(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ラインに沿ってレーザ光を照射して溶接を行うレーザ溶接により、複数の母材同士を溶着させた部材を製造する、部材の製造方法であって、
前記溶接ラインに沿った溶接を開始する前に、前記溶接ラインの開始地点の近傍において、前記レーザ光の照射位置を、少なくとも、前記開始地点である第１地点と、前記第１地点とは異なる第２地点との間で、繰り返し移動させながら、前記レーザ光の出力を上げることを含む、部材の製造方法。
【請求項２】
前記部材の製造方法は、
前記溶接ラインに沿った溶接を開始する前に、前記開始地点の近傍において、前記レーザ光の照射位置を、少なくとも前記第１地点と前記第２地点との間で繰り返し移動させながら、前記レーザ光の出力を上げることにより、前記開始地点に初期溶融池を形成することと、
前記初期溶融池が形成された前記開始地点から、前記溶接ラインに沿って前記レーザ光を照射することと、
を含む、請求項１に記載の部材の製造方法。
【請求項３】
前記溶接ラインに沿った溶接を開始する前に、前記開始地点の近傍において、前記レーザ光の照射位置を、少なくとも前記第１地点と前記第２地点との間で繰り返し移動させながら、前記レーザ光の出力を、前記溶接ラインに沿った溶接の目標出力まで上げることを含む、請求項１又は請求項２に記載の部材の製造方法。
【請求項４】
前記第２地点における前記レーザ光の照射スポットが、前記第１地点における前記レーザ光の照射スポットの少なくとも一部と重なる、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の部材の製造方法。
【請求項５】
前記レーザ光の照射位置を、前記第１地点と前記第２地点との２点間を往復するように移動させる、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の部材の製造方法。
【請求項６】
前記第１地点と前記第２地点とを通る直線は、前記第１地点における、前記溶接ラインの接線と交差する、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の部材の製造方法。
【請求項７】
前記第１地点と前記第２地点とを通る直線は、前記第１地点における前記溶接ラインの接線と直交する、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の部材の製造方法。
【請求項８】
前記レーザ光がファイバレーザ光である、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザ溶接による部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接では、母材に照射するレーザ光の出力を高めるほど、スパッタが発生しやすくなる。スパッタとは、高いエネルギー密度のレーザ光が母材に照射されることにより、母材の表面において局所的に高温となった溶融部分から周囲に飛散する溶融物をいう。飛散した溶融物が異物として母材等に付着すると、得られる部材の品質が低下する可能性がある。
【０００３】
スパッタの発生を抑える方法として、特許文献１には、溶接の開始位置においてスパッタを発生させない出力でレーザ光の照射を開始し、その開始後、レーザ光を走査させることなく、所定の溶け込み深さの範囲内となるようにレーザ光の出力を漸増することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１６４８１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法は、スパッタが発生しないようにレーザ光の出力をゆっくり上昇させることを前提としているため、溶接工程のサイクルを短縮するために短時間で高い出力に上げたいという要望を満たすものではなかった。
【０００６】
本開示の一局面は、スパッタの発生を抑制しつつも、短時間で出力を上げることができる、レーザ溶接による部材の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様は、溶接ラインに沿ってレーザ光を照射して溶接を行うレーザ溶接により、複数の母材同士を溶着させた部材を製造する、部材の製造方法であって、溶接ラインに沿った溶接を開始する前に、溶接ラインの開始地点の近傍において、レーザ光の照射位置を、少なくとも、開始地点である第１地点と、第１地点とは異なる第２地点との間で、繰り返し移動させながら、レーザ光の出力を上げることを含む。
【０００８】
このような構成によれば、スパッタの発生を抑制しつつも、短時間で出力を上げることができる。
本開示の一態様では、部材の製造方法は、溶接ラインに沿った溶接を開始する前に、開始地点の近傍において、レーザ光の照射位置を、少なくとも第１地点と第２地点との間で繰り返し移動させながら、レーザ光の出力を上げることにより、開始地点に初期溶融池を形成することと、初期溶融池が形成された開始地点から、溶接ラインに沿ってレーザ光を照射することと、を含んでもよい。
本開示の一態様では、溶接ラインに沿った溶接を開始する前に、溶接ラインの開始地点の近傍において、レーザ光の照射位置を、少なくとも第１地点と第２地点との間で繰り返し移動させながら、レーザ光の出力を、溶接ラインに沿った溶接の目標出力まで上げることを含んでもよい。
【０００９】
本開示の一態様では、第２地点におけるレーザ光の照射スポットが、第１地点におけるレーザ光の照射スポットの少なくとも一部と重なってもよい。このような構成によれば、所望の溶け込み深さを確保しやすい。
本開示の一態様では、レーザ光の照射位置を、第１地点と第２地点との２点間を往復するように移動させてもよい。
本開示の一態様では、第１地点と第２地点とを通る直線は、第１地点における、溶接ラインの接線と交差してもよい。このような構成によれば、初期溶融池から溶接ラインへ溶融物が流れやすく、溶接品質が向上する。
【００１０】
本開示の一態様では、第１地点と第２地点とを通る直線は、第１地点における溶接ラインの接線と直交してもよい。このような構成によれば、初期溶融池から溶接ラインへ溶融物が一層流れやすい。
【００１１】
本開示の一態様では、レーザ光がファイバレーザ光であってもよい。エネルギー密度が高いファイバレーザ光ではスパッタが生じやすい傾向にあるため、上記レーザ溶接による部材の製造方法は、レーザ光としてファイバレーザ光を用いる方法に特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１Ａは、部材の側面からみて、レーザ溶接による部材の製造方法を説明する図である。図１Ｂは、母材の表面からみて、レーザ溶接による部材の製造方法を説明する図である。
【図２】初期溶融池の形成方法を説明する図である。
【図３】レーザ光の初期出力の設定の仕方を説明する図である。
【図４】図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、レーザ光の出力の上げ方の変形例を示す図である。
【図５】図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃは、それぞれ、レーザ光の往復の仕方の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本開示の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
［１．部材の製造方法］
本実施形態では、レーザ溶接により、複数の母材同士を溶着させた部材を製造する。具体的には、図１Ａに示すように、重ね合わせた２枚の平板状の母材１、２に向かってレーザ光３を照射することにより、母材１、２の面同士が溶着され、２つの母材１、２が重なった構造をその一部に有する自動車部品４が製造される。母材１、２としては、ステンレス鋼が用いられる。
【００１４】
レーザ溶接は、図１Ｂに示すように、溶接ラインＬに沿ってレーザ光を照射して行う。具体的には、溶接ラインＬの開始地点Ｘ１から、溶接ラインＬ上をレーザ光が通過するように、レーザ光が走査される。溶接ラインＬとは、溶接を行うことが予定されている線をいい、溶接ラインＬの開始地点Ｘ１とは、溶接ラインＬ上における溶接の開始地点をいう。本実施形態では、溶接ラインＬは、開始地点Ｘ１から直線状に伸びる形状を有している。
【００１５】
また、本実施形態では、レーザ光としてファイバレーザ光が用いられる。
本実施形態では、溶接ラインＬに沿った溶接を開始する前に、まず、開始地点Ｘ１に初期溶融池ＷＰ0が形成される。溶融池とは、母材においてレーザ光の照射により溶融した部分をいい、初期溶融池ＷＰ0とは、開始地点Ｘ１に形成される溶融池をいう。初期溶融池ＷＰ0の形成方法は後に詳述する。
【００１６】
そして、初期溶融池ＷＰ0が形成された開始地点Ｘ１から、溶接ラインＬに沿って目標出力ＰTでレーザ光が照射される。具体的には、開始地点Ｘ１から溶接ラインＬの終了地点（不図示）に向かって、溶接ラインＬ上にレーザ光が照射される。
【００１７】
初期溶融池ＷＰ0は、開始地点Ｘ１の近傍において、レーザ光の照射位置を、開始地点Ｘ１（以下「第１地点Ｘ１」ともいう。）と、第１地点Ｘ１とは異なる第２地点Ｘ２との２点間を往復するように移動させながら、レーザ光の出力Ｐを目標出力ＰTよりも低い初期出力Ｐ0から上記目標出力ＰTまで段階的に上げることによって形成される。具体的には、初期溶融池ＷＰ0は以下の方法で形成される。
【００１８】
まず、図２の（ａ）に示すように、第１地点Ｘ１にレーザ光が照射されるように、レーザ光の照射部が搭載された溶接ヘッドの位置をセットする。この段階では、レーザ光の母材への照射はまだ開始されていない。なお、図２の（ａ）に示すグラフは、レーザ光の出力Ｐと時間との関係を示しており、グラフにおける矢印は初期溶融池ＷＰ0の形成方法における現在の段階を示している。このことは、以降の図２の（ｂ）〜（ｅ）においても同様である。
【００１９】
次に、図２の（ｂ）に示すように、レーザ光の出力を初期出力Ｐ0まで上げて、母材へのレーザ光の照射を開始する。この時、図２の（ｂ）の照射スポットＳに示すように、レーザ光は第１地点Ｘ１に照射される。
【００２０】
次に、図２の（ｃ）に示すように、レーザ光の出力Ｐは初期出力Ｐ0の状態のまま、レーザ光の照射位置を第１地点Ｘ１から第２地点Ｘ２に移動する。
第２地点Ｘ２は、開始地点Ｘ１（第１地点Ｘ１）の近傍の地点であり、具体的には、所望の大きさの初期溶融池ＷＰ0が開始地点Ｘ１に形成されるような、開始地点Ｘ１から近い距離の地点である。ここでいう初期溶融池ＷＰ0の大きさとは、初期溶融池ＷＰ0の母材表面上の面積及び溶け込み深さの両方をいう。なお、溶け込み深さとは、母材に形成される溶融池の、レーザ光の照射方向における母材の表面からの深さをいう。
【００２１】
また、図１Ｂに示すように、第２地点Ｘ２は、溶接ラインＬの延長線Ｍ上ではなく、当該延長線Ｍ上から離れた位置にある。すなわち、第１地点Ｘ１と第２地点Ｘ２とを通る直線は、溶接ラインＬ及びその延長線Ｍと、言い換えれば、第１地点Ｘ１における溶接ラインＬの接線と、交差する。本実施形態では、第１地点Ｘ１と第２地点Ｘ２とを通る直線は、溶接ラインＬ及びその延長線Ｍと直交する。
【００２２】
次に、図２の（ｄ）に示すように、レーザ光の照射位置は第２地点Ｘ２のまま、レーザ光の出力Ｐを、初期出力Ｐ0に対し所定の出力ピッチΔＰ分上げる。
次に、図２の（ｅ）に示すように、レーザ光の出力Ｐは初期出力Ｐ0＋ΔＰの状態のまま、レーザ光の照射位置を第２地点Ｘ２から第１地点Ｘ１に移動する。
【００２３】
そして、これらの第１地点Ｘ１と第２地点Ｘ２との２点間の移動と、出力ピッチΔＰ分のレーザ光の出力Ｐの上昇とを、出力Ｐが上記目標出力ＰTになるまで繰り返し行う。出力Ｐが上記目標出力ＰTに到達した時には所望の初期溶融池ＷＰ0が開始地点Ｘ１（第１地点Ｘ１）に形成されており、そこから溶接ラインＬに沿った溶接を開始することができる。
【００２４】
上記初期出力Ｐ0、第１地点Ｘ１と第２地点Ｘ２との移動距離ΔＸ、及び第１地点Ｘ１と第２地点Ｘ２との間の移動回数ｎは、上記目標出力ＰT、形成しようとする初期溶融池ＷＰ0の大きさ、照射を開始してから目標出力ＰTへ到達するまでの目標到達時間Ｔ、母材の材質及び厚さ、レーザ光の種類等によって調整することができる。
【００２５】
以下に、初期出力Ｐ0、移動距離ΔＸ、及び移動回数ｎの設定の仕方の一例を説明する。
まず、目標到達時間Ｔで、所望の初期溶融池ＷＰ0の溶け込み深さ及び所望の目標出力ＰTに達することを、大まかな目標として設定する。
【００２６】
そして、移動距離ΔＸを設定する。ここで、移動距離ΔＸが大きすぎると、目標到達時間Ｔ内に所望の溶け込み深さを得ることが難しくなる。
移動距離ΔＸは、一例として、レーザ光のビーム径以下が好ましい。なお、ビーム径とは、レーザ光の母材上におけるビームの直径をいう。移動距離ΔＸがビーム径以下であると、図１に示すように、第１地点Ｘ１におけるレーザ光の照射スポットＳ１と第２地点Ｘ２におけるレーザ光の照射スポットＳ２とが一部重なるため、所望の溶け込み深さを確保しやすい。移動距離ΔＸの目安としては、例えば、数μｍ以上数十ｍｍ以下のビーム径に対して、数百ｎｍ以上数ｍｍ以下程度である。
【００２７】
移動回数ｎは、特に限定されないが、例えば、第１地点Ｘ１と第２地点Ｘ２との間の移動速度ＶXを、溶接速度、すなわち、溶接ラインＬに沿って溶接を行うときのレーザ光の移動速度ＶL、と同程度にして設定してもよい。すなわち、上記移動速度ＶXを定めれば、移動回数ｎは、移動速度ＶXと目標到達時間Ｔとの積を移動距離ΔＸで割ることで、自然に導かれる。移動回数の目安としては、例えば、数十回以上数千回以下程度である。
【００２８】
初期出力Ｐ0は、目標出力ＰTよりも低い値で、適宜設定することができる。ただし、初期出力Ｐ0が大きすぎるとスパッタが発生する可能性が出てくる。また、初期出力Ｐ0が小さすぎると、目標到達時間Ｔ内に所望の溶け込み深さを得ることが難しくなる。初期出力Ｐ0としては、スパッタが発生しない出力、具体的には、上記のような初期溶融池ＷＰ0の形成方法を行った場合にスパッタが発生しない出力を設定することが好ましい。
【００２９】
初期出力Ｐ0の適正な値は、上記のように設定した、目標到達時間Ｔ、移動距離ΔＸ、移動回数ｎ等の条件で、上記のような初期溶融池ＷＰ0の形成方法を実際に行い、所望の溶け込み深さを得られるか否か、及びスパッタが発生しないか否かを確認することによって見出すことができる。
【００３０】
例えば、目標到達時間Ｔをある程度の幅を持って設定した場合に、上記設定条件で初期出力Ｐ0を様々に変えた場合の試験結果を図３に示す。なお、本試験では、所望の溶け込み深さが達成できているか否かを、溶融池が母材の裏面まで貫通する裏抜けが生じているか否かによって判断している。図３に示すように、初期出力Ｐ0が比較的高い領域Ａにおいては、スパッタが発生した。また、初期出力Ｐ0は比較的低いが目標到達時間Ｔが比較的短い領域Ｂにおいては、裏抜けが生じなかった。一方、初期出力Ｐ0が比較的低く、かつ、目標到達時間Ｔが比較的長い領域Ｃにおいては、スパッタの発生がなく裏抜けを生じさせることができていた。このような領域Ｃの適正値の中から、安全をみて相対的に低い値を初期出力Ｐ0として設定することができる。
【００３１】
以上記載したような方針に従って、初期出力Ｐ0、移動距離ΔＸ、及び移動回数ｎを設定することができる。なお、移動回数ｎ及び初期出力Ｐ0を設定すれば、目標出力ＰTから初期出力Ｐ0を差し引いた値を移動回数ｎで割ることで、自然と上記出力ピッチΔＰが導かれる。
【００３２】
［２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（２ａ）上記実施形態では、溶接ラインＬに沿った溶接を開始する前に、溶接ラインＬの開始地点Ｘ１（第１地点Ｘ１）の近傍において、レーザ光の照射位置を、少なくとも、第１地点Ｘ１と、第１地点Ｘ１とは異なる第２地点Ｘ２との間で、繰り返し移動させながら、レーザ光の出力を上げる。このような構成によれば、開始地点Ｘ１からレーザ光を動かさずにレーザ光の出力を一気に上げる場合と比較して、開始地点Ｘ１への熱の集中が抑えられ、溶融部分の急激な温度上昇を抑えることができる。そのため、溶融物の急激な気化が抑えられ、スパッタの発生が抑制される。また、スパッタの発生を抑えるために開始地点Ｘ１からレーザ光を動かさずにゆっくりレーザ光の出力を上げる場合と比較して、短時間で出力を上げることができる。
【００３３】
（２ｂ）上記実施形態では、第２地点Ｘ２におけるレーザ光の照射スポットＳ２が、第１地点Ｘ１におけるレーザ光の照射スポットＳ１の少なくとも一部と重なる。このような構成によれば、所望の溶け込み深さを確保しやすい。
【００３４】
（２ｃ）上記実施形態では、第１地点Ｘ１と第２地点Ｘ２とを通る直線が、溶接ラインＬ及びその延長線Ｍと交差している。言い換えれば、第１地点Ｘ１と第２地点Ｘ２とを通る直線は、第１地点Ｘ１における溶接ラインＬの接線と、交差している。このような構成によれば、第２地点Ｘ２が溶接ラインＬの延長線Ｍ上にある場合、すなわち、第１地点Ｘ１と第２地点Ｘ２とを通る直線が、第１地点Ｘ１における溶接ラインＬの接線と交差していない場合、と比較して、初期溶融池ＷＰ0が溶接ラインＬ寄りに形成されるため、初期溶融池ＷＰ0から溶接ラインＬへ溶融物が流れやすく、溶接品質が向上する。特に、上記実施形態では、第１地点Ｘ１と第２地点Ｘ２とを通る直線が、溶接ラインＬ及びその延長線Ｍと直交しているため、初期溶融池ＷＰ0から溶接ラインＬへ溶融物が一層流れやすい。
【００３５】
（２ｄ）上記実施形態では、レーザ光がファイバレーザ光である。ファイバレーザ光は、溶接に用いられる他のレーザ光、例えばＹＡＧレーザ等よりも集光性に優れ、溶接スポットに与えられるエネルギー密度が高いため、レーザ光としてファイバレーザ光を用いる溶接では、他のレーザ溶接よりもスパッタが生じやすい傾向にある。上記実施形態のレーザ溶接による部材の製造方法ではスパッタの発生が抑制されるため、当該方法はレーザ光としてファイバレーザ光を用いる溶接に特に有効である。
【００３６】
［３．他の実施形態］
本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００３７】
（３ａ）上記実施形態では、レーザ光の出力を階段状に上げているが、出力の上げ方はこれに限定されない。例えば、図４Ａに示すように、出力を直線的に上げてもよい。また、上記実施形態では、レーザ光の出力を一定の出力ピッチで上げているが、出力ピッチは異なっていてもよい。例えば、図４Ｂに示すように、レーザ光の出力を上げる工程を２段階に分けて、前半の段階よりも後半の段階の方が、出力ピッチが大きくなるようにしてもよい。
【００３８】
（３ｂ）上記実施形態では、レーザ光の照射位置を、第１地点Ｘ１と第２地点Ｘ２との２点間を往復するように移動させているが、レーザ光の照射位置の移動の仕方はこれに限定されない。例えば、レーザ光を、図５Ａに示すように３点間を、又は図５Ｂに示すように４点間を、移動させてもよい。また、図５Ｃに示すように、レーザ光を、溶接ラインＬの開始地点である第１地点Ｘ１から円弧を描いて第２地点Ｘ２を通り、第１地点Ｘ１に戻るように移動させてもよい。図５Ｃに示す場合では、レーザ光がなめらかに移動するので、図５Ａ及び図５Ｂに示す場合と比較して、初期溶融池ＷＰ0からの溶融物の飛び散りが生じにくい。なお、これらの場合における第２地点Ｘ２とは、レーザ光の照射位置が通る経路のうち、最も遠い点をいうものとする。
【００３９】
（３ｃ）上記実施形態では、第２地点Ｘ２は、第１地点Ｘ１と第２地点Ｘ２とを通る直線が、溶接ラインＬ及びその延長線Ｍと直交するような位置にあるが、第２地点Ｘ２の位置はこれに限定されない。例えば、第２地点Ｘ２は、溶接ラインＬの延長線Ｍ上にあってもよく、第１地点Ｘ１と第２地点Ｘ２とを通る直線が、溶接ラインＬ及びその延長線Ｍと任意の角度で交差するような位置であってもよい。
【００４０】
（３ｄ）上記実施形態では、溶接ラインＬが直線状であるが、溶接ラインＬの形状はこれに限定されない。例えば、溶接ラインＬは曲線状であってもよい。なお、上記実施形態では溶接ラインＬが直線状であるため、第１地点Ｘ１における溶接ラインＬの接線と、溶接ラインＬ及びその延長線Ｍとは、同義である。
【００４１】
（３ｅ）溶接ラインＬに沿って照射されるレーザ光の出力は、溶接ラインＬ上で一定である必要はなく、溶接ラインＬ上をレーザ光の出力を変えながら照射してもよい。すなわち、上記目標出力ＰTは、溶接の開始時におけるレーザ光の目標出力をいうものとする。
【００４２】
（３ｆ）上記実施形態では、第１地点Ｘ１から初期溶融池ＷＰ0を形成するためのレーザ光の照射位置の移動を開始しているが、レーザ光の照射位置の移動の開始位置はこれに限定されない。例えば、上記第２地点Ｘ２から、レーザ光の照射位置の移動を開始してもよい。
【００４３】
（３ｇ）上記実施形態では、第１地点Ｘ１と第２地点Ｘ２との間の移動速度ＶXと、溶接速度ＶLとが同程度であるが、両者は異なっていてもよい。
（３ｈ）上記実施形態では、レーザ光はファイバレーザ光であるが、レーザ光の種類はこれに限定されない。例えば、レーザ光としては、ＣＯ2レーザ光、ＹＡＧレーザ光、半導体レーザ光、ＬＤ励起固体レーザ光（ディスクレーザ光を含む）等が挙げられる。
【００４４】
（３ｉ）上記実施形態では、母材がステンレス鋼であるが、母材の材質はこれに限定されない。例えば、上記ステンレス鋼以外に、アルミニウムメッキ鋼、銅メッキ鋼、鉄鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等が挙げられる。
【００４５】
（３ｊ）上記実施形態では、重ね合わせた母材の面同士を貫通溶接することにより、いわゆる重ね継手を形成しているが、レーザ溶接により形成される構造はこれに限定されない。例えば、レーザ溶接により形成される構造としては、突合せ継手、角継手、へり継手、貫通溶接によるＴ型継手、すみ肉溶接によるＴ型継手、すみ肉溶接による重ね継手等が挙げられる。また、上記実施形態では、母材に対して垂直にレーザ光を照射して溶接しているが、レーザ光を照射する角度等はこれに限定されない。様々な溶接方法に適用することができる。
【００４６】
（３ｋ）上記実施形態では自動車部品４を製造している。製造される自動車部品４としては、例えば、インパネリインフォースメント等が挙げられるが、製造される部材はこれに限定されない。また、製造される部材は自動車部品４に限定されず、例えば、家電部品等も挙げられる。
（３ｌ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１、２…母材、３…レーザ光、４…自動車部品、Ｌ…溶接ライン、Ｍ…延長線、Ｓ…照射スポット、ＷＰ0…初期溶融池、Ｘ１…第１地点（開始地点）、Ｘ２…第２地点。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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