JP5880794B1 - 溶接状態監視システム及び溶接状態監視方法 - Google Patents

Abstract

本発明の溶接状態監視システムは、鋼板（１）の溶接部（３）にプラズマを照射して電縫溶接を行うプラズマシールド電縫溶接に用いられる溶接状態監視システムであって、前記プラズマを前記溶接部に照射するプラズマ照射装置（２）と、前記溶接部を上方から撮影する、波長が８５０ｎｍ以上である光を検出可能なイメージセンサを有する第１の撮像装置と、前記第１の撮像装置に入射する光を、８５０ｎｍ以上の波長域に制限する第１の波長域制限装置と、前記第１の撮像装置で撮影した画像を画像処理して、前記溶接部の溶接状態を解析する画像処理装置と、を備えることで、プラズマの影響を受けずに溶接状態を解析することが可能な溶接状態監視システムおよび溶接状態監視方法を提供する。

Description

本発明は、溶接状態監視システム及び溶接状態監視方法に関する。
本願は、２０１４年４月３日に、日本に出願された特願２０１４−７７１８４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

石油及び天然ガスの採掘及び輸送に用いられる油井管及びラインパイプとして、電縫溶接を用いて製造された電縫鋼管が使用されている。さらに、原子力発電所、地熱発電所並びに化学プラントにおいて用いられるパイプとして、または、機械構造並びに一般配管において用いられるパイプとして、電縫鋼管が使用されている。このように、広い分野において電縫鋼管が使用されている。
従来の電縫溶接では、鋼板からなる帯状コイルを連続的に多数のロール群によって管状に成形する。そして、この管状の鋼板に対し、ワークコイルによる誘導加熱またはコンタクトチップによる直接通電加熱を行い、鋼板の周方向の端部（突合せ端部）を所定温度に加熱及び溶融するとともに、スクイズロールによって加圧しながら溶接して電縫鋼管を製造する。
電縫溶接の対象となる鋼板において、コンタクトチップまたはワークコイルとスクイズロールとに挟まれる突合わせ端部領域を溶接部と言う。

このような従来の電縫溶接では、電縫溶接を行う際に溶接部が大気に曝露されるため、溶接部表面に酸化物が生成される。この酸化物が溶接部の表面に残留した場合には、溶接欠陥の原因となり得るペネトレーターが発生する。

特許文献１及び２には、電縫溶接時に溶接部の表面に生じる酸化物を低減するために、溶接部に対してプラズマを照射する技術が開示されている。本明細書では、溶接部にプラズマを照射しながら電縫溶接を行う技術を、プラズマシールド電縫溶接と呼称する。なお、プラズマシールド電縫溶接は、プラズマ照射そのものにより溶接を行うプラズマ溶接とは、技術思想が根本的に異なる。
プラズマシールド電縫溶接では、溶接部の適所にプラズマを照射することにより、鋼板の突合わせ面が加熱、溶融する過程において、イオン化されたプラズマガスによる突き合わせ面のシールド作用や、イオン化されたプラズマガスによる還元作用等によって、酸素濃度の低い状態を保持できるようになる。その結果、溶接後に酸化物欠陥となる可能性のある突き合わせ面の酸化膜を発生過程において抑制することができ、欠陥の少ない高品質な溶接が可能になる。

また、特許文献３及び４には、従来の電縫溶接に関して、ＣＣＤイメージセンサによるカラーあるいはモノクロカメラを用いて溶接部の可視域の輻射パターンを撮影し、画像処理によって溶接状態を解析する技術が開示されている。

日本国特許第４８９０６０９号公報 日本国特許第５３１６３２０号公報 日本国特許第５０７９９２９号公報 日本国特許第５１２５６７０号公報

特許文献１及び２には、プラズマシールド電縫溶接が開示されているが、溶接状態の撮影技術及び画像解析技術については開示されていない。
図１８Ａは、従来の電縫溶接における鋼板の溶接部を、特許文献３及び４に開示された溶鋼の輻射パターンを可視域におけるカラー或いはモノクロ撮影技術により撮影した画像である。図１８Ａでは、左から右が鋼板の搬送方向であり、鋼板の周方向の両エッジ部がＶ字状に収束する様子が撮影されている。

しかしながら、溶接部に向けてプラズマを照射した場合に特許文献３及び４に開示されている撮影技術を用いると、図１８Ｂに示すように、プラズマの自発光により輝度が高くなり、エッジ部の検出に十分なコントラストが得られなくなる問題が生じる（丸で囲んだ部分を参照）。また、図１８Ｃに示すように、溶接部に向けてプラズマを照射した場合には、プラズマがスパッタや鋼材成分と反応を起こす瞬時的な発光現象がしばしば発生して、溶接部を反応発光で覆い隠すことがあり（丸で囲んだ部分を参照）、溶接状態の解析が著しく困難となる問題も生じる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、鋼板の溶接部にプラズマを照射して電縫溶接を行うプラズマシールド電縫溶接に用いられる溶接状態監視システム及び溶接状態監視方法であって、プラズマの影響を受けずに、溶接状態を解析することが可能な溶接状態監視システム及び溶接状態監視方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決して、係る目的を達成するために以下の手段を採用する。
（１）本発明の一態様に係る溶接状態監視システムは、鋼板の溶接部にプラズマを照射して電縫溶接を行うプラズマシールド電縫溶接に用いられる溶接状態監視システムであって、前記プラズマを前記溶接部に照射するプラズマ照射装置と、前記溶接部を上方から撮影する、波長が８５０ｎｍ以上である光を検出可能なイメージセンサを有する第１の撮像装置と、前記第１の撮像装置に入射する光を、８５０ｎｍ以上の波長域に制限する第１の波長域制限装置と、前記第１の撮像装置で撮影した画像を画像処理して、前記溶接部の溶接状態を解析する画像処理装置と、を備える。

（２）上記（１）に記載の溶接状態監視システムにおいて、前記第１の波長域制限装置が、前記第１の撮像装置に入射する光を、９００ｎｍ以上の波長域に制限する構成を採用してもよい。

（３）上記（１）又は（２）に記載の溶接状態監視システムにおいて、前記イメージセンサが前記波長域の光に対して１０％以上の量子効率を有する構成を採用してもよい。

（４）上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の溶接状態監視システムにおいて、前記第１の撮像装置は、１００ｍｍ以上の幅を有する範囲を撮影した際に、６０μｍ以下の分解能を有する構成を採用してもよい。

（５）上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の溶接状態監視システムにおいて、前記画像処理装置が、Ｖ字状に収束する前記鋼板の両突合せ端部が幾何学的に交わる点である幾何学的Ｖ収束点とＶ字状に収束する前記鋼板の前記両突合せ端部が物理的に衝合する点である物理的衝合点とを求める構成を採用してもよい。

（６）上記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の溶接状態監視システムにおいて、前記第１の撮像装置と同一の視野範囲を有する第２の撮像装置と、前記第２の撮像装置に入射する光を波長５００ｎｍ以下の光のみに制限する第２の波長域制限装置とを更に備え、前記画像処理装置が、前記第２の撮像装置で撮影した画像に基づいて、前記鋼板の搬送方向に直交する方向である前記鋼板の幅方向のプラズマ照射位置を、前記溶接部を基準とした相対位置として求める構成を採用してもよい。

（７）上記（１）〜（６）のいずれか一項に記載の溶接状態監視システムにおいて、前記鋼板の前記搬送方向の上流であって、前記鋼板の上方かつ前記鋼板の前記搬送方向の左右いずれかの斜め方向から前記溶接部を撮影する第３の撮像装置を更に備え、前記画像処理装置が、前記第３の撮像装置で撮影した画像に基づいて、前記鋼板の前記搬送方向の前記プラズマ照射位置を、前記溶接部を基準とする相対位置として求める構成を採用してもよい。

（８）上記（７）に記載の溶接状態監視システムにおいて、前記第３の撮像装置に入射する光を波長５００ｎｍ以下の光のみに制限する第３の波長域制限装置を更に備える構成を採用してもよい。

（９）本発明の一態様に係る溶接状態監視方法は、鋼板の溶接部にプラズマを照射して電縫溶接を行うプラズマシールド電縫溶接に用いられる溶接状態監視方法であって、波長が８５０ｎｍ以上である光を検出可能なイメージセンサを備えた撮像装置を用いて、前記撮像装置に入射する光を８５０ｎｍ以上の波長域に制限して、前記溶接部を上方から撮影する工程と、画像処理装置が、前記撮像装置で撮影した画像に基づいて、前記溶接部の溶接状態を解析する工程と、を有する。

上記各態様によれば、鋼板の溶接部にプラズマを照射して電縫溶接を行うプラズマシールド電縫溶接に用いられる溶接状態監視システム及び溶接状態監視方法であって、プラズマの影響を受けずに溶接状態を解析することが可能な溶接状態監視システムおよび溶接状態監視方法を提供することができる。

第１の実施形態に係るプラズマシールド電縫溶接における溶接状態監視システムの概略構成を示す図である。 プラズマシールド電縫溶接における溶接部の溶接状態のうち、第１種を示す模式図である。 プラズマシールド電縫溶接における溶接部の溶接状態のうち、第２種を示す模式図である。 プラズマシールド電縫溶接における溶接部の溶接状態のうち、遷移領域を示す模式図である。 プラズマシールド電縫溶接における溶接部の溶接状態のうち、第２’種を示す模式図である。 プラズマシールド電縫溶接における溶接部の溶接状態のうち、過入熱を示す模式図である。 Ａｒ、Ｎ_２及びＯ_２の発光スペクトルを示す特性図である。 プランク輻射のスペクトルを示す特性図である。 ＩｎＧａＡｓイメージセンサ及びＣＭＯＳイメージセンサの感度特性を示す特性図である。 ＣＭＯＳカメラと波長９９０ｎｍ以上の光のみを透過する光学フィルタとの組み合わせでプラズマシールド電縫溶接の溶接部を撮影した画像を示す図である。 ＣＭＯＳカメラと波長９００ｎｍ以上の光のみを透過する光学フィルタとの組み合わせでプラズマシールド電縫溶接の溶接部を撮影した画像を示す図である。 ＣＭＯＳカメラと波長８１０ｎｍ以上の光のみを透過する光学フィルタとの組み合わせでプラズマシールド電縫溶接の溶接部を撮影した画像を示す図である。 ＩｎＧａＡｓイメージセンサでプラズマシールド電縫溶接の溶接部を撮影した画像を示す図である。 画像処理装置を用いて溶接部の溶接状態を解析する処理の例を示すフローチャートである。 画像処理装置により、２値化した画像において突合せ端部を直線近似する方法を示す模式図である。 画像処理装置により、Ｖ字収束領域のブロッブを抽出する方法を示す模式図である。 画像処理装置により、スリット探索領域を設定する方法を示す模式図である。 画像処理装置による溶接点Ｗの検出方法を示す模式図である。 入熱量と溶接の欠陥発生率との関係を示す図である。 第２の実施形態に係るプラズマシールド電縫溶接における溶接状態監視システムの概略構成を示す図である。 鋼板の側面から見た第３のカメラの配置を説明するための図である。 鋼板の上方から見た第３のカメラの配置を説明するための図である。 画像処理装置を用いて鋼板の幅方向に関するプラズマ照射位置を検出する処理の例を示すフローチャートである。 第２のカメラによりプラズマシールド電縫溶接の溶接部を撮影した画像を示す図である。 画像処理装置による処理領域の抽出を示す図である。 画像処理装置によるプラズマ画像の２値化を示す模式図である。 画像処理装置によるプラズマのブロッブの検出を示す模式図である。 画像処理装置によるプラズマのブロッブの中心線の算出を示す模式図である。 第３のカメラでプラズマシールド電縫溶接の溶接部を撮影した画像を示す図である。 図１５Ａにおけるプラズマトーチ、プラズマガス及び溶接線の位置関係を示す模式図である。 画像処理装置を用いて鋼板の搬送方向に関するプラズマ照射位置を検出する処理の例を示すフローチャートである。 画像処理装置を用いて鋼板の搬送方向に関するプラズマ照射位置を検出する際における、プラズマ画像の２値化を示す模式図である。 画像処理装置を用いて鋼板の搬送方向に関するプラズマ照射位置を検出する際における、プラズマのブロッブの検出を示す模式図である。 画像処理装置を用いて鋼板の搬送方向に関するプラズマ照射位置を検出する際における、プラズマの照射軸の算出を示す模式図である。 従来の電縫溶接の溶接部を従来技術により撮影した画像である。 プラズマシールド電縫溶接の溶接部を従来技術により撮影した画像である。 プラズマシールド電縫溶接の溶接部を従来技術により撮影した画像であって、プラズマとスパッタとの発光現象及びプラズマと鋼材成分との発光現象が生じている状態を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
［第１の実施形態］
図１に、第１の実施形態に係るプラズマシールド電縫溶接における溶接状態監視システムの概略構成を示す。
プラズマシールド電縫溶接では、鋼板１を上流（図１の右側）から下流（図１の左側）に搬送しながら、ロール群（図示せず）によって管状に成形し、ワークコイルによる誘導加熱またはコンタクトチップによる直接通電加熱を行い、鋼板１の突合せ端部１ａを加熱及び溶融する。
本明細書では、鋼板１が搬送される方向である、上流から下流の方向を、鋼板１の搬送方向Ｘと呼称する。

鋼板１をスクイズロール７（図２Ａ〜図２Ｅを参照）によって両側から加圧することにより、鋼板１の両突合せ端部１ａをＶ字状に収束させる。これにより、鋼板１の両突合せ端部１ａを突き合わせて溶接する。
なお、鋼板１の両突合せ端部１ａにより形成されるＶ字状の角をＶ字収束角と言う。また、鋼板１の両突合せ端部１ａにより形成されるＶ字状に収束した領域をＶ字収束領域と言う。

加熱及び溶融された突合せ端部１ａでは、溶鋼の表面が酸化されることにより、酸化物が生成される。溶接過程で両突合せ端部１ａには電磁力（斥力）が働くため、酸化物は溶鋼と共に面外に排出される。また、溶鋼の表面に生じる酸化物は、スクイズロール７の圧力によっても排出される。
一方、突合せ端部１ａにおいて、溶鋼の表面に生じた酸化物が適切に排出されなかった場合には、溶鋼の表面に生じた酸化物に起因するペネトレーターと呼ばれる溶接欠陥が生じる可能性がある。

鋼板１の搬送方向Ｘの上流の上方にはプラズマ照射装置２が配設される。プラズマ照射装置２は、溶接部３に向けてプラズマを照射する。
プラズマ照射装置２が、プラズマシールド電縫溶接の際に溶接部３に対してプラズマを照射することにより、溶接部３がプラズマにより覆われる。また、プラズマ中には、後述の通り、Ｈ_２ガスが含まれている場合には、溶接部３の周辺に還元性雰囲気が形成される。
これにより、溶接部３の周辺における酸素濃度が低くなり、溶接部３の表面に酸化物が形成されにくくなる。

本実施形態のプラズマ照射装置２は、溶接部３の全範囲に対してプラズマを照射するために、鋼板１上の長さが１００ｍｍ以上の範囲に対してプラズマを照射可能であることが好ましい。
より好ましくは、本実施形態のプラズマ照射装置２は、鋼板１上の長さが２００ｍｍ以上の範囲に対してプラズマを照射可能であることが好ましい。

本実施形態のプラズマ照射装置２は、層流のプラズマを照射する。これにより、プラズマシールド電縫溶接の際に溶接部３への大気の巻き込みを大幅に低減することが可能である。そのため、溶接部３において、溶鋼の表面に酸化物が生成されることを大幅に低減することができる。
本実施形態のプラズマ照射装置２の消費電力は、約４０ｋＷである。これは、プラズマ溶接装置の消費電力の約１／１０である。
本実施形態のプラズマ照射装置２が照射するプラズマは、Ａｒ，Ｎ_２が主成分である。これらの成分の他には、溶接部３の周辺に還元性雰囲気を形成するために、本実施形態のプラズマ照射装置２が照射するプラズマは、Ｈ_２を含有する場合もある。

ここで、溶接部３の上方には、溶接部３を撮影する撮像装置として、８５０ｎｍ以上の波長を有する光を検出可能なイメージセンサを備えたカメラ４が設置される。そして、カメラ４の例えばレンズ５の前面に、カメラ４に入射する光を８５０ｎｍ以上の波長域に制限する光学フィルタ（長波長透過フィルタ）６が装着される。第１の実施形態では、光学フィルタ６が本発明における第１の波長域制限装置に相当する。

本明細書では、８５０ｎｍ以上の波長を有する光を検出可能であるとは、カメラ４が、８５０ｎｍ以上の波長を有する光に対して１０％以上の量子効率を有することを意味する。カメラ４が、８５０ｎｍ以上の波長を有する光に対して、より高い、例えば２０％以上の量子効率を有することが好ましい。
８５０ｎｍ以上の波長を有する光を検出可能なイメージセンサとしては、例えば、ＣＭＯＳ、ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＳｂが挙げられる。

画像処理装置１００は、カメラ４で撮影した画像を画像処理して、溶接部３の溶接状態を解析する。画像処理装置１００は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたコンピュータ装置が挙げられる。

（溶接部３の溶接状態）
図２Ａ〜図２Ｅを参照して、プラズマシールド電縫溶接の溶接部３の溶接状態について説明する。
図２Ａは、溶接部３の溶接状態のうち、第１種を示す模式図である。図２Ｂは、溶接部３の溶接状態のうち、第２種を示す模式図である。図２Ｃは、溶接部３の溶接状態のうち、遷移領域を示す模式図である。図２Ｄは、溶接部３の溶接状態のうち、第２’種を示す模式図である。図２Ｅは、溶接部３の溶接状態のうち、過入熱を示す模式図である。
図２Ａから図２Ｅに進むに従い、溶接部３に加えられる熱量（入熱量）が増加する。

溶接部３の溶接状態は、入熱量の違いにより５種類に分けられる。
入熱量が、溶接に必要な入熱量の下限未満である場合の溶接状態は、図２Ａに示す第１種である。
入熱量が、溶接を行うのに適切な入熱量である場合の溶接状態は図２Ｂに示す第２種である。

第２種よりも入熱量が増加した場合の溶接状態は、図２Ｃに示す遷移領域である。
遷移領域からさらに入熱量を増加した場合の溶接状態は、図２Ｄに示す第２’種である。
第２’種からさらに入熱量を増加した場合の溶接状態は、図２Ｅに示す過入熱である。

プラズマシールド電縫溶接の溶接部３の溶接状態を上方から観察すると、幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０、物理的衝合点Ｖ_１及び溶接点Ｗの３つの点の位置及び分離状況が入熱量によって変化する。
幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０は、Ｖ字状に収束する鋼板１の両突合せ端部１ａの近似直線が幾何学的に交わる点である。より具体的には、幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０を求める際には、画像処理装置１００が、カメラ４で撮影した画像中の突合せ端部１ａの一部を直線近似し、これにより得られた一対の近似直線の交点を幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０とする。
なお、幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０を求める際は、予め突合せ端部１ａのどの範囲を直線近似するか定めておく。突合せ端部１ａを直線近似する範囲は、鋼板１の搬送方向Ｘに関して、カメラ４で撮影した画像における突合せ端部１ａの左端から、物理的衝合点Ｖ_１までの任意の範囲として定めることができる。例えば、突合せ端部１ａの左端から、物理的衝合点Ｖ_１までの５０％の範囲において、突合せ端部１ａを直線近似することができる。

物理的衝合点Ｖ_１は、Ｖ字状に収束する鋼板１の両突合せ端部１ａが物理的に衝合（接触）する点である。
溶接点Ｗは、スクイズロール７の圧下による溶鋼の排出が始まる点である。
プラズマシールド電縫溶接の溶接部３の溶接状態が第１種の場合には、幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０、物理的衝合点Ｖ_１、及び溶接点Ｗの３つの点は略重なっている。

プラズマシールド電縫溶接の溶接部３の溶接状態が第２種から過入熱の場合には、幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０と溶接点Ｗとが分離し、スリット８と呼ばれる細長いギャップが発生する。更に、プラズマシールド電縫溶接の溶接部３の溶接状態が遷移領域から過入熱の場合には、幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０と物理的衝合点Ｖ_１とが分離する。
プラズマシールド電縫溶接の溶接部３の溶接状態が第２’種の場合には、Ｖ字収束領域が、２段階のＶ字収束角を持つ特徴的な形状となる。このように、Ｖ字収束領域が２段階のＶ字収束角を有する現象を２段収束現象と言う。

プラズマシールド電縫溶接の溶接部３の溶接状態が遷移領域である場合には、両突合せ端部１ａと物理的衝合点Ｖ_１とにより形成されるＶ字収束領域において、両突合せ端部１ａ間の距離が極めて短い。このことに起因して、物理的衝合点Ｖ_１が幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０と溶接点Ｗとの間を移動する。
このとき、物理的衝合点Ｖ_１が搬送方向Ｘの上流にホッピングすると、鋼板１の搬送方向Ｘの下流の電磁力が消失する。これにより、両突合せ端部１ａの酸化物が排出されなくなり、溶接欠陥が増加する傾向がある。

プラズマシールド電縫溶接の溶接部３の溶接状態が過入熱の場合には、溶接点Ｗがスクイズロール７の位置に近づくため、酸化物の排出が適切に行われなくなり、溶接部３において溶接欠陥が増加する傾向がある。

（撮影条件）
溶接部３の溶接状態を適切に監視するために、カメラ４は、溶接部３のうち鋼板１が赤熱状態である部位から溶接点Ｗまでの範囲を撮影する。
後述するように、画像処理装置１００は、カメラ４により撮影された溶接部３の画像に基づいて、幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０、物理的衝合点Ｖ_１及び溶接点Ｗを決定する。そのため、カメラ４は、画像処理装置１００が幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０、物理的衝合点Ｖ_１及び溶接点Ｗを決定できるような分解能で溶接点３を撮影する。
撮影領域は、鋼板１の周方向の突合せ端部１ａの赤熱がカメラ４で検知できる領域から、突合せ端部１ａが圧下される溶接点Ｗまでを含む必要がある。両突合せ端部１ａが突き合う位置は、管径、肉厚または入熱条件等によって搬送方向Ｘの上流方向または下流方向にずれる。そのため、カメラ４は、鋼板１の搬送方向Ｘに関して、１００ｍｍ以上の画像視野を確保することが必要となる。

上述の理由から、カメラ４は、１００ｍｍ以上の幅を有する範囲を撮影した際に、６０μｍ以下の分解能を有することが好ましい。なお、６０μｍ以下の分解能を有するとは、６０μｍよりも細かい分解能を有する（より高い分解能特性を有する）ことを意味する。
カメラ４は、１３０ｍｍ以上の幅を有する範囲を撮影した際に、６０μｍ以下の分解能を有することがより好ましい。カメラ４は、１５０ｍｍ以上の幅を有する範囲を撮影した際に、６０μｍ以下の分解能を有することがさらに好ましい。

鋼板１の搬送及びロール群による鋼板１の成形に伴う像流れを防止して鮮明な画像を得るには、カメラ４のシャッタースピードは、１／５０００秒以下にすることがこのましい。同上の理由により、１／１００００秒以下にすることがさらに好ましい。
溶接状態の時間変化を適切に捉えるためには、カメラ４のフレームレート（カメラが１秒間に撮像する枚数）は、３０ｆｐｓ（ｆｒａｍｅ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）以上にすることが好ましい。

画像処理によって溶接状態を解析するには、溶接部３だけでなく、カメラ４により溶接ビード部（図９Ａ〜図９Ｄにおいて波線で表した部分）も鮮明に撮影することが望ましい。溶接ビード部とは、両突合せ端部１ａを突き合わせる際に、溶融した鋼が管状に成形した鋼板１の内外面に流出することにより成形された盛り上がり部分を指す。カメラ４により、溶接ビード部の撮影をする際には、被写界深度を±４ｍｍ以上にすることが好ましい。
溶接部３の上方３ｍ程度の位置にカメラ４を設置した場合には、上記の撮影条件を満たすために、カメラ４の絞り条件をＦ８〜１１に設定することが好ましい。

カメラ４は、プログレッシブスキャン法を採用していることが好ましい。プログレッシブスキャン法は、同タイミングで撮影した画像を逐次走査する画像走査方法であり、動画の撮影に適している。

（溶接部３の撮影に対するプラズマ照射の影響及びその回避策）
上述の通り、プラズマ照射装置２によって照射するプラズマの主成分は、Ａｒ及びＮ_２である。Ａｒ及びＮ_２は、それぞれの発光スペクトル（輝線スペクトル）に基づいて自発光すると考えられる。図３は、Ａｒ、Ｎ_２及びＯ_２の発光スペクトルを示す特性図である。
一方、鋼板１の突合せ端部１ａの溶鋼（溶鋼は１５００℃以上の融点を持つ）の発光は、プランク輻射のスペクトルに基づくことが知られている。図４は、プランク輻射のスペクトルを示す特性図である。

プラズマの発光スペクトルの波長は知られていたが、撮影対象となる溶鋼からのプランク輻射とプラズマの発光強度比は知られていなかった。また、プラズマとスパッタとの反応及びプラズマと鋼材成分との反応により生じる発光については、発光スペクトルの波長（或いは周波数）、発光強度のいずれも知られていなかった。

特許文献３及び４には、従来の電縫溶接に関して、ＣＣＤイメージセンサによるカラーあるいはモノクロカメラを用いて溶接部の可視域の輻射パターンを撮影し、画像処理によって溶接状態を解析する技術が開示されている。しかしながら、上述したように、プラズマシールド電縫溶接の溶接部３を特許文献３及び４に開示されている撮影技術により撮影した場合には、プラズマの自発光、プラズマとスパッタとの反応により生じる発光及びプラズマと鋼材成分との反応により生じる発光が障害となって、溶接状態の解析が著しく困難となる問題が生じることが、本願発明者らによる研究の結果から明らかになった。

図３に示すように、プラズマの発光スペクトルは波長４００〜８００ｎｍの領域に集中しているので、ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＳｂ等の波長が８５０ｎｍ以上の光を検出可能なイメージセンサを用いることにより、プラズマの自発光、プラズマとスパッタとの反応により生じる発光及びプラズマと鋼材成分との反応により生じる発光の影響を抑制できる傾向になると考えられる。
例として、ＩｎＧａＡｓイメージセンサの感度特性を図５に示す。

しかしながら、波長が８５０ｎｍ以上の光を検出可能なイメージセンサのうち、上述した分解能及び視野に関する条件を満たす高画素数のイメージセンサが存在しない。そのため、例えば溶接状態を的確に表す細かいスリット８を解像することができず、溶接状態の解析が困難であった。

裏面照射のＣＭＯＳイメージセンサは、図５に示すように、波長が８５０ｎｍ以上の光を検出することができる。そこで、本発明者らは、溶接欠陥を低減するために溶接部３にプラズマを照射するプラズマシールド電縫溶接において、溶接状態を解析するために、波長が８５０ｎｍ以上の領域（図５の矢印で表した領域）またはその一部の領域を利用することが有効であると考えた。
ＣＭＯＳイメージセンサは、波長が８５０ｎｍ以上の領域では量子効率が低く、また、波長が８５０ｎｍ以上の領域ではプランク輻射量が低いため、上述した撮影条件を満たした上で十分な光量が得られるかについては知られていなかった。なお、カメラを最高感度にした場合に得られる光量が、ダイナミックレンジの３０％以上の光量である場合には、十分な光量が得られるとし、ダイナミックレンジの５０％以上の光量が得られることが好ましい。これは８ビット階調で表される画像において７５〜１２８レベル以上であることを表す。これ以下の光量では、コントラストが不十分であったり、デジタル化の階調が粗くなって、離散的な値しか得られなかったりする等、正常な画像処理を行う上で問題が生じる。

そこで、ＣＭＯＳイメージセンサを用いたカメラ（ＣＭＯＳカメラ）４と光学フィルタ６とを組み合わせて、プラズマシールド電縫溶接の溶接部３（特にスリット８の状態）を解像できる条件を探索した。その結果を図６Ａ〜６Ｃを参照して説明する。
なお、図６Ａ〜６Ｃでは、左から右が鋼板１の搬送方向Ｘである。

図６Ａは、水平方向の画素数が２０４８個であるＣＭＯＳイメージセンサを有するカメラ４に波長９９０ｎｍ以上の光のみを透過する光学フィルタ６を装着して撮影した画像である。また、図６Ｂは、ＣＭＯＳイメージセンサを有するカメラ４に波長９００ｎｍ以上の光のみを透過する光学フィルタ６を装着して撮影した画像である。
図６Ａ及び図６Ｂでは、プラズマの自発光、プラズマとスパッタとの反応により生じる発光及びプラズマと鋼材成分との反応により生じる発光によって溶接部３の撮影に与えられる影響が抑制されており、スリット８の状態も観察されている。

一方、図６Ｃは、ＣＭＯＳイメージセンサを有するカメラ４に波長８１０ｎｍ以上の光のみを透過する光学フィルタ６を装着して撮影した画像である。図６Ｃでは、プラズマの自発光、プラズマとスパッタとの反応により生じる発光及びプラズマと鋼材成分との反応により生じる発光が写り込んでおり、画像処理の障害となる。
なお、図示はしないが、ＣＭＯＳイメージセンサを有するカメラ４に波長８５０ｎｍ以上の光のみを透過する光学フィルタ６を装着した場合には、図６Ａ及び図６Ｂに示した場合と同様に、スリット８の状態を観察できることが分かった。

以上のように、本願発明者は、ＣＭＯＳイメージセンサを有するカメラ４と、カメラ４に入射する光を８５０ｎｍ以上の波長域に制限する光学フィルタ６とを組み合わせる条件が、溶接部３の撮影に好適であることを見出した。
光学フィルタ６は、カメラ４に入射する光を、９００ｎｍ以上の波長域に制限することが好ましい。この条件では、ＣＭＯＳイメージセンサを用いて溶鋼からの輻射パターンを撮影するのに十分な光量を得ることができる。また、長波長側ほどプラズマの影響を抑制できるため、この条件では、プラズマの影響を８５０μｍの場合よりも更に抑制することが可能である。
光学フィルタ６は、カメラ４に入射する光を、９９０ｎｍ以上の波長域に制限することがより好ましい。
なお、光学フィルタ６は、カメラ４に入射する光を、上述の波長域のうち一部の波長域のみに制限する構成を採用してもよい。
光学フィルタ６が透過する光の波長の上限は、特に設けない。しかしながら、図４に示すように、波長１５００ｎｍ付近にプランク輻射の放射輝度のピークが存在し、より長波長側ではプランク輻射の放射輝度が低減する。図４には示していないが、波長が５０００ｎｍ超の領域では、プランク輻射の放射輝度が相当量減少する。そのため、光学フィルタ６が透過する光の波長の上限としては、例えば５０００ｎｍを挙げることができる。
上記の説明では、カメラ４としてＣＭＯＳイメージセンサを有するカメラ４を用いる場合について説明したが、カメラ４が８５０ｎｍ以上の波長を有する光を検出可能であり、カメラ４が上述した分解能、視野及びシャッタースピードを満たしていれば、カメラ４としてはＣＭＯＳイメージセンサを有するカメラ４に限られない。

なお、参考として、図７にプラズマシールド電縫溶接の溶接部３をＩｎＧａＡｓイメージセンサで撮影した画像を示す。図７の左から右に進む方向が鋼板１の搬送方向Ｘである。撮影視野を確保すると必要な分解能が得られず、スリット等の詳細な溶接状態が認識できないことが分かる。一方、将来高画素数の素子が製造可能になれば、ＩｎＧａＡｓやＩｎＳｂなども適用可能である。

以上の知見は、本願発明者らが鋭意研究した結果、初めて明らかになったことである。

（カメラ４及び光学フィルタ６の具体例）
水平方向画素数が２０４８個、垂直方向画素数が５１２個であり、フレームレートが２００ｆｐｓであるＣＭＯＳイメージセンサを用いたカメラ４に焦点距離が３００ｍｍのレンズ５を装着し、溶接部３の上方３ｍの位置に下向きに設置する。そして、カメラ４のレンズ５の前面に、波長９００ｎｍ以上の光のみを透過する多層膜を施した光学フィルタ（長波長透過フィルタ）６を装着する。画像を撮影した際の鋼板１の搬送方向Ｘについての視野が１３０ｍｍ程度になるように調整する。カメラ４のシャッタースピードを１／１００００秒に設定し、カメラ４のレンズ絞りをＦ８に設定する。

光学フィルタ６を装着した状態では、波長９００ｎｍ以上の光しか透過しないため、例えばＬＥＤまたは蛍光灯で撮影対象を照射した場合には、撮影対象を判別可能な画像が得られない。そのため、光学フィルタ６を取り外した状態で、カメラ４の視野を調整することが好ましい。
光学フィルタ６を装着した状態でも、波長９００ｎｍ以上の光を発生する光源でスケール（物差しなどの寸法を表わす目盛りがついたもの）を照射するようにしてもよい。このような光源の例としては、ハロゲン光源が挙げられる。この場合には、光学フィルタ６を装着した状態においても、カメラ４の視野を調整することが可能となる。

（画像処理装置１００の具体例）
画像処理装置１００は、カメラ４から送られる溶接部３の画像を画像処理することによって、３つの点幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０、物理的衝合点Ｖ_１並びに溶接点Ｗの挙動、スリット８の状態及びＶ字収束領域の状態を解析する。

図８及び図９Ａ〜図９Ｄを参照して、画像処理装置１００を用いた幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０、物理的衝合点Ｖ_１及び溶接点Ｗの算出方法を説明する。
図８は、画像処理装置１００を用いて溶接部３の溶接状態を解析する処理の例を示すフローチャートである。

図９Ａは、画像処理装置１００により、２値化した画像において突合せ端部１ａを直線近似する方法を示す模式図である。図９Ｂは、画像処理装置１００により、Ｖ字収束領域のブロッブを抽出する方法を示す模式図である。図９Ｃは、画像処理装置１００により、スリット探索領域を設定する方法を示す模式図である。図９Ｄは、画像処理装置１００による溶接点Ｗの検出方法を示す模式図である。
画像処理装置１００は、カメラ４から画像データが送られてくるたびに、図８に示す画像処理を繰り返し実行する。

ステップＳ１０１において、画像処理装置１００は、カメラ４から送られる画像データを入力する。
ステップＳ１０２において、画像処理装置１００は、ステップＳ１０１で入力した画像を２値化する。必要に応じて、ステップＳ１０２において、画像処理装置１００は、ステップＳ１０１で入力した画像をエッジ強調処理する。

ステップＳ１０３において、画像処理装置１００は、ステップＳ１０２で２値化した画像において、鋼板１の突合せ端部１ａを直線近似する。突合せ端部１ａを直線近似した画像の模式図を図９Ａに示す。
溶接状態が第１種、第２種及び遷移領域である場合には、前述の方法により突合せ端部１ａを直線近似する。
一方、溶接状態が第２’種及び過入熱である場合には、２段目の収束が始まる位置よりも鋼板１の搬送方向Ｘの上流部分において、突合せ端部１ａの直線近似を行う。

ステップＳ１０４において、画像処理装置１００は、ステップＳ１０３で直線近似した突合せ端部９０１の交点を幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０とする。
ステップＳ１０５において、画像処理装置１００は、直線近似した一対の突合せ端部９０１と幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０とにより形成される角（Ｖ字収束角）の二等分線９０２を算出する。

ステップＳ１０２〜Ｓ１０５の処理と並行して、ステップＳ１０６において、画像処理装置１００は、ステップＳ１０１で入力した画像を反転２値化する。
ステップＳ１０７において、画像処理装置１００は、ステップＳ１０６で反転２値化した画像に対し、ブロッブ毎にラベルを割り当てるラベリング処理を行う。図９Ｂに示すように、画像処理装置１００は、所定の条件に合致するブロッブを、鋼板１の両突合せ端部１ａにより形成されるＶ字収束領域のブロッブ９０３として抽出する。

なお、ブロッブとは、同一ラベルが割り当てられた領域のことである。
所定の条件としては、例えば、画像の右端には接さずに、画像の左端のみに接しており、面積が５０ｍｍ^２以上であり、ブロッブの縦の長さをブロッブの横の長さで除した値（アスペクト比）が０．２以下であるという条件が挙げられる。

ステップＳ１０８において、画像処理装置１００は、ステップＳ１０７で抽出したＶ字収束領域のブロッブ９０３の最下流点を物理的衝合点Ｖ_１とする。

ステップＳ１０９において、画像処理装置１００は、ステップＳ１０２で２値化した画像においてスリット探索領域９０４を設定する。鋼板１の両突合せ端部１ａが突き合わされ、１本の線状に観察される部分を溶接線と言う。本実施形態では、ステップＳ１０５で得られたＶ字収束角の二等分線９０２上に溶接線が位置すると仮定する。
図９Ｃに示すように、スリット探索領域９０４を、Ｖ字収束角の二等分線９０２を囲む矩形状の領域とする。具体的には、物理的衝合点Ｖ_１をスリット探索領域９０４の上流端とし、画像の下流端をスリット探索領域９０４の下流端とする。
図９Ｃに示すように、スリット探索領域９０４は、Ｖ字収束角の二等分線９０２からｙ軸の正の方向及び負の方向にそれぞれ所定の幅（例えば２ｍｍ）を有する領域である。

ステップＳ１１０において、画像処理装置１００は、ステップＳ１０９で設定したスリット探索領域９０４を再２値化する。
ステップＳ１１１において、画像処理装置１００は、ステップＳ１１０で得られたスリット探索領域９０４の２値化画像に対し、ブロッブ毎にラベルを割り当てるラベリング処理を行う。

ステップＳ１１２において、画像処理装置１００は、ステップＳ１１１でラベリング処理したそれぞれのブロッブのアスペクト比を算出し、アスペクト比が１／２未満のブロッブがあるか否かを判定する。
この判定の結果、アスペクト比が１／２未満のブロッブがある場合には、ステップＳ１１３に進み、アスペクト比が１／２未満のブロッブのうち、鋼板１の搬送方向Ｘの最下流にあるブロッブの最下流の点を溶接点Ｗと設定する。
図９Ｄの場合には、アスペクト比が１／２であり、鋼板１の搬送方向Ｘに関して最下流に位置するブロッブがブロッブ９０５であるため、ブロッブ９０５の鋼板１の搬送方向Ｘに関する最下流の点が溶接点Ｗとして設定される。

一方、アスペクト比が１／２未満のブロッブが画像上に存在しない場合には、ステップＳ１１４に進み、Ｖ字収束角の二等分線９０２上にあるブロッブを接続した上で、該接続したブロッブにおける鋼板１の搬送方向Ｘに関する最下流の点を溶接点Ｗと設定する。
このようにブロッブのアスペクト比に基づいて溶接点Ｗの位置を設定することにより、例えばスリット探索領域９０４内にノイズに起因するブロッブ９０６がある場合でも、そのブロッブ９０６を除くことが可能になる。

上述したように、本実施形態に係る溶接状態監視システムによれば、カメラ４を用いて、波長９００ｎｍ以上の光のみをカメラ４に入射するように制限した上に、上方から溶接部３を撮影することにより、プラズマ照射による影響を抑えながら、溶接部３を撮影した画像に基づいて溶接状態を解析することができる。
なお、ここでは画像処理装置１００による画像処理を中心に説明したが、例えば画像処理の結果に基づいて、カメラ４で撮影した画像に、幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０、物理的衝合点Ｖ_１、及び溶接点Ｗ等を重ね合わせてモニタに表示するようにしてもよい。
また、画像処理の結果に基づいて、例えばＶ_１−Ｖ_０の距離が設定値以下になると入熱量を上げるように設定してもよい。この場合には、溶接点Ｗの位置を検出する必要はない。また、検出した溶接点Ｗの位置から、溶接点Ｗとスクイズロール７との距離が設定値以上になると入熱量を下げるように制御を行ってもよい。

［第２の実施形態］
第２の実施形態では、第１の実施形態で説明した溶接状態の解析に加えて、プラズマ照射位置を同時検出する例を説明する。
溶接部３がトップロールに挟まれていることや、鋼板１の突合せ端部１ａが数度以下の狭い角度で接近すること等から、プラズマ照射装置２にはスペース的な制約が課される。そのため、プラズマの有効径が制限されるために、プラズマを照射できる範囲は限られ、溶接部３に対するプラズマ照射位置がずれると、所望の溶接品質が得られなくなる。
図１０を参照して、プラズマ照射位置と欠陥発生率との関係について説明する。

図１０は、プラズマシールド電縫溶接における入熱量と溶接の欠陥発生率との関係を、プラズマを照射しない場合（図中の白四角）、プラズマ照射位置が適切な場合（図中の黒丸）、及びプラズマ照射位置が適切な位置から鋼板１の搬送方向Ｘに１０ｍｍずれた場合（図中の黒三角）について示す図である。
図１０の横軸は入熱量を示しており、操業時の基準入熱量に対する比率として表されている。

図１０の縦軸は溶接欠陥の発生率を示しており、溶接した部分の全面積に対する、欠陥発生面積の比率によって表されている。
図１０の実線は、プラズマ照射位置が適切な場合における、入熱量と溶接欠陥の発生率との関係についての近似曲線である。図１０の点線は、プラズマ照射位置が適切な位置から鋼板１の搬送方向Ｘの上流方向に１０ｍｍずれた場合における、入熱量と溶接欠陥の発生率との関係についての近似曲線である。図１０の一点鎖線は、プラズマを照射しなかった場合における、入熱量と溶接欠陥の発生率との関係についての近似曲線である。

図１０には、入熱量が８０％の場合には、プラズマ照射位置が適切な位置から鋼板１の搬送方向Ｘの上流方向に１０ｍｍずれることにより、溶接欠陥の発生率が数十倍増加することが示されている（図１０の丸で囲んだ部分）。
また、図１０には、入熱量が８０％の場合には、プラズマ照射位置が適切な位置から鋼板１の搬送方向Ｘの上流方向に１０ｍｍずれることにより、溶接欠陥の発生率がプラズマを照射しなかった場合とほぼ同じであることが示されている。

従来、プラズマ照射装置２は、溶接をせずに成形だけをした状態で幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０の位置を予め推定し、推定された幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０の位置に基づいてプラズマ照射位置を決定していた。しかしながら、溶接を行った場合と溶接を行わなかった場合とでは、幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０の位置が１０ｍｍ以上ずれる場合がある。更に入熱量及びロール群による成形状態によっても幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０の位置は変動する。そのため、従来のプラズマ照射位置の決定方法では、プラズマ照射位置が適切な位置からずれてしまい、溶接品質が低下する問題があった。
このように、プラズマ照射位置が適切であるか否かをリアルタイムで検出できるようにすることが求められている。

図１１に、第２の実施形態に係るプラズマシールド電縫溶接における溶接状態監視システムの概略構成を示す。なお、第１の実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
第２の実施形態では、カメラ４（以下、本実施形態では第１のカメラと呼ぶ）とは別に、第２のカメラ９及び第３のカメラ１０が設置される。

第２のカメラ９は、以下に詳述するように、鋼板１の搬送方向Ｘに直交する方向（鋼板１の幅方向）のプラズマ照射位置を検出するために設置される。
第１のカメラ４と第２のカメラ９とはレンズ５を共用し、第１のカメラ４及び第２のカメラ９とレンズ５との間には、分岐ユニット１１が組み込まれる。分岐ユニット１１は、入射した光を９００ｎｍ以上の光と５００ｎｍ以下の光とに分離する多層膜を有している。
すなわち、第１のカメラ４及び第２のカメラ９の視野が一致した状態で、第１のカメラ４には９００ｎｍ以上の光のみが、第２のカメラ９には５００ｎｍ以下の光のみが入射する。

上述のように、分岐ユニット１１は、第２のカメラ９に入射する光の波長を５００ｎｍ以下に制限することが好ましい。第２のカメラ９は、鋼板１の突合せ端部１ａにおけるプランク輻射を撮影するためのカメラではなく、プラズマを撮影するためのカメラである。そのため、分岐ユニット１１が、第２のカメラ９に入射する光の波長を５００ｎｍ以下に制限することにより、プランク輻射に起因する光が第２のカメラ９に入射することを制限することができる。
分岐ユニット１１は、第２のカメラ９に入射する光の波長を４５０ｎｍ以下に制限することがより好ましい。図３に示すように、Ａｒ，Ｎ_２の発光スペクトルは、波長が４５０ｎｍ以下の領域においても発光強度を有する。一方、図４に示すように、波長が４５０ｎｍ以下の領域において、プランク輻射の放射輝度は、波長が５００ｎｍの場合よりもさらに低減し、０に近くなる。そのため、分岐ユニット１１が第２のカメラ９に入射する光の波長を４５０ｎｍ以下に制限することにより、プランク輻射の影響をより低減した状態で、第２のカメラ９によりプラズマ発光を撮影することができる。
なお、分岐ユニット１１は、第２のカメラ９に入射する光の波長を、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長域または４００ｎｍ〜４５０ｎｍの波長域のように、５００ｎｍ以下の一部の波長域に制限してもよい。

第２の実施形態では、分岐ユニット１１が本発明で言う第１の波長域制限装置及び第２の波長域制限装置に相当する。
なお、分岐ユニット１１によって制限される第１のカメラ４に入射する光の波長の範囲は、第１実施形態における光学フィルタ６によって制限されるカメラ４に入射する光の波長の範囲と同様である。

第１のカメラ４及び第２のカメラ９の視野を一致させるために、第１のカメラ４と第２のカメラ９との少なくとも一方のカメラが光軸及び光軸に対して垂直面となる３軸の平行移動と、光軸を中心として回転移動する合計４軸の調整機構を持つ。第１のカメラ４及び第２のカメラ９の視野を一致させる際には、対象となる視野を示す矩形を描いた校正板または直交させたスケールを測定対象面に設置し、第１のカメラ４及び第２のカメラ９を用いて上記の校正板またはスケールを撮影し、それぞれの撮影画像が一致するように第１のカメラ４及び第２のカメラ９の視野を調整する。第１のカメラ４で撮影した画像と第２のカメラ９で撮影した画像とを重ね合わせることにより、第１のカメラ４及び第２のカメラ９の視野を調整することも可能である。

第３のカメラ１０は、以下に詳述するように、鋼板１の搬送方向Ｘに関するプラズマ照射位置を検出するために設置される。
第３のカメラ１０の例えばレンズ１２の前面に、光学フィルタ（短波長透過フィルタ）１３が装着される。

光学フィルタ１３は、第３のカメラ１０に入射する光を５００ｎｍ以下に制限することが好ましい。第３のカメラ１０は、第２のカメラ９と同様に、鋼板１の突合せ端部１ａにおけるプランク輻射を撮影するためのカメラではなく、プラズマを撮影するためのカメラである。そのため、光学フィルタ１３が、第３のカメラ１０に入射する光の波長を上記の範囲に制限することにより、プランク輻射に起因する光が第３のカメラ１０に入射することを制限することができる。
光学フィルタ１３は、第３のカメラ１０に入射する光を４５０ｎｍ以下に制限することがより好ましい。図３に示すように、Ａｒ，Ｎ_２の発光スペクトルは、波長が４５０ｎｍ以下の領域においても発光強度を有する。一方、図４に示すように、波長が４５０ｎｍ以下の領域において、プランク輻射の放射輝度は波長が５００ｎｍの場合よりもさらに低減し、０に近くなる。そのため、光学フィルタ１３が、第３のカメラ１０に入射する光の波長を４５０ｎｍ以下に制限することにより、プランク輻射の影響をより低減した状態で、第３のカメラ１０によりプラズマ発光を撮影することができる。
なお、光学フィルタ１３は、第３のカメラ１０に入射する光の波長を、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長域または４００ｎｍ〜４５０ｎｍの波長域のように、５００ｎｍ以下の一部の波長域に制限してもよい。
第２の実施形態では、光学フィルタ１３が本発明における第３の波長域制限装置に相当する。

図１２Ａ及び図１２Ｂを用いて、第３のカメラ１０の配置を説明する。
図１２Ａは、鋼板１の側面から見た第３のカメラ１０の配置を説明するための図である。図１２Ｂは、鋼板１の上方から見た第３のカメラ１０の配置を説明するための図である。

第３のカメラ１０は、鋼板１（既に鋼管形状に成形されている）の搬送方向Ｘの上流の上方であって搬送方向Ｘの左右いずれかの斜め方向から溶接部３を撮影する。
図１２Ａに示すように、第３のカメラ１０は、鋼板１の側面から見た場合に、鋼板１の上縁部１ｂに対して上方に３０〜６０°程度の範囲に設置されるのが好ましい。

図１２Ｂに示すように、第３のカメラ１０は、鋼板１（既に鋼管形状に成形されている）の上方から見た場合に、上縁部１ｂに対して幅方向（図１２Ｂでは鋼板１の搬送方向Ｘの上下方向）に１０〜３０°程度の範囲に設置されるのが好ましい。
第３のカメラ１０を上述の位置に設置した上で、第３のカメラ１０を用いて、プラズマ全体と溶接部３との両方が写るように第３のカメラ１０の位置を調整する。第３のカメラ１０の設置位置を決定した後、第３のカメラ１０により撮影される画像と、第１のカメラ４により撮影される画像とにおいて、溶接線の位置が対応するように、第３のカメラ１０の撮影範囲を調整する。

第２のカメラ９及び第３のカメラ１０としては、例えば第１のカメラ４と同様に、ＣＭＯＳイメージセンサを備えたモノクロカメラを用いることが可能である。
プラズマは、プラズマ振動と呼ばれるプラズマに特有の運動を示す。そのため、プラズマを撮影する際の第２のカメラ９及び第３のカメラ１０の露光時間を短くした場合には、適切にプラズマを撮影できない可能性がある。そのため、本実施形態では、第２のカメラ９及び第３のカメラ１０の露光時間を長く（例えば１／４０秒）して、プラズマを撮影する。
なお、プラズマの発光量は非常に大きいので、第２のカメラ９及び第３のカメラ１０は、減光フィルタを装着することが好ましい。

（鋼板１の幅方向に関するプラズマ照射位置の検出）
図１３及び図１４Ａ〜図１４Ｅを参照して、画像処理装置１００を用いた、鋼板１の幅方向に関するプラズマ照射位置の検出方法について説明する。
図１３は、画像処理装置１００を用いて鋼板１の幅方向に関するプラズマ照射位置を検出する処理の例を示すフローチャートである。図１４Ａは、第２のカメラにより鋼板１の溶接部３を撮影した画像を示す図である。図１４Ｂは、鋼板１の幅方向に関するプラズマ照射位置を検出するための、画像処理装置１００による画像処理領域の抽出を示す図である。
図１４Ｃは、鋼板１の幅方向に関するプラズマ照射位置を検出するための、画像処理装置１００によるプラズマ画像の２値化を示す模式図である。図１４Ｄは、鋼板１の幅方向に関するプラズマ照射位置を検出するための、画像処理装置１００によるプラズマのブロッブの検出を示す模式図である。図１４Ｅは、鋼板１の幅方向に関するプラズマ照射位置を検出するための、画像処理装置１００によるプラズマのブロッブの中心線の算出を示す模式図である。

以下の説明では、第１のカメラ４のフレームレートが２００ｆｐｓであり、第２のカメラ９のフレームレートが４０ｆｐｓである場合について説明する。この場合には、第２のカメラ９が１フレーム撮影する間に、第１のカメラ４が５フレーム撮影する。
なお、図１３の説明においては、第１のカメラ４で撮影した画像を溶接部画像、第２のカメラ９で撮影した画像をプラズマ画像と言う。

まず、ステップＳ２０１において、画像処理装置１００は、第２のカメラ９から送られるプラズマ画像データ（図１４Ａを参照）を入力する。
次に、ステップＳ２０２において、画像処理装置１００は、ステップＳ２０１で入力したプラズマ画像について、画像処理の対象となる領域（処理領域）を限定する。

第２のカメラ９には、分岐ユニット１１の有する多層膜により波長５００ｎｍ以下の光のみが入射する。そのため、第２のカメラ９には、プラズマに起因する光に加えて、スパッタとプラズマとの反応に起因する光及びスパッタと鋼材成分との反応に起因する光が入射する。
溶接部３を撮影した画像において、プラズマに起因する光に加えて、スパッタとプラズマとの反応に起因する光及びスパッタと鋼材成分との反応に起因する光が混在する領域では、プラズマ画像を適切に画像処理することが難しい。
溶接部３を撮影した画像において、物理的衝合点Ｖ_１よりも鋼板１の搬送方向Ｘの下流の領域では、上述のように、プラズマに起因する光に加えて、スパッタとプラズマとの反応に起因する光及びスパッタと鋼材成分との反応に起因する光が混在する。

一方、物理的衝合点Ｖ_１よりも鋼板１の搬送方向Ｘの上流の領域では、スパッタとプラズマとの反応及び鋼材成分とプラズマとの反応は起こらない。
そのため、溶接部３を撮影した画像において、物理的衝合点Ｖ_１よりも鋼板１の搬送方向Ｘの上流の領域では、プラズマ画像を適切に画像処理することが可能である。

上述の理由から、ステップＳ２０２において、画像処理装置１００は、溶接部３を撮影した画像において、物理的衝合点Ｖ_１よりも鋼板１の搬送方向Ｘの上流の領域を処理領域として設定する。
具体的には、ステップＳ２０２において、画像処理装置１００は、図１４Ｂの白点線で囲んだ領域を処理領域として設定する。

ステップＳ２０２において処理された画像は、元々は第２のカメラ９で撮影された画像である。そのため、その画像の１つ前のフレームが撮影されてから、該フレームが撮影されるまでの間に、第１のカメラ４により溶接部画像は５フレーム撮影されている。その溶接部画像のそれぞれに対して、図８に示すステップＳ１０８において、物理的衝合点Ｖ_１が検出されている。
ステップＳ２０２において、画像処理装置１００は、５フレームの物理的衝合点Ｖ_１の平均位置を算出し、その平均位置よりも鋼板１の搬送方向Ｘに関する上流を処理領域として設定する。

ステップＳ２０３において、画像処理装置１００は、図１４Ｃに示すように、ステップＳ２０２において設定された処理領域を２値化する。
ステップＳ２０４において、画像処理装置１００は、ステップＳ２０３で２値化した処理領域に対し、ブロッブ毎にラベルを割り当てるラベリング処理を行い、図１４Ｄに示すように、所定の条件に合致するブロッブをプラズマのブロッブ１４０１として抽出する。所定の条件としては、例えば、処理領域の両端に接しており、かつ、面積を１０００ｍｍ^２有するなどの条件が挙げられる。

ステップＳ２０５において、画像処理装置１００は、図１４Ｅに示すように、ステップＳ２０４で抽出したプラズマのブロッブ１４０１について、鋼板１の幅方向の中心線（以後、単に中心線と言う）１４０２を算出する。中心線１４０２は、鋼板１の搬送方向Ｘに向かって伸びている。
次に、ステップＳ２０６において、画像処理装置１００は、図８のステップＳ１０５で得られているＶ字収束角の二等分線９０２（すなわち、溶接線）に対するプラズマのブロッブ１４０１の中心線１４０２の幅方向のずれ及び傾きを求める。すなわち、鋼板１の幅方向に関するプラズマ照射位置を、第１のカメラ４で撮影した溶接部３との相対位置として検出する。プラズマのブロッブ１４０１の中心線１４０２がＶ字収束角の二等分線９０２に対して大きくずれている場合またはプラズマのブロッブ１４０１の中心線１４０２がＶ字収束角の二等分線９０２に対して大きく傾いている場合には、鋼板１の幅方向に関するプラズマ照射位置が適切でないといえる。

ここでは画像処理装置１００による画像処理を中心に説明したが、例えば第２のカメラ９で撮影したプラズマの画像を、第１のカメラ４で撮影した溶接部３の画像に重ね合わせてモニタに表示するようにしてもよい。このとき、プラズマのブロッブ１４０１、中心線１４０２及び物理的衝合点Ｖ_１等を重ね合わせてもよい。これにより、プラズマ照射位置の鋼板１の幅方向に関するずれを数値的かつ感覚的に表現することができ、手動でプラズマ照射位置を調整し易くなる。
プラズマのブロッブ１４０１の中心線１４０２がＶ字収束角の二等分線９０２に対して所定の閾値以上ずれている場合又はプラズマのブロッブ１４０１の中心線１４０２がＶ字収束角の二等分線９０２に対して所定の閾値以上傾いている場合には、Ｖ字収束角の二等分線９０２とプラズマのブロッブ１４０１の中心線１４０２とが一致するように、プラズマ照射位置を自動調整するように構成してもよい。

（鋼板１の搬送方向Ｘに関するプラズマ照射位置の検出）
画像処理装置１００は、第３のカメラ１０から送られる鋼板１の溶接部３の画像を画像処理して、鋼板１の搬送方向Ｘに関するプラズマ照射位置を検出する。
図１５Ａ及び図１５Ｂを参照して、第３のカメラ１０により撮影される画像について説明する。
図１５Ａは、第３のカメラ１０で溶接部３を撮影した画像を示す図である。図１５Ｂは、図１５Ａにおけるプラズマトーチ１５０１、プラズマガス１５０２及びＶ字収束角の二等分線１５０３の位置関係を示す模式図である。

第３のカメラ１０は、鋼板１の搬送方向Ｘの上流であって、鋼板１の上方かつ鋼板１の搬送方向Ｘに関して左右いずれかの斜め方向から溶接部３を撮影する。そのため、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、第３のカメラ１０により撮影される画像と、第１のカメラ４及び第２のカメラ９により撮影される画像とでは、画像の向きが異なる。
なお、図１５Ａに示す画像は、光学フィルタ１３を装着しない状態で撮影したものである。

画像処理装置１００を用いた鋼板１の搬送方向Ｘに関するプラズマ照射位置の検出では、事前に、第１のカメラ４及び第３のカメラ１０により、マーカーを設置した鋼板１を撮影した上で、第１のカメラ４により撮影した画像と第３のカメラ１０により撮影した画像との対応付けを行う。

図１６及び図１７Ａ〜Ｃを参照して、鋼板１の搬送方向Ｘに関するプラズマ照射位置の検出方法を説明する。
図１６は、画像処理装置１００を用いて鋼板１の搬送方向Ｘに関するプラズマ照射位置を検出する処理の例を示すフローチャートである。図１７Ａは、鋼板１の搬送方向Ｘに関するプラズマ照射位置を検出するための、画像処理装置１００によるプラズマ画像の２値化を示す模式図である。
図１７Ｂは、鋼板１の搬送方向Ｘに関するプラズマ照射位置を検出するための、画像処理装置１００によるプラズマのブロッブの検出を示す模式図である。図１７Ｃは、鋼板１の搬送方向Ｘに関するプラズマ照射位置を検出するための、画像処理装置１００によるプラズマの照射軸の算出を示す模式図である。

画像処理装置１００は、第３のカメラ１０から画像データが送られてくるたびに、図１６に示す画像処理を繰り返し実行する。
ここで、第１のカメラ４のフレームレートが２００ｆｐｓであるのに対して、第３のカメラ１０のフレームレートは４０ｆｐｓである。すなわち、第２のカメラ９の場合と同様に、第３のカメラ１０により１フレーム撮影する間に、第１のカメラ４では５フレーム撮影することができる。
図１６の説明においては、第１のカメラ４で撮影した画像を溶接部画像と呼称し、第３のカメラ１０で撮影した画像をプラズマ画像と呼称する。

ステップＳ３０１において、画像処理装置１００は、第３のカメラ１０から送られるプラズマ画像データを入力する。
ステップＳ３０２において、画像処理装置１００は、図１７Ａに示すように、ステップＳ３０１で入力したプラズマ画像を２値化する。
ステップＳ３０３において、画像処理装置１００は、ステップＳ３０２で２値化したプラズマ画像に対し、ブロッブ毎にラベルを割り当てるラベリング処理を行う。また、ステップＳ３０３において、画像処理装置１００は、図１７Ｂに示すように、ラベルを割り当てたブロッブのうち、最大の面積を有するブロッブをプラズマのブロッブ１７０１として抽出する。

ステップＳ３０４において、画像処理装置１００は、図１７Ｃに示すように、モーメント計算機能により、ブロッブ１７０１の長軸を照射軸１７０２として算出する。
ステップＳ３０５において、画像処理装置１００は、図８のステップＳ１０４で検出されている幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０に対する照射軸１７０２の位置関係を求める。ステップＳ３０４において、照射軸１７０２が算出された画像は、第３のカメラ１０で撮影されたものである。そのため、その画像の１つ前のフレームが撮影されてから、該フレームが撮影されるまでの間に、第１のカメラ４により溶接部画像は５フレーム撮影されている。その溶接部画像のそれぞれに対して、図８に示すステップＳ１０４において、幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０が検出されている。

そのため、ステップＳ３０５において、画像処理装置１００は、５フレームの幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０の平均位置を算出し、その平均位置に対する照射軸１７０２の位置関係を求める。
照射軸１７０２が幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０から大きく離れているときは、鋼板１の搬送方向Ｘに関するプラズマ照射位置が適切でないといえる。

画像処理装置１００による画像処理を中心に説明したが、画像処理の結果に基づいて、プラズマ照射位置が調整されるようにしてもよい。例えば、プラズマ照射位置が幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０から鋼板１の搬送方向Ｘの上流側に２０ｍｍの範囲から外れているときには、その範囲に収まるようにプラズマ照射位置が自動調整されるように構成してもよい。

なお、第２のカメラ９の視野を第１のカメラ４の視野と一致させているので、第２のカメラ９で撮影したプラズマの画像を、第１のカメラ４で撮影した溶接部３の画像に重ね合わせることができる。それに対して、第３のカメラ１０の視野は第１のカメラ４の視野と一致していないため、第３のカメラ１０で撮影したプラズマの画像を、第１のカメラ４で撮影した溶接部３の画像に重ね合わせることはできない。

第３のカメラ１０で撮影するプラズマを溶接部３と併せてモニタに表示したい場合には、第３のカメラ１０として、ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサを備えたカラーカメラを用いてもよい。この場合には、波長５８０〜７００ｎｍの光（主に鋼板１の突合せ端部１ａを撮影するため）及び波長５００ｎｍ以下の光（主にプラズマを撮影するため）のみを透過させるフィルタ（バンドカットフィルタ）を第３のカメラ１０に装着するとよい。

これにより、画像処理によって鋼板１の搬送方向Ｘに関するプラズマ照射位置を検出するとともに、プラズマを溶接部３と併せてモニタに表示することが可能になる。このとき、プラズマのブロッブ１７０１、照射軸１７０２及び幾何学的Ｖ収束点Ｖ_０等を重ね合わせてもよい。
ただし、上述の方法は、あくまでも第３のカメラ１０でプラズマ及び溶接部３の両方を撮影してモニタに表示することを目的とするものである。第３のカメラ１０で撮影した画像のみに基づいて、プラズマ照射による影響を抑えながら溶接部３の溶接状態を解析することは難しい。プラズマ照射による影響を抑えながら溶接部３の溶接状態を解析するためには、例えば、第１の実施形態で説明したように、波長９００ｎｍ以上の光のみを透過する光学フィルタ６が必要となる。

溶接部３の長軸方向とプラズマの長軸方向とは異なっている。また、第３のカメラ１０により撮影した画像において、溶接部３を検出することが可能である。そのため、第３のカメラ１０により撮影した画像を用いて鋼板１の搬送方向Ｘに関するプラズマ照射位置を検出する際に、第３のカメラ１０により撮影した画像から溶接部３を取り除くことが可能である。
プラズマ照射位置と溶接部３とが重なっている場合において、第３のカメラ１０により撮影した画像から溶接部３を取り除いた場合には、溶接部３と重なっている部分についてのプラズマ照射位置を検出することができない。しかしながら、溶接部３と重なっていない部分におけるプラズマ照射位置とプラズマの照射方向とから、溶接部３と重なっている部分についてのプラズマ照射位置を検出することが可能である。
そのため、第３のカメラ１０を用いて撮影した画像から、溶接部３を取り除いた場合には、第３のカメラ１０は必ずしも光学フィルタ１３を備える必要はない。

第３のカメラ１０で撮影したプラズマ画像を溶接部３の画像に重ね合わせる場合には、第３のカメラ１０と同一の視野を有し、第１のカメラ４と同等の性能を有する第４のカメラを追加的に用いてもよい。
第３のカメラ１０と第４のカメラとにより、鋼板１の搬送方向Ｘの上流の上方であって、鋼板１の搬送方向Ｘの左右いずれかの斜め方向から溶接部３を撮影するようにしてもよい。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。

上記各実施形態によれば、鋼板の溶接部にプラズマを照射して電縫溶接を行うプラズマシールド電縫溶接に用いられる溶接状態監視システム及び溶接状態監視方法であって、プラズマの影響を受けずに溶接状態を解析することが可能な溶接状態監視システム及び溶接状態監視方法を提供することができる。

１ 鋼板
１ａ 突合せ端部
１ｂ 上縁部
２ プラズマ照射装置
３ 溶接部
４ カメラ、第１のカメラ
５ レンズ
６ 光学フィルタ
７ スクイズロール
８ スリット
９ 第２のカメラ
１０第３のカメラ
１１ 分岐ユニット
１２ レンズ
１３ 光学フィルタ
１００ 画像処理装置

Claims (9)

1. 鋼板の溶接部にプラズマを照射して電縫溶接を行うプラズマシールド電縫溶接に用いられる溶接状態監視システムであって、
   前記プラズマを前記溶接部に照射するプラズマ照射装置と；
   前記溶接部を上方から撮影する、波長が８５０ｎｍ以上である光を検出可能なイメージセンサを有する第１の撮像装置と；
   前記第１の撮像装置に入射する光を、８５０ｎｍ以上の波長域に制限する第１の波長域制限装置と；
   前記第１の撮像装置で撮影した画像を画像処理して、前記溶接部の溶接状態を解析する画像処理装置と；
   を備えることを特徴とする、溶接状態監視システム。
2. 前記第１の波長域制限装置が、前記第１の撮像装置に入射する光を、９００ｎｍ以上の波長域に制限する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の溶接状態監視システム。
3. 前記イメージセンサが、前記波長域の光に対して１０％以上の量子効率を有する
   ことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の溶接状態監視システム。
4. 前記第１の撮像装置は、１００ｍｍ以上の幅を有する範囲を撮影した際に、６０μｍ以下の分解能を有する
   ことを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の溶接状態監視システム。
5. 前記画像処理装置が、Ｖ字状に収束する前記鋼板の両突合せ端部が幾何学的に交わる点である幾何学的Ｖ収束点とＶ字状に収束する前記鋼板の前記両突合せ端部が物理的に衝合する点である物理的衝合点とを求める
   ことを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接状態監視システム。
6. 前記第１の撮像装置と同一の視野範囲を有する第２の撮像装置と、
   前記第２の撮像装置に入射する光を波長５００ｎｍ以下の光のみに制限する第２の波長域制限装置と、
   を更に備え、
   前記画像処理装置が、前記第２の撮像装置で撮影した画像に基づいて、前記鋼板の搬送方向に直交する方向である前記鋼板の幅方向のプラズマ照射位置を、前記溶接部を基準とする相対位置として求める
   ことを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の溶接状態監視システム。
7. 前記鋼板の前記搬送方向の上流であって、前記鋼板の上方かつ前記鋼板の前記搬送方向の左右いずれかの斜め方向から前記溶接部を撮影する第３の撮像装置を更に備え、
   前記画像処理装置が、前記第３の撮像装置で撮影した画像に基づいて、前記鋼板の前記搬送方向の前記プラズマ照射位置を、前記溶接部を基準とする相対位置として求める
   ことを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の溶接状態監視システム。
8. 前記第３の撮像装置に入射する光を波長５００ｎｍ以下の光のみに制限する第３の波長域制限装置を更に備える
   ことを特徴とする請求項７に記載の溶接状態監視システム。
9. 鋼板の溶接部にプラズマを照射して電縫溶接を行うプラズマシールド電縫溶接に用いられる溶接状態監視方法であって、
   波長が８５０ｎｍ以上である光を検出可能なイメージセンサを備えた撮像装置を用いて、前記撮像装置に入射する光を８５０ｎｍ以上の波長域に制限して、前記溶接部を上方から撮影する工程と；
   画像処理装置が、前記撮像装置で撮影した画像に基づいて、前記溶接部の溶接状態を解析する工程と；
   を有することを特徴とする、溶接状態監視方法。