JP4505491B2 - 鋼管材の溶接部加熱装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動する鋼管材を被加熱材として、電磁誘導または直接給電により溶接部を連続的に加熱する技術に関する。特に、被加熱材の形状や材質によらず溶接部の温度分布、溶接部の溶融形状及び溶接時の溶接周波数変動を所望の値になるように加熱するのに好適な加熱装置及び方法に関する。

電気抵抗加熱は、金属材である被加熱材の内部に発生させた電流と当該被加熱材の固有抵抗により発生するジュール熱で被加熱材を加熱するものであり、クリーンな加熱方法として、鉄鋼業を始め、広く産業界で使用されている。電気抵抗加熱には、交流の励磁電流を電磁コイルに通電して電磁コイルから発生する交番磁束を被加熱材に印加して、被加熱材内に誘導電流を発生させる方法（誘導加熱法と記す）と、接触子（２つの電極）を被加熱材に接触させて直接通電する方法（直接通電加熱法と記す）がある。

誘導加熱法における電磁コイルから発生する交番磁束、または直接通電法における直接通電する電流の周波数は、（１）式に示すように被加熱材に流れる電流の被加熱材表面からの深さ（浸透深さ：δ）を決定する。したがって、被加熱材を所望の温度分布に加熱するためには、被加熱材の径や厚み等の形状及び電磁気的物性値に応じて、当該電流の周波数を適正な値に設定する必要がある。特に、鋼管材は通常強磁性体で１よりもかなり大きな比透磁率μｒ（例えば１０〜１０００）を有し、浸透深さδは周波数の変化に大きく依存する。

ここで、ρ：被加熱材の固有抵抗、μｒ：被加熱材の比透磁率、ｆ：交番磁束または直接通電する電流の周波数である。

ところで、誘導加熱用の電磁コイルを加熱電源で励磁する場合は、コンデンサ（容量Ｃ）を電磁コイルと並列又は直列に配置して結線した共振回路を構成し、（２）式で表される共振周波数（ｆ）付近の周波数で通電することが多い（例えば特許文献１及び２を参照のこと。）。

ここで、Lは、被加熱材の電磁気的物性値を示し、誘導加熱法の場合は、電磁コイルの巻き数、寸法等の形状及び電磁コイルと被加熱材の配置によって決まる電磁コイル系のインダクタンスである。

また、上記の共振回路をエネルギー効率良く励磁するために、共振回路と加熱用電源の間に力率改善用のインピーダンス整合器を設置することがある（例えば特許文献１、２及び３を参照のこと。）。

特許文献２、３には、被加熱材の厚み、幅、鋼種等の特性や形状に対して予め適切な周波数を決定して固定する方式で加熱を行う技術が開示されている。特許文献２には、鋼管等の局部焼鈍のための高周波誘導加熱装置であって、電磁コイルの形状等により予め励磁電流の周波数を設定することができ、過負荷のときに破損しないインバータ方式の電源装置が開示されている。又、特許文献３には、鋼管等の突合せ溶接において、溶接部に複数の電磁コイルを設け、複数の電磁コイルを切替えて効率良く高周波電流を流して、予熱あるいは後熱処理するための、インバータ方式の高周波誘導加熱電源装置が開示されている。

鋼管等の製造ラインにおいて、電磁コイルを用いた誘導加熱装置または接触子による直接通電加熱装置内を、鋼管等の被加熱材を移動させながら、被加熱材の溶接部を加熱して連続的に溶接するのに際して、溶接部板厚方向の温度分布、溶接部の溶融形状や溶接時の溶接周波数変動を所望の形状や値にすることが、溶接部及びその近傍の強度等の材質について均一な品質を得るために必要である。

しかしながら、被加熱材の誘導加熱時のインダクタンスLは、被加熱材の形状や材質の変動によって大きく変化する。また、被加熱材の形状の差異によって加熱電流の流れ方が変化する結果、溶接部における発熱量及びその分布、そして、これらによる溶接部の板厚方向温度分布、溶接部の溶融形状及び溶接時の溶接周波数変動も大きく変化する。

特開２００４−１２７８５４号公報 特開平０３−１４７８号公報 特開平０６−１２４７７５号公報 特開２００４−２６０９９１号公報

ところで、上記の特許文献１，２に記載の電源装置では、被加熱材の温度を調節するためには加熱コイルの励磁電圧もしくは接触子の電圧を制御しており、また上記したように、被加熱材と電磁コイルからなる電磁コイル系のインダクタンスＬが変化するために、加熱電源と電磁コイルの間に高周波トランスを配置してインピーダンスマッチングをとるようにしている。しかし、通電状態での調整は困難であるとともに、被加熱材の厚み、幅、鋼種毎に調整作業を必要とするという問題があった。加えて、高周波トランスの配置により、加熱効率を低下させる一因ともなる。また、上記の共振回路構成を用いるときには、各周波数ｆに対して（２）式で示されるように、整合コンデンサ（Ｃ）を可変する必要がある。しかしながら加熱中に整合コンデンサの調整は非常に難しく、被加熱材を連続的に誘導加熱する際、被加熱材の径や厚さ等の形状、及び物性値の変化に対応して励磁周波数を変化させるのが難しいという問題があった。

一方、電磁コイルへの通電周波数を可変する手法として、特許文献１には、加熱コイルを複数体の要素コイルに分割配置し、各要素コイル毎に通電周波数を選定することで周波数を可変とする誘導加熱装置の技術が開示されている。しかしながら、要素コイル毎に電源供給部が必要であるために、加熱装置としての装置コストが高価となるという問題があった。

上記の従来技術の問題に鑑みて、本発明は、鋼管材を被加熱材として連続的に加熱して溶接する際に、被加熱材の加熱部位の形状や被加熱材の材質にかかわらず良好な溶接品質を実現するために、従来よりも高精度・且つ高効率で溶接部の温度分布を得ることを第１の目的とし、溶接部の溶融形状及び溶接時の溶接周波数変動を制御することをそれぞれ第２の目的、及び第３の目的とする。

本発明の鋼管材の溶接部加熱装置は、移動する鋼板を円筒状に曲げながら管状の鋼管材とし、所定の周波数域で周波数が可変な交流電源により該鋼管材の端面近傍に交流電流を流してジュール熱を発生させ、連続的に該鋼管材の端面の溶接部を溶融させて端面どうし圧接するための鋼管材の溶接部加熱装置であって、前記鋼管材の端面の溶接部に対向して配設され、該溶接部の自発光を検知して端面の輝度画像を出力する第１の撮像手段と、該輝度画像に基づき画像処理し、放射光測温により前記溶接部の板厚方向と鋼板長手方向を軸とする溶接部２次元の板厚方向温度分布の測定値を出力する溶接部温度分布演算手段と、鋼管材の寸法と鋼種の電磁気特性とから予め設定した交流電流の周波数と溶接部の板厚方向の複数の点における昇温量との関係を用いて、前記板厚方向温度分布の測定値による板厚方向の複数の点の温度測定値に基づき、所望の板厚方向の温度分布になるように前記交流電源の周波数を決定する加熱制御手段と、該加熱制御手段で決定された周波数の交流電流を前記鋼管材に流すための周波数が可変な磁気エネルギー回生タイプの交流電源と、を具備することを特徴とする。

又、上記の鋼管材の溶接部加熱装置において、前記鋼管材の溶接部をその上側から撮像して、鋼管材を圧接した直後の溶融した鋼材の平面画像を出力する第２の撮像手段と、該平面画像に基づいて溶融形状を求めて溶融部の幅の値を出力する溶接部溶融形状計測手段と、をさらに具備して、前記加熱制御手段は、予め設定した該溶融部の幅の評価基準、並びに、前記交流電流の周波数と溶接部の板厚方向の複数の点における昇温量との関係を用いて、該溶融部の幅の値と前記板厚方向温度分布とに基づき前記交流電源の周波数を決定することを特徴とする。

又、上記の鋼管材の溶接部加熱装置において、前記鋼管材の外側円周方向に該鋼管材と略同軸に配設されて、前記周波数が可変な交流電源から励磁電流を供給され、該鋼管材に前記交流電流を誘導して加熱する加熱用電磁コイルを具備することを特徴とする。

そして、前記加熱制御手段は、前記加熱用電磁コイルの励磁電流の周波数と電流値とを決定して、前記周波数が可変な交流電源を制御するようにしてもよい。

さらに又、上記の鋼管材の溶接部加熱装置において、前記交流電源からの交流電流を通電するための電極として、前記溶接部を介して鋼板の両側の端部それぞれに配設される一対の直接通電用接触子を具備するようにしても良い。

そして、前記加熱制御手段は、前記直接通電用接触子へ供給する交流電流の周波数と電流値とを決定して、前記周波数が可変な交流電源を制御するようにしてもよい。

本発明の鋼管材の溶接部加熱方法は、移動する鋼板を円筒状に曲げながら管状の鋼管材とし、所定の周波数域で周波数が可変な交流電源により該鋼管材の端面近傍に交流電流を流してジュール熱を発生させ、連続的に該鋼管材の端面の溶接部を溶融させて端面どうし圧接するための鋼管材の溶接部加熱方法であって、前記鋼管材の端面の溶接部に対向して配設された第１の撮像手段で、該溶接部の自発光を検知して端面の輝度画像を出力する第１の撮像工程と、該輝度画像に基づき画像処理し、放射光測温により前記溶接部の板厚方向温度分布を演算する溶接部温度分布演算工程と、鋼管材の寸法と電磁気特性とから予め設定した交流電流の周波数と溶接部の板厚方向の複数の点における昇温量との関係を用いて、前記板厚方向温度分布の測定値による板厚方向の複数の点の温度測定値に基づき、所望の板厚方向の温度分布になるように前記交流電流の周波数を決定する加熱制御工程と、該加熱制御工程で決定された周波数の交流電流を前記周波数が可変な交流電源を用いて前記鋼管材に流す工程と、からなることを特徴とする。

又、上記の鋼管材の溶接部加熱方法において、前記鋼管材の溶接部をその上側から第２の撮像手段で撮像して、鋼管材を圧接した直後の溶融した鋼材の平面画像を出力する第２の撮像工程と、該平面画像に基づいて溶融形状を求めて溶融部の幅の値を出力する溶接部溶融形状計測工程と、をさらに具備して、前記加熱制御工程では、予め設定した該溶融部の幅の評価基準、並びに、前記交流電流の周波数と溶接部の板厚方向の複数の点における昇温量との関係を用いて、該溶融部の幅の値と前記板厚方向温度分布とに基づき前記交流電流の周波数を決定することを特徴とする。

さらに又、上記の鋼管材の溶接部加熱方法において、前記鋼管材の外側円周方向に該鋼管材と略同軸に配設された加熱用電磁コイルに、前記周波数が可変な交流電源から励磁電流を供給して、該鋼管材に前記交流電流を誘導して加熱するか、又は、前記溶接部を介して鋼板の両側の端部それぞれに配設され、前記交流電源からの交流電流を通電するための直接通電用接触子により、該鋼管材に前記交流電流を通電して加熱することを特徴とする。

又、前記加熱制御工程では、前記加熱用電磁コイルの励磁電流の周波数と電流値とを決定して、前記周波数が可変な交流電源を制御するか、又は、前記直接通電用接触子へ供給する交流電流の周波数と電流値とを決定して、前記周波数が可変な交流電源を制御するようにしてもよい。

本発明の鋼管は、上記の鋼管材の溶接部加熱装置又は溶接部加熱方法によって製造されることを特徴とする。

本発明の鋼管材の溶接部加熱方法及び装置により、被加熱材の径や厚み等の形状及び物性値を考慮して、被加熱材の溶接部板厚方向の温度分布、溶接部の溶融形状及び溶接時の溶接周波数変動を測定し、それに基づいて周波数を連続的又は離散的に変化・制御して被加熱材を加熱するので、被加熱材を所望の温度分布、溶融形状及び溶接周波数変動に制御することができる。

そして、鋼管材の溶接部全長に渡る均一な温度分布、溶融形状及び溶接周波数変動制御を可能とする加熱方法が提供できることから、製品歩留りの向上や鋼管製造時の生産性向上の施策として応用可能である。更には、被加熱材の径や厚み、鋼種に依存しない加熱方法が提供できることから鋼管溶接部の板厚方向温度分布、溶接部の溶融形状及び溶接時の溶接周波数変動の最適化による品質の造り込みが可能となり、鉄鋼製品等の高機能化に大きく寄与する。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

被加熱材として鋼管を加熱するとき、（１）式で示したように、励磁コイルで発生する交番磁束の周波数を変えるか、又は周波数を変えて直接通電加熱することによって浸透深さδが変わり、被加熱材の厚み方向に発生する熱量を変化させることができる。所望の発熱量について、通電電力及び浸透深さδを設定して、（１）式で決定される周波数の励磁電流を電磁コイル、または接触子に通電すればよい。本発明はこの点に着目して、鋼管材の溶接部の発熱量及びその分布を高精度に制御する技術である。

本発明の実施の形態を、鋼管の製造ライン中において移動する鋼管材である被加熱材の加熱方法及び装置を例に図を用いて詳細に説明する。なお、各図において同一のものを指し示す符号は、理解を容易にするために同一とした。

鉄鋼製造プロセスにおいて、鋼管材を被加熱材とする、溶接鋼管の電磁溶接の一例の概要を図１に示す。ここで、図１（ａ）は誘導加熱方式での被加熱材を加熱するときの構成の概略図、図１（ｂ）は直接通電加熱方式での被加熱材を加熱するときの構成の概略図である。

（第１の実施の形態）
以下では、まず第１の実施の形態として図１（ａ）の誘導加熱方式のときの溶接部加熱装置について説明する。本実施の形態においては、製造ラインでその長手方向に移動する鋼管の材料である厚さｔの鋼板が、その幅方向にロールを用いて順次折り曲げられ管状に変形され、折り曲げられた両側の端面部１２を加熱して、端から順に連続的に溶接するものとする。鋼管１０の外側円周方向に巻き線が略平行になるように、すなわち鋼管１と略同軸になるように加熱用電磁コイル２を配置し、鋼管１０の内部には当該鋼管の長手方向に、強磁性体である比透磁率の大きいインピーダコア１１を配置することで、加熱用電磁コイル２を流れる交流電流により発生する交番磁束の外部への漏れを低減して加熱効率を向上させる。加熱用電磁コイル２に励磁用の電源装置で所定の周波数の交流電流を通電することで交番磁束を発生させ、当該交番磁束によって鋼管１０に誘導電流を発生させる。鋼管１０の溶接部２０を所定の温度以上に加熱して溶融させて、溶接部加熱装置の下流側に設置した圧接機（図示せず）で端面どうしを圧接して溶接を行う。図６は鋼管の進行方向から斜めに溶接部及びその近傍を見たときの概略を示す斜視図である。接合線２１において左右の鋼板の端面が圧接されているとする。溶接部２０とは、接合線を挟んだ端面部の領域で、その片側の長さをLであるとする。

鋼管１０の溶接部板厚方向の温度分布は、交流電流に対する表皮効果による誘導電流の浸透深さが浅いとき、鋼板の板厚表裏面の温度に比べて板厚中央部の温度が低い温度分布をきたす。また鋼管１０の径や板厚、並びに鋼管の材質によって鋼管１０に流れる誘導電流の浸透深さが異なるので、誘導加熱する鋼材により当該温度分布は異なったものとなり、溶接部の鋼材が溶融している部分の形状、すなわち溶融形状が異なったものとなる。このような板厚方向温度分布及び溶融形状を有する鋼管材を溶接後に配置された圧接機（図示せず）にて圧接すると、鋼管材の板厚方向の温度分布、溶融形状の差異及び溶融形状の変動に起因して発生する次のような溶接不良が発生することがある。つまり、加熱用電磁コイル２に流す交流電流の周波数の違いにより、溶接部における鋼材の溶融状態は板厚方向に変動するので、例えば、鋼管１０の板厚中央部の温度及び溶融形状を適正に確保するための加熱条件で加熱すると、板厚表裏面部での温度が規定値以上となり過溶融となったり、逆に板厚表裏面部での温度及び溶融形状を適正に確保するための加熱条件で加熱すると板厚中央部での温度不足及び未溶融が発生することで、溶接部の品質を阻害する要因となり、鋼管製造トラブルの原因や品質不良材を発生することとなる。

図２（ａ）に、本実施の形態である、誘導加熱方式の鋼管材の溶接部加熱装置の概略図を示す。図２（ａ）に示すように本加熱装置は、鋼管１０の外部に当該鋼管１０の長手方向に包むように配設した加熱用電磁コイル２、当該加熱用電磁コイル２を励磁するための、予め設定した周波数領域において周波数が連続的に可変な周波数可変電源装置１、加熱用電磁コイル２の工程下流側で鋼管１０の溶接部の斜め上方に設置され、鋼管１０の溶接部における板厚方向の自発光による輝度分布を撮像するための、図６に示すようなフレーム構成の画像を採取する第１の溶接部撮像装置３、当該第１の溶接部撮像装置３から出力される溶接部板厚方向の輝度分布画像を画像処理して、放射測温の技術を用いて溶接部の溶接部板厚方向と鋼板長手方向を軸とする溶接部２次元温度分布を出力する溶接部温度分布演算装置４、溶接部の上方（鋼板表面上側）から見た画像（平面画像）を採取するために溶接部の上方に配設した第２の溶接部撮像装置１７、第２の溶接部撮像装置１７から出力される平面画像を基にして、上側から見た溶接部の溶融形状を導出して溶融形状計測値として出力する溶融形状計測装置１４、溶接電流波形測定装置１６から出力される加熱用電磁コイル２の励磁電流の溶接電流波形を信号処理して、当該励磁電流の周波数（溶接周波数値：Ｆ_０）及びその時間変動幅（：ΔＦ_０）を出力する溶接周波数変動計測装置１５、並びに、鋼管１０の溶接部の板厚方向の温度分布、溶融形状又は溶接周波数を予め設定した条件の値になるように、周波数可変電源装置１を制御して励磁電流を調節するための加熱制御装置９で構成される。

なお、溶接部温度分布演算装置４と溶接周波数変動計測装置１５と溶融形状計測装置１４とは、まとめて溶接状況計測装置５と呼ぶことにする。また、溶接電流波形測定装置１６は、周波数可変電源装置１と加熱用電磁コイル２とを接続する配線に直列的に設けた抵抗器または電流プローブ等の電流検知センサを用いて構成することができる。

＜１．溶接部板厚方向の温度分布に基づく励磁電流の制御＞
第１の溶接部撮像装置３は、第１の撮像手段の一例であって、この第１の溶接部撮像装置３としては、例えば磁気的シールド用ケースに収納した高精細カメラで溶接部板厚方向、及び鋼板の端面の長手方向の２次元の輝度分布を、図６に示すようなフレーム構成の画像として採取する市販のＣＣＤカメラ等の高精細カメラを用いることが可能である（第１の撮像工程）。図３には１次元（溶接部板厚方向）に対する輝度分布及び温度分布を例示した。第１の溶接部撮像装置３から出力される輝度分布画像を、溶接部温度分布演算手段の一例である溶接部温度分布演算装置４によって画像処理して溶接部を抽出し、公知技術である放射測温技術によって、例えば画素ごとに輝度値から温度への変換を行うことで溶接部の板厚方向の温度分布の溶接部２次元温度分布が得られる（温度分布測定工程、溶接部温度分布演算工程）。

なお、溶接部の温度分布としては、上記した溶接部２次元温度分布を用いて、その良否を評価しても良いが、図６に示す溶接部２０の長さＬを例えば１０ｍｍとして、当該部分で鋼板の長手方向に平均化して、図３に示したような１次元の板厚方向の温度分布を算出して、その良否を評価するようにしても良い。以下では１次元の板厚方向の温度分布を例に説明するが、２次元の場合も実質的に同様に良否の評価が実行可能であることは明らかである。

さて、鋼管１０の溶接部では、加熱用電磁コイル２に流れる励磁電流で発生する交番磁束によって、鋼管の表裏面に図２（ａ）に破線で概略を示すような誘導電流が流れる。この誘導電流と鋼管１０の抵抗値により発生するジュール熱により、鋼管１０の溶接部が加熱される。ここで、誘導電流の鋼管の板厚方向の浸透深さは、（１）式に示すように加熱用電磁コイル２に流れる電流による交番磁束の周波数と、鋼管のサイズ（径、厚み）や鋼種（組成、組織）による電磁気的特性によって変化する。本実施の形態では、鋼管の寸法・サイズ（径、厚み）、材質（組成、組織）、電磁気特性に応じてダイナミックに加熱用電磁コイル２に流れる電流の周波数を制御することによって、鋼管１０に流れる誘導電流の浸透深さを制御するようにする。

図２（ａ）に示す加熱制御装置９は、加熱制御手段の一例であって、予め加熱データベース６に収納した鋼管のサイズ（径、厚み）、鋼種、及び鋼管の移動速度の製造データ（各製造ロットの順序である製造計画及び各製造ロットの製造条件を含む）に基づき、励磁電流の周波数ｆを変数として溶接部の板厚方向の昇温量を導出する溶接部昇温量演算部７と、溶接周波数変動計測装置１５から入力する励磁電流の周波数（溶接周波数値：Ｆ_０）、溶接部温度分布演算装置４によって出力される溶接部１次元温度分布、及び当該溶接部昇温量演算部７の導出結果を用いて励磁電流の周波数を算出する周波数決定部８とで構成される（加熱制御工程）。

周波数決定部８によって、周波数だけではなく加熱用電磁コイル２に印加する電流値または電圧値をも合わせて設定するようにしてもよい。本実施の形態では、電流値（振幅）を実験的に、溶接部を所定の温度域に加熱することができる適切な一定値に、予め設定しておく場合について説明する。

次に加熱制御装置９の内部の構成について説明する。
製造プロセスに実際に流れる鋼管のサイズ（径、厚み）や鋼種（電気抵抗等）からなる製造条件に対して、交流の励磁電流（交流電流）の周波数と昇温量パターンとの関係を、予め実験的に求めるか、又は交流の励磁電流に対する電磁誘導現象を電磁界計算（ＦＥＭ等による計算）と伝熱モデル計算による溶接部加熱シミュレーションで求めて、評価基準の一例としてテーブルの形で溶接部昇温量算出部７に格納しておく。例えば、鋼材の電気抵抗は通常温度変化するが、仮に電気抵抗が一定であるとみなして、鋼管のサイズ（径、厚み）のみに注目して溶接部加熱シミュレーションをすると、鋼管の径と厚みの組合せ（径、厚み）をパラメータとして、図4に示すような励磁周波数と昇温量の関係を表す曲線を得ることができる。図４に例示した昇温量（仮に常温を基準温度とする）は、溶接部表面（鋼板表面）におけるシミュレーション結果であるが、板厚方向に例えばＮ点を採って表面から順にＰ０、Ｐ１、・・・、Ｐｎとし、製造しつつある鋼種Ａについて当該地点における昇温量Ｔ（Ｐｎ、ｆ）（ここでｆは励磁周波数）をそれぞれ溶接部加熱シミュレーションで求めて溶接部昇温量算出部７に収納しておく。

実際に励磁電流の周波数ｆを決定する周波数決定部８では、溶接部温度分布演算装置４によって出力される溶接部１次元温度分布（板厚方向温度分布の一例）から、板厚方向の点Ｐ０、Ｐ１、・・・の各点Ｐｎにおける温度の測定値ＤＴ（Ｐｎ、ｆ）と上記した溶接部昇温量算出部７に収納してある昇温量Ｔ（Ｐｎ、ｆ）の曲線とに基づき、式（３）で表される評価関数Ｊが最小となるように回帰計算等の最適化演算により周波数ｆを決定する。

以上で説明したような交流の励磁電流の周波数と昇温量パターンとの関係を予め設定して最適化計算で励磁電流の周波数を決定する方法以外に、次に示す方法も可能である。すなわち、製造プロセスでは同一規格の複数の鋼管を誘導加熱溶接処理することがあるが、当初の製造において溶接する鋼管には昇温量とそれに対応する周波数の関係式を仮に設定しておいて、鋼管の誘導加熱溶接された結果の温度分布及び溶鋼形状を別途モニターして良否を判定して学習しながら、所望の温度及び溶鋼形状になるように当該関係式を修正する学習機能を周波数決定部８に持つようにしても良い。

＜２．溶融形状に基づく励磁電流の制御＞
溶融部溶融形状計測装置１４は、溶接部溶融形状計測手段の一例であり、第２の撮像手
段の一例である第２の溶接部撮像装置１７から出力される圧接直後の溶融した鋼材の平面
画像（第２の撮像工程）を基にして、画像処理して平面画像における溶融部２３を輝度値
により識別・検知する。又、輝度値を基にして温度分布を求めてから溶融部２３を識別・
検知してもよい（溶接部溶融形状計測工程）。なお、この溶融部２３が冷えて固まった個
所が、図６に示す溶接シーム２４となる。よって、溶融部２３の幅は、溶接シーム２４の
幅と略同一となる。

図７に溶接部溶融形状計測装置１４で計測される溶融形状の具体的な形状を示す。図７（ａ）は、圧接直後の溶融部２３の幅（Ｚ）が、予め設定した溶接部の幅の評価基準の一例である目標値（Ｚ₀±ΔＺ）に比べて小さく、未溶融の状態であり、溶接周波数を増加することで鋼管１０の溶接部２０の板厚方向表裏面での誘導電流を増加させ、若しくは投入電流を増加することで、入熱量を増加させる。一方、図７（ｃ）は、圧接直後の溶融部２３の幅（Ｚ）が目標値（Ｚ₀±ΔＺ）に比べて大きく過溶融の状態であり、溶接周波数を減少することで鋼管１０の溶接部２０の板厚方向中央部での誘導電流を増加させ、若しくは投入電流を低減することで、入熱量を低下させる。つまり、図７（ｂ）に示す良好な溶融形状になるように、周波数決定部８で、溶接周波数変動計測装置１５から入力される励磁電流の周波数（溶接周波数値：Ｆ_０）を修正して制御する。ここで、圧接直後の溶融部幅の目標値（Ｚ₀±ΔＺ）を満足する溶接周波数の操作量、若しくは投入電流の操作量は、鋼管のサイズ（径、厚み）や鋼種（組成、組織）に応じて異なった値となり、予め実験的、若しくは前記した溶接部加熱シミュレーションで求めておき加熱データベース６に格納しておく。なお、加熱データベース６には、製造プロセスで溶接する鋼管・鋼材の種類の情報（サイズ（径、厚み）や鋼種（組成、組織）を含む）からなる製造計画も予め記録しておく（加熱制御工程のつづき）。

なお、溶接部溶融形状計測装置１４で計測される溶融形状に基づいて、当該溶融形状が著しく大きい又は小さいときには、溶接異常が発生したとして警告を、警報音を出力するか、又はディスプレー画面に警報を表示するようにしても良い。

＜３．溶接周波数変動に基づく励磁電流の制御＞
ところで、従来方式の１つでは、励磁電流の周波数を固定して、インピーダンスマッチング回路を介して励磁用電源と励磁コイルを構成しているが、その際、溶接部の溶融形状が変化するのに伴い溶接周波数が変動することが知られている。このことを利用して、本実施の形態では、溶接電流波形測定手段の一例である溶接電流波形測定装置１６と溶接周波数変動計測手段の一例である溶接周波数変動計測装置１５とにより、溶接周波数の変動を観測することで（溶接電流波形測定工程）、形状の変化がより明確に把握でき、良好な溶接品質を得るための加熱制御を行うための有効な指標とすることができる。

前記の溶融形状を目標とする形状に制御することで、該溶接周波数変動は抑制可能となるが、溶接周波数変動量も鋼管のサイズ（径、厚み）や鋼種（組成、組織）に応じて異なった値を有することから、溶接周波数変動計測装置１５で計測される溶接周波数変動計測値（ΔＦ₀）に対して、鋼管のサイズ（径、厚み）や鋼種（組成、組織）毎に予め設定した閾値Ｄ（許容値の一例）を加熱データベース６に格納しておき、周波数決定部８で当該閾値Ｄと溶接周波数変動計測値（ΔＦ₀）とを比較して、前記溶接部の溶融形状制御を実施する場合の判定指標とすることで、より精度の高い溶接品質の制御が可能となる。例えば、溶接周波数変動計測値（ΔＦ₀）が閾値Ｄよりも大きくなったときには、溶融部２３の幅が大きくなりすぎたとして、周波数を予め設定した比率（例えば３０％）だけ小さくする。

以上で、周波数決定部８で行う、１．溶接部板厚方向の温度分布に基づく励磁電流の制御と、２．溶融形状に基づく励磁電流の制御と、３．溶接周波数変動に基づく励磁電流の制御とを説明した。これらの制御は、それぞれ単独に用いられて励磁電流の周波数を決定してもよく、様々に組み合わせて用いられて励磁電流の周波数を決定してもよい。なお、望ましくは、例えば、溶接部板厚方向の温度分布に基づく励磁電流の制御を主として用いて、溶融形状に基づく励磁電流の制御、又は溶接周波数変動に基づく励磁電流の制御を従として温度分布に基づく周波数の値を補正するようにするとよい。なお、当該周波数は予め設定した周波数域において連続的、又は擬似的に連続的と見做せる程度の離散的に柔軟に可変とする（加熱制御工程のつづき）。

上記の説明では、加熱データベース６、溶接部昇温量算出部７、及び周波数決定部８から構成される加熱制御装置９について、励磁電流の周波数を制御する場合の構成を記載した。その他の構成して、周波数に加えて、励磁電流又は電圧の値を制御すべきパラメータとして加熱制御装置９を構成することも可能である。このときには、加熱制御装置９が処理するデータの容量が増大するが、よりダイナミックに溶接品質を調節することが可能となる。

次に周波数可変電源装置１について説明する。周波数可変電源装置１は、上記の周波数決定部８で決定した周波数で制御されて、加熱用電磁コイル２に励磁電流を供給する。

図５は、本実施の形態における、周波数が所定の周波数域（例えば１ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ）において連続的に可変な周波数可変電源装置の１例であり、上記特許文献４に開示されているような「磁気エネルギーを回生する交流電源装置」を用いることができる。すなわち、ラインの交流電源１００からの交流電圧を交流リアクトル１０１を介してダイオード整流装置１０２により整流して、周波数可変電源装置としての磁気エネルギーを回生する交流電源装置１に直流電圧を印加する。

周波数可変電源装置１を構成するスイッチング素子Ｓ２、Ｓ４がオフすると、電流は加熱用電磁コイル２を紙面の下から上に流れ、Ｓ１とＳ３のダイオードを通してコンデンサＣを充電する。コンデンサＣが充電を完了すると電流は０となる。

次にコンデンサＣが充電を完了するまでにスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３をオン（Ｓ２、Ｓ４はオフ）すると、コンデンサＣに充電されたエネルギーはＳ１、Ｓ３を通して放電し、加熱用電磁コイル２を紙面の上から下に電流が流れだす。

コンデンサＣが放電を完了するとコンデンサ電圧は０となり、Ｓ２，Ｓ４のダイオードが逆電圧ではなくなることから導通して、Ｓ４からＳ１とＳ３からＳ２の二つのパスを通して、電流が加熱コイル２を紙面の上から下に増加して流れる。この期間は、電流は加熱用電磁コイル２と周波数可変電源装置１の間を還流しているので、加熱用電磁コイル２、及び鋼管のインピーダンスから決まる時定数によって電流は減衰する。その後は同様にして、Ｓ１とＳ３をオフし、Ｓ２とＳ４をオンするとＳ２、Ｓ４を通じてコンデンサＣを充放電し、電流は加熱コイル２を紙面の下から上に流れるようになる。

このように、スイッチング素子Ｓ１・Ｓ３、及びＳ２・Ｓ４の各々のゲートのオン・オフタイミングを調整することで、加熱用電磁コイル２には周波数が異なる電流を流すことが可能となり、周波数可変型の誘導加熱が実現できる。即ち、溶接状況計測装置５の信号を基にして、スイッチング素子の導通タイミングを調整する加熱制御装置９により、加熱用電磁コイル２に流れる電流の周波数を可変とすることができる。

一方、加熱用電磁コイル２の電流は、鋼管のサイズ（径、厚み）や鋼種に応じて予め出力電流設定装置１０３で設定しておき、加熱用電磁コイル２に流れる電流値をフィードバックして加熱用電磁コイル２に流れる電流が一定となるようにサイリスタ電力調整装置１０４の電圧を制御する。

このとき、周波数可変電源装置１と加熱用電磁コイル２の間に被加熱材と加熱用電磁コイルのインピーダンスを整合するマッチングトランスは不要であり、被加熱材の加熱効率は向上することから、高効率でエネルギー節約の観点から望ましい。また、鋼管材の溶接部誘導加熱の場合には、ときには周波数が４００ＫＨｚ程度と高周波となることからスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４にはパワーＭＯＳＦＥＴを採用することで可能となる（加熱工程）。

（第２の実施の形態）
第１に実施の形態では、図２（ａ）に示した溶接部誘導加熱用電磁コイルを用いたときの構成について記載したが、本発明の第２の実施の形態として、図２（ｂ）に示すように、溶接部を介して鋼板の両側の端部それぞれに配設された電極である一対の溶接部直接通電用接触子２’にて交流電流を直接通電して溶接鋼管を加熱する構成であっても良い。この場合は周波数決定部８にて溶接鋼管に直接通電する電流の周波数を制御する。この場合も周波数だけでなく接触子に印加する電圧も制御してもよい。

（その他の実施の形態）
以上で説明した、溶接部温度分布演算装置４、溶接部溶融形状計測装置１４、及び溶接周波数変動計測装置１５からなる溶接状況計測装置５、並びに、加熱データベース６、溶接部昇温量算出部７、及び周波数決定部８からなる加熱制御装置９は、それぞれ別個に、又は一緒にして、例えば、Ａ／Ｄ変換ボード、ＨＤＤ等の記憶装置、キーボード・マウス等の入力装置、及び操作又は処理結果を出力して表示するためのディスプレーを具備するパーソナルコンピュータと、これを動作させて上記の処理を実行させるコンピュータプログラムとを用いて構成するとよい。そして、製造プラント内のＬＡＮに接続し、製造計画等の操業データを入力したり、溶接異常を検知したときに操業者に知らせるためのネットワーク接続部を具備させてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

（ａ）誘導加熱方式の鋼管材の加熱部の配置の概略図である。（ｂ）直接通電加熱方式の鋼管材の加熱部の配置の概略図である。 （ａ）本発明の実施の形態の、誘導加熱方式の鋼管材の溶接部誘導加熱装置の概略図である。（ｂ）本発明の実施の形態の、直接通電加熱方式の鋼管材の溶接部誘導加熱装置の概略図である。 溶接部の板厚方向温度分布（輝度分布）の概略図である。 本発明の実施の形態の、周波数と昇温量パターンとの関係のようすを示す概略図である。 本発明の実施の携帯の周波数可変装置の１例である。 鋼管の溶接部斜視図の概略図である。 鋼管の溶接部直後の溶融形状を説明するための概略図である。

符号の説明

１ 周波数可変電源装置
２ 加熱用電磁コイル
２’ 直接通電用接触子
３ 第１の溶接部撮像装置
４ 溶接部温度分布演算装置
５ 溶接状況計測装置
６ 加熱データベース
７ 溶接部の昇温量算出部
８ 周波数決定部
９ 加熱制御装置
１０ 被加熱材（鋼管）
１１ インピーダコア
１２ 端面部
１４ 溶接部溶融形状計測装置
１５ 溶接周波数変動計測装置
１６ 溶接電流波形測定装置
１７ 第２の溶接部撮像装置（溶融形状測定装置）
２０ 溶接部
２１ 溶接部接合線
２３ 溶融部
２４ 溶接シーム
１００ 溶接部一次電源
１０１ 交流リアクトル
１０２ ダイオード整流器
１０３ 出力電流設定装置
１０４ サイリスタ電力調整装置

Claims (12)

1. 移動する鋼板を円筒状に曲げながら管状の鋼管材とし、所定の周波数域で周波数が可変な交流電源により該鋼管材の端面近傍に交流電流を流してジュール熱を発生させ、連続的に該鋼管材の端面の溶接部を溶融させて端面どうし圧接するための鋼管材の溶接部加熱装置であって、
   前記鋼管材の端面の溶接部に対向して配設され、該溶接部の自発光を検知して端面の輝度画像を出力する第１の撮像手段と、
   該輝度画像に基づき画像処理し、放射光測温により前記溶接部の板厚方向と鋼板長手方向を軸とする溶接部２次元の板厚方向温度分布の測定値を出力する溶接部温度分布演算手段と、
   鋼管材の寸法と鋼種の電磁気特性とから予め設定した交流電流の周波数と溶接部の板厚方向の複数の点における昇温量との関係を用いて、前記板厚方向温度分布の測定値による板厚方向の複数の点の温度測定値に基づき、所望の板厚方向の温度分布になるように前記交流電源の周波数を決定する加熱制御手段と、
   該加熱制御手段で決定された周波数の交流電流を前記鋼管材に流すための周波数が可変な磁気エネルギー回生タイプの交流電源と、
   を具備することを特徴とする鋼管材の溶接部加熱装置。
2. 請求項１に記載の鋼管材の溶接部加熱装置において、
   前記鋼管材の溶接部をその上側から撮像して、鋼管材を圧接した直後の溶融した鋼材の平面画像を出力する第２の撮像手段と、
   該平面画像に基づいて溶融形状を求めて溶融部の幅の値を出力する溶接部溶融形状計測手段と、
   をさらに具備し、
   前記加熱制御手段は、予め設定した該溶融部の幅の評価基準、並びに、前記交流電流の周波数と溶接部の板厚方向の複数の点における昇温量との関係を用いて、該溶融部の幅の値と前記板厚方向温度分布とに基づき前記交流電源の周波数を決定することを特徴とする鋼管材の溶接部加熱装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の鋼管材の溶接部加熱装置において、
   前記鋼管材の外側円周方向に該鋼管材と略同軸に配設されて、前記周波数が可変な交流電源から励磁電流を供給され、該鋼管材に前記交流電流を誘導して加熱する加熱用電磁コイルを具備することを特徴とする鋼管材の溶接部加熱装置。
4. 前記加熱制御手段は、前記加熱用電磁コイルの励磁電流の周波数と電流値とを決定して、前記周波数が可変な交流電源を制御することを特徴とする請求項３に記載の鋼管材の溶接部加熱装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の鋼管材の溶接部加熱装置において、
   前記交流電源からの交流電流を通電するための電極として、前記溶接部を介して鋼板の
   両側の端部それぞれに配設される一対の直接通電用接触子を具備することを特徴とする鋼
   管材の溶接部加熱装置。
6. 前記加熱制御手段は、前記直接通電用接触子へ供給する交流電流の周波数と電流値とを決定して、前記周波数が可変な交流電源を制御することを特徴とする請求項５に記載の鋼管材の溶接部加熱装置。
7. 移動する鋼板を円筒状に曲げながら管状の鋼管材とし、所定の周波数域で周波数が可変な交流電源により該鋼管材の端面近傍に交流電流を流してジュール熱を発生させ、連続的に該鋼管材の端面の溶接部を溶融させて端面どうし圧接するための鋼管材の溶接部加熱方法であって、
   前記鋼管材の端面の溶接部に対向して配設された第１の撮像手段で、該溶接部の自発光を検知して端面の輝度画像を出力する第１の撮像工程と、
   該輝度画像に基づき画像処理し、放射光測温により前記溶接部の板厚方向温度分布を演算する溶接部温度分布演算工程と、
   鋼管材の寸法と電磁気特性とから予め設定した交流電流の周波数と溶接部の板厚方向の複数の点における昇温量との関係を用いて、前記板厚方向温度分布の測定値による板厚方向の複数の点の温度測定値に基づき、所望の板厚方向の温度分布になるように前記交流電流の周波数を決定する加熱制御工程と、
   該加熱制御工程で決定された周波数の交流電流を前記周波数が可変な磁気エネルギー回生タイプの交流電源を用いて前記鋼管材に流す工程と、
   からなることを特徴とする鋼管材の溶接部加熱方法。
8. 請求項７に記載の鋼管材の溶接部加熱方法において、
   前記鋼管材の溶接部をその上側から第２の撮像手段で撮像して、鋼管材を圧接した直後の溶融した鋼材の平面画像を出力する第２の撮像工程と、
   該平面画像に基づいて溶融形状を求めて溶融部の幅の値を出力する溶接部溶融形状計測工程と、
   をさらに具備して、
   前記加熱制御工程では、予め設定した該溶融部の幅の評価基準、並びに、前記交流電流の周波数と溶接部の板厚方向の複数の点における昇温量との関係を用いて、該溶融部の幅の値と前記板厚方向温度分布とに基づき前記交流電流の周波数を決定することを特徴とする鋼管材の溶接部加熱方法。
9. 請求項７または請求項８に記載の鋼管材の溶接部加熱方法において、
   前記鋼管材の外側円周方向に該鋼管材と略同軸に配設された加熱用電磁コイルに、前記周波数が可変な交流電源から励磁電流を供給して、該鋼管材に前記交流電流を誘導して加熱するか、又は、
   前記溶接部を介して鋼板の両側の端部それぞれに配設され、前記交流電源からの交流電流を通電するための一対の直接通電用接触子により、該鋼管材に前記交流電流を通電して加熱することを特徴とする鋼管材の溶接部加熱方法。
10. 前記加熱制御工程では、
    前記加熱用電磁コイルの励磁電流の周波数と電流値とを決定して、前記周波数が可変な交流電源を制御するか、又は、
    前記直接通電用接触子へ供給する交流電流の周波数と電流値とを決定して、前記周波数が可変な交流電源を制御することを特徴とする請求項９に記載の鋼管材の溶接部加熱方法。
11. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の鋼管材の溶接部加熱装置によって製造された鋼管。
12. 請求項７〜１０のいずれか１項に記載の鋼管材の溶接部加熱方法によって製造された鋼管。
    

Images