JP3532223B2 - Laser processing machine head - Google Patents
Laser processing machine headInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明はレーザ加工機の加工ヘ
ッドに係り、さらに詳しくは、冷却媒体およびアシスト
ガスの噴出に特徴のあるノズルを有するレーザ加工機の
加工ヘッドに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来よりよく知られているように、板状
の被加工材を加工するレーザ加工装置では、レーザ発振
器からのレーザビームを被加工材へ照射するための反射
鏡とレーザビームを集光する集光レンズを備えた加工ヘ
ッドと、被加工材を水平に支持して移動させる加工テー
ブルとを備えている。
【0003】レーザ加工におけるレーザビームは、レー
ザ発振器から発振され加工ヘッドからアシストガスと共
に被加工材へ照射される。このアシストガスは被加工材
と反応して被加工材の溶融を助けると共に、溶融した金
属やスラッグを除去する作用をする。また、溶融金属の
飛散から集光レンズを保護する作用もある。
【0004】レーザビームによる切断加工においては、
被加工材の加工点に集中的に照射されたレーザビームの
エネルギーが熱エネルギーとして被加工材に吸収され、
この熱エネルギーによって被加工材は溶融されて切断さ
れるのである。
【0005】従って、正確な切断加工を行うには、熱影
響部分を狭くしてやる必要があるため、このような熱加
工切断においては、特に厚板の切断加工時における被加
工材の冷却手段として冷却効果の高い水噴霧が使用され
ている。
【0006】この水噴霧は、二重構造としたノズルの内
側ノズルからレーザビームとアシストガスを同軸上に噴
出させると共に、外側ノズルから水を流すことにより行
われている。従って、外側ノズルから流れ出た水は、内
側ノズルから噴出されるアシストガスにより巻き込まれ
て霧状態となり、アシストガスと一緒に被加工材に吹き
付けられている。
【0007】また、厚板加工では、内側のノズル径が大
きく、ノズル先端のガス吹き出し部の直線部が長いほど
ノズルより噴出したアシストガスの方向性が良好とな
り、切断面が良い状態となることが知られている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の技術にあっては、内側ノズルから噴出するア
シストガスは、それ単体で噴出した場合には、大気との
相対速度の為に噴出直後に方向性が乱れた流れとなる。
この方向性の乱れは、アシストガスの外周から始まり、
内側に進行してくるため、ノズル径を大きくすることは
アシストガスの内側の乱れの発生を遅らせ、アシストガ
ス圧やその他の要因によっては、乱れの少ないアシスト
ガスが断面溝に吹き込んでくるが、アシストガスの消費
量が増大してランニングコストを劣化させる問題があ
る。
【0009】また、切断面に発生する条痕は、レーザビ
ームにより溶融した被加工材がアシストガスにより冷却
されて凝固することで発生するため、アシストガスの流
れが乱れていると切断溝に入るガス量および流速が低下
し、裏面に溶融金属が付着したり条痕が乱れたりするお
それがある。そして、外側のノズルから流れ出た水がア
シストガスにより巻き込まれて霧状態となって被加工材
の加工部分に吹き付けられるため、加工安定性は良好に
確保されるものの熱のロスが大きく加工速度と加工可能
板厚の低下を招いている。
【0010】さらに、内側ノズル先端の直線部分を長く
することはアシストガスの流れの乱れを防ぐ効果がある
が、レーザビームが干渉しやすくなり、焦点および可動
範囲が短くなるという問題がある。
【0011】この発明の目的は、このような従来の技術
に着目してなされたものであり、切断能力,切断面粗度
および加工安定性を向上させるとともに、ランニングコ
ストを低減することのできるレーザ加工機の加工ヘッド
を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、前述のごとき
従来の問題に鑑みてなされたもので、被加工材へアシス
トガスを噴出すると共にレーザビームを照射する内側ノ
ズルの周囲に、冷却媒体を混合したシールドガスを噴出
する外側ノズルを設け、前記外側ノズルからのシールド
ガスの噴出速度を前記内側ノズルからのアシストガスの
噴出速度とほぼ同速度に構成すると共に、前記内側ノズ
ルに対して相対的高さを調整できるように前記外側ノズ
ルを上下方向へ移動自在に設けた構成である。
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【実施例】以下、この発明の好適な一実施例を図面に基
づいて説明する。
【0018】図5及び図6には、レーザ加工機1の全体
が示してある。このレーザ加工機1は、ベース3、ベー
ス3の一端部に固定され垂直に形成されているポスト
5、およびポスト5によってベース3の上方に水平片持
ち梁状に支持されているオーバーヘッドビーム7とから
なっており、ポスト5の前面(図6中下側)には、レー
ザ加工機1を数値制御するNC制御装置9が設けられて
いる。
【0019】前記ベース3の上端には、加工される被加
工材Wを水平に載置すべく複数のフリーベアボール11
を有する固定テーブル13が設けられている。オーバー
ヘッドビーム7の前端には、ミラーアッセンブリ15お
よび集光レンズ17を有する加工ヘッド19が設けられ
ている。この加工ヘッド19の先端(下端)にはレーザ
ビームLBを照射するノズル21が設けられている。
【0020】そして、ミラーアッセンブリ15は、レー
ザ加工機1の図中左側に設けられているレーザ発振器2
3からのレーザビームLBを集光レンズ17および被加
工材Wの方向へ屈折させるように設けられており、さら
にレーザ発振器23からミラーアッセンブリ15へ送る
ためのミラーアッセンブリ25,25が設けられてい
る。
【0021】従って、このようなレーザ加工機1は、レ
ーザ発振器23からのレーザビームLBを受取り、加工
ヘッド19を通して被加工材Wの加工のためレーザビー
ムLBを照射するようになっている。
【0022】一方、被加工材Wを供給し、位置決めする
ために、水平移動可能なキャレッジベース27、このキ
ャレッジベース27上に移動可能に設けられ且つ被加工
材Wを把持する一対のワーククランプ29を有するキャ
レッジ31が設けられている。
【0023】キャレッジベース27は固定テーブル13
の両側に設けられている可動テーブル33と一体となっ
ており、固定テーブル13の両側に平行に設けられた一
対のガイドレール35上へスライド自在に設けられてい
て、図示しない駆動装置によりY軸方向へ移動位置決め
自在となっている。また、キャレッジ31は、キャレッ
ジベース27上を、X軸方向へ移動位置決め自在に設け
られている。
【0024】従って、加工ヘッド19の真下に位置する
加工領域への被加工材Wの位置決めは、被加工材Wをク
ランプするワーククランプ29を装備したキャレッジ3
1がキャレッジベース27上をX方向に移動制御され、
且つキャレッジベース27がガイドレール35に沿って
Y方向に移動制御されることにより行われることにな
る。
【0025】次に、図1に基づいて、加工ヘッド19に
ついて説明する。
【0026】加工ヘッド19は中央部上側にレーザビー
ムLBを集光するための集光レンズ17が設けられてお
り、下向きに尖った円錐形状を呈する内部空間G側壁の
上端部付近に酸素等のアシストガスAGを噴出するアシ
ストガス噴出口37が設けられている。そして、集光レ
ンズ17の真下で加工ヘッド19の下端中心部には、レ
ーザビームLBを被加工材Wに照射すると共にアシスト
ガスAGを被加工材Wに対して噴出する内側ノズル39
が設けられている。
【0027】内側ノズル39の外周には、例えばエアー
などのシールドガスSGと冷却媒体としての水WAを噴
出するための外側ノズル41が設けられている。この外
側ノズル41は、内部空間Gの形状に沿って連続した外
側ノズル空間41Aを有しており、この外側ノズル空間
41Aの上端において配管43に連結している。外側ノ
ズル空間41Aの下端は、ノズル21下端面において円
形の溝となって外側ノズル41を形成するものである。
そして、外側ノズル41に連結されている配管43に
は、送られてきたシールドガスSG中に霧状の水WAを
混合するための混合器45が設けられている。
【0028】以上のように構成された加工ヘッド19で
は、レーザ発振器23からミラーアッセンブリ15を介
して送られてきたレーザビームLBが、集光レンズ17
により集光されて内側ノズル39から被加工材Wの切断
箇所に照射されると共に、アシストガスAGが被加工材
Wに向けて噴出されることにより被加工材Wを切断加工
する。この際に、混合器45により霧状の水WAが混合
されたシールドガスSGが、アシストガスAGの流速と
略同じ流速で外側ノズル41から噴出される。
【0029】図2を参照するに、上述のように外側ノズ
ル41からシールドガスSGを噴出させると、内側ノズ
ル39から噴出するアシストガスAGは大気ではなく、
シールドガスSGとの間に相対速度をもつことになり、
結果として相対速度が小さくなる。このため、シールド
ガスSGのシールド効果によりアシストガスAGの流れ
が乱れず、方向性の良いガスが多量に加工部へ吹き込む
ので、ピアス時間が短縮化されると共に切断面粗度が向
上してカーフ幅を狭くでき、さらに加工速度を速くする
ことができる。
【0030】また、シールドガスSGには、混合器45
により予め霧状の水WAを混入させてあるので、切断加
工により被加工材Wに発生した熱の冷却効果を高めるこ
とができる。ここで、シールドガスSGの流速はアシス
トガスAGの流速とほぼ一致するため、シールドガスS
Gに混入した霧状の水WAのアシストガスAGへの進入
速度が遅く、加工部に直接吹き付けられることがないた
めレーザビームLBの水WAによるロスが発生せず、加
工速度を低下させることがない。
【0031】さらに、シールドガスSGとアシストガス
AGとのノズル噴出後の混合が少ないため、シールドガ
スSGは安価なエアー等を使用することができる。そし
て、シールドガスSGをアシストガスAGと別配管とし
たので、それぞれの流量又はガス圧を別々に設定でき
る。例えば、シールドガスSGを強くするとピアス加工
時に発生するスパッタによる集光レンズの汚れを防ぐこ
とができる。
【0032】尚、図3に示すように、外側ノズル41を
内側ノズル39に対して相対的高さを調整できるように
上下方向へ移動自在に設け、外側ノズル41の高さをN
C装置により制御するようにすれば、シールドガスSG
による冷却範囲を加工形状によって変化させることもで
きる。すなわち、図中右側に示すように外側ノズル41
を内側ノズル39に対して相対的に上昇させると、シー
ルドガスSGは広い範囲に広がるため、冷却範囲が広が
る。図中左側には、外側ノズル41の下端が内側ノズル
39の下端と同じ高さ位置にある場合を示している。
【0033】また、上記実施例においては、内側ノズル
39の外周に外側ノズル41を設けたが、図4に示すよ
うに、外側ノズルの噴出口はリング状でなく等間隔で配
された小孔47であってもよい。
【0034】さらに、シールドガスSGの代わりに水W
Aや油を直接噴出したり、外部冷却装置により冷却され
た油,ガス又はそれらの混合ガスを用いることもでき
る。
【0035】
【発明の効果】以上のごとき実施例の説明より理解され
るように、本発明は、内側ノズル39から噴出されるア
シストガスの噴出速度と外側ノズル41からのシールド
ガスの噴出速度がほぼ等しいので、アシストガスとシー
ルドガスとの速度差が小さく、アシストガスの流れの乱
れを防止してレーザ加工を行うことができるものであ
る。したがって、シールドガスに含まれている冷却媒体
がレーザ加工位置へ直接吹き付けられるようなことがな
く、加工位置における熱のロスを抑制できると共に、加
工位置の周囲を効果的に冷却することができるものであ
る。また、内側ノズル39に対して外側ノズル41が相
対的に上下動自在であるから、シールドガスによる冷却
範囲を加工形状等に対応して調節できることとなるもの
である。
【0036】Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a processing head of a laser processing machine, and more particularly, to a laser processing machine having a nozzle characterized by ejection of a cooling medium and assist gas. This relates to the machining head. 2. Description of the Related Art As is well known in the past, a laser processing apparatus for processing a plate-shaped workpiece has a reflecting mirror for irradiating the workpiece with a laser beam from a laser oscillator. A processing head having a condensing lens for condensing the laser beam and a processing table for horizontally supporting and moving the workpiece are provided. In laser processing, a laser beam is oscillated from a laser oscillator and irradiated onto a workpiece together with an assist gas from a processing head. The assist gas reacts with the work material to help melt the work material and removes molten metal and slug. In addition, there is also an effect of protecting the condenser lens from the scattering of the molten metal. In cutting with a laser beam,
The energy of the laser beam irradiated intensively on the processing point of the workpiece is absorbed by the workpiece as thermal energy,
The workpiece is melted and cut by this thermal energy. Accordingly, in order to perform accurate cutting, it is necessary to narrow the heat-affected portion. Therefore, in such thermal processing cutting, cooling is particularly performed as a cooling means for the workpiece during cutting of a thick plate. Highly effective water spray is used. This water spraying is performed by ejecting a laser beam and an assist gas coaxially from an inner nozzle of a nozzle having a double structure and flowing water from the outer nozzle. Therefore, the water flowing out from the outer nozzle is entrained by the assist gas ejected from the inner nozzle to become a fog state, and is sprayed on the workpiece together with the assist gas. In thick plate processing, the larger the inner nozzle diameter and the longer the straight portion of the gas blowing portion at the tip of the nozzle, the better the direction of the assist gas ejected from the nozzle and the better the cut surface. It has been known. However, in such a conventional technique, the assist gas ejected from the inner nozzle has a relative velocity with respect to the atmosphere when ejected alone. Immediately after the eruption, the flow is disturbed.
This disturbance in direction begins from the outer periphery of the assist gas,
Since it progresses inward, increasing the nozzle diameter delays the occurrence of turbulence inside the assist gas, and depending on the assist gas pressure and other factors, less turbulent assist gas blows into the cross-section groove, There is a problem that the consumption amount of the assist gas increases and the running cost is deteriorated. Further, the streak generated on the cut surface is generated when the work material melted by the laser beam is cooled and solidified by the assist gas, so that if the assist gas flow is disturbed, it enters the cutting groove. There is a possibility that the amount of gas and the flow velocity are reduced, and molten metal adheres to the back surface or the streak is disturbed. And since water flowing out from the outer nozzle is entrained by the assist gas and becomes a mist state and sprayed on the processed portion of the workpiece, the processing stability is ensured well, but the heat loss is large and the processing speed is high. The thickness of the workable plate is reduced. Furthermore, increasing the length of the straight portion at the tip of the inner nozzle has the effect of preventing disturbance of the assist gas flow, but there is a problem that the laser beam is likely to interfere and the focal point and movable range are shortened. An object of the present invention has been made by paying attention to such a conventional technique, and is capable of improving cutting ability, cutting surface roughness and processing stability, and reducing running cost. It is to provide a processing head of a processing machine. The present invention has been made in view of the conventional problems as described above. The present invention has been made around the inner nozzle that emits an assist gas to a workpiece and irradiates a laser beam. An outer nozzle that ejects a shielding gas mixed with a cooling medium is configured, and the ejection speed of the shielding gas from the outer nozzle is configured to be substantially the same as the ejection speed of the assist gas from the inner nozzle, and the inner nozzle The outer nose so that the relative height can be adjusted.
It is the structure which provided the robot movably up and down . A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. 5 and 6 show the entire laser beam machine 1. FIG. This laser beam machine 1 includes a base 3, a post 5 fixed to one end of the base 3 and formed vertically, and an overhead beam 7 supported by the post 5 in a horizontal cantilever shape above the base 3. An NC control device 9 for numerically controlling the laser processing machine 1 is provided on the front surface (lower side in FIG. 6) of the post 5. A plurality of free bear balls 11 are placed on the upper end of the base 3 in order to place a workpiece W to be processed horizontally.
A fixed table 13 is provided. A processing head 19 having a mirror assembly 15 and a condenser lens 17 is provided at the front end of the overhead beam 7. A nozzle 21 for irradiating the laser beam LB is provided at the tip (lower end) of the processing head 19. The mirror assembly 15 includes a laser oscillator 2 provided on the left side of the laser processing machine 1 in the drawing.
3 is refracted in the direction of the condenser lens 17 and the workpiece W, and mirror assemblies 25 and 25 for sending the laser beam 23 from the laser oscillator 23 to the mirror assembly 15 are provided. . Accordingly, such a laser processing machine 1 receives the laser beam LB from the laser oscillator 23 and irradiates the laser beam LB through the processing head 19 for processing the workpiece W. On the other hand, in order to supply and position the workpiece W, a horizontally movable carriage base 27 and a pair of workpieces provided on the carriage base 27 so as to be movable and grip the workpiece W. A carriage 31 having a clamp 29 is provided. Carriage base 27 is fixed table 13.
Is integrally formed with a movable table 33 provided on both sides of the fixed table 13 and is slidably provided on a pair of guide rails 35 provided in parallel on both sides of the fixed table 13. It can be moved and positioned in any direction. The carriage 31 is provided on the carriage base 27 so as to be movable and positionable in the X-axis direction. Accordingly, the workpiece W is positioned in the machining area located directly under the machining head 19 in the carriage 3 equipped with the work clamp 29 for clamping the workpiece W.
1 is controlled to move in the X direction on the carriage base 27,
Further, the carriage base 27 is moved and controlled along the guide rail 35 in the Y direction. Next, the machining head 19 will be described with reference to FIG. The processing head 19 is provided with a condensing lens 17 for condensing the laser beam LB on the upper side of the central portion. An assist gas ejection port 37 that ejects the assist gas AG is provided. An inner nozzle 39 that irradiates the workpiece W with the laser beam LB and ejects the assist gas AG toward the workpiece W directly below the condenser lens 17 at the center of the lower end of the machining head 19.
Is provided. On the outer periphery of the inner nozzle 39, for example, an outer nozzle 41 for ejecting a shielding gas SG such as air and water WA as a cooling medium is provided. The outer nozzle 41 has an outer nozzle space 41A continuous along the shape of the inner space G, and is connected to the pipe 43 at the upper end of the outer nozzle space 41A. The lower end of the outer nozzle space 41 </ b> A forms a circular groove on the lower end surface of the nozzle 21 to form the outer nozzle 41.
The pipe 43 connected to the outer nozzle 41 is provided with a mixer 45 for mixing the mist-like water WA into the shield gas SG that has been sent. In the machining head 19 constructed as described above, the laser beam LB sent from the laser oscillator 23 via the mirror assembly 15 is reflected by the condenser lens 17.
The workpiece W is irradiated by the inner nozzle 39 to the cut portion of the workpiece W, and the assist gas AG is ejected toward the workpiece W to cut the workpiece W. At this time, the shield gas SG mixed with the mist-like water WA by the mixer 45 is ejected from the outer nozzle 41 at substantially the same flow rate as the assist gas AG. Referring to FIG. 2, when the shielding gas SG is ejected from the outer nozzle 41 as described above, the assist gas AG ejected from the inner nozzle 39 is not the atmosphere,
It will have a relative speed with the shield gas SG,
As a result, the relative speed is reduced. For this reason, the flow of the assist gas AG is not disturbed by the shielding effect of the shielding gas SG, and a large amount of gas having good directivity is blown into the processing portion. Therefore, the piercing time is shortened and the cut surface roughness is improved, so that the kerf is improved. The width can be narrowed, and the processing speed can be further increased. The shield gas SG includes a mixer 45.
Since the mist-like water WA is previously mixed, the effect of cooling the heat generated in the workpiece W by cutting can be enhanced. Here, since the flow rate of the shield gas SG substantially matches the flow rate of the assist gas AG, the shield gas S
The speed at which the mist-like water WA mixed in G enters the assist gas AG is slow and is not directly blown onto the processing part, so that the loss of the laser beam LB due to the water WA does not occur, and the processing speed can be reduced. Absent. Furthermore, since there is little mixing of the shielding gas SG and the assist gas AG after jetting the nozzle, inexpensive air or the like can be used as the shielding gas SG. Since the shield gas SG is separate from the assist gas AG, the flow rate or gas pressure can be set separately. For example, if the shielding gas SG is increased, it is possible to prevent the condensing lens from being contaminated by sputtering that occurs during piercing. As shown in FIG. 3, the outer nozzle 41 is provided so as to be movable in the vertical direction so that the relative height with respect to the inner nozzle 39 can be adjusted.
If controlled by the C device, the shield gas SG
It is also possible to change the cooling range according to the machining shape. That is, as shown on the right side of the figure, the outer nozzle 41
Is raised relative to the inner nozzle 39, the shielding gas SG spreads over a wide range, and thus the cooling range widens. The left side in the figure shows a case where the lower end of the outer nozzle 41 is at the same height as the lower end of the inner nozzle 39. In the above embodiment, the outer nozzle 41 is provided on the outer periphery of the inner nozzle 39. As shown in FIG. 4, the nozzle outlets of the outer nozzle are not ring-shaped but small holes arranged at equal intervals. 47 may be sufficient. Furthermore, instead of the shielding gas SG, water W
A or oil can be directly ejected, or oil, gas or a mixed gas thereof cooled by an external cooling device can also be used. As can be understood from the above description of the embodiment, the present invention has a jet speed of the assist gas jetted from the inner nozzle 39 and a jet speed of the shield gas from the outer nozzle 41. Since the speed difference between the assist gas and the shield gas is small, laser processing can be performed while preventing disturbance of the assist gas flow. Therefore, the cooling medium contained in the shielding gas is not directly blown to the laser processing position, heat loss at the processing position can be suppressed, and the periphery of the processing position can be effectively cooled. It is. Moreover, in which from the outer nozzle 41 is freely relatively vertically movable, so that the cooling range of the shielding gas can be adjusted in correspondence to the machining shape to the inner nozzle 39. [0036]
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係るレーザ加工機の加工ヘッドの参
考例を示す断面図である。
【図2】アシストガスおよびシールドガスの流れを示す
断面図である。
【図3】この発明に係るレーザ加工機の加工ヘッドの実
施例を示す断面図である。
【図4】この発明に係るレーザ加工機の加工ヘッドの別
の実施例を示す断面図である。
【図5】この発明に係るレーザ加工機の加工ヘッドを装
備したレーザ加工機の全体を示す正面図である。
【図6】図5中矢視VI方向から見た平面図である。
【符号の説明】
W 被加工材
AG アシストガス
LB レーザビーム
WA 水(冷却媒体)
1 レーザ加工機
19 加工ヘッド
39 内側ノズル
41 外側ノズル
43 配管
SG シールドガス
45 混合器(混合手段)BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 Reference of a machining head of a laser beam machine according to the present invention.
It is a sectional view showing a considered example. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the flow of assist gas and shield gas. FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a machining head of a laser beam machine according to the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view showing another embodiment of the machining head of the laser beam machine according to the present invention. FIG. 5 is a front view showing the entire laser beam machine equipped with the machining head of the laser beam machine according to the present invention. 6 is a plan view seen from the direction of arrow VI in FIG. 5. FIG. [Description of Symbols] W Work Material AG Assist Gas LB Laser Beam WA Water (Cooling Medium) 1 Laser Processing Machine 19 Processing Head 39 Inner Nozzle 41 Outer Nozzle 43 Piping SG Shielding Gas 45 Mixer (Mixing Unit)
Claims (1)
ると共にレーザビーム(LB)を照射する内側ノズル
(39)の周囲に、冷却媒体を混合したシールドガスを
噴出する外側ノズル(41)を設け、前記外側ノズル
(41)からのシールドガスの噴出速度を前記内側ノズ
ル(39)からのアシストガスの噴出速度とほぼ同速度
に構成すると共に、前記内側ノズル(39)に対して相
対的高さを調整できるように前記外側ノズル(41)を
上下方向へ移動自在に設けたことを特徴とするレーザ加
工機の加工ヘッド。(57) [Claims] [Claim 1] A shield in which a cooling medium is mixed around an inner nozzle (39) for ejecting an assist gas to a workpiece (W) and irradiating a laser beam (LB). An outer nozzle (41) for ejecting gas is provided, and the ejection speed of the shield gas from the outer nozzle (41) is configured to be substantially the same as the ejection speed of the assist gas from the inner nozzle (39). Phase against nozzle (39)
The outer nozzle (41) can be adjusted to adjust the height
A machining head of a laser beam machine characterized by being provided so as to be movable in the vertical direction .
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Publications (2)
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JPH06218572A JPH06218572A (en) | 1994-08-09 |
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