DE3036427A1 - Laserstrahl-reflexionssystem - Google Patents

Laserstrahl-reflexionssystem

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DE3036427A1 DE19803036427 DE3036427A DE3036427A1 DE 3036427 A1 DE3036427 A1 DE 3036427A1 DE 19803036427 DE19803036427 DE 19803036427 DE 3036427 A DE3036427 A DE 3036427A DE 3036427 A1 DE3036427 A1 DE 3036427A1
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Description

B_e_s_c_h_r_e_i_b_u_n_g
Die Erfindung bezieht sich auf ein Laserstrahl-Reflexionssystem und betrifft insbesondere einen drehbaren Laserstrahlkopf, der es ermöglicht, Rohre von kleinem Durchmesser an ihren Umfangsflachen mit einer Stirnwand zu verschweißen, die zusammen mit den Rohren einen Wärmetauscher bildet. Außer solchen Schveißarbeiten läßt sich der drehbare Laserstrahlkopf nach der Erfindung jedoch auch zur Durchführung anderer Arbeiten benutzen, z.B. zum Schneiden von Material, zur Wärmebehandlung bzw. Oberflächenbehandlung von Materialien sowie als Lichtquelle für Laser-Nachrichtenübertragungssysteme .
Die Fig. 1 der der vorliegenden Beschreibung beigefügten Seichnungen zeigt eine bekannte Vorrichtung zum Schweißen mittels eines Laserstrahls, die in einem Artikel unter dem Titel "Welding With a High-Power CO2 Laser" in "Society of Automotive Engineers", 1974, beschrieben ist. Diese Vorrichtung ist dazu bestimmt, Schweißarbeiten längs einer kreisrunden Schweißlinie durchzuführen. Bei dieser Vorrichtung wird der in ein drehbares Gehäuse 2 eingeleitete Laserstrahl 1 unter einem rechten Winkel durch einen reflektierenden Spiegel 3 zurückgeworfen, der eine parabolische Fläche hat, so daß der Laserstrahl in Richtung der Eindringtiefe gegenüber dem zu schweißenden Material durch einen ortsfesten reflektierenden Spiegel 4 konzentriert bzw. fokussiert wird. Um eine Schweißnaht längs einer Kreislinie herzustellen, wird der drehbare Laserstrahlkopf 2 in seiner Lagerung 5 in "Richtung des Pfeils 7 gedreht.
Bei dieser bekannten Vorrichtung besteht ein Nachteil darin, daß es nicht möglich ist, den Abstand zwischen der Drehachse
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und dem Brennpunkt des fokussierten Laserstrahls 1 kleiner zu machen als den Durchmesser des in den drehbaren Laserstrahlkopf 2 eintretenden Laserstrahls, und daß es daher nicht möglich ist, an der Umfangsfläche ein Rohr zu verschweißen, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Laserstrahls.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen drehbaren Laserstrahlkopf zu schaffen, der es ermöglicht, einen Schweißvorgang längs einer Kreislinie von jedem gewünschten Durchmesser durchzuführen, und der es ferner ermöglicht, den Laserstrahl ohne Rücksicht auf den Durchmesser der Schweißlinie in der Richtung der Eindringtiefe bei dem zu schweißenden Werkstück zu führen.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die Schaffung eines drehbaren Laserstrahlkopfes gelöst, bei dem der in den drehbaren Kopf eingeleitete Laserstrahl veranlaßt wird, sich längs eines optischen Systems fortzupflanzen, das zusammen mit dem Kopf gedreht \^ird, um die gewünschte Schweißarbeit durchzuführen; der erfindungsgemäße Laserstrahlkopf ist dadurch gekennzeichnet, daß er einen reflektierenden Zwischenspiegel sowie eine Einrichtung aufweist, welch letztere es ermöglicht, einen Strahlenfokussierspiegel, dem der Strahl von dem reflektierenden Spiegel aus zugeführt wird, in radialer Richtung zu bewegen und ihn in eine Stellung zu bringen, in der.er den gewünschten Abstand von der Drehachse des Kopfes hat, so daß sich der Laserstrahl durch Drehen des Kopfes auf die kreisrunde Schweißzone von beliebigem Durchmesser in der Richtung der Eindringtiefe richten läßt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Axialschnitt eines auf bekannte Weise ausgebildeten drehbaren Laserstrahlkopfes;
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Fig. 2, 3 und 4 jeweils einen Axialschnitt einer Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 5 und 6 jeweils die Draufsicht eines erfindungsgemäSen Schveißkopfes.
Die nachstehend beschriebenen erfindungsgeraäßen Laserstrahlköpfe sind beispielsweise zur Durchführung von Schveißarbeiten bestimmt.
Zu der in Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung gehört ein Schweißkopfgehäuse 8 mit einem Außendurchmesser von 160 mm und einer Höhe von 180 mm, das um eine Achse 19 drehbar ist. Ein Laserstrahl 1 mit einem Durchmesser von 20 mm, der in das Schweißkopfgehäuse 8 längs der Achse 3 9 eingeleitet wird, wird von dieser Achse weg durch einen ersten reflektierenden Spiegel 9 umgelenkt und nach unten auf einen z\\?eiten reflektierenden Spiegel 10 geleitet, der aus Reinkupfer besteht und bei einem Durchmesser von 40 mm eine Dicke von 10 mm hat. Durch diesen zweiten reflektierenden Spiegel 10 wird der Laserstrahl 1 so umgelenkt, daß er die Achse 19 im wesentlichen im rechten Winkel kreuzt. Danach gelangt der Laserstrahl 1 zu einem dritten reflektierenden Spiegel 11 mit einer parabolischen Fläche, der zum Fokussieren des Strahls dient. Der dritte Spiegel 11 besteht ebenfalls aus Reinkupfer und hat bei einem Durchmesser von 50 mm eine Dicke von mindestens 10 mm. Dieser dritte Spiegel läßt sich gemäß Fig. 2 mit Hilfe eines Drehknopfes 13 in Richtung des radialen Doppelpfeils 12 verstellen. Vor dem Gebrauch Λ\άΓα der dritte Spiegel 11 auf einen solchen Winkel eingestellt, daß der durch diesen Spiegel fokussierte Laserstrahl 1 im rechten Winkel auf die kreisrunde Schweißzone 18 trifft.
Der durch den dritten Spiegel 11 fokussierte Laserstrahl 1 pflanzt sich längs der Mittellinie einer bewegbaren Strahldüse 15 fort und wird auf die kreisrunde Schweißzone 18 ge-
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leitet, bei der es sich im Falle von Fig. 2 um eine Trennfläche zwischen der äußeren Umfangsfläche eines Rohres Ü6 mit einem Außendurchmesser von 50 mm und einer Wandstärke von 3,5 mm, das unter dem drehbaren Kopfgehäuse 8 angeordnet ist, und der Wand einer Bohrung einer Rohrplatte 17 mit einer Dicke von etwa 300 mm handelt. Der Durchmesser der Bohrung ist um etwa 0,1 mm größer als der Außendurchmesser des Rohres 3 6. Während des Gebrauchs des Laserstrahls 1 mit einer Bestrahlungsleistung von etwa 1,7 kW zur Erhitzung der kreisrunden Schweißzone 18 wird der Schweißkopf 8 in Richtung des Pfeils 14 mit Hilfe einer nicht dargestellten Antriebseinrichtung mit einer Geschwindigkeit von 25 mni/s gedreht, wobei die Drehachse 19 des Kopfes 8 mit der Achse 19 des Rohres zusammenfällt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 läßt sich der Durchmesser der kreisrunden Schweißzone 18 zwischen Null und einem Größtwert variieren, der durch die Konstruktion des Schweißkopfgehäuses 8 begrenzt wird; zu diesem Zweck braucht man nur den dritten Spiegel 11 in radialer Richtung gegenüber der Drehachse 19 des Schweißkopfgehäuses und damit gegenüber der Achse der kreisrunden Schweißzone zu verstellen.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen drehbaren Laserstrahlkopfes, der sich von dem in Fig. 2 dargestellten dadurch unterscheidet, daß zwei zweite reflektierende Spiegel verwendet werden und daß sich der Laserstrahl 1 im wesentlichen parallel sowie im rechten Winkel zu der Achse 19 des Schweißkopfgehäuses 8 fortpflanzt, das bei einem Außendurchmesser von ]20 mm eine Höhe von 190 mm hat. Während des Betriebs wird der Laserstrahl 1 mit Hilfe eines reflektierenden ebenen Spiegels 21, der im Bereich der Strahleintrittsöffnung 20 mittels eines Bauteils 22 an einem nicht gezeigten Gestell befestigt ist und bei einem Durchmesser von etwa 40 mm eine Dicke von etwa 10 mm hat, so umgelenkt, daß er sich parallel zur Drehachse 19 des Schweißkopf-
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gehäuses 8 fortpflanzt. Danach vird der Laserstrahl 1 durch einen ersten reflektierenden Spiegel 9 mit einem Durchmesser von etwa 40 mm und einer Dicke von 10 mm zurückgeworfen, um dann durch die beiden zweiten Spiegel 1OA und lOB zurückgeworfen zu werden. Die beiden Spiegel 3 0A und 3OB haben die gleichen Abmessungen wie der erste Spiegel 9. Der Laserstrrhl, der bei jedem der beiden zweiten Spiegel im \vresentlichen unter einem rechten Winkel umgelenkt vird, wird dann durch einen dritten Spiegel 11 mit einer parabolischen Fläche reflektiert, fokussiert und auf die kreisrunde Schweißzone JS geworfen. Konstruktion und Wirkungsweise des dritten Spiegels 11 entsprechen denjenigen des Spiegels 11 nach Fig*. 2. Das Rohr hat einen Außendurchmesser von 15,5 mm und eine Wandstärke von 3,5 mm.
Diese Ausführungsform bietet zusätzlich zu dem beschriebenen Vorteil der ersten Ausführungsform nach Fig. 2 einen weiteren Vorteil, der darin besteht, daß sich der erste Spiegel 9, die beiden zweiten Spiegel 1OA, 1OB und der dritte Spiegel leicht in die richtige Lage bringen lassen. Außerdem ist es möglich, den Durchmesser des ersten Spiegels 9 und die Mindestlänge des Schweißkopfgehäuses A, d.h. den Abstand zwischen dem oberen Ende des ersten Spiegels 9 und dem unteren Ende des dritten Spiegels 11, vergleichsweise zu verringern. Der Abstand zwischen den Mittelpunkten des ersten Spiegels 9 und des Spiegels 21 und der Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden zweiten Spiegel 1OA und 1OB beträgt 47 bzw. 35 mm.
Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die sich von den anhand von Fig. 2 und 3 beschriebenen Ausführungsformen dadurch unterscheidet, daß als dritter Spiegel 23 ein sphärischer Spiegel mit einem Krümmungsradius von 300 mm vorhanden ist, der bei einem Durchmesser von 50 mm eine Mindestdicke von 12 mm hat, und daß ein zweiter Spiegel IOD mit einem Durchmesser von 45 mm und einer Dicke von 12 mm unter dem dritten Spiegel 23 angeordnet ist, so daß der einfallende
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Laserstrahl und der reflektierte Laserstrahl an dem zeiten Spiegel IOD einen spitzen Winkel bilden.
Gemäß Fig. 4 ist ein Schweißkopfgehäuse 8 mit einem /.ußendurchmesser von 170 mm und einer Höhe von 300 mm in einem Gestell 26 mittels eines Lagerteils 5 drehbar gelagert. Im Bereich der Strahleintrittsöffnung 20 ist an dem Gehäuse S ein Rahmen befestigt, der einen Motor 24 trägt. Die ersten Spiegel 9 und 21 sowie der Spiegel IOD haben jeweils einen Durchmesser von 50 mm und eine Dicke von 12 mm. Wird gemäß Fig. 4 ein Zahnrad 28 in Richtung des Pfeils 25 gedreht, wenn sich der Motor 24 in Betrieb befindet, wird das Schweißkopfgehäuse 8 um die Achse des Rohres 16 in Richtung des Pfeils 14 gedreht, so daß der durch den dritten Spiegel 23 fokussierte Laserstrahl 1 längs der kreisrunden Schweißzone 18 bewegt wird. Während der Durchführung des Schweißvorgangs mit Hilfe des Laserstrahls wird über eine Düse 27 Argongas in einer Menge von 10 ltr/min zugeführt, um das Plasma zu entfernen und eine Oxidation der zu verschweißenden Flächen zu verhindern. Die Schweißbedingungen sind die gleichen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2. Der Abstand zwischen dem ersten Spiegel 9 und dem zweiten Spiegel IOC, der an den Mittelpunkten dieser Spiegel gemessen wird, beträgt 36 mm, während zwischen den Mittelpunkten der beiden zweiten Spiegel IOC und IOD ein Abstand von 165 rom vorhanden ist.
Die Ausführungsform nach Fig. 4 bietet den Vorteil, daß der dritte Spiegel 23 als sphärischer Spiegel leicht herstellbar ist.
Zwar sind die Einrichtungen zum Antreiben des Schweißkopfgehäuses und zum Zuführen des Schutzgases in Fig. 2 und 3 fortgelassen, doch liegt es auf der Hand, daß auch bei den Ausführungsformen nach Fig. 2 und 3 die in Fig.- 4 gezeigten -
Einrichtungen zum Drehen des Schweißkopfgehäuses und zum Zuführen des Schutzgases verwendet werden können.
Bei den Ausführ'ungsformen nach Fig. 2 bis 4 kreuzt der durch den zweiten Spiegel reflektierte Laserstrahl die Drehachse des Schweißkopfgehäuses 8, bevor er zu dem dritten Spiegel gelangt. Diese Anordnung ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, d.h. man kann den dritten Spiegel auf der gleichen Seite der Achse 19 anordnen wie den zweiten Spiegel. Da in diesem Fall die Möglichkeit besteht, daß der dritte Spiegel während der Drehung des Schweißkopfgehäuses 8 etwas bewegt wird, wird es vorgezogen, den dritten Spiegel bewegbar zu lagern und eine Einrichtung zum Feststellen des dritten Spiegels nach dem Einstellen vorzusehen.
Das Schweißkopfgehäuse 8 kann gemäß Fig. 5 eine zylindrische Form oder gemäß Fig. 6 die Form eines durch Winkel begrenzten rohrförmigen Körpers haben, bei welch letzterem die beiden kurzen Seiten eines rechteckigen Querschnitts als kreisrunde Vorwölbungen ausgebildet sind. Das zylindrische Schweißkopfgehäuse 8 läßt sich auf stabile Weise drehen, während es die Cuerschnittsform nach Fig. 6 ermöglicht, den Raumbedarf des Schweißkopfgehäuses zu verringern.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, eine Schweißverbindung mit Hilfe eines Laserstrahls zwischen der Innenfläche einer Bohrung einer Rohrwand und der Umfangsfläche eines Rohres von beliebigem Durchmesser herzustellen. Da sich der Laserstrahl in Richtung der Eindringtiefe bezüglich der Schweißzone zur Wirkung bringen läßt, ist es möglich, den Verzug beim Schweißen zu verringern und die Entstehung von Rissen infolge einer Spannungskorrosion zu vermeiden.
Zwar wurde die Erfindung bezüglich ihrer Anwendbarkeit bei einer Schweißvorrichtung beschrieben, doch sei bemerkt, daß
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sich die Erfindung auch in anderen Fällen anwenden läßt,
z.B. zur Wärme- oder Oberflächenbehandlung von Materialien. Ferner ist es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
möglich, Materialien zu schneiden, indem man über eine Düse 15 ein Gas unter einem verhältnismäßig hohen Druck zuführt, während der Laserstrahl zur Wirkung gebracht wird.
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Claims (12)

1}■ Laserstrahl-Reflexionssystem zum Projizieren eines Laserstrahls auf eine zu behandelnde Fläche, gekennzeichnet durch ein hohles Kopfgehäuse (8), einen in dem Kopfgehäuse angeordneten ersten Spiegel zum Umlenken des in das Kopfgehäuse eingeleiteten Laserstrahls (1) gegenüber der Achse (19) des Kopfgehäuses, einen in dem Kopfgehäuse angeordneten zweiten Spiegel (10) zum Umlenken des durch den ersten Spiegel umgelenkten Laserstrahls derart, daß sich der Laserstrahl quer zu der Achse fortpflanzt, sowie einen in dem Kopfgehäuse angeordneten dritten Spiegel (11), der quer zu der Achse bewegbar und geeignet ist, den durch den zweiten Spiegel reflektierten Laserstrahl in Richtung auf die zu behandelnde Fläche (18) zu reflektieren.
2. Drehbarer Laserstrahlkopf zum Projizieren eines Laserstrahls auf eine zu behandelnde Fläche, gekennzeichnet durch ein um eine Achse (19) drehbares
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hohles Kopfgehäuse (8), einen in dem Kopfgehäuse angeordneten ersten Spiegel (9) zum Umlenken des in das Kopfgehäuse eingeleiteten Laserstrahls (1) gegenüber der Achse, einen in dem Kopfgehäuse angeordneten zweiten Spiegel (10) zum Umlenken des durch den ersten Spiegel reflektierten Laserstrahls derart, daß er sich ouer zu der Achse fortpflanzt, sowie einen in dem Kopfgehäuse angeordneten dritten Spiegel (11), der quer zu der Achse bewegbar und geeignet ist, den durch den zweiten Spiegel reflektierten Laserstrahl zu reflektieren und ihn auf der zu behandelnden Fläche (18) zu fokussieren.
3. Laserstrahlkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Spiegel (11) so angeordnet ist, daß der Bestrahlungsvinkel des Laserstrahls (1) gegenüber der zu behandelnden Fläche (18) einstellbar ist.
4. Laserstrahlkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch' gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (1) parallel zu der Achse (19) in das Kopfgehäuse (8) eingeleitet
5. Laserstrahlkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (1) im rechten Winkel zu der Achse (19) in das Kopfgehäuse (8) eingeleitet wird.
6. Laserstrahlkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu der ersten Spiegelanordnung ein Spiegel (9) gehört, der den in das Kopfgehäuse (8) eingeleiteten Laserstrahl (1) im wesentlichen im rechten iv'inkel reflektiert, sowie ein weiterer Spiegel (10A), der den durch den ersten Spiegel reflektierten Laserstrahl im wesentlichen im rechten Winkel reflektiert.
7. Laserstrahlkopf nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu der zweiten Spiegelanord-
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BAD '
nung ein Spiegel (IQA) gehört, der den durch den ersten Spiegel (9) reflektierten Laserstrahl (3) im wesentlichen im rechten Winkel reflektiert, sov.'ie ein weiterer Lpiegel (10B), der den durch den ersten Spiegel reflektierten Laserstrahl im wesentlichen im rechten V-'inkel reflektiert.
8. Drehbarer Laserstrahlkopf zum Projizieren eines Laserstrahls auf eine zu behandelnde Fläche, gekennzeichnet durch ein um eine Achse (3 9) drehbares hohles Kopfgehäuse (8), einen in dem Kopfgehäuse angeordneten ersten Spiegel (9) zum Umlenken des in das Kopfgehäuse eingeleiteten Laserstrahls (l) gegenüber der Achse, einen in dem Kopfgehäuse angeordneten zweiten Spiegel (10) zum Umlenken des durch den ersten Spiegel reflektierten Laserstrahls derart, daß er sich quer zu der Achse fortpflanzt, sowie einen in dem Kopfgehäuse angeordneten dritten Spiegel (11), der quer zu der Achse bewegbar ist und den durch den zweiten Spiegel reflektierten Laserstrahl reflektiert und ihn auf der zu behandelnden Fläche (18) fokussiert, wobei zu der zweiten Spiegelanordnung ein Spiegel (10A) gehört, der den durch den ersten Spiegel reflektierten Laserstrahl im wesentlichen im rechten Vinkel reflektiert, sowie ein weiterer Spiegel (10B), der den durch den betreffenden Spiegel reflektierten Laserstrahl unter einem spitzen Winkel reflektiert, wobei der dritte Spiegel (11) ein sphärischer Spiegel ist.
9. Laserstrahlkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Kopfgehäuse (8) eine zylindrische Form hat.
10. Laserstrahlkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Kopfgehäuse (8) als rechteckiges Rohr ausgebildet ist, bei dem die kürzeren Seiten des rechteckigen Querschnitts kreisbogenförmig nach auiSen vorgewölbt sind.
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11. Drehbarer Laserstrahlkopf zum Projizieren eines Laserstrahls auf eine zu behandelnde Fläche, gekennzeichnet durch ein um eine Achse (19) drehbares hohles Kopfgehäuse (8), einen in dem Kopfgehäuse angeordneten ersten Spiegel (9) zum Umlenken des in das Kopfgehäuse eingeleiteten Laserstrahls (1) gegenüber der Achse, einen in dem Kopfgehäuse angeordneten zweiten Spiegel (10) zum Umlenken des durch den ersten Spiegel reflektierten Laserstrahls derart, daß er sich quer zu der Achse fortpflanzt, sowie einen in dem Kopfgehäuse angeordneten dritten Spiegel (11; 23), der quer zu der Achse bewegbar ist, wobei der dritte Spiegel den durch den zweiten Spiegel reflektierten Laserstrahl reflektiert und ihn auf der zu behandelnden Fläche (18) fokussiert, wobei der erste und der zweite Spiegel sowohl parallel zu der Achse als auch im rechten Winkel zu ihr durch einen Abstand getrennt sind und wobei der zweite Spiegel (10B) und der dritte Spiegel (11) längs der Achse auf der gleichen Höhe angeordnet, jedoch im rechten Winkel dazu durch einen Abstand getrennt sind.
12. Laserstrahlkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spiegel (9) der ersten Spiegelanordnung und der erste Spiegel (10A) der zweiten Apiegelanordnung gegenüber der Achse (19) in der gleichen Höhe angeordnet, jedoch im rechten Winkel dazu durch einen Abstand getrennt sind und daß der zweite Spiegel (10B) der zweiten Spiegelanordnung und der dritte Spiegel (11) gegenüber der Achse auf der gleichen Höhe angeordnet, jedoch im rechten Winkel dazu durch einen Abstand getrennt sind.
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BAD ORlGfNAL
DE3036427A 1979-09-28 1980-09-26 Laserstrahl-Reflexionsvorrichtung Expired DE3036427C2 (de)

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