(57)【要約】【課題】  電縫溶接管の溶接工程において、被溶接材料の開先部に流れる溶接電流を精度良く検出することにより、溶接状態を適切に監視するのに供し得る電縫溶接管の溶接電流検出方法及び検出装置を提供する。【解決手段】  溶接電流検出装置１は、電縫溶接管Ｐの溶接工程に設置され、被溶接材料Ｍの開先部Ｍ１の上方に設置された磁気センサ１１と、磁気センサ１１の出力に基づいて開先部Ｍ１に流れる溶接電流を検出する信号処理手段１２とを備えている。磁気センサ１１は、平面視において被溶接材料Ｍの軸方向に略直交する方向にその軸方向が向けられた検出コイルとされている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電縫溶接管の溶接工程において、被溶接材料の開先部の上方に磁気センサを配置し、当該磁気センサの出力に基づいて前記開先部に流れる溶接電流を検出する方法であって、
前記磁気センサとして、平面視において前記被溶接材料の軸方向に略直交する方向の磁束成分を検出するセンサを用いることを特徴とする電縫溶接管の溶接電流検出方法。
【請求項２】
前記磁気センサを前記被溶接材料の開先部の直上から平面視において前記被溶接材料の軸方向に略直交する方向に離間させて配置することを特徴とする請求項１に記載の電縫溶接管の溶接電流検出方法。
【請求項３】
前記被溶接材料を誘導加熱するためのワークコイルに流れる電流の位相に基づいて前記磁気センサの出力を同期検波することを特徴とする請求項１又は２に記載の電縫溶接管の溶接電流検出方法。
【請求項４】
前記同期検波後の磁気センサの出力から前記ワークコイルに流れる電流に含まれるリップル成分を減算することを特徴とする請求項３に記載の電縫溶接管の溶接電流検出方法。
【請求項５】
電縫溶接管の溶接工程に設置され、
被溶接材料の開先部の上方に設置された磁気センサと、
前記磁気センサの出力に基づいて前記開先部に流れる溶接電流を検出する信号処理手段とを備え、
前記磁気センサは、平面視において前記被溶接材料の軸方向に略直交する方向にその軸方向が向けられた第１の検出コイルであることを特徴とする電縫溶接管の溶接電流検出装置。
【請求項６】
前記磁気センサは、前記被溶接材料の開先部の直上から平面視において前記被溶接材料の軸方向に略直交する方向に離間させて配置されることを特徴とする請求項５に記載の電縫溶接管の溶接電流検出装置。
【請求項７】
前記被溶接材料を誘導加熱するためのワークコイルに流れる電流の位相を検出するための第２の検出コイルを備え、
前記信号処理手段は、前記第２の検出コイルの出力に基づいて前記磁気センサの出力を同期検波するための同期検波手段を具備することを特徴とする請求項５又は６に記載の電縫溶接管の溶接電流検出装置。
【請求項８】
前記信号処理手段は、
前記第２の検出コイルの出力に含まれるリップル成分を抽出するための抽出手段と、
前記同期検波手段の出力から前記抽出手段によって抽出されたリップル成分を減算するための減算手段とを具備することを特徴とする請求項７に記載の電縫溶接管の溶接電流検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電縫溶接管の溶接工程において、被溶接材料の開先部に流れる溶接電流を精度良く検出することにより、溶接状態を適切に監視するのに供し得る電縫溶接管の溶接電流検出方法及び検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電縫溶接管の溶接部における欠陥検査は、溶接後に超音波探傷などを施すことによって実施されるのが一般的である。しかし、ペーストウエルド（被溶接材料の開先部に異物などが混入することによってアークが生じ、部分的な温度低下が生じることによって発生する溶接不良）と称されるような欠陥は微小欠陥であると共に、その組成上超音波の反射もほとんど生じないため、超音波探傷方法では検出することが困難である。このため、このような溶接不良に基づく欠陥は、溶接後の探傷ではなく、溶接工程において検出する必要がある。
【０００３】
電縫溶接管の溶接工程において欠陥（溶接不良）を検出する方法としては、被溶接材料の開先部近傍に磁気検出コイルを配置して、開先部に流れる溶接電流（誘導電流）を検出し、当該溶接電流の変化によって欠陥を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。これは、被溶接材料の端部同士を溶接するために必要な加熱に効果のある電流が開先部（被溶接材料の端部）に流れる溶接電流だからである。
【０００４】
より具体的に説明すれば、特許文献１に開示された方法では、開先部の直上であって、開先部を形成している被溶接材料の両側の端部に跨るように検出コイルが配置されており、特許文献２に開示された方法では、溶接点（Ｖ点）の直上に検出コイルが配置される構成となっている。また、特許文献１及び特許文献２に開示された検出コイルは、双方共にその軸方向（磁束検出方向に相当）が開先部に向けられた配置とされている。
【０００５】
しかしながら、これら特許文献１や特許文献２には、溶接電流の変化のみを精度良く検出する方法について開示も示唆もなく、本発明の発明者が実際に検討したところによれば、これら特許文献１や特許文献２に記載の方法では、開先部（被溶接材料の端部）に流れる溶接電流（溶接電流に起因した磁束）を精度良く検出できないことが分かった。
【特許文献１】特開昭５７−１４９０７５号公報
【特許文献２】特公昭５８−１５２２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、電縫溶接管の溶接工程において、被溶接材料の開先部に流れる溶接電流を精度良く検出することにより、溶接状態を適切に監視するのに供し得る電縫溶接管の溶接電流検出方法及び検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述のように、被溶接材料の端部同士を溶接するために必要な加熱に効果のある電流は、開先部（被溶接材料の端部）に流れる溶接電流であるため、溶接不良又は溶接不良に基づく欠陥を検出するには、前記溶接電流のみ（溶接電流に起因した磁束のみ）を精度良く検出することが必要である。しかしながら、前述のように、特許文献１及び特許文献２に記載の方法では、溶接電流を精度良く検出することができず、この理由について本発明の発明者は鋭意検討した結果、電縫溶接管の溶接工程で用いられるインピーダ（被溶接材料に内挿される磁性体）から漏れ出る磁束が影響していることを見出した。より具体的に説明すれば、図８に示すように、数値解析によれば、開先部に流れる溶接電流によって生ずる磁束のみならずインピーダから開先部に向けて垂直方向の磁束成分が多く漏れ出るため、開先部の直上に配置され、その軸方向が開先部に向けられた従来の検出コイルでは、インピーダから漏れ出た磁束を主として検出してしまっていることを見出した。換言すれば、従来の方法では、開先部に流れる溶接電流によって生ずる磁束ではなく、インピーダから漏れ出る磁束がＶ点位置の前後移動や異物などの混入によって生ずるアークによって変動するのを検出しているに過ぎないことが分かった。
【０００８】
本発明は、斯かる知見に基づき完成されたものであり、電縫溶接管の溶接工程において、被溶接材料の開先部の上方に磁気センサを配置し、当該磁気センサの出力に基づいて前記開先部に流れる溶接電流を検出する方法であって、前記磁気センサとして、平面視において前記被溶接材料の軸方向に略直交する方向の磁束成分を検出するセンサを用いることを特徴とする電縫溶接管の溶接電流検出方法を提供するものである。
【０００９】
斯かる発明によれば、溶接電流を検出する（溶接電流によって生ずる磁束を検出する）ための磁気センサとして、平面視において被溶接材料の軸方向に略直交する方向の磁束成分を検出するセンサを用いる。換言すれば、磁気センサとして、インピーダから開先部に向けて漏れ出る垂直方向の磁束成分に対して、略直交する水平方向の磁束成分を検出するセンサを用いるため、インピーダから漏れ出る磁束の影響を低減することができると共に、ワークコイルによって生ずる磁束の影響も小さくなり、開先部に流れる溶接電流のみ（溶接電流に起因した磁束のみ）を精度良く検出することが可能である。
【００１０】
また、本発明の発明者は、溶接電流のみ（溶接電流に起因した磁束のみ）を精度良く検出するには、前記磁気センサを前記被溶接材料の開先部の直上ではなく、直上から平面視において前記被溶接材料の軸方向に略直交する方向に離間させて配置するのが好ましいことも見出した。
【００１１】
斯かる構成によれば、溶接電流を精度良く検出することができるのみならず、磁気センサを開先部の直上からずらした位置に配置することになるため、従来のように開先部の直上に検出センサを配置することにより、溶接工程において温度制御するための放射温度計の視野を阻害するということもなく好適である。
【００１２】
また、前記被溶接材料を誘導加熱するためのワークコイルに流れる電流の位相に基づいて前記磁気センサの出力を同期検波するのが好ましい。
【００１３】
斯かる構成によれば、ワークコイルによって電磁誘導される開先部の溶接電流の位相と一定の位相差（原理上９０°）を有するワークコイルに流れる電流の位相に基づいて磁気センサの出力を同期検波するため、ノイズが低減され、溶接電流をより一層精度良く検出することが可能である。
【００１４】
さらに、前記同期検波後の磁気センサの出力から前記ワークコイルに流れる電流に含まれるリップル成分を減算するのが好ましい。
【００１５】
ワークコイルに通電するための発振器等の出力に商用周波数の整流不足成分であるリップルが含まれる場合（ワークコイルに流れる電流にリップルが含まれる場合）、ワークコイルによって電磁誘導される開先部の溶接電流、ひいては磁気センサの出力にも当該リップルが含まれることになり、これが溶接電流を検出する際のノイズとなる。前記構成によれば、同期検波後の磁気センサの出力からワークコイルに流れる電流に含まれるリップル成分が減算されるため、ノイズが低減され、溶接電流をより一層精度良く検出することが可能である。
【００１６】
なお、前記課題を解決するべく、本発明は、電縫溶接管の溶接工程に設置され、被溶接材料の開先部の上方に設置された磁気センサと、前記磁気センサの出力に基づいて前記開先部に流れる溶接電流を検出する信号処理手段とを備え、前記磁気センサは、平面視において前記被溶接材料の軸方向に略直交する方向にその軸方向が向けられた第１の検出コイルであることを特徴とする電縫溶接管の溶接電流検出装置としても提供される。
【００１７】
好ましくは、前記磁気センサは、前記被溶接材料の開先部の直上から平面視において前記被溶接材料の軸方向に略直交する方向に離間させて配置される。
【００１８】
また、前記溶接電流検出装置は、前記被溶接材料を誘導加熱するためのワークコイルに流れる電流の位相を検出するための第２の検出コイルを備え、前記信号処理手段は、前記第２の検出コイルの出力に基づいて前記磁気センサの出力を同期検波するための同期検波手段を具備するように構成するのが好ましい。
【００１９】
さらに、前記信号処理手段は、前記第２の検出コイルの出力に含まれるリップル成分を抽出するための抽出手段と、前記同期検波手段の出力から前記抽出手段によって抽出されたリップル成分を減算するための減算手段とを具備するように構成するのが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
以上に説明したように、本発明は、溶接電流を検出する（溶接電流によって生ずる磁束を検出する）ための磁気センサとして、平面視において被溶接材料の軸方向に略直交する方向の磁束成分を検出するセンサを用いる。換言すれば、磁気センサとして、インピーダから開先部に向けて漏れ出る垂直方向の磁束成分に対して、略直交する水平方向の磁束成分を検出するセンサを用いるため、インピーダから漏れ出る磁束の影響を低減することができると共に、開先部に流れる溶接電流のみ（溶接電流に起因した磁束のみ）を精度良く検出することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係る電縫溶接管の溶接電流検出装置の構成を概略的に示す斜視図である。図１に示すように、溶接電流検出装置１は、電縫溶接管Ｐの溶接工程に設置され、被溶接材料Ｍの開先部Ｍ１の上方に設置された磁気センサ１１と、磁気センサ１１の出力に基づいて開先部Ｍ１に流れる溶接電流を検出する信号処理手段１２とを備えている。また、本実施形態に係る溶接電流検出装置１は、好ましい態様として、被溶接材料Ｍを誘導加熱するためのワークコイルＷに流れる電流の位相を検出するべく、ワークコイルＷの近傍に配設された検出コイル１３（直径５ｍｍで１０ターン程度の空芯コイル）を備えている。
【００２３】
図２に示すように、磁気センサ１１は、平面視において（すなわち、図２の紙面上方から見て）被溶接材料Ｍの軸方向（図２の紙面に垂直な方向）に略直交する方向にその軸方向が向けられた検出コイルとされている。換言すれば、磁気センサ１１として、インピーダ（図示せず）から開先部Ｍ１に向けて漏れ出る垂直方向の磁束成分に対して、略直交する水平方向の磁束成分を検出する検出コイルを用いているため、インピーダから漏れ出る磁束の影響を低減することができると共に、開先部Ｍ１に流れる溶接電流のみ（溶接電流に起因した磁束のみ）を精度良く検出することが可能である。なお、本実施形態では、磁気センサ１１として、直径２ｍｍで３０ターンの空芯コイルを用い、図１に示すように、開先部Ｍ１の上方において被溶接材料Ｍの溶接点（Ｖ点）Ｍ２までに複数（８個）配置する構成を採用している。
【００２４】
ここで、図３は、発振器Ｏ（図１参照）を介してワークコイルＷに３８０ｋＨｚの高周波電流を通電し、外径７０ｍｍの被溶接材料（鋼材）Ｍの開先部Ｍ１直上（開先部Ｍ１を形成する被溶接材料の両端部Ｍ３の中点から直上に９ｍｍ離間した位置）を基準にして、磁気センサ１１を水平方向（図２の紙面左右方向）に走査した場合に検出された磁場強度を示す。図３に示すように、開先部Ｍ１の直上（図３の横軸０の位置）から数ｍｍ程度離間した位置において磁気センサ１１の出力（絶対値）が最大になることが分かった。換言すれば、磁気センサ１１の出力を大きくするには、被溶接材料Ｍの開先部Ｍ１の直上から平面視において被溶接材料Ｍの軸方向に略直交する方向に数ｍｍ程度離間させて配置することが好ましいことが分かった。従って、本実施形態では、被溶接材料Ｍの一方の端部Ｍ３から水平方向におよそ９ｍｍ離間した位置の上方９ｍｍの位置に各磁気センサ１１を配置する構成を採用している。斯かる構成によれば、溶接電流を精度良く検出することができるのみならず、磁気センサを開先部Ｍ１の直上からずらした位置に配置することになるため、従来のように開先部Ｍ１の直上に検出センサを配置することにより、溶接工程において温度制御するための放射温度計の視野を阻害するということもなく好適である。なお、斯かる磁気センサ１１の配置条件は、被溶接材料Ｍの外径が７０ｍｍの場合に好適な条件であり、被溶接材料Ｍの外径が変更された場合には、適宜変更することが可能である。また、被溶接材料Ｍの外径が７０ｍｍの場合であっても、必ずしも上記配置条件に限定されるものではない。
【００２５】
信号処理手段１２は、検出コイル１３の出力に基づいて磁気センサ１１の出力を同期検波するための同期検波回路１２１と、検出コイル１３の出力に含まれるリップル成分を抽出するための抽出回路１２２と、同期検波回路１２１の出力から抽出回路１２２によって抽出されたリップル成分を減算するための減算回路１２３とを備えている。なお、同期検波回路１２１と減算回路１２３とは、各磁気センサ１１の個数に応じた個数だけ具備されている。また、本実施形態に係る信号処理手段１２は、各磁気センサ１１の個数に応じた個数の減衰器１２４及びローパスフィルタ１２５の他、移相器１２６を具備している。以下、信号処理手段１２による信号処理の内容について、より具体的に説明する。
【００２６】
まず、各磁気センサ１１の出力は、当該出力が過度に大きくなった場合に対応するべく減衰器１２４に入力され、所定の出力値以下となるように減衰された後、ローパスフィルタ１２５に入力される。ローパスフィルタ１２５では、略４００ｋＨｚ以上の周波数を有する高周波ノイズが除去される。次に、ローパスフィルタ１２５によって高周波ノイズが除去された信号は、同期検波回路１２１に入力され、検出コイル１３の出力に基づいて同期検波される。
【００２７】
より具体的に説明すれば、検出コイル１３の出力はまず移相器１２６に入力され、後述するように位相がシフトされた後、参照信号として各同期検波回路１２１に入力される。ここで、ワークコイルＷによって電磁誘導される開先部Ｍ１の溶接電流の位相と、ワークコイルＷを流れる電流の位相とは、原理上９０°の位相差を有する。従って、磁気センサ１１の出力信号の位相と、検出コイル１３の出力信号の位相も、原理上９０°の位相差を有することになる。しかしながら、被溶接材料Ｍが強磁性材である鋼材であることや、電縫溶接管Ｐの溶接工程で磁性体のインピーダ（図示せず）が用いられることによって、磁場の位相が変化するため、実際には１３０〜１４０°程度の位相差を有することになる。従って、移相器１２６は、検出コイル１３の出力信号の位相を１３０〜１４０°程度シフトするように設定されており、同期検波回路１２１では、移相器１２６によって位相シフトされた後の出力信号を参照信号としてローパスフィルタ１２５の出力信号が同期検波される。斯かる同期検波によりノイズが低減され、溶接電流をより一層精度良く検出することが可能である。なお、前記位相差は、電縫溶接管Ｐの造管条件（外径、肉厚等）によっても変化するため、移相器１２６における位相シフト量としては、溶接電流に対応する信号を最も高感度に検出し得る値を適宜設定すればよい。
【００２８】
ここで、ワークコイルＷに通電するための発振器Ｏの出力（ワークコイルＷに流れる電流）に、図４に示すような商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の整流不足（電圧変動）成分であるリップル（通常は商用周波数の２倍等の整数倍の周波数成分を有する）が含まれる場合、ワークコイルＷによって電磁誘導される開先部Ｍ１の溶接電流、ひいては磁気センサ１１の出力にも当該リップルが含まれることになり、これが溶接電流を検出する際のノイズとなる。図５は、被溶接材料Ｍの端部Ｍ３間でプリアーク（人為的に生じさせたアーク現象）を発生させた場合における磁気センサ１１の出力信号（厳密には同期検波回路１２１の出力信号）波形の一例を示す。図５に示すように、プリアークによる出力信号の変化は、ノイズであるリップルの振幅に対して小さく、Ｓ／Ｎ比が悪い。そこで、本実施形態においては、前記リップルの影響を低減するべく、検出コイル１３の出力が抽出回路１２２にも入力され、減算回路１２３において抽出回路１２２の出力信号が同期検波回路１２１の出力信号から減算されるように構成されている。
【００２９】
より具体的に説明すれば、抽出回路１２２では、まず検出コイル１３の出力信号に対して絶対値検波を施した後、当該絶対値検波後の信号に対してローパスフィルタを施して包絡線を抽出することにより、リップル成分を抽出する。次に、抽出回路１２２の出力信号（抽出したリップル成分）は、減算回路１２３に入力され、減算回路１２３において、同期検波回路１２１の出力信号から抽出回路１２２の出力信号が減算される。なお、減算回路１２３においては、同期検波回路１２１の出力信号と抽出回路１２２の出力信号の振幅が略合致するように適宜調整が施された後に減算されるように構成されている。また、同期検波回路１２１の出力信号の周波数が略３８０ｋＨｚであるのに対して、抽出回路１２２の出力信号の周波数は１２０Ｈｚ（商用周波数が６０Ｈｚで、リップルがその２倍の周波数成分を有する場合）であり、両出力信号の周波数差が大きいため、減算回路１２３で減算する際に両出力信号の位相差を考慮することは不要である。
【００３０】
図６は、減算回路１２３の出力信号波形の一例を示す。図６に示すように、減算回路１２３によって同期検波回路１２１の出力信号から抽出回路１２２の出力信号を減算した後の信号波形（厳密には、減算後に若干増幅し、直流成分をカットした後の波形）では、明瞭にプリアークに対応する出力信号が観察できる。換言すれば、プリアーク（ひいては、人為的ではなく異物混入等に起因した実際のアーク現象）によって生じた開先部Ｍ１に流れる溶接電流の変化のみを精度良く検出することが可能である。なお、溶接不良を招くような問題となる溶接電流の変化を自動的に検出するには、図６に示すような信号を適当なしきい値と逐次比較する構成を採用すればよい。これにより、しきい値を超える場合には、警報を発したり、被溶接材料Ｍにマーキングを施したりすることが可能である。
【００３１】
なお、アーク現象は高速であり、アーク現象に対応する磁気センサ１１の出力信号も高周波となるため、低周波のリップルの影響を低減するために、磁気センサ１１の出力信号（同期検波回路１２１の出力信号）に適切なフィルタを適用してリップル成分を除去することも考えられる。しかしながら、リップルは、低周波（１２０Ｈｚ等）の単純な正弦波ではなく数１０ｋＨｚ以上の高周波成分をも有するため、前記フィルタとしては、数１０ｋＨｚ以上のカットオフ周波数を有するハイパスフィルタを用いなければならない。この場合、比較的長時間連続するような溶接電流の変化もリップルと共に除去されてしまい検出することが困難となる。これに対し、本実施形態では、抽出回路１２２で検出コイル１３の出力信号に基づきリップル成分を抽出した後、磁気センサ１１の出力信号（同期検波回路１２１の出力信号）から前記抽出したリップル成分を減算する構成を採用しているため、このような問題が生じることもなく、高精度に溶接電流を検出することが可能である。
【００３２】
また、減算回路１２３の出力を長時間観測すると、図７に示すように、低周波の出力信号波形が得られる場合がある。これは、スクイズロールＲ（図１参照）の調整不良等の造管状態の不良によって開先部Ｍ１の垂直方向位置が微小変動（揺動）している状況を捉えているものである。換言すれば、磁気センサ１１の出力（減算回路１２３の出力）は、被溶接材料Ｍと磁気センサ１１との垂直方向の離間距離によっても変動することから、磁気センサ１１の出力（減算回路１２３の出力）における低周波成分は、前記離間距離の変動に対応するものである。従って、長時間に亘る減算回路１２３の出力変動を観測することにより、溶接状態の不良に通じ得る造管状態の不良を監視することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る電縫溶接管の溶接電流検出装置の構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】図２は、磁気センサの配置状態を説明するための縦断面図である。
【図３】図３は、磁気センサの配置位置と検出される磁場強度との関係を示すグラフである。
【図４】図４は、ワークコイルに流れる電流の信号波形の一例を示す図である。
【図５】図５は、被溶接材料の端部間でプリアークを発生させた場合における磁気センサの出力信号波形の一例を示す図である。
【図６】図６は、減算回路の出力信号波形の一例を示す図である。
【図７】図７は、減算回路の出力信号波形を長時間観測した場合の一例を示す図である。
【図８】図８は、被溶接材料の開先部近傍の磁束分布を数値解析した結果を示す。
【符号の説明】
【００３４】
１・・・溶接電流検出装置
１１・・・磁気センサ（第１の検出コイル）
１２・・・信号処理手段
１３・・・検出コイル（第２の検出コイル）
１２１・・・同期検波回路
１２２・・・抽出回路
１２３・・・減算回路
Ｐ・・・電縫溶接管
Ｍ・・・被溶接材料
Ｍ１・・・開先部
Ｍ２・・・溶接点（Ｖ点）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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