JPH01284487A - 高周波電縫溶接状態の自動識別及び制御装置 - 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】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、高周波電縫溶接における溶接状態の自動識別
及び制御装置に関する。

電縫管は周知のようにストリップを成型機で円筒状に成
形しながら、そのＶ字状両エツジに高周波電流を流して
加熱溶融し、スクイズロールで加圧、溶着して、製管さ
れる。またスパイラル鋼管はストリップをスパイラルに
巻いて管状にしながらその重なり端縁に高周波電流を流
して加熱、溶着して製管される。

このような電縫溶接においては、入熱の大小により溶接
状態に特色のある現象が見られる。この詳細は特公昭５
４−３３７８４及び特公昭５４−４０４５４等に開示さ
れているが、第９図で簡単に説明すると、この図で１０
は溶接されて電縫管１１となるストリップ、１２はスク
イズロール、１３は給電用のコンタクトチップ、１４は
■収束点である。余り入熱を加えない状態では第９図（
ａ）となり、■収束点１４で溶接され、溶接点の位置は
はヌ゛不変である。これを第１種溶接現象と呼ぶ。

入熱を上げると第９図（ｂ）の状態となり、溶融金属が
、流れる電流による電磁力で排除されて（図の波線はこ
れを示す）、■収束点１４では溶接されず、点１４から
スクイズ中心に向けて平行なスリットが作られ、そのス
リット終点１５で溶接される。ストリップは移動してお
り、そしてスリット部では溶滴がスリットを橋絡する現
象が頻発し、橋絡するとそれよりスクイズロール側では
電流が流れないから反発力がなくなって溶融金属がスリ
ットを埋め、このため溶接点１５は一定しないで微小振
動を繰り返す。この状態を第２種溶接現象と呼ぶ。

更に入熱を上げると第９図（Ｃ）の状態となり、スリッ
ト幅は広く、長くなり、しかしある長さになると点１４
で溶滴による短絡が生じ、スリットは溶融金属で埋めら
れ、スクイズ中心に向けて延びていたスリット終点１５
は■収束点１４近くに戻され、ストリップ移動速度で再
びスクイズ中心へ向けて去って行く。以上を繰り返す。

この状態を第３種溶接現象と呼ぶ。

入熱によっては、これら第１種、第２種、第３種溶接現
象の中間の状態もとる。本発明は特に、現在の溶接状態
が第１種、第２種、・・・・・・溶接現象のどれに該当
するかを自動識別する手段に係るものである。

〔従来の技術〕

電縫管溶接では上記のように第１種、第２種、第３種お
よびこれらの中間の溶接現象があるが、どの溶接現象が
最適かは一概に言えず、被溶接物の寸法、材質、溶接機
及び成形機の能力等により異なる。しかし、これらが定
まれば最適溶接現象も定まり、そしてその定まった最適
溶接現象で溶接すれば（該現象が維持されるように入熱
制御すれば）、最高の溶接品質を維持できる。従って現
在の溶接状態が第１種、第２種、・・・・・・溶接現象
のどれに該当するかを知る、自動制御なら自動的に識別
し制御する、ことは重要である。

前記特公昭５４−３３７８４では変動する周期により、
溶接現象の識別を行なっている。即ち溶接点の移動でコ
ンタクトチップ１３．１３間のインピーダンスが変わり
、つれて溶接電流、高周波発振管の陽極電圧／電流、格
子電圧／電流、高周波電圧・電流の位相差、スクイズロ
ール加圧力等（溶接特性値）が変わる。この溶接特性値
の変動周波数は第１種では３００Ｈｚを越えており（但
しこれはノイズとみるべきもの）、第２種では４０Ｈｚ
〜３００Ｈ，Ｚ、第３種でＩＨｚ〜４０Ｈｚである。そ
こで上記特公昭５４−３３７８４ではコンタクトチップ
間電圧から高周波電圧の周波数変動成分を取出し、該成
分の波数を一定時間計数して周波数を求め、それが設定
範囲外なら溶接機電源電圧を調整して、変動成分の周波
数が設定範囲内にあるようにする。

第１１図も同種の回路であるが、この場合は周期の変動
を検出する。即ち入力信号（例えばコンタクトチップ間
電圧で、これは溶接点移動で周波数変調を受けている）
をバンドパスフィルタおよびシェミット回路２１に加え
て矩形波化し、カウンタ２２に加える。該カウンタには
プリセットスイッチ２３により数値Ｏ〜２５、例えば２
５がプリセットされ、回路２１からパルスが入る毎に減
算し、０になるとストップ信号を出力する。カウンタ２
４はクロック発生器２５からの例えば２５０ＭＨｚのク
ロックを受け、また上記ストップ信号及びファンクショ
ン（制御）回路２６からのクリア、スタート各信号を受
けて該スタート、ストップ信号間のクロックを計数する
。この計数値は、カウンタ２２が回路２１から２５個の
パルスを受ける間の時間を示す。計数は各２５パルス毎
に繰り返され、計数値（ｔｉ）はレジスタ２７にセット
される。

レジスタ２８にはデジタルスイッチ２９により所定値（
ｔｏ）がセットされ、減算器３０はこれらの差（ｔｔ　
　　ｔｏ）を出力し、レジスタ３１にセットする。

レジスタ３１の値は、上記入力信号の２５波の時間（ｔ
ｉ　７２５波の各周期の和）の所定値（ｔｏ）からの差
であり、ｔｉの変化は溶接点変動を示している。所定値
からの差をとるのはベース分を除いて変化分だけを取出
すためであり、これにより差（正、負の値をとる）の絶
対値を小さくすることができる。レジスタ３１の値はバ
ンド力・ントフィルタ３２を通して制御に供され、また
Ｄ／Ａ変換器３３を通して表示器３４へ供給されて表示
される。この表示をみて手動による制御を行うこともで
きる。

〔発明が解決しようとする課Ｂ］ このような溶接点変動に伴なうコンタクトチップ間電圧
の周波数または周期の変化による溶接現象識別では、誤
まった判断をする恐れがある。第１０図に周期（ｔｉ−
ｔｏ）の経時変化を示し、（ａ）は第１種、（１））は
第２種、（Ｃ）は第３種の場合であるが、かなり複雑に
変動している。周期（この逆数が周波数）はこれら（ａ
）〜（Ｃ）図の波形の振幅であるが、振幅は回路の利得
によって変わり、適切な利得調整をしないと、第２種が
第１種になったり（第１種相当の振幅になったり、以下
同じ）、第３種になったりする。また入力信号にノイズ
が含まれると、第１１図の回路２１でのパルス化が誤っ
て行なわれ、つれて周期測定がエラーになる。こうして
単なる周期監視では、第３種溶接現象が第２種溶接現象
と誤判定されたりする。

第１０図から明らかなように、周期の経時変化は第１種
、第２種、第３種では可成り異なっている。即ち第１種
では周期変化幅が小さく比較的滑らかであり、第２種で
はこれが大きくなりそして鋸歯状波様の波形が認められ
、第３種では振幅が相当に大きくそして・明瞭な形で鋸
歯状波が現われる。この周期の経時変化の波形を自動認
識することができれば、利得やノイズなどに惑わされな
い溶接現象種別の自動検出が可能であり、所望溶接現象
での電縫溶接が可能である。

本発明はか−る点に着目するもので、周期の経時変化パ
ターンから溶接現象種別の自動識別を行ない、最適溶接
状態の維持を可能にする装置を提供することを目的とす
るものである。

（課題を解決するための手段） 第１図に示すように本発明では、高周波電縫溶接の制御
に、現在の溶接状態が第１種、第２種、・・・・・・溶
接現象のいずれであるかをパターン認識する波形解析装
置５０を用いる。

この第１図で４０は交流電源、４１は交流電圧調整器、
４２は昇圧・整流回路、４３は高周波発振回路、１０は
電縫溶接されるストリップである。

また４４は溶接特性測定器で、本例ではコンタクトチッ
プ間電圧を取込み、ローパスフィルタ、デジタルカウン
タなどを備えて前記計数値ｔｉを出力する。４５は被減
算信号メモリ、４６は減算装置、４７はＤ／Ａ変換器、
４８は表示器である。

また５１は電圧指令装置、４９は入熱制御用のアナログ
制御部である。交流電圧調整器４１とアナログ制御部４
９は入熱制御部を構成し、溶接特性測定器４４、被減算
信号メモリ４５、および減算装置４６は特徴量算出装置
を構成する。

波形解析装置５０は第２図に示すように減算装置４６の
出力Ｓ１をメモリに取込む手段、変動量Ｐｉ、変動時間
Ｑｉ、変動回数Ｒｉ、および消滅率Ｓｔを計算する手段
、平均化処理する手段、各特徴量の確率Ｐ　ｒ　（＊、
　Ａｔ）を計算する手段、各溶接種別毎の確率の合計を
求める手段、および該合計が最大の溶接種別を判定結果
とする手段を有する。

（作用〕 ストリップｌＯは搬送されながら管状に成形され、コン
タクトチップ１３によりそのＶ収束部に高周波電流を供
給され、加熱、溶着されて電縫管１１に造管される。高
周波電流は発振回路４３により発生、供給されミ電圧調
整器４１により調整される。即ち、電圧調整器４１は逆
並列接続された一対のサイリスタを備え、制御部４９の
出力信号Ｓ４に該サイリスタが点弧制御されて出力電圧
を変えるので、発振回路４３の電源電圧が変ることにな
り、ひいては前記高周波電流が変る。

発振回路４３は前記Ｖ収束部を回路に含むので、入熱に
より溶接点が変動し、インピーダンスが変ると、発振周
波数が変動する。これが溶接特性測定器４４により検出
され、減算装置４６の出力信号Ｓ＋（前述の差信号（ｔ
＝　　　ｔｏ）を生じる。

信号Ｓ１の経時変化は、溶接種別（第１種、第２種・・
・・・・溶接現象）毎に特徴あるパターンを示す。

波形解析装置５０は予め各溶接種別毎の信号ＳＩのパタ
ーン具体的にはメンバーシップ関数を記憶しており、減
算装置４６から信号ＳＩが入ると、それと記憶している
メンバーシップ関数とから、現在の溶接状態はどの溶接
種別かを認識し、認識した溶接種別を表わす信号Ｓ２を
出力する。

信号Ｓ２は電圧指令装置５１に人力して、所望の（設定
された）溶接種別と比較される。相違があれば、電圧指
令装置はそれを同じにするための電圧指令信号Ｓ、を出
力する。溶接種別は入熱（＝電圧×電流）に対応してお
り、従って現在の溶接種別を設定溶接種別にするに必要
な信号も入熱を示すものであるが、管径、材質、■収束
角、・・・・・・などの溶接条件が定まると電流は電圧
に対応するから、二＼では入熱の代りに電圧を用いる。

電圧指令信号Ｓ、は制御部４９に入って点弧制御゛信号
Ｓ４を変更させ、電圧調整器４１の出力電圧を変更させ
る。こ−でも電流は回路条件に応じて電圧に対応してお
り、従って電圧制御は入熱制御である。こうして所望の
溶接現象での溶接が行なわれるようにする修正が行なわ
れる。アナログ制御部４９へは入熱Ｖｌも帰還されてい
るが、これはモニタ用である。

このような自動調整の代りに、手動調整も可能である。

即ちこの場合は波形解析装置５０は単に表示装置５２に
溶接種別を出力して、現在第１種、第２種、・・・・・
・どの溶接現象での溶接が行なわれているかを表示させ
る゛。これを見てオペレータは制御部４９に信号を入力
しく図示しない）、出力信号Ｓ４を変更させて溶接現象
を変えさせ、表示装置５２に所望の溶接種別が表示され
た所で信号入力を止めればよい。

減算装置４６の出力信号ＳＩは変換器４７でＤ／Ａ変換
されたのち波形を表示器４８に供給され、該表示器４８
は第１０図（ａ）〜（Ｃ）の如き波形を表示する。これ
は波形解析装置へのメンバーシップ関　。

数の登録などに利用する。

波形解析装置５０は出力信号Ｓｌから特＠、量即ち変動
量Ｐｉ、変動時間Ｑｉ、・・・・・・を算出するが、こ
れは次のようにして行なう。即ち、第１０図（ｄ）に示
すように、ある時間幅本例では３００ｍ５の間の信号Ｓ
１につき、前後で（即ち差信号（ｔｉ−ｔｏ）と（ｔ！
−＋　　　Ｌ　ｏ）の間で）所定値本例では１７以上の
差のあるもの（ａ、ｂ、ｃなどがそれ）を求めて、その
差が大きいものを、大きい方から所定数Ａ個本例では５
個とり、これらを変動１１Ｐｉ（ｉ＝Ｉ　ｇ　２　＋　
・・・・・・）とする。変動１ＪＰｉは平均をとって特
＠量の１つとする。

また変動時間Ｑｉは、変動量に採用したものが、その谷
の値から変動量の所定％本例では５０％を回復した時ま
での時間とする。変動時間Ｑｉも平均をとって特徴量の
１つとする。

また変動回数Ｒｉは、前記時間幅（３００ｍＳ　）をｎ
等分本例では３等分した各時間帯における変動回数Ｎｉ
を求め、それを平均したものとする。こ−で変動とは前
記変動量Ｑｉを算出するとき求めた山／谷変化をいい、
この場合は該変化の全部を計数対象とする。

または消滅率Ｓｉ（平均消滅率Ｓｔでもある）、信号Ｓ
Ｉの谷−山一谷の変化がある微小時間δ（例えば５＋ｍ
Ｓ）以内に生じ、山の高さは所定値（ＩＶ）以上のもの
、を前記時間幅（３００ｍＳ）内で探してその出現回数
Ｍを求め、前記変動回数との比をとったものとする。

（３００ｍＳ）毎に求め、これらを電縫溶接の特徴量と
する。

こ＼までが第２図のステップ■までである。即ちステッ
プ■では信号Ｓ、詳しくはｔｔ　−ｔ。

（１””Ｉ　ｒ　ｔ　＋　・・・・・・）の各々をデー
タメモリに格納し、前記時間幅（３００ｎ＋Ｓ　）毎の
Ｓ、に対しステップ■でＰｉ、Ｑｉ、・・・・・・を計
算し、ステップ■でＰｉ、Ｑｉ、・・・・・・を求める
。上記説明から明らかなようにステップ■と■は一部混
在している。また、ステップ■以降の処理に例えば７０
０ｎ＋Ｓか＼るので、３００ｍ５の間データをメモリへ
採取したら上記７００ｎ＋Ｓの間はデータ採取せず、７
００ｍ５後に再びデータ採取、を繰り返す。

ステップ■で特徴量Ｐ　ｉ、　　Ｑ　ｔ、　−・−・−
を求めたら、次はステップ■に進んで、これらの特＠量
から推定される溶接種別の確率Ｐｒ　（＊、　Ａｔ）を
求める。これにはメンバーシップ関数を利用する。

第４図に変動回数と溶接種別とのメンバーシップ関数の
一例を示す。こ＼では溶接種別を第１種１、第２種下限
２−１第２種２、第２種上限２゛、第３種下限３−５及
び第３種３の６種類に分けており、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ
が各種別のメンバーシップ関数で、特徴量と当該溶接現
象の発生確率を示す。なお第３種下限３−のメンバーシ
ップ関数は図示していない。第３図（ａ）〜（ｆ）に第
１種、・・・・・・溶接現象の信号Ｓ、のパターンを示
す。このメンバーシップ関数は台形近似型を使用してお
り、上辺は確率１、下辺は確率０、斜辺はこれらの中間
の確率を示す。そこで、例えば変動回数Ｒｉが６゜７な
ら溶接種別３の確率は１、同２゛の確率も１、同２の確
率は０．７、同２°及び１の確率は０となる。

変動量Ｔ下、変動時間酊、消滅重子Ｔについても同様な
メンバーシップ関数を用意しておき、測定されたＰｉ、
Ｑｉ、Ｓｉで該関数を読んで溶接種別毎の確率Ｐｒ　（
＊、　Ａｔ）を求める。これが第２図のステップ■であ
る。ここで＊は溶接種別の３．３−．２°、２．２−．
１のいずれか、Ａｉはｉ＝１ならＰｉ、ｉ＝２ならＱｉ
、ｉ−３ならＲｉ、ｉ−４ならＳｔを示す 確率Ｐｒ　（＊、　４１）が求まったら、次はステップ
■に進み、溶接種別毎に確率の和Ｃ１Ｃ−Σａｓ　Ｐｒ
（＊＋Ａｉ） を計算する。こ−でａ（は重み係数であり、溶接種別を
求めるのに重要なもの、それ程重要ではないもの、をこ
れで区別する。

次はステップ■に進み、和Ｃが最大の溶接種別を求め、
それを認識出力Ｓｔとする。

つまり波形解析装置５０は各特徴量Ｐｉ、頁〒、・・・
・・・毎のメンバーシップ関数を予め記憶しており、入
力信号Ｓ１からＰ　ｉ　、　Ｑ　ｉ、　＋＋＋ｍを算出
して、それらで当該メンバーシップ関数の値を続んで確
率Ｐ　ｒ　（＊、　Ａｉ）を求め、溶接種別毎の確率Ｐ
　ｒ　（＊、　Ａｔ）の和Ｃを求めて、それが最大の溶
接種別を出力とする。

〔実施例］ 次表に信号Ｓ１から求められた特＠量Ａｔ（変動量）、
Ａｘ（変動時間、ＡｓＣ変動回数）、Ａ、（消滅率）の
例、これらより算出された確率の値、および確率の和Ｃ
を示す。

表　　　１ 上記表から明らかなように和Ｃの最大値は３．９であり
、従って現時点の溶接種別は２゛　（第２種上限）と判
定される。

メンバーシップ関数は第５図に示す要領で作成する。即
ち信号Ｓｔ’から特徴量Ａｉを計算し、これを１””ｌ
＋！＋　・・・・・・毎にプロットすると第５図（ａ）
になるが、この平均値７と標準偏差σを求め、これらで
同図（ハ）正規分布関数を求め、これでデータＡｉを近
似する０次にこれを同（Ｃ）に示すように上辺が２σ、
下辺がｍａｘｘｍｉｎの台形で近似する。

この台形がメンバーシップ関数である。台形で近似する
代りに点線で示すように三角形で近似してもよく、これ
でも結果は余り変らない。

システム立上げ時には波形解析装置５０に４×６＝２４
種のメンバーシップ関数を記憶させる必要があるが、こ
れは、実際に電縫溶接して信号ＳＬを得、波形解析装置
５０に特＠量Ａｉを計算させ、そしてオペレータが表示
器４８を見て溶接種別を判断し、その種別を波形解析装
置に入力し、か＼る処理を入熱を変えて各種溶接現象を
出現させながら繰り返すことで、行なうことができる（
この処理プログラムを波形解析装置に格納しておく）。

表示器に表示されている特徴量を見てオペレータが溶接
種別を入力すると波形解析装置（コンピュータ）５０で
は（Ａｔ、　　Ｘ、　　Ｙ）を作成し、これをデータフ
ァイルに格納する。こ−でＸはオペレータが入力した溶
接種別、Ｙは造管条件の整番（これは予め入力しておく
）である。データファイルは造管条件の整番Ｙ別とし、
各データはＤ（Ａｔ、　　ｘ、　　ｉ）の形にしてお（
。こ＼でｉはデータＮｏ、で例えば１〜１００とする。

第６図にメンバーシップ関数の推定手順を示す。

また第７図と第８図に変動量と変動回数の実測結果とこ
れより求めたメンバーシップ関数を示す。

溶接現象は６種としたが、勿論これに限るものではない
。電縫溶接では２種上限が適当となるケースが多（、こ
れを中央にした複数種としてもよい。

また特徴量は４種としたが、最も有効なのは変動量、次
いで変動回数である。これには重み係数ａ！で対応する
が、判定アルゴリズムを変えて変動量で１次判定し、他
の特徴量で２次判定する、等としてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明では、溶接点の溶鋼移動状
態を表わす特徴量を求め、該特徴量と、溶接種別毎に予
め作成しておいたメンバーシップ関数とから現在の溶接
種別を判定してそれを示す信号を出力するので、正確な
溶接状態情報を提供することができ、溶接種別の自動制
御、最適電縫溶接状態の自動保持が可能になる。波形解
析装置が出力する溶接種別を示す信号はモニタに利用で
き、現在の溶接現象が設定溶接現象から大きくくずれた
ときは警報を発するようにすることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成を示すブロック図、第２図は
波形解析装置の処理内容を示す流れ図、第３図は各種溶
接現象の波形図、 第４図はメンバーシップ関数の一例を示す図表、第５図
はメンバーシップ関数の作成要領を示す説明図、 第６図はメンバーシップ関数の作成手順を示す流れ図、 第７図および第８図はオンラインデータとメンバーシッ
プ関数との相関例を示す図表、第９図は第１種〜第３種
溶接現象の説明図、第１０図は周期の経時変化例を示す
図表、第１１図は周期検出の従来例を示すブロック図で
ある。 第１図で４１は交流電圧調整器、４２は昇圧・整流回路
、４３は高周波発振回路、１０は電縫溶接されるストリ
ップ、１３はコンタクトチップである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、入熱制御部（４１、４９）を備える高周波発振回路
   （４３）の出力により行なわれる高周波電縫溶接の溶接
   状態の自動識別及び制御装置において、溶接部から取出
   した信号を供給されて、溶接点の溶鋼移動状態を表わす
   特徴量を算出する装置（４４〜４６）と、 溶接種別毎に作成された特徴量の値と当該溶接種別発生
   確率との関係を示すメンバーシップ関数を記憶しており
   、前記算出装置から出力された特徴量信号（Ｓ＿１）と
   該メンバーシップ関数とから現在の溶接状態を示す溶接
   種別信号（Ｓ＿２）を出力する波形解析装置（５０）を
   備えることを特徴とする、高周波電縫溶接状態の自動識
   別及び制御装置。