(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ溶接方法であって、
第１および第２材料の間における接合部を横切る一連のパスにおいてレーザ・ビームを方向制御するステップであって、前記パスの各々の間、前記接合部を跨ぐ連続的な細長エリアにわたってレーザ・パワーを印加し、パス毎の前記細長エリアが、前記第１材料上の第１細長エリアと、前記第２材料上の第２細長エリアとを含む、ステップと、
前記第１細長エリアの各々に印加される平均パワー密度が、前記材料の異なる熱特性を補償するように、前記第２細長エリアの各々に印加される平均パワー密度とは異なるように、所定のやり方で各パスにおいて印加されるレーザ・パワー密度を変化させるステップと、
を含み、前記レーザ・ビームが前記第１細長エリアにおいて前記接合部に向かって移動するに連れて前記レーザ・パワー密度が徐々に増加し、前記レーザ・ビームが前記第２細長エリアにおいて前記接合部から離れて移動するに連れて前記レーザ・パワー密度が徐々に減少する、レーザ溶接方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、各パスの間、前記第１細長エリアに印加される前記平均パワー密度が、前記第２細長エリアに印加される前記平均パワー密度よりも少なくとも２５％高い、方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、前記レーザ・パワー密度を変化させるステップが、前記細長エリアを横切って前記レーザ・ビームが移動する速度を変化させるステップを含む、方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、前記レーザ・パワー密度を変化させるステップが、前記レーザ・ビームが前記細長エリアを横切って移動するに連れて、前記レーザ・ビームの強度を変化させるステップを含む、方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、前記第１細長エリアが、前記第２細長エリアの対応する長手方向長の約２５％以内の長手方向長を有する、方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法において、前記第１細長エリアが、前記第２細長エリアの対応する長手方向長の約１０％以内の長手方向長を有する、方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、前記第１細長エリアのサイズが、前記第２細長エリアのサイズの約２５％以内である、方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、前記第１細長エリアの内前記接合部から遠い方の半分に印加される前記平均パワー密度が、前記第１細長エリアの内前記接合部に近い方の他方の半分に印加される前記平均パワー密度の７０％未満である、方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法において、前記第２細長エリアの内前記接合部から遠い方の半分に印加される前記平均パワー密度が、前記第２細長エリアの内前記接合部に近い方の半分に印加される前記平均パワー密度の５０％未満である、方法。
【請求項１０】
材料接合部の異なるエリアに印加されるレーザ・パワー密度を動的に変化させるレーザ溶接システムであって、
材料接合部を横切るレーザ・ビームに対する一連のユーザ指定移動と、前記一連の移動において指定された移動の間印加される前記レーザ・ビームに対する１つ以上の可変強度プロファイルとを受ける入力デバイスと、
対応するレーザ開始信号の受信時に、前記１つ以上の可変強度プロファイルにしたがってレーザ・ビームを生成するように構成されたファイバ・レーザと、
前記生成されたレーザ・ビームを動かすビーム方向制御光学素子と、
前記ファイバ・レーザに前記レーザ開始信号を送り、前記ビーム方向制御光学素子を動作させて、前記指定された一連の移動にしたがって前記レーザ・ビームを前記材料接合部を横切って移動させるように構成されたコントローラであって、前記材料接合部の一方側に印加される前記レーザ・パワー密度が、前記材料接合部の他方側に印加される前記レーザ・パワー密度よりも大きくなるように、前記レーザ開始信号が、前記ビーム方向制御光学素子の動作と同期される、コントローラと、
を含み、前記レーザ・ビームが前記材料接合部の前記一方側において前記材料接合部に向かって移動するに連れて前記レーザ・パワー密度が徐々に増加し、前記レーザ・ビームが前記材料接合部の前記他方側において前記材料接合部から離れて移動するに連れて前記レーザ・パワー密度が徐々に減少する、レーザ溶接システム。
【請求項１１】
請求項１０記載のレーザ溶接システムにおいて、前記コントローラが、前記レーザが印加されている間、前記レーザ・ビームが前記材料接合部に向かって移動するに連れて前記レーザ・ビームの速度が低下し、前記材料接合部から離れて移動するに連れて上昇するように構成される、レーザ溶接システム。
【請求項１２】
請求項１０記載のレーザ溶接システムにおいて、前記コントローラが、前記レーザが印加されている間、前記レーザ・ビームが前記材料接合部に近づくに連れて、前記レーザ・ビームの強度が上昇し、前記材料接合部から離れて移動するに連れて減少するように構成される、レーザ溶接システム。
【請求項１３】
レーザ溶接方法であって、
一連の可変強度ビームをファイバ・レーザから生成するステップであって、前記ビームが、強度増大領域と、高強度の中央領域と、強度減少領域とを含む非対称強度プロファイルを有する、ステップと、
各ビームの前記強度増大領域の大部分が、接合部の一方側に入射し、各ビームの前記強度減少領域の大部分が、前記接合部の他方側に入射するように、前記一連のビームを前記接合部を横切って印加するステップと、
を含み、前記ビームが前記接合部の前記一方側において前記接合部に向かって移動するに連れて前記ビームのパワー密度が徐々に増加し、前記ビームが前記接合部の前記他方側において前記接合部から離れて移動するに連れて前記ビームのパワー密度が徐々に減少する、方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法において、各ビームの前記中央領域が、概略的に前記接合部と整列される、方法。
【請求項１５】
請求項１３記載の方法において、前記ビームが、前記接合部の一方側にある第１細長エリアと前記接合部の他方側にある第２細長エリアとを含む細長エリアにわたって印加され、前記第１細長エリアの表面積の大きさが、前記第２細長エリアの表面積の大きさの２５％以内であり、前記第１細長エリアにおいて、前記第２細長エリアにおけるよりも少なくとも２５％多いパワーが印加される、方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の方法において、前記第１細長エリアにおいて、前記第２細長エリアにおけるよりも少なくとも４０％多いパワーが印加される、方法。
【請求項１７】
レーザ溶接方法であって、
異なる熱特性を有する第１および第２材料間において接合部を識別するステップと、
レーザ・ビームの経路を決定するステップであって、前記経路が前記接合部を横切る一連のパスを含む、ステップと、
前記接合部を横切る前記一連のパスの間に適用されるレーザ・パワー密度プロファイルを決定するステップと、
前記接合部を横切る前記一連のパスにおいてレーザ・ビームを方向制御するステップであって、前記パスの各々の間、前記接合部を跨ぐ連続的な細長エリアを横切ってレーザ・パワーが印加され、各パスに対する前記細長エリアが、前記第１材料上にある第１細長エリアと前記第２材料上にある第２細長エリアとを含む、ステップと、
前記材料の異なる熱特性を補償するように、前記第１細長エリアの各々に印加される平均パワー密度が、前記第２細長エリアの各々に印加される平均パワー密度とは異なるように、前記決定されたレーザ・パワー密度プロファイルにしたがって各パスの間に印加されるレーザ・パワー密度を変化させるステップと、
を含み、前記レーザ・ビームが前記第１細長エリアにおいて前記接合部に向かって移動するに連れて前記レーザ・パワー密度が徐々に増加し、前記レーザ・ビームが前記第２細長エリアにおいて前記接合部から離れて移動するに連れて前記レーザ・パワー密度が徐々に減少する、レーザ溶接方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の方法において、前記接合部を横切る前記一連のパスの間に適用される前記レーザ・パワー密度プロファイルを決定するステップが、初期プロファイルをユーザに提示し、前記提示された初期プロファイルをユーザに修正させるステップを含む、方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の方法において、前記初期プロファイルを前記ユーザに提示するステップが、溶接される前記第１および第２材料に対応するユーザ入力を受け、前記ユーザ入力に基づいてプロファイル・データベースからプロファイルを選択するステップを含む、方法。
【請求項２０】
請求項１７記載の方法において、前記レーザ・ビームがファイバ・レーザ・ビームである、方法。
【請求項２１】
請求項１７記載の方法において、前記第１細長エリアが、前記第２細長エリアの対応する長手方向長の約２５％以内の長手方向長を有する、方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の方法において、前記第１細長エリアが、前記第２細長エリアの対応する長手方向長の約１０％以内の長手方向長を有する、方法。
【請求項２３】
請求項１７記載の方法において、前記第１細長エリアのサイズが、前記第２細長エリアのサイズの約２５％以内である、方法。
【請求項２４】
材料接合部の異なる両側に印加されるレーザ・パワー密度を動的に変化させるレーザ溶接システムであって、
材料接合部を横切るレーザ・ビームの一連のパスと、前記レーザ・ビームが前記材料接合部を横切って通過するときに印加されるべき前記レーザ・ビームの可変強度プロファイルとを指定するコンピュータであって、前記レーザ・ビームに対する前記可変強度プロファイルの描写表示を行い、ユーザに前記可変強度プロファイルに対する修正を行わせるユーザ・インターフェースを有し、これによって、前記材料接合部を横切るパスの異なる部分の間において印加されるレーザ・パワーをユーザに調節させる、コンピュータと、
前記可変強度プロファイルにしたがって前記材料接合部を横切ってレーザ・エネルギを印加するように、前記材料接合部を横切って連続的に通過するレーザ・ビームを生成するファイバ・レーザと、
を含み、溶接される材料の異なる熱特性に対処するように、前記材料接合部の一方側に印加される前記レーザ・パワー密度が、前記材料接合部の他方側に印加される前記レーザ・パワー密度とは異なり、前記レーザ・ビームが前記材料接合部の前記一方側において前記材料接合部に向かって移動するに連れて前記レーザ・パワー密度が徐々に増加し、前記レーザ・ビームが前記材料接合部の前記他方側において前記材料接合部から離れて移動するに連れて前記レーザ・パワー密度が徐々に減少する、レーザ溶接システム。
【請求項２５】
請求項２４記載のレーザ溶接システムにおいて、前記ファイバ・レーザの出力パワーが、パスの間前記レーザ・ビームの位置が変化するに連れて変化させられる、レーザ溶接システム。
【請求項２６】
請求項２４記載のレーザ溶接システムにおいて、前記レーザ・ビームの移動速度が、パスの間前記レーザ・ビームの位置が変化するに連れて変化させられる、レーザ溶接システム。
【請求項２７】
請求項２４記載のレーザ溶接システムにおいて、前記コンピュータが、異なる強度プロファイルのデータベースに結合され、ユーザが、前記データベースから、前記可変強度プロファイルとなる強度プロファイルを選択することが可能な、レーザ溶接システム。
【請求項２８】
請求項２４記載のレーザ溶接システムにおいて、前記ユーザ・インターフェースが、前記材料接合部の描写表示も行う、レーザ溶接システム。
【請求項２９】
請求項２８記載のレーザ溶接システムにおいて、前記ユーザ・インターフェースが、前記材料接合部の描写表示上において溶接線をユーザに指定させる、レーザ溶接システム。
【請求項３０】
レーザ強度プロファイルを生成する方法であって、
異なる材料種のデータベースを設けるステップであって、各材料種が、少なくとも１つの熱特性と関連付けられる、ステップと、
２つの異なる材料種を選択するステップと、
複数のレーザ横断経路を指定するステップであって、各レーザ横断経路が始点および終点を有する、ステップと、
各始点および各終点を前記２つの選択された材料種の１つと関連付けるステップであって、前記２つの選択された材料種の接合部が前記始点と前記終点の間に位置する、ステップと、
各レーザ横断経路に対してレーザ横断経路プロファイルを生成するステップであって、前記レーザ横断経路プロファイルが、前記レーザ横断経路の始点および終点間における各点において印加されるレーザ・エネルギ量を表し、前記生成するステップが、前記選択された材料種の熱特性に基づいて、前記終点間において可変レベルのレーザ・エネルギを指定するステップを含む、ステップと、
各レーザ横断経路に対する前記レーザ横断経路プロファイルを含む前記レーザ強度プロファイルを保存するステップと、
を含み、前記レーザ横断経路プロファイルは、レーザ・ビームが前記接合部の一方側において前記始点から前記接合部に向かって移動するに連れてレーザ・エネルギが徐々に増加し、レーザ・ビームが前記接合部の他方側において前記接合部から離れて前記終点へ移動するに連れてレーザ・エネルギが徐々に減少することを指定する、方法。
【請求項３１】
請求項３０記載の方法において、
各レーザ横断経路プロファイルにおいて指定される前記レーザ・エネルギが、前記選択された材料種を一緒に溶接するには十分である、方法。
【請求項３２】
請求項３０記載の方法において、
各生成されたレーザ横断経路プロファイルが、前記始点および前記終点間をレーザが横断する指定時間を含む、方法。
【請求項３３】
請求項３０記載の方法において、
各生成されたレーザ横断経路プロファイルが、複数のセグメントを含み、各セグメントが、指定されたレーザ・エネルギ強度を有する、方法。
【請求項３４】
請求項３０記載の方法において、複数のレーザ横断経路を指定する前記ステップが、更に、
前記２つの選択された材料の突き合わせエッジの描写を表示するサブステップと、
前記突き合わせエッジに沿って経路を指定するサブステップと、
を含み、前記レーザ横断経路の各々が、前記突き合わせエッジの対向する両側においてその始点および終点を有する、方法。
【請求項３５】
請求項３４記載の方法において、
経路を指定する前記ステップが、カメラ入力に基づいて前記２つの材料の前記突き合わせエッジを検出するように動作可能なソフトウェアによって実行される、方法。
【請求項３６】
請求項３０記載の方法において、
前記異なる材料種のデータベースが、前記材料の１つ以上の物理特性を各材料種と関連付け、
前記方法が、更に、各材料に対して、前記材料の特性の１つ以上を指定するステップを含み、
前記生成されるレーザ横断経路プロファイルが、前記材料の指定された特性に基づく、方法。
【請求項３７】
請求項３０記載の方法であって、更に、
パルス形状のデータベースを設けるステップであって、各パルス形状が、前記異なる材料種のデータベースにおける前記材料種の内２つと関連付けられる、ステップを含み、
前記生成されるレーザ横断経路プロファイルが、前記２つの選択された材料種に関連付けられた前記パルス形状に基づく、方法。
【請求項３８】
請求項３０記載の方法であって、更に、
前記レーザ横断経路プロファイルをグラフィック表示するステップと、
前記グラフィック表示されたレーザ横断経路プロファイルと、各々に関連付けられた前記可変レベルのレーザ・エネルギの指定量とを編集するステップと、
を含む、方法。
【請求項３９】
請求項３８記載の方法において、前記グラフィック表示されたレーザ横断経路プロファイルを編集する前記ステップが、更に、
倍率を適用することによって、多数のレーザ横断経路プロファイルに対して、前記終点間において前記指定したレベルのレーザ・エネルギを同時に調節するサブステップを含む、方法。
【請求項４０】
レーザ処理システムの制御システムであって、
異なる材料種のデータベースであって、各材料種が少なくとも１つの熱特性と関連付けられる、データベースと、
ソフトウェアであって、
ユーザ入力に応答して、前記データベースから２つの異なる材料を選択し、
複数のレーザ横断経路を指定し、各レーザ横断経路が始点および終点を有し、
各始点および各終点を前記２つの選択された材料種の各々と関連付け、前記２つの選択された材料種の接合部が前記始点と前記終点の間に位置し、
各レーザ横断経路に対してレーザ横断経路プロファイルを生成し、前記レーザ横断経路プロファイルが、前記レーザ横断経路の始点および終点間における各点において印加されるレーザ・エネルギ量を表し、前記レーザ横断経路プロファイルが、前記選択された材料種の熱特性に基づいて、前記終点間において可変レベルのレーザ・エネルギを指定し、
各レーザ横断経路に対する前記レーザ横断経路プロファイルを含むレーザ強度プロファイルを保存する、
ように動作可能である、ソフトウェアと、
前記ソフトウェアに応答して、レーザおよびガルボ・ヘッドの双方を同時に制御するための信号を出力するように動作可能である通信インターフェースと、
を含み、前記レーザ横断経路プロファイルは、レーザ・ビームが前記接合部の一方側において前記始点から前記接合部に向かって移動するに連れてレーザ・エネルギが徐々に増加し、レーザ・ビームが前記接合部の他方側において前記接合部から離れて前記終点へ移動するに連れてレーザ・エネルギが徐々に減少することを指定する、システム。
【請求項４１】
請求項４０記載のシステムにおいて、前記ソフトウェアが、各生成されたレーザ横断経路プロファイルにおいて、レーザ・エネルギ・レベルが前記選択された材料種を一緒に溶接するのに十分となるように動作可能である、システム。
【請求項４２】
請求項４０記載のシステムにおいて、前記ソフトウェアが、各生成されたレーザ横断経路プロファイルにおいて、前記始点および前記終点間をレーザが横断する指定時間を含むように動作可能である、システム。
【請求項４３】
請求項４０記載のシステムにおいて、前記ソフトウェアが、各生成されたレーザ横断経路プロファイルにおいて、複数のセグメントを含むように動作可能であり、各セグメントが、指定されたレーザ・エネルギ強度を有する、システム。
【請求項４４】
請求項４０記載のシステムにおいて、前記ソフトウェアが、更に、
選択された材料の突き合わせエッジの映像を表示し、
前記突き合わせエッジに沿った経路を指定させ、
前記突き合わせエッジの対向する両側において各レーザ横断経路の前記始点および終点を指定する、
ように動作可能である、システム。
【請求項４５】
請求項４４記載のシステムにおいて、前記ソフトウェアが、カメラ入力に基づいて、前記２つの材料の前記突き合わせエッジを検出するように動作可能である、システム。
【請求項４６】
請求項４０記載のシステムにおいて、
前記異なる材料種のデータベースが、各材料種と、前記材料の１つ以上の物理特性を関連付け、
前記ソフトウェアが、
各材料に対して、前記材料の前記特性の内１つ以上をユーザに指定させ、
前記材料の前記指定された特性に基づいて、レーザ横断経路プロファイルを生成する、
ように動作可能である、システム。
【請求項４７】
請求項４０記載のシステムであって、更に、
パルス形状のデータベースであって、各パルス形状が、前記異なる材料種のデータベースにおける前記材料種の内２つと関連付けられる、データベースを含み、
前記ソフトウェアが、前記２つの選択された材料種に関連付けられた前記パルス形状に基づいて、前記レーザ横断経路プロファイルを生成するように動作可能である、システム。
【請求項４８】
請求項４０記載のシステムにおいて、更に、前記ソフトウェアが、
前記レーザ横断経路プロファイルをグラフィック表示し、
前記グラフィック表示されたレーザ横断経路プロファイルと、各々に関連付けられた前記指定された量の可変レベルのレーザ・エネルギとの編集を可能にする、
ように動作可能である、システム。
【請求項４９】
請求項４８記載のシステムにおいて、前記ソフトウェアが、更に、
倍率を適用することによって、多数のレーザ横断経路プロファイルに対して、前記終点間における前記レーザ・エネルギの指定レベルの同時調節を可能にする、
ように動作可能である、システム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
関連出願データ
本願は、２０１３年３月２９日に出願された米国特許出願第１３／８５３，６１２号の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、レーザ制御システムに関し、更に特定すれば、溶接しようとする部品(parts)上のビームの位置に基づいてパワー密度を動的に変化させるレーザ溶接システムに関する。
【０００３】
２つの材料を一緒にレーザ溶接する際に最も困難な課題の１つは、これらの材料の異なる融点または熱特性を補償することである。融点が異なる材料、または厚さが異なる材料を溶接する典型的な手法は、融点が高い方の材料により多くのエネルギを印加する(apply)ことである。これは、従前より、レーザ・ビームを溶接接合部(weld junction)と平行に移動させ、レーザ・ビームの中心を溶接接合部からずらすことによって行われている。このずれのために、各レーザ・スポットは溶接接合部の一方側に、他方側よりも多く到達する(land on)。このため、各パルスからのレーザ・エネルギも、対応してより多くの割合が、融点が高い方の材料に印加される。しかしながら、各材料は実質的に等しくないエリアが各レーザ・パルスを受けるので、通例、異なる量の各材料が融解して溶接溶融池(weld pool)となり、このような非対称的な溶接溶融池は溶接品質を悪化させる可能性がある。逆に、各材料の溶融量を等しくしようとしてレーザ・スポットを溶接接合部の中心に合わせようとすると、より脆弱な材料が消失する危険性、またはより耐久性のある材料の溶融が不十分になる危険性があり、これも溶接品質を悪化させる可能性がある。このため、２つの材料間における理想的なエネルギ分布を達成する適正なずれを選択することは、試行錯誤によって決定されなければならない。
【０００４】
近回折限界ダイオード励起固体レーザ(nearly diffraction limited diode pumped solid state laser）およびファイバ・レーザの開発以来、非常に小さいスポット・サイズ、例えば、従来のＮｄ：ＹＡＧレーザのスポット・サイズの約１／１０のスポット直径にレーザ・エネルギを収束することが可能になった。この小さいレーザ・スポット・サイズが、縫い目に沿った溶接を一層困難にした。主な難題は、各材料を溶融するのに十分な量のエネルギを印加する必要性にある。スポット・サイズが非常に縮小されたため、材料間につきものの間隙が一層重要となり、単に材料接合部に対して１スポットずらせることによって十分なエネルギを各材料に印加することがほぼ不可能になった。これは、この小さいスポット・サイズが、適した溶接溶融池を形成するために十分な量の各材料を覆うには十分でないからである。
【０００５】
このため、該当する量のエネルギが各材料に印加されることを確保するためには、非常に収束されたレーザ・ビームを、接合部を横切って前後に、通例、ジグザグ・パターンで繰り返す必要がある。この動きは、部品を静止レーザ・ビームに対して動かすことによって、またはより典型的には、二次元ビーム方向制御(steering)光学素子を利用して材料接合部を横切る指定パターンでビームを方向制御することによって達成することができる。典型的なビーム方向制御光学素子は、ビームを二次元で方向制御するために、ミラーおよび二軸検流方向制御ヘッド(two-axis galvanometer steering head)を利用する。
【０００６】
材料接合部を横断するジグザグ経路(path)に沿って高収束レーザ・ビームを移動させることによって、単に接合部に対して平行にビームを移動させることによって達成できるよりも、広いエリアにわたって各材料にエネルギが印加される。しかしながら、従来のＮｄ：ＹＡＧレーザのより大きな直径のスポットが材料接合部からずらされるのと同じ理由で、融点が低い材料よりも融点が高い材料には、レーザ・エネルギが広いエリアにわたって印加されるように、ジグザグ・パターンも、通例、材料接合部に対してずらされる。これも、同様に、各材料が異なる量だけ溶融されるために、非対称的な溶接溶融池を形成する可能性がある。
【０００７】
更に、レーザが動くとき、通例、連続ビーム、または指定されたパルス繰り返しレートで一連の短期間パルスのいずれかを生成するように操作される。多くの精密ファイバ・レーザ溶接の処理において要求される約５ｋＨｚまでの低から中周波数でレーザがパルス・モードで操作されるとき、ジグザグ・パターンの周波数とパルス繰り返しレートとの間の関係が重要になる。例えば、ジグザグ運動が１ｋＨｚの周波数で操作され、レーザのパルス・レートも約１ｋＨｚである場合、レーザ・パルスは、所望の溶接ゾーンにわたって分布されず、代わりに各パス(pass)の間同じ相対的位置において行われ、例えば、レーザのパルス列が開始するサイクルの時点に応じて、全てのパルスが材料接合部に揃うか、あるいは全てが一方側または他方側に揃ってしまう。したがって、多くの精密溶接の処理では、通例、ファイバ・レーザのパルス・レートを、接合部を横切る動きの周期よりもかなり大きくする必要があり、その処理に対する全体的な溶接速度が抑えられてしまう。
【０００８】
したがって、この分野における改良が求められている。
【発明の概要】
【０００９】
１つの態様によれば、改良されたレーザ溶接方法を提供し、部品上のビームの位置に基づいて、印加されるパワー密度が所定の様態で変化するように、一連の可変強度レーザ・パルスが材料接合部を横切って拡散される。材料接合部を横切って拡散されるパワー密度をカスタム化することによって、一層均一な溶接溶融池を形成するように、各材料をより等しい量だけ溶融させることができる。更に、接合部を横切る各パス内において、レーザが多数回発火する必要がないので、全体的な溶接時間を著しく短縮することができる。材料接合部を横切って可変強度レーザ・パルスを拡散させるこのプロセスを、本明細書では、パルス拡散技術、またはＰＳＴと呼ぶ。
【００１０】
一形態において、新規なレーザ溶接方法は、第１および第２材料の間における接合部を横切る一連のパスにおいてレーザ・ビームを方向制御するステップを含み、パスの各々の間、接合部を跨ぐ連続高アスペクト比エリアにわたってレーザ・パワーを印加し、高アスペクト比エリアの各々が、第１材料上の第１細長エリアと、第２材料上の第２細長エリアとを含む。パスの各々の間第１材料上の細長エリアに１つのパワー密度プロファイルが適用され、第２材料上の細長エリアに他のパワー密度プロファイルが適用されるように、所定のやり方で印加されるパワー密度を変動させる。パワー密度プロファイルにおける変動は、各パスの間においてレーザ・ビームの強度および／または移動速度を変化させることによって遂行することができる。パワー密度プロファイルは、ビームが材料接合部に近づくに連れて全体的に増大し、ビームが材料接合部から離れるに連れて全体的に減少するようにカスタム化することができる。
【００１１】
他の形態では、作業片にレーザ・エネルギを印加する新規なシステムは、パルス開始信号の受信時に、ユーザ指定強度プロファイルにしたがって、ファイバ・レーザ・パルスを生成するように動作するファイバ・レーザ・パルス生成器と、作業片の高アスペクト比エリアを横切ってレーザ・パルスを拡散させるように動作するビーム方向制御光学素子と、ビーム方向制御光学素子とパルス生成器とに結合されたコントローラとを含む。コントローラは、作業片の一連の所定の高アスペクト比エリアに沿ってレーザ・パルスを拡散させるように、ビーム方向制御光学素子に送られる一連のビーム方向制御信号と同期が取られた一連のパルス開始信号を、ファイバ・レーザ・パルス生成器に送るように動作する。ファイバ・レーザ・パルス生成器は、異なるパルス開始信号の受信時に、異なるユーザ指定強度プロファイルにしたがって、異なるファイバ・レーザ・パルスを生成するように構成することもできる。更にこのシステムは、ビーム方向制御光学素子に対する一連のユーザ指定移動と、一連の移動において指定された移動の間に印加されるユーザ指定強度プロファイルとを受ける入力デバイスも含むことができる。
【００１２】
他の形態では、料接合部の異なるエリアに印加されるレーザ・パワー密度を動的に変化させる新規なレーザ溶接システムは、材料接合部を横切るファイバ・レーザ・ビームに対する一連のユーザ指定移動と、一連の移動において指定された移動の間印加されるレーザ・ビームに対する１つ以上の可変強度プロファイルとを受ける入力デバイスと、対応するレーザ開始信号の受信時に、１つ以上の可変強度プロファイルにしたがってレーザ・ビームを生成するように構成されたファイバ・レーザと、生成されたレーザ・ビームを動かすビーム方向制御光学素子と、ファイバ・レーザにレーザ開始信号を送り、ビーム方向制御光学素子を動作させて、指定された一連の移動にしたがってレーザ・ビームを接合部を横切って移動させるように構成されたコントローラとを含み、材料接合部の一方側に印加されるレーザ・パワー密度が、材料接合部の他方側に印加されるレーザ・パワー密度よりも大きくなるように、レーザ開始信号が、ビーム方向制御光学素子の動作と同期される。
【００１３】
他の形態では、新規なレーザ溶接方法は、一連の可変強度ビームをファイバ・レーザから精製するステップであって、ビームが、強度増大領域と、高強度の中央領域と、強度減少領域とを含む非対称強度プロファイルを有する、ステップと、各ビームの強度増大領域の大部分が、接合部の一方側に入射し、各ビームの強度減少領域の大部分が接合部の他方側に入射するように、一連のビームを材料接合部を横切って拡散させるステップとを含む。 各ビームの中央領域は、概略的に接合部と整列されるとよい。各ビームは、接合部の一方側にある第１細長エリアと接合部の他方側にある第２細長エリアとを含む高アスペクト比エリアにわたって拡散されるとよい。接合部の各側における細長エリアは、各材料の異なる熱特性を補償するために、同様のサイズでありながら、異なる量のパワーを受けるとよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明の特徴は、以下の詳細な説明を、添付図面を参照して検討すると、一層良く理解されよう。
【図１】図１は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの大径スポットで異なる材料を溶接する既知の方法を示す模式側面図である。
【図２】図２は、ファイバ・レーザの比較的小さな直径のスポットで異なる材料を溶接する既知の方法を示す模式側面図である。
【図３】図３は、図２の既知の溶接方法の間におけるレーザ・パルスの分布を示す模式上面図である。
【図４】図４は、既知のファイバ・レーザ溶接システムの模式図である。
【図５】図５は、実施形態にしたがってファイバ・レーザで溶接する方法を示す側面図である。
【図６】図６は、実施形態にしたがって溶接された部品上における連続高アスペクト比エリアを示す上面図である。
【図７】図７は、作業片上の種々の位置に印加されたレーザ・パワー密度を相関付けるプロットが重ね合わされた、図５の溶接溶融池の拡大図である。
【図８】図８は、実施形態によるレーザ・ファイバ溶接システムの模式図である。
【図９】図９は、実施形態による、パルス開始信号およびレーザ強度プロファイルと時間との関係を示すプロットである。
【図１０】図１０は、実施形態にしたがって、ユーザが指定する一連の動きを受けるための入力画面の図である。
【図１１】図１１は、実施形態にしたがって、ユーザが指定するレーザ強度プロファイルを受けるための入力画面の図である。
【図１２】図１２は、他の実施形態による、システム・ユーザ・インターフェース用主画面を示す。
【図１３】図１３は、図１２のユーザ・インターフェースに対するＰＳＴツールボックス・プル・ダウン・メニューを示す。
【図１４】図１４は、図１２のユーザ・インターフェースに対するファイル・プル・ダウン・メニューを示す。
【図１５】図１５は、図１２のユーザ・インターフェースに対する編集プル・ダウン・メニューを示す。
【図１６】図１６は、材料Ｂの選択を示す図１２のユーザ・インターフェースに対する材料プル・ダウン・メニューを示す。
【図１７】図１７は、材料Ａに対する仕上げの選択を示す図１２のユーザ・インターフェースに対する材料プル・ダウン・メニューを示す。
【図１８】図１８は、溶接型の選択を示す図１２のユーザ・インターフェースに対する溶接プル・ダウン・メニューを示す。
【図１９】図１９は、溶接外形(geometry)の選択を示す図１２のユーザ・インターフェースに対する溶接プル・ダウン・メニューを示す。
【図２０】図２０は、クリーンアップ(cleanup)位置の選択を示す図１２のユーザ・インターフェースに対するクリーンアップ・プル・ダウン・メニューを示す。
【図２１】図２１は、クリーンアップ外形の選択を示す図１２のユーザ・インターフェースに対するクリーンアップ・プル・ダウン・メニューを示す。
【図２２】図２２は、レーザ・パラメータを選択可能な、図１２のユーザ・インターフェースに対するレーザ・プル・ダウン・メニューを示す。
【図２３】図２３は、レーザ経路を定めるためのパラメータの選択を示す図１２のユーザ・インターフェースのSeamFinderプル・ダウン・メニューを示す。
【図２４】図２４は、厚さ０．０２０のニッケルおよび鋼鉄を一緒に溶接するためのサンプル波形を示す。
【図２５】図２５は、厚さ０．０３０のニッケルおよび鋼鉄を一緒に溶接するためのサンプル波形を示す。
【図２６】図２６は、厚さ０．０４０のニッケルおよび鋼鉄を一緒に溶接するためのサンプル波形を示す。
【図２７】図２７は、SeamFinderルーチンの開始時における、溶接される２つの部品のカメラ表示を示す。
【図２８】図２８は、レーザ・パスに対してユーザが定めた大まかな近似を加えた、図２７の表示を示す。
【図２９】図２９は、図２８の表示を、生成された検索ボックスおよび突き止められたシーム・ポイント(seam point)と共に示す。
【図３０】図３０は、図２９の表示を、溶接線の始点および終点ならびに角を指示する矢印と共に示す。
【図３１】図３１は、図２９の表示を、SeamFinderルーチン完了時に溶接経路を承認するためのユーザ・プロンプトと共に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は多くの異なる形態を取ることができるが、本発明の原理の理解を促す目的のために、これより図面に示す実施形態を参照し、具体的な文言を使用してこれを説明する。しかしながら、それによって本発明の範囲の限定は意図していないことは理解されよう。説明する実施形態のあらゆる改変(alteration)および更なる変更(modification)、ならびに本明細書において説明する発明の原理のあらゆる更なる応用も、本発明が関係する技術の当業者には通常に想起されるものと見なす。
【００１６】
図１は、高融点材料１２および低融点材料１４を溶接するためにＮｄ：ＹＡＧレーザ１６を使用する、従来の異材料レーザ溶接を示す側面模式図である。レーザ・ビーム１６は、２つの材料間にある接合部に入射するように向けられる。ビーム・スポット１５は、材料接合部における小さな間隙１８を横断するには十分に大きく、このビームの一部分１５ａが高融点材料１２に入射し、他の部分１５ｂが低融点材料１４に入射する。ビーム１６の中心線Ｃは、高融点材料１２に入射するビームの部分１５ａが、低融点材料１４に入射する部分１５ｂよりも大きくなるように、材料接合部、即ち、間隙１８からずらされている。レーザのオフセット量は、均一な溶接溶融池を達成するために、即ち、融点差が大きい程オフセットが大きくなるように、材料間の融点差を補償するために選択される。図示のように、得られた溶接溶融池２０は非対称的であることが示され、オフセット補償方法が全体的に成功しておらず、材料１２の方が材料１４よりも多く溶融されたという状況を反映する。オフセット補償方法は、通例、Ｎｄ：ＹＡＧレーザで見られる、大きなサイズのレーザ・ビームで使用されるが、非常に小さいサイズのレーザ・ビームを使用するときは、実施が困難になっている。
【００１７】
図２は、同様の溶接処理(welding application)を遂行するためのファイバ・レーザの従来の実用例(application)を示す。ファイバ・レーザ・ビーム２６は、材料上において遙かに小さなスポット・サイズに収束されるので、レーザ・ビーム２６は、材料接合部を横切って前後に方向制御される(steer)。２本のビーム２６ａおよび２６ｂは、各パスの始点および終点におけるビーム２６の位置を表し、ビーム２６ａが高融点材料１２上にスポット２５ａを生成し、ビーム２６ｂは低融点材料上にスポット２５ｂを生成する。
【００１８】
図４を参照すると、溶接しようとする材料１２、１４は、通例、インデクシング・ステージ３８上に載せられ、ガルボ・ヘッド３６または同様のビーム方向制御光学素子を使用して、レーザ３４によって生成されるビーム２６が方向制御される。システム制御ＰＣ３０は、各パルスの形状およびパルス繰り返しレートを定めるため、更にはガルボ・ヘッド３６の移動のリストを定めるために使用される。ガルボの移動は、ガルボ・コントローラ３２に送られ、パルス形状およびパルス周波数レート(pulse frequency rate)は、イーサネットまたは同様のディジタル接続を介してレーザ３４に送られる。部品がそれらの正しい位置にあるとき、ガルボ・コントローラ３２は、プログラミングされた移動のリストにしたがって、ガルボ・ヘッド３６を移動させるために制御信号を送る。これらの移動がレーザ・パワーを要求するとき、ガルボ・コントローラ３２は、指定されたレートでシャッタを開く、またそうでなければパルスを放出し始めるために信号をファイバ・レーザ３４に送り、次いでレーザ・パワーを停止するため、ガルボ・コントローラ３２は、シャッタを閉じる、またそうでなければレーザ・パルスの放出を停止するために信号を送る。
【００１９】
このように、一連の短期間レーザ・パルスが、固定周波数で、ガルボ・ヘッド３６の動きが追従するジグザグ・ビームに沿って材料に衝突する。その結果生ずるスポットの分布を図３に示す。これは、材料の上面図を表し、矢印がジグザグ・ビーム経路を示し、円が、各レーザ・パルスが到達したスポットを表す。尚、ガルボ・ヘッドの速度は、各パルスの周期と比較して遅いので、スポット２５ａ、２５ｂ、２５ｃの各々は円として示されているが、実際には各スポットは僅かに楕円の形状を有するであろうということは理解されよう。このジグザグ・パターンは、低融点材料よりも高融点材料１２内に深く入り込む。したがって、スポット２５ａの一部は材料１２上に完全に到達し、スポット２５ｂの一部は、材料１４上に完全に到達し、スポット２５ｃの一部は材料１２および１４間の接合部または間隙１８を横断し、融点が高い材料１２程、多い数のスポットが入射する。このため、各スポット２５ａ、２５ｂ、２５ｃにおけるレーザ強度は等しいが、融点が高い材料１２程、その高い融点を補償するために、多い量のレーザ・エネルギが伝えられる。しかしながら、この補償は常に成功するのではなく、スポットは融点が高い材料に更に広がるので、その材料の方が多く溶融され易く、非対称になり易い溶接溶融池２０が生ずる。
【００２０】
図８は、本発明の実施形態によるレーザ溶接システム４１を示す。制御ＰＣ４０は、ユーザが所望のパルス形状を入力することを可能にするインターフェースを有し、このパルス形状が、次に、ファイバ・レーザ４４に結合されたパルス生成器４８にプログラミングされる。パルス生成器４８は、要求に応じてパルスを生成するように構成される。言い換えると、指定されたパルス繰り返しレートで有形パルスを作成する従来のファイバ・レーザ・パルス生成器とは異なり、パルス生成器４８は、パルス開始信号の受信時に、所望の形状を有する１つのパルスを生成するように設計されている。これは、図９に示されており、図９は、パルス開始信号、またはパルス同期信号と、レーザから得られる強度出力の関係を示す。パルス開始信号の受信とレーザ・パルスの出力との間の時間遅れを最小に抑えるために、パルス生成器４８はフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）の形態としてもよい。フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）は、パルス開始信号をディジタル的に受信し、本質的に瞬時にしかるべきアナログ信号を生成する。このアナログ信号は、ファイバ・レーザ４４に、指定された強度プロファイルを有するレーザ・パルスを出力させる。
【００２１】
また、制御ＰＣ４０は、どのようにそしてどこでこれらのパルスを作業片上に当てる(place)べきかを定める移動のリストの入力にも備えており、次いでこの情報はガルボ制御４２に送られる。動作の間、ガルボ・コントローラ４２は、所定の移動リストにしたがってガルボ・ヘッド４６を動かすためにビーム方向制御信号を送り、コントローラ４２は、ガルボの移動と同期が取られたパルス開始信号をパルス生成器４８に送る。その結果、ファイバ・レーザ４４によって発火されるパルスは、各パルスからのエネルギが作業片の所定エリアにわたって広がるように、ガルボ・ヘッド４６の指定された動きと同期が取られる。
【００２２】
好ましくは、ガルボ移動の速度は、高いアスペクト比を有する作業片のエリア、例えば、その幅よりも少なくとも２倍、３倍、４倍、または５倍の長さを有するエリアにわたってパルスからのエネルギが広がるように、それぞれのパルスの期間と比較すると速い。
【００２３】
図５、図６、および図７を参照すると、１つの好ましい実施態様では、レーザ・ビーム５６として生成されたパルスが、このパルスからのエネルギが、材料接合部５４を跨ぐ連続高アスペクト比エリア５５にわたって広がるように、位置５６Ａから位置５６Ｂに掃引される。エリア５５は、材料１２上まで延びる細長い部分５８と、材料１４上まで延びる細長い部分６０とを有し、レーザの強度は、図７に示す強度プロファイルにしたいがって、パスの間変化させられる。次いで、ガルボは接合部５４に沿って次の位置に移動し、他のパルスが生成されるが、ビーム５６が再度接合部を横切って同様に掃引され、再度図７に示す強度プロファイルにしたがって、材料１２の他の細長い部分５８および材料１４の他の細長い部分６０にわたってレーザ・エネルギを加える(deposit)。このプロセスは、所望の溶接ゾーンをカバーするためにパルスが一連の細長いエリア５５に沿って拡散され終えるまで繰り返す。
【００２４】
図６に示すように、これらの細長いエリア５５の各々は、接合部に沿って対称的に整列されており、細長い部分５８、６０の各々が、それぞれの材料１２、１４の中まで同じ量だけ入り込む。図示した実施形態では、ビームの直径は、各パスの間一定に保持され、したがって、レーザ・パワーを受ける各材料１２、１４上において細長い部分５８、６０の各々の全体的な面積はほぼ等しい。しかしながら、各ストローク中におけるレーザの強度レベルの変動のため、レーザの強度レベルは図７に示すように部品位置に沿って変動し、材料の各々に印加されるパワー密度は異なり、融点が低い材料１４には低いパワー密度が印加され、融点が高い材料１２には高いパワー密度が印加される。各材料の実質的に等しいエリア上に、実質的に等しくないパワー密度を印加することによって、各材料の同様の量が溶融され、実質的に対称的な溶接溶解池５２ができることを確保する。
【００２５】
各材料１２、１４に印加されるパワー密度の変動は、各材料の異なる熱特性に対処するように選択され、これらの相違に合わせて変動することができる。したがって、材料の熱特性が著しく異なる実用例では、各材料に印加されるパワー密度は非常に異なってもよく、例えば、２５％、４０％、５０％、または７５％異なるのでもよい。
【００２６】
図７に示す強度プロファイルは、階段パターンの形態となっている。このパターンは、レーザが左から右に高融点材料１２に沿って材料接合部５４に向かって移動するに連れて、順次強度が増大する３つのセクタができるように構成されている。強度パターンは、レーザが材料接合部５４において間隙を横断するときに階段状に低下し、次いでレーザが材料接合部５４から、低融点材料１４内に移動すると、連続して強度が減少する３つのセクタがある。図示のように、これらのセクタの各々の長さは、ほぼ等しく、その結果、材料１２上では徐々に増加する強度プロファイルとなり、材料１４上では徐々に減少する強度プロファイルとなる。このレーザ・パルスの始点および終点におけるレーザ・パワーの漸増および漸減は、点食および空孔(porosity)を減らすのに役立つ。
【００２７】
レーザ・ビームが脆弱な方の材料と相互作用し始める地点において、素早くレーザ・パワーを低下させることができるので、望ましくない貫通(perforation)や切除(ablation)を防止し、一層均一な溶接を保証する。図示のように、材料接合部における強度の階段状低下は、融点が高い方の材料１２に向かって多少ずらしてもよい。これは、パルスの最高のレーザ強度が脆弱な方の材料１４と相互作用することを回避するために、誤差の余裕を与えるために行われ、これによって、脆弱な方の材料の望ましくない消滅(obliteration)や穿孔(piercing)が生ずる機会を更に減らす。
【００２８】
図１０は、ガルボ移動のリストを入力するため、そしてレーザ・パワーを移動の間に印加するか否か指定するためにユーザが使用する入力画面のスクリーン・ショットを示す。印加されるパルスについての強度プロファイルは、図１１に示す入力画面を介して設定される。図示のように、各パルスの期間は１２００ｓであり、１００ｓのセクタに分割され、各セクタのパワーを独立して設定することができる。結果的に得られたレーザ・パワーと時間の関係のプロットが、図１１の右側のグラフに表示される。
【００２９】
図１０に戻り、ガルボは（０，０）において開始し、ｘ軸は材料接合部を表す。各ガルボ移動は、その移動の間にレーザ・パワーの印加を伴う「マーク」移動、または伴わない「ジャンプ」移動のいずれかに指定することができる。ユーザは、各移動の期間、および移動毎の終点座標を入力し、ソフトウェアが、その移動を指定時間に遂行するように、ガルボ・ヘッドの一定速度を計算する。図示のように、移動の各々は、１４００ｓで行われるように設定される。これは、パルス毎に設定される期間よりも多少長い。各パルスの開始を遅らせることは、ガルボ移動(movement)の慣性効果を補償するために使用することができる。
【００３０】
一連の移動に対してガルボの経路を示す線が、図１０における画面の右側にあるグラフに示されている。図示のように、初期移動は、材料接合部を横切ってジグザグに動き、各材料内に５μｍだけ入り込み、例えば、（−５０，５）から（−１００，−５）まで進み、その後の移動では、各材料内に１５μｍだけ入り込み、例えば、（−２５０，−１５）から（２００，１５）まで進む。移動の各々は同じ期間に設定されるので、後ろの方の１組のガルボ移動の間にレーザが移動する速度（即ち、材料接合部を横切る長いパス）は、初期移動の間におけるレーザの速度よりも高くなる（即ち、材料接合部を横切る短いパス）。その結果、部品が冷たい初期移動の間、各パルスからのパワーが、早期のマーク移動からの熱が保持されることによってその部品の温度が上昇した後期の移動におけるよりも、狭いエリアに集中される。つまり、各マーク移動の間に伝えられるレーザ・パルスは同じであるので、これら初期移動の間に部品に伝えられるパワー密度の方が大きく、材料を「穿孔し」溶接プロセスを開始するように作用する。次いで、後期の移動の間、部品は早期の移動からの熱の一部を保持しているので、より広いエリアにわたってパルスを拡散した結果低下したパワー密度は、溶接接合部を破壊することなく溶接プロセスを継続するには十分である。
【００３１】
レーザは、個々のパスの各々の間固定レートで移動させられており、一方レーザの出力強度は、指定された強度プロファイルにしたがって変動させられるので、部品の異なる部分に印加されるパワー密度は、レーザ強度プロファイルにおける変動にしたがって変動する。溶接接合部周囲の異なる地点において印加されるパワー密度の正確な制御によって、著しく改良された溶接品質で、溶接箇所(welds)の作成が可能となる。あるいは、パスの間のレーザの速度を変えることによって、パスの間に印加されるパワー密度を制御することもできる。例えば、ビームが接合部に向かって移動するに連れてレーザ出力を増大させ、接合部から離れるに連れて減少させることを達成する代わりに、接合部に近づくに連れてレーザの速度を低下させ、接合部から遠ざかるに連れて上昇させることができる。あるいは、レーザの速度および出力強度の双方を、パスの間変動させることも可能である。
【００３２】
更に、同じパルス形状（即ち、強度プロファイル）をレーザの各マーク移動の間に印加する代わりに、異なるパルス形状を予め定めておき、ガルボ・ヘッドの異なる移動と関連付けることができる。この場合、コントローラは、指定された移動の間にどのパルス形状を適用するか指定する、同期パルス開始信号を送るように構成される。例えば、図１０に示す材料接合部を横切る初期の１組の短いパスの間には、１組のパルス形状を適用することができ、材料接合部を横切る長いパスの間には、他の１組のパルス形状を適用することができる。同様に、接合部を横切って同じ方向に移動する間に常にパルスを印加するようにレーザにジャンプ移動をさせる代わりに（即ち、融点が高い方の材料から融点が低い方の材料へ）、１つの方向への移動の間には１つのパルス・プロファイルを選択し、逆方向への移動の間には、他のパルス・プロファイルを選択することもできる。
【００３３】
パルスは、移動毎に接合部を横切って拡散される必要はない。例えば、ある実用例では、接合部から高融点部品の中に相当な距離だけジャンプし、次いで戻って、接合部を横切る一連のパルスを拡散させることが望ましい場合もある。また、パルス・プロファイルが連続である必要もなく、更に本発明の主旨から逸脱することなく、各パルスの間低い強度または強度がない小さな間隙または時間期間を散在させることも可能であることも理解されよう。
【００３４】
以上で説明した制御ＰＣ４０には、本明細書において説明した方法を実現するためにソフトウェアをプログラミングすることができる。ジョブ・ショップ内、または処理(application)を最初に設定しなければならない他の環境内においてパルス拡散技術（ＰＳＴ）を応用するとき、エッジ検出用ソフトウェア・ツールを有するユーザ・インターフェースがあれば、本プロセスを更に簡単にすることができる。自動検索ツールとユーザ入力とを併せた組み合わせにより、２つの潜在的に複雑な部品間にある接合部におけるレーザ溶接継ぎ目の位置を確定するための、ユーザにとって使いやすいメカニズムを提供する。溶接位置または溶接線を設定するプロセスを、図２７〜図３１に示す。溶接線を横切って拡散するパルス形状を定めるプロセスを、図１２〜図３０に示す。
【００３５】
図２７は、不規則な形状の継ぎ目７２がある２つの部品の画像を示す。部品ＡおよびＢは、ステージ３８上に載せられ、工業用単色カメラ（図示せず）を使用して目視され、得られた画像がディスプレイ７０上でユーザに提供される。２つの部品間において提案される溶接継ぎ目７２は、部品における色の不規則性、表面仕上げ、腐食、または汚染の存在というような、種々の要因により、余り明確なエッジを形成することができない。ユーザは、コントラストが低い表面欠陥、不規則な表面仕上げ、または溶接継ぎ目の間で、ユーザの部品形状の理解のために、区別できないこともあり得る。   
【００３６】
図２８に示すように、ユーザは、レーザ溶接線がどこを通るべきか大まかな近似を表す線７４を画面上に引く。次いで、ソフトウェアが、図２９に示すように、ユーザ定義線７４を横切る一連の検索ボックス７６を位置付け、２つの材料間における実際の接合部に対応する点７８を各ボックス７６内で突き止める。これらの計算された点７８は、図２９において＋符号で示されている。
【００３７】
次いで、ユーザは点７８に対して手作業の調節を行うこともでき、図３０の矢印によって喚起される(call out)溶接線の角および端部のような、継ぎ目の主要な特徴が適正に表されることを確保するために、追加の点を加える。次いで、ソフトウェアは、図３１に示すように、ユーザによる最終的な承認のために、画像内における最終的な１組の点７８に基づいて、最終的な溶接線を示す。
【００３８】
溶接線を確定したので、本システムは、溶接線を横切って印加されるレーザ・パルスを決定する。制御ソフトウェアの追加の態様を、図１２〜図２６に示す。ＰＳＴシステムのユーザ・インターフェースは、ユーザが所定のパラメータに基づいて処理(application)を設定することを可能にする。一緒に溶接しようとする部品を定める少数のユーザ入力に基づいて、本システムは、溶接される材料および厚さに対して、検認され、経験的に得られた最良の結果と一致する、しかるべきパルス外形および設定値を予めロードしておく。以前の経験的データに基づく値が予め設定されている新たな溶接処理に対する初期値によって、ユーザは、高い品質の溶接が得られる設定値を選択するのに有利な始点を有する。
【００３９】
データベースを連続的に更新することによって、パルス拡散技術の全てのユーザのために、既存の解決手段を新たに既定し(pre-define)および改良して(refine)提供する。  
【００４０】
図１２は、典型的な構成を示すＰＳＴツールボックスの主画面を示す。入力パラメータは、主画面上およびプル・ダウン・メニュー内部を含む、ユーザ・インターフェース内部の多数の位置に現れる。検査された溶接の組み合わせ毎に、入力パラメータがパルス拡散技術データベース内に格納される。
【００４１】
入力パラメータは、下記を含むことができる。
【００４２】
・材料−溶接の側Ａおよび側Ｂに対する材料のプル・ダウン・メニュー。
【００４３】
・厚さ−溶接の各側についてのプル・ダウン・リストおよび入力ボックス。
【００４４】
・表面仕上げ−１＝無傷(clean)から５＝最大腐食からのユーザ選択値
・溶接の幅−プル・ダウン・リストおよび入力ボックス。
【００４５】
・溶接時間−データ・フィールド
・溶接の重複−データ・フィールド（百分率）
・溶接の外形−プル・ダウン・リスト：突き合わせ、重ね、面取重ね
・溶接型−プル・ダウン・リスト（鍵穴、伝導、混成）
・パルス形状−基本的なパルス形状を示すプル・ダウン・グラフィック・リスト
ユーザが、材料種、厚さ、および溶接の外形というような、数個の主要なパラメータを入力すると、本システムはしかるべき波形を検索し、次いで自動的にロードする。波形は、同様の材料の組み合わせおよび入力パラメータで有効である(work)と判定されている波形のデータベースから選択することができる。次いで、ユーザは、特定の処理に基づいて、自動的にロードされた波形の値を修正することができる。例えば、ユーザが接合する２つの材料に軟鉄およびニッケルを選択し、０．０２０”の厚さを選択する場合、プログラムは自動的に表面仕上げ（その材料に対する基準線平均仕上げを想定する）、溶接の幅、溶接時間、溶接の重複、およびパルス形状に対して自動的に予備選択する。例えば、軟鉄が軽い腐食層を有する場合、ユーザは表面仕上げに対して予め選択された値を変更することができ、溶接の前に清浄工程(cleaning pass)を提案するように促す。または、ユーザが、提案されたものよりも広い幅の溶接を望む場合、その値を変更することもできる。
【００４６】
入力パラメータの値は、材料の組み合わせ毎に、経験的に決定されてもよい。しかしながら、既に定められ検認されている溶接パルスは、溶接しようとするその材料の組み合わせをより厚くしたバージョンまたは薄くしたバージョンを可能にするために、調整する(scale)こともできる。こうして導かれる倍率を失われたパラメータに適用すると、ユーザには彼の処理のために不変の(robust)始点を提供する。後に調整例を示す。
【００４７】
種々の入力パラメータとこれらのパラメータの値との間における典型的な関係は、予想される慣習に従う。
【００４８】
・通例では、厚い材料程、薄い材料よりも、溶融し溶接するのに多くのレーザ・エネルギを必要とする。
【００４９】
・通例では、融点が高い材料程、融点が低い材料よりも、溶融するのに多くのレーザ・エネルギを必要とする。例えば、イリジウムの融点は２４６６℃であり、ニッケルの融点は１４５５℃である。これら２つの材料を一緒に溶接するには、イリジウムを溶融するために、ニッケルを溶融するよりもはるかに多くのレーザ・エネルギを必要とする。
【００５０】
・光る反射表面仕上げの材料は、通例、暗く鈍い仕上げの材料よりも、それらの吸収特性の差により、溶融するために多くのレーザ・エネルギを必要とする。
【００５１】
・溶接時間を短くするには、通例、所与の材料および厚さの同様の溶融を達成するよりも多くのレーザ・パワーを必要とする。
【００５２】
以下に、種々の入力パラメータのデータ型について説明する。
【００５３】
・材料−入力；連続的に更新されるＰＳＴデータベースから選択可能である。ユーザが新たな材料を定めることもできる。
【００５４】
・厚さ−入力：ＰＳＴデータベースから選択可能である数値。厚さについて検認された値がデータベースに格納されている。ユーザは、ＰＳＴデータベースに必ずしも含まれるとは限らない彼の材料のために値を入力することができる。ソフトウェアは、調整された振幅の波形を提案する。後に示す調整例を参照のこと。
【００５５】
・表面仕上げ−入力；材料の観察された表面仕上げ。非常にきれいから腐食有りまでにわたる１から５の値。未だきれいでない材料には、仕上げ工程が推奨される。
【００５６】
・溶接の幅−入力；ＰＳＴデータベースから選択可能な数値。溶接幅について検認された値がデータベースに格納されている。ユーザは、所望の溶接幅に対して、未だ検認されておらずＰＳＴデータベースに含まれていない値を入力することができる。ソフトウェアは、検査された材料について線形外挿補間した溶接幅に基づいて、調整された範囲および振幅の波形を提案する。
【００５７】
・溶接時間−入力；各パルスの期間についての数値。この値は、検査された材料および厚さに対して経験的に決定される。ユーザは、この値を無視してもよい。値を変化させても、他のパラメータに影響を及ぼさない。このパラメータは、レーザが移動する距離延長のためにかかる時間量が増大したことによって、溶接幅パラメータが変化させられた場合、自動的に変化する。
【００５８】
・溶接の重複−入力；パルス間の重複の百分率値。この値は、ユーザによって選択され、他のパラメータに関係付けられない。
【００５９】
・溶接の外形−入力；これは、溶接の外形について選択可能な値であるが、突き合せ溶接、重ね溶接、および面取重ね溶接(beveled lap weld)を含むが、これらに限定されるのではない。
【００６０】
・溶接型−入力；列挙された２つの材料に対して検認されている方法に基づいて、レーザ溶接の種類に対して予め選択された値。この値は２つの所与の材料に対して変化させてもよいが、そうすると、通例、他のパラメータに対する変更も必要となる。
【００６１】
・パルス形状−入力；２つの材料に対して経験的に検認されたパルス形状に相関付ける、予め選択された形状（アイコン）。最終的なパルス形状は、以下で更に詳しく説明するように、提案された形状からユーザによって修正されてもよい。
【００６２】
主入力画面は、溶接接合部を横切って拡散されるパルスの波形を示すグラフを含み、レーザ・パワーが縦軸上に示され、溶接接合部に対するレーザ・ビームの位置が横軸上に示される。このグラフの例を、図１２の右上側(upper right corner)に示す。これは、ビームが材料Ａから材料Ｂに通過するときの、溶接パルス（上側の曲線−高い強度）および清浄工程（下側の曲線−低い強度）の双方について、レーザ強度の変動を示す。パルスが印加されるときに横切る溶接線は、このグラフでは、図１２の右下側に示されており、この溶接線は、図２７〜図３１と関連付けて先に説明したように決定される。
【００６３】
材料の種類、厚さ、および溶接外形の入力パラメータに基づいて、本システムは、当該処理(application)のための始点として使用するのに適した波形を自動的に提案する。次いで、ユーザは、選択点においてそれにタッチしドラッグすることによって波形を修正することが許され、所望の結果を達成するために溶接処理を微調整(fine tune)することが許される。図１２は、溶接工程（上側の曲線）の点＃５の選択を反映するテキスト・ボックスを示し、その点におけるレーザ・パワーが５０％、または１００Wであること、そしてその点の位置が溶接線の左側０．００５インチにあることを示す。図示のように、各曲線は１３個の異なるドラッグ点を有する。ユーザは、その形状を更に定め編集するために、波形にドラッグ点を追加することもできる。
【００６４】
ユーザは、カスタム・パルス波形を保存することを許され、材料、厚さ、仕上げ、およびその他のパラメータに対してユーザ定義値を入力することができる。
【００６５】
溶接される一方または双方の材料の表面仕上げが、腐食されているまたは外観が均一でない場合、溶接パルスの一部である低パワー清浄工程(clean up pass)を使用することができる。清浄工程は、材料の表面から腐食を除去し、材料を溶融することなく一層均一な表面を作成するのに十分なレーザ・エネルギのみを使用する。これによって、腐食が除去されるので、材料が一層均一で予測可能な量のエネルギを高パワー・レーザ溶接パルスから吸収することが可能となる。例えば、清浄工程用の典型的な値は、３００ワットのレーザ・パワーを使用する溶接工程と比較して、３０ワットのレーザ・パワーである。
【００６６】
清浄工程は、処理に対して３通りの方法で使用することができる。最初に、ビームが一方の方向に移動するときは低パワーを使用し、次いで他方の方向に溶接接合部を横切って移動するとき高パワーを使用することによって、１つの溶接パルス内に組み込むことができる。または、清浄パルスは、分離低パワー清浄パルス、およびこれに続く別の高パワー溶接パルスを使用することによって、交互に使用することができる。この場合、高パワー・パルスおよび低パワー・パルスは交互になる。第３のシナリオでは、ユーザが溶接の前に接合部を検査できるように、清浄のみが２つの部品の継ぎ目にしたがって通過することを可能にする。
【００６７】
また、溶接の種類は、使用される波形の形状も決定する。キーホール溶接は、溶接の開始時に材料が最初に穿孔されるときには、より多い量のパワーを使用して、キーホールを形成し、次いで溶接するときに材料を切断することなく材料を溶接できるように、いくらか低下させることができる。伝導溶接の場合、傾斜が少ない波形によって、材料の加熱を更に緩やかにすることができる。
【００６８】
プログラムの全てのパラメータの値および関数には、プル・ダウン・メニューを通じてアクセスすることができる。レーザ溶接パラメータを定めるために広く使用される主要パラメータは、主画面上に表示される。
メニュー記述：
以下の記述は、ユーザが主プログラムにおいてアクセスすることができるメニュー構造およびパラメータを特徴付ける。
ＰＳＴツールボックス・メニュー：
ＰＳＴツールボックスの構成するための好みおよびツールが、アプリケーションについての情報と共に、このメニューの下で見られる（図１３参照）。
ファイル・メニュー：
最も一般的なソフトウェアと同様、このメニューの下で基本的なファイル管理機能が利用できる（図１４参照）。
編集メニュー：
最も一般的なソフトウェアと同様、このメニューの下で基本的な編集機能が利用できる（図１５参照）。
材料メニュー：
このメニューは、一緒に溶接される各材料のプロパティを選択し定めるためのツールを含む。このメニューは、ユーザが、以前に定められた材料、またはユーザによって構成および保存された材料のリストから選択することを可能にする。選択肢には、材料、厚さ、および仕上げが含まれる。ユーザは、新たな材料および厚さを定めることができ、今後の使用のためにその材料についての値を保存する機会を有する（図１６および図１７参照）。
溶接メニュー：
溶接の物理的寸法を含む溶接輪郭(profile)、継ぎ目に沿った位置に基づくレーザ・パワー、およびパルス毎の重複量を、このメニュー内において定めることができる。
【００６９】
溶接輪郭エディタは、ユーザがグラフに沿った点を操作し、パルスが溶接接合部を通過するときにパルスが使用するレーザ・パワー量を定めることを可能にするグラフィック表示である。ユーザは、パルスに沿った点を修正し、次いで現在および今後の処理のために、得られた波形を保存することができる。このインターフェースは、ユーザがマウスによって波形に沿った点をドラッグすることを可能にし、またはユーザが点毎に、キーボード入力によって値を入力することを選択することができる。また、ユーザは、波形に点を追加して、その形状を更に定めることができる。
【００７０】
キーホール、伝導、または混成組み合わせ(hybrid combination)というような基本的な溶接型も選択することができる。基本的な溶接型を選択することによって、適した溶接輪郭がシステムによって提案され、手作業で処理に適合するように調節することができる（図１８および図１９参照）。
清浄メニュー：
溶接輪郭を定めるために使用されるグラフィック・インターフェースと同様、清浄プロファイル・エディタを使用して、清浄プロファイルも目視し、編集し、保存することができる。
【００７１】
また、清浄プロファイルについての値をメニューを介して素早く選択することができ、その結果、清浄プロファイルが予めロードされ、これをユーザによって編集することができる（図２０および図２１参照）。
【００７２】
レーザ・メニュー：
このメニューでは、システムに使用されているレーザの特定のブランドに関する設定が利用可能である。ＰＳＴツールボックス・メニュー内における好みは、ユーザがレーザ・ブランドおよびモデルを予め選択することを可能にし、このメニューにおいて変数を予めロードすることができる。
【００７３】
レーザ・スポット・サイズおよびレンズの焦点距離というような、他のレーザ・ビーム特性もこのメニュー内において定めることができる（図２２参照）。
SeamFinderメニュー：
ＰＳＴツールボックス・ソフトウェアのSeamFinder機能(feature)は、ユーザが、軸上カメラを通して見た溶接継ぎ目の位置を定めることと可能にする。SeamFinderは、グラフィカル・インターフェースであり、レーザの継ぎ目跡(seam path)をカメラ画像の上に重ね合わせ、ユーザが溶接跡の位置および形状を操作することを可能にする。
【００７４】
ユーザは、溶接継ぎ目位置の検出に関係するツールの値、およびこの跡を微調整するための値を変更することができる。このグラフィック表示は、最終的な溶接跡を、溶接しようとしている部品のカメラ視野上に重ね合わせて示す（図２３参照）。SeamFinderの動作については、図２７〜図３１に関連付けて先に説明した。
映像メニュー：
主インターフェース画面上で見られる映像を変更するための選択肢が、このメニューにおいて利用可能である（図１５参照）。
ヘルプ・メニュー：
ＰＳＴツールボックスのいずれの機能についても、このメニュー内においてオンライン・ヘルプが利用可能である。
調整の例
以前に定められ検認された溶接パルスは、溶接しようとするその材料の組み合わせの厚いバージョンまたは薄いバージョンを可能にするために、調整することもできる。こうして導かれる倍率を、失ったパラメータに適用することによって、ユーザには彼の処理のために不変の始点を提供する。
【００７５】
厚さがわかっている材料の組み合わせに対して検認されているレーザ溶接パルスから開始して、同じ材料の組み合わせであるが、厚さが増したものを考慮するとき、波形を調整する量を知ることを望む。これを、レーザ・パワー増大百分率として定義する。
【００７６】
ＰＮＥＷ＝レーザ・パワー増大百分率
厚さの変化、即ち、「厚さ係数」も、増大百分率として表される。
【００７７】
Ｆ＝厚さ増大百分率
この式には、一緒に溶接される材料の熱力学を考慮するために、定数が含まれる。
【００７８】
Ｗｃ＝溶接定数
ＰＮＥＷ＝Ｗｃ（Ｆ２＋Ｆ）
２つの異なる厚さでサンプルの溶接検査を行うことによって、双方のサンプルについて、レーザ・パルス曲線に沿った点において使用されたレーザ・パワーの量を比較し、Ｗｃに対して値を導くことができる。この値は、更に厚い材料に対して推定レーザ溶接パルスを計算するために使用することができる。
サンプル計算：
異なる既知の厚さの２つのレーザ溶接サンプルを検査し、レーザ・パルス波形をデータベースに格納した。パルスに沿った所与の点について、双方のサンプルのために効果的に溶接するのに必要とされるレーザ・パワーを見ることができる。この結果、ＰＮＥＷ即ちパワー増大百分率の値が得られる。また、厚さ増大百分率Ｆが得られる、厚さの関係も見ることができる。この式を解いて、その材料の組み合わせに対する溶接定数Ｗｃを決定することができる。
既知のサンプル
厚さ０．０２０”の鉄に溶接された厚さ０．０２０”のニッケル、
所与のサンプル点におけるレーザ・パワー＝１００ワット（図２４参照）、および
厚さ０．０３０”の鉄に溶接された厚さ０．０３０”のニッケル、
同じサンプル点におけるレーザ・パワー＝２００ワット（図２５参照）
したがって、厚さ増大百分率Ｆ＝５０％、即ち０．５、そしてパワー増大ＰＮＥＷ＝１００％、即ち、１となる。溶接定数について解くと、
Ｗｃ＝（ＰＮＥＷ）／（Ｆ２＋Ｆ）
Ｗｃ＝１／（０．５２＋０．５）＝１．３３
ここで、この式に、その材料の組み合わせに対して導いた溶接定数Ｗｃを適用することによって、未検査材料の厚さを溶接するための新たなレーザ・パルス波形を推定することができる。
【００７９】
問題：未だ材料データベースに格納されていない、厚さ０．０４０”の材料。
【００８０】
導かれた溶接定数Ｗｃ＝１．３３を使用して、この新たな材料の厚さに対してＰＮＥＷ を決定することができる。
【００８１】
ＰＮＥＷ ＝１．３３（１２＋１）
ＰＮＥＷ ＝２．６７、即ち、ｍ２６７％のパワー増大となる。
【００８２】
その特定の点における溶接に要求される新たなレーザ・パワーは、２．６７＋１×（１００ワット）＝３６７ワットと推定される。
システム例
図８によるレーザ溶接システムが、以下のコンポーネントを使用して作成された。
【００８３】
システムＰＣ：タッチスクリーン・ディスプレイを有するコア・システムＵＳＡ２０１３２−４Ｕ００６．０１
ガルボ制御：５ｍのケーブルを有するCambridge Tech SM1000S-15-5ガルボ制御
ガルボ・ヘッド： Cambridge Tech 61725PSXY2-YPガルボ・スキャン・ヘッド、 Cambridge Tech P0075-0010(Linos 4401-288-000-20)、２５４ｍｍレンズ、 Cambridge Tech 720-80437-05-5スキャン・ヘッド・スペーサ・プレート。
【００８４】
ファイバ・レーザ： IPG YLR-300-AC-Y11、３００Wファイバ・レーザ、ＱＢＨコネクタへのIPG P45-003757、５ｍ外装ファイバ。
【００８５】
パルス生成器：National Instruments 781502-01 NI-9148 Ethernet（登録商標） Rio Exp Chassis、National Instruments 779351-01 #9401 8-CH TTL DIO  １００ｎＳモジュール、 National Instruments 779012-01 #9263 ４Ｃｈアナログ出力モジュール。
【００８６】
プログラミング・ソフトウェア：National instruments labVIEW 12.0、National Instruments LabVIEW FPGA module、LabVIEWドライバを有するCambridge Tech Universal AP。
【００８７】
このシステムは、２４１０℃の融点を有する金属合金を、１４５５℃の融点を有する金属合金に溶接するために使用された。各材料内に１５μｍ入り込むエリアにわたってパルスを拡散させた。完了時に、これらの部品を検査し、各材料が同様の量だけ溶融された、実質的に均一な溶接溶解池を観察した。
【００８８】
本明細書において述べた理論、動作のメカニズム、証明、または発見はいずれも、発明の実施形態の理解を更に深めることを意味し、このような理論、動作のメカニズム、証明、または発見に本発明を依存させることは全く意図していない。特許請求の範囲を読むにあたって、「ａ」、「ａｎ」、「少なくとも１つの」、または「少なくとも一部」というような単語が使用されるとき、請求項において逆が具体的に述べられていない限り、請求項を１つの項目のみに限定するという意図はない。更に、「少なくとも一部」および／または「一部」という文言が使用されるとき、具体的に逆が述べられていない限り、その項目は、一部および／またはその品目全体を含むことができる。
【００８９】
以上、本発明の実施形態について図面およびこれまでの説明において詳細に図示し説明したが、実施形態はその性質上限定ではなく例示と見なされてしかるべきであり、選択された実施形態だけが示され説明されたこと、そして以下の請求項の内任意のものによって本明細書において定められる本発明の主旨に該当する全ての変化、変更、および均等物が保護されることが望まれることは理解されよう。また、好ましい(preferable)、好ましくは、好まれる(preferred)、または更に好まれるというような用語が以上の説明において利用される場合、そのように説明された特徴の方が望ましいこともあり得ることを示すが、必ずしもそうでなくてもよく、それを欠く実施形態も本発明の範囲内に該当すると見なすことができ、その範囲は、以下に続く請求項によって定められることも理解されてしかるべきである。
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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