JP2016101606A - 一体部材の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】接合強度を向上させることができるとともに製造コストを低下させることができる一体部材の製造方法及び一体部材を提供する。【解決手段】アルミニウム合金ダイカストから成る第1部材1と、鉄系材料から成る第2部材2とを溶接して一体化させる一体部材の製造方法であって、第1部材1は、珪素を所定量含有するとともに、第2部材2より厚さ寸法が大きな部材から成り、第1部材1に対して第2部材2を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、かつ、圧入の際の押し込み量は、第2部材2の厚さ寸法以上、第1部材1の厚さ寸法未満に設定されるとともに、圧入の際の第1部材1と第2部材2との重なり代は、0.5mm以上に設定されたものである。【選択図】図1

Description

本発明は、アルミニウム合金材料から成る第1部材と、鉄系材料から成る第2部材とを溶接にて一体化させる一体部材の製造方法及び一体部材に関するものである。
アルミニウム合金系材料及び鉄系材料を一体化させる技術として、冶金的接合法が挙げられる。従来の冶金的接合方法としては、表面にめっき被膜処理した鉄系材料の使用、溶加材の使用、或いはアルミニウムや鉄とは異なる材料を被接合部に介在させ、それらを溶融して接合するものが挙げられる。このような従来の一体部材の製造方法においては、通常、予めアルミニウム合金系材料の表面に形成された酸化膜を除去する工程が必要であるとともに、接合時においてシールドガス雰囲気や真空雰囲気が必要とされていた。なお、かかる先行技術は、文献公知発明に係るものでないため、記載すべき先行技術文献情報はない。
しかしながら、上記従来の一体部材の製造方法においては、高温度域とされる時間が比較的長くかかってしまうことから、接合部に生成される脆弱な中間層が厚くなってしまい、接合強度が低下してしまうという問題があった。また、予めアルミニウム合金系材料の表面に形成された酸化膜を除去する工程が必要であるとともに、接合時においてシールドガス雰囲気や真空雰囲気が必要とされていたので、製造コストが嵩んでしまうという問題もあった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、接合強度を向上させることができるとともに製造コストを低下させることができる一体部材の製造方法及び一体部材を提供することにある。
請求項1記載の発明は、アルミニウム合金材料から成る第1部材と、鉄系材料から成る第2部材とを溶接して一体化させる一体部材の製造方法であって、前記第1部材は、珪素を所定量含有するとともに、前記第2部材より厚さ寸法が大きな部材から成り、前記第1部材に対して第2部材を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、かつ、圧入の際の押し込み量は、前記第2部材の厚さ寸法以上、前記第1部材の厚さ寸法未満に設定されるとともに、圧入の際の前記第1部材と第2部材との重なり代は、0.5mm以上に設定されたことを特徴とする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の一体部材の製造方法において、前記第1部材は、アルミニウム合金ダイカストから成るとともに、珪素が7.5〜18.0重量%含有されたことを特徴とする。
請求項3記載の発明は、請求項1記載の一体部材の製造方法において、前記第1部材は、アルミニウム合金鋳物から成るとともに、珪素が6.5〜13.0重量%含有されたことを特徴とする。
請求項4記載の発明は、請求項1〜3の何れか1つに記載の一体部材の製造方法において、前記第1部材は、ロックウェル硬さがHRB 40以上とされたことを特徴とする。
請求項5記載の発明は、アルミニウム合金材料から成る第1部材と、鉄系材料から成る第2部材とを溶接して一体化させて成る一体部材であって、前記第1部材は、珪素を所定量含有するとともに、前記第2部材より厚さ寸法が大きな部材から成り、前記第1部材に対して第2部材を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化して成るものとされ、かつ、圧入の際の押し込み量は、前記第2部材の厚さ寸法以上、前記第1部材の厚さ寸法未満に設定されるとともに、圧入の際の前記第1部材と第2部材との重なり代は、0.5mm以上に設定されたことを特徴とする。
請求項6記載の発明は、請求項5記載の一体部材において、前記第1部材は、アルミニウム合金ダイカストから成るとともに、珪素が7.5〜18.0重量%含有されたことを特徴とする。
請求項7記載の発明は、請求項5記載の一体部材において、前記第1部材は、アルミニウム合金鋳物から成るとともに、珪素が6.5〜13.0重量%含有されたことを特徴とする。
請求項8記載の発明は、請求項5〜7の何れか1つに記載の一体部材において、前記第1部材は、ロックウェル硬さがHRB 40以上とされたことを特徴とする。
本発明によれば、第1部材は、珪素を所定量含有するとともに、第2部材より厚さ寸法が大きな部材から成り、第1部材に対して第2部材を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、かつ、圧入の際の押し込み量は、前記第2部材の厚さ寸法以上、前記第1部材の厚さ寸法未満に設定されるとともに、圧入の際の第1部材と第2部材との重なり代は、0.5mm以上に設定されたので、接合強度を向上させることができるとともに製造コストを低下させることができる。
本発明の実施形態に係る一体部材の製造方法(圧入前)を示す断面模式図 同一体部材の製造方法(圧入後)を示す断面模式図 得られた一体部材の接合部を示す写真 得られた一体部材の接合部を示す拡大写真 一体部材の製造における第1部材と第2部材との重なり代と接合率との関係を示す実験データ 一体部材の製造における第2部材の第1部材に対する押し込み量と接合率との関係を示す実験データ 一体部材の製造における第2部材の第1部材に対する押し込み量と接合率との関係であって重なり代を種々変更した場合の関係を示す実験データ 一体部材の製造における第1部材のロックウェル硬さと接合率との関係を示す実験データ
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態に係る一体部材Wは、図1、2に示すように、互いに異なる2種類の金属(Al材及びFe材)である第1部材1と第2部材2とを溶接(異材接合)して一体化させて成るものであり、第1部材1は、アルミニウム合金材料としてのアルミニウム(Al)合金ダイカストから成るとともに、第2部材2は、鉄(Fe)系材料から成るものである。
本実施形態に係る第1部材1は、第2部材2との接合部の厚さ寸法がaとされた部材から成り、当該厚さ寸法aは、第2部材2の第1部材1との接合部の厚さ寸法bより大きく設定されている。また、第1部材1における第2部材2との接合部における上縁端部には、面取りが施されているとともに、第2部材2における第1部材1との接合部における下縁端部にも同様の面取りが施されており、これら第1部材1と第2部材2とを一体化させる際、当該第1部材1の面取り部と第2部材2の面取り部とが対峙し得るよう構成されている。
しかるに、第1部材1は、図1に示すように、図示しない固定型等に固定されるとともに、第2部材2は、第1部材1との間で重なり代cを有しつつ可動型等に取り付けられる。そして、可動型を固定型に対して近接させることにより、第1部材1に対して第2部材2を厚さ方向(図2中Hで示す方向)に所定寸法だけ押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて両者が一体化されるようになっている。
例えば、第1部材1の下面には、下側電極が当該第1部材1と接触しつつ配設されているとともに、第2部材2の上面には、上側電極が当該第2部材2と接触しつつ配設されるものとされ、可動型に取り付けられた第2部材2を固定型に取り付けられた第1部材1に対して近接する方向(同図中下方)に移動させることにより圧入され、その圧入過程において、上側電極と下側電極との間で電圧が印加されて電気抵抗溶接が行われることとなるのである。
このように、第1部材1を固定させた状態にて当該第1部材1に対して第2部材2を圧入させつつ圧入部に通電することにより、その圧入部が電気抵抗溶接され、図2に示すように、当該第1部材1に第2部材2が溶着されて成る一体部材Wが得られることとなる。なお、上側電極と下側電極との間の通電は、圧入の全過程に亘って行われるもの、或いは圧入過程の何れかの任意の時期のみ行われるものであってもよい。
ここで、本実施形態に係る一体部材Wは、第1部材1に対して第2部材2を圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させているので、接合境界が接合方向(図2中上下方向)に対して角度eだけ傾斜している。この角度eは、例えば10°程度であれば接合率(%)を向上する上で好ましい。かかる接合率(%)は、例えば以下の演算式にて求められる(本明細書における以降の説明において同じ)。
接合率(%)=d/b×100(但し、dは、接合境界における同図中上下方向(一体部材Wの厚み方向)の寸法)
なお、同図中符号fは、接合時の通電及び加圧により溶融及び塑性変形したそれぞれの材料が接合部よりはみ出した部位を示している。
本実施形態に係る一体部材Wの製造方法によれば、従来の如き電子ビーム溶接や溶接トーチを用いたプラズマ溶接又はTig溶接等に比べ、第1部材1と第2部材2との溶着を短時間で且つ良好に行わせ、製造時のサイクルタイムの短縮及び組み付け精度の向上を図ることができる。すなわち、本実施形態の如く環状の電気抵抗溶接によれば、上記した従来の溶接に比べて溶着作業が短時間で済み、入熱量を少なくして歪みを抑制しつつ第1部材1と第2部材2との溶接を行うことができるのである。
ここで、本実施形態に係る第1部材1は、アルミニウム合金ダイカストから成るとともに、珪素(Si)を所定量含有するものとされている。より具体的には、第1部材1は、珪素(Si)を7.5〜18.0重量%、及び銅(Cu)を1.5〜5.0重量%添加して含有させたアルミニウム合金ダイカストから成り、上述の如く第1部材1に対して第2部材2を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、かつ、圧入の際の押し込み量Hは、第2部材2の厚さ寸法b以上、第1部材1の厚さ寸法a未満に設定されるとともに、圧入の際の第1部材1と第2部材2との重なり代cは、0.5mm以上に設定されている。
さらに、本実施形態に係る第1部材1は、ロックウェル硬さがHRB 40以上のアルミニウム合金ダイカストから成るものとされている。なお、第1部材1は、ロックウェル硬さがHRB 40〜HRB 50の範囲の部材であるのが好ましく、第2部材2は、ロックウェル硬さがHRB 80〜HRB 85の範囲の部材であるのが好ましいが、上記の一体部材Wの製造方法における圧入条件を満たすものであれば、他の硬さのものを用いてもよい。
そして、珪素(Si)及び銅(Cu)を所定量含有したアルミニウム合金ダイカストから成る第1部材1と鉄系材料から成る第2部材2とを上記の如き環状の電気抵抗溶接すると、図3、4に示すように、第1部材1と第2部材2との接合境界には、幅寸法kの中間層αが形成されていた。かかる中間層αは、Al−Fe−Si三元系化合物から成るものであり、その幅寸法kが比較的小さなものであった。
しかして、本実施形態によれば、珪素(Si)及び銅(Cu)を所定量含有したアルミニウム合金ダイカストから成る第1部材1を用いることにより、Al−Feなる二元系化合物から成る脆い中間層に代えて、比較的強度の高いAl−Fe−Si三元系化合物から成る中間層αを接合境界に生成させることができるので、接合強度を向上させることができる。さらに、添加物が珪素(Si)であることから、電気抵抗溶接に伴う加熱量が多くなっても、中間層αの幅寸法kが必要以上に大きくなってしまうのを回避することができる。なお、第1部材1は、珪素(Si)に加えて銅(Cu)も所定量添加されているので、Al−Fe−Si三元系化合物から成る中間層αの生成を促進することができ、より接合強度を向上させることができる。
例えば、第1部材1について、アルミニウム合金ダイカストから成り、珪素(Si)を5.12(重量%)含有した試料A1、珪素(Si)を7.45(重量%)含有した試料A2、珪素(Si)を10.7(重量%)含有した試料A3、珪素(Si)を18.1(重量%)含有した試料A4と、アルミニウム合金鋳物から成り、珪素(Si)を4.53(重量%)含有した試料B1、珪素(Si)を6.38(重量%)含有した試料B2、珪素(Si)を13.2(重量%)含有した試料B3とを用意し、鉄系材料から成る第2部材2との間で上記の如く環状の電気抵抗溶接した場合、表1のような結果が得られた。
かかる表1によれば、第1部材1がアルミニウム合金ダイカストから成る場合、珪素が概ね7.5〜18.0重量%程度含有したものであれば、Al−Fe−Si三元系化合物から成る中間層αの生成が得られるとともに、第1部材1がアルミニウム合金鋳物から成る場合、珪素が概ね6.5〜13.0重量%含有したものであれば、Al−Fe−Si三元系化合物から成る中間層αの生成が得られることが分かる。なお、何れの試料においても、生成された中間層αの厚さは1(μm)以下となっており、強度が向上していると考えられる。
以下に、本実施形態に係る一体部材の製造方法について、実験データに基づいて説明する。
アルミニウム合金ダイカストから成る厚さ寸法(a)が6(mm)の第1部材1を固定型に固定させるとともに、鉄系材料から成る厚さ寸法(b)が4(mm)の第2部材2を可動型に取り付けた。このときの第1部材1と第2部材2との間の重なり代(c)を種々変えたものを複数用意し、それぞれに対して押し込み量(H)が4(mm)となる圧入を行わせつつ電気抵抗溶接を行った。このときの第1部材1は、ロックウェル硬さがHRB 40〜HRB 50のものとされるとともに、第2部材2は、ロックウェル硬さがHRB 80〜HRB 85のものとされている。
かかる電気抵抗溶接により一体化された一体部材について、それぞれ接合率(%)を測定したところ、図5に示す如きグラフが得られた。かかる実験結果によれば、第1部材1に対して第2部材2を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化する際、第1部材1と第2部材2との重なり代(c)を0.5(mm)以上とすることにより、両者の接合率(%)を向上させることができ、接合強度を向上させ得ることが分かる。
また、重なり代(c)を0.5(mm)及び0.75(mm)に設定しつつ、第1部材1に対する第2部材2の押し込み量を第2部材2の厚さ寸法(b)から種々変更し、それぞれ接合率(%)を測定したところ、図6に示す如きグラフが得られた。かかる実験結果によれば、第1部材1と第2部材2との重なり代(c)が0.5(mm)、0.75(mm)の場合、押し込み量(H)を第2部材2の厚さ寸法b以上とすることにより、両者の接合率(%)を向上させることができ、接合強度を向上させ得ることが分かる。
さらに、重なり代(c)を0.5(mm)、0.75(mm)、1.0(mm)、1.25(mm)、1.5(mm)に設定しつつ、第1部材1に対する第2部材2の押し込み量を第2部材2の厚さ寸法(b)から種々変更し、それぞれ接合率(%)を測定したところ、図7に示す如きグラフが得られた。かかる実験結果によれば、第1部材1と第2部材2との重なり代(c)が0.5(mm)、0.75(mm)、1.0(mm)、1.25(mm)、1.5(mm)の場合、押し込み量(H)を第2部材2の厚さ寸法b以上とすることにより、両者の接合率(%)を向上させることができ、接合強度を向上させ得ることが分かる。
またさらに、ロックウェル硬さが種々異なる第1部材1を用い、重なり代(c)を0.75(mm)、及び第1部材1に対する第2部材2の押し込み量を当該第2部材2の厚さ寸法(b)に設定して、それぞれ接合率(%)を測定したところ、図8に示す如きグラフが得られた。かかる実験結果によれば、ロックウェル硬さ(硬度HRB)が40以上の第1部材1を用いることにより、常に安定した接合率を得ることができる。
このように、本実施形態によれば、第1部材1は、珪素を所定量含有するとともに、第2部材2より厚さ寸法が大きな部材から成り、第1部材1に対して第2部材2を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、かつ、圧入の際の押し込み量Hは、第2部材2の厚さ寸法b以上、第1部材1の厚さ寸法a未満に設定されるとともに、圧入の際の第1部材1と第2部材2との重なり代cは、0.5mm以上に設定されたので、接合強度を向上させることができるとともに製造コストを低下させることができる。
特に、本実施形態によれば、第1部材1を構成するアルミニウム合金ダイカストが珪素(Si)又は銅(Cu)を所定量含有するものとされ、かつ、第1部材1に対して第2部材2を圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化させるので、接合境界に生成される中間層αの幅寸法kを小さくすることができ、かつ、その中間層αを比較的強度の高いAl−Fe−Si三元系化合物とすることができ、接合強度を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、第1部材1に対して第2部材2を圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させているので、圧入時に第1部材1の被溶接部(圧入部)の表面にある酸化膜が除去されることとなり、接合に必要な元素拡散を阻害することなく良好な溶接が可能とされる。これにより、酸化膜を除去するための別個の工程を不要とすることができるとともに、接合時においてシールドガス雰囲気や真空雰囲気が不要とされ、製造コストを低下させることができる。
さらに、第1部材1に対して第2部材2を圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させているので、接合境界が接合方向に対して傾斜(図2〜4参照)することとなる。これにより、第1部材1と第2部材2との接合率が増加することとなり、接合強度をより向上させることができる。またさらに、第1部材1に対して第2部材2を圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させているので、溶接時間が短時間とされ、高温度域の時間が短くなって中間層αの生成をより抑制することができ、接合強度をより向上させることができる。
以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば第1部材1をアルミニウム合金ダイカストに代え、例えばアルミニウム合金鋳物としてもよく、この場合、珪素が6.5〜13.0重量%含有された部材を用いるのが好ましい。また、第1部材1及び第2部材2は、上記実施形態の如き硬度の部材が好ましいが、それと異なる硬さの部材を用いるようにしてもよい。但し、第1部材1については、ロックウェル硬さがHRB 40以上の部材が好ましい。さらに、本実施形態に係る第1部材1は、銅(Cu)を1.5〜5.0重量%含有しているが、他の含有量であってもよく或いは銅(Cu)を含有していないものであってもよい。
第1部材は、珪素を所定量含有するとともに、第2部材より厚さ寸法が大きな部材から成り、第1部材に対して第2部材を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、かつ、圧入の際の押し込み量は、第2部材の厚さ寸法以上、第1部材の厚さ寸法未満に設定されるとともに、圧入の際の第1部材と第2部材との重なり代は、0.5mm以上に設定された一体部材の製造方法及び一体部材であれば、外観形状が異なるもの或いは他の機能が付加されたもの等にも適用することができる。
1 第1部材
2 第2部材
W 一体部材
本発明は、アルミニウム合金材料から成る第1部材と、鉄系材料から成る第2部材とを溶接にて一体化させる一体部材の製造方法に関するものである。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、接合強度を向上させることができるとともに製造コストを低下させることができる一体部材の製造方法を提供することにある。
請求項1記載の発明は、アルミニウム合金材料から成る第1部材と、鉄系材料から成る第2部材とを溶接して一体化させる一体部材の製造方法であって、前記第1部材は、珪素を所定量含有するとともに、前記第1部材に対して第2部材を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、接合時の通電及び加圧により溶融及び塑性変形させて、前記第1部材と第2部材との接合境界にFe−Al−Si三元系化合物から成る中間層を形成させることを特徴とする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の一体部材の製造方法において、接合時の通電及び加圧により溶融及び塑性変形させて、前記中間層を形成させつつ前記接合境界を圧入方向に対して傾斜させることを特徴とする。
請求項3記載の発明は、請求項1又は請求項2記載の一体部材の製造方法において、接合時の通電及び加圧により溶融及び塑性変形させて、前記中間層を形成させつつ材料が前記接合部よりはみ出した部位を形成させることを特徴とする。
請求項4記載の発明は、請求項1〜3の何れか1つに記載の一体部材の製造方法において、前記中間層の厚さが1μm以下であることを特徴とする。
請求項記載の発明は、請求項1〜4の何れか1つに記載の一体部材の製造方法において、前記第1部材は、アルミニウム合金ダイカストから成るとともに、珪素が7.5〜18.0重量%含有されたことを特徴とする。
請求項記載の発明は、請求項1〜4の何れか1つに記載の一体部材の製造方法において、前記第1部材は、アルミニウム合金鋳物から成るとともに、珪素が6.5〜13.0重量%含有されたことを特徴とする。
本発明によれば、第1部材は、珪素を所定量含有するとともに第1部材に対して第2部材を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、接合時の通電及び加圧により溶融及び塑性変形させて、第1部材と第2部材との接合境界にFe−Al−Si三元系化合物から成る中間層を形成させるので、接合強度を向上させることができるとともに製造コストを低下させることができる。
第1部材は、珪素を所定量含有するとともに第1部材に対して第2部材を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、接合時の通電及び加圧により溶融及び塑性変形させて、第1部材と第2部材との接合境界にFe−Al−Si三元系化合物から成る中間層を形成させる一体部材の製造方法であれば、外観形状が異なるもの或いは他の機能が付加されたもの等にも適用することができる。

Claims (8)

  1. アルミニウム合金材料から成る第1部材と、鉄系材料から成る第2部材とを溶接して一体化させる一体部材の製造方法であって、
    前記第1部材は、珪素を所定量含有するとともに、前記第2部材より厚さ寸法が大きな部材から成り、前記第1部材に対して第2部材を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、かつ、圧入の際の押し込み量は、前記第2部材の厚さ寸法以上、前記第1部材の厚さ寸法未満に設定されるとともに、圧入の際の前記第1部材と第2部材との重なり代は、0.5mm以上に設定されたことを特徴とする一体部材の製造方法。
  2. 前記第1部材は、アルミニウム合金ダイカストから成るとともに、珪素が7.5〜18.0重量%含有されたことを特徴とする請求項1記載の一体部材の製造方法。
  3. 前記第1部材は、アルミニウム合金鋳物から成るとともに、珪素が6.5〜13.0重量%含有されたことを特徴とする請求項1記載の一体部材の製造方法。
  4. 前記第1部材は、ロックウェル硬さがHRB 40以上とされたことを特徴とする請求項1〜3の何れか1つに記載の一体部材の製造方法。
  5. アルミニウム合金材料から成る第1部材と、鉄系材料から成る第2部材とを溶接して一体化させて成る一体部材であって、
    前記第1部材は、珪素を所定量含有するとともに、前記第2部材より厚さ寸法が大きな部材から成り、前記第1部材に対して第2部材を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化して成るものとされ、かつ、圧入の際の押し込み量は、前記第2部材の厚さ寸法以上、前記第1部材の厚さ寸法未満に設定されるとともに、圧入の際の前記第1部材と第2部材との重なり代は、0.5mm以上に設定されたことを特徴とする一体部材。
  6. 前記第1部材は、アルミニウム合金ダイカストから成るとともに、珪素が7.5〜18.0重量%含有されたことを特徴とする請求項5記載の一体部材。
  7. 前記第1部材は、アルミニウム合金鋳物から成るとともに、珪素が6.5〜13.0重量%含有されたことを特徴とする請求項5記載の一体部材。
  8. 前記第1部材は、ロックウェル硬さがHRB 40以上とされたことを特徴とする請求項5〜7の何れか1つに記載の一体部材。
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