(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭酸ガスをシールドガスに使用し、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す炭酸ガスアーク溶接方法によって溶接を行なう溶接装置であって、
トーチと母材との間に電圧を与えるための電源回路と、
前記電源回路の電圧を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、短絡期間の後に続くアーク期間の初期の第１アーク期間にハイレベル電流が出力され、前記アーク期間の後期の第２アーク期間に定電圧制御された溶接電圧に対応したアーク電流が出力されるように、前記電源回路を制御し、
前記制御部は、所定の周期で増減する波形をハイレベルベース電流に重畳して前記ハイレベル電流が発生されるように前記電源回路を制御し、
前記制御部は、溶接電流の電流設定値または前記トーチにワイヤを送給する速度の速度設定値が所定範囲外である場合に比べて、前記電流設定値または前記速度設定値が前記所定範囲内である場合には、前記波形の振幅を増加させ、
前記電源回路は、前記制御部の制御下で前記トーチに対して電流を供給する供給経路のインダクタンス値が可変に制御可能に構成され、
前記制御部は、前記電流設定値または前記速度設定値が前記所定範囲よりも小さい場合には、前記電流設定値または前記速度設定値が前記所定範囲内である場合よりも、前記第２アーク期間における前記電源回路の前記インダクタンス値を減少させる、溶接装置。
【請求項２】
前記波形は、三角波または正弦波である、請求項１に記載の溶接装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記短絡期間中に溶滴のくびれを検出した場合には短絡電流を減少させるくびれ検出制御を行なう、請求項１または２に記載の溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、溶接装置に関し、特に炭酸ガスアーク溶接を行なう溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特公平４−４０７４号公報（特許文献１）には、消耗電極と母材との間で短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接方法が開示されている。この消耗電極式アーク溶接方法は、溶滴の形成過程と溶滴の母材への移行過程とを繰り返す。
【０００３】
図１６は、短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接方法を説明するための図である。
【０００４】
図１６を参照して、短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接方法では、以下に説明する（ａ）〜（ｆ）の過程が順に繰り返し実行される。（ａ）溶滴が溶融池と接触した短絡初期状態、（ｂ）溶滴と溶融池との接触が確実になって溶滴が溶融池に移行している短絡中期状態、（ｃ）溶滴が溶融池側へ移行して溶接ワイヤと溶融池との間の溶滴にくびれが生じた短絡後期状態、（ｄ）短絡が開放されてアークが発生した状態、（ｅ）溶接ワイヤの先端が溶融して溶滴が成長するアーク発生状態、（ｆ）溶滴が成長し溶融池と短絡する直前のアーク発生状態。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平４−４０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特公平４−４０７４号公報で示された従来の短絡移行溶接では、アークと短絡とが規則的に発生する。しかし、大きな電流（＞２００Ａ）で炭酸ガスアーク溶接法によって溶接を行なう場合には、短絡を伴うグロビュール移行では、アーク反力によって溶滴がワイヤ上部にせり上がり、アーク時間が延びて周期的な短絡の発生が困難になり、アークと短絡とが不規則に発生する。
【０００７】
このように、短絡とアークとの周期が不規則に変動すると、短絡時の溶滴サイズが不定となり、ビード止端部の揃いが悪くなる。
【０００８】
また、高い電流は溶融池に対して不規則な位置に過大なアーク力を作用させるので溶融池を大きくかつ不規則に振動させ、特に溶融池を溶接方向と反対側に押し出すことでハンピングビードが発生し易くなる。
【０００９】
特に、生産性を向上させるために溶接スピードを高速にすることが求められており、高速溶接では上記の問題の影響による溶接品質の劣化が顕著に現れてくる。なお、溶接スピードを高速にするためには、単位溶着量を稼ぐためにワイヤ送給速度を速くする必要がある。それに伴い、溶接電流が高くなるという関係がある。
【００１０】
しかし、溶接スピードやワイヤ送給速度や溶接電流は溶接対象によって種々に選択されるので、溶接装置は上記の短絡を伴うグロビュール移行が発生する溶接スピード領域、ワイヤ送給速度領域または溶接電流領域（以下グロビュール移行領域という）以外の領域（たとえば短絡移行領域）でも使用される。したがって、溶接装置はグロビュール移行領域の内外で安定した溶接を行なうことが求められる。特に、グロビュール移行の領域に比べてワイヤ先端の溶滴サイズが小さく、溶融池も小さい短絡移行領域（軟鋼ソリッド、ワイヤ径１．２ｍｍ、概ね溶接電流１００Ａ以下）、あるいは，グロビュール移行領域中でも高い電流域では、溶接装置の制御をグロビュール移行領域の低い電流域と同様な制御を行ったのでは、溶融池やワイヤ先端の溶滴が暴れ易く、ビード外観を損ねる。
【００１１】
この発明の目的は、グロビュール移行領域の内外で安定した溶接を行なうことができる溶接装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明は、要約すると、炭酸ガスをシールドガスに使用し、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す炭酸ガスアーク溶接方法によって溶接を行なう溶接装置であって、トーチと母材との間に電圧を与えるための電源回路と、電源回路の電圧を制御する制御部とを含む。制御部は、短絡期間の後に続くアーク期間の初期の第１アーク期間にハイレベル電流が出力され、アーク期間の後期の第２アーク期間に定電圧制御された溶接電圧に対応したアーク電流が出力されるように、電源回路を制御する。さらに制御部は、所定の周期で増減する波形をハイレベルベース電流に重畳してハイレベル電流が発生されるように電源回路を制御する。さらに制御部は、溶接電流の電流設定値またはトーチにワイヤを送給する速度の速度設定値が所定範囲外である場合に比べて、電流設定値または速度設定値が所定範囲内である場合には、波形の振幅を増加させる。
【００１３】
好ましくは、電源回路は、制御部の制御下でトーチに対して電流を供給する供給経路のインダクタンス値が可変に制御可能に構成される。制御部は、電流設定値または速度設定値が所定範囲よりも小さい場合には、電流設定値または速度設定値が所定範囲内である場合よりも、第２アーク期間における電源回路のインダクタンス値を減少させる。
【００１４】
好ましくは、波形は、三角波または正弦波である。
好ましくは、制御部は、短絡期間中に溶滴のくびれを検出した場合には短絡電流を減少させるくびれ検出制御を行なう。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、短絡移行となる電流域ではハイレベルベース電流に重畳する三角波の振幅を小さくまたはゼロとし、グロビュール移行となる電流域で三角波の振幅が最大振幅となるようにする。これにより、短絡移行となる電流域においてもグロビュール移行となる電流域においても溶滴の飛散が低減し、スパッタの少ない溶接が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態１に係る溶接装置のブロック図である。
【図２】図１の振幅設定回路ＷＨおよびインダクタンス設定回路ＬＲに記憶されている関数の一例を示した図である。
【図３】一般的な溶接装置の等価回路図である。
【図４】式（５）に対応する等価回路を示した図である。
【図５】実施の形態１に係る溶接装置でグロビュール移行となる電流域のうち低電流域において溶接を行なう際の溶接電圧および溶接電流を示した動作波形図である。
【図６】図５の点Ｐａにおける溶接部分の状態を示した図である。
【図７】図５の点Ｐｂにおける溶接部分の状態を示した図である。
【図８】図５の点Ｐｃにおける溶接部分の状態を示した図である。
【図９】図５の点Ｐｄにおける溶接部分の状態を示した図である。
【図１０】実施の形態１に係る溶接装置で短絡移行となる電流域において溶接を行なう際の溶接電流を示した動作波形図である。
【図１１】実施の形態１に係る溶接装置でグロビュール移行領域のうち高めの電流域において溶接を行なう際の溶接電流を示した動作波形図である。
【図１２】実施の形態２に係る溶接装置１００Ａの構成を示したブロック図である。
【図１３】実施の形態２に係る溶接装置で溶接を行なう際の溶接電圧および溶接電流と制御信号とを示した動作波形図である。
【図１４】実施の形態２に係る溶接装置で短絡移行となる電流域において溶接を行なう際の溶接電流を示した動作波形図である。
【図１５】実施の形態２に係る溶接装置でグロビュール移行領域のうち高めの電流域において溶接を行なう際の溶接電流を示した動作波形図である。
【図１６】短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付して、その説明は繰り返さない。
【００１８】
なお、本実施の形態で説明する溶接方法は、短絡状態とアーク状態を繰り返す溶接方法であり、パルスアーク溶接方法とは異なる。
【００１９】
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係る溶接装置のブロック図である。
【００２０】
図１を参照して、溶接装置１００は、電源回路１０２と、電源制御装置１０４と、ワイヤ送給装置１０６と、溶接トーチ４とを含む。
【００２１】
電源制御装置１０４は、電源回路１０２を制御して溶接トーチ４に出力される溶接電流Ｉｗおよび溶接電圧Ｖｗが溶接に適した値となるように制御する。
【００２２】
ワイヤ送給装置１０６は、溶接トーチ４に溶接ワイヤ１を送給する。炭酸ガスを主成分とするシールドガスが、溶接トーチ４の先端部分から放出される。溶接トーチ４の先端から突出した溶接ワイヤ１と母材２との間でアーク３が発生し、溶接ワイヤ１が溶融して母材を溶接する。ワイヤ送給装置１０６は、送給速度設定回路ＦＲと、送給制御回路ＦＣと、送給モータＷＭと、送給ロール５とを含む。
【００２３】
電源回路１０２は、電源主回路ＰＭと、抵抗値Ｒｉｏと、リアクトルＤＣＬと、電圧検出回路ＶＤと、電流検出回路ＩＤとを含む。
【００２４】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示せず）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御による出力制御を行い、出力電圧Ｅ及び溶接電流Ｉｗを出力する。図示しないが、電源主回路ＰＭは、例えば、商用電源を整流する１次整流器と、整流された直流を平滑するコンデンサと、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路と、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器と、降圧された高周波交流を整流する２次整流器と、電流誤差増幅信号Ｅｉを入力としてパルス幅変調制御を行い、この結果に基づいて上記のインバータ回路を駆動する駆動回路とを含んで構成される。
【００２５】
リアクトルＤＣＬは、電源主回路ＰＭの出力を平滑する。
送給速度設定回路ＦＲは、予め定められた送給速度設定値に相当する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給制御回路ＦＣは、送給速度設定信号Ｆｒの値に相当する送給速度で溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを送給モータＷＭに出力する。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給装置１０６の送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。
【００２６】
電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。
【００２７】
電源制御装置１０４は、アーク検出回路ＡＤと、タイマー回路ＴＭと、振幅中心電流設定回路ＩＨＣＲと、周波数設定回路ＦＨと、振幅設定回路ＷＨと、第１溶接電流設定回路ＩＲ１と、インダクタンス設定回路ＬＲと、出力電圧設定回路ＥＲと、第２溶接電流設定回路ＩＲ２と、溶接電流設定切換回路ＳＷと、電流誤差増幅回路ＥＩとを含んで構成される。
【００２８】
アーク検出回路ＡＤは、溶接電圧検出信号Ｖｄを入力信号として受けて、溶接電圧検出信号Ｖｄの値が閾値以上になったことによってアークの発生を判別するとハイ（Ｈｉｇｈ）レベルになるアーク検出信号Ａｄを出力する。タイマー回路ＴＭは、アーク検出信号Ａｄを入力信号として受けて、アーク検出信号Ａｄがハイレベルになってから予め定めた期間ハイレベルになるタイマー信号Ｔｍを出力する。
【００２９】
振幅中心電流設定回路ＩＨＣＲは、予め定めたハイレベルベース電流である振幅中心電流設定信号Ｉｈｃｒを出力する。周波数設定回路ＦＨは、予め定めた周波数設定信号Ｆｈを出力する。振幅設定回路ＷＨは、送給速度設定回路ＦＲから出力された送給速度設定信号Ｆｒを入力信号として受けて、予め定めた関数に従って振幅設定信号Ｗｈを出力する。
【００３０】
図２は、図１の振幅設定回路ＷＨおよびインダクタンス設定回路ＬＲに記憶されている関数の一例を示した図である。図２の下段に示すように、設定電流（溶接平均電流）が短絡移行となる電流域ではハイレベルベース電流に重畳する三角波の振幅をゼロとするように振幅設定信号Ｗｈが設定されている。
【００３１】
また、設定電流が１５０Ａを超えて高くなるとともに三角波の振幅を増加させ、グロビュール移行となる電流域のうち低電流域で最大振幅ＩＨＡとなるように振幅設定信号Ｗｈが設定されている。
【００３２】
また、設定電流がさらに高くなると３００Ａで三角波の振幅がゼロとなるように振幅設定信号Ｗｈが設定されている。
【００３３】
このように設定された振幅設定信号Ｗｈを、図１の振幅設定回路ＷＨは出力する。設定電流とワイヤ送給速度とは略比例関係があり、通常は溶接装置にはワイヤ送給速度が設定される。
【００３４】
溶接ワイヤの溶融速度Ｖｍは、Ｖｍ＝αＩ＋βＩ2Ｒであらわされる。ここで、α，βは係数を示し、Ｉは溶接電流を示し、Ｒは溶接ワイヤがトーチ先端のコンタクトチップから突出している部分（突き出し長さ）の抵抗値を示す。溶接電流Ｉを増加させると溶接ワイヤの溶融速度Ｖｍも大きくなることが分かる。良好な溶接が行なわれていれば、通常は溶接ワイヤの溶融速度Ｖｍはワイヤ送給速度に一致する。
【００３５】
したがって、図２の横軸には、設定電流とこれに対応するワイヤ送給速度が併記されている。なお、この対応に限定されるものではなく、併記した対応するワイヤ送給速度は一例であって、溶接条件（ワイヤ径など）によって対応する送給速度は種々に変化する。この場合でも、実験的にあらかじめ求めてワイヤ送給速度に対する三角波振幅の関数を設定することが可能である。
【００３６】
さらに、好ましくは、図２の上段に示すように、三角波の振幅の設定をワイヤ送給速度に応じて変化させることに加えて、定電圧制御におけるインダクタンスの値を変化させてもよい。すなわち、短絡移行となる低電流域では，定電圧制御におけるインダクタンスの値を小さくすることで短絡の回数を増加させる。これによって、溶滴の大きさが一層適切に制御される。図２の上段に示す関数が、図１のインダクタンス設定回路ＬＲに記憶されている。
【００３７】
再び、図１を参照して、第１溶接電流設定回路ＩＲ１は、振幅中心電流設定信号Ｉｈｃｒ、周波数設定信号Ｆｈ及び振幅設定信号Ｗｈを入力信号として受けて、第１溶接電流設定信号Ｉｒ１を出力する。
【００３８】
電源制御装置１０４のうち、振幅中心電流設定回路ＩＨＣＲと、周波数設定回路ＦＨと、振幅設定回路ＷＨと、第１溶接電流設定回路ＩＲ１とは、後に説明するアーク期間初期のハイレベル電流を発生するための回路である。
【００３９】
電源制御装置１０４のうち、インダクタンス設定回路ＬＲと、出力電圧設定回路ＥＲと、第２溶接電流設定回路ＩＲ２とは、後に説明するアーク期間後期においてリアクトルをワイヤ送給速度に応じて変化させながら定電圧制御を行なうための回路である。ここで、第２溶接電流設定回路ＩＲ２の説明の前に、電子リアクトル制御について説明する。
【００４０】
図３は、一般的な溶接装置の等価回路図である。Ｅは定電圧源を示し、Ｌｍは目標インダクタンス値を示し、Ｒｉｏは溶接装置内外の抵抗値を示す。この抵抗値Ｒｉｏは溶接電源内部の配線抵抗値及び溶接用ケーブルの抵抗値の合算値である。また、ｖは、負荷に印加される電圧を示し、ｉは負荷に流れる溶接電流を示す。図３の等価回路は下式（１）で表すことができる。
【００４１】
Ｅ＝Ｒｉｏ・ｉ＋Ｌｍ・ｄｉ／ｄｔ＋ｖ    …（１）
上式において、抵抗値Ｒｉｏは小さな値であるので、無視することができる。このために、式（１）は下記の式（２）のようになる。
【００４２】
Ｅ＝Ｌｍ・ｄｉ／ｄｔ＋ｖ  …（２）
式（２）を整理すると、下式（３）となる。
【００４３】
ｄｉ／ｄｔ＝（Ｅ−ｖ）／Ｌｍ  …（３）
両辺を積分すると、下式（４）となる。
【００４４】
ｉ＝∫（（Ｅ−ｖ）／Ｌｍ）・ｄｔ  …（４）
ここで、溶接電流ｉを第２溶接電流設定値Ｉｒ２に置換し、出力電圧Ｅを出力電圧設定値Ｅｒに置換し、目標インダクタンス値Ｌｍをインダクタンス設定値Ｌｒに置換すると、下式（５）が得られる。
【００４５】
Ｉｒ２＝∫（（Ｅｒ−ｖ）／Ｌｒ）・ｄｔ  …（５）
図４は式（５）に対応する等価回路を示した図である。図４において、溶接電圧ｖを検出し、定電流源ＣＣの溶接電流ｉに相当する第２溶接電流設定値Ｉｒ２が、上記式（５）の演算値となるように電源回路１０２を制御する。
【００４６】
上述した電子リアクトル制御を行なうことによって、所望のインダクタンス値Ｌｒを電子的に形成することができる。
【００４７】
図１において、溶接電流ｉの通電経路には抵抗値Ｒｉｏ及びリアクトルＤＣＬ等による溶接装置の内外のインダクタンス値Ｌｉｏが存在する。抵抗値Ｒｉｏは、溶接電源の内部及び外部の配線による抵抗値である。上述したようにこの抵抗値Ｒｉｏは小さいので無視することができる。インダクタンス値Ｌｉｏは、溶接電源内部に設けられたリアクトル及び溶接用ケーブルの引き回しによるリアクトルの合算したインダクタンス値である。
【００４８】
インダクタンス値Ｌｉｏは２０〜５０μＨ程度である。後述するインダクタンス設定信号Ｌｒの値は、このインダクタンス値Ｌｉｏを含めた目標値である。すなわち、Ｌｒ＝１００μＨとすると、Ｌｉｏが２０〜５０μＨで変化しても、電源回路１０２の全体としてのインダクタンス値は１００μＨになるように電源回路１０２が制御される。
【００４９】
出力電圧設定回路ＥＲは、予め定めた出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。インダクタンス設定回路ＬＲは、送給速度設定回路ＦＲからの送給速度設定信号Ｆｒを入力信号として受けて、予め定めた設定関数に基づいて算出した値のインダクタンス設定信号Ｌｒを出力する。この設定関数については、図２の上段に示される。
【００５０】
第２溶接電流設定回路ＩＲ２は、上記の出力電圧設定信号Ｅｒ、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄ及び上記のインダクタンス設定信号Ｌｒを入力信号として受けて、上述した式（５）に基づいて第２溶接電流設定信号Ｉｒ２＝∫（（Ｅｒ−Ｖｄ）／Ｌｒ）・ｄｔの演算を行い出力する。この積分の演算は、溶接中に行なわれる。
【００５１】
溶接電流設定切換回路ＳＷは、タイマー信号Ｔｍ、第１溶接電流設定信号Ｉｒ１及び第２溶接電流設定信号Ｉｒ２を入力信号として受ける。
【００５２】
溶接電流設定切換回路ＳＷは、タイマー信号Ｔｍがハイ（Ｈｉｇｈ）レベルのときは入力端子ａ側に切り換わり第１溶接電流設定信号Ｉｒ１を溶接電流設定信号Ｉｒとして出力する。
【００５３】
溶接電流設定切換回路ＳＷは、タイマー信号Ｔｍがロー（Ｌｏｗ）レベルのときは入力端子ｂ側に切り換わり第２溶接電流設定信号Ｉｒ２を溶接電流設定信号Ｉｒとして出力する。
【００５４】
電流誤差増幅回路ＥＩは、溶接電流設定信号Ｉｒと上記の溶接電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。溶接電流設定切換回路ＳＷが、第１溶接電流設定信号Ｉｒ１を溶接電流設定信号Ｉｒとして出力するとき、即ち、後に図５以降で示す初期の第１アーク期間Ｔａ１では、電流誤差が電源主回路ＰＭにフィードバックされるので、定電流制御が行なわれる。
【００５５】
溶接電流設定切換回路ＳＷが、第２溶接電流設定信号Ｉｒ２を溶接電流設定信号Ｉｒとして出力するとき、即ち、後期の第２アーク期間Ｔａ２と短絡期間Ｔｓとでは、電源回路１０２のインダクタンス値が、溶接電流設定信号Ｉｒの値になるように電子リアクトル制御され、定電圧制御が行われる。
【００５６】
この定電圧制御が行われる理由を説明する。図３に示した等価回路図において、定電圧電源の電圧Ｅ、目標インダクタンス値Ｌｍ、溶接電流ｉとしていた。そこで、溶接電流ｉを第２溶接電流設定値Ｉｒ２に、出力電圧Ｅを出力電圧設定値Ｅｒに及び目標インダクタンス値Ｌｍをインダクタンス設定値Ｌｒにそれぞれ置換したときに、上述した式（５）が導き出されている。逆にこの式（５）に基づいて第２溶接電流設定回路ＩＲ２が、第２溶接電流設定信号Ｉｒ２を流すように設定すると、電源主回路ＰＭは定電圧電源となる。
【００５７】
図５は、実施の形態１に係る溶接装置でグロビュール移行となる電流域の低電流域において溶接を行なう際の溶接電圧および溶接電流を示した動作波形図である。
【００５８】
図５を参照して、溶接は、短絡期間Ｔｓとアーク期間とが繰り返されることにより進行する。アーク期間は、初期の第１アーク期間Ｔａ１と、後期の第２アーク期間Ｔａ２とに分かれる。ワイヤ送給速度の設定値Ｆｒは例えば６５０ｃｍ／ｍｉｎである。このときは、図２の下段に示す関数によって振幅設定信号Ｗｈによって示される三角波振幅は最大値ＩＨＡに設定される。
【００５９】
図１、図５を参照して、時刻ｔ０〜ｔ１の短絡期間Ｔｓでは、溶接ワイヤ１と母材２とが接触して短絡電流が流れ溶接ワイヤ１の先端にジュール熱が発生し溶接ワイヤ１の先端部が高温となる。
【００６０】
時刻ｔ１で溶接ワイヤ１の先端部の溶滴が移行してアークが発生すると、電源制御装置１０４は、溶接電圧が急上昇したことに応じてアークが発生したことを判別する。これに応じて、電源制御装置１０４は、制御を定電流制御に切り替え、第１アーク期間Ｔａ１に移行する。溶接電流は、振幅中心電流Ｉｈｃを中心値とするハイレベル電流まで上昇する。その後、一定期間溶接電流としてハイレベル電流が流される。このハイレベル電流は、アーク力による溶滴のせり上がりが発生しない程度の電流値に抑制される。この第１アーク期間Ｔａ１に流れる溶接電流をハイレベル電流と呼ぶ。
【００６１】
良好な溶接が行なわれている場合には溶接速度は溶接ワイヤの溶融速度Ｖｍに一致する。溶接ワイヤの溶融速度Ｖｍは、Ｖｍ＝αＩ＋βＩ2Ｒであらわされる。ここで、α，βは係数を示し、Ｉは溶接電流を示し、Ｒは溶接ワイヤがトーチ先端のコンタクトチップから突出している部分（突き出し長さ）の抵抗値を示す。溶接電流Ｉを増加させると溶接ワイヤの溶融速度Ｖｍも大きくなることが分かる。
【００６２】
しかし、溶接電流Ｉを増加すると溶滴に対して働く上向きのアーク力も増加する。アーク力は溶接電流Ｉの２乗に比例する。その一方で、溶滴には重力も働いているので、重力とアーク力がちょうど釣り合う電流値を境に、電流値が大きければ上向きの力が働き、電流値が小さければ下向きの力が働く。溶接電流Ｉに交流電流を重畳させると、溶滴には上向きの力と下向きの力が交互に働くことになる。本願発明者によれば、このように電流を増減させることにより上下向きの力を交互に溶滴に働かせた方が、全体的に電流を増加させて上向きの力を連続して溶滴に働かせるよりも溶滴が安定しており、スパッタを低減させることができることが分かった。そこで、本実施の形態では、第１アーク期間に電流を増減させて、溶滴の安定的かつ段階的な成長を図っている。
【００６３】
時刻ｔ１〜ｔ２の第１アーク期間には、以下に説明する三角波を振幅中心電流Ｉｈｃに重畳させる。振幅中心電流Ｉｈｃは、振幅中心電流設定信号Ｉｈｃｒで設定されるハイレベルベース電流に相当する。
【００６４】
三角波は、振幅中心電流Ｉｈｃ（２００〜４００Ａ）を中心として、２．５ｋＨｚ〜５ｋＨｚの周波数、＋−５０〜１００Ａの振幅とし、第１アーク期間Ｔａ１は、０．３ｍｓ〜３．０ｍｓとする。例えば、振幅中心電流ＩｈｃがＩｈｃ＝４００Ａ、振幅がＩＨＡ＝＋−１００Ａ、周波数がｆ＝４ｋＨｚで、第１アーク期間がＴａ１＝１．０ｍｓで、重畳する三角波は４周期というように第１アーク期間の長さと重畳する波形の周期数を設定しても良い。なお、重畳させる波形は三角波に限定されるものではなく、正弦波などの他の波形でも構わない。なお、図５では３周期の三角波が重畳されているが、三角波の重畳は３周期に限定されるものではなく、適宜増減することも可能である。
【００６５】
以下、第１アーク期間Ｔａ１における溶接部分の状態について詳細に説明する。
（期間１）三角波の０〜１／２周期
図６は、図５の点Ｐａにおける溶接部分の状態を示した図である。点Ｐａは、三角波の重畳が開始された点である。
【００６６】
図６を参照して、溶接ワイヤ１の先端と母材２との間にはアーク３が発生している。アーク３による熱により溶接ワイヤ１の先端が加熱され先端部が溶融し、溶滴６が形成される。溶接ワイヤ１は送給装置によって母材２の方向に送給される。
【００６７】
重畳した電流によってワイヤ溶融速度が増加し溶滴が大きくなり、溶滴にかかる力は１／４周期で最大となり、アーク反力によって溶滴のせり上がりが加速されようとする。しかし、１／２周期に向かって電流が減少するに伴いアーク反力も低下するので、せり上がりを防止することができる。
【００６８】
図７は、図５の点Ｐｂにおける溶接部分の状態を示した図である。点Ｐｂは、三角波の１／２周期が経過した点である。図７に示すように、溶接ワイヤ１の先端部の溶滴６は少し成長し、少しせり上がった状態となっている。
【００６９】
（期間２）三角波の１／２〜３／４周期
この期間は、電源制御装置１０４によって、溶接電流が振幅中心電流Ｉｈｃよりも減少され、溶滴に対するアーク反力が更に下げられる。
【００７０】
（期間３）三角波の３／４〜１周期
三角波の３／４〜１周期では、三角波の下側ピーク値から振幅中心電流Ｉｈｃまで再び溶接電流を増加させる。
【００７１】
図８は、図５の点Ｐｃにおける溶接部分の状態を示した図である。点Ｐｃは、三角波の１周期が経過した点である。図８に示すように、アーク反力が低下したことにより、溶滴６に働く重力とアーク反力とがちょうどよいバランスとなる。これによって、溶滴６のせり上りが解消されて、溶滴６が垂れ下がった状態になる。
【００７２】
そして、（期間１）〜（期間３）で説明した三角波を３回繰り返して振幅中心電流Ｉｈｃに重畳する。これにより、アーク反力によるせり上がりを防止させつつ徐々に溶滴サイズが増加されて、所望なサイズの溶滴を形成させることになる。
【００７３】
なお、第１アーク期間Ｔａ１のインダクタンス値は、三角波の重畳を容易に行なうために、次の第２アーク期間Ｔａ２よりも小さくしている。第２アーク期間Ｔａ２のインダクタンス値は、図２の上段に示される関数で決定されるインダクタンス設定値Ｌｒに基づいて定められる。
【００７４】
以下、第２アーク期間Ｔａ２における溶接部分の状態について詳細に説明する。
再び図５を参照して、時刻ｔ２において、第１アーク期間Ｔａ１が終了して第２アーク期間Ｔａ２に移行する。第２アーク期間Ｔａ２では、電源制御装置１０４は、電源回路１０２のインダクタンス値を大きくして、アーク長制御のために制御を定電流制御から定電圧制御に切り替える。この切替は、図１では、ＳＷを端子ａから端子ｂに切り替えることに相当する。インダクタンスが大きいので、溶接電流波形はアーク負荷に応じて緩やかに減少する。また、溶接電圧も緩やかに減少する。
【００７５】
図９は、図５の点Ｐｄにおける溶接部分の状態を示した図である。
第１アーク期間Ｔａ１で形成された溶滴は、図９に示すように、せり上がることなく、第２アーク期間Ｔａ２において少し大きくなりながら、溶融池の方へ近づいていく。せり上がりによるアーク長の変化が防止されかつ定電圧制御によってアーク長が調整され、アーク力の変化が緩やかになるので、溶融池を振動させることが少ない。さらに溶接電流が緩やかに減少するので、母材への入熱が十分行われ、ビードの止端部のなじみが良くなる。
【００７６】
時刻ｔ３において、溶滴が溶融池に接触して短絡が発生すると、溶滴が急降下する。この溶接電圧の急降下によって短絡を判別すると、溶接電流を所望の立ち上がり速度で増加させる。溶接電流の上昇によって溶滴の上部に電磁ピンチ力が働いてくびれが発生して、溶滴６が溶融池７へ移行する。
【００７７】
以上説明したように、実施の形態１に示した溶接方法は、低スパッタ制御を行なう炭酸ガスアーク溶接法であるが、パルスアーク溶接方法とは異なる。
【００７８】
すなわち、実施の形態１に示した溶接方法は、短絡状態とアーク状態を繰り返す溶接方法である。このような溶接方法では、溶接速度を上げるため溶接電流を増加させるとグロビュール移行領域で溶接が行なわれ、短絡状態とアーク状態との繰り返しが不規則になる。
【００７９】
そこで、実施の形態１に示した溶接方法では、一定期間の第１アーク期間Ｔａ１にハイレベル電流を出力し、この第１アーク期間Ｔａ１に定電流制御を行って、交流電流、例えば、三角波、又は正弦波のように周期的に変化する一定周波数で一定振幅の低周波電流を重畳する。これによって、溶滴がアーク反力によってせり上がることを防止して、溶滴の形成を安定させることができる。
【００８０】
第１アーク期間Ｔａ１が経過すると、第２アーク期間Ｔａ２にアーク長制御を行なうために、溶接電源の制御を定電流制御から定電圧制御に切り替える。溶接電源のリアクトルのインダクタンス値を第１アーク期間Ｔａ１よりも大きくして、溶接電流を緩やかに減少させる。これによって、アーク力の変化が緩やかになるため、溶融池を振動させることが少なくなる。さらに溶接電流が緩やかに減少するので、母材への入熱が十分行われ、ビードの止端部のなじみが良くなる。
【００８１】
なお、上述した実施の形態１において、短絡期間Ｔｓでは、定電圧制御のままで電流を所望の値まで立ち上げたり、又は、定電流制御に切り替えて電流を所望の値まで立ち上げたりしても良い。
【００８２】
図１０は、実施の形態１に係る溶接装置で短絡移行となる電流域において溶接を行なう際の溶接電流を示した動作波形図である。
【００８３】
図１０における、短絡期間Ｔｓと、初期の第１アーク期間Ｔａ１と、後期の第２アーク期間Ｔａ２の意味については、図５で説明しているのでここでは説明は繰返さない。図１０では、ワイヤ送給速度の設定値Ｆｒは例えば２５０ｃｍ／ｍｉｎである。このときは、図２の下段に示す関数に基づいて、振幅設定信号Ｗｈによって示される三角波振幅は振幅ゼロに設定される。このため、図５と比較して図１０の波形を見ると、時刻ｔ１１〜ｔ１２の第１アーク期間Ｔａ１では三角波が重畳されていない。
【００８４】
このように、せり上がり力の影響が少なく液滴の移行がスムーズな短絡移行領域では、振幅中心電流Ｉｈｃに三角波を重畳すると、アーク力が強くなって、安定した短絡移行状態を形成することができず、ビード外観を損ねる。そこで、短絡移行領域では、振幅中心電流Ｉｈｃに三角波を重畳しないように溶接電流が制御される。このため、すべての設定電流またはワイヤ送給速度に対して一律に三角波をハイレベルベース電流に重畳するよりも低電流域においてなじみの良いビードを形成することができる。
【００８５】
図１１は、実施の形態１に係る溶接装置でグロビュール移行領域のうち高めの電流域において溶接を行なう際の溶接電流を示した動作波形図である。
【００８６】
図１１における、短絡期間Ｔｓと、初期の第１アーク期間Ｔａ１と、後期の第２アーク期間Ｔａ２の意味については、図５で説明しているのでここでは説明は繰返さない。図１１では、ワイヤ送給速度の設定値Ｆｒは例えば９００ｃｍ／ｍｉｎである。なお、このワイヤ送給速度に対応する設定電流は２８０Ａ程度である。グロビュール移行領域のうち高めの電流域において、溶接装置の制御をグロビュール移行領域の低い電流域と同様な制御を行ったのでは、アーク力が強くなって、溶融値がくぼんでアーク長が不安定となって溶滴移行が不安定となり、ビード外観を損ねる。そこで、グロビュール移行領域のうち高めの電流域において、図２の下段に示す関数に基づいて、振幅設定信号Ｗｈによって示される三角波振幅は最大振幅ＩＨＡよりもゼロに近い値に設定される。このため、図５と比較して図１１の波形を見ると、時刻ｔ２１〜ｔ２２の第１アーク期間Ｔａ１では振幅の小さな三角波が重畳されている。この振幅ＩＨＡ１は、たとえば２０Ａ程度に設定することができる。
【００８７】
以上説明したように、本実施の形態では、短絡移行となる電流域ではハイレベルベース電流に重畳する三角波の振幅をゼロとし，設定電流が１５０Ａを超えて高くなるとともに三角波の振幅を増加させる。そして、グロビュール移行となる電流域で三角波の振幅が最大振幅となるようにするとともに，更に設定電流が高くなると３００Ａで三角波の振幅がゼロとなるようにする。これにより、短絡移行となる電流域においてもグロビュール移行となる電流域においても溶滴の飛散が低減し、スパッタの少ない溶接が可能となる。
【００８８】
また，短絡移行となる低電流域では，定電圧制御におけるインダクタンスの値を小さくすることで短絡の回数を増加させる。三角波の振幅の増加に応じて定電圧制御におけるインダクタンスの値を増加させることで母材への入熱を確保し，なじみの良いビードを形成することができる。
【００８９】
［実施の形態２］
実施の形態２では、実施の形態１で説明した溶接方法に加え、アークが発生する前に溶滴のくびれを検出することによって、アークが発生する前に電流を下げてスパッタを低減させる。
【００９０】
図１２は、実施の形態２に係る溶接装置１００Ａの構成を示したブロック図である。以下の説明では、実施の形態１と異なる部分のみについて説明し、実施の形態１と同様な部分については同一の符号を付して説明は繰り返さない。
【００９１】
図１２を参照して、溶接装置１００Ａは、電源回路１０２Ａと、電源制御装置１０４Ａと、ワイヤ送給装置１０６と、溶接トーチ４とを含む。ワイヤ送給装置１０６の構成については実施の形態１と同様であるので説明は繰返さない。
【００９２】
電源回路１０２Ａは、図１に示した溶接装置１００の構成に加えて、トランジスタＴＲと減流抵抗器Ｒとを含む。トランジスタＴＲは電源主回路ＰＭの出力に抵抗値ＲｉｏおよびリアクトルＤＣＬと直列に挿入される。トランジスタＴＲに並列に減流抵抗器Ｒが接続されている。溶接装置１００Ａの他の部分の構成は、溶接装置１００と同様であるので説明は繰り返さない。
【００９３】
電源制御装置１０４Ａは、図１に示した電源制御装置１０４の構成に加えて、くびれ検出回路ＮＤと、くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮと、駆動回路ＤＲとを含む。電源制御装置１０４Ａの他の部分の構成は、電源制御装置１０４と同様であるので説明は繰り返さない。
【００９４】
図１３は、実施の形態２に係る溶接装置で溶接を行なう際の溶接電圧および溶接電流と制御信号とを示した動作波形図である。この時のワイヤ送給速度の設定値Ｆｒは例えば６５０ｃｍ／ｍｉｎである。このときは、図２の下段に示す関数によって振幅設定信号Ｗｈによって示される三角波振幅は最大値ＩＨＡに設定される。
【００９５】
図１３の波形が、図５の実施の形態１の波形と異なる箇所は、時刻ｔ５０ａにおいて、溶滴のくびれが検出されると溶接電流を減少させて、その後時刻ｔ５１において、アークが発生するようにした点である。
【００９６】
時刻ｔ５１におけるアークが発生したときの電流値の大きさにスパッタの量は比例するので、アークが発生するときに電流値を下げておくとスパッタの発生を低減させることができる。
【００９７】
図１２、図１３を参照して、くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮは、予め定めたくびれ検出基準値信号Ｖｔｎを出力する。くびれ検出回路ＮＤは、このくびれ検出基準値信号Ｖｔｎと、図１で説明した溶接電圧検出信号Ｖｄ及び溶接電流検出信号Ｉｄを入力信号として受けて、短絡期間中の電圧上昇値ΔＶがくびれ検出基準値信号Ｖｔｎの値に達した時点（時刻ｔ５０ａ）でハイレベルとなり、アークが再発生して溶接電圧検出信号Ｖｄの値がアーク判別値Ｖｔａ以上になった時点（時刻ｔ５１）でローレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。したがって、このくびれ検出信号Ｎｄがハイレベルの期間がくびれ検出期間Ｔｎとなる。
【００９８】
なお、短絡期間中の溶接電圧検出信号Ｖｄの微分値がこれに対応するように設定したくびれ検出基準値信号Ｖｔｎの値に達した時点でくびれ検出信号Ｎｄをハイレベルに変化させるようにしても良い。さらに、溶接電圧検出信号Ｖｄの値を溶接電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がこれに対応するように設定したくびれ検出基準値信号Ｖｔｎの値に達した時点でくびれ検出信号Ｎｄをハイレベルに変化させるようにしても良い。くびれ検出信号Ｎｄは、電源主回路ＰＭに入力される。電源主回路ＰＭは、くびれ検出期間Ｔｎにおいては出力を停止する。
【００９９】
駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号Ｎｄがローレベルのとき（非くびれ検出時）はトランジスタＴＲをオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。くびれ検出期間Ｔｎにおいては駆動信号Ｄｒはローレベルであるので、トランジスタＴＲはオフ状態になる。この結果、減流抵抗器Ｒが溶接電流Ｉｗの通電路（電源主回路ＰＭから溶接トーチ４に至る経路）に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、短絡負荷（０．０１〜０．０３Ω程度）の１０倍以上大きな値（０．５〜３Ω程度）に設定される。このために、溶接電源内の直流リアクトル及びケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電されて、図１３の時刻ｔ５０ａ〜ｔ５１に示すように、溶接電流Ｉｗは急激に減少して小電流値となる。
【０１００】
時刻ｔ５１において、短絡が開放されてアークが再発生すると、溶接電圧Ｖｗが予め定めたアーク判別値Ｖｔａ以上になる。これを検出して、くびれ検出信号Ｎｄはローレベルになり、駆動信号Ｄｒはハイレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になり、以降は図５を用いて実施の形態１で説明したアーク溶接の制御となる。以降の第１アーク期間Ｔａ１と第２アーク期間Ｔａ２については、図５で説明しているので説明は繰り返さない。
【０１０１】
図１４は、実施の形態２に係る溶接装置で短絡移行となる電流域において溶接を行なう際の溶接電流を示した動作波形図である。
【０１０２】
図１４における、短絡期間Ｔｓと、初期の第１アーク期間Ｔａ１と、後期の第２アーク期間Ｔａ２の意味については、図５で説明しているのでここでは説明は繰返さない。図１４では、ワイヤ送給速度の設定値Ｆｒは例えば２５０ｃｍ／ｍｉｎである。このときは、図２の下段に示す関数に基づいて、振幅設定信号Ｗｈによって示される三角波振幅は振幅ゼロに設定される。このため、図１３と比較して図１４の波形を見ると、時刻ｔ６１〜ｔ６２の第１アーク期間Ｔａ１では三角波が重畳されていない。
【０１０３】
このように、せり上がり力の影響が少なく液滴の移行がスムーズな短絡移行領域では、振幅中心電流Ｉｈｃに三角波を重畳しないように溶接電流が制御される。このため、すべての設定電流またはワイヤ送給速度に対して一律に三角波をハイレベルベース電流に重畳するよりも低電流域においてなじみの良いビードを形成することができる。
【０１０４】
図１５は、実施の形態２に係る溶接装置でグロビュール移行領域のうち高めの電流域において溶接を行なう際の溶接電流を示した動作波形図である。
【０１０５】
図１５における、短絡期間Ｔｓと、初期の第１アーク期間Ｔａ１と、後期の第２アーク期間Ｔａ２の意味については、図５で説明しているのでここでは説明は繰返さない。図１５では、ワイヤ送給速度の設定値Ｆｒは例えば９００ｃｍ／ｍｉｎである。なお、このワイヤ送給速度に対応する設定電流は２８０Ａ程度である。このときは、図２の下段に示す関数に基づいて、振幅設定信号Ｗｈによって示される三角波振幅は最大振幅ＩＨＡよりもゼロに近い値に設定される。このため、図１３と比較して図１５の波形を見ると、時刻ｔ７１〜ｔ７２の第１アーク期間Ｔａ１では振幅の小さな三角波が重畳されている。この振幅は、たとえば２０Ａ程度に設定することができる。
【０１０６】
実施の形態２に係る溶接装置は、アーク再発生時（時刻ｔ１）のアーク再発生時電流値を小さくすることができるので、実施の形態１で説明した溶接装置が奏する効果に加えて、アーク発生開始時のスパッタをさらに低減させることができる。
【０１０７】
なお、実施の形態２では、くびれを検出したときに溶接電流Ｉｗを急速に減少させる手段として、減流抵抗器Ｒを通電路に挿入する方法を説明した。これ以外の手段として、溶接装置の出力端子間にスイッチング素子を介してコンデンサを並列に接続し、くびれを検出するとスイッチング素子をオン状態にしコンデンサから放電電流を通電して溶接電流Ｉｗを急速に減少させる方法を用いても良い。
【０１０８】
最後に、再び実施の形態１および２について、図１および図１２等を参照して総括する。溶接装置１００は、炭酸ガスをシールドガスに使用し、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す炭酸ガスアーク溶接方法によって溶接を行なう。図１に示すように、溶接装置１００は、トーチ４と母材２との間に電圧を与えるための電源回路１０２と、電源回路１０２の電圧を制御する電源制御装置１０４とを含む。図５に示すように、電源制御装置１０４は、短絡期間Ｔｓの後に続くアーク期間の初期の第１アーク期間Ｔａ１にハイレベル電流が出力され、アーク期間の後期の第２アーク期間Ｔａ２に定電圧制御された溶接電圧に対応したアーク電流が出力されるように、電源回路１０２を制御する。さらに電源制御装置１０４は、図５の時刻ｔ１〜ｔ２に示すように、所定の周期で増減する波形をハイレベルベース電流（振幅中心電流Ｉｈｃ）に重畳してハイレベル電流が発生されるように電源回路１０２を制御する。さらに電源制御装置１０４は、図２の下段に示すように、溶接電流の電流設定値またはトーチ４にワイヤ１を送給する速度の速度設定値が所定範囲（範囲Ｘ２）外である場合（たとえば範囲Ｘ１，Ｘ３）に比べて、電流設定値または速度設定値が所定範囲（範囲Ｘ２）内である場合には、振幅設定信号Ｗｈで設定される波形の振幅を増加させる。
【０１０９】
好ましくは、電源回路１０２は、図２の上段に示すように、電源制御装置１０４の制御下でトーチに対して電流を供給する供給経路のインダクタンス値Ｌｉｏが可変に制御可能に構成される。電源制御装置１０４は、電流設定値または速度設定値が所定範囲（範囲Ｘ２）よりも小さい場合（たとえば範囲Ｘ１）には、電流設定値または速度設定値が所定範囲（範囲Ｘ２）内である場合よりも、第２アーク期間Ｔａ２における電源回路のインダクタンス値を減少させる。
【０１１０】
好ましくは、ハイレベルベース電流に重畳する波形は、図５等では三角波である例を示したが、正弦波などの波形でもよい。
【０１１１】
好ましくは、実施の形態２（図１２〜図１５）で示したように、電源制御装置１０４は、短絡期間中に溶滴のくびれを検出した場合には短絡電流を減少させるくびれ検出制御を行なう。
【０１１２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１１３】
１  溶接ワイヤ、２  母材、３  アーク、４  溶接トーチ、５  送給ロール、６  溶滴、７  溶融池、１００，１００Ａ  溶接装置、１０２，１０２Ａ  電源回路、１０４，１０４Ａ  電源制御装置、１０６  ワイヤ送給装置、ＡＤ  アーク検出回路、ＤＣＬ  リアクトル、ＤＲ  駆動回路、ＥＩ  電流誤差増幅回路、ＥＲ  出力電圧設定回路、ＦＣ  送給制御回路、ＦＨ  周波数設定回路、ＦＲ  送給速度設定回路、ＩＤ  電流検出回路、ＩＨＣＲ  振幅中心電流設定回路、ＩＲ１  第１溶接電流設定回路、ＩＲ２  第２溶接電流設定回路、ＬＲ  インダクタンス設定回路、ＮＤ  くびれ検出回路、ＳＷ  溶接電流設定切換回路、ＴＭ  タイマー回路、ＴＲ  トランジスタ、ＶＤ  電圧検出回路、ＶＴＮ  くびれ検出基準値設定回路、ＷＨ  振幅設定回路、ＷＭ  送給モータ。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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