DE2703127A1 - Abbrennstumpfschweiss-verfahren und schweissvorrichtung - Google Patents
Abbrennstumpfschweiss-verfahren und schweissvorrichtungInfo
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- B23K11/241—Electric supplies
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Description
Dipl.-Chem. Bühling
2703127 Dipl.-lng. Kinne
* f Dipl-lng Qrupe
Dipl.-lng. Qrupe
8000M0ndMn2
Tel.:(089)539653-56
Telex:524845tipat
cable. Germaniapatent München
26. Januar 1977 B 791ο
case ME-286T(F-1417)
Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Tokyo, Japan
Die Erfindung betrifft ein neues Abbrennstumpfschwelß-Verfahren und eine Schweißvorrichtung und genauer gesagt ein
Abbrennstumpfschweiß-Verfahren und eine Schweißvorrichtung mit
einer speziellen Einrichtung zum Anlegen der Spannung. Als
Stromquelle für Abbrennetumpfschweißungen 1st hauptsächlich
eine einphasige Wechselstromquelle mit der kommerziellen Frequenz (Sinuswellenform) benutzt worden. Wenn Im Fall dieser
Stromquelle eine Ortliche Strombrücke (Kurzschluß) des Wirkstttcks nahe dem Nulldurchgang der Spannung von Flg. 1 (schraf-
fierter Bereich von Fig. 1) hervorgerufen wird, 1st die Spannung niedrig, um den durch diesen Teil laufenden Strom zn begrenzen. Dadurch bleibt die Strombrücke bestehen, bis der
StrombrUckenteil durch Ansteigen der Spannung zerstreut wird, ohne daß der Wechsel zum Abbrennen stattfindet. Während dieser
Zeitdauer wird der Abstand zwischen den Werkstücken verkürzt, indem die bewegliche Elektrode bewegt wird, wodurch die wirksame Fläche, durch die Strom zwischen den Kantenflächen der
2
(Strom pro mm ) ansteigt. Demzufolge werden die Kantenober
flächen der Werkstücke nicht in gewünschtem Maße erhitzt, und
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β« ergibt sich kein Lichtbogen (flash). SchlieBlich kann sich
ein Aneinanderstoßen ergeben (der Zustand, der die Strombrücke zwischen den Werkstücken ohne den Lichtbogen hervorruft) .
(im folgenden als Lichtbogen-Spannung bezeichnet) anzulegen, damit die Kantenflächen der Werkstücke durch Erhöhen der
Stromdichte erhitzt wurden.
Wenn die Lichtbogenspannung hoch 1st, muB die Eingangsstromquellenkapazität erhöht werden, um den heftigen
Lichtbogen hervorzurufen, wodurch die Qualität des geechweißten Teiles nachteilig beeinflußt wird.
Es 1st vorgeschlagen worden, die Lichtbogenspannung durch
Verwendung von Gleichspannung als Lichtbogenspannung herab
zusetzen, um den Anstieg der Lichtbogenspannung zu vermeiden.
Wenn jedoch die Querschnittsfläche des Werkstücks groß 1st
und eine große Ausgangskapazität der Stromquelle erforder-. Hch 1st, kann der Einfluß der Induktivität auf Seiten des
Gleichrichters gegenüber der Impedanz des Hauptstromkreises
nicht vernachlässigt werden, wodurch der Anstieg des Lichtbogenstroms merklich begrenzt wird und die Funktion der AbbrennstumpfschwelB-Vorrichtung verschlechtert wird.
Es ist ebenso vorgeschlagen worden, die Lichtbogenspannung durch Phasensteuerung mit einem Thyristor etc.
zu steuern, wenn eine Wechselstromquelle mit Sinuswellenform verwendet wird. Flg. 2 zeigt die Spannungswellenform in diesem Fall, wobei die Periode, in der keine Spannung anliegt
(AB) verlängert ist, was einen weiteren Machteil bewirkt.
Die Tatsache, daß die Qualität eines geschweißten Teiles durch die phasengesteuerte Spannung beim Abbrenn-
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schweißVorgang schlechter wird, ist offenbart in
"Welding Journal" Band 5o, Nr. 5, 1971, Seiten 213s bis 221 s,
"Effect of phase control during flashing on flash weld defects".
Die bekannte Abbrennstumpfschweiß-Vorrichtung hat folgende Nachteile:
1. Eine Wechselstromquelle mit Sinuswellenform wird
hauptsächlich verwendet. Die Lichtbogenspannung Büßte erhöht werden, um den Lichtbogen bei einer Wechselstromquelle mit
Sinuswellenform aufrecht zu erhalten. Die Eingangsstromquellen
kapazität müßte erhöht werden, um einen starken Lichtbogen zu
bewirken.
2. Das Anheben des Lichtbogenstroms ist durch die Wirkung der Induktivität des Gleichrichters in dem Fall begrenzt, daß eine Gleichstromquelle, insbesondere eine mit
großer Kapazität verwendet wird, so daß der Lichtbogen nicht in erwünschtem Maß erzeugt wird.
3. Die Erscheinung von 1. ist noch bedeutungsvoller bei Verwendung einer phasengesteuerten Wechselst-romquelle mit Sinuswellenform.
Abbrennstumpfschweiß-Vorrichtung zu schaffen, die die oben
genannten Nachteile der bekannten Vorrichtung nicht besitzt und eine Rechteckspannung verwendet, um den Kantenflächen der
Werkstücke eine im wesentlichen konstante Lichtbogenspannung
zu liefern und eine Impedanz aufzuweisen, die im wesentlichen
die gleiche wie die bei der einphasigen Wechselstronquelle ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein
Abbrennstumpfschweiß-Verfahren durch Anlegen einer Wechselspannung mit Rechteckwellenform oder nahezu Rechteckwellen-
form zwischen den Elektroden zum Zuführen des Stroms zu den Werkstücken zu schaffen.
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Die Rechteckspannung kann von einer Gleichstromquelle
und einem Hechseirichter zum Umformen der Gleichspannung der
Gleichstromquelle in die Rechteckspannung erzeugt «erden.
Die Gleichstromquelle kann eine Batterie sein, sie
kann aber auch eine Gleichrichterschaltung sein, die «it einem Thyristor etc. einen Wechselstromeingang einer Wechselstromquelle in eine Gleichspannung gleichrichtet.
Der Wechselrichter kann irgendeine Art eines Wechselrichterschaltungskreises zum (Anwandeln des Glelchstromeingangs in eine Wechselspannung mit Rechteckwellenform sein.
Die optimale Rechteck-Wechselspannung, die für den
SchweiBvorgang geeignet ist, kann durch Verwendung des Gleichrichterschaltungskreises als Gleichstromquelle zur
Steuerung der Ausgangsspannung des Gleichrichterschaltungskreises und durch Verwendung eines Thyristor-Wechselrichters
als Wechselrichter zur Steuerung der Ausgangsfrequenz geliefert werden, wodurch ein wirksamer Abbrennstumpfschweifl-Betrieb erreicht werden kann.
Das erfindungsgeaäBe AbbrennstumpfschweiB-Verfahren,
das zu einer Verbesserung der Qualltat der geschwelBten Teile
und der Stabilität beiträgt, beruht darauf, daß es möglich 1st, eine Strombrücke durch Anlegen der Rechteckspannung zwischen
den Werkstücken für eine kurze Zeit zu unterbrechen, um einen Lichtbogen zu erzeugen, und zwar obwohl die Strombrücke
zu irgendeinem beliebigen Zeitpunkt auftritt; dadurch kann ein dünner Lichtbogen erhalten werden.
Die erflndungsgemäBe Abbrennschweiß-Vorrichtung sitzt einen einfachen Aufbau zur Ausgabe der optimalen Lichtbogenspannung, die für verschiedene Schwelflbedingungen geelg
net ist, und 1st au&erdem wirtschaftlich.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Lichtbogen- oder Schweißspannungswellenfoj
als einphasige Sinuswechselspannung, die bei der bekannten Abbrennstumpfschweiß-Vorrichtung angewandt
wird,
Fig. 2 eine Phasensteuerungswellenform einer einphasigen
Wechselspannung, die bei der bekannten Abbrennstuapfschweiß-Vorrichtung
verwendet wird/
Fig. 3 ein schematisches Schaltbild einer erflndungsgeaäBen
AbbrennstumpfschweiB-Vorrichtung,
Flg. 4 eine Rechteckwellenform, die bei der erfindungsgeaaBen
Vorrichtung verwendet wird, und
Fig. 5 ein Schaltbild einer AusfUhrungsfora einer Einriebtung zur Erzeugung der Rechteckspannung von Fig. 3.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische oder entsprechende Teile.
Fig. 3 ist ein scheaatisches Schaltbild einer Aueführungefora der AbbrennstuapfschweiB-Vorrichtung. In Fig. 3 be-
zeichnen die Bezugszahlen 1 und 2 Werkstacke, die nach dea erfindungsgeaäBen AbbrennstuapfschweiB-Verfanren sdteinander
verschweißt werden sollen. 3 ist eine feste Elektrode zur Zuführung des Schwelßstrojos. Mit 4 1st eine bewegliche Elektrode
zur Zuführung des SchweiBstroas bezeichnet. 5 1st ein SchwelB-
transforsator, der die Bechteckspannung transforaiert, so daß
sich eine niedrige Spannung bei groBea Stroa ergibt, wie dies
für den Abbrennetuapfschweiß-Vorgang erforderlich 1st. Mit 6
ist ein Wechselrichter bezeichnet, der einen Thyristor besitzt
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und dazu dient, einen Gleichstrom-Leistungseingang in einen
Auegang mit Rechteckwellenform umzuwandeln. Mit 7 ist ein Leistungswandler bezeichnet, der dazu dient, den Wechselstromleistungseingang
in einen Gleichstromausgang konstanter Spannung umzusetzen (im folgenden als Konstantspannungsgleichstromquelle
bezeichnet). 8 ist ein Leistungstransforma
tor.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Arbeitsstücke 1 und 2 zwischen die Elektroden 3 und 4 gesetzt.
Die vom Wechselrichter 6, von der Gleichstromquelle und dem Leistungstransformator 8 erzeugte Rechteckspannung
wird über den Schweißtransformator 5 an die Elektroden 3, 4
angelegt.
Wenn die bewegliche Elektrode 4 unter dieser Voraussetzung in Richtung auf die feste Elektrode 3 bewegt wird,
bewirken die vorstehenden Teile der einander zugewandten Kantenflächen der Werkstücke 1 und 2 Strombrücken (Kurzschlüsse)
, so daß der Strom an diesen Stellen konzentriert fließt und das Metall an den Strombrückenteilen durch Joule*
sehe Wärme erhitzt wird, um es zu schmelzen und abzubrennen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird als Wellenform der Lichtbogen- oder Schweißspannung die in Fig. 4 gezeigt«
Wellenform verwendet, wobei die Spannung E2o ständig zwischen
den Elektroden anliegt. Obwohl die Strombrücke zwischen den Werkstücken zu einem beliebigen Zeitpunkt erzeugt wird, ist
es leicht, die Strombrücke für kurze Zeit zu unterbrechen und einen Lichtbogen hervorzurufen.
Das Unterbrechen der Strombrücke für eine kurze Zelt
führt zur Bildung eines dünnen Lichtbogens, und zwar wegen der geringen Entfernung, über die die bewegliche Elektrode
bewegt wird, um den Anstieg der wirksamen Fläche der Sti
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brücke zu verhindern. Dadurch wird die Qualität des geschweißten
Teils verbessert.
Fig. 5 zeigt eine AusfUhrungsform des Schaltungskreises
zur Erzeugung der Rechteckspannung, die beim erfindungsgemäßen
Verfahren verwendet wird.
In Fig. 5 sind 6o1 bis 6o4 Hauptthyristoren. 6o5 bis 6o8 sind Kommutlerungs-Hilfsthyristoren. 6o9 bis 612 sind
Kommutierungskondensatoren. 613 bis 614 sind Kommutierungs-HiIfsstromquellen.
615 und 616 bezeichnen Kommutierungsspulen, während 617 bis 62o Rückkopplungsdioden sind. 621 ist
eine Thyristor-Gate-Einheit, 622 eine Gate-Impulsintervallsteuereinrichtung
und 623 ein Frequenzsteller. 7o1 bis 7o6 sind Gleichrichterthyristoren. 7o7 ist eine Glättungsdrosselspule,
7o8 ein Glättungskondensator, 7o9 ein Gleichspannungsdetektor,
71o ein Vergleichsverstärker, 711 eine Thyristorgateeinheit
und 712 ein Gleichspannungssteller.
Der Wechselrichter 6 und die Gleichstromquelle 7 haben den oben erwähnten Aufbau. Die Dreiphasen-Wechselspannung
vom Transformator 8 wird an die Eingangsanschlüsse a, b und c der Gleichstromquelle 7 angelegt. Die DreiphasenrEingangs-Wechselspannung,
die an die Anschlüsse a, b und c angelegt wird, wird im Dreiphasen-Doppelweggleichrichter mit den
Gleichrichter-Thyristoren 7o1 bis 7o6 gleichgerichtet und von der Glättungsdrossel 7o7 und dem Glättungskondensator 7o8 geglättet
und dann in den Wechselrichter 6 eingegeben. Im Zustand der anliegenden Gleichspannung steuert der Hauptthyristor
abwechselnd die Zündung jedes Paares von Hauptthyristoren 6o1 und 6o4 oder 6o2 und 6o3 der Hauptthyristoren
6o1 bis 6o4, wodurch an die Anschlüsse f und e die Rechteckwechselspannung angelegt werden kann.
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Die an die Anschlüsse d und e angelegte Gleichspannung
wird vom Gleichspannungsdetektor 7o9 erfaßt, mit dem am Gleichspannungssteller 712 eingestellten Wert verglichen und vom
Vergleichsverstärker 71o verstärkt. Ober die Gate-Einheit werden die Zündphasen der Gleichrichterthyristoren 7o1 bis
7o6 von der verstärkten Spannung gesteuert. Demzufolge kann die Ausgangsspannung der Gleichstromquelle 7 je nach Wunsch
kontinuierlich mittels des Steuersignals vom Gleichspannungssteller 712 geändert werden.
Eine Ausfuhrungsform des KommutierungsVorgangs im Wechselrichter 6 wird erläutert.
Wenn der Hauptthyristor 6o1 durchgeschaltet ist und über
den Anschluß g Laststrom fließt, werden die Kommutierungskondensatoren 6o9, 611 mit der in Fig. 5 gezeigten Polarität aufge-
laden. Wenn der Hilfsthyristor 6o5 gezündet wird, um den Hauptthyristor 6o1 zu löschen, heben die Ladungen des Kommutierungskondensators 6o9 den Laststrom auf und werden über den Stromkreis 6o5 ■»· 615 ■* 617 ■*■ 6o9 entladen. Der Kommutierungskondensator 6o9 wird durch die Resonanz des Kommutierungskondensa-
tors 611 und der Kommutierungsspule 615 mit entgegengesetzter Polarität aufgeladen. Diese Ladungen werden zum Löschen des
nächsten Hauptthyristors 6o3 verwendet. Wenn die Umladungen beendet sind, wird der Hilfsthyristor 6o5 augenblicklich gelöscht. Wenn der Hauptthyristor 6o1 gelöscht wird, wird der
Wie aus der voranstehenden Beschreibung klar ist, hängt
die Breite der Rechteckwellenform, die an den Ausgangsanschlüssen f, g des Wechselrichters 6 auftritt, vom Abstand
zwischen dem Zündimpuls und dem Löschimpuls des Hauptthyristors 6o1 ab. Demzufolge kann die Ausgangsfrequenz des
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für die Hauptthyristoren 6o1 bis 6o4 und die Hilfsthyristoren
6o5 bis 6o8 mittels eines Frequenzstellers 623, einer Impulsintervallsteuereinrichtung 622 und einer Gate-Einheit 621 je
nach Wunsch gesteuert werden.
Fig. 5 gezeigten Schaltung zur Erzeugung der Rechteckwellenform als Stromquelle zum Schweißen erzielt werden.
Wenn die Temperatur der Werkstücke in der Anfangsstufe des Schweißvorgangs niedrig ist, ist die Erzeugung eines
Lichtbogens oder AbbrennVorgangs schwierig. Es ist daher üblich, ein System mit veränderlicher Spannung einzusetzen, bei
dem die Spannung in der Anfangsstufe des Lichtbogens erhöht
wird und zum Zeitpunkt der Bildung eines stabilen Lichtbogens abgesenkt wird.
Beim üblichen Verfahren wurde die Steuerung der Spannung dadurch erzielt, daß Anzapfungen der Primärwicklung des
Schwelßtransformators umgeschaltet wurden oder daß eine Phasensteuerung von Thyristoren etc. eingesetzt wurde. Bei der
ersteren Methode wurde der Lichtbogen beim Schalten der An
zapfung unterbrochen. Bei der letzteren Methode ergibt sich
die bereits beschriebene nachteilige Wirkung für den Schweißbetrieb.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Gleichspannung je nach Wunsch kontinuierlich variiert werden, so daß
die oben genannten Nachteile vermieden werden.
Wenn eine äußere Schwierigkeit wie eine Veränderung der Versorgungsspannung auftritt, wird die Lichtbogenspannung abhängig von dieser Veränderung variiert, was einen nachteiligen Einfluß auf die Gleichförmigkeit des Schweißergebnisses
hat.
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Beim bekannten Verfahren wurde die Konstantspannungsregelung mittels der Phasensteuerung des Thyristors durchgeführt/ wodurch der oben erwähnte Nachteil bedingt war.
Gemäß der Erfindung wird die Ausgangsspannung der Gleich*
stromquelle 7 gesteuert, um dadurch die Eingangs spannung für den Wechselrichter 6 unabhängig von einer Veränderung der Versorgungsspannung konstant zu halten, so daß sich der erwähnte
Nachteil nicht ergibt.
Erfindungsgemäfi kann die Frequenz der an den Schweißtransformator angelegten Spannung mit Hilfe des Wechselrich
ters 6 leicht variiert werden, wodurch das Gewicht des Schweißtransformators 5 durch Auswahl der geeigneten Frequenz für die Schweißerscheinung oder Erhöhen der Frequenz
minimal gehalten werden kann.
Die Schaltung von Fig. 5 zur Erzeugung der Rechteckwellenform ist nur eine Ausfuhrungsform der Erfindung. Bei
der Erfindung können verschiedene Arten von Gleichrichterschaltungen und Wechselrichterschaltungen als Gleichstromquelle 7 und Wechselrichter 6 verwendet werden.
Es ist auch möglich, eine Batterie als Gleichstromquelle zu verwenden.
Wie oben anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert,
können mit dem erfindungsgemäßen Abbrennstumpfschweiß-Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung folgende ausge-
zeichnete Ergebnisse dadurch erzielt werden, daß die Rechteckwechselspannung von dem Wechselrichter mit variabler
Frequenz, der Thyristoren etc. aufweist,und der Gleichstromquelle, welche einen Gleichrichter zum Gleichrichten einer
Dreiphasen- oder einer Einphasen-Wechselspannung in eine
veränderliche Gleichspannung zur Speisung des Wechselrichters
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aufweist, erzeugt und an die Elektroden angelegt wird:
1. Durch Anlegen der Rechteckspannung zwischen die
Werkstücke kann der dUnne Lichtbogen erhalten werden; dadurch kann die Lichtbogenspannung verringert werden, um die
außerdem zu einer stabilen Qualität des geschweißten Teils bei.
2. Die Impedanz des Hauptstromkreises kann dadurch
im wesentlichen gleich groß wie die im Fall einer Einphasen-Slnuswechselspannungsquelle sein, daß als Wechselrichter ein
Thyristorwechselrichter verwendet wird.
3. Die Höhe der Lichtbogen- oder Schweißepannung kann
durch Verändern des Bezugseignais der Konstantspannungs-Gleichstromquelle je nach Wunsch variiert werden.
4. Die Lichtbogenspannung kann im Fall der äußeren Schwierigkeit wie der Veränderung der Versorgungsspannung
(Netzspannung) konstant gehalten werden.
5. Die für die Schweißerscheinung günstige Frequenz kann ausgewählt werden, und das Gewicht des Schweißtransformators kann durch Erhöhen der Frequenz vermindert werden,
da die Frequenz der Stromquelle variabel ist.
6. Der Eingang kann bei der Dreiphasen-Gleichgewichtslast gleich wie bei der Einphasen-Last sein, da die
EinphasenTRechteck-Wechselspannung nach Umwandlung in die
Gleichspannung ausgegeben wird, obwohl eine Dreiphasen-
Zusammengefaßt werden mit der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abbrennstumpfschweißen geschaffen, bei
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denen eine Rechteckspannung an die Schweißelektroden angelegt
wird. Dies erfolgt durch Verwenden eines Wechselrichters mit veränderlicher Spannung und veränderlicher Frequenz als Stromquelle
für das Schweißen, wodurch eine örtliche Strombrücke
zwischen den Werkstücken sofort in einen Lichtbogen umgesetzt werden kann. Dadurch kann kontinuierlich ein feiner oder dünner
Lichtbogen erzeugt werden, und die Qualität des geschweißten Teiles merklich verbessert werden. Die Spannungssteuerung kann
ohne Änderung der Spannungswellenform durchgeführt werden.
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Leerseite
Claims (5)
- B 791°PatentansprücheVi-ZAbbrennsturapfschweiß-Verfahren, dadurch g e k e η η ■ zeichnet , daß an Elektroden (3# 4) zur Zuführung des Strom an die Werkstücke (1, 2) eine Spannung mit einer Rechteckwellenform oder einer rechteckähnlichen Wellenform angelegt wird.
- 2. Abbrennstumpfschweiß-Vorrichtung, gekennzeichnet durch eine Gleichstromquelle (7) und einen Wechselrichter (6), der die Gleichspannung der Gleichstromquelle in eine Rechteckwechselspannung umformt, wobei diese vom Wechselrichter ausgegebene Rechteckwechselspannung an Elektroden (3, 4) zur Zuführung des Stroms an die Arbeita-c stücke (1, 2) angelegt wird.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle (7) einen Gleich- richter (7o1 bis 7o6) aufweist, der einen Eingangswechselstrom in den Ausgangsgleichstrom gleichrichtet.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß mittels des Gleichrichters (7o1 bis 7o6) veränderliche Ausgangsgleichspannungen lieferbar sind.
- 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Wechselrichters (6) eine Rechteck-Wechselspannung variabler Frequenz lieferbar ist.709832/0272ORIGINAL INSPECTED
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| FR2351752B1 (de) | 1982-08-13 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8235 | Patent refused |