DE19831832A1 - Shielding gas for TIG AC welding of aluminum - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Schutzgas und ein Verfahren zum WIG-Wechselstromschweißen von Aluminiumwerkstoffen und Aluminiumlegierungen, wobei das Schutzgas der Schweißstelle zugeführt wird und wobei das Schutzgas Argon oder ein Gemisch aus Argon und Helium enthält. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden gute Schweißergebnisse mit einem Schutzgas erzielt, welches neben Argon und gegebenenfalls Helium zumindest einen Anteil von 300 vpm bis 1000 vpm Stickstoff enthält und in welchem der Heliumanteil im Schutzgas weniger als 50 Vol.-% beträgt. DOLLAR A In Ausgestaltung der Erfindung enthält das Schutzgas zwischen 350 vpm und 650 vpm Stickstoff. Das Schutzgas weist bevorzugt 1 bis 45 Vol.-% Helium auf. Dem Schutzgas können als aktive Komponenten 0,01 bis 1 Vol.-% Sauerstoff, Kohlendioxid oder einer Mischung aus Sauerstoff und Kohlendioxid zugemischt werden.The invention relates to a protective gas and a method for TIG AC welding of aluminum materials and aluminum alloys, the protective gas being fed to the welding point and the protective gas containing argon or a mixture of argon and helium. DOLLAR A According to the invention, good welding results are achieved with a protective gas which, in addition to argon and optionally helium, contains at least a proportion of 300 vpm to 1000 vpm nitrogen and in which the helium content in the protective gas is less than 50% by volume. DOLLAR A In one embodiment of the invention, the protective gas contains between 350 vpm and 650 vpm nitrogen. The protective gas preferably has 1 to 45 vol .-% helium. 0.01 to 1% by volume of oxygen, carbon dioxide or a mixture of oxygen and carbon dioxide can be added to the protective gas as active components.
Description
Die Erfindung betrifft ein Schutzgas zum WIG-Wechselstromschweißen von Aluminium Aluminiumwerkstoffen und/oder Aluminiumlegierungen umfassend Argon oder ein Gemisch aus Argon und Helium. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum WIG-Wechselstromschweißen von Aluminium, Aluminiumwerkstoffen und/oder Aluminiumlegierungen, wobei ein Schutzgas der Schweißstelle zugeführt wird und wobei das Schutzgas Argon oder ein Gemisch aus Argon und Helium enthält.The invention relates to a protective gas for TIG AC welding of Aluminum aluminum materials and / or aluminum alloys comprising argon or a mixture of argon and helium. The invention also relates to a Process for TIG AC welding of aluminum, aluminum materials and / or aluminum alloys, a protective gas being supplied to the welding point and and the protective gas is argon or a mixture of argon and helium contains.
Die Abkürzung WIG wird in Fachkreisen für das Wolfram-Inert-Gas-Schweißverfahren benützt. Darunter werden üblicherweise Schweißverfahren mit einer nichtabschmel zenden oder nichtabbrennenden Elektrode unter Einsatz eines Inertgases verstan den. Die nichtabschmelzende Elektrode (Dauerelektrode) besteht im allgemeinen aus Wolfram oder Wolfram mit Zumischungen von Thorium, Cer, Lantan etc. Im Zusam menhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem WIG-Schweißverfahren jedes Schweißverfahren mit nichtabschmelzender Elektrode verstanden. Üblicher weise brennt dabei der Lichtbogen frei zwischen der Elektrode und dem Werkstück.The abbreviation TIG is used in specialist circles for the tungsten inert gas welding process used. These usually include welding processes with non-melting igniting or non-burning electrode using an inert gas the. The non-melting electrode (permanent electrode) generally consists of Tungsten or tungsten with admixtures of thorium, cerium, lantan etc. In total The present invention involves a TIG welding process understood every welding process with non-melting electrode. More common the arc burns freely between the electrode and the workpiece.
Aluminium setzt sich als Konstruktionswerkstoff immer stärker gegenüber Stahl durch. Dies liegt zu einem wesentlichen Teil an der Gewichtseinsparung, die eine Verwen dung von Aluminium an Stelle von Stahlwerkstoffen ermöglicht.Aluminum is becoming increasingly popular as a construction material over steel. This is due in large part to the weight saving that a use aluminum instead of steel materials.
Es sind einige Verfahrensvarianten des WIG-Schweißens mit Wechselstrom unter den erwähnten Schutzgasgemischen bekannt. Die Besonderheit des Schweißens von Aluminium resultiert aus der Eigenschaft des Aluminiums, an der Oberfläche sofort eine Oxidschicht zu bilden. Die Bildung eines festhaftenden Oxids an der Oberfläche ist Folge des unedlen Charakters von Aluminium. Das Schweißschutzgas hat die Auf gabe, die Strecke des elektrischen Lichtbogens zwischen Elektrode und Werkstück elektrisch leitend zu machen und sowohl das Schweißbad wie auch den abschmel zenden Schweißzusatz gegen die Atmosphäre zu schützen und eine ungewollte Oxidation zu verhindern. Argon ist das dabei am meisten verwendete Schutzgas. There are some process variants of TIG welding with AC under known protective gas mixtures. The peculiarity of welding Aluminum results from the property of aluminum, on the surface immediately to form an oxide layer. The formation of a firmly adhering oxide on the surface is the result of the base character of aluminum. The welding shield gas has the on sage, the distance of the electric arc between the electrode and the workpiece electrically conductive and both the weld pool and the melting to protect against the atmosphere and an unwanted To prevent oxidation. Argon is the most used shielding gas.
Argon-Helium-Gasgemische können trotz der an sich höheren Gaskosten von Vorteil sein. Dies liegt am Bestandteil Helium, der bessere Einbrandverhältnisse und höhere Schweißgeschwindigkeiten ermöglicht. Außerdem kann Helium zur Verminderung oder zur Vermeidung von Poren beitragen und den Verbrauch an Schweißzusatz werkstoff reduzieren. Diese Vorteile von Helium im Vergleich zu Argon erklären sich durch den heißeren Lichtbogen und die günstigere Energieverteilung im Lichtbogen.Argon-helium gas mixtures can be advantageous despite the higher gas costs be. This is due to the helium component, the better penetration and higher Allows welding speeds. It can also help reduce helium or contribute to the prevention of pores and the consumption of welding consumables reduce material. These advantages of helium compared to argon can be explained due to the hotter arc and the more favorable energy distribution in the arc.
In jüngerer Zeit wurden dotierte Schutzgasgemische mit Zumischungen von weiteren Komponenten im vpm-Bereich bekannt.More recently, doped protective gas mixtures with admixtures of others Components known in the vpm area.
Aus der DE 27 48 417 C2 ist ein Verfahren zur Verringerung von beim Schweißen ge bildeten gesundheitsschädlichen Ozons durch Zugabe von 25 bis 50 vpm Stickoxid zu dem als Schutzgas verwendeten Argon beim WIG-Schweißen, aber auch beim MIG- und MAG-Schweißen bekannt.DE 27 48 417 C2 describes a method for reducing ge during welding formed harmful ozone by adding 25 to 50 vpm nitrogen oxide the argon used as protective gas in TIG welding, but also in MIG and MAG welding known.
Aus der DE 40 28 074 C1 bzw. der korrespondierenden EP 0 475 030 B1 ist bekannt, ein inertes Schutzgas aus Argon oder aus einem Argon-Helium-Gemisch mit einer Beimischung von 80 bis 250 vpm, vorzugsweise 120 bis 180 vpm mit einem Optimum bei 150 vpm Stickstoff, beim WIG-, MIG- und MAG-Schweißen von Aluminium einzu setzen. Beim WIG-Wechselstromschweißen dient dies der Ausbildung eines ruhigen, stabil brennenden und konzentrierten Lichtbogens und einer erhöhten Energieeinbrin gung. Oberhalb von 250 vpm Stickstoff treten störende Nebeneffekte wie Nahtverfär bungen (WIG-Schweißen) und ein Absacken der Kehlnähte (MIG-Schweißen) auf.From DE 40 28 074 C1 and the corresponding EP 0 475 030 B1 it is known an inert protective gas from argon or from an argon-helium mixture with a Admixture of 80 to 250 vpm, preferably 120 to 180 vpm with an optimum at 150 vpm nitrogen, for TIG, MIG and MAG welding of aluminum put. With TIG AC welding, this serves to form a quiet, stable burning and concentrated arc and increased energy input supply. Above 250 vpm nitrogen there are annoying side effects such as seam distortion exercises (TIG welding) and sagging of the fillet welds (MIG welding).
In der DE 41 06 900 A1 bzw. der korrespondierenden EP 0 502 318 B1 ist ein Schutz gasgemisch aus Argon oder einer oder mehreren Komponenten aus der Gruppe Helium, Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid mit einer Beimischung von 80 bis 250 vpm Stickstoff, vorzugsweise 120 bis 180 vpm Stickstoff, bekannt, welches beim WIG-, MIG-, MAG- und Plasmaschweißen von Stahlwerkstoffen, Kupfer, Nickel und Aluminium eingesetzt werden kann. Das Schutzgas führt zu einer Einbrandintensivie rung ohne Verschlechterung des Zwangslagenverhaltens.Protection is provided in DE 41 06 900 A1 and the corresponding EP 0 502 318 B1 gas mixture of argon or one or more components from the group Helium, hydrogen, oxygen and carbon dioxide with an admixture of 80 to 250 vpm nitrogen, preferably 120 to 180 vpm nitrogen, known, which at TIG, MIG, MAG and plasma welding of steel materials, copper, nickel and Aluminum can be used. The shielding gas leads to an intensive penetration tion without deterioration of the predicament behavior.
Aus der DE 42 41 982 C1 bzw. der korrespondierenden EP 0 673 295 B1 ist bekannt, ein Schutzgas aus Argon oder aus einem Argon-Helium-Gemisch mit einer Beimi schung von 80 bis 250 vpm Distickstoffoxid (Lachgas), vorzugsweise 120 bis 180 vpm Distickstoffoxid (mit einem Optimum um 150 vpm N2O) beim WIG- und MIG- Schweißen von Aluminium einzusetzen. Beim WIG-Wechselstromschweißen soll das Schutzgas die Ausbildung eines ruhigen, stabil brennenden und konzentrierten Licht bogens und eine erhöhte Energieeinbringung bewirken. Oberhalb von 250 vpm Distickstoffoxid treten störende Nebeneffekte wie Nahtverfärbungen (WIG- Schweißen) und ein starkes Durchsacken der Kehlnähte (MIG-Schweißen) auf.From DE 42 41 982 C1 or the corresponding EP 0 673 295 B1 it is known to use a protective gas made of argon or an argon-helium mixture with an admixture of 80 to 250 vpm nitrous oxide (laughing gas), preferably 120 to 180 vpm Use nitrous oxide (with an optimum around 150 vpm N 2 O) for TIG and MIG welding of aluminum. In TIG AC welding, the shielding gas is intended to produce a calm, stable, burning and concentrated arc and to increase the energy input. Above 250 vpm nitrous oxide there are troublesome side effects such as seam discoloration (TIG welding) and a strong sagging of the fillet welds (MIG welding).
In der DE 42 41 983 C1 bzw. der korrespondierenden EP 0 673 296 B1 ist ein inertes Schutzgas aus Argon oder aus einem Argon-Helium-Gemisch mit einer Beimischung von 80 bis 250 vpm N2/N2O, vorzugsweise 120 bis 180 vpm mit einem Optimum bei 150 vpm N2/N2O, beim WIG-, MIG- und MAG-Schweißen von Aluminium einzusetzen. Die Anteile von N2 und N2O im Schutzgas können im beliebigen Verhältnis stehen. Beim WIG-Wechselstromschweißen dient dies der Ausbildung eines ruhigen, stabil brennenden und konzentrierten Lichtbogens und einem erhöhten Energieeintrag. Oberhalb von 250 vpm N2/N2O treten störende Nebeneffekte wie Nahtverfärbungen (WIG-Schweißen) und ein Absacken der Kehlnähte (MIG-Schweißen) auf.DE 42 41 983 C1 and the corresponding EP 0 673 296 B1 describe an inert protective gas made from argon or from an argon-helium mixture with an admixture of 80 to 250 vpm N 2 / N 2 O, preferably 120 to 180 vpm with an optimum at 150 vpm N 2 / N 2 O, for TIG, MIG and MAG welding of aluminum. The proportions of N 2 and N 2 O in the protective gas can be in any ratio. With TIG AC welding, this serves to form a calm, stable burning and concentrated arc and an increased energy input. Above 250 vpm N 2 / N 2 O there are troublesome side effects such as seam discoloration (TIG welding) and sagging of the fillet welds (MIG welding).
Aus der EP 0 761 380 A1 bzw. der korrespondierenden US-A-5 667 703 ist ein Verfahren zum WIG-Wechselstromschweißen von Aluminium und Aluminium legierungen bekannt, bei welchem der Schweißstelle ein ternäres Schutzgasgemisch aus wenigstens 50 Vol.-% Helium, über 300 vpm Stickstoff und Argon als Rest (bevorzugt wenigstens 60 Vol.-% Helium, zwischen 300 und 1000 vpm Stickstoff und restlich Argon) zugeführt wird. Ausgehend von der Tatsache, daß Helium im Schutz gas einerseits die Umschaltung der Polung der Wolframelektrode von Emission auf Empfang aufgrund seiner gegenüber Argon geringen Förderung der Gasionisation erschwert, aber andererseits die Wirksamkeit des WIG-Schweißens von Aluminium fördert, nämlich vor allem die Eindringtiefe beim Schweißen und die Kompaktheit der Schweißraupe vergrößert, soll durch diese vorgeschlagene Schutzgasmischung die positive Wirkung des Helium ausgenutzt werden, ohne daß die Lichtbogenstabilität oder die Schweißrate merklich beeinflußt wird.From EP 0 761 380 A1 or the corresponding US-A-5 667 703 is a Process for TIG AC welding of aluminum and aluminum Alloys known in which the weld is a ternary shielding gas mixture from at least 50 vol .-% helium, over 300 vpm nitrogen and argon as the remainder (preferably at least 60 vol .-% helium, between 300 and 1000 vpm nitrogen and remaining argon) is supplied. Based on the fact that helium is in protection gas, on the one hand, switching the polarity of the tungsten electrode from emission to Reception due to its low promotion of gas ionization compared to argon difficult, but on the other hand the effectiveness of TIG welding of aluminum promotes, especially the depth of penetration when welding and the compactness of the Enlarged welding bead, the proposed shielding gas mixture is said to positive effects of helium can be exploited without reducing the stability of the arc or the sweat rate is noticeably affected.
In dem deutschen Gebrauchsmuster DE 296 23 194 U1 ist ein Schutzgas zum Licht bogenschweißen (WIG-Wechselstromschweißen, MIG-Schweißen und Pulverplasma schweißen) von Stahl und Nichteisenwerkstoffen wie Aluminium beschrieben, welches aus Argon oder einem Argon-Helium-Stickstoff- und gegebenenfalls Wasserstoff- Gemisch mit einer Beimischung zwischen 50 und 450 vpm Stickstoffmonoxid (vor zugsweise 280 bis 320 vpm NO) besteht. Eine konkret angegebene Zusammenset zung dieses Schutzgasgemisches umfaßt 150 vpm Stickstoff, 300 vpm Stickstoffmon oxid, 10 Vol.-% Helium und Argon als Rest. Das Schutzgas soll beim WIG-Wechsel stromschweißen einen stabilen ruhigen Lichtbogen mit höherer Energieeinbringung und mit geringerer Schallemission, eine bessere Benetzung an den Nahtflanken, ein gutes Einbrandprofil und eine Schweißnaht mit sehr feinschuppigem Aussehen be wirken.In the German utility model DE 296 23 194 U1 there is a protective gas for light arc welding (TIG AC welding, MIG welding and powder plasma welding) of steel and non-ferrous materials such as aluminum, which from argon or an argon-helium-nitrogen and optionally hydrogen Mixture with an admixture between 50 and 450 vpm nitrogen monoxide (before preferably 280 to 320 vpm NO). A specified set This protective gas mixture comprises 150 vpm nitrogen, 300 vpm nitrogen mon oxide, 10 vol.% helium and argon as the rest. The protective gas should be used when changing TIG current welding a stable, quiet arc with higher energy input and with lower noise emissions, better wetting on the seam flanks good penetration profile and a weld seam with a very fine-scaled appearance Act.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Alternative zu den be kannten Schutzgasen und zugehörigen Schweißverfahren aufzuzeigen, die zu guten Schweißergebnissen führt. Dabei sollten gute Schweißeigenschaften gewährleistet werden. Insbesondere sollte möglichst ein stabiler und ruhiger Lichtbogen mit hohem Energieeintrag, ein problemloses Umschalten der Polung der Wolframelektrode, ein hervorragendes Einbrandprofil, eine hohe Energieeinbringung, eine gute Qualität der Schweißnaht insbesondere ohne störende Nahtverfärbungen und Poren, eine hohe Schweißgeschwindigkeit und/oder ein gutes Zwangslagenverhalten erreicht werden.The present invention has for its object an alternative to be known shielding gases and associated welding processes to show the good ones Results in welding. Good welding properties should be guaranteed become. In particular, a stable and calm arc with a high arc should be avoided Energy input, a problem-free switching of the polarity of the tungsten electrode excellent penetration profile, high energy input, good quality of A high weld seam, especially without annoying seam discoloration and pores Welding speed and / or good predicament behavior can be achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schutzgas neben Argon und gegebenenfalls Helium zumindest einen Anteil von 300 vpm bis 1000 vpm Stickstoff enthält und der Heliumanteil im Schutzgas weniger als 50 Vol.-% beträgt.This object is achieved in that the protective gas in addition Argon and optionally helium at least a proportion of 300 vpm to 1000 vpm Contains nitrogen and the helium content in the protective gas is less than 50% by volume.
Überraschenderweise hat sich nämlich gezeigt, daß ein Schutzgas, welches zumin dest Argon und gegebenenfalls Helium und einen Anteil von 300 vpm bis 1000 vpm (d. h. zwischen 0,03 und 0,10 Vol.-%) Stickstoff enthält und der Heliumanteil im Schutzgas weniger als 50 Vol.-% beträgt - insbesondere der Heliumanteil kleiner ist als der Argonanteil im Schutzgas (d. h. der Heliumanteil höchstens etwa 49 Vol.-% beträgt) -, zu hervorragenden Schweißergebnissen führt. Insbesondere konnte mit stabilem und ruhigem Lichtbogen bei hoher Schweißrate ein tiefer und runder Ein brand von guter Qualität mit Nahtgeometrie erzielt werden, ohne daß störende Naht verfärbungen auftraten.Surprisingly, it has been shown that a protective gas, which at least least argon and optionally helium and a proportion of 300 vpm to 1000 vpm (i.e. between 0.03 and 0.10% by volume) contains nitrogen and the helium content in the Shielding gas is less than 50% by volume - in particular the helium content is smaller than the proportion of argon in the protective gas (i.e. the proportion of helium at most about 49% by volume amounts to - leads to excellent welding results. In particular, could with stable and calm arc with high welding rate a deep and round on Brand of good quality can be achieved with seam geometry without disturbing seam discoloration occurred.
Der gegenüber dem Schutzgas nach der EP 0 761 380 A1 oder der korrespondieren den US-A-5 667 703 verringerte Heliumanteil im Schutzgas stellt einen weiteren Vor teil sicher: Die Helligkeit des Lichtbogens nimmt zu und damit die Beobachtbarkeit des Lichtbogens. Dies erleichtert das Schweißen erheblich. Der Grund ist darin zu suchen, daß Argon gegenüber Helium eine um etwa das fünffache größere Helligkeit des Lichtbogens bewirkt.Which correspond to the protective gas according to EP 0 761 380 A1 or the the US-A-5 667 703 reduced helium content in the protective gas represents another Part safe: The brightness of the arc increases and thus the observability of the Arc. This makes welding considerably easier. The reason is to find that argon has a brightness about five times greater than that of helium Arc causes.
In Ausgestaltung der Erfindung enthält das Schutzgas zwischen 350 vpm und 650 vpm, bevorzugt zwischen 380 und 550 vpm Stickstoff.In an embodiment of the invention, the protective gas contains between 350 vpm and 650 vpm, preferably between 380 and 550 vpm nitrogen.
Mit Vorteil kann das Schutzgas 1 bis 45 Vol.-%, bevorzugt 10 bis 40 Vol.-%, beson ders bevorzugt 15 bis 35 Vol.-% Helium enthalten.The protective gas can advantageously be 1 to 45% by volume, preferably 10 to 40% by volume which preferably contain 15 to 35% by volume of helium.
Dem Schutzgas können auch aktive Komponenten, insbesondere Sauerstoff und/oder Kohlendioxid, zugemischt sein. Dadurch kann die Schweißqualität zusätzlich erhöht werden. Insbesondere kann eine höhere Reinigungswirkung und/oder ein ver besserter (vor allem tieferer) Einbrand erzielt werden. Hierzu kann das Schutzgas vorteilhafterweise 0,01 bis 1 Vol.-%, vorzugsweise 0,01 bis 0,2 Vol.-%, besonders bevorzugt 0,01 bis 0,1 Vol.-% Sauerstoff, Kohlendioxid oder einer Mischung aus Sauerstoff und Kohlendioxid enthalten. Hervorragende Ergebnisse wurden beispiels weise mit 500 vpm Sauerstoff, mit 500 vpm Kohlendioxid und mit einer Zumischung von 300 vpm Sauerstoff und 200 vpm Kohlendioxid erzielt. Vor allem die Zugabe von Sauerstoff wirkt sich positiv auf das Schweißergebnis und die Qualität aus.Active components, in particular oxygen, can also be used as protective gas and / or carbon dioxide. This can additionally improve the welding quality increase. In particular, a higher cleaning effect and / or a ver better (especially deeper) penetration can be achieved. For this, the protective gas advantageously 0.01 to 1% by volume, preferably 0.01 to 0.2% by volume, particularly preferably 0.01 to 0.1 vol .-% oxygen, carbon dioxide or a mixture of Contain oxygen and carbon dioxide. Excellent results have been, for example wise with 500 vpm oxygen, with 500 vpm carbon dioxide and with an admixture of 300 vpm oxygen and 200 vpm carbon dioxide. Especially the addition of Oxygen has a positive effect on the welding result and quality.
Das erfindungsgemäße Schutzgas kann beispielsweise beim Anwender vor Ort gemischt werden (auch ein Mischen mit mehreren Stufen ist möglich) oder als Fertiggemisch geliefert werden.The protective gas according to the invention can, for example, be on site at the user can be mixed (mixing with several stages is also possible) or as Ready mix can be delivered.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann grundsätzlich jede geeignete Stromquelle Verwendung finden. Insbesondere können thyristorgeregelte oder bevorzugt transistorisierte Stromquellen benutzt werden.In principle, any suitable power source can be used in the method according to the invention Find use. In particular, thyristor-controlled or preferred transistorized current sources are used.
Vor dem Schweißen kann ein Bürsten der Oberfläche und gegebenenfalls auch eine kurzzeitige (Minuten bis einige Stunden) insbesondere trockene Lagerung zur Bildung einer Oxidschicht vorgesehen sein. Durch die erstgenannte Maßnahme kann insbe sondere eine glatte Nahtoberfläche erreicht werden, durch die Oxidschicht kann der Einbrand vertieft werden. Before welding, the surface can be brushed and, if necessary, one short-term (minutes to a few hours) especially dry storage for formation an oxide layer can be provided. Through the first-mentioned measure, in particular special a smooth seam surface can be achieved through the oxide layer Penetration to be deepened.
Die Erfindung eignet sich unter anderem auch für das Schweißen in Zwangslage.The invention is also suitable, among other things, for welding in a forced position.
Das erfindungsgemäße Schweißverfahren kann beim Schweißen unter mechani sierter Brennerführung oder unter Schweißbrennerführung von Hand angewendet werden.The welding method according to the invention can be mechani torch guidance or used under welding torch guidance by hand become.
Die Erfindung wurde beispielsweise an den Werkstoffen AlMgSi1 bzw. AlMg3Mn mit dem Zusatzwerkstoff S-AlSi5 angewendet.The invention has been applied, for example, to the materials AlMgSi1 and AlMg3Mn the filler material S-AlSi5 applied.
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Legal Events
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Owner name: LINDE GAS AG, 82049 HOELLRIEGELSKREUTH, DE |
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