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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-08-08
(45)【発行日】2022-08-17
(54)【発明の名称】電縫溶接の監視方法、監視システム、及び監視プログラム
(51)【国際特許分類】
B23K 13/08 20060101AFI20220809BHJP
B23K 13/00 20060101ALI20220809BHJP
B21C 37/08 20060101ALI20220809BHJP
B21C 51/00 20060101ALI20220809BHJP
【ＦＩ】
B23K13/08 542
B23K13/00 A
B21C37/08 R
B21C51/00 P
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2018094860
(22)【出願日】2018-05-16
(65)【公開番号】P2019198877
(43)【公開日】2019-11-21
【審査請求日】2021-01-12
(73)【特許権者】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100104444
【弁理士】
【氏名又は名称】上羽 秀敏
(74)【代理人】
【識別番号】100132506
【弁理士】
【氏名又は名称】山内 哲文
(72)【発明者】
【氏名】深見 俊介
(72)【発明者】
【氏名】武田 祐輔
(72)【発明者】
【氏名】軽部 嘉文
(72)【発明者】
【氏名】長谷川 昇
【審査官】後藤 泰輔
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１１／１１８５６０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１３／１５７４２２（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ １３／０８
Ｂ２３Ｋ １３／００
Ｂ２１Ｃ ３７／０８
Ｂ２１Ｃ ５１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属板を搬送方向に搬送して円筒状に成形しつつ、前記金属板の周方向の両端を、径方向外側から見てＶ字状になるよう互いに対向させ、前記両端が接触する衝合部に交流電流を流すことにより溶融金属を形成して溶接する金属管の製造工程において、前記衝合部の溶融状態を監視する監視方法であって、前記金属板の両端の衝合部及びその周辺部を前記径方向から撮影した画像に基づいて、前記金属板の両端の衝合部の上流における接触前の前記両端の延長線の幾何学的な交点である幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点と、前記金属板の両端が接触し始める衝合点であるＶ収束点Ｖ１点との距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を検出する工程と、
溶接状態が２段収束型第２種溶接状態である場合の監視対象時点における入力電力が、第２種溶接状態から２段収束型第２種溶接状態への遷移領域における入力電力である基準入力電力を示す値であるＳＰＬｃｒに対して、どの程度離れているかを示す値である電力評価値ξを、前記監視対象時点における距離（ＬＶ０－ＬＶ１）、前記金属板の厚みｔ、及び成形される金属管の直径Ｄを用いて、算出する工程とを有する、監視方法。
【請求項2】
請求項１に記載の監視方法であって、前記電力評価値ξは、下記式（１）により算出される、監視方法。
ξ= f(t/D)×(LV0-LV1)+g(t/D) (1)
t：金属管の厚み
D：金属管の直径
f(t/D)：t/Dを変数とする関数
g(t/D)：t/Dを変数とする関数
【請求項3】
請求項２に記載の監視方法であって、前記電力評価値ξは、下記式（２）により算出される、監視方法。
ξ= {1945 × (t/D)2－152×(t/D)＋3.7}×(LV0-LV1)
＋{－49834×(t/D)2＋4198×(t/D)－82.5} (2)
【請求項4】
請求項１～３のいずれかに記載の監視方法を含む、金属管を製造する金属管の製造方法であって、前記算出された電力評価値をモニタに出力するか、又は、前記算出された電力評価値に基づいて前記入力電力を制御する工程をさらに備える、金属管の製造方法。
【請求項5】
金属板を搬送方向に搬送して円筒状に成形しつつ、前記金属板の周方向の両端を、径方向外側から見てＶ字状になるよう互いに対向させ、前記両端が接触する衝合部に交流電流を流すことにより溶融金属を形成して溶接する金属管の製造工程において、前記衝合部の溶融状態を監視する監視システムであって、前記金属板の両端の衝合部及びその周辺部を前記径方向から撮影した画像に基づいて、前記金属板の両端の衝合部の上流における接触前の前記両端の延長線の幾何学的な交点である幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点と、前記金属板の両端が接触し始める衝合点であるＶ収束点Ｖ１点との距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を検出する画像情報検出部と、
溶接状態が２段収束型第２種溶接状態である場合の監視対象時点における入力電力が、第２種溶接状態から２段収束型第２種溶接状態への遷移領域における入力電力である基準入力電力を示す値であるＳＰＬｃｒに対して、どの程度離れているかを示す値である電力評価値ξを、前記監視対象時点における距離（ＬＶ０－ＬＶ１）、前記金属板の厚みｔ、及び成形される金属管の直径Ｄを用いて、算出する評価算出部とを有する、監視システム。
【請求項6】
金属板を搬送方向に搬送して円筒状に成形しつつ、前記金属板の周方向の両端を、径方向外側から見てＶ字状になるよう互いに対向させ、前記両端が接触する衝合部に交流電流を流すことにより溶融金属を形成して溶接する金属管の製造工程において、前記衝合部の溶融状態を監視する監視プログラムであって、前記金属板の両端の衝合部及びその周辺部を前記径方向から撮影した画像に基づいて、前記金属板の両端の衝合部の上流における接触前の前記両端の延長線の幾何学的な交点である幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点と、前記金属板の両端が接触し始める衝合点であるＶ収束点Ｖ１点との距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を検出する処理と、
溶接状態が２段収束型第２種溶接状態である場合の監視対象時点における入力電力が、第２種溶接状態から２段収束型第２種溶接状態への遷移領域における入力電力である基準入力電力を示す値であるＳＰＬｃｒに対して、どの程度離れているかを示す値である電力評価値ξを、前記監視対象時点における距離（ＬＶ０－ＬＶ１）、前記金属板の厚みｔ、及び成形される金属管の直径Ｄを用いて、算出する処理とを、コンピュータに実行させる、監視プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電縫溶接（すなわちElectric Resistance Welding、以下、ＥＲＷと称する）において、溶接部品質を管理する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
ＥＲＷの技術を用いて製造された鋼管は電縫鋼管と呼ばれる。電縫鋼管は、例えば、石油又は天然ガス用ラインパイプ、油井管の他、原子力発電設備、地熱発電設備、化学プラント、各種機械の配管、及び一般配管に使用されている。電縫鋼管を製造する場合には、帯状の鋼板、例えば、熱延鋼帯を管状に成形する。その際、鋼板の周方向の両端すなわち互いに対向する端面を、径方向から見てＶ字状になるよう突き合わせる。互いに突き合わされるこれらの両端が衝合（接触）する部分に高周波電流を流すことよって、衝合部を加熱、溶融させて、溶接シームを形成する。
【0003】
ＥＲＷでは、溶接欠陥を抑えるために、入熱量（すなわち入力電力）及び溶接速度等を適正な範囲に制御することが求められる。例えば、入熱が不足していたり、溶接速度が速かったりする場合には未溶接部が発生することがある。一方、入熱が過剰であったり、溶接速度が遅かったりする場合には、多量の酸化物が溶接部に残存することがある。
【0004】
一般に、電縫溶接における溶接の状態は、第１種溶接状態と、第２種溶接状態と、第３種溶接状態とに大別される。第１種溶接状態では、鋼板の端面が最初に接触する溶接点の位置変動が非常に小さい。この溶接点の位置変動は、第２種溶接状態、及び第３種溶接状態の順に大きくなる。第２種溶接状態では、衝合部に溶融スリットが発生する。また、溶接速度及び入熱量がある条件を満たす場合に、２段収束を伴う２段収束型第２種溶接状態が出現する。なお、溶接状態は、溶接現象と称されることもある。そのため、第１種溶接状態は第１溶接現象と、第２種溶接状態は第２種溶接現象と、第３種溶接状態は第３種溶接現象と、２段収束型第２種溶接状態は２段収束型第２種溶接現象と称されることもある。
【0005】
２段収束型第２種溶接状態では、径方向から見てＶ字状に収束する鋼板の両端の延長線が交わる点（幾何学的Ｖ収束点：Ｖ０点）では鋼板の両端（エッジ）が接触しない。鋼板の端面が最初に接触するＶ収束点（Ｖ１点）は、Ｖ０点より造管方向の下流側になる。すなわち、鋼板の両端（エッジ）は、径方向から見て２段のテーパー状になる。なお、Ｖ収束点（Ｖ１点）は、Ｖ字状に収束する金属板の周方向の端部が物理的に衝合（接触）する点である。溶接点（Ｗ点）は、溶融スリットの終端点すなわち、溶融スリットの造管方向の下流の端である。
【0006】
図１は、各種溶接状態と、溶接速度及び入力電力との関係を概念的に示す図である。図１において、領域２００１が第１種溶接状態に対応する領域であり、領域２００２が第２種溶接状態に対応する領域であり、領域２００３が第３種溶接状態に対応する領域であり、領域２００４が２段収束型第２種溶接状態に対応する領域である。また、Ｖｍは２段収束型第２種溶接状態が現れる臨界溶接速度であり、Ｔｍは鋼板の融点である。Ｔは、Ｖ０点における鋼板の両端（エッジ）の温度である。Ｔ＝Ｔｍの線より上の領域では、Ｖ０点で鋼板の両端が板厚全体にわたって溶融する。
【0007】
溶接速度が臨界溶接速度Ｖｍ未満の場合であって、入力電力が低い場合には、溶接の状態は第１種溶接状態（領域２００１）となる。溶接速度が臨界溶接速度Ｖｍ未満であっても、入力電力を増加させると、溶接の状態は第２種溶接状態（領域２００２）となり、更に入力電力を増加させると第３種溶接状態（領域２００３）に移行する。一方、溶接速度が臨界溶接速度Ｖｍ以上の場合、溶接の状態は、入力電力の増加と共に、第１種溶接状態（領域２００１）から第２種溶接状態（領域２００２）に移行し、更に入力電力を増加させると、２段収束型第２種溶接状態（領域２００４）となる。
【0008】
特許第５５１０６１５号公報（特許文献１）には、電縫鋼管を製造する際のＥＲＷの操業を管理する電縫溶接操業管理装置が記載されている。この電縫溶接操業管理装置は、撮像装置で撮像されたＶ字収束領域の表面と溶融スリット端および溶接点とを含む領域の画像（Ｖ字収束領域の画像）を入力する。電縫溶接操業管理装置は、このＶ字収束領域の画像に対する処理の結果を用いて、溶接の状態が２段収束型第２種溶接状態となるように、高周波電源から出力される電力量を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】特許第５５１０６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
発明者らは、ラボ試験及び実機試験を行い、入力電力（入熱量）と溶接状態（溶接現象）の関係、及び溶接状態と溶接欠陥面積率の関係を明確化し、最適溶接条件を検討した。その結果、第２種溶接状態から２段収束型第２種溶接状態へ移行する際に遷移領域が出現することがわかった。そして、溶接欠陥面積率が目標値を満足する溶接条件は、遷移領域における入力電力として決定される基準入力電力ＳＰＬｃｒから１０％程度増加した入力電力における２段階収束型第２溶接状態となる場合があることがわかった。
【0011】
例えば、上記のように、基準入力電力ＳＰＬｃｒから１０％程度増加した入力電力を最適入力電力（目標入力電力）と設定して溶接操業する場合、現在の入力電力が基準入力電力から何％離れているかを監視することが有用である。
【0012】
そこで、本発明は、溶接中の入力電力が、第２種溶接状態から２段収束型第２種溶接状態への遷移領域における入力電力からどの程度離れているかを、推定可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の実施形態における監視方法は、金属板を搬送方向に搬送して円筒状に成形しつつ、前記金属板の周方向の両端を、径方向外側から見てＶ字状になるよう互いに対向させ、前記両端が接触する衝合部に交流電流を流すことにより溶融金属を形成して溶接する金属管の製造工程において、前記衝合部の溶融状態を監視する監視方法である。
前記監視方法は、前記金属板の両端の衝合部及びその周辺部を前記径方向から撮影した画像に基づいて、前記金属板の両端の衝合部の上流における接触前の前記両端の延長線の幾何学的な交点である幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点と、前記金属板の両端が接触し始める衝合点であるＶ収束点Ｖ１点との距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を検出する工程と、ある監視対象時点における入力電力（又は入熱量）が、第２種溶接状態から２段収束型第２種溶接状態への遷移領域における入力電力として決定される基準入力電力を示す値であるＳＰＬｃｒに対して、どの程度離れているかを示す値である電力評価値ξを、前記監視対象時点における距離（ＬＶ０－ＬＶ１）、前記金属板の厚みｔ、及び成形される金属管の直径Ｄを用いて、算出する工程とを有する。
前記監視方法は、前記金属板の両端の衝合部及びその周辺部を前記径方向から撮影した画像に基づいて、前記金属板の両端の衝合部の上流における接触前の前記両端の延長線の幾何学的な交点である幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点と、前記金属板の両端が接触し始める衝合点であるＶ収束点Ｖ１点との距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を検出する工程と、ある監視対象時点における入力電力（又は入熱量）が、第２種溶接状態から２段収束型第２種溶接状態への遷移領域における入力電力として決定される基準入力電力を示す値であるＳＰＬｃｒに対して、どの程度離れているかを示す値である電力評価値ξを、前記監視対象時点における距離（ＬＶ０－ＬＶ１）、前記金属板の厚みｔ、及び成形される金属管の直径Ｄを用いて、算出する工程とを有する。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、溶接中の入力電力が、第２種溶接状態から２段収束型第２種溶接状態への遷移領域における入力電力として決定される基準入力電力からどの程度離れているかを、容易に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【発明を実施するための形態】
【0016】
発明者らは、溶接時の金属管端部の形状を注意深く観察した結果、第２種溶接状態から２段収束型第２溶接状態への移行時に遷移領域が存在することを見出した。さらに、発明者らは、その遷移領域及び２段収束型第２溶接状態において、入力電力（すなわち入熱量）の増加に伴い距離（ＬＶ０－ＬＶ１）が変化することを見出した。さらに、発明者らは、金属管の厚みｔ及び直径Ｄが変わると、距離（ＬＶ０－ＬＶ１）も変化することを見出した。これらの知見に基づいて、発明者らは、遷移領域における入力電力として決定される基準入力電力に対する現在の入力電力の相対的な値を、距離（ＬＶ０―ＬＶ１）と、金属板の厚みｔ及び成形される金属管の直径Ｄを用いて計算できることに想到した。すなわち、距離（ＬＶ０―ＬＶ１）と、金属板の厚みｔ及び金属管の直径Ｄを用いることで、ある時点の入力電力が、基準入力電力に対して、どの程度離れているかを推定できることを見出した。この知見に基づき、以下の実施形態に想到した。
【0017】
本発明の実施形態における監視方法は、金属板を搬送方向に搬送して円筒状に成形しつつ、前記金属板の周方向の両端を、径方向外側から見てＶ字状になるよう互いに対向させ、前記両端が接触する衝合部に交流電流を流すことにより溶融金属を形成して溶接する金属管の製造工程において、前記衝合部の溶融状態を監視する監視方法である。
前記監視方法は、前記金属板の両端の衝合部及びその周辺部を前記径方向から撮影した画像に基づいて、前記金属板の両端の衝合部の（造管方向における）上流における接触前の前記両端の延長線の幾何学的な交点である幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点と、前記金属板の両端が接触し始める衝合点であるＶ収束点Ｖ１点との距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を検出する工程と、ある監視対象時点における入力電力（又は入熱量）が、第２種溶接状態から２段収束型第２種溶接状態への遷移領域における入力電力として決定される基準入力電力を示す値であるＳＰＬｃｒに対して、どの程度離れているかを示す値である電力評価値ξを、前記監視対象時点における距離（ＬＶ０－ＬＶ１）、前記金属板の厚みｔ、及び成形される金属管の直径Ｄを用いて、算出する工程とを有する。
前記監視方法は、前記金属板の両端の衝合部及びその周辺部を前記径方向から撮影した画像に基づいて、前記金属板の両端の衝合部の（造管方向における）上流における接触前の前記両端の延長線の幾何学的な交点である幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点と、前記金属板の両端が接触し始める衝合点であるＶ収束点Ｖ１点との距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を検出する工程と、ある監視対象時点における入力電力（又は入熱量）が、第２種溶接状態から２段収束型第２種溶接状態への遷移領域における入力電力として決定される基準入力電力を示す値であるＳＰＬｃｒに対して、どの程度離れているかを示す値である電力評価値ξを、前記監視対象時点における距離（ＬＶ０－ＬＶ１）、前記金属板の厚みｔ、及び成形される金属管の直径Ｄを用いて、算出する工程とを有する。
【0018】
上記の監視方法を実現する装置、並びに、上記の監視方法をコンピュータに実行させるためのプログラム及びそのプログラムを記録した記録媒体も、本発明の実施形態に含まれる。
【0019】
上記監視方法を実現する装置の実施形態としての監視システムは、前記金属板の両端の衝合部及びその周辺部を前記径方向から撮影した画像に基づいて、前記金属板の両端の衝合部の上流における接触前の前記両端の延長線の幾何学的な交点である幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点と、前記金属板の両端が接触し始める衝合点であるＶ収束点Ｖ１点との距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を検出する画像情報検出部と、ある監視対象時点における入力電力が、第２種溶接状態から２段収束型第２種溶接状態への遷移領域における入力電力として決定される基準入力電力を示す値であるＳＰＬｃｒに対して、どの程度離れているかを示す値である電力評価値ξを、前記監視対象時点における距離（ＬＶ０－ＬＶ１）、前記金属板の厚みｔ、及び成形される金属管の直径Ｄを用いて、算出する評価算出部とを有する。
【0020】
上記の監視方法をコンピュータに実行させるためのプログラムの実施形態としての監視プログラムは、前記金属板の両端の衝合部及びその周辺部を前記径方向から撮影した画像に基づいて、前記金属板の両端の衝合部の上流における接触前の前記両端の延長線の幾何学的な交点である幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点と、前記金属板の両端が接触し始める衝合点であるＶ収束点Ｖ１点との距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を検出する処理と、ある監視対象時点における入力電力が、第２種溶接状態から２段収束型第２種溶接状態への遷移領域における入力電力として決定される基準入力電力を示す値であるＳＰＬｃｒに対して、どの程度離れているかを示す値である電力評価値ξを、前記監視対象時点における距離（ＬＶ０－ＬＶ１）、前記金属板の厚みｔ、及び成形される金属管の直径Ｄを用いて、算出する処理とを、コンピュータに実行させる。
【0021】
上記の監視方法、監視システム、又は監視プログラムによれば、溶接中の入力電力が、遷移領域状態を発生させる入力電力からどの程度離れているかを、推定することが可能になる。ここで、入力電力は、金属板の衝合部に流す交流電流を供給するための電力である。入力電力を調整することで、金属板の溶接における入熱量を調整することができる。すなわち、金属板の溶接における入熱量は、入力電力に依存する。そのため、入力電力の値は、入熱量の値として表されてもよい。
【0022】
上記の構成において、溶接状態が第２種溶接状態から２段収束型第２種溶接状態への遷移領域にある時の入力電力を、基準入力電力として決定することができる。基準入力電力は、溶接状態が厳密に遷移領域内にある場合の入力電力に限られず、例えば、遷移領域外であっても遷移領域と見なすことができる程度に遷移領域に近い場合の入力電力であってもよい。溶接状態が遷移領域であるか否かは、例えば、衝合部及びその周辺部を径方向から撮影した画像の処理結果に基づいて判断することができる。
【0023】
上記の監視方法、監視システム、又は監視プログラムにおいて、前記電力評価値ξは、例えば、下記式（１）により算出することができる。
ξ= f(t/D)×(LV0-LV1)+g(t/D) (1)
t：金属管の厚み
D：金属管の直径
f(t/D)：t/Dを変数とする関数
g(t/D)：t/Dを変数とする関数
ξ= f(t/D)×(LV0-LV1)+g(t/D) (1)
t：金属管の厚み
D：金属管の直径
f(t/D)：t/Dを変数とする関数
g(t/D)：t/Dを変数とする関数
【0024】
上記の式（１）において、ｆ（ｔ／Ｄ）、ｇ（ｔ／Ｄ）は、ｔとＤが決まれば定数となる。上記式（１）は、ｔとＤで決まる値を、係数及び定数項とし、距離（ＬＶ０―ＬＶ１）を変数とする一次関数となる。式（１）を用いることにより、溶接中の入力電力が、基準入力電力ＳＰＬｃｒからどの程度離れているかを、正確に推定することができる。
【0025】
なお、電力評価値ξを算出する式は、上記式に限られない。例えば、距離（ＬＶ０―ＬＶ１）を変数とする一次関数の代わりに、二次関数、指数関数、その他の関数を用いてもよい。また、例えば、係数及び定数項の少なくともいずれかは、ｔとＤに加えて、他の値に依存する値であってもよい。また、上記例では、電力評価値ξは、例えば、百分率で表される値（すなわち単位が％の値）である。このように電力評価値ξは、基準入力電力ＳＰＬｃｒに対する入力電力の比率で表すことができる。なお、電力評価値ξは、基準値に対する比率の他、差分、その他の基準値に対する相対的な値で表されてもよい。
【0026】
上記の監視方法、監視システム又は監視プログラムにおいて、前記電力評価値ξは、例えば、下記式（２）により算出することができる。
ξ= {1945 × (t/D)2－152×(t/D)＋3.7}×(LV0-LV1)
＋{－49834×(t/D)2＋4198×(t/D)－82.5} (2)
ξ= {1945 × (t/D)2－152×(t/D)＋3.7}×(LV0-LV1)
＋{－49834×(t/D)2＋4198×(t/D)－82.5} (2)
【0027】
発明者らは、上記式（１）における、ｆ（ｔ／Ｄ）及びｇ（ｔ／Ｄ）を、二次関数とすることで、精度よく、電力評価値ξを計算できることを見出した。上記式（１）のｆ（ｔ／Ｄ）及びｇ（ｇ／Ｄ）を二次関数として、実験データを基にフィッティングして得られた式が上記式（２）である。そのため、上記式（２）を用いることで、精度良く、電力評価値ξを算出することができる。
【0028】
上記監視方法を含む金属管の製造方法、監視システムを含む金属管の製造システム又は監視プログラムを含む金属管の製造プログラムも、本発明の実施形態に含まれる。この製造方法、製造システム又は製造プログラムは、前記算出された電力評価値をモニタ（表示装置）に出力するか、又は、前記算出された電力評価値に基づいて前記入力電力を制御する工程、機能部、又は処理をさらに含んでもよい。また、電力評価値が予め決められた条件を満たすか否かにより、溶接状態を判断する工程、機能部又は処理が含まれてもよい。これにより、電力評価値を用いた入力電力の制御を容易にすることができる。
【0029】
前記製造方法は、例えば、前記電力評価値と、予め決められた目標入力電力の範囲とを同時に視認可能な状態でモニタに表示する工程を含んでもよい。また、前記製造方法は、前記電力評価値が、予め決められた目標入力電力の範囲内となるように、入力電力を制御する工程を含んでもよい。目標入力電力の範囲は、例えば、ＳＰＬｃｒよりも５％～２０％大きい入力電力の範囲内とすることができる。一例として、目標入力電力の範囲を、ＳＰＬｃｒから１０％増加した入力電力から所定の範囲内とすることができる。
【0030】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【0031】
［実施形態１］
＜電縫鋼管の製造システム＞
図２は、本発明の実施形態に係る電縫鋼管の製造システムの構成の一例を示す図である。尚、本実施形態では、電縫鋼管の製造システムの各構成要素の位置と、撮像された画像の位置は、それぞれ同一の３次元直交座標（ｘ，ｙ，ｚ座標）で表されるものとする。すなわち、各図に示すｘ，ｙ，ｚ座標は、その方向のみを示すものであり、その原点の位置は各図において同一であるものとする。
＜電縫鋼管の製造システム＞
図２は、本発明の実施形態に係る電縫鋼管の製造システムの構成の一例を示す図である。尚、本実施形態では、電縫鋼管の製造システムの各構成要素の位置と、撮像された画像の位置は、それぞれ同一の３次元直交座標（ｘ，ｙ，ｚ座標）で表されるものとする。すなわち、各図に示すｘ，ｙ，ｚ座標は、その方向のみを示すものであり、その原点の位置は各図において同一であるものとする。
【0032】
図２において、電縫鋼管の製造システムは、スクイズロール２ａ、２ｂと、コンタクトチップ３ａ、３ｂと、インピーダー４と、撮像装置５と、高周波電源６と、管理システム１００と、を有する。
【0033】
まず、電縫鋼管の製造設備の概要を説明する。図２に示すように、帯状の鋼板１がｘ軸の正の方向に向かって搬送されながら、ロール群（図示せず）により連続的に円筒状に成形される。円筒状に成形される鋼板１の内部には、磁束を鋼板１の衝合部に集中させるためのインピーダー４が配置されている。高周波電源６から高周波の電力が供給されると、一対のコンタクトチップ３ａ、３ｂ（又は誘電コイル（図示せず））から、鋼板１のＶ字状に収束する領域の表面に高周波電流が流れる。このとき、スクイズロール２ａ、２ｂにより、鋼板１に対してその両側方から押圧力が加えられる。これにより、鋼板１の周方向の両端１１ａ、１１ｂをＶ字状に収束させながら突き合わせて接触させるとともに、両端１１ａ、１１ｂが接触する衝合部を加熱し溶融させて、鋼板１を溶融接合する。このような溶融接合は、電縫溶接（ＥＲＷ）と称される。尚、以下の説明では、「鋼板１のＶ字状に収束する領域」を必要に応じて「Ｖ字収束領域」と称する。また、鋼板１の周方向の両端１１ａ、１１ｂが突き合わされて、１本の線状に観察される部分を必要に応じて「溶接線」と称する。
【0034】
撮像装置５は、Ｖ字収束領域の表面を含む領域の自発光パターン（輻射パターン）を撮像する。撮像装置５としては、例えば、１９２０×５１２の画素を有する３ＣＣＤ型カラーカメラが用いられる。撮像装置５は、例えば、撮影視野が５０［ｍｍ］×１９０［ｍｍ］、分解能が１００［μｍ／画素］、撮影フレームレートが５００［ｆｐｓ］、露光時間が１／１００００［ｓｅｃ］の条件で、Ｖ字収束領域の表面を含む領域を撮像する。撮像装置５による撮像は一定の時間間隔で連続的に行われる。連続的に撮像された複数の画像における一枚の画像をフレームと呼ぶ。また、以下の説明では、撮像装置５で撮像された「画像」を必要に応じて「Ｖ字収束領域の画像」と称する。
【0035】
管理システム１００は、撮像装置５で撮像されたＶ字収束領域の画像を入力する。そして、管理システム１００は、Ｖ字収束領域の画像に対する処理等を行って、溶接状態を監視する。すなわち、画像処理の結果として、溶接状態を示すデータが生成される。管理システム１００は、画像処理により得られる溶接状態を示すデータに基づいて、溶接条件を決定する。例えば、管理システム１００は、溶接の状態が２段収束型第２種溶接状態となるように、高周波電源６から出力される電力量（ＶＡ）を制御することができる。
【0036】
管理システム１００は、決定した溶接条件となるように、スクイズロール２ａ、２ｂ、コンタクトチップ３ａ、３ｂ、高周波電源６又はその他の部材の動作を制御する。このように、管理システム１００は、溶接の状態を監視する監視装置（監視システム）と、監視結果に基づいて溶接を制御する制御装置（制御部）とを含むことができる。監視装置は、上記の撮像装置５で撮像された画像の他にも、必要に応じて、溶接条件に関する情報を取得してもよい。例えば、コンタクトチップ３ａ、３ｂ及び高周波電源６の出力値、スクイズロール２ａ、２ｂの圧力、ロール間距離等、溶接に用いられる装置の動作を示す情報を取得することができる。
【0037】
＜２段収束型第２種溶接状態の説明＞
図３Ａ及び図３Ｂは、２段収束型第２種溶接状態におけるＶ字収束領域の一例を概念的に示す図である。具体的に図３Ａは、Ｖ字収束領域をその上方（ｚ方向）から見た図であり、図３Ｂは、鋼板１の搬送方向（ｘ軸方向）すなわち造管方向の上流側からＶ収束点Ｖ１点の方向を見た図である。
図３Ａ及び図３Ｂは、２段収束型第２種溶接状態におけるＶ字収束領域の一例を概念的に示す図である。具体的に図３Ａは、Ｖ字収束領域をその上方（ｚ方向）から見た図であり、図３Ｂは、鋼板１の搬送方向（ｘ軸方向）すなわち造管方向の上流側からＶ収束点Ｖ１点の方向を見た図である。
【0038】
２段収束型第２種溶接状態では、鋼板１の周方向の両端１１ａ、１１ｂの厚み方向（ｚ軸方向）の溶融部分が排出されながら両端１１ａ、１１ｂが突き合わせられる。その際、両端１１ａ、１１ｂの厚み方向の中心部が溶融して中心から外側へ向かって溶融部分が排出される（図３Ｂに示す矢印線を参照）。
【0039】
鋼板１の上方からＶ字収束領域を含む領域の自発光パターンを高精細に且つ像流れなく撮像（撮影分解能：１００［μｍ／画素］、露光時間：１／１００００［ｓｅｃ］の条件）して高い精度でＶ収束点を測定したところ、２段収束型第２種溶接状態が観測された。溶接の状態が２段収束型第２種溶接状態となると、図３Ａに示すように、鋼板１の搬送方向（ｘ軸方向）すなわち造管方向の相対的に上流側の領域に幾何学的なＶ収束点である幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点と、相対的に下流側の領域に衝合点であるＶ収束点Ｖ１点とが存在するようになる。幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点は、Ｖ字状に収束する鋼板１の周方向の両端１１ａ、１１ｂの下流側への延長線（破線で示す）が幾何学的に交わる点である。一方、衝合点であるＶ収束点Ｖ１点は、Ｖ字状に収束する鋼板１の周方向の両端１１ａ、１１ｂが最初に物理的に衝合（接触）する点である。Ｖ字を形成していた両端１１ａ、１１ｂは、２段収束型第２種溶接状態では、Ｖ字先端から造管方向の上流側のある程度の位置ｋ１、ｋ２において屈曲した２段のテーパー状の形状となる。これに対して遷移領域における両端１１ａ、１１ｂは、直線状と２段のテーパー状の状態が交互に現れる不安定な形態を示す。
【0040】
溶接の状態が第２種溶接状態となる入力電力以上の入力電力が与えられるときには、溶融スリットの終端点である溶接点Ｗ点は、衝合点であるＶ収束点Ｖ１点よりも更に造管方向の下流側の領域に存在する。Ｖ収束点Ｖ１点と溶接点Ｗ点との間には、鋼板１の厚み方向において鋼板１を貫通する溶融スリットＳが形成される。さらに、この溶融スリットＳは、Ｖ収束点Ｖ１点から、鋼板１の搬送方向（ｘ軸方向）すなわち造管方向の下流側の方へ伸びた後、消失する。このような溶融スリットＳのｘ軸方向の大きさの変動（溶融スリットＳの成長と消失）は、数［ｍｓｅｃ］の周期で周期的に行われる。Ｖ収束点Ｖ１点と溶接点Ｗ点とは、ともに溶接線上に存在する。
【0041】
発明者らは、最適溶接条件は、遷移領域状態における入力電力すなわち基準入力電力ＳＰＬｃｒから１０％程度大きい２段収束型第２種溶接状態の入力電力である場合があることを見出した。しかし、２段収束型第２種溶接状態においては、入力電力が基準入力電力ＳＰＬｃｒからどの程度離れているのかを特定することが難しく、入力電力の監視が難しかった。
【0042】
一方、入力電力が変化すると溶接部を直上（径方向）から観察した溶接部形状（Ｖ０点、Ｖ１点、Ｗ点）が変化することがこれまでに分かっている。そこで、発明者らは、溶接部を直上から観察したときの溶接部形状を注意深く観察した。その結果、溶接部形状と入力電力との間にある関係があることを見出した。この関係を用いて。溶接条件を監視する方法を発明した。以下に、発明者らによる実験及び検討の詳細を説明する。
【0043】
＜ラボシミュレータを用いた実験＞
ラボ試験装置（以下、ラボシミュレータと称す）を使用して溶接実験を行った。供試材は炭素鋼を使用した。試験片の形状は、板厚８ｍｍ、幅３２ｍｍ、長さ４０００ｍｍとした。溶接速度は２０ｍ／ｍｉｎとし、入力電力は４２５．９～４７４．７ＶＡとした。スクイズ量は４ｍｍとした。溶接状態判定は、主にビデオカメラによる動画で実施した。
ラボ試験装置（以下、ラボシミュレータと称す）を使用して溶接実験を行った。供試材は炭素鋼を使用した。試験片の形状は、板厚８ｍｍ、幅３２ｍｍ、長さ４０００ｍｍとした。溶接速度は２０ｍ／ｍｉｎとし、入力電力は４２５．９～４７４．７ＶＡとした。スクイズ量は４ｍｍとした。溶接状態判定は、主にビデオカメラによる動画で実施した。
【0044】
溶接部形状の測定はビデオカメラで撮影した画像から実施した。図３Ａに示すように、鋼板エッジの延長線が接触する点を幾何学的Ｖ収束点（Ｖ０点）と定義して、スクイズロールの軸芯を結んだ線（スクイズロールセンター：ＳＱＣ）と、Ｖ０点の距離をＬＶ０（ｍｍ）とした。Ｖ０点より造管方向の下流側で鋼板エッジが接触する場合は、その接触点をＶ１点とした。ＳＱＣとＶ１点の距離をＶ１(ｍｍ)、Ｖ０点とＶ１点の距離をＬＶ０－ＬＶ１（ｍｍ）とした。溶接点をＷ点とし、ＳＱＣとＷ点の距離をＬＷ(ｍｍ)とした。距離ＬＶ０、ＬＶ１、ＬＷ、及びＬＶ０－ＬＶ１の計測は、連続して撮影された１００枚の画像（フレーム）の平均値とした。
【0045】
図４～図６は、上記ラボシミュレータによる実験結果を示す。図４に入力電力と溶接部画像例および溶接部形状計測値を示す。また図５に入力電力と距離ＬＶ０、ＬＶ１、ＬＷそれぞれの関係を、図６に入力電力と距離（ＬＶ０－ＬＶ１）の関係を示す。
【0046】
ＬＶ０（ｍｍ）は入力電力の増加とともに増加した。ＬＶ１（ｍｍ）とＬＷ（ｍｍ）は入力電力の増加とともに減少した。またＬＶ０－ＬＶ１（ｍｍ）は、第２種溶接状態では０ｍｍで、遷移領域になると増加し始め、入力電力の増加とともにさらに増加した。すなわち遷移領域以上の入力電力において入力電力と距離（ＬＶ０-ＬＶ１）に相関関係があることがわかった。
【0047】
このラボシミュレータの実験の結果を検討し、あらかじめ適正入力電力におけるＬＶ０－ＬＶ１（ｍｍ）を計測し、溶接中のＬＶ０－ＬＶ１（ｍｍ）と比較することで、適正値からの入力電力の変化を監視できる可能性があることに、発明者らは想到した。
【0048】
＜実機における検証＞
上記のラボシミュレータによる実験結果を受けて、発明者らは、実機で種々の板厚を用いて距離（ＬＶ０－ＬＶ１）と入力電力の関係を検証した。以下にその詳細を説明する。
上記のラボシミュレータによる実験結果を受けて、発明者らは、実機で種々の板厚を用いて距離（ＬＶ０－ＬＶ１）と入力電力の関係を検証した。以下にその詳細を説明する。
【0049】
（１）実験条件
板厚６．４ｍｍ、１２．７ｍｍ、１９．０ｍｍ、外径４０４．４ｍｍの鋼管を造管した。入力電力は第２種溶接状態から２段収束型第２種溶接状態となるまでステップ状に増加させた。
板厚６．４ｍｍ、１２．７ｍｍ、１９．０ｍｍ、外径４０４．４ｍｍの鋼管を造管した。入力電力は第２種溶接状態から２段収束型第２種溶接状態となるまでステップ状に増加させた。
【0050】
（２）距離（ＬＶ０-ＬＶ１）計測方法
距離（ＬＶ０-ＬＶ１）の計測は、溶接部上方から撮影した画像を用いて行った。計測値は連続して撮影された１００枚の画像（フレーム）の平均値とした。
距離（ＬＶ０-ＬＶ１）の計測は、溶接部上方から撮影した画像を用いて行った。計測値は連続して撮影された１００枚の画像（フレーム）の平均値とした。
【0051】
板厚６．４ｍｍ、１２．７ｍｍ、１９．０ｍｍのそれぞれにおける入力電力毎の溶接状態判定結果と溶接部画像を図７、図８、図９に示す。また、図１０、図１１、図１２に、入力電力と距離（ＬＶ０－ＬＶ１）および溶接状態の関係を示す。いずれの板厚においても、第２種溶接状態での距離（ＬＶ０－ＬＶ１）は０ｍｍであるが、入力電力を増加させて遷移領域状態に変化するとＶ０点とＶ１点が分離した。さらに入力電力を増加させると２段収束型第２種溶接状態に変化して距離（ＬＶ０―ＬＶ１）は増加し、２段収束型第２種溶接状態でも入力電力増加に伴って距離（ＬＶ０―ＬＶ１）が増加した。
【0052】
図１３に電力評価値ξと、距離（ＬＶ０―ＬＶ１）および板厚の関係を示す。ξは基準入力電力ＳＰＬｃｒに対する入力電力の増分の割合（％）を示す。図１３より、ξが大きいほど距離（ＬＶ０－ＬＶ１）の値が大きく、また板厚が大きくなると、距離（ＬＶ０―ＬＶ１）が小さくなることが確認された。
【0053】
これらの結果から、実機においてもラボシミュレータと同様に、２段収束型第２種溶接状態の範囲で、入力電力の増加とともに距離（ＬＶ０－ＬＶ１）が増加することを確認した。以上のことから、あらかじめ設定された入力電力におけるＬＶ０―ＬＶ１（ｍｍ）を計測し、溶接中のＬＶ０－ＬＶ１（ｍｍ）と比較することで、最適溶接条件監視の可能性があることを見出した。
【0054】
＜ＬＶ０―ＬＶ１予測式構築による適正溶接条件監視技術の高度化提案＞
上記の実験結果を基に、電力評価値ξが、距離（ＬＶ０－ＬＶ１）と、板厚ｔを金属管の直径Ｄで無次元化したｔ/Ｄによって求められると仮定して予測式を検討した。
上記の実験結果を基に、電力評価値ξが、距離（ＬＶ０－ＬＶ１）と、板厚ｔを金属管の直径Ｄで無次元化したｔ/Ｄによって求められると仮定して予測式を検討した。
【0055】
まず、ｔ/Ｄ変化に伴うξと距離（ＬＶ０－ＬＶ１）の関係を図１４に示す。ξが距離（ＬＶ０－ＬＶ１）とほぼ線形の関係にあることから、ξ予測式を、下記式（１）と仮定した。
ξ（％）= f(t/D)×(LV0-LV1)+g(t/D) (1)
ξ（％）= f(t/D)×(LV0-LV1)+g(t/D) (1)
【0056】
また、図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）に、ξが、５％、１０％、１５％のときのｔ/Ｄと距離（ＬＶ０－ＬＶ１）の関係をそれぞれ示す。これらにより、いずれも二次関数で近似できることから、上記式（１）のｆ（ｔ／Ｄ）とｇ（ｔ／Ｄ）を二次関数と仮定して、フィッティングを行い、下記の予測式（２）を演算した。
ξ（％） = {1945 × (t/D)2－152×(t/D)＋3.7}×(LV0-LV1)
＋{－49834×(t/D)2＋4198×(t/D)－82.5} (2)
ξ（％） = {1945 × (t/D)2－152×(t/D)＋3.7}×(LV0-LV1)
＋{－49834×(t/D)2＋4198×(t/D)－82.5} (2)
【0057】
上記式（２）では、ｆ（ｔ／Ｄ）、ｇ（ｔ／Ｄ）が、二次関数であるが、ｆ（ｔ／Ｄ）、ｇ（ｔ／Ｄ）は、二次関数に限られない。一次関数又はその他の関数を、実測値にフィッティングすることでｆ（ｔ／Ｄ）、ｇ（ｔ／Ｄ）を決定することができる。図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す例では、問題となるｔ／Ｄの範囲において、ｔ／Ｄが増加するとｆ（ｔ／Ｄ）、ｇ（ｔ／Ｄ）が減少するような関数を、ｆ（ｔ／Ｄ）、ｇ（ｔ／Ｄ）とすることができる。
【0058】
【0059】
以上の結果から、今回の実験データを用いた場合に距離（ＬＶ０－ＬＶ１）の予測をすることが可能であることが分かった。この知見に基づき、発明者らは、溶接中の画像から距離（ＬＶ０－ＬＶ１）をとらえることで溶接条件を監視する方法及びシステムを発明した。以下にその具体例を説明する。
【0060】
＜溶接条件監視の具体例＞
図１７は、監視システムを含む管理システム１００（製造システムの一例）の構成例を示す機能ブロック図である。管理システム１００は、監視システム１０１、制御部１０４、及びモニタ１０５を含む。監視システム１０１は、画像情報検出部１０２、及び評価算出部１０３を含む。画像情報検出部１０２は、撮像装置５が金属板の両端の衝合部及びその周辺部を径方向から撮影した画像を取得する。画像情報検出部１０２は、取得した画像から、幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点とＶ収束点Ｖ１点との距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を検出する。評価算出部１０３は、ある監視対象時点における入力電力が、遷移領域における入力電力としていて決定される基準入力電力を示す値であるＳＰＬｃｒに対して、どの程度離れているかを示す値である電力評価値ξを、算出する。電力評価値ξの算出には、監視対象時点における距離（ＬＶ０－ＬＶ１）、金属板の厚みｔ、及び成形される金属管の直径Ｄが用いられる。
図１７は、監視システムを含む管理システム１００（製造システムの一例）の構成例を示す機能ブロック図である。管理システム１００は、監視システム１０１、制御部１０４、及びモニタ１０５を含む。監視システム１０１は、画像情報検出部１０２、及び評価算出部１０３を含む。画像情報検出部１０２は、撮像装置５が金属板の両端の衝合部及びその周辺部を径方向から撮影した画像を取得する。画像情報検出部１０２は、取得した画像から、幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点とＶ収束点Ｖ１点との距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を検出する。評価算出部１０３は、ある監視対象時点における入力電力が、遷移領域における入力電力としていて決定される基準入力電力を示す値であるＳＰＬｃｒに対して、どの程度離れているかを示す値である電力評価値ξを、算出する。電力評価値ξの算出には、監視対象時点における距離（ＬＶ０－ＬＶ１）、金属板の厚みｔ、及び成形される金属管の直径Ｄが用いられる。
【0061】
監視システム１０１は、評価算出部１０３で算出された電力評価値を、モニタ１０５に出力することができる。監視システム１０１は、操業中の連続する複数の時点のそれぞれにおける電力評価値を算出して、それらをモニタ１０５に出力してもよい。これにより、電力評価値をリアルタイムでモニタ１０５に表示することができる。
【0062】
また、監視システム１０１は、評価算出部１０３で算出された電力評価値に基づいて入力電力を制御する制御部１０４をさらに備える。制御部１０４は、例えば、電力評価値が予め決められた条件を満たすように、入力電力を制御することができる。例えば、電力評価値の上限と下限を予め設定してもよい。この場合、制御部１０４は、電力評価値が上限を超えた場合に、入力電力を下げ、電力評価値が下限を下回った場合に、入力電力を上げる制御が可能である。
【0063】
監視システム１０１は、プロセッサ及びメモリを含むコンピュータによって構成される。画像情報検出部１０２及び評価算出部１０３の各部は、１又は複数のコンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。そのようなプログラム及びそのプログラムを記録した非一時的(non-transitory)な記録媒体も、本発明の実施形態の一例である。プロセッサは、メモリに記録されたプログラムに従って処理を実行する。プログラムは、上記の画像情報検出部１０２及び評価算出部１０３を提供するためのプロセッサに対する命令を含むことができる。なお、制御部１０４も、１又は複数のコンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。
【0064】
図１８は、管理システム１００による溶接状態の監視処理の一例を示すフローチャートである。
【0065】
Ｓ１において、管理システム１００は、溶接部に入力される入力電力ＥｐＩｐを取得する。例えば、管理システム１００は、各時刻ｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３、・・・、ｔｎそれぞれにおける入力電力ＥｐＩｐの値ＥｐＩｐ（ｔ）を取得することができる。ＥｐＩｐ（ｔ）は、例えば、高周波電源６の出力電圧及び出力電流から計算することができる。なお、管理システム１００は、入力電力ＥｐＩｐの代わりに、その他の入熱量を示す値を取得してもよい。
【0066】
Ｓ２において、管理システム１００は、撮像装置５で撮像された溶接部の画像を取得する。ここでは、一例として、撮像装置５で連続する時刻ｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３、・・・、ｔｎそれぞれにおいて撮像された画像（フレーム）を、管理システム１００が受け取る。管理システム１００は、取得した各画像について、Ｖ０点とＶ１点との距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を計算する（Ｓ３）。これにより、各時刻ｔにおける距離（ＬＶ０－ＬＶ１）が得られる。
【0067】
Ｓ２で取得する画像は、鋼管の両端部１１ａ、１１ｂの衝合部及びその周辺を径方向（上方）から撮像した画像である。この画像の撮像範囲は、両端部１１ａ、１１ｂが接触し始めるＶ１点の造管方向の上流の両端がテーパー状又はＶ字状になって互いに対向する部分、及びＶ１点から下流の溶接点Ｗ点までを少なくとも含むことが好ましい。なお、画像に基づいて、距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を検出する処理の例は、後述する。
【0068】
Ｓ４において、管理システム１００は、Ｓ１で取得した入力電力ＥｐＩｐと、Ｓ３で求めた距離（ＬＶ０－ＬＶ１）の時間遷移とに基づいて、基準入力電力を示す値ＳＰＬｃｒを検出する。例えば、管理システム１００は、距離（ＬＶ０－ＬＶ１）が、ＬＶ０－ＬＶ１＞０となりその後ＬＶ０－ＬＶ１＞０の状態が一定時間継続する時点ｔｖを決定する。時刻ｔｖにおけるＬＶ０－ＬＶ１が、所定の閾値Ｔｈ１を越える場合に、その時刻ｔｖの入力電力ＥｐＩｐ（ｔｖ）をＳＰＬｃｒと決定することができる。閾値Ｔｈ１は、例えば、金属管のサイズや材質等に応じて定められる。なお、ＳＰＬｃｒの検出処理は、上記例に限られない。
【0069】
上記の条件を満たす距離（ＬＶ０－ＬＶ１）の時間遷移が検出されない場合、管理システム１００は、ＳＰＬｃｒは未検出すなわち入力電力が基準入力電力に達していないと判断することができる（Ｓ５でＮｏ）。例えば、入力電力が低く、第１種溶接状態又は第２種溶接状態の場合は、入力電力が基準入力電力ＳＰＬｃｒに達していないと判断される。
【0070】
Ｓ５でＳＰＬｃｒが検出されないと判断された場合（Ｓ５でＮｏ）、入力電力を上昇させて入熱量を増やして、Ｓ１～Ｓ４の処理を繰り返す。ＳＰＬｃｒが検出されると（Ｓ５でＹｅｓ）、管理システム１００は、電力評価値ξを計算する（Ｓ７）。電力評価値ξは、Ｓ３で演算された距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を、例えば、上記式（１）に代入して計算することができる。上記式（１）におけるｆ（ｔ／Ｄ）、ｇ（ｔ／Ｄ）は、金属管の厚みｔ及び直径Ｄに基づいて、予め計算された値を用いることができる。
【0071】
Ｓ８において、管理システム１００は、Ｓ７で計算された電力評価値ξを用いて溶接状態を判定する。ここでは、電力評価値ξが、予め設定された範囲内にある場合に、溶接状態が良好と判定することができる。上記範囲を決める閾値は、例えば、５～１５％、好ましくは８～１２％等、１０％付近を示す値とすることができる。また、電力評価値ξが、上記範囲より大きい場合は、入熱量が大きすぎると判定することができる。電力評価値ξが、上記範囲より小さい場合は、入熱量が小さすぎると判定することができる。
【0072】
Ｓ９において、管理システム１００は、Ｓ８で判定した結果を表示する。例えば、管理システムが備える又は接続されるモニタ１０５（ディスプレイ）、スピーカ、又はプリンタ等の出力装置を介して、判定結果を出力することができる。判定結果は、溶接状態の良否を示す情報であってもよいし、入熱量（入力電力）の適否、過不足、又は過不足の量を示す情報であってもよい。
【0073】
Ｓ１０において、管理システム１００は、Ｓ８で判定した結果に基づいて、交流電源６を制御することにより、入力電力を制御する。例えば、Ｓ８で判定された入力電力の過不足の量に基づいて、交流電源６の出力値を変更することができる。Ｓ１０で、入力電力が調整され、溶接が継続される。溶接が継続される間、Ｓ１～Ｓ１０の処理が繰り返し実行される。例えば、管理システム１００は、Ｓ７で計算された電力評価値ξが、上記の予め設定された範囲内になるように、入力電力を制御することができる。
【0074】
図１８に示す処理によれば、入力電力の増加に伴って変化する電力評価値ξ及び距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を監視することによって、溶接状態の良否が判定される。これにより、２段収束型第２種溶接状態における最適な入力電力を判断することができる。例えば、第１種溶接状態から、入力電力を徐々に増加し、第２種溶接状態を経て遷移領域になった後すなわちＳＰＬｃｒが検出された後、２段収束型第２種溶接状態において、例えば、電力評価値ξが１０％となるときの入力電力を、最適溶接条件として決定することができる。
【0075】
上記式（１）により、ｔ／Ｄをパラメータとして、適正溶接条件を満たすとき（例えば、電力評価値ξが１０％となるとき）の距離（ＬＶ０－ＬＶ１）の予測が可能である。このように、適正溶接条件を満たすとこの距離（ＬＶ０―ＬＶ１）を高度に予測することで、溶接前に適正溶接条件の距離（ＬＶ０―ＬＶ１）を計測することなく適正溶接条件の監視と制御が可能になる。
【0076】
なお、上記例では、電力評価値ξを、ＬＶ０－ＬＶ１、及びｔ／Ｄを用いて計算しているが、これらの要素以外の要素を用いて電力評価値ξを決定することもできる。例えば、上記式（１）に、溶接速度又は外径データなど他のパラメータで決まる項を追加してもよいし、上記式（１）を用いて計算された値を、他のパラメータを用いて補正してもよい。
【0077】
上記図１８に示す例では、Ｓ４でＳＰＬｃｒが計算された場合に、電力評価値ξを用いた溶接状態の判定を実行している。これに対して、Ｓ４のＳＰＬｃｒの計算及び、その判定（Ｓ５）、判定結果に基づく電力制御（Ｓ１０）は省略することができる。
【0078】
（距離（ＬＶ０Ｌ－Ｖ１）の計算例）
画像情報検出部１０２は、Ｖ字収束部を含む画像に基づいて、幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点を求める処理、Ｖ収束点Ｖ１点を求める処理、及び距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を求める処理を実行する。
画像情報検出部１０２は、Ｖ字収束部を含む画像に基づいて、幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点を求める処理、Ｖ収束点Ｖ１点を求める処理、及び距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を求める処理を実行する。
【0079】
幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点を求める処理は、例えば、画像を２値化して２値化画像を生成する処理、２値化画像から金属板の周方向の両端部を決定する処理、両端部を示す２本の近似線を生成する処理、及び、これら２本の近似線の交点を幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点として決定する処理を含むことができる。或いは、幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点を求める処理は、画像におけるエッジ抽出処理、抽出されたエッジに対してテンプレートマッチングすることにより金属板の周方向の両端部及び交点を決定する処理、この交点を幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点として決定する処理を含んでもよい。なお、幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点を求める処理は、これらの例に限られない。
【0080】
Ｖ収束点Ｖ１点を求める処理は、例えば、画像を２値化して２値化画像を生成する処理、２値化画像からＶ収束点Ｖ１点を決定する処理を含むことができる。或いは、Ｖ収束点Ｖ１点を求める処理は、画像におけるエッジ抽出処理、抽出されたエッジに対してテンプレートマッチングすることによりＶ収束点Ｖ１点を決定する処理を含んでもよい。なお、Ｖ収束点Ｖ１点を求める処理は、これらの例に限られない。
【0081】
画像情報検出部１０２は、例えば、幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点とＶ収束点Ｖ１点と座標から距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を計算することができる。
【0082】
次に、画像情報検出部１０２の処理の一例を具体的に説明する。図１９は、撮像装置５により撮像されたＶ字収束領域の画像の一例を図面化した図である。
【0083】
図１９に示すように、撮像装置５により撮像されたＶ字収束領域の画像では、鋼板１の周方向の端部１１ａ、１１ｂに沿って輝度レベルの高い高熱領域８１ａ、８１ｂが現れる。また、鋼板１の搬送方向（ｘ軸方向）の下流側の領域８２には、鋼板１に周方向の端部１１ａ、１１ｂの溶融部分が排出されてできる波状の模様が現れる。またＶ字状に収束している領域付近から鋼板１の搬送方向（ｘ軸方向）に沿って溶融スリットＳが現れる。
【0084】
画像データ処理は、例えば、ＣＰＵが、通信インターフェースを介して、撮像装置５から画像データを取得し、取得した画像データを、ＲＡＭ等に一時的に記憶することにより実現される。
【0085】
（赤色成分抽出処理）
画像情報検出部１０２は、入力されたＶ字収束領域の画像データのコントラストを明確にするために、その画像データから赤色成分（波長５９０［ｎｍ］～６８０［ｎｍ］）を抽出する。
画像情報検出部１０２は、入力されたＶ字収束領域の画像データのコントラストを明確にするために、その画像データから赤色成分（波長５９０［ｎｍ］～６８０［ｎｍ］）を抽出する。
【0086】
赤色成分抽出処理は、例えば、ＣＰＵが、ＲＡＭ等から画像データを読み出して赤色成分を抽出し、抽出した赤色成分の画像データをＲＡＭ等に一時的に記憶することにより実現される。
【0087】
（２値化処理）
画像情報検出部１０２は、赤色成分抽出処理で得られた赤色成分の画像データを２値化（反転）する。ここでは、画像情報検出部１０２は、輝度レベルが閾値以上の画素に画素値「０」を、閾値未満の画素に画素値「１」を与える。幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点とＶ収束点Ｖ１点の処理では、輝度レベルの閾値が異なってもよい。図２０は、２値化画像の一例を図面化して示す図である。
画像情報検出部１０２は、赤色成分抽出処理で得られた赤色成分の画像データを２値化（反転）する。ここでは、画像情報検出部１０２は、輝度レベルが閾値以上の画素に画素値「０」を、閾値未満の画素に画素値「１」を与える。幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点とＶ収束点Ｖ１点の処理では、輝度レベルの閾値が異なってもよい。図２０は、２値化画像の一例を図面化して示す図である。
【0088】
画像情報検出部１０２の２値化処理は、例えば、ＣＰＵが、ＲＡＭ等から赤色成分の画像データを読み出して２値化処理を行い、２値化画像データをＲＡＭ等に一時的に記憶することにより実現される。
【0089】
（ラベリング処理）
画像情報検出部１０２は、２値化処理で得られた２値化画像に対し、ブロッブ（Ｂｌｏｂ）毎にラベルをつけるラベリング処理を行う。ここでいうブロッブとは、ある画素に対し、上下左右方向において隣接する４画素と斜め方向において隣接する４画素とを含む隣接８画素の何れかにおいて、画素値「１」が与えられた画素が隣接している場合、それらの画素を連結することを各画素について行うことにより得られた個々の連結領域を意味する。また、ラベリング処理とは、個々のブロッブにラベル番号をつけて特定のブロッブを抽出し、抽出したブロッブの画像内の位置（ｘ座標の最大点及び最小点、ｙ座標の最大点及び最小点）、幅、長さ、面積等を抽出する処理である。
画像情報検出部１０２は、２値化処理で得られた２値化画像に対し、ブロッブ（Ｂｌｏｂ）毎にラベルをつけるラベリング処理を行う。ここでいうブロッブとは、ある画素に対し、上下左右方向において隣接する４画素と斜め方向において隣接する４画素とを含む隣接８画素の何れかにおいて、画素値「１」が与えられた画素が隣接している場合、それらの画素を連結することを各画素について行うことにより得られた個々の連結領域を意味する。また、ラベリング処理とは、個々のブロッブにラベル番号をつけて特定のブロッブを抽出し、抽出したブロッブの画像内の位置（ｘ座標の最大点及び最小点、ｙ座標の最大点及び最小点）、幅、長さ、面積等を抽出する処理である。
【0090】
図２１は、ラベリング処理が行われた２値化画像の一例を図面化して示す図である。
【0091】
図２１に示す例では、３つのブロッブに、それぞれラベル番号「１」、「２」及び「３」が付けられている場合が示されている。
【0092】
ラベリング処理は、例えば、ＣＰＵが、ＲＡＭ等から、２値化画像データを読み出してラベリング処理を行い、その結果をＲＡＭ等に一時的に記憶することにより実現される。
【0093】
なお、幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点の計算及びＶ収束点Ｖ１点の計算で、２値化処理で用いられる輝度レベルの閾値が同じである場合、２値化処理及びラベリング処理をそれぞれ共通にすることができる。
【0094】
（Ｖ収束点導出処理）
Ｖ収束点導出処理は、ラベリング処理によりラべル番号が付与されたブロッブのうち、所定の条件に合致するブロッブが抽出されたか否かを判定する処理を含む。Ｖ収束点導出処理では、画像情報検出部１０２は、所定の条件に合致するブロッブがあると判定した場合、そのブロッブ（図２１に示す例ではラベル番号「２」が付与されたブロッブ）を、Ｖ字収束領域のブロッブ９１として抽出する。そして、画像情報検出部１０２は、抽出したＶ字収束領域のブロッブ９１の座標や面積等の形状情報を取得する。図２２は、Ｖ字収束領域のブロッブ９１が抽出された様子の一例を図面化して示す図である。また、図２３は、Ｖ収束点Ｖ１点が検出された様子の一例を図面化して示す図である。
Ｖ収束点導出処理は、ラベリング処理によりラべル番号が付与されたブロッブのうち、所定の条件に合致するブロッブが抽出されたか否かを判定する処理を含む。Ｖ収束点導出処理では、画像情報検出部１０２は、所定の条件に合致するブロッブがあると判定した場合、そのブロッブ（図２１に示す例ではラベル番号「２」が付与されたブロッブ）を、Ｖ字収束領域のブロッブ９１として抽出する。そして、画像情報検出部１０２は、抽出したＶ字収束領域のブロッブ９１の座標や面積等の形状情報を取得する。図２２は、Ｖ字収束領域のブロッブ９１が抽出された様子の一例を図面化して示す図である。また、図２３は、Ｖ収束点Ｖ１点が検出された様子の一例を図面化して示す図である。
【0095】
ここで、画像情報検出部１０２は、例えば、図２０に示す２値化画像において、左端に接し、且つ、所定の面積条件を有するブロッブがあれば、それをＶ字収束領域のブロッブ９１として抽出する。所定の面積条件としては、例えば、ブロッブの面積の実寸法が１５［ｍｍ2］～１５０［ｍｍ2］であるという条件と、ブロッブに外接する矩形ブロックの実寸法が２５［ｍｍ2］～３２０［ｍｍ2］であるという条件との少なくとも何れか一方を満たす等の条件を設定すればよい。
【0096】
図２４に示すように、画像情報検出部１０２は、Ｖ字収束領域のブロッブ９１のｘ軸の正の方向（鋼板１の搬送方向の下流の方向）の先端を、衝合点であるＶ収束点Ｖ１点（の位置）として検出する。
【0097】
本実施形態では、一例として、１つの監視対象時点についてＶ収束点Ｖ１点と幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点との間の距離（ＬＶ０－ＬＶ１）を測定する際には、画像情報検出部１０２は、撮像装置５により３［ｓｅｃ］に亘って連続的に撮像された複数のＶ字収束領域の画像のそれぞれについて、Ｖ収束点Ｖ１点の位置を検出する。撮像装置５は、５００［ｆｐｓ］の撮影フレームレートで画像を撮像するので、１５００個のＶ収束点Ｖ１点の位置が画像情報検出部１０２により検出される。ただし、例えば、Ｖ収束点Ｖ１点の位置の変動が僅かである場合、画像情報検出部１０２は、１つの画像から導出したＶ収束点Ｖ１点の位置を検出してもよい（すなわち、必ずしも複数の画像のそれぞれからＶ収束点Ｖ１点を導出する必要はない）。
【0098】
なお、電縫溶接操業管理装置１００が鋼板１に対する入熱量の制御を行っているときに、所定のフレーム数以上連続して所定の条件に合致するブロッブが抽出されなければ、画像情報検出部１０２は、オペレータにエラーメッセージを出力することができる。
【0099】
Ｖ収束点導出処理は、例えば、ＣＰＵが、ラベリング処理が行われた２値化画像データをＲＡＭ等から読み出して、Ｖ収束点Ｖ１点の座標を導出し、その結果をＲＡＭ等に一時的に記憶することにより実現される。
【0100】
（幾何学的Ｖ収束点導出処理）
幾何学的Ｖ収束点導出処理は、ラベリング処理によりラベル番号が付与されたブロッブのうち、所定の条件に合致するブロッブが抽出されたか否かを判定する処理を含む。画像情報検出部１０２は、所定の条件に合致するブロッブがあると判定した場合、そのブロッブを、Ｖ字収束領域のブロッブ９１として抽出する。そして、画像情報検出部１０２は、抽出したＶ字収束領域のブロッブ９１の座標や面積等の形状情報を取得する（図２１、図２２を参照）。なお、画像情報検出部１０２は、Ｖ収束点導出処理で抽出されたＶ字収束領域のブロッブ９１の情報を流用することもできる。
幾何学的Ｖ収束点導出処理は、ラベリング処理によりラベル番号が付与されたブロッブのうち、所定の条件に合致するブロッブが抽出されたか否かを判定する処理を含む。画像情報検出部１０２は、所定の条件に合致するブロッブがあると判定した場合、そのブロッブを、Ｖ字収束領域のブロッブ９１として抽出する。そして、画像情報検出部１０２は、抽出したＶ字収束領域のブロッブ９１の座標や面積等の形状情報を取得する（図２１、図２２を参照）。なお、画像情報検出部１０２は、Ｖ収束点導出処理で抽出されたＶ字収束領域のブロッブ９１の情報を流用することもできる。
【0101】
次に、画像情報検出部１０２は、抽出したＶ字収束領域のブロッブ９１から、鋼板１の周方向の端部１１ａ、１１ｂに対応する領域を探索する。
【0102】
図２３は、画像情報検出部１０２が鋼板１の周方向の端部１１ａ、１１ｂに対応する領域を探索する様子の一例を図面化して示す図である。
【0103】
図２３に示すように、画像情報検出部１０２は、Ｖ字収束領域のブロッブ９１の、搬送方向（ｘ軸方向）の最下流点（Ｖ収束点導出処理により検出されたＶ収束点Ｖ１点）を通り、且つ、ｘ軸方向と平行な直線（図２３に示す一点鎖線）から、ｙ軸の正の方向及びｙ軸の負の方向に、画素値が「１」から「０」に変化する点をそれぞれ探索し、その点を鋼板１の周方向の端部１１ａおよび１１ｂとする探索処理を行う。
【0104】
画像情報検出部１０２は、この探索処理を、Ｖ字状に収束する方向（ｘ軸方向）の所定の範囲、例えば２値化画像の左端（鋼板１の搬送方向の上流側）から、Ｖ字収束領域のブロッブ９１の先端までの範囲のうち、左端から２／３の範囲で実行する（図２３に示す「直線近似する領域」を参照）。そして、画像情報検出部１０２は、探索した鋼板１の周方向の端部１１ａ、１１ｂに対応する領域をそれぞれ直線近似し、それぞれの近似直線の交点を幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点として検出する。
【0105】
本実施形態では、画像情報検出部１０２は、Ｖ収束点Ｖ１点の位置を検出したときに使用したのと同じＶ字収束領域の画像のそれぞれについて、幾何学的Ｖ収束点Ｖ０点を検出する。
【0106】
上記の実施形態では、製造対象の金属管が鋼管である場合について説明したが、本発明は、鋼管以外の金属管の製造に適用してもよい。
【0107】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。
【符号の説明】
【0108】
２ａ、２ｂ スクイズロール
３ａ、３ｂ コンタクトチップ
４ インピーダー
５ 撮像装置
６ 高周波電源
１００ 管理システム
３ａ、３ｂ コンタクトチップ
４ インピーダー
５ 撮像装置
６ 高周波電源
１００ 管理システム
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】