JPS5947635B2 - 電縫管の溶接ビ−ド形状の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、電縫管の溶接ビード形状の制御装置に関す
るものである。

電縫管の製造工程において、電縫溶接工程は成形工程と
ならんで製品の品質を決定する上で重要な位置を占めて
いるが、現状では、電縫溶接制御は、オペレーターが溶
接部の火色、管外面側の溶接ビード形状、即ち、溶接ビ
ードの高さ、および、溶接ビードの巾等を目視で判別し
て溶接プレート電圧、スクイズ量を制御することにより
行なつている。

ところが、上記のような目視による電縫溶接制御はプレ
ート電圧、スクイズ量の調整に熟練を要し、オペレータ
ーの個人差による誤差、周囲の明るさ等の環境差による
誤差があるとともに、電縫管材料用コイルの継ぎめ等の
入熱急変部に対する対応が遅い等種々の問題があつた。

また、電縫管溶接部の品質の重要な因子としてメタルフ
ロー角度がある。

これについては目視による溶接ビード形状の判定が一般
的である。この他、メタルフロー角度制御の別の方法と
しては、管外周長変化によるスクイズ量の変化を管理し
たり、あるいはＶ点位置を検出し、スクイズ量を算出す
ることにより行なう方法があるが、これらの方法は何れ
も動的測定に問題がある。また、更に別の方法としてス
クイズロール荷重による方法もあるが、材料特性により
設定値との対応を調べなければならない問題がある。従
つて、上従のようにメタルフロー角度の制御は、目視に
よる溶接ビード形状の判定による方法が一般的にとられ
ている。この発明は、上述のような観点から目視による
溶接ビード形状の制御に替つて常に溶接ビードの形状を
目標の形状に制御することができる電縫管の溶接ビード
形状の制御装置を提供するものであつて、電縫管の溶接
ビードに光線を斜めに照射するための光源と、前記光源
から前記溶接ビードに照射された光線によつて生じた、
前記溶接ビードの光切断像を撮影するためのカメラヘツ
ドと、前記カメラヘツドからの前記光切断像の画像信号
に基づいて、前記溶接ビードの高さ、｝よび、メタルフ
ロー角度に対応する角度βを演算するための解析装置と
、予め設定された前記溶接ビードの高さの目標値と、前
記解析装置によつて演算された前記溶接ビードの高さの
演算値との差の値、および、予め設定された前記メタル
フロー角度の目標値と、前記解析装置によつて演算され
た前記角度βの演算値との差の値を演算し、このように
して演算した前記差の値に対応する、溶接用高周波発信
器のプレート電圧を演算するための演算器と、前記演算
器によつて演算された前記プレート電圧に基づいて、前
記高周波発信器の出力を制御するための電圧調整器とか
らなることに特徴を有する。

この発明の一実施態様を図面を参照しながら説明する。
第１図は、この発明の装置によつて、電縫管の溶接を行
なつている状態を示す図である。

第１図において、１はクイズロール２の下流側の、溶接
された電縫管を示し、１″はスクィズロ一 ニル２の上
流側の未溶接管を示す。

３はスクイズロール２の上流側に設置されたコンタクト
チツプである。

４は前記コンタクトチツプ３にコンタクトシユ一５を介
して高周波電流を供給するための高周波発振器である。

６はトツプロールであり、第こ２図に示されるように、
溶接部両側に１対配されている。

７はレーザー光線発生装置であり、グラスフアイバ一８
を通して円筒レンズ９から十字型レーザー光線が電縫管
１の溶接ビード１０に斜めに照射されるようになつてい
る。

この状態が第３５図に示されている。１１は前記レーザ
ー光線の照射によつてできる溶接ビード１０部の光切断
像１Ｖ（第４図参照）を接写するレンズであり、前記光
切断像はイメージフアイバ一１２を通つてカメラヘツド
１３に送られるようになつている。

１４は解析装置であシ、カメラヘツド１３からの光切断
像の画像信号に基づいて、溶接ビード高さおよびメタル
フロー角度に対応する角度β（これについては後述する
）を演算する。

１５は解析装置１４に接続したＩＴＶであり、ビード形
状を画面に写しだすものである。

１６は解析装置１４に接続したペンレコーダ一の如き記
録計であり、溶接ビード形状を記録するものである。

１７は解析装置１４に接続した演算器であり、予め設定
された溶接ビードの高さの目標値と、解析装置１４によ
つて演算した溶接ビードの高さの目標値との差の値、お
よび、予め設定された溶接ビード部のメタルフロー角度
の目標値と、解析装置１４によつて演算した溶接ビード
部のメタルフロー角度の演算値との差の値を演算する。

次に、解析装置１４による、光切断画像の具体的な解析
法について説明する。

先ず、カメラヘツド１３からの光切断画像信号から座標
情報をサンプリングする。

即ち、第４図（ａ）に示される光切断画像信号において
、水平方向軸（Ｘ軸）にそつて垂直軸（Ｙ軸）に平行な
サンプリングラインを走査し、水平方向に、一定時間間
隔毎に最大輝度（強度）を検出する。これにより、二次
元的な光切断画像信号は、１次元情報に変換される。こ
のようにして変換された前記情報を、 とする。

次に、このようにして得られた座標情報から、溶接ビー
ド形状の幾何学的パラメータ、即ち、ビード高さｚおよ
びビード幅Ｗを次のようにして演算する。

″ ｆ ′ ｒ＾〜 ビード高さは、上述のようにしてＹｉの最大値から求め
られるが、ビード幅Ｗを求めるには、次のようにする。

即ち、第４図（ａ）の光切断画像を１回微分して、同図
（５）に示されるような微分曲線を得、これを、さらに
、１回微分して同図（ｃ）に示されるような微分曲線を
得る。そして、（ｃ）図に示されるように、光切断画像
を２回微分して得られた値ＤｌＹ／ＤＸ２が所定の閾値
α以上になる点（Ｘｍ，．Ｘｎ）を求めれば、上述した
ビード幅Ｗを求める前記３式に従つて、ビード幅ｗを求
めることができる。この発明は、解析装置１４からの溶
接ビード形状の演算値を演算器ＩＴにより演算し、この
演算結果に基づいて高周波発振器４の出力を制御して、
溶接ビード形状を目標の形状に維持するものであ゛るが
、具体的に溶接ビード高さを目標の高さに制御する場合
について以下に説明する。

尚、上記溶接ビード高さｚおよび溶接ビード巾ｗは第７
図に示されるものである。電縫溶接ビードは、通常の溶
融溶接の場合と異なυ、加熱過程とそれに続く圧接過程
によつて形成され、塑性変形と溶鋼の押出しが関与する
。

加熱過程では溶接入熱の変化が加熱縁部の変形抵抗の変
化、縁部の溶融によるスクイズ量の減少をもたらす。こ
のため、圧接過程のスクイズ量と溶接入熱とは相互関係
をもちながら、ビードの大きさ、すなわち、ビード高さ
およびビード幅が決まる。このような点から、ビード高
さを溶接条件から推定する場合、溶接入熱の指標として
プレート電圧、圧接過程の指標として、スクイズ量をそ
れぞれ選定し、ｎ次近似式により、その傾向を実験的に
求めることを考えた。これを以下に説明する。高周波発
振器４のプレート電圧をＥｐ）スクイズ量をＳＱとする
と、ビード高さｚは、で表わされるものとする。

但し、上式において、Ａｎ） ・・・・・・、ａｌ、Ｂ
ｍ）・・・・・・、ｂｌは定数であり、ｍ） ｎは正整
数である。

尚、上記（４）式の具体例を示すと、外径１６″φ、肉
厚１２．７７１Ｌｍ）造管速度１０．６ｍ／分とし、ス
クイズ量を２ｎ） ４ｎ） ６ｎの３段階、プレート電
圧を１２０ＫＶ）１２．５ＫＶ） １３．０ＫＶ）１３
．５ＫＶの４段階で変化させた場合には、となり、３次
式として正確に表わされることがわかつた。

このように、溶接ビード高さＺはプレート電圧のｎ乗式
とスクイズ量のｍ乗式の和で表わされるが、操業上ＳＱ
量は同一サイズ（管外径、管肉厚）、同一鋼種ではほぼ
一定であるから、結局、溶接ビード高さｚは、プレート
電圧Ｅｐ（７）ｎ乗式で表われる。

第５図には、上記溶接ビード高さを制御する場合のプロ
ツク図が示されている。

図示されるように、解析装置１４によつて演算された溶
接ビード高さの演算値が液算器１１に入力されると、演
算器１７によつて前記溶接ビード高さの演算値と、演算
器ＩＴに予め設定されている溶接ビード高さの目標値と
が比較され両者の差の値が演算される。このようにして
演算された溶接ビード高さの差の値と上記（４）式に基
づいて、前記差の値に対応した溶接プレート電圧が演算
される。このようにして演算した溶接プレート電圧に基
づいて自動電圧調整器（ＡＶＲ）１８を介して高周波発
振器４の出力が制御される。従つて、溶接ビード高さは
常に目標溶接ビード高さに制御される。次に、この発明
の装置によつて、メタルフロー角度を制御する場合につ
いて説明する。

メタルフロー角度は電縫溶接部の衝撃特性と深い関係が
あわ、このメタルフロー角度を低くし、しかも、所定の
値に維持することが製品品質管理上きわめて重要である
ことは前述したとおりである。

この発明では、実測したメタルフロー角度の平均値ｉに
対応する角度βを、次のように定義する前記角度βと実
測したメタルフロー角度の平均値ｉとは第６図に示され
るように、ほぼ対応関係にあるので、結局、前記角度β
を制御することによりメタルフロー角度を目標値に制御
することができる。

尚、前記メタルフロー角度の平均値ｉは、溶接部の品質
管理に従来から用いられているパラメータである。

即ち、第？図に示されるように、管内外面より１／４ｔ
（ｔ：肉厚）だけ内側の点を通る基線ｔを引き、前記基
線ｔと、これを通るメタルプロ一を示す曲線４〜Ｔ４と
の傾斜角α１〜α４を求め、これらの傾斜角α１〜α４
の平均値、即ち、ｉ＝（αｌ＋α２＋α３＋α４）／４
である。前記メタルフローを示す曲線４〜４は、突き合
わせ管端をスクイズロールにより圧接した後の金属組織
のフローを模式的に示した曲線である。第８図には、メ
タルフロー角度を制御する場合のプロツク図が示されて
いる。図示されるように、解析装置１４は前記（６）式
に従つて、角度βを演算する。演算器１７は、このよう
にして演算された角度βの演算値と、演算器１７に予め
設定されているメタルフロー角度の目標値との差の値を
演算し、さらに、この差の値と前記（４）、（６）式に
基づいて前記差の値に対応した溶接プレート電圧を演算
する。そして、この溶接プレート電圧に基づいて自動電
圧調整器１８を介して高周波発振器４の出力が制御され
る。

これによつて、メタルフロー角度は常にメタルフロー角
度の目標値になるように制御される。なお、電縫溶接部
の目違いを修正するには、次のようにする。

目違いが生じると、第４図・ａ中ΔＹで示されるように
、溶接部に段差が生じる。このΔＹは、で演算される。

第９図に示されるように、解析装置１４からの前記ΔＹ
の演算値が演算器１７に入力されると、演算器１７では
、前記ΔＹの演算値と、演算器１７に予め設定されてい
るトツプロールの目標設定値に対応する前記ΔＹの目標
値との差が演算され、この演算結果に基づいてトツプロ
ールの修正量が演算される。

この修正量の演算結果に基づいてトツプロール６の駆動
装置１９が制御される。従つて、管溶接部に目違いが生
じても、すぐにこの目違いは修正される。この他、ビー
ドの倒れについても上記の場合と同様に画像データより
ビードの倒れ量を算出演算し、シームガイドスタンドを
修正制御すれば容易に目標溶接ビード形状になるように
制御できることは勿論である。

以上説明したように、この発明によれば、種々の原因に
より溶接ビード形状が変化しても、ただちに目標の溶接
ビード形状に修正制御されるので良好な品質の電縫管が
製造できるといつたきわめて有用な効果がもたらされる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の装置により電縫管の溶接を行なつ
ている状態を示す図、第２図は第１図のＡ−Ａ線断面図
、第３図は十字型光切断法の説明図、第４図ａは、溶接
ビード形状を示す光切断画像、第４図ｂは、前記光切断
画像を１回微分した微分曲線、第４図ｃは、前記微分曲
線をさらに１回微分した微分曲線、第５図は、この発明
の装置によりビード高さを制御する場合のプロツク図、
第６図は、ｉとβとの関係を示す図、第７図は、メタル
フロー角度の説明図、第８図は、この発明の装置により
メタルフロー角度を制御する場合のプロツク図、第９図
は、目違いを修正する場合のプロツク図である。 図面において、１・・・電縫管、１″・・・未溶接管、
３・・・スクイズロール、４・・・高周波発振器、５・
・・コンタクトシユ一、６・・・トツプロール、７・・
・レーザー光線発生、８・・・グラスフアイバ一装置、
９・・・円筒レンズ、１０・・・溶接ビード、１１・・
・レンズ、１２・・・イメージフアイバ一、１３・・・
カメラヘツド、１４・・・解析装置、１５・・・ＩＴ、
１６・・・記録計、１７・・・演算器、１８・・・ＡＶ
Ｒｌｌ９・・・トツプロール駆動装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電縫管の溶接ビードに、光線を斜めに照射するため
   の光源と、前記光源から前記溶接ビードに照射された光
   線によつて生じた、前記溶接ビードの光切断像を撮影す
   るためのカメラヘッドと、前記カメラヘッドからの前記
   光切断像の画像信号に基づいて、前記溶接ビードの高さ
   、および、メタルフロー角度に対応する角度βを演算す
   るための解析装置と、予め設定された前記溶接ビードの
   高さの目標値と、前記解析装置によつて演算された前記
   溶接ビードの高さの演算値との差の値、および、予め設
   定された前記メタルフロー角度の目標値と、前記解析装
   置によつて演算された前記角度βの演算値との差の値を
   演算し、このようにして演算した前記差の値に対応する
   、溶接用高周波発信器のプレート電圧を演算するための
   演算器と、前記演算器によつて液算された前記プレート
   電圧に基づいて、前記高周波発信器の出力を制御するた
   めの電圧調整器と、からなることを特徴とする、電縫管
   の溶接ビード形状の制御装置。