾値以下になることで異常発生と判別するようにすることが好ましい。

第二の手段において、溶接面輝度が低下した位置について、マーキングおよび／または上位計算機への位置情報伝送を行うようにすることが好ましい。

第一の手段や第二の手段を用いると、スケールや鉄粉などの異物が溶接面に噛み込むことで発生する欠陥の部位の自動検出をすることができる。

高周波電縫溶接部を監視している状態を示した斜視図である。 画像撮影処理手段と溶接箇所の位置関係を示した図である。 実施形態における画像処理のアルゴリズムを示した図である。 近似線と設定エリアの関係を示した図である。 設定エリアと区域との関係を概念的に示した図である。 異物が噛み込んでいない健全な状態を撮影した画像である。 異物が噛み込んだ異常状態を撮影した画像である。

以下では、発明の実施形態について説明する。図１、図２は、高周波電縫溶接部を監視している状態を示しており、図１はその鳥瞰図、図２は側面図である。また図１、図２の（ａ），（ｂ）は、それぞれ（ａ）は上部からプローブを用いた画像撮影手段１２ａにより監視する場合、（ｂ）は通常の画像撮影手段１２ｂ（例えば長焦点レンズを装備したＣＣＤカメラなど）を用い、斜め上流から監視する場合を示す。高周波電縫溶接を行うには、溶接に先立って、帯状の金属板２２を搬送しながら図示しないロール群により、連続的に略円筒状に成形する。この略円筒状の金属板２２に対して、その側方から一対のスクイズロール２３によってアプセットを加えつつ、Ｖ字状に収束する金属板２２の周方向の両端部への入熱制御を行いながら、高周波接触抵抗溶接又は高周波誘導抵抗溶接により加熱溶融させて突き合わせて鋼管を製造する。この鋼管の製造方法は、電縫溶接を用いた鋼管の製造方法としては、一般的なものである。

このような電縫溶接を用いた鋼管の製造方法において使用される本実施形態の溶接監視装置１は、金属板２２が突き合わされた板厚方向にのびる溶接線を含む領域の画像を撮影する画像撮影手段１２ａ、１２ｂを備えている。こうした画像撮影手段１２ａ、１２ｂにより撮影された画像を取り込み、撮影された画像に基づいて溶接線における輝度の変化を捉えることが可能な画像処理手段１４と、この輝度を設定した閾値と比較して異常の有無を判別する判別手段１６を備えている。このような溶接監視装置１を使用すれば、スケールや鉄粉などの異物が溶接面に噛み込むことで発生する欠陥の部位を自動検出することが可能となる。また、溶接線を含む領域の画像に基づいて溶接線における輝度の変化を捉える構成であるため、比較的少量のスケールの噛み込みを把握することが可能となる。

本実施形態の溶接監視装置１を使用すれば、除去対象となる不良部を早期に検出することも可能となる。また、鋼管の溶接部の保証の実現につながる。なお、画像撮影手段１２ａ、１２ｂは、図１及び図２に示されている事項から理解されるように、金属板２２がＶ字状に収束するＶ字収束領域２９よりも上流側かつ上方に配置され、画像撮影手段１２ａの場合はプローブにて上流側から溶接線を撮影し、画像撮影手段１２ｂの場合は斜め上流から溶接線を撮影している。

本実施形態においては、円筒状に曲げられた金属板２２の内部にインピーダ３２が配置され、当該鋼板の周囲にワークコイル３４が配置されている。このワークコイル３４に対して高周波電源３６から高周波電力が供給される形態の、高周波誘導抵抗溶接である。電縫溶接の形態としては、このような形態に限ることは無く、円筒状に曲げられた金属板２２と接触させたコンタクトチップに対して高周波電力を供給する形態などの高周波接触抵抗溶接とすることも可能である。

次に、画像処理のアルゴリズムについて、図３を用いて説明する。ここでは、カラー画像を得ることが可能なカラーカメラとして、ＣＣＤカメラを用いて撮影した場合の説明を行う。先ず、撮影画像を取得する（Ｓ００１）。次に、撮影した画像から赤色成分を抽出する（Ｓ００２）。撮影画像から赤色成分を抽出した後、図４に示したように、内面エッジの近似線５２を求める（Ｓ００３）。近似線５２は画像下端の中心位置から左右方向に高輝度部を探索してエッジ位置を検出し、最小自乗法で求めている。求められた二つの近似線５２の交点を溶接線の下端（内面側）として検出する（Ｓ００４）。

なお、この点を基準に輝度を検知する設定エリア６を設定する。本実施形態の設定エリア６は矩形状に設定しており、その左右方向においては、近似線５２の交点を中心とした左右側に、溶接部より高輝度になる領域を含まないように設定している。また、設定エリア６の上下方向は、少なくとも全板厚をカバーするように設定している。設定エリア６を矩形としたのは、溶接線が必ずしも画像に対して垂直にならないことや直線にならないことを想定したためである。

通常、周辺部に比べて溶接線が最も高輝度となるため、設定エリア６は左右数ｍｍ以上の長さにしてもよいが、外乱なども鑑みて左右１ｍｍ程度にしておくことが好ましい。また設定エリア６の上下方向の長さに関しては、部分的に異物が噛込むことも考えられるので、金属板２２の全厚をカバーする長さにすることが好ましい。

本実施形態においては、図５に概念的に示すように、設定エリア６を複数の区域６２に区分けし、設定エリア６内の輝度の分布を区域６２のまとまりで比較可能な構成としている。本明細書においては、画像上で左右方向に延びる区域６２をラインと称する。本実施形態の設定エリア６では、左右方向に延びるラインが上下方向に一列に並ぶように構成されている。

本実施形態では、この区域６２毎に最大輝度を演算し、溶接線の断面輝度を求める。詳しくは、区域６２における最大輝度を各区域６２の代表値とし、その代表値の分布である輝度分布を基に、画像毎に平均輝度を算出している。なお、本実施形態とは異なり、上下方向に一断面の輝度を取ることも考えられるが、成形や材料形状や強度のバラツキなどによって溶接線が左右に若干動く場合があるため、ライン毎の最大輝度を取ることが好適である。

本実施形態では、図３に示すように、Ｓ００４の後、左右幅を１ｍｍに設定したライン毎に最大輝度を演算する（Ｓ００５）。次いで、ライン毎に求められた最大輝度の平均値を演算することで、平均輝度を算出する（Ｓ００６）。また、この平均輝度について、予め設定した閾値と比較する（Ｓ００７）。その結果、平均輝度が、設定した輝度以上であると判断されるものであれば、正常の判定がなされる（Ｓ００８）。また、平均輝度が設定した輝度以上で無いと判断されるものであれば、欠陥の判定がなされる（Ｓ００９）。Ｓ００８又はＳ００９で判定がなされた場合は、最初に戻り、以後、同様な工程を繰り返す。なお、閾値は、故意に欠陥を発生させる予備試験を通して、異常と正常の境界となる輝度を確認し、予め決定しておけばよい。或いはスタート直後の数秒間の間に撮影された複数の画像にて噛込み発生がないことを確認し、その平均値を算出して正常状態の下限値を閾値として決定してもよい。

このようにして得られた検出情報に基づいて、溶接面の輝度が低下した位置に、マーキングおよび／または上位計算機への位置情報伝送を行う手段を備える構成とすることが可能である。具体的には、溶接直後にマーキング（インク方式）する構成とすること、或いはコイル先頭からの測長をしながら検出位置をプロコンに送信する構成とすることができる。このような構成にすることで、精整工程で欠陥部を除去することも可能になり、高度な品質管理が実現できる。

次に実施例について説明する。まず、図６及び図７に示した画像について、図３に示したアルゴリズムを用いて検出処理を行った。図６に示した画像は、異物が噛み込んでいない健全な状態のものであり、図７に示した画像は、異物が噛み込んだ異常時のものである。平均輝度は、健全状態を撮影した場合では「１２０〜１５０」レベルであったが、異物の噛み込みを撮影した場合では「３５」と著しく低下した。以上のことから、本実施形態の溶接監視装置１を用いた溶接監視方法を採用すれば、電縫鋼管の欠陥を検出できることが確認された。

次に、実際の製造ラインにおいて、溶接監視装置１を設置し、連続的に撮影と画像処理を行いながら溶接面の状態を測定した。対象としたパイプはφ100mm×4mmtの実管である。撮像に用いたカメラは200フレーム／秒、露光時間は1/10000秒とした。溶接部を撮影しながらスケールを混入させた冷却水をワークコイル３４周辺に振りかけ、模擬的に欠陥を発生させた。造管後に先頭から扁平試験し、割れが発生した位置を実測した。試験開始前に予めコイル端部（金属板端部）に切り欠きを入れておき、画像に写り込んだフレーム番号を記録した。試験部位の造管速度４０ｍｐｍは一定としたので、１フレーム当たり約3.3mmに相当する。切り欠きを撮影した画像を起点として、前述のアルゴリズムによって異常検出した画像を実距離に換算し、実疵とつき合わせた。４本のパイプを対象とした試験結果を表１に示す。なお、表１における「Ｎｏ.」におけるハイフンの左側の数値がパイプの番号である。また、表１における位置の単位は「ｍ」である。

表１に記した結果が得られたことから、トラッキングして扁平試験した実疵確認位置と画像との位置がほぼ一致していることが分かった。

本発明は、以上の実施例には限定されることは無く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適応可能なことは勿論のことである。例えば、カラーカメラを用いて撮影した画像では、鋼材か輻射輝度が最も高い赤色成分を処理に用いることが好ましいが、十分な輝度レベルで撮影できれば緑色或いは青色成分でも同様の処理が可能となる。またモノクロカメラを用いる場合は、色成分の抽出は不要である。

１ 溶接監視装置
６ 設定エリア
１２ａ、ｂ 画像撮影手段
１４ 画像処理手段
１６ 判別手段
２２ 金属板
５２ 近似線
６２ 区域

Claims (10)

1. 帯状の金属板を搬送しながらロール群により連続的に円筒状に成形し、前記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つつ、Ｖ字状に収束する金属板の周方向の両端部への入熱制御を行いながら、高周波接触抵抗溶接又は高周波誘導抵抗溶接により加熱溶融させて突き合わせて鋼管を製造する電縫鋼管の溶接工程の溶接監視装置であって、
   前記金属板が突き合わされた板厚方向にのびる溶接線を含む領域の画像を撮影する画像撮影手段と、
   前記画像撮影手段により撮影された画像を取り込み、連続的に撮影された画像に基づいて溶接線における輝度の変化を捉えることが可能な画像処理手段と、
   前記輝度を設定した閾値と比較して異常の有無を判別する判別手段と、
   が備えられ、
   前記画像処理手段は、異常発生がないことを確認したスタート時の複数画像から、正常時の平均輝度を算出するとともに閾値を設定し、
   前記閾値を画像毎の平均輝度と比較する手段を備えていることを特徴とする、電縫鋼管の溶接工程の溶接監視装置。
2. 前記画像処理手段は、撮影された画像内から溶接線の少なくとも板厚を網羅する設定エリアが矩形状に抽出されており、
   設定エリア内に区分けされた区域における最大輝度を各区域の代表値とした輝度分布を基に、画像毎に平均輝度を算出する手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の電縫鋼管の溶接工程の溶接監視装置。
3. 前記の異常有無を判別する判別手段には、異常を発生させる予備試験によって予め求めておいた正常時及び異常時の平均輝度を用いて決定された異常有無判断用の閾値を備え、
   前記閾値を画像毎の平均輝度と比較する手段を備えていることを特徴とする、請求項１または２に記載の電縫鋼管の溶接工程の溶接監視装置。
4. 前記異常有無を判別する判別手段は、画像毎に計算した平均輝度が設定した閾値以下になることで異常発生と判別する手段を備えていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項記載の電縫鋼管の溶接工程の溶接監視装置。
5. 溶接面輝度が低下した位置に、マーキングおよび／または上位計算機への位置情報伝送を行う手段を備えていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項記載の電縫鋼管の溶接工程の溶接監視装置。
6. 帯状の金属板を搬送しながらロール群により連続的に円筒状に成形し、前記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つつ、Ｖ字状に収束する金属板の周方向の両端部への入熱制御を行いながら、高周波接触抵抗溶接及び高周波誘導抵抗溶接により加熱溶融させて突き合わせて鋼管を製造する電縫鋼管の溶接工程の溶接監視方法あって、
   前記金属板が突き合わされた板厚方向にのびる溶接線を含む領域の画像を画像撮影手段により時系列で撮影し、前記画像撮影手段により撮影された画像を取り込み、連続的に撮影された画像に基づいて溶接線の輝度変化を捉え、前記輝度を設定した閾値と比較して異常有無を判別し、
   前記時系列で撮影された画像に基づいて溶接線の輝度変化を捉える際、異常発生がないことを確認したスタート時の複数画像から正常時の平均輝度を算出し、正常状態の下限を閾値として設定し、前記閾値を画像毎の平均輝度と比較することを特徴とする、電縫鋼管の溶接工程の溶接監視方法。
7. 前記の時系列で撮影された画像に基づいて溶接線の輝度変化を捉える際、撮影された画像内から溶接線の少なくとも板厚を網羅する設定エリアを矩形状に抽出し、
   設定エリア内に区分けされた区域における最大輝度を各区域の代表値とした輝度分布を基に、画像毎に平均輝度を算出することを特徴とする、請求項６に記載の電縫鋼管の溶接工程の溶接監視方法。
8. 前記の異常有無を判別する際には、異常を発生させる予備試験によって予め求めておいた正常時及び異常時の平均輝度を用いて決定された閾値を決定し、前記閾値を画像毎の平均輝度と比較することを特徴とする、請求項６または７に記載の電縫鋼管の溶接工程の溶接監視方法。
9. 前記異常有無を判別する際、画像毎に計算した平均輝度が設定した閾値以下になることで異常発生と判別することを特徴とする、請求項６乃至８のいずれか１項記載の電縫鋼管の溶接工程の溶接監視方法。
10. 溶接面輝度が低下した位置について、マーキングおよび／または上位計算機への位置情報伝送を行うことを特徴とする、請求項６乃至９のいずれか１項記載の電縫鋼管の溶接工程の溶接監視方法。