JPWO2017077692A1 - アーク溶接方法 - Google Patents

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Abstract

本開示のアーク溶接方法は、教示プログラム作成ステップと、位置検出ステップと、溶接ステップとを有する。位置検出ステップでは、教示プログラム作成ステップの後に、サーボモータを有する溶接トーチを用いて、位置検出プログラムを実行する。溶接ステップでは、位置検出ステップの後に、溶接トーチを用いて、溶接プログラムを実行する。さらに、位置検出ステップにおけるサーボモータの位置検出用ゲインは、溶接ステップにおけるサーボモータの溶接用ゲインよりも大きい。

Description

本開示は、溶接トーチを用いたアーク溶接方法に関し、特に、内部にサーボモータを有する溶接トーチを用いたアーク溶接方法における位置検出方法に関する。
図8および図9を用いて、従来の溶接トーチについて説明する。図8は、従来の自動溶接装置900の構成を示す概略図である。図9は、従来の溶接トーチ920の構成を示す概略図である。
図8に示すように、従来の自動溶接装置900は、電極送給部910と、溶接トーチ920と、電極送給部910と溶接トーチ920とを接続するトーチケーブル930とを有する。電極送給部910は、ワイヤリール911と、送給ローラ912と、加圧ローラ913と、加圧アーム914と、加圧シリンダ915と、圧力制御弁916とを有する。ワイヤリール911に巻きつけられた消耗電極901は、送給ローラ912の回転によって、トーチケーブル930の内部を通って、溶接トーチ920に送給される。また、消耗電極901は、加圧アーム914と、加圧シリンダ915と、圧力制御弁916とによって、加圧ローラ913による圧力が調整される。
また、図9に示すように、溶接トーチ920は、内部に消耗電極901が通っており、スプリングバック式ピストン921(以下、ピストン921と表す)によって、消耗電極901を加圧クランプできる。ピストン921は、継手922に供給される圧縮空気によって加圧されることで、消耗電極901の方に移動して消耗電極901をクランプする。
図8に示すように、自動溶接装置900は、加圧シリンダ915と継手922に方向切換弁940を介して圧縮空気を送ることで、消耗電極901をピストン921によってクランプすることができる。同時に、自動溶接装置900は、加圧ローラ913による消耗電極901への圧力を解放できる。そして、消耗電極901をピストン921によってクランプし、加圧ローラ913による圧力を解放した状態で、消耗電極901を母材(図示せず)に接触させ、母材の位置を検出する位置検出方法が従来から知られている(特許文献1参照)。
特開平1−233068号公報
本開示のアーク溶接方法は、教示プログラム作成ステップと、位置検出ステップと、溶接ステップとを有する。教示プログラム作成ステップでは、位置検出プログラムおよび溶接プログラムを含む教示プログラムを作成する。位置検出ステップでは、教示プログラム作成ステップの後に、サーボモータを有する溶接トーチを用いて、位置検出プログラムを実行する。溶接ステップでは、位置検出ステップの後に、溶接トーチを用いて、溶接プログラムを実行する。さらに、位置検出ステップにおけるサーボモータの位置検出用ゲインは、溶接ステップにおけるサーボモータの溶接用ゲインよりも大きい。
図1は、実施の形態にかかるアーク溶接システム1を示す概略図である。 図2は、実施の形態にかかる溶接トーチ3およびその周辺の構成を示す側面図である。 図3は、実施の形態にかかる溶接トーチ3のワイヤ送給部10の拡大図である。 図4は、実施の形態にかかるアーク溶接方法を示すフロー図である。 図5は、検出位置P1の位置検出指令を実行するフロー図である。 図6は、検出位置P1の位置検出指令を実行するときの、溶接トーチ3と加工物8とを示す斜視図である。 図7は、検出位置P1の位置検出指令を実行するときの、溶接トーチ3と加工物8とを示す斜視図である。 図8は、従来の自動溶接装置900の構成を示す概略図である。 図9は、従来の溶接トーチ920の構成を示す概略図である。
本開示の実施の形態の説明に先立ち、従来の装置における問題点を簡単に説明する。
上述した従来の自動溶接装置900は、消耗電極901をクランプするために、電極送給部910に加圧ローラ913と、加圧アーム914と、加圧シリンダ915と、圧力制御弁916を設けるとともに、溶接トーチ920にピストン921や継手922を設ける必要がある。さらに、加圧シリンダ915やピストン921に圧縮空気を送るためのホースや方向切換弁940も必要であり、非常に複雑な構造である。
(実施の形態)
図1は、本実施の形態にかかるアーク溶接システム1を示す概略図である。図2は、本実施の形態にかかる溶接トーチ3およびその周辺の構成を示す側面図である。図3は、本実施の形態にかかる溶接トーチ3のワイヤ送給部10の拡大図である。
図1に示すように、本実施の形態にかかるアーク溶接システム1は、マニピュレータ2と、溶接トーチ3と、制御装置4と、ワイヤケーブル5と、ワイヤ収納ケース6と、溶接ワイヤ7と、ワイヤ送給補助装置9とを有する。溶接トーチ3は、マニピュレータ2の手首部の先端に取り付けられ、マニピュレータ2および溶接トーチ3は制御装置4により制御される。また、溶接トーチ3には、ワイヤケーブル5とワイヤ送給補助装置9とを介して、ワイヤ収納ケース6内の溶接ワイヤ7が供給される。そして、制御装置4によってマニピュレータ2および溶接トーチ3を制御し、加工物8に溶接加工を行う。なお、ワイヤ送給補助装置9は、ワイヤ収納ケース6内の溶接ワイヤ7を一定の送給力で溶接トーチ3へ送給するものである。ワイヤ送給補助装置9の溶接ワイヤ7の送給力は、溶接トーチ3によるワイヤ送給動作に影響を与えるほど大きくはない。また、本実施の形態では、ワイヤ送給補助装置9を用いたアーク溶接システム1について説明するが、ワイヤ送給補助装置9は、ワイヤケーブル5が短い場合などは、必ずしも必要ではない。
図2に示すように、本実施の形態にかかる溶接トーチ3は、ワイヤケーブル5と接続され、ワイヤケーブル5からワイヤケーブル5の内部を通って、溶接ワイヤ7が供給される。溶接ワイヤ7は、ワイヤ送給部10によって送給されることによって溶接トーチ3の先端部30から突出し、加工物8の溶接箇所に供給される。また、溶接トーチ3は、接続部40を有し、接続部40を介してマニピュレータ2の手首部の先端に接続される。
図3に示すように、本実施の形態にかかる溶接トーチ3のワイヤ送給部10は、送給ローラ11および固定ローラ12によって挟まれた溶接ワイヤ7を、送給ローラ11の回転によって、正送および逆送させる。正送とは、溶接ワイヤ7を溶接トーチ3の先端部30から送り出すことであり、逆送とは、溶接ワイヤ7を溶接トーチ3の先端部30に引き戻すことである。
固定ローラ12は、ワイヤ送給部10に固定されており、送給ローラ11の回転に合わせて溶接ワイヤ7の正送方向および逆送方向に回転できる。また、固定ローラ12は、溶接ワイヤ7を送給ローラ11に押し付けるように設けられている。
送給ローラ11は、歯車またはベルトを介してサーボモータ13の駆動が伝達され、溶接ワイヤ7を正送または逆送するように回転する。また、送給ローラ11には、溶接ワイヤ7が固定ローラ12によって押し付けられている。
サーボモータ13は、制御装置4からのワイヤ送給指令によって駆動するモータ131と、モータの角度位置を把握するためのエンコーダ132を有する。制御装置4からのワイヤ送給指令に基づいてサーボモータ13のモータ131が回転し、モータ131の回転が、歯車またはベルトを介して伝達されて送給ローラ11が回転する。また、サーボモータ13のエンコーダ132は、モータ131の角度位置をサンプリング周期ごとに検出し、制御装置4に出力する。制御装置4は、サーボモータ13のエンコーダ132から出力されるモータ131の角度位置に基づいて、サーボモータ13の動作状況を把握することができる。制御装置4には、エンコーダから周期的にモータの角度位置が送信される。そのため、制御装置4は、モータ131の角度位置に加えて、モータ131の角度位置の時間変化に基づいて、モータ131の角速度およびモータ131の角加速度を算出できる。
サーボモータ13は、サーボロックがオン(ON)の状態では、モータ131の角度位置を補正する機能がある。すなわち、外力によってモータ131が不意に回転され、制御装置4が制御しているモータ131の角度位置(以下、制御角度とする)とは異なった角度位置になってしまったことをエンコーダ132から受信すると、制御装置4はモータ131の角度位置が制御角度になるようにモータ131を駆動する。
同様に、サーボモータ13は、サーボロックがONの状態では、モータ131の角速度やモータ131の角加速度を補正する機能がある。すなわち、外力によってモータ131の角速度や角加速度が不意に変化され、制御装置4が制御しているモータ131の角速度(以下、制御速度とする)やモータ131の角加速度(以下、制御加速度)とは異なってしまったことを判定すると、制御装置4はモータ131の角速度や角加速度が制御速度や制御加速度になるようにモータ131を駆動する。
サーボロックの機能は、サーボモータ13のゲインによって調整され、サーボモータ13のゲインが高いと、モータの駆動を補正する機能が高くなる。例えば、サーボモータ13の位置制御に関して、サーボモータ13の位置調整ゲインが高い場合は、モータ131が不意に回転してモータ131の角度位置が制御角度からずれた時に、すぐに、モータ131の角度位置を制御角度へ戻すようにモータ131を駆動する。しかし、サーボモータ13のゲインが高い場合は、サーボロックの感度が高い(反応が早い)ため、モータ131が発振してしまい、モータ131の駆動が不安定になるという欠点がある。
これに対し、サーボモータ13のゲインが低いと、モータ131の角度位置を補正する機能が低くなる。すなわち、サーボモータ13のゲインが低い場合は、モータ131が不意に回転してモータの角度位置が制御角度からずれた時に、ゆっくりとモータ131の角度位置を制御角度へ戻すようにモータ131を駆動する。そのため、モータ131の角度位置が制御角度から一時的に大幅にずれてしまうことがある。しかし、サーボモータ13のゲインが低い場合は、サーボロックの感度が低い(反応が遅い)ため、モータ131が発振することはなく、モータ131の駆動は安定する。
サーボモータ13のゲインには、モータ131の位置制御の感度である位置調整ゲインに加えて、モータ131の角速度制御の感度である速度調整ゲインや、モータ131の角加速度制御の感度である加速度調整ゲインがある。モータ131の駆動状況に応じて、位置制御ゲイン、速度調整ゲイン、加速度調整ゲインのそれぞれを最適なゲインに設定(変更)することができる。また、サーボモータ13の制御機能について、位置制御と速度制御と加速度制御のうち、必要のない制御機能については無効にすることも可能である。
次に、本実施の形態のアーク溶接方法について説明する。
図4は、本実施の形態にかかるアーク溶接方法を示すフロー図である。
図4に示すように、手首部の先端に溶接トーチ3を接続したマニピュレータ2を用いたアーク溶接方法は、ステップ1〜ステップ7を有する。
ステップ1は条件設定ステップであり、加工物8や溶接ワイヤ7の情報を制御装置4に設定する。具体的には、ステップ1では、加工物8の厚さや材質や継手形状、溶接ワイヤ7の直径や材質を制御装置4に設定する。
次に、ステップ2は教示プログラム作成ステップであり、教示プログラムを制御装置4に作成する。教示プログラムは、位置検出プログラムおよび溶接プログラムを有する。位置検出プログラムとは、溶接を行う前に、マニピュレータ2を動作させることによって加工物8に溶接ワイヤ7を接触させ、加工物8の位置ずれを検出するためのプログラムである。位置検出プログラムは、複数の位置検出指令によって構成されており、複数の位置検出指令のそれぞれは、マニピュレータ2の動作指令であり、指定された検出位置における加工物8のずれを検出する。位置検出プログラムにより、加工物8が実際に配置されている位置を特定する。
溶接プログラムは、実際に溶接を行うためのプログラムである。溶接プログラムは、複数の溶接指令によって構成されており、複数の溶接指令のそれぞれは、マニピュレータ2の動作指令、溶接電圧指令、溶接電流指令、ワイヤ送給速度指令などを含んでいる。なお、溶接プログラムは、直前に実行した位置検出プログラムの検出結果に基づいて、マニピュレータ2の動作指令を補正する。これにより、加工物8が実際に配置されている位置に合わせた溶接ができる。
教示プログラムは、実際に加工物8に対して溶接トーチ3を接続したマニピュレータ2を動作させて作成しても良いし、コンピュータによって仮想的に作成しても良い。なお、位置検出プログラムと溶接プログラムは、同時並行して作成しても構わないし、一方のプログラムの作成を完了してから他方のプログラムを作成しても構わない。また、ステップ1およびステップ2は作業者がマニピュレータ2やパソコンを操作して制御装置4に設定するものである。
次に、ステップ3では、サーボモータ13のゲインが位置検出用ゲインG1に設定される。位置検出用ゲインG1の値は、ステップ1の条件設定ステップにおいて制御装置4に記憶させておく。また、ワイヤ送給補助装置9が起動している場合は、ステップ3において、ワイヤ送給補助装置9を停止させる。
次に、ステップ4は位置検出ステップであり、ステップ2で作成した位置検出プログラムを実行する。位置検出プログラムが実行されると、位置検出プログラムを構成する位置検出指令に基づいて制御装置4がマニピュレータ2を制御し、加工物8に対して溶接ワイヤ7を接触させることで、加工物8の位置ずれを検出する。ステップ4については、後述する。
次に、ステップ5では、サーボモータ13のゲインを溶接用ゲインG2に設定する。すなわち、サーボモータ13のゲインを位置検出用ゲインG1から溶接用ゲインG2に変更する。溶接用ゲインG2の値は、ステップ1の条件設定ステップにおいて制御装置4に記憶させておく。また、ステップ5では、停止させていたワイヤ送給補助装置9を起動させる。
次に、ステップ6は溶接ステップであり、ステップ2で作成した溶接プログラムを実行する。溶接プログラムが実行されると、溶接プログラムを構成する溶接指令に基づいて制御装置4がマニピュレータ2と溶接トーチ3を制御し、加工物8の溶接が行われる。なお、溶接プログラムに含まれる複数の溶接指令のうちの溶接位置に関する情報は、ステップ4で行った位置検出結果に基づいて補正されて、溶接指令が実行される。
最後に、ステップ7において、加工物8の溶接が終了する。なお、ステップ3〜ステップ7までは、ステップ1およびステップ2に基づいて自動で実行される。
以上のステップ1〜ステップ7を行うことで溶接作業は行われる。しかしながら、全く同じ溶接作業を複数の加工物8に対して行うときは、2回目以降はステップ1およびステップ2は行わず、自動で実行されるステップ3〜ステップ7を行えばよい。
ここで、ステップ3における位置検出用ゲインG1およびステップ5における溶接用ゲインG2について、説明する。位置検出用ゲインG1には、前述したように、モータの位置制御に関する位置調整ゲインPG1、モータの角速度制御に関する速度調整ゲインVG1、モータの角加速度制御に関する加速度調整ゲインAG1という3種類のゲインが存在する。同様に、溶接用ゲインG2にも、位置調整ゲインPG2、速度調整ゲインVG2、角速度調整ゲインAG2の3種類のゲインが存在する。
ステップ3における位置検出用ゲインG1は、ステップ5における溶接用ゲインG2よりも高いゲインである。すなわち、ステップ4の位置検出ステップにおけるサーボモータ13のゲインは、ステップ6の溶接ステップにおけるサーボモータ13のゲインよりも高い。これにより、ステップ4の位置検出ステップでは、溶接ワイヤ7の位置ずれを抑えることができ、かつ、ステップ6の溶接ステップでは、サーボモータ13の発振を抑え、安定した溶接が行える。
前述したように、位置検出用ゲインG1および溶接用ゲインG2は、ともに、位置調整ゲイン(PG1、PG2)と、速度調整ゲイン(VG1、VG2)と、角速度調整ゲイン(AG1、AG2)の3種類のゲインを有する。本実施の形態においては、3種類のゲインすべてにおいて、位置検出時には、溶接時よりも高く設定しても良い。また、3種類のゲインのうちの1つまたは2つだけ、位置検出時には溶接時よりも高くし、その他のゲインは位置検出時と溶接時が同じであっても良い。なお、サーボモータ13の制御において、無効化されている機能に関するゲインは、有効化されている機能に関するゲインよりも高い。
次に、ステップ4である位置検出ステップについて、図5〜図7を用いて、さらに具体的に説明する。特に、サーボモータ13の位置制御機能を例として、位置調整ゲインの設定について、説明する。図5は、検出位置P1の位置検出指令を実行するフロー図である。図6および図7は、検出位置P1の位置検出指令を実行するときの、溶接トーチ3と加工物8とを示す斜視図である。
まず、ステップ4−1では、図6に示すように、検出位置P1のセンシング開始位置S1まで、溶接トーチ3をマニピュレータによって移動させる。検出位置P1のセンシング開始位置S1とは、加工物8上の検出位置P1から少し離れた位置である。
次に、ステップ4−2では、図6の矢印に示すように、マニピュレータによって溶接トーチ3を動作し、溶接トーチ3の先端部30から突出した溶接ワイヤ7の先端を加工物8上の検出位置P1に少し近づける。溶接ワイヤ7は、センシング電圧が印加されており、センシング電圧の変化によって、加工物8との接触を検出できる。
次に、ステップ4−3では、溶接ワイヤ7の先端が加工物8に接触したかどうかを確認し、接触が検出できなければステップ4−2に戻り、さらに検出位置P1へのアプローチを行う。溶接ワイヤ7の先端の加工物8への接触が検出されるまで、ステップ4−2およびステップ4−3が繰り返される。そして、図7に示すように、溶接ワイヤ7の先端が加工物8に接触したことが検出されると、検出した加工物8上の検出位置P1の座標を制御装置4に記録する。
次に、ステップ4−4では、図7の矢印に示すように、マニピュレータによって溶接トーチ3を動作し、溶接トーチ3が加工物8から離れるように、検出位置P1のセンシング開始位置S1への溶接トーチ3の移動を開始する。
次に、ステップ4−5では、ステップ4−3における溶接ワイヤ7と加工物8との接触により、溶接ワイヤ7が溶接トーチ3に押し込まれていないかを判断する。溶接ワイヤ7の位置は、送給ローラ11を介してサーボモータ13に伝達されているので、サーボモータ13のエンコーダによって、把握されている。そして、ステップ4−3において溶接ワイヤ7が溶接トーチ3に押し込まれている場合は、ステップ4−6において、サーボ機能(特に、位置制御機能)によって、押し込まれた長さだけ溶接ワイヤ7を送給する。すなわち、溶接ワイヤ7の先端をステップ4−3の前の位置に戻す。また、ステップ4−3において、溶接ワイヤ7が溶接トーチ3に押し込まれていない場合、すなわち、溶接ワイヤ7の先端がステップ4−3の前の位置のままの場合は、ステップ4−6は行わない。なお、説明のために、ステップ4−5およびステップ4−6をステップ4−4の後に行うフロー図を示したが、位置検出指令が実行されている間、サーボモータ13は位置検出用ゲインG1が設定されたサーボ機能が有効となっている。そのため、ステップ4−5およびステップ4−6はステップ4−3やステップ4−4と同時に行われている。
次に、ステップ4−7では、溶接トーチ3が検出位置P1のセンシング開始位置S1まで移動し、ステップ4−8で、検出位置P1の位置検出指令を終了する。
以上のように、本実施の形態の位置検出方法では、サーボモータ13のサーボ機能(特に位置制御機能)により、ステップ4−5およびステップ4−6において、位置検出のための溶接ワイヤ7と加工物8との接触において溶接ワイヤ7の位置が変化しても、元の位置に戻ることができる。
そして、本実施の形態の位置検出方法では、位置検出ステップにおいて、サーボモータ13のゲイン(位置検出用ゲインG1のうちの位置調整ゲインPG1)が溶接ステップにおけるサーボモータ13のゲイン(溶接用ゲインG2のうちの位置調整ゲインPG2)よりも高いため、ステップ4−3において記録される検出位置P1の座標をより正確に把握できる。
また、位置検出ステップにおいて検出位置を変更するときはマニピュレータ2が大きな動作をし、ワイヤケーブル5の変形による溶接ワイヤ7の位置ずれが起きる。しかし、本実施の形態の位置検出方法では、位置検出ステップにおけるサーボモータ13のゲイン(位置検出用ゲインG1のうちの位置調整ゲインPG1)が溶接ステップにおけるサーボモータ13のゲイン(溶接用ゲインG2のうちの位置調整ゲインPG2)よりも高いため、このようなワイヤケーブル5の変形による溶接ワイヤ7の先端位置の変動も抑えることができる。
なお、本実施の形態においては、サーボモータ13の位置制御を例として説明したため、位置調整ゲイン(PG1、PG2)の変更(PG1>PG2)について説明した。しかし、本開示のアーク溶接方法は、位置調整ゲイン(PG1、PG2)に限らず、速度調整ゲイン(VG1、VG2)の変更(VG1>VG2)や角速度調整ゲイン(AG1、AG2)の変更(AG1>AG2)を行っても構わない。すなわち、位置調整ゲインと速度調整ゲインと加速度調整ゲインとのうちの1つは、位置検出ステップにおけるゲインを、溶接ステップにおけるゲインよりも高くし、その他のゲインについては、位置検出ステップと溶接ステップとで等しくしても良い。また、位置調整ゲインと速度調整ゲインと加速度調整ゲインとのうちの2つは、位置検出ステップにおけるゲインを、溶接ステップにおけるゲインよりも高くし、残りのゲインについては、位置検出ステップと溶接ステップとで等しくしても良い。また、位置調整ゲインと速度調整ゲインと加速度調整ゲインとの全ては、位置検出ステップにおけるゲインを、溶接ステップにおけるゲインよりも高くしても良い。
本開示に係るアーク溶接方法によると、シンプルな構造の溶接トーチで、溶接ワイヤの位置を適切に制御して位置検出を行うことができ、産業上有用である。
1 アーク溶接システム
2 マニピュレータ
3 溶接トーチ
4 制御装置
5 ワイヤケーブル
6 ワイヤ収納ケース
7 溶接ワイヤ
8 加工物
9 ワイヤ送給補助装置
10 ワイヤ送給部
11 送給ローラ
12 固定ローラ
13 サーボモータ
30 先端部
40 接続部
G1 位置検出用ゲイン
G2 溶接用ゲイン
PG1 位置調整ゲイン(位置検出時)
PG2 位置調整ゲイン(溶接時)
VG1 速度調整ゲイン(位置検出時)
VG2 速度調整ゲイン(溶接時)
AG1 加速度調整ゲイン(位置検出時)
AG2 加速度調整ゲイン(溶接時)
P1 検出位置
S1 センシング開始位置
131 モータ
132 エンコーダ
900 自動溶接装置
901 消耗電極
910 電極送給部
911 ワイヤリール
912 送給ローラ
913 加圧ローラ
914 加圧アーム
915 加圧シリンダ
916 圧力制御弁
920 溶接トーチ
921 ピストン
922 継手
930 トーチケーブル
940 方向切換弁

Claims (4)

  1. 位置検出プログラムおよび溶接プログラムを含む教示プログラムを作成する教示プログラム作成ステップと、
    前記教示プログラム作成ステップの後に、サーボモータを有する溶接トーチを用いて、前記位置検出プログラムを実行する位置検出ステップと、
    前記位置検出ステップの後に、前記溶接トーチを用いて、前記溶接プログラムを実行する溶接ステップと、を備え、
    前記位置検出ステップにおける前記サーボモータの位置検出用ゲインは、前記溶接ステップにおける前記サーボモータの溶接用ゲインよりも大きいアーク溶接方法。
  2. 位置調整ゲインと速度調整ゲインと加速度調整ゲインとのいずれか1つについて、前記位置検出ステップにおけるゲインが、前記溶接ステップにおけるゲインより大きく、
    前記位置調整ゲインと前記速度調整ゲインと前記加速度調整ゲインとのその他の2つについて、前記位置検出ステップにおけるゲインが、前記溶接ステップにおけるゲインと等しい請求項1に記載のアーク溶接方法。
  3. 位置調整ゲインと速度調整ゲインと加速度調整ゲインとのいずれか2つについて、前記位置検出ステップにおけるゲインが、前記溶接ステップにおけるゲインより大きく、
    前記位置調整ゲインと前記速度調整ゲインと前記加速度調整ゲインとのその他の1つについて、前記位置検出ステップにおけるゲインが、前記溶接ステップにおけるゲインと等しい請求項1に記載のアーク溶接方法。
  4. 位置調整ゲインと速度調整ゲインと加速度調整ゲインとの全てについて、前記位置検出ステップにおけるゲインが、前記溶接ステップにおけるゲインより大きい請求項1に記載のアーク溶接方法。
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