(57)【要約】【課題】溶接作業の放置化と溶接不良の低減とを図ることができる管端シール溶接方法および管端シール溶接装置を提供する。【解決手段】鉛直に設けられた管板４の各管穴４１に水平に伝熱管５を挿入し、その管穴４１周りの管端５１をティグ溶接する管端シール溶接方法において、予め上記管端５１に対する電極２１の距離を設定すると共に、その電極位置でのアーク電圧を基準アーク電圧として記憶し、その後、溶接時に、アーク電圧をサンプリングすると共に、そのサンプリングしたアーク電圧と上記基準アーク電圧とを比較し、両アーク電圧の差が所定の判定電圧差を超えるときに、溶接を中断するものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直に設けられた管板の各管穴に、水平に伝熱管を挿入し、その管穴周りの管端をティグ溶接する管端シール溶接方法において、
予め上記管端に対する電極の距離を設定すると共に、その電極位置でのアーク電圧を基準アーク電圧として記憶し、
その後、溶接時に、アーク電圧をサンプリングすると共に、そのサンプリングしたアーク電圧と上記基準アーク電圧とを比較し、両アーク電圧の差が所定の判定電圧差を超えるときに、溶接を中断することを特徴とする管端シール溶接方法。
【請求項２】
上記管端をその伝熱管の周方向に複数に区分して溶接領域を設定し、それら各溶接領域ごとに上記基準アーク電圧を記憶する請求項１記載の管端シール溶接方法。
【請求項３】
上記サンプリングしたアーク電圧と上記基準アーク電圧との差が上記判定電圧差を超える状態が、所定時間以上継続したときに、溶接を中断する請求項１または２記載の管端シール溶接方法。
【請求項４】
上記溶接は、上記電極に、ピーク部とベース部とを有する矩形波パルスを供給して行われ、アーク電圧は、上記矩形波パルスのベース部における中央部からピーク部への立ち上がりまでの区間にて検出される請求項１から３いずれかに記載の管端シール溶接方法。
【請求項５】
鉛直に設けられた管板の各管穴に、水平に伝熱管を挿入し、その管穴周りの管端をティグ溶接する管端シール溶接装置において、
電極と上記管端間のアーク電圧を検出するための検出手段と、
予め上記管端に対する上記電極の距離を設定する電極設定手段と、
その電極設定手段にて設定された電極位置でのアーク電圧を基準アーク電圧として記憶するための記憶手段と、
溶接時に、上記検出手段にてアーク電圧をサンプリングすると共に、そのサンプリングしたアーク電圧と上記記憶手段にて記憶した上記基準アーク電圧とを比較し、両アーク電圧の差が所定の判定電圧差を超えるときに、溶接を中断する異常停止手段とを備えることを特徴とする管端シール溶接装置。
【請求項６】
上記異常停止手段に、上記記憶手段を作動させるための記憶スイッチと、上記判定電圧差を入力して設定するための入力装置と、溶接の中断を知らせるための表示装置とが設けられた請求項５記載の管端シール溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力容器や熱交換器などの製作に適用される管端シール溶接方法および装置に係り、電極消耗の判定及びこれに伴う溶接中の自動停止機能に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、圧力容器や熱交換器として、対向配置された一対の管板間に多数の管を配置したものが知られている。その熱交換器を製作する場合、管板に設けられた挿通穴に管を嵌め込み、その管の端部をシール溶接するようにしている。
【０００３】
そのような管端を溶接する管端シール溶接装置が、特許文献１や特許文献２などで提案されている。
【０００４】
その管端シール溶接装置では、例えば、タングステン電極から母材にアークを発生させると共に、溶接ワイヤ（溶加材）を加えて溶接を行うＧＴＡＷ（Ｇａｓ  Ｔｕｎｇｓｔｅｎ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ、ティグ溶接）が行われている。
【０００５】
そのティグ溶接において、電極が溶接ワイヤと接触することなどで消耗および劣化し、電極の先端部分に欠損が発生する場合がある。そのように欠損が発生すると、溶接アークの集中性が損なわれてしまい、しばしば、溶接不良や溶接欠陥が発生してしまう。
【０００６】
したがって、品質を確保する上では、電極の先端部分が正常な形状に保たれていることが必要となる。
【０００７】
従来、ティグ溶接では、溶接士が、溶接中に電極の先端部分を絶えず目視にて確認するようにしていた。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−８８９５６号公報
【特許文献２】特開２００１−１５０１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、そのように溶接士が直接目視により溶接状態を監視するので、例えば、管端シール溶接装置そのものを自動化したとしても、電極の常時監視は自動化できず、このことが、管端シール溶接装置の放置化を妨げる大きな要因となってしまう。
【００１０】
また、監視を人的要因に頼るため、監視能力に限界があり、電極先端の欠損状態の見落としが発生してしまう。
【００１１】
例えば、上述した熱交換器などにおける管端溶接作業では、個々の継手一つ当たりの溶接時間は９０秒程度であるが、一つの管板には、二万本もの多数の継手がある。その管端溶接作業において、電極先端の欠損状態を見落としたまま溶接作業が継続して行われると、不具合に気がついた時点では溶接不良が多発してしまう。このような手遅れになるケースはしばしば見られる。
【００１２】
そこで、本発明の目的は上記課題を解決し、溶接作業の放置化と溶接不良の低減とを図ることができる管端シール溶接方法および管端シール溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために本発明は、鉛直に設けられた管板の各管穴に、水平に伝熱管を挿入し、その管穴周りの管端をティグ溶接する管端シール溶接方法において、予め上記管端に対する電極の距離を設定すると共に、その電極位置でのアーク電圧を基準アーク電圧として記憶し、その後、溶接時に、アーク電圧をサンプリングすると共に、そのサンプリングしたアーク電圧と上記基準アーク電圧とを比較し、両アーク電圧の差が所定の判定電圧差を超えるときに、溶接を中断するものである。
【００１４】
好ましくは、上記管端をその伝熱管の周方向に複数に区分して溶接領域を設定し、それら各溶接領域ごとに上記基準アーク電圧を記憶するものである。
【００１５】
好ましくは、上記サンプリングしたアーク電圧と上記基準アーク電圧との差が上記判定電圧差を超える状態が、所定時間以上継続したときに、溶接を中断するものである。
【００１６】
好ましくは、上記溶接は、上記電極に、ピーク部とベース部とを有する矩形波パルスを供給して行われ、アーク電圧は、上記矩形波パルスのベース部における中央部からピーク部への立ち上がりまでの区間にて検出されるものである。
【００１７】
上記目的を達成するために本発明は、鉛直に設けられた管板の各管穴に、水平に伝熱管を挿入し、その管穴周りの管端をティグ溶接する管端シール溶接装置において、電極と上記管端間のアーク電圧を検出するための検出手段と、予め上記管端に対する上記電極の距離を設定する電極設定手段と、その電極設定手段にて設定された電極位置でのアーク電圧を基準アーク電圧として記憶するための記憶手段と、溶接時に、上記検出手段にてアーク電圧をサンプリングすると共に、そのサンプリングしたアーク電圧と上記記憶手段にて記憶した上記基準アーク電圧とを比較し、両アーク電圧の差が所定の判定電圧差を超えるときに、溶接を中断する異常停止手段とを備えるものである。
【００１８】
好ましくは、上記異常停止手段に、上記記憶手段を作動させるための記憶スイッチと、上記判定電圧差を入力して設定するための入力装置と、溶接の中断を知らせるための表示装置とが設けられたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、溶接作業の放置化と溶接不良の低減とを図ることができるという優れた効果を発揮するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２１】
本実施形態の管端シール溶接装置および管端シール溶接方法は、例えば、対向配置された一対の管板間に多数の伝熱管（以下、管という）を配置した圧力容器や熱交換器などを製作する際に、管を管板に管端シール溶接するために用いられる。
【００２２】
まず、図１および図２に基づき本実施形態の管端シール溶接装置を説明する。
【００２３】
図１に示すように、管端シール溶接装置１は、電極２１を有する溶接ヘッド２と、その溶接ヘッド２に電力、シールドガスおよび冷却水などを供給すると共に管端シール溶接装置１を制御するための制御電源装置（電源）３とを備える。
【００２４】
その制御電源装置３から溶接ヘッド２の電極２１に電力を供給することで、その電極２１と母材間にアークを発生させて、母材を溶接する。より具体的には、図２に示すように、管端シール溶接装置１は、鉛直に設けられた管板４の各管穴４１に水平に伝熱管５を挿入し、その管穴４１周りの管端５１をティグ溶接する。
【００２５】
溶接ヘッド２は、鉛直に設けられた管板４に嵌め込まれた管５に挿入される心金２２と、その心金２２の周りに旋回自在に設けられたトーチ２３と、そのトーチ２３に保持された電極２１と、その電極２１およびトーチ２３を鉛直面内で旋回させるための電極旋回装置２４（図１参照）と、トーチ２３の先端部にワイヤ（溶加材）２５１を供給するワイヤコイル搭載部２５（図１参照）とを備える。
【００２６】
電極旋回装置２４には、電極２１の旋回位置を検出するための電極旋回位置センサ（図示せず）が設けられ、その電極旋回位置センサの検出信号が、制御電源装置３に入力される。
【００２７】
トーチ２３は、電極２１を保持する電極ホルダー２３１と、その電極ホルダー２３１を前後方向（心金２２の軸方向、図２において左右方向）に移動するための電極設定手段２３２とを備える。
【００２８】
その電極設定手段２３２は、電極ホルダー２３１が固定され前後方向に移動可能なスライダ２３３と、そのスライダ２３３および電極２１を前後方向に駆動するため駆動手段（図例ではモータ）２３４とを有する。
【００２９】
以上の電極設定手段２３２により、管端５１に対する電極２１の位置が設定される。
【００３０】
本実施形態では、電極２１がタングステン電極からなり、ティグ溶接が行われる。ティグ溶接は、電極２１から母材４、５にアークを発生させると共に、溶接ワイヤ２５１（溶加材）を加えて行われる。
【００３１】
その溶接に際して、図４に示すような電極２１の欠損や、図５に示すような電極２１への溶接ワイヤ２５１の付着（付着片を符号２１１で示す）など、電極２１の先端に異常が生じる場合がある。
【００３２】
ここで、図４に示すように、電極２１が消耗、欠損すると電極−母材間のアーク長が長くなりアーク電圧は高くなる。他方、図５に示すように、電極２１に溶接ワイヤ２５１が付着すると電極−母材間が短絡に近い状態となり、アーク電圧が低くなる。
【００３３】
このことから、本願発明者は、電極２１の先端の異常（欠損や溶接ワイヤ２５１の付着）が溶接電圧信号（アーク電圧）に影響を与えることに着目し、その溶接電圧信号の変化を利用してアーク電圧値が適正範囲から逸脱したとき、電極２１の異常発生を検知して、自動停止する管端シール溶接装置１および方法を考案した。
【００３４】
すなわち、本実施形態の管端シール溶接装置１は、電極２１と上記管端５１間のアーク電圧を検出するための検出手段と、上記管端５１に対する上記電極２１の距離を設定する電極設定手段２３２と、その電極設定手段にて設定された電極位置でのアーク電圧を基準アーク電圧として記憶するための記憶手段と、溶接時に、上記検出手段にてアーク電圧をサンプリングすると共に、そのサンプリングしたアーク電圧と上記記憶手段にて記憶した上記基準アーク電圧とを比較し、両アーク電圧の差が所定の判定電圧差を超えるときに、溶接を中断する異常停止手段とを備える。
【００３５】
本実施形態では、制御電源装置３が、検出手段と記憶手段と異常停止手段とをなす。
【００３６】
制御電源装置３は、溶接ヘッド２に、信号を送受信すべく、かつ電力、冷却水およびシールドガスなどを供給すべく、複数のケーブルを介して接続される。
【００３７】
より具体的には、図１に示すように、制御電源装置３は、電極２１および母材への電力の供給するための一対のパワーケーブル３１、３２と、各パワーケーブル３１、３２にニップル３１１、３２１を介して各々接続され、電極２１および母材４、５間のアーク電圧を検出する一対の検出用ケーブル３３、３４と、図示しない信号用ケーブル、冷却水用ケーブル、シールドガス用ケーブルなどを備える。
【００３８】
その制御電源装置３は、例えば、図６に示すような矩形波パルスとして、電力（電流）を供給すると共に、その供給した電力と同期した矩形波パルス（図７参照）としてアーク電圧を検出する。
【００３９】
図１に戻り、制御電源装置３には、その検出されたアーク電圧や所定の判定電圧差を記憶するためのメモリ３５が設けられる。そのメモリ３５には、アーク電圧の検出と、基準アーク電圧の記憶と、電極異常時の溶接停止を行うためのプログラムが格納される。
【００４０】
制御電源装置３には、上記記憶手段を作動させるための記憶スイッチと、上記判定電圧差を入力して設定するための入力装置と、溶接の中断を知らせるための表示装置とが設けられる。具体的には、制御電源装置３に、入力装置および表示装置をなすタッチパネル３６が設けられる。また、制御電源装置３には、制御電源装置３に電極２１の交換を認識させるための電極交換スイッチ３７１が設けられたリモコンＢＯＸ３７が接続され、その電極交換スイッチ３７１が上記記憶スイッチをなす。
【００４１】
次に、図２から図７に基づき、本実施形態の管端シール溶接装置１を用いた管端シール溶接方法について説明する。
【００４２】
まず、本実施形態の管端シール溶接方法の概略を説明する。
【００４３】
図２に示すように、本実施形態の管端シール溶接方法は、鉛直に設けられた管板４の各管穴４１に水平に伝熱管５を挿入し、その管穴４１周りの管端５１をティグ溶接する。具体的には、予め上記管端５１に対するタングステン電極２１の距離を設定すると共に、その電極位置でのアーク電圧を基準アーク電圧として記憶し、その後、溶接時に、アーク電圧をサンプリングすると共に、そのサンプリングしたアーク電圧と上記基準アーク電圧とを比較し、両アーク電圧の差が所定の判定電圧差を超えるときに、溶接を中断する。
【００４４】
さらに、本実施形態では、上記サンプリングしたアーク電圧と上記基準アーク電圧との差が上記判定電圧差を超える状態が、所定時間以上継続したときに、溶接を中断する。
【００４５】
これにより、電極２１の異常を確実に検知することができ、その異常時に溶接を中断するので溶接不良を低減することができる。
【００４６】
本実施形態では、管端溶接は、鉛直な管板４に挿入された管５に、心金２２を挿入し、その心金２２の周りに電極２１を鉛直面内で旋回させて行われる。
【００４７】
ここで、電極２１を鉛直面内で旋回させて管端５１を溶接する場合、電極２１の旋回角度（管５の周方向位置）により母材の溶融池に作用する重力の影響が異なる。例えば、図３において、下側（符号ｗ６や符号ｗ７）の位置では、重力のため溶融池は垂れ気味となり、溶融池（母材）と電極２１との距離が短くなる。一方、上側（符号ｗ２や符号ｗ３）の位置では、溶融池（母材）と電極２１との距離が長くなる。
【００４８】
このように、電極２１の旋回角度により溶融池（母材）の状態が異なるため、電極２１が正常であっても、旋回角度により電極２１と母材４、５間とのアーク電圧が各々異なることになる。
【００４９】
そこで、本実施形態では、上記管端５１をその管５の周方向に複数（図例では、８つ）に区分して溶接領域ｗ１〜ｗ８を設定し、それら各溶接領域ｗ１〜ｗ８ごとに上記基準アーク電圧を記憶する。
【００５０】
これにより、管端溶接時に、電極２１の旋回位置によるアーク電圧の変化と、電極異常によるアーク電圧の変化とを判別することができ、電極異常を誤検出してしまうことを防止できる。
【００５１】
次に、本実施形態の管端シール溶接方法により電極異常を検知する一例を説明する。
【００５２】
以下に説明する例では、タングステン電極２１の消耗を検知するため、電極交換後からのアーク電圧の変動を検出し、そのアーク電圧の変動幅が予め定めた設定値（判定電圧差）を超えた場合に、電極消耗と判定して異常状態と認識し、管端シール溶接装置１を自動停止する。
【００５３】
まず、溶接士などの作業者は、制御電源装置３のタッチパネル３６により、電極異常を判定するための判定電圧差を予め設定する。その判定電圧差は、制御電源装置３のメモリ３５に記憶される。また、作業者は、電極設定手段２３２により管端５１に対する電極２１の距離を設定する。この距離は、溶接が適切に行われるよう、溶接士などが予め調整、決定しておく。
【００５４】
次に、正常な状態の電極２１（例えば、交換直後の電極２１）を用いて管端溶接を行い、定常状態（図６参照）となったときのアーク電圧（電極２１−母材４、５間の電圧）を基準アーク電圧として記憶する。
【００５５】
具体的には、電極交換後に、作業者がリモコンＢＯＸ３７の電極交換スイッチ３７１を押して、制御電源装置３に交換を認識させる。電極２１の交換を認識した制御電源装置３は、その交換直後の電極２１にて管端溶接を行うと共に、その溶接時の電極２１と母材４、５間のアーク電圧を検出する。さらに、制御電源装置３は、検出されるアーク電圧が定常状態となったときに、各溶接領域ｗ１〜ｗ８（図３参照）でのアーク電圧を基準アーク電圧として、各々記憶する。
【００５６】
このように、本実施形態の制御電源装置３は、溶接中のアーク電圧を自動的に読み取り、その読み取ったアーク電圧を電極消耗判定のための基準アーク電圧（良好な状態の電圧）として、自動的に制御電源装置３の内部（メモリ３５）に設定・記憶する。
【００５７】
次に、制御電源装置３は、その記憶した基準アーク電圧と、溶接中にサンプリングしたアーク電圧（以下、実アーク電圧という）とを比較し、それらの電圧差が、判定電圧差を超えるか否かを判断する。
【００５８】
具体的には、制御電源装置３は、サンプリング間隔を１０ｍｓｅｃに設定して実アーク電圧をサンプリングする。制御電源装置３は、その実アーク電圧と基準アーク電圧との電圧差が、５回連続して判定電圧差以上になったときに、電極異常と判定して溶接動作（例えば、電極２１および母材４、５への電力の供給や、電極２１の旋回駆動）を、非常停止に準じた扱いで停止させる。
【００５９】
つまり、本実施形態では、実アーク電圧と基準アーク電圧との電圧差が判定電圧差を超える状態が、５０ｍｓｅｃ継続したときに、溶接を一時中断することになる。
【００６０】
さらに、図１に示すように、制御電源装置３は、作業者に、電極２１に異常が発生したこと知らせるべく、タッチパネル３６に「タングステン電極異常消耗発生」のメッセージを表示する。
【００６１】
その表示を基に、電極に異常が発生していた場合には、作業者は電極２１を交換し、電極交換後、作業者がリモコンＢＯＸ３７の電極交換スイッチ３７１を押すことで、上述した溶接動作が再開される。なお、電極に異常がなかった場合は、判定電圧差を現在の値よりも大きく設定する。
【００６２】
次に、図６および図７に基づき基準アーク電圧および実アーク電圧の検出について説明する。
【００６３】
図６に示すように、本実施形態の管端溶接は、電極２１および母材４、５に、ピーク部６１とベース部６２とを有する矩形波パルス（パルス電流）を供給して行われる。例えば、図例では、ピーク時間／ベース時間が０．２ｓｅｃ／０．２ｓｅｃのパルスが用いられる。そのパルスは、溶接開始後ｔ０、スロープアップ区間ｔ１〜ｔ２を経て定常状態ｔ２〜ｔ３となり、溶接を停止する際は、定常状態ｔ２〜ｔ３からスロープダウン区間ｔ３〜ｔ４を経て０となる。
【００６４】
制御電源装置３は、電極２１の異常を判定する動作の開始・終了を、定常状態のピーク電流、ベース電流区間ｔ２〜ｔ３のみで行い、スロープアップ区間ｔ１〜ｔ２、スロープダウン区間ｔ３〜ｔ４では、行わない。つまり、制御電源装置３は、定常状態ｔ２〜ｔ３にて基準アーク電圧および実アーク電圧を検出するようにしている。
【００６５】
さらに、図７に示すように、制御電源装置３は、矩形波パルスのベース部６２の後半６２１にてアーク電圧を検出する。より詳細には、アーク電圧は、上記矩形波パルスのベース部６２における中央部からピーク部６１への立ち上がりまでの区間６２１にて検出される。これにより、アーク電圧検出値から立ち下がりスロープ６２２を除外することができ、立ち下がり当初のノイズによる誤検出を排除できる。
【００６６】
このように本実施形態では、制御電源装置３にてアーク電圧に基づき電極異常を検知し管端シール溶接装置１を自動停止することで、人による監視作業を省略することができ、溶接作業の放置化を図ることができると共に、溶接不良の低減とを図ることができる。
【００６７】
その他にも、アーク電圧（溶接電圧）という溶接中に簡便に検知・取得できる電気信号を利用することで、電極２１を監視するためのシステムを、管端シール溶接装置１の外部で構成した場合と比べて、簡単に構成することができる。
【００６８】
また、管端シール溶接装置１が元来有する制御電源装置３やそのプログラムをそのままシステムに利用することができ、管端シール溶接装置１の単純化および低コスト化を図ることができる。
【００６９】
また、アーク電圧を用いることで、電極２１および母材４、５に供給する電源２次側のパルス信号（矩形波パルス）とサンプリングとを完全に同期することができ、異常検出に必要な信号だけを無駄なく取得すると共に不必要なノイズの混じった信号を排除することができ、これにより検出精度を向上させることができる。
【００７０】
ここで、本実施形態の管端シール溶接装置１および管端シール溶接方法の動作および効果を確認すべく、溶接モックアップ試験による検証を行った。これにより、以下の（１）〜（３）の結果が得られた。
【００７１】
（１）管端シール溶接装置が異常停止信号を出力することを立ち会いにて確認した。
【００７２】
（２）アーク電圧の変動が１Ｖ程度であれば、十分に電極異常を検出でき正常に停止動作することを確認した。
【００７３】
（３）電圧変動を、矩形波パルスのうちベース時のみ、しかも立ち下がりスロープを除外するため矩形波平行部のうち後半の半分の長さの部分で、検出することで、電極の異常をより効果的に検知できた。また、管端シール溶接装置の制御電源装置を併用することで、パルス信号制御と検出動作が協調しているため、電圧の検出が確実に同期して動作できることを確認した。
【００７４】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。
【００７５】
例えば、上述した実施形態では、各溶接領域ごとに各基準アーク電圧を記憶させたが、これに限定されず、基準アーク電圧は共通とし各溶接領域ごとに判定電圧差を各々設定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】図１は、本発明に係る一実施形態による管端シール溶接装置を示す。
【図２】図２は、図１のＩＩ部拡大詳細図である。
【図３】図３は、図２にＩＩＩ方向矢視図である。
【図４】図４は、電極が欠損した状態を説明する図である。
【図５】図５は、電極に溶接ワイヤが付着した状態を説明する図である。
【図６】図６は、本実施形態の制御電源装置が供給する矩形波パルスを説明する図である。
【図７】図７は、図６のＶＩＩ部対応するアーク電圧波形の拡大詳細図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  管端シール溶接装置
３  制御電源装置（検出手段、記憶手段、異常停止手段）
４  管板
５  伝熱管
２１  電極
４１  管穴
５１  管端
２３２  電極設定手段
【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】
2007253196.tif 000007
【図６】
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【図７】
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