JPH04138889A - Head device for laser beam machining - Google Patents
Head device for laser beam machiningInfo
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Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野）
本発明は、レーザ加工用ヘッドに係り、特に亜鉛メツキ
鋼板、ジンクプライマ塗布鋼板、或いは亜鉛メツキアル
ミ板などのように亜鉛又は亜鉛含有合金を含む防錆皮膜
を表面に有する表面処理金属板や、他の表面処理金属板
の溶接加工に適しているレーザ加工用ヘッドに関する。[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to a head for laser processing, and particularly to a head for laser processing that contains zinc or a zinc-containing alloy, such as a galvanized steel plate, a zinc primer-coated steel plate, or a galvanized aluminum plate. The present invention relates to a laser processing head suitable for welding surface-treated metal plates having a rust-preventing film on the surface and other surface-treated metal plates.
（従来の技術及び解決しようとする課題）近年、自動車
産業や住宅産業においては、防食の観点から鋼板や鋼材
（以下、「鋼板」と総称する）の耐久性を向上させるべ
く、亜鉛メツキ鋼板、ジンクプライマ塗布鋼板など、防
錆性の向上を図った表面処理鋼板の使用が急速に拡大す
る傾向になっている。(Conventional technology and problems to be solved) In recent years, in the automobile and housing industries, galvanized steel sheets, galvanized steel sheets, The use of surface-treated steel sheets with improved rust prevention properties, such as zinc primer-coated steel sheets, is rapidly expanding.
このような表面処理鋼板は、防錆性において優れている
ものの、表面処理が施されていない通常の鋼板に比べ、
ピットやスパッタ等の溶接欠陥が発生し易く、その溶接
性が極めて悪いという間層がある。したがって、現状で
は、成分組成を調整した被覆アーク溶接捧或いはソリッ
ドワイヤを用い、低速溶接（３０ｃ＋ｅ／分程度）や鋼
板の間隙を開けた溶接（０，５−Ｉ程度のギャップ）等
、主として経験に基づいた施工面での工夫により対応し
ている。Although this kind of surface-treated steel sheet has excellent rust prevention properties, compared to ordinary steel sheet without surface treatment,
Welding defects such as pits and spatters are likely to occur, and weldability is extremely poor. Therefore, at present, we mainly use experience in low-speed welding (approximately 30c+e/min) and welding with gaps between steel plates (gap of approximately 0.5-I) using coated arc welding rods or solid wires with adjusted compositions. We have responded by making improvements in terms of construction based on the following.
しかし乍ら、これらの溶接法は、溶接欠陥の原因となる
防錆皮膜を予め除去しないで施工するため、完全には溶
接欠陥の発生を防止できないという致命的な問題があっ
た。しかも、溶接速度が遅いために能率が低く、また鋼
板の間隙によって溶落ちやアンダーカット等の欠陥も発
生し易い。However, these welding methods have the fatal problem of not being able to completely prevent the occurrence of welding defects because they are performed without removing in advance the rust-preventive coating that causes welding defects. Furthermore, efficiency is low due to the slow welding speed, and defects such as burn-through and undercuts are likely to occur due to gaps between the steel plates.
方、溶接速度の増大や鋼板の間隙の減少は、防錆皮膜中
に亜鉛及びその化合物が含まれているため、ブローホー
ル等の増加やスパッタ発生量の増加を招くことが指摘さ
れている。On the other hand, it has been pointed out that an increase in welding speed and a decrease in the gap between steel plates will lead to an increase in blowholes and the amount of spatter due to the presence of zinc and its compounds in the anti-rust coating.
もっとも、防錆皮膜を溶接施工前に人手により予め除去
することも考えられるが、非能率であることは明らかで
あり、また、ＴＩＧ溶接により防錆皮膜を先行して除去
する方法も試みられているが、除去すべき幅のコントロ
ールが困離であって不要な部分まで焼いてしまい、また
入熱量が大きいために鋼板の角変形を招くという問題が
あ°る。However, it is possible to manually remove the anti-rust film before welding, but this is clearly inefficient, and a method of removing the anti-rust film by TIG welding in advance has also been attempted. However, there are problems in that it is difficult to control the width to be removed, and unnecessary parts are burned, and the large amount of heat input causes angular deformation of the steel plate.
また、このような問題は、亜鉛又は亜鉛合金を表面に被
覆した表面処理アルミ板においても同様に生じる。Moreover, such a problem similarly occurs in a surface-treated aluminum plate whose surface is coated with zinc or a zinc alloy.
ところで、溶接の熱源としてレーザビームを利用する溶
接法が知られている。この方法は１個のレーザビームヘ
ッドを用いてエネルギーを集中させ、溶接を行う方法で
ある。しかし、溶接性や溶接部欠陥の点では従来の被覆
アーク溶接棒或いはソリッドワイヤを用いる方法と殆ど
変わらず、更には、急熱、急冷により、溶接部の硬さが
必要以上に高くなり、鋼種によっては、母材との極端な
アンバランスを生じる場合もあり、そうならない場合で
も極低炭素鋼にしか利用できない等、適用鋼種が限定さ
れていた。Incidentally, a welding method using a laser beam as a welding heat source is known. This method uses one laser beam head to concentrate energy and perform welding. However, in terms of weldability and weld defects, it is almost the same as the conventional method using coated arc welding rods or solid wire, and furthermore, the hardness of the weld becomes higher than necessary due to rapid heating and cooling, and the steel type In some cases, it may create an extreme imbalance with the base metal, and even if this does not occur, it can only be used for ultra-low carbon steel, which limits the types of steel it can be applied to.
そこで、本発明者は、このような表面処理鋼板の溶接法
にレーザビームを利用することを先に開発した。この方
法は、本溶接に先立って、レーザビームを用いた溶接を
先行させて防錆皮膜を蒸発除去するものである。しかし
、この方法において本溶接にレーザビームを利用するこ
とも考えられるが、本溶接に用いる場合、上述の如く特
に溶接部の硬さを必要以上に高くしない等−１各種機能
を備えたレーザ加工ヘッド装置の開発が必要である。Therefore, the present inventor has previously developed the use of a laser beam for welding such surface-treated steel sheets. In this method, prior to main welding, welding using a laser beam is performed to evaporate and remove the rust preventive coating. However, in this method, it is possible to use a laser beam for the main welding, but when using it for the main welding, as mentioned above, in particular, the hardness of the welded part should not be made higher than necessary.-1 Laser processing with various functions It is necessary to develop a head device.
本発明は、か）る要請に応えるべくなされたものであっ
て、各種表面処理金属板を溶接欠陥を発生することなく
健全な溶接部が得られ、また母材の硬さと溶接部の硬さ
を適切に調整でき、高能率な溶接を可能にするレーザビ
ーム加工用ヘッドを提供することを目的とするものであ
る。The present invention was made in response to the above request, and it is possible to obtain a sound welded part of various surface-treated metal plates without causing welding defects, and to reduce the hardness of the base metal and the hardness of the welded part. The object of the present invention is to provide a laser beam processing head that can appropriately adjust the welding speed and perform highly efficient welding.
（課題を解決するための手段）
前記課題を解決するため、本発明者は、レーザビーム発
振器から生じるレーザビームのビーム系について鋭意研
究を重ねた結果、ここに本発明をなしたものである。(Means for Solving the Problems) In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has made the present invention as a result of extensive research into the beam system of a laser beam generated from a laser beam oscillator.
すなわち、本発明に係るレーザ加工用ヘッドは、１つの
レーザ発振器から生じるレーザビームを部分面積反射ミ
ラー又は部分反射ミラーを用いて、ビームエネルギーの
多いレーザビーム（第１ビーム系）と、ビームエネルギ
ーの少ないレーザビーム（第２ビーム系）とに２分し、
かつ、第１ビーム又は第２ビームのいずれかを全反射ミ
ラーにて屈曲させると共に、第１ビーム系及び第２ビー
ム系の少なくとも一方にレンズを設けて、第１ビーム系
を本加工用に、第２ビーム系を補助加工用に用いる構成
にしたことを特徴とするものである。That is, the laser processing head according to the present invention uses a partial area reflection mirror or a partial reflection mirror to separate the laser beam generated from one laser oscillator into a laser beam (first beam system) with high beam energy and a laser beam with high beam energy (first beam system). Divide into two parts with a smaller laser beam (second beam system),
In addition, either the first beam or the second beam is bent by a total reflection mirror, and at least one of the first beam system and the second beam system is provided with a lens, and the first beam system is used for main processing. The present invention is characterized in that the second beam system is configured to be used for auxiliary processing.
なお、ここで言う「部分面積反射ミラー」とは、後述の
第４図に示すように、ミラーの一部登完全コーティング
し、残部にてレーザ光を透過させることにより、エネル
ギーをコントロールするミラーのことを言い、「部分反
射ミラー」とは、誘電体コーティング等の方法によって
ミラー全体をコーティングしてエネルギーの透過量をコ
ントロールするミラーのことを言う。The term "partial area reflective mirror" used here refers to a mirror that controls energy by completely coating a portion of the mirror and allowing laser light to pass through the remaining portion, as shown in Figure 4 below. In other words, a "partially reflective mirror" refers to a mirror whose entire mirror is coated using a method such as dielectric coating to control the amount of energy transmitted.
以下に本発明を更に詳細に説明する。The present invention will be explained in more detail below.
（実施例）
第１図は本発明のレーザビーム加工用ヘッドにおけるレ
ーザビーム系の一例を示したものである。(Example) FIG. 1 shows an example of a laser beam system in a laser beam processing head of the present invention.
第１図において、１個のレーザビーム発振器１から生じ
るレーザビームを、まず部分面積反射ミラー又は部分反
射ミラーＭｓにより２分して、エネルギーの多い第１ビ
ームとエネルギーの少ない第２ビームを形成し、また、
第１ビーム系には全反射ミラー（例、放物面鏡）ＭＩｍ
を設けてビーム経路を屈曲させて、第２ビームと同方向
に指向させ、更に、第１ビーム系と第２ビーム系の一方
又は双方にレンズ（集光レンズ）Ｌｓ（又はＬｍ）を設
けた構成である。In FIG. 1, a laser beam generated from one laser beam oscillator 1 is first divided into two by a partial area reflection mirror or a partial reflection mirror Ms to form a first beam with more energy and a second beam with less energy. ,Also,
The first beam system includes a total reflection mirror (e.g., parabolic mirror) MIm
The beam path is bent to direct the beam in the same direction as the second beam, and a lens (condensing lens) Ls (or Lm) is provided in one or both of the first beam system and the second beam system. It is the composition.
部分面積反射ミラーＭｓとしては、第２図に一例を示す
ように、様々な形状のミラ一部（図中、斜線部）を備え
たミラーを利用して種々のエネルギーを持った第１ビー
ムを形成できる０例えば、（、）の場合は円形状のミラ
一部が中心に配列され、（ｂ）の場合はリング状のミラ
一部が周囲に配列されており、いずれもミラ一部で反射
されたビームによって第１ビームが形成され、第１ビー
ム及び第２ビームのビームエネルギー比率をミラ一部の
面積にて変えることができる。一方、（ｃ）の場合は半
円形状のミラーを移動可能に設けたもので、このミラー
を移動させることによって第１ビームと第２ビームとの
ビームエネルギー比率を任意に変えることができる。As an example of the partial area reflection mirror Ms, as shown in Fig. 2, mirrors with mirror parts of various shapes (shaded areas in the figure) are used to reflect the first beam with various energies. For example, in the case of (,), a part of the circular mirror is arranged in the center, and in the case of (b), a part of the ring-shaped mirror is arranged around the periphery. A first beam is formed by the beam, and the beam energy ratio of the first beam and the second beam can be changed depending on the area of a part of the mirror. On the other hand, in the case of (c), a semicircular mirror is movably provided, and by moving this mirror, the beam energy ratio between the first beam and the second beam can be arbitrarily changed.
第２図に示した形状の部分面積反射ミラーを用いた場合
、レーザビーム発振器から生じるレーザビームを第３図
に示すように２分することができる。（ａ）の場合は中
心部を第１ビームとして反射させ、（ｂ）の場合は周辺
部を第１ビームとして反射させ、（ｃ）の場合は右又は
左部分を第１ビームとして反射させるものである。これ
らの態様は、レーザビームが多数のモードを有するビー
ムの集合と考えられ、レーザビームの横断面におけるエ
ネルギー分布が必ずしも均一でないが、上述のような様
々な形状のミラ一部を有する部分面積反射ミラーを用い
ることによって所望のビームエネルギーに分割できる。When a partial area reflection mirror having the shape shown in FIG. 2 is used, the laser beam generated from the laser beam oscillator can be divided into two as shown in FIG. In the case of (a), the central part is reflected as the first beam, in the case of (b), the peripheral part is reflected as the first beam, and in the case of (c), the right or left part is reflected as the first beam. It is. In these aspects, the laser beam is considered to be a collection of beams having many modes, and the energy distribution in the cross section of the laser beam is not necessarily uniform, but partial area reflection having mirror portions of various shapes as described above is possible. By using mirrors, the beam energy can be divided into desired beam energies.
本発明のレーザ加工用ヘッドによれば、以下の機能が実
現できる。According to the laser processing head of the present invention, the following functions can be realized.
第１に、レーザビーム発振器から生じるレーザビームエ
ネルギーを任意のエネルギー比率のレーザビームに２分
できる。この場合、本加工用ビームと補助加工用ビーム
のビームエネルギー比率は、補助加工用ビームのエネル
ギーが全体の５０％以内となるようにする。First, the laser beam energy generated from the laser beam oscillator can be divided into two laser beams with arbitrary energy ratios. In this case, the beam energy ratio between the main processing beam and the auxiliary processing beam is such that the energy of the auxiliary processing beam is within 50% of the total.
したがって、このようにビームエネルギーを強弱２通り
に分割できるので、亜鉛又は亜鉛合金を含む防錆皮膜を
表面に有する表面処理鋼板又はアルミ板などのように各
種の表面処理板の溶接において補助加工用ビームを予め
防錆皮膜を除去するために利用することができ、或いは
予熱処理のため又は後熱処理のためにも利用できる。一
方１本加工用ビームは本溶接等の加工に利用できる。そ
の際、本加工用ビームと補助加工用ビームのビームエネ
ルギー比率は概ね４；１とする。Therefore, since the beam energy can be divided into two ways, strong and weak, it can be used for auxiliary processing in welding various surface-treated plates, such as surface-treated steel plates or aluminum plates, which have anti-rust coatings containing zinc or zinc alloys on their surfaces. The beam can be used to remove the anticorrosive coating beforehand, or can also be used for preheating treatment or for postheating treatment. On the other hand, a single processing beam can be used for processing such as actual welding. At this time, the beam energy ratio between the main processing beam and the auxiliary processing beam is approximately 4:1.
第２に、第１ビーム、第２ビームの一方又は双方をスキ
ャニングすることができる。Second, one or both of the first beam and the second beam can be scanned.
スキャニングとは、第４図（ａ）〜（ｃ）に例示するよ
うに、ミラーを振動して溶接方向に直角な方向にビーム
をオシレートさせることを云う、全反射ミラーを振動さ
せることは容易であるので、例えば、第１ビームの全反
射ミラーを振動させることができる・勿論、本加工用ビ
ーム系と補助加工用ビームの距離を固定した上でレーザ
ビーム系全体をスキャニングさせることも可能である。Scanning refers to vibrating a mirror to oscillate the beam in a direction perpendicular to the welding direction, as illustrated in Figures 4(a) to (c).It is easy to vibrate a total reflection mirror. Therefore, for example, the total reflection mirror of the first beam can be vibrated.Of course, it is also possible to fix the distance between the main processing beam system and the auxiliary processing beam and then scan the entire laser beam system. .
第３に、レーザビーム系にレンズが設けられているので
、第５図（ａ）、（ｂ）に示すように、被加工部と焦点
の距離を様々に変えて、いわゆるディ・フォーカス（焦
点外し）させることができる、焦点が被加工部に近いほ
ど照射範囲が狭くできるので。Third, since the laser beam system is equipped with a lens, the distance between the workpiece and the focal point can be varied to create a so-called defocus (focal point), as shown in Figures 5(a) and (b). The closer the focal point is to the workpiece, the narrower the irradiation range can be.
デイフォーカスの程度によって照射幅及び面積、単位面
積当りのビームエネルギーを制御できる。The irradiation width, area, and beam energy per unit area can be controlled by the degree of day focus.
したがって、大出力のビームエネルギー（例、１０ＫＷ
）を有するレーザビームを用いても、加工目的に応じて
ディ・フォーカスさせることにより、目的に適った加工
が容易にできる。例えば、補助加工用ビームを防錆皮膜
の除去に利用する場合、これをディ・フォーカスするこ
とによって溶接線上の所定幅の防錆皮膜のみを効率よく
蒸発除去でき、また本加工用ビームはディ・フォーカス
させずに照射すれば最高のエネルギー密度のビームを本
加工に利用できる。Therefore, high power beam energy (e.g. 10KW
) Even if a laser beam is used, it is possible to easily perform processing that suits the purpose by defocusing the laser beam according to the purpose of processing. For example, when using an auxiliary processing beam to remove a rust preventive film, by defocusing it, only a predetermined width of the rust preventive film on the weld line can be efficiently evaporated and removed, and the main processing beam can be defocused. If irradiated without focusing, the beam with the highest energy density can be used for main processing.
勿論、種々のレーザビームに利用可能であることは云う
までもない。Of course, it goes without saying that it can be used with various laser beams.
例えば、レーザ光の種類としては、気体レーザ（例、Ｃ
Ｏ２レーザ）、固体レーザ（例、ＹＡＧレーザ）等々の
各種のレーザが可能であるが、大出力が得られるＣＯ２
レーザ、或いはエネルギーが光ファイバーを通すことで
取り扱い易いＹＡＧレーザが適当である。For example, the type of laser light is gas laser (e.g. C
Various lasers such as O2 laser), solid state laser (e.g. YAG laser), etc. are possible, but CO2 which can obtain high output
A laser or a YAG laser, which is easy to handle because its energy passes through an optical fiber, is suitable.
レーザは集光特性に優れているため、必要以上に被加工
部を加熱することがなく、熱応力等による被加工部変形
は無視できる。Since the laser has excellent light focusing characteristics, the workpiece is not heated more than necessary, and deformation of the workpiece due to thermal stress or the like can be ignored.
必要に応じて、本加工用ビーム直下にフィラワイヤを送
給し溶接することも可能である。If necessary, it is also possible to feed a filler wire directly under the main processing beam for welding.
（発明の効果）
以上詳述したように、本発明によれば、レーザビーム発
振器から生じるレーザビームを２分し、かつ、少なくと
も一方のビーム系にレンズを設けて、本加工用ビームと
補助加工用ビームを形成するので、加工目的に応じた任
意のビームエネルギーを加工に利用できる。また、ビー
ムをスキャニングしたり或いはディ・フォーカスするこ
とによって所定幅の加工が容易である。特に、亜鉛メツ
キ鋼板、ジンクプライマ塗布鋼板などのように亜鉛又は
亜鉛含有合金を含む防錆皮膜を表面に有する表面処理鋼
板又は鋼材或いはアルミ板のような各種の表面処理板の
溶接に適用すれば、補助加工用ビームを先行させて防錆
皮膜を除去し、しかる後に本溶接を行えるので、ビット
、ブローホールなどの溶接欠陥の発生を防止することが
できる。(Effects of the Invention) As described in detail above, according to the present invention, the laser beam generated from the laser beam oscillator is divided into two, and a lens is provided in at least one beam system, so that the main processing beam and the auxiliary processing beam can be separated from each other. Since a special beam is formed, any beam energy depending on the processing purpose can be used for processing. Furthermore, processing to a predetermined width is easy by scanning or defocusing the beam. In particular, it can be applied to welding surface-treated steel sheets with anti-rust coatings containing zinc or zinc-containing alloys on the surface, such as galvanized steel sheets and zinc primer-coated steel sheets, or various surface-treated sheets such as steel materials or aluminum sheets. Since the anti-rust coating can be removed first using the auxiliary processing beam and then the main welding can be performed, it is possible to prevent welding defects such as bits and blowholes from occurring.
また補助加工用ビームを予熱又は後熱処理にも利用でき
る。The auxiliary processing beam can also be used for preheating or post-heat treatment.
第１図は本発明におけるレーザビーム系の一例を示す図
、
第２図（ａ）〜（ｃ）は部分面積反射ミラーのミラー部
の各種形状を説明する図。
第３図（ａ）〜（ｃ）は部分面積反射ミラーを用いてレ
ーザビームのエネルギー分布を２分する態様を説明する
図。
第４図（ａ）〜（ｃ）はスキャニングの態様を説明する
図、
第５図（ａ）、（ｂ）はディ・フォーカスの態様を説明
する図である。
１・・・レーザビーム発振器、２・・・被加工部、Ｍｓ
・・・部分面積反射ミラー、Ｍ履・・・全面積反射ミラ
ーＬｓ、Ｌ璽・・・レンズ。
特許出頴人 株式会社神戸製鋼所
代理人弁理士 中 村 尚
第
図
（ａ）
第２図
（ｂ）
（Ｃ）
（Ｑ）
第３図
（ｂ）
（Ｃ）
第
図
（Ｑ）
（ｂ）
（Ｃ）
勺Ｖハ
Ｑτｐ
は以＼
図面の浄書（内容に変更なし）
第
図
（ｂ）
、′、＞ 、 。
１ １ ａＨ＋ｙ＠Ｎ
手
続
補
正
書
平成２年１１月８日
１、事件の表示
平成２年特許願第２６２２４５号
事件との関係FIG. 1 is a diagram showing an example of a laser beam system according to the present invention, and FIGS. 2(a) to (c) are diagrams explaining various shapes of the mirror portion of a partial area reflection mirror. FIGS. 3(a) to 3(c) are diagrams illustrating a mode in which the energy distribution of a laser beam is divided into two using a partial area reflection mirror. FIGS. 4(a) to 4(c) are diagrams for explaining the scanning mode, and FIGS. 5(a) and (b) are diagrams for explaining the defocusing mode. 1... Laser beam oscillator, 2... Processed part, Ms
...Partial area reflection mirror, M shoes...Full area reflection mirror Ls, L seal...Lens. Patent issuer Hisashi Nakamura, Patent attorney representing Kobe Steel, Ltd. Figure (a) Figure 2 (b) (C) (Q) Figure 3 (b) (C) Figure (Q) (b) (C) 庺VhaQτp is ＼ Engraving of the drawing (no changes in content) Figure (b) ,′,＞, . 1 1 aH+y@N Procedural Amendment November 8, 1990 1. Case description Relationship to 1990 Patent Application No. 262245 case
Claims (4)
分面積反射ミラー又は部分反射ミラーを用いて、ビーム
エネルギーの多いレーザビーム（第１ビーム系）と、ビ
ームエネルギーの少ないレーザビーム（第２ビーム系）
とに２分し、かつ、第１ビーム又は第２ビームのいずれ
かを全反射ミラーにて屈曲させると共に、第１ビーム系
及び第２ビーム系の少なくとも一方にレンズを設けて、
第１ビーム系を本加工用に、第２ビーム系を補助加工用
に用いる構成にしたことを特徴とするレーザ加工用ヘッ
ド。(1) A laser beam generated from one laser oscillator is divided into a laser beam with high beam energy (first beam system) and a laser beam with low beam energy (second beam system) using a partial area reflection mirror or a partial reflection mirror.
dividing the beam into two, bending either the first beam or the second beam with a total reflection mirror, and providing a lens in at least one of the first beam system and the second beam system,
A laser processing head characterized in that the first beam system is used for main processing and the second beam system is used for auxiliary processing.
０％以内である請求項１に記載のレーザ加工用ヘッド。(2) The beam energy of the auxiliary processing beam is 5
The laser processing head according to claim 1, wherein the laser processing head is within 0%.
項１に記載のレーザ加工用ヘッド。(3) The laser processing head according to claim 1, wherein the laser beam system is provided with a scanning mechanism.
記載のレーザ加工用ヘッド。(4) The laser processing head according to claim 1, wherein the laser processing head is defocused by a lens.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2262245A JPH04138889A (en) | 1990-09-29 | 1990-09-29 | Head device for laser beam machining |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| JPH04138889A true JPH04138889A (en) | 1992-05-13 |
Family
ID=17373094
Family Applications (1)
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| JP2262245A Pending JPH04138889A (en) | 1990-09-29 | 1990-09-29 | Head device for laser beam machining |
Country Status (1)
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| JP (1) | JPH04138889A (en) |
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