(57)【要約】  レーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法は、カメラ（１１）が、レーザ照射位置（４）と、鋼帯（１）の両縁が所定以上のギャップを有して閉塞していない開先部（５）とを含む領域を、レーザ光（３）の照射方向と同じ方向に同時に撮像し、画像処理装置（１２）が、撮像された撮像画像からレーザ照射位置（４）と突合せ位置（２）とを検出し、検出されたレーザ照射位置（４）と突合せ位置（２）との位置関係を算出する。これにより、レーザ照射位置（４）の突合せ位置（２）からのずれを防止してレーザ溶接鋼管の歩留まりを向上させることができる。
2015194561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼帯の両縁が突き合わされ閉塞した突合せ位置にレーザ光を照射してレーザ溶接鋼管を製造する際、該突合せ位置とレーザ光が照射されたレーザ照射位置とのずれを検出するレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法であって、
前記レーザ照射位置と、前記鋼帯の両縁が所定以上のギャップを有して閉塞していない開先部とを含む領域を、レーザ光の照射方向と同じ方向に同時に撮像する撮像ステップと、
撮像された撮像画像からレーザ照射位置と突合せ位置とを検出する検出ステップと、
検出された前記レーザ照射位置と前記突合せ位置との位置関係を算出する算出ステップと、
を含むことを特徴とするレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法。
【請求項２】
前記算出ステップにおいて、検出された前記レーザ照射位置と前記突合せ位置との鋼帯の走行方向に直交する方向でのずれを算出することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法。
【請求項３】
前記検出ステップにおいて、照射されたレーザ光が前記開先部から前記鋼帯の裏面に貫通した後に前記鋼帯の表面に透過した透過光の撮像画像に基づいて、前記突合せ位置を検出することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法。
【請求項４】
前記撮像ステップにおいて、波長が６３０ｎｍ以上９００ｎｍ以下で帯域幅が２０ｎｍ以下の光のみを透過する帯域限定フィルタを介して撮像することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法。
【請求項５】
鋼帯の両縁が突き合わされ閉塞した突合せ位置にレーザ光を照射して貫通溶接する鋼管の製造方法において、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法によって検出したレーザ照射位置と突合せ位置とのずれ量に基づいて、レーザ光の照射位置を修正しながら溶接することを特徴とする鋼管の製造方法。
【請求項６】
鋼帯の両縁が突き合わされ閉塞した突合せ位置にレーザ光を照射してレーザ溶接鋼管を製造する際、該突合せ位置とレーザ光が照射されたレーザ照射位置とのずれを検出するレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出装置であって、
前記レーザ照射位置と、前記鋼帯の両縁が所定以上のギャップを有して閉塞していない開先部とを含む領域を、レーザ光の照射方向と同じ方向に同時に撮像する撮像手段と、
撮像された撮像画像からレーザ照射位置と突合せ位置とを検出する検出手段と、
検出された前記レーザ照射位置と前記突合せ位置との位置関係を算出する算出手段と、
を備えることを特徴とするレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出装置を備えることを特徴とする鋼管のレーザ溶接装置。
【請求項８】
請求項５に記載の鋼管の製造方法により、レーザ照射位置と突合せ位置とのずれ量に基づいて、レーザ光の照射位置を修正しながら溶接することを特徴とする鋼管の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼帯を連続的に円筒形に整形して突合せ位置をレーザ光を熱源（heat source）として溶接して製造される鋼管における突合せ位置とレーザ照射位置とのずれを検出するレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ（deviation of irradiation position）検出方法、鋼管の製造方法、レーザ照射位置ずれ検出装置、鋼管のレーザ溶接装置、および鋼管の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、溶接鋼管は、例えば、連続的に供給された熱延鋼板等が円筒形に整形されながらその両縁が突き合わされて溶接されることにより、鋼管製品として製造される。その溶接方法としては、電気抵抗溶接（ＥＲＷ法：electric resistance welding method）が多く用いられているが、近年では、レーザ光を熱源として溶接するレーザ溶接法が用いられるようになってきている。レーザ溶接法として、特に、半導体励起レーザ（semiconductor generated laser）、ファイバーレーザ（fiber laser）等、従来のＣＯ２等気体発振のレーザより発振波長が短い高性能レーザ溶接機が開発され、適用範囲が拡大している。このような高性能レーザ溶接機では、溶接時に蒸気化した被溶接金属とレーザとの相互作用によるプラズマ発生等による効率低下が発生しにくい。【０００３】
その一方で、鋼管にレーザ溶接法を適用してレーザ溶接鋼管を製造する際には、鋼帯の両エッジを突き合わせた位置にレーザ光を精度よく照射させることが必要である。しかし、鋼管のレーザ溶接では、コイル接合や厚板の接合、あるいはＵＯＥ鋼管の溶接等に比べて、整形ロール（shaping rolls）での鋼管の拘束具合の非対称性等により突合せ部のローリング変動が起こりやすいことが知られている。そのため、レーザ溶接部においてレーザ照射位置を連続的に検出して、レーザ照射位置を的確に制御するための技術が開発されている。【０００４】
例えば、特許文献１には、レーザ溶接部をテレビカメラで直接観察し、突合せ位置（溶接線（weld line）、ないしシーム位置）、溶融池（weld pool）中心位置を検出する技術が記載されている。ここで、溶接部を外部照明（auxiliary light）で照明して観察した場合、シーム位置は暗く溶融池は明るく観察される。そこで、この技術では、まず、画面上の水平方向（溶接鋼管の走行方向に直交する方向）に、シーム位置検出用のラインと溶接池中心位置検出用ラインとの異なる２本の水平ラインが決められる。そして、各水平ラインの輝度パターン（pattern of intensity）を２値化（binarize）することにより、シーム位置と溶融池中心位置とが検出される。【０００５】
また、特許文献２には、レーザ照射位置の近傍の溶接位置に照射した投光器からの光の鋼板での反射光とプラズマの光（Plasma light）とを撮像した撮像画像から、周辺の鋼板部より輝度が高い部分をレーザ照射位置として検出する技術が記載されている。この技術では、レーザ照射位置や溶融池とシーム位置との位置関係（シームずれ量）は直接検知されず、プラズマ発光量が小さくなるようにレーザ溶接機の位置を制御するのに用いられる。【０００６】
また、特許文献３には、溶接部の強力な自発光（strong emitting light from weld part）を避けて溶接部より上流の部位（シームエッジ）を撮像し、両方の溶接線を画像処理で検出し、それらを外挿した直線の交点を鋼帯走行と直交方向の溶接位置として検知する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公昭５５−１８４３９号公報
【特許文献２】特開２０００−２６３２６６号公報
【特許文献３】特開平０７−１１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、レーザ溶接鋼管の製造時の溶接部画像等は、溶接材の突合せ位置でのエッジ部の形状の変動や汚れ等により、必ずしも溶接線中心位置を中心として左右対称にはならない。また、母材の表面性状により反射率も異なる。したがって、特許文献１に記載の技術のように単純に２値化しただけでは、安定して突合せ位置を検出することは困難である。溶融池の形状についても同様に、必ずしも溶融池中心位置を中心として左右対称な形状にはならない。そのため、特許文献１に記載の技術のように、溶接線および溶融池の中心位置を各々１ライン上の輝度を２値化しただけで検出するのでは、十分な信頼性と測定精度は得られないという問題があった。【０００９】
また、前述のとおり、プラズマはレーザ照射位置からたちこめる金属蒸気とレーザ光との相互作用で発光するものであって、プラズマ発光位置は、レーザ照射位置とは正確に一致せず、その分布範囲も広がる。そのため、特許文献２に記載の技術のように、２値化や重心演算（calculation of gravity of pixel values）等の画像処理を施しても、精度のよいレーザ照射位置としての代表性に欠けるという問題があった。また、近年のファイバーレーザ等の高性能レーザでは、そもそもプラズマ発生量が少なくなっており、画像によるプラズマ検知が困難になっている。【００１０】
また、特許文献３に記載の技術では、熱延鋼板の両端が常に一定幅の直線であるとは限らないため、溶接位置の推定誤差が発生していた。【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ照射位置の突合せ位置からのずれを防止してレーザ溶接鋼管の歩留まりを向上させるレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法およびレーザ照射位置ずれ検出装置を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、レーザ溶接部の強度向上等による高品質なレーザ溶接鋼管を製造する鋼管のレーザ溶接装置、鋼管の製造方法、および鋼管の製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法は、鋼帯の両縁が突き合わされ閉塞した突合せ位置にレーザ光を照射してレーザ溶接鋼管を製造する際、該突合せ位置とレーザ光が照射されたレーザ照射位置とのずれを検出するレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法であって、前記レーザ照射位置と、前記鋼帯の両縁が所定以上のギャップを有して閉塞していない開先部とを含む領域を、レーザ光の照射方向と同じ方向に同時に撮像する撮像ステップと、撮像された撮像画像からレーザ照射位置と突合せ位置とを検出する検出ステップと、検出された前記レーザ照射位置および前記突合せ位置との位置関係を算出する算出ステップと、を含むことを特徴とする。【００１３】
また、本発明に係るレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法は、上記発明において、前記算出ステップにおいて、検出された前記レーザ照射位置および前記突合せ位置との鋼帯の走行方向に直交する方向でのずれを算出することを特徴とする。【００１４】
また、本発明に係るレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法は、上記発明において、前記検出ステップにおいて、照射されたレーザ光が前記開先部から前記鋼帯の裏面に貫通した後に前記鋼帯の表面に透過した透過光の撮像画像に基づいて、前記突合せ位置を検出することを特徴とする。【００１５】
また、本発明に係るレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法は、上記発明において、前記撮像ステップにおいて、波長が６３０ｎｍ以上９００ｎｍ以下で帯域幅が２０ｎｍ以下の光のみを透過する帯域限定フィルタ（bandpass filter）を介して撮像することを特徴とする。【００１６】
また、本発明に係る鋼管の製造方法は、鋼帯の両縁が突き合わされ閉塞した突合せ位置にレーザ光を照射して貫通溶接する鋼管の製造方法において、上記発明のレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法によって検出したレーザ照射位置と突合せ位置とのずれ量に基づいて、レーザ光の照射位置を修正しながら溶接することを特徴とする。【００１７】
また、本発明に係るレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出装置は、鋼帯の両縁が突き合わされ閉塞した突合せ位置にレーザ光を照射してレーザ溶接鋼管を製造する際、該突合せ位置とレーザ光が照射されたレーザ照射位置とのずれを検出するレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出装置であって、前記レーザ照射位置と、前記鋼帯の両縁が所定以上のギャップを有して閉塞していない開先部とを含む領域を、レーザ光の照射方向と同じ方向に同時に撮像する撮像手段と、撮像された撮像画像からレーザ照射位置と突合せ位置とを検出する検出手段と、検出された前記レーザ照射位置および前記突合せ位置との位置関係を算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。【００１８】
また、本発明に係る鋼管のレーザ溶接装置は、上記発明のレーザ照射位置ずれ検出装置を備えることを特徴とする。【００１９】
また、本発明に係る鋼管の製造装置は、上記発明の鋼管の製造方法により、レーザ照射位置と突合せ位置とのずれ量に基づいて、レーザ光の照射位置を修正しながら溶接することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、レーザ照射位置の突合せ位置からのずれを防止してレーザ溶接鋼管の歩留まりを向上させることができる。また、レーザ溶接部の強度向上等により高品質なレーザ溶接鋼管を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の対象である鋼帯のレーザ溶接処理の概要と、本発明の一実施形態に係るレーザ照射位置ずれ検出装置の概略構成とを示す模式図である。
【図２】図２は、本実施の形態のレーザ照射位置ずれ検出処理の原理を説明するための図である。
【図３】図３は、本実施の形態のレーザ照射位置ずれ検出処理の原理を説明するための図である。
【図４】図４は、レーザ溶接処理時の自発光のスペクトル分布を示す図である。
【図５】図５は、撮像視野を設定するための説明図である。
【図６】図６は、本実施形態のレーザ照射位置ずれ検出処理手順を示すフローチャートである。
【図７】図７は、レーザ照射位置検出処理手順を示すフローチャートである。
【図８】図８は、突合せ位置検出処理手順を示すフローチャートである。
【図９】図９は、本実施例のサンプルの移動量とシームずれ量の測定値との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、本実施例のレーザ照射位置移動量とシームずれ量との関係を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態に係るレーザ照射位置ずれ検出装置と、レーザ照射ヘッド位置制御装置とを備えるレーザ溶接装置の概略構成を示す模式図である。
【図１２】図１２は、図１１の実施形態によって検知したシームずれ量に基づいてレーザ照射位置の修正を行った場合と、レーザ照射位置の修正を行わなかった場合とにおける、レーザ照射位置およびシームずれ量を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態であるレーザ照射位置ずれ検出装置およびレーザ照射位置ずれ検出処理を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
【００２３】
［鋼帯のレーザ溶接処理とレーザ照射位置ずれ検出装置］
まず、図１を参照して本発明で対象とする鋼帯のレーザ溶接処理の流れと、本実施の形態のレーザ照射位置ずれ検出装置１０の概略構成について説明する。図１に示すように、鋼帯１は、図示しないスクイズロール（squeeze roll）により、走行に従って幅方向に凹型（concave shape）から円筒形に整形され、幅方向の両縁が突き合わされる。そして、図示しないレーザ溶接装置により、この鋼帯１の幅方向の両縁が突き合わされ閉塞した突合せ位置２を標準にして、レーザ光３が照射される。レーザ光３は、図示しない発振器からミラー等が組み合わされた伝送チューブや光ファイバ等で伝送され、必要に応じて凹面鏡（concave mirror）や凸レンズ等の光学系によってレーザ照射位置４でエネルギー密度が高まるように集光される。そして、鋼帯１のレーザ照射位置４においてレーザ溶接処理が施され、レーザ溶接鋼管が製造される。本実施の形態におけるレーザ溶接処理では、突合せ位置２においてレーザ光３を鋼帯１の両縁が所定以上のギャップを有して閉塞していない開先部５を介して裏面に貫通させ、鋼帯１の突合せ位置２の近傍を溶融させて溶接する貫通溶接処理が施される。
【００２４】
レーザ照射位置ずれ検出装置１０は、カメラ１１と画像処理装置１２とを備え、後述するレーザ照射位置ずれ検出処理により、突合せ位置２とレーザ照射位置４とのずれを検出する。
【００２５】
カメラ１１は、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等の工業監視用カメラとして市販されているもので実現され、対物レンズ（objective lens）１３と帯域限定フィルタ１４とを備える。カメラ１１は、高輝度の測定対象を撮像するため、スミヤ（smear）やブルーミング（blooming）が発生しないＣＭＯＳカメラが好ましい。また、対物レンズ１３は、後述する撮像視野を撮像可能な倍率のものが選定される。その際、レーザ照射位置４を鋼帯１の長手方向に移動させる調整が行われる場合に対応して拡大可能に対物レンズ１３の倍率が選定される。また、対物レンズ１３には、所定の帯域の波長の光のみが透過する帯域限定フィルタ１４が取り付けられる。
【００２６】
画像処理装置１２は、ワークステーションやパソコン等の汎用コンピュータで実現され、表示装置１５や印刷装置等の出力装置の他、入力装置、通信装置等を備えて構成される。画像処理装置１２は、処理プログラム等を記憶したメモリおよび処理プログラムを実行するＣＰＵ等を用いて、レーザ照射位置ずれ検出装置１０の各構成部を制御する。
【００２７】
このように構成されたレーザ照射位置ずれ検出装置１０において、カメラ１１が対物レンズ１３を介して、レーザ光３が照射された鋼帯１のレーザ照射位置４を含む所定の撮像視野６をレーザ光３の図示しない発振器と同一側からレーザ光３の照射方向と同一方向に撮像する。そして撮像された撮像画像に基づいて、画像処理装置１２が、後述するレーザ照射位置ずれ検出処理を実行する。
【００２８】
［レーザ照射位置ずれ検出処理の原理］
ここで、図２〜図４を参照して、レーザ照射位置ずれ検出処理の原理について説明する。図２に示すように、レーザ溶接処理中にレーザ照射位置４の近傍をレーザ光３の発振器と同一側から撮像した撮像画像において、レーザ照射位置４では、溶接熱や鋼帯１の溶融等による高輝度の部位（以下、高輝度領域Ａ）が観察される。またこの同一の撮像画像では、鋼帯１の上流側の両縁が所定以上のギャップを有して閉塞していない位置（開先部５）で、鋼帯１の裏面（凹型の内部）に貫通したレーザ光３に起因する自発光が再び開先部５を透過して、透過光として（以下、透過光領域Ｂ）観察される。レーザ照射位置ずれ検出装置１０は、撮像された１枚の撮像画像から、高輝度領域Ａの中心位置をレーザ照射位置４として検出し、透過光領域Ｂから開先部５の先端の閉塞している位置を突合せ位置２として検出する。そして、レーザ照射位置ずれ検出装置１０は、突合せ位置２とレーザ照射位置４との鋼帯１の走行方向に直交する方向でのずれ量をシームずれ量として算出し、表示装置１５等に出力する。
【００２９】
一方、図３に示すように、鋼帯１の表面での発光が拡散して、撮像画像において溶接熱や鋼帯１の溶融等による高輝度領域Ａや開先部５からの透過光領域Ｂが観察できない場合がある。そのような場合には、以下に説明するように、対物レンズ１３に波長が６３０ｎｍ以上９００ｎｍ以下で帯域幅が２０ｎｍ以下の光のみを透過する帯域限定フィルタ１４を取り付けて撮像することにより、高輝度領域Ａと透過光領域Ｂとを検出する。
【００３０】
レーザ溶接処理時の自発光には、図４に示すスペクトル分布（distribution of spectrum）からわかるように、６３０ｎｍ以下の波長成分（components with shorter wavelength than 630nm）が多く含まれる。そこで、帯域限定フィルタ１４の波長の下限値は６３０ｎｍとする。この下限値は、８００ｎｍとすることが好ましい。また、ＣＣＤカメラ等の撮像感度が９００ｎｍ以上の赤外線領域で失われることから、帯域限定フィルタ１４の波長の上限値は９００ｎｍとする。
【００３１】
また、レーザ光３のスペクトル特性は半値幅で５ｎｍ程度であるのに対し、帯域限定フィルタ１４の実用的な半値幅は１０ｎｍ程度（これ以上狭くすると透過率も低下する）であることから、帯域限定フィルタ１４の帯域幅は１０ｎｍ以下とする。ただし、実用的には、フィルタ特性とレーザ素子の中心波長公差（製造誤差）と（それぞれ±５ｎｍ）を考慮して、帯域限定フィルタ１４の帯域幅は２０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００３２】
なお、撮像視野６は、以下に説明するように設定される。すなわち、鋼帯１の走行方向に直交する撮像視野６の幅は、２０ｍｍ程度に設定される。こうすれば、スクイズロールのロールギャップが十分に含まれるので、開先部５の全幅が含まれる。また、鋼帯１の走行方向に平行な撮像視野６の長さは、開先部５からの透過光領域Ｂが確実に検知されるように設定される。具体的に、撮像視野６の長さは、鋼帯１の開先部５の一方の縁の表面の角と他方の縁の裏面の角とがローリングにより重なり合わない範囲に設定される。したがって、鋼帯１の板厚をｔ、開先部５のギャップをｄ、鋼帯１の曲率半径をＲ、ローリングが発生しうる幅を±Ｗ／２とすると、撮像視野６の長さは、レーザ照射位置４と、次式（１）が成立する範囲とが同時に撮像されるように設定される。
【００３３】
【数１】
2015194561.tif 000003
【００３４】
より詳細には、図５に示すように、ローリングが発生した場合にも透過光領域Ｂが検知されるための条件は、角度αがローリング角度θより大きいことに置き換えることができる。ここで、角度αは、鋼帯１の板厚方向と、鋼帯１の開先部５の一方の縁の表面の角と他方の縁の裏面の角との対角線とがなす角度とする。この場合、α，θについて次の式（２）および式（３）が成立する。したがって、上記式（１）が導出される。その際、撮像の画素数は、一般的な画像処理に倣い測定精度の５分の１程度に設定される。
【００３５】
【数２】
2015194561.tif 000004
【数３】
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【００３６】
また、カメラ１１による撮像周期は、一般的なビデオカメラに倣って３０フレーム／秒とする。ただし、近年の電子デバイスの進歩により、市販のカメラ１１でその２〜３倍の処理速度で撮像可能であることから、貫通溶接不良にならずに許容される貫通溶接処理の最短時間等を勘案して設定されることが望ましい。
【００３７】
［レーザ照射位置ずれ検出処理］
次に、図６のフローチャートを参照して、レーザ照射位置ずれ検出装置１０によるレーザ照射位置ずれ検出処理手順について説明する。図６のフローチャートは、例えば、操作者によりレーザ照射位置ずれ検出の指示入力があったタイミングで開始となり、レーザ照射位置ずれ検出処理はステップＳ１の処理に進む。
【００３８】
ステップＳ１の処理では、画像処理装置１２が、撮像視野６内の撮像画像を取得する。これにより、レーザ照射位置ずれ検出処理はステップＳ２の処理に進む。
【００３９】
ステップＳ２の処理では、画像処理装置１２が、撮像画像の高輝度領域Ａからレーザ照射位置４を検出するレーザ照射位置検出処理を行う。具体的には後述するように、画像処理装置１２は、高輝度領域Ａからレーザ照射位置４の鋼帯１の走行方向に直交する方向（撮像画像の水平方向）の位置Ｘｐを検出する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、レーザ照射位置ずれ検出処理はステップＳ３の処理に進む。
【００４０】
ステップＳ３の処理では、画像処理装置１２が、撮像画像の透過光領域Ｂから突合せ位置２を検出する突合せ位置検出処理を行う。具体的には後述するように、画像処理装置１２は、透過光領域Ｂから突合せ位置２の鋼帯１の走行方向に直交する方向（撮像画像の水平方向）の位置Ｘｓを検出する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、レーザ照射位置ずれ検出処理はステップＳ４の処理に進む。
【００４１】
ステップＳ４の処理では、画像処理装置１２が、ステップＳ２の処理で検出されたレーザ照射位置４と、ステップＳ３の処理で検出された突合せ位置２とに基づいて、シームずれ量を算出する。ここで、シームずれ量とは、鋼帯１の走行方向に直交する方向（撮像画像の水平方向）におけるレーザ照射位置４と突合せ位置２とのずれ量を意味する。具体的には、後述するレーザ照射位置４の水平方向位置Ｘｐと突合せ位置２の水平方向位置Ｘｓとの差に画素分解能を乗じたもので表される。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、レーザ照射位置ずれ検出処理はステップＳ５の処理に進む。
【００４２】
ステップＳ５の処理では、画像処理装置１２が、算出されたシームずれ量を表示装置１５に出力して表示させる。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、一連のレーザ照射位置ずれ検出処理は終了する。
【００４３】
［レーザ照射位置検出処理］
次に、図７を参照して、ステップＳ２のレーザ照射位置検出処理手順について説明する。ステップＳ２１の処理では、画像処理装置１２が、ステップＳ１の処理で取得された撮像画像から高輝度領域Ａを含む領域を切り出して、輝度のヒストグラムを算出する。なお、撮像画像の高輝度領域Ａと透過光領域Ｂとは、図２に例示したように、長手方向（鋼帯１の走行方向）に分離しているため、撮像画像から長手方向に別々に切り出すことができる。これにより、ステップＳ２１の処理は完了し、レーザ照射位置検出処理はステップＳ２２の処理に進む。
【００４４】
ステップＳ２２の処理では、画像処理装置１２が、ステップＳ２１の処理で算出されたヒストグラムに基づいてから、頻度が最も高い輝度値ｌ１と２番目に高い輝度値ｌ２とを決定する。これにより、ステップＳ２２の処理は完了し、レーザ照射位置検出処理はステップＳ２３の処理に進む。
【００４５】
ステップＳ２３の処理では、画像処理装置１２が、ステップＳ２１の処理で切り出された領域のノイズ除去処理を行う。具体的に、画像処理装置１２は、次式（４）で算出される輝度値ｌｃ以下の輝度値をもつ画素の輝度値を０にする。これにより、ステップＳ２３の処理は完了し、レーザ照射位置検出処理はステップＳ２４の処理に進む。
【００４６】
【数４】
2015194561.tif 000006
【００４７】
ステップＳ２４の処理では、画像処理装置１２が、ステップＳ２３の処理の対象とした領域において重心演算を行って、この領域の中心位置を算出する。画像処理装置１２は、ここで算出された中心位置をレーザ照射位置４として、その水平方向（鋼帯１の走行方向に直交する方向）位置Ｘｐを算出する。これにより、ステップＳ２４の処理は完了し、一連のレーザ照射位置検出処理は終了する。
【００４８】
［突合せ位置検出処理］
次に、図８を参照して、ステップＳ３の突合せ位置検出処理手順について説明する。ステップＳ３１の処理では、ステップＳ１の処理で取得された撮像画像から透過光領域Ｂを含む領域を切り出して、輝度のヒストグラムを算出する。これにより、ステップＳ３１の処理は完了し、突合せ位置検出処理はステップＳ３２の処理に進む。
【００４９】
ステップＳ３２の処理では、画像処理装置１２が、ステップＳ３１の処理で算出されたヒストグラムに基づいてから、頻度が最も高い輝度値ｌ３と２番目に高い輝度値ｌ４とを決定する。これにより、ステップＳ３２の処理は完了し、突合せ位置検出処理はステップＳ３３の処理に進む。
【００５０】
ステップＳ３３の処理では、画像処理装置１２が、ステップＳ３１の処理で切り出された領域のノイズ除去処理を行う。具体的に、画像処理装置１２は、次式（５）で算出される輝度値ｌｄ未満の輝度値をもつ画素の輝度値を０にする。これにより、ステップＳ３３の処理は完了し、突合せ位置検出処理はステップＳ３４の処理に進む。
【００５１】
【数５】
2015194561.tif 000007
【００５２】
ステップＳ３４の処理では、画像処理装置１２が、ステップＳ３３の処理の対象とした領域で、水平方向（鋼帯１の走行方向に直交する方向）の走査線毎に、輝度値がｌｄ以上の画素の幅を算出する。これにより、ステップＳ３４の処理は完了し、突合せ位置検出処理はステップＳ３５の処理に進む。
【００５３】
ステップＳ３５の処理では、画像処理装置１２が、ステップＳ３４で算出された幅が最初に０となる走査線上で、輝度値がｌｄとなる画素を特定する。画像処理装置１２は、ここで特定された画素の位置を突合せ位置２として、その水平方向位置Ｘｓを算出する。これにより、ステップＳ３５の処理は完了し、一連の突合せ位置検出処理は終了する。
【００５４】
以上、説明したように、本実施の形態のレーザ照射位置ずれ検出装置１０およびレーザ照射位置ずれ検出処理では、撮像画像の高輝度領域Ａの中心位置をレーザ照射位置４として検出し、撮像画像の透過光領域Ｂから開先部５の先端の閉塞している位置を突合せ位置２として検出する。そして、レーザ照射位置ずれ検出装置１０は、突合せ位置２とレーザ照射位置４との鋼帯１の走行方向に直交する方向でのずれ量をシームずれ量として算出して、表示装置１５に出力する。これにより、レーザ照射位置の突合せ位置からのずれを防止してレーザ溶接鋼管の歩留まりを向上させることができる。
【００５５】
また、このようなレーザ照射位置ずれ検出装置１０を備えた鋼管のレーザ溶接装置２０（図１参照）によれば、レーザ溶接部の強度向上等により高品質なレーザ溶接鋼管を製造することができる。
【００５６】
上記実施の形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、仕様等に応じて種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは上記記載から自明である。
【００５７】
［実施例］
まず、レーザ溶接処理中の鋼管を模したサンプルを走行方向に直交する方向に移動させながら、上記のレーザ照射位置ずれ検出装置１０を用いてシームずれ量を測定した。図９は、この場合のサンプルの移動量とシームずれ量との関係を例示する図である。図９に示すように、サンプルの移動量とシームずれ量とはほぼ直線性の関係を示しており、シームずれ量を高精度に検出できることが確認された。
【００５８】
次に、鋼管のレーザ溶接処理中に、レーザ溶接装置の位置（すなわち、レーザ照射位置）を鋼管の走行方向に直交する方向に段階的に移動させる指令を出しながら、上記のレーザ照射位置ずれ検出装置１０を用いてシームずれ量を測定した。図１０は、この場合の鋼帯１の走行方向へのレーザ照射位置の移動量とシームずれ量との関係を例示する図である。図１０に示すように、鋼管自体のローリングに加え、レーザ溶接装置の位置の移動の指令値に追随して、シームずれ量の測定値が変化していることがわかる。これにより、本実施の形態のレーザ照射位置ずれ検出装置１０のレーザ照射位置ずれ検出処理の有効性が確認された。
【００５９】
なお、鋼管のレーザ溶接装置は、前記したレーザ照射位置ずれ検出装置１０に加えて、レーザの照射位置を制御する機構を備えていてもよい。例えば、図１１に示すレーザ溶接装置２０Ａは、レーザ照射位置ずれ検出装置１０に加えて、レーザ照射ヘッド位置制御装置１６を備えている。
【００６０】
レーザ照射ヘッド位置制御装置１６は、画像処理装置１２からレーザ照射位置４と鋼帯１の突合せ位置とのずれ量（シ―ムずれ量）が入力され、このずれ量に基づいてレーザ照射ヘッド１７の位置を修正する。なお、例えばロボットハンドや電動アクチュエーター等、座標位置を指令値として駆動させることでレーザ照射ヘッドの位置を修正することは一般的に行われているため、上記のような位置修正は公知の技術により実現可能である。
【００６１】
図１２は、図１１のレーザ溶接装置２０Ａによって実際に鋼管を溶接した場合において、レーザ照射位置およびシームずれ量を、レーザ照射ヘッド１７の位置修正を行った場合と行わなかった場合とで比較した図である。同図に示すように、レーザ照射ヘッド１７の位置修正を行った場合は、レーザ照射位置がほぼシーム位置（すなわちシームずれ量０ｍｍの位置）に追従し、シームずれ量がほぼゼロになっていることが分かる。一方、レーザ照射ヘッド１７の位置修正を行わなかった場合は、レーザ照射位置がシーム位置に追従せず、シームずれ量が大きくなっていることが分かる。このように、レーザ溶接装置２０Ａによれば、溶接ずれそのものが低減するため、溶接不良が減少あるいは皆無となり、製造する溶接鋼管の品質や信頼性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上のように、本発明に係るレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法、鋼管の製造方法、レーザ照射位置ずれ検出装置、鋼管のレーザ溶接装置、および鋼管の製造装置は、レーザ照射位置の突合せ位置からのずれを防止することができるため、レーザ溶接鋼管の製造工程に適用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１  鋼帯
２  突合せ位置
３  レーザ光
４  レーザ照射位置
５  開先部
６  撮像視野
１０  レーザ照射位置ずれ検出装置
１１  カメラ（撮像手段）
１２  画像処理装置
１３  対物レンズ
１４  帯域限定フィルタ
１５  表示装置
１６  レーザ照射ヘッド位置制御装置
１７  レーザ照射ヘッド
２０，２０Ａ  レーザ溶接装置
Ａ  高輝度領域
Ｂ  透過光領域
【図１】
2015194561.tif 000008
【図４】
2015194561.tif 000009
【図５】
2015194561.tif 000010
【図６】
2015194561.tif 000011
【図７】
2015194561.tif 000012
【図８】
2015194561.tif 000013
【図９】
2015194561.tif 000014
【図１０】
2015194561.tif 000015
【図１１】
2015194561.tif 000016
【図１２】
2015194561.tif 000017
【図２】
2015194561.tif 000018
【図３】
2015194561.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月24日(2016.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼帯の両縁が突き合わされ閉塞した突合せ位置にレーザ光を照射してレーザ溶接鋼管を製造する際、該突合せ位置とレーザ光が照射されたレーザ照射位置とのずれを検出するレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法であって、
前記レーザ照射位置と、前記鋼帯の両縁が所定以上のギャップを有して閉塞していない開先部とを含む領域を、レーザ光の照射方向と同じ方向に同時に撮像する撮像ステップと、
撮像された撮像画像からレーザ照射位置と突合せ位置とを検出する検出ステップと、
検出された前記レーザ照射位置と前記突合せ位置との位置関係を算出する算出ステップと、
を含み、
前記検出ステップにおいて、照射されたレーザ光が前記開先部から前記鋼帯の裏面に貫通した後に前記鋼帯の表面に透過した透過光の撮像画像に基づいて、前記突合せ位置を検出することを特徴とするレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法。
【請求項２】
前記算出ステップにおいて、検出された前記レーザ照射位置と前記突合せ位置との鋼帯の走行方向に直交する方向でのずれを算出することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法。
【請求項３】
前記撮像ステップにおいて、波長が６３０ｎｍ以上９００ｎｍ以下で帯域幅が２０ｎｍ以下の光のみを透過する帯域限定フィルタを介して撮像することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法。
【請求項４】
鋼帯の両縁が突き合わされ閉塞した突合せ位置にレーザ光を照射して貫通溶接する鋼管の製造方法において、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出方法によって検出したレーザ照射位置と突合せ位置とのずれ量に基づいて、レーザ光の照射位置を修正しながら溶接することを特徴とする鋼管の製造方法。
【請求項５】
鋼帯の両縁が突き合わされ閉塞した突合せ位置にレーザ光を照射してレーザ溶接鋼管を製造する際、該突合せ位置とレーザ光が照射されたレーザ照射位置とのずれを検出するレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出装置であって、
前記レーザ照射位置と、前記鋼帯の両縁が所定以上のギャップを有して閉塞していない開先部とを含む領域を、レーザ光の照射方向と同じ方向に同時に撮像する撮像手段と、
撮像された撮像画像からレーザ照射位置と突合せ位置とを検出する検出手段と、
検出された前記レーザ照射位置と前記突合せ位置との位置関係を算出する算出手段と、
を備え、
前記検出手段は、照射されたレーザ光が前記開先部から前記鋼帯の裏面に貫通した後に前記鋼帯の表面に透過した透過光の撮像画像に基づいて、前記突合せ位置を検出することを特徴とするレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出装置。
【請求項６】
請求項５に記載のレーザ溶接鋼管のレーザ照射位置ずれ検出装置を備えることを特徴とする鋼管のレーザ溶接装置。
【請求項７】
請求項４に記載の鋼管の製造方法により、レーザ照射位置と突合せ位置とのずれ量に基づいて、レーザ光の照射位置を修正しながら溶接することを特徴とする鋼管の製造装置。
【国際調査報告】
2015194561.tif 000020
2015194561.tif 000021
2015194561.tif 000022
2015194561.tif 000023