JPH0413486A - 電縫管の溶接制御方法 - 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入熱の制御方法に
関する。

〔従来技術〕

電縫管は鋼板等のストリップを筒状に成形し、ストリッ
プの両エツジの接触部分を電気抵抗溶接法、又は誘導溶
接法により溶接することによって製造される。誘導溶接
法はワークコイルに高周波電流を通流し、これにより誘
起される二次電流をコイルエツジに集中させて加熱圧接
する方法であり、電気抵抗溶接法はコイルエツジに直接
高周波電流を給電することにより、加熱圧接する方法で
ある。

両方法とも、従来はオペレータが溶接時に発生するビー
ドの人色を目視によって観察し、その大仏の状態により
高周波溶接電源の発振管のプレート電圧を調節して溶接
入熱を制御するというのが一般的な操業方法であった。

しかしながらこのような方法では、オペレータにより適
正な溶接人色に対する個人差があり、均一な溶接品質を
得られなかったり、また、急激な溶接速度の変動、又は
肉厚変動等の外乱に対応できないという欠点を有してい
る。

そこでこれを防止する為に溶接入熱を自動的に制御する
方法が各種捷藁されている。最も一般的な制御方法は、
溶接温度を検出し、これを一定にすべくフィードバック
制御を実施するものであるが、この方法はストリップの
肉厚変動、又は溶接速度の変動といった外乱に極めて弱
く、コイルとコイルとの継ぎ目的（横継ぎ部）等、非定
常部の制御は極めて困難である。例えば特開昭５４−９
００３７号公報では、高周波溶接の際、発生する溶接部
の回路形状の周期的変化が溶接品質と相関があるという
知見に基づき、この周期を捉え、変動幅を一定に制御す
るという方法を提案している。この方法は溶接温度に代
えて回路形状の周期的変化を用いているのであるが、本
質的には同一の方法である為、同様の欠点を有する。

そこで、上述のフィードバック制御の欠点を補うべく、
電縫管溶接の際の主な外乱である肉厚変動と溶接速度の
変動とを検出し、フィードフォワード制御する方法が特
開昭５４−１３７４６８号公報、特開昭５７−１９５５
８７号公報に提案されている。

前者は下記（１）式を用いてフィードフォワード制御す
る方法である。

Ｅｐ　　Ｉｐ　　＝Ｅ　　（Ａ＋Ｂｔ　　）　　（Ｃ＋
Ｄν　）　　・・・（１）但し、Ｅｐ　ニブレート電圧 Ｉｐ　ニブレート電流 Ｅ：外径による係数 Ｃ：定数（Ｃ＝３５） Ｄ：定数（Ｄ＝１） Ａ：板厚による定数 Ｂ：板厚による定数 ｔ：実板厚 ■＝溶接速度 また、後者は前記特開昭５４−９００３７号公報による
方法に、フィードフォワード機能を加えたものであり、
フィードフォワード信号には板厚、又は溶接速度の検出
信号の微分値を使用している９〔発明が解決しようとす
る課題〕 ところで、前者（特開昭５４−１３７４６８号公報）の
方法では、入熱設定量（ＥｐＩｐ）が溶接する管の外径
、肉厚が決まれば溶接中の肉厚、速度を検出することに
より一意的に決定するということが前提になっている。

ところが、実際は管の外径、肉厚が同じであってもトラ
ブル発生時、又はフォーミングミルのロール替え等の作
業の為に、溶接を一時中断して再び開始するような場合
、入熱設定量は中断前と全（同じでなく変化するという
こと、即ち製管チャンス毎に少しずつ異なるということ
が知られている。第８図は外径１１４．３　ｍ、肉厚４
．５ｆｉの電縫管を２つの異なる製管チャンスで同一の
溶接温度になるように制御した場合の溶接入熱設定量（
ここではＥｐ）と溶接速度との関係を示すグラフであり
、図中縦軸にプレート電圧（ＫＶ）を、横軸に溶接速度
（ｍ／分）を示しである。図から分かるように２つの製
管チャンスではその関係が異なっている。これは管内に
挿入するインピーダの経年変化、又はその冷却水の温度
変化、溶接部突き合せ形状の変化、給電装置と溶接部と
の相対的な位置変化等の種々の要因により、最適な溶接
効率が製管チャンスの都度、変化する為と考えられる。

このように溶接効率は製管チャンスの都度、変化するの
であるが、上記（１１式はこれを考慮していない為、フ
ィードフォワードＩＪｔｌｌの精度が低く、却ってフィ
ードバック制御の外乱になってしまうという問題がある
。また、肉厚、外径毎に定数が必要な為、ミルによって
は数百種の定数を保持する必要があり、システムを継続
的に維持向上していくのは非常に困難である。

一方、後者（特開昭５７−１９５５８７号公報）の方法
では、フィードフォワード信号として肉厚、溶接速度の
微分信号を採用しているが、特に肉厚は変動の周期が早
く、変動幅も比較的大きい為、これを微分すると非常に
大きなノイズになる可能性があり、実用性に乏しい。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、製管
チャンスに関係なく、しかも管のサイズにも依存しない
フィードフォワード制御を実現することにより、簡便で
精度の高い電縫管の溶接制御方法を捉供することを目的
とする。

Ｃ課題を解決するための手段〕 本発明に係る電縫管の溶接制御方法は、ストリップを筒
状に成形し、この突き合わせ部分を、高周波溶接機のプ
レート電圧を制御しながら溶接していく電縫管の溶接制
御方法において、前記ストリップの厚みｔ、溶接速度Ｖ
を検出し、プレート電圧Ｅｐを、Ｅｐ　＝Ｋｖ’　ｔβ
　（Ｋ、　　α、　　β：定数）にて求めてフィードフ
ォワード制御する一方、溶接温度を検出し、この検出値
に基づいてプレート電圧Ｅｐをフィードバック制御する
ことを特徴とする。

〔作用〕

高周波溶接機は、これのプレート電圧Ｅｐがストリップ
の＝厚みｔ及び溶接速度Ｖの検出値に基づいてＥｐ＝Ｋ
ｖ“ｔβとなるようにフィードフォワード制御される一
方、溶接温度の検出値に基づいてフィードバック制御さ
れる。ここで、Ｋは溶接開始毎に初期値が決定されて制
御周期毎に補正され、またα、βは管のサイズと夫々無
関係に決定される。

〔実施例〕

以下、本発明をその実施例を示す図面に基づき具体的に
説明する。第１図は本発明に係る電縫管の溶接制御方法
を実施する為の装置構成を示すブロック図である。アン
コイラ１から解かれたストリップ２はルーパ３を経由し
てフォーミングミル４にて筒状に成形される。筒状に成
形されたストリップ２は溶接機５のワークコイルにて高
周波電圧が印加され、突き合せ部に沿って高周波誘導電
流が流れることにより、この突き合せ部が加熱され、ス
クイズロール６にて加圧されて電縫溶接がなされる。そ
してこの電縫管はサイプ７にて外径が整えられた後、カ
ットオフ８にて切断されて製品となる。

図中１２は本発明に係る入熱制御を行う為の制御装置で
ある。該制御装置１２には、ルーパ３の出側に設けられ
、ストリップ２の厚みを連続的に計測する肉厚計９、溶
接部分の温度を計測する温度計１０及びサイプ７の出側
で電縫管の速度を計測する速度計１１の各検出信号が入
力しである。溶接機５と肉厚計９とは位置が離れている
為、速度計１１にて得られる速度信号を積分することに
より、肉厚計９から溶接部までトラッキングされ、溶接
機５に対する溶接入熱の制御に必要なデータとして使用
される。

さて、本発明者らは、上記入熱制御システムのフィード
フォワード方法を考案するに際し、入熱設定量（ここで
は溶接機５のプレート電圧Ｅｐ）と、材料肉厚及び溶接
速度との関係について考察し、下記の如き知見を得た。

即ち、入熱設定量（溶接機５のプレート電圧Ｅｐ）は第
２図に示すような溶接部の一次元伝熱モデルを想定する
ことにより、次式のように近憤的に表現できることが判
明した。

Ｅｐ＝Ｋｖ“ｔβ　　　　　・・・（２）但し、Ｅｐ　
； Ｈ： Ｖ　： ｔ　： θＣ： 溶接機プレート電圧 溶接部インピーダンス 溶接速度 材料肉厚 目標温度 λ：熱伝導率 ｂ：エツジ間隔 α：２／浸透深さ に：熱拡散率 １：給電距離 ｄ、Ｑ：定数 σ：抵抗率 ココテ、（３）式のＫは基本的に製管チャンス毎に決定
できる定数である。α、βは管の外径、肉厚あるいは製
管チャンスによらず一定の定数である。

第３図は種々のサイズの管を製造した場合の、プレート
電圧Ｅｐと溶接速度Ｖとの関係を示すグラフであり、図
中縦軸にプレート電圧（ＫＶ）を、横軸に溶接速度（ｍ
／分）を示しである。各サイズの管におけるプレート電
圧と溶接速度との関係は下記（４）式の如く表現できる
。

Ｅｐ＝に’ｖ’　　　・・・（４） そこで夫々のサイズ毎に縦軸にＥｐ／に’を取って第３
図を書き直したのが第４図に示すグラフである。このグ
ラフは溶接速度にかかる係数αが管のサイズ、又は製管
チャンスによらず一定となることを示している。

同様に種々のサイズの管を製造した場合の、プレート電
圧Ｅｐと材料肉厚ｔとの関係を示すのが第５図のグラフ
であり、第５図の縦軸のプレート電圧Ｅｐを、Ｅｐ／Ｋ
“として書き直したものが第６図に示すグラフである。

第５図及び第６図より、材料肉厚についても同様に、材
料肉厚にかかる係数βが、管のサイズ、又は製管チャン
スによらず一定となることが判明した。

ここでに、に’、Ｋ”は（３）式中の全てのパラメータ
を測定することによっても得られるが、最も簡単に求め
る方法は、ロール替え後の各製管チャンス毎に、手動に
より一定の溶接温度になるように溶接し、その時のプレ
ート電圧Ｅｐを記憶してお（ことにより求める方法であ
る。つまり、Ｋは非常に短時間の点検の為に溶接を中断
して開始するような場合は、必ずしもその開始時に求め
なくとも、中断前の値を用いれば良く、ロール替え等の
長時間の停止後、再開するような場合、上述の如く求め
れば良い。

さて、上記（３）式のフィードフォワード式のうち、ミ
ルの立ち上がり等で太き（変動するのは溶接速度であり
、材料肉厚はコイルの定常部で略一定と考えられるので
、下記の如く変形する。

Ｅｐ＝Ｋｖ　ｖ＆　　　・・・（５） ロール替え後の各製管チャンス毎に手動により、一定の
溶接温度になるように溶接し、その時のプレート電圧を
Ｅｐとすると、手動溶接から自動制御に切り換えるタイ
ミングにおけるＥｐをＥｐｒ、その時の溶接速度を速度
計１１の検出値よりｖｒとすると、Ｋνは、 Ｋ　ｖ　＝　Ｅ　ｐｒ／　ｖｒ’　　　　−ｆ６）とし
て容易に求めることができる。

これにより、溶接速度の変動による補正項Ｅｐｖは、 Ｅｐｖ＝Ｋｖ　　（ｖ（ｉ）”−ｖ（ｉ−１）＆）　　
　　−（７１但し、ｖ（ｉ）　　　：今回検出速度 ｖ　（ｉ−１）　　：前回検出速度 として求まる。

更に肉厚計９からトラッキングされた材料肉厚のデータ
により、手動溶接から自動制御に切り換えるタイミング
における肉厚をｔｒとすると、肉厚変動による補正係数
Ｋｔは、 ＫＬ　＝Ｋｖ　ｖ（ｉ）”　／ｌｒβ　　　　−（８）
となる。つまり、速度変動の補正係数と異なり、肉厚変
動の補正係数は速度の関数となる。これは材料肉厚と異
なり、溶接速度は大きく変化するからである。この係数
Ｋｔを用いて材料肉厚変動による補正項Ｅｐｔは、 Ｅｐｔ＝　Ｋ　ｔ　　（ｔ　（ｉ）β−ｔ（ｉ−１）β
）　　・・・（９）但し、ｔ（ｉ）　　　：今回検出肉
厚 ｔ（ｉ−１）：前回検出肉厚 として求まる。

以上により、フィードフォワード環Ｅｐｎは、Ｅｐｆｆ
　＝　Ｅｐｖ＋　Ｅｐｔ　　　　＝α鴎となる。このフ
ィードフォワード環Ｅｐｆｆに溶接温度のフィードバン
ク環Ｅ　ｐｆｂを加えて制御出力Ｅｐが次の如く求めら
れる。

Ｅｐ　＝Ｅｐｆｆ　＋Ｅｐｆｂ　　　・・・０υ更にフ
ィードバンク環Ｅ　ｐｆｂにより、長期的な溶接効率の
変化（管内面のインピーダの冷却水温の変化、溶接機の
発振器の温度による効率変化等、種々の要因が考えられ
る）が補正されると考えられるので、本項の手順を制御
開始から毎回の制御出力のタイミングで繰り返し行うこ
とにより、常に最適な制御ゲインＫｖ、Ｋｔを得ること
ができる。

この手順は計算に用いる定数α、βが管のサイズによら
ず一定である為、前記特開昭５４−１３７４６８号公報
に見られるような管の外径、肉厚毎に係数を定めて保持
する必要がなく、大変簡便な制御方法と言える。更に第
８図に見られるような、溶接効率の変化に起因する制御
特性の変化も補償することができる為、実用性に優れて
いる。

第７図は、本発明に係る自動制御による溶接と、手動溶
接との比較結果を示すタイムチャートである。図中上段
（１）に外径５０．８ｍ、肉厚１．６ｍｍの管を手動溶
接した場合を、下段に外径８２．５ｍ、肉厚５゜１６〜
５．６６ｍ１の管を自動制御にて溶接した場合を夫々示
し、各々母材肉厚偏差（μｍ）、溶接機出力電圧（％）
、溶接速度（ｍ／分）、溶接温度（℃）を縦軸に、横軸
に時間を取っである。手動溶接では溶接速度が変更した
場合を、自動制御では左側（２）に肉厚が変更した場合
を、右側（３）に溶接速度が変更した場合を夫々示しで
ある。この図から分かるように自動制御ではこれらが急
変した場合でも、溶接温度が安定した状態で溶接が行わ
れている。

〔効果〕

以上の如く、本発明に係る電縫管の溶接制御方法におい
ては、高周波溶接機のプレート電圧をフィードフォワー
ド制御する際に、溶接開始毎に補正される定数Ｋ及び管
のサイズと無関係の定数α。

βを用いてプレート電圧を求めるので、制御精度が高く
、フィードバンク制御の外乱になることがなく、また、
管のサイズ毎に多数の定数を保持する必要もなくなり、
制御システムの簡略化が図れる。この結果、ストリップ
の肉厚及び溶接速度が急変しても、溶接温度は常に安定
して適正な値に調節されるので、溶接不良率が低減され
、歩留りが大幅に向上する等、本発明は優れた効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電縫管の溶接制御方法の実施状態
を示すブロック図、第２図は溶接部の伝熱モデル図、第
３図は溶接速度と溶接機プレート電圧との関係を示すグ
ラフ、第４図はＥｐ／にと溶接速度との関係を示すグラ
フ、第５図は材料肉厚と溶接機プレート電圧との関係を
示すグラフ、第６図はＥｐ／にと材料肉厚との関係を示
すグラフ、第７図は本発明方法による溶接と手動溶接と
の比較結果を示すタイムチャート、第８図は異なる製管
チャンスにおける溶接速度と溶接機プレート電圧との関
係を示すグラフである。 ２・・・ストリップ　５・・・溶接機　９・・・肉厚計
１０・・・温度計　１１・・・速度計　１２・・・制御
装置時　許　出願人　　住友金属工業株式会社代理人　
弁理士　　河　　野　　登　　夫港榛区度（１分） 材Ｑｌｔｌ　幕（ｍ　＋ｒｌｌ　） 篤 図 ５客瞳先度（ｍ序） 蔦 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ストリップを筒状に成形し、この突き合わせ部分を
   、高周波溶接機のプレート電圧を制御しながら溶接して
   いく電縫管の溶接制御方法において、 前記ストリップの厚みｔ、溶接速度ｖを検出し、プレー
   ト電圧Ｅｐを、 Ｅｐ＝Ｋｖ＾αｔ＾β（Ｋ、α、β：定数）にて求めて
   フィードフォワード制御する一方、溶接温度を検出し、
   この検出値に基づいてプレート電圧Ｅｐをフィードバッ
   ク制御すること を特徴とする電縫管の溶接制御方法。