説明

ロボットTIG溶接のためのワイヤガイド/ノズルアッセンブリ

【課題】溶接ワイヤを電極に対して容易かつ正確に配置することができる、溶接ワイヤを有するTIG溶接用の新規なトーチ構造を提供する。
【解決手段】
ガスを送給するための少なくとも1つのノズル11および少なくとも1つの消耗ワイヤを案内するための少なくとも1つのワイヤガイドシステム13を備え、ワイヤガイドシステム13の下流端20がノズル11内に達している。ノズル11の周囲壁は、ワイヤガイドシステム13が通過する少なくとも1つの切り欠き部10を有する。ワイヤガイドシステム13は、ノズル11に固定されている。TIG溶接トーチは、ワイヤガイド/ノズルアッセンブリ11、13を備える。

【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【0001】
本発明は、ロボット溶接用の一体化された消耗ワイヤフィードを有する自動TIG溶接トーチに関する。
【0002】
溶接ワイヤを供給されるTIG(タングステン不活性ガス)溶接トーチは、通常、当該トーチに専用の溶接プロセスを実施するために適切な内部部品を備えたワンピース体の形態にある。
【0003】
トーチは、ストレートであるか、屈曲であり得、すなわち、ビームは、ストレートトーチの場合にはトーチの軸に沿って、屈曲トーチの場合にはトーチの軸に垂直に出てゆく。
【0004】
通常トーチ支持体または載置部材と呼ばれるトーチの後部には、各タイプのラインに特有の接続システムによりトーチ本体に接続された柔軟なもしくは半剛性流体供給ラインが設けられている。
【0005】
電力供給ケーブルは、液体冷却またはガス冷却ケーブルの場合を除き、機械手段により、通常それらをトーチの対応する回路にねじ止めすることによってグループ化され、適切に取り付けられている。
【0006】
クリップ等によりトーチの後部に取り付けられている柔軟なチューブ状シースが、ケーブル束をグループ化し、これを保護している。
【0007】
トーチ本体と呼ばれるトーチの前部は、シールドガスを送給するためのノズルを備え、このノズルは、ねじまたは他の保持システムもしくは同様のシステムによりトーチ本体に、および電極にも、取り付けられている。
【0008】
ノズルは、金属で形成され得、水またはガスのような冷却流体により冷却してもよいし、しなくてもよく、この場合、ノズルは、トーチ本体から電気的に絶縁され得る。
【0009】
しかしながら、ノズルは、また、適切な非冷却絶縁材料、例えばセラミックで作ることもできる。
【0010】
さらに、通常純タングステンまたはトリウムタングステンで作られる電極が、ノズルが電極の周りにスリーブを形成するように保持システム等によりトーチの中心に保持される。
【0011】
さらに、消耗ワイヤ供給システムは、一般に、トーチとは独立に設けられる。すなわち、このシステムはトーチ本体またはトーチ支持体に強固に取り付けられ、トーチ支持体は、トーチを移動させるためのデバイスにトーチを接続する部材である。
【0012】
通常、図1に示されているように、溶接ワイヤは、供給システム3により、ノズル1により取り囲まれた電極2の後部で、溶接方向において、液体金属にたいして接線方向もしくはほぼ接線方向に溶接プール中に供給される。これらの通常の条件において、電極2と溶接ワイヤ3によって規定される角度Bは、約85°〜90°である。
【0013】
しかしながら、実際には、このタイプのトーチは、いくつかの欠点を有するために、ロボットTIG溶接には適切でないことがわかった。
【0014】
すなわち、接線方向のワイヤ供給は、平行ジョーを有するリグにおける自動TIG溶接プロセスには完全に適しているが、このことは、いずれの位置においても溶接するために空間要求の観点がきわめて重要であるところのロボット溶接には、当てはまらないのである。
【0015】
しかしながら、トーチとは独立に設けられる消耗ワイヤ供給システムを有することは、アッセンブリの全体サイズを大きくし、ロボット溶接での実際の使用に反することは容易に理解されるであろう。
【0016】
加えて、溶接方向に対する溶接ワイヤの位置を制御することは、ロボットの追加の軸を使用することを要し、装置を複雑化させ、コストを増加させ、故障の原因となる。
【0017】
さらに、TIG溶接においては、ばらつきがなく再現性のある結果を得るために、完全に鋭化された、すなわちとがった電極を使用する必要がある。
【0018】
そうするために、電極は、その磨耗を補償するために、定期的に再鋭化させなければならないか、その磨耗が大きすぎる場合には、完全に交換さえしなければならない。
【0019】
この操作は、機械を停止し、電極を取り外し、鋭化し、または交換し、再度装填し、最後に、ワイヤの正確な位置を電極の後部で溶接ジョイントに対して接線方向に再配置するように電極とワイヤのそれぞれの位置を正確に調節することを作業者に要求する。
【0020】
この手続は、製造機械を1回以上停止することを要し、2または3シフトで使用されるロボットの期待される性能に損害を与える。この手続は、電極とワイヤの位置決めをより正確に行わなければならないほど、時間がかかることは容易に理解されるであろう。
【0021】
この観点で、提起される課題は、上記欠点を持たない、電気アーク溶接トーチのための改善されたワイヤガイド/ノズルアッセンブリ、および消耗ワイヤフィードを有する改善された自動TIG溶接トーチを提案することである。
【0022】
いいかえると、本発明の目的は、溶接ワイヤを電極に対して容易かつ正確に配置することができる、溶接ワイヤを有するTIG溶接用の新規なトーチ構造を提供することである。
【0023】
本発明の解決策は、ガスを送給するための少なくとも1つのノズルおよび少なくとも1つの消耗ワイヤを案内するための少なくとも1つのワイヤガイドシステムを備え、前記ワイヤガイドシステムの下流端が前記ノズル内に達していることを特徴とする電気アークトーチのためのワイヤガイド/ノズルアッセンブリである。
【0024】
場合に応じて、本発明のワイヤガイド/ノズルアッセンブリは、以下の技術的特徴の1つまたはそれ以上を含むことができる。
【0025】
− ノズルの周囲壁が、ワイヤガイドシステムが通過する少なくとも1つの切り欠き部を有する;
− ワイヤガイドシステムが、ノズルに固定されている;
− ワイヤガイドシステムの下流端における軸とノズルの軸とが、互いに、10°〜70°、好ましくは約15°〜45°の角度をなす;
− ワイヤガイドシステムが、中空かつ長方形の一般形状にあり、好ましくは、ワイヤガイドシステムが、中空チューブの形状を有し、その内径が0.6mm〜2mmである;
− ワイヤガイドシステムが、湾曲部が後続する、ノズルの軸に平行な部分を備え、この平行部分と湾曲部は、ともに、ノズルの外側に配置されている;
− ワイヤガイドシステムの平行部分の軸をノズルの軸から隔てている距離が、30mm以下である;
− ノズルが、ノズルを溶接トーチに取り付けるための取り付け手段を備え、好ましくは取り付け手段は、ノズルの外側周囲壁上に設けられたねじ山(thread)を備える。
【0026】
他の側面によれば、本発明は、そのようなワイヤガイド/ノズルアッセンブリを備えるTIG溶接トーチにも関する。
【0027】
好ましくは、トーチは、ワイヤガイドにより運ばれるワイヤがノズルを貫通し、電極またはノズルの軸に対して5°〜50°、好ましくは10°〜30°の角度で電極に向かって伸びるようにワイヤガイド/ノズルアッセンブリに対して配置された非消耗電極をさらに含み、ワイヤおよび電極は、同一の平面内にある。
【0028】
トーチは、ワイヤガイド/ノズルアッセンブリを所定の位置に取り付ける載置部材をさらに備える。
【0029】
さらに他の側面によれば、本発明は、そのようなトーチを備えるロボットアームを少なくとも1つ有するロボット溶接装置に関する。
【0030】
以下、本発明を添付図面を参照してより詳細に説明する。図面において、
− 図1は、先行技術によるTIGトーチのためのワイヤ供給構造の側面図を示し、
− 図2は、本発明によるTIGトーチのための載置部材の頂面図を示し、
− 図3および図4は、本発明による電気アーク溶接トーチ用のワイヤガイド/ノズルアッセンブリの側面を概略的に示し、
− 図5および図6は、本発明によるトーチを通る長手方向断面図であり、
− 図7〜図9は、本発明によるトーチのワイヤガイド/ノズルアッセンブリの可能な配置を概略的に示す。
【0031】
本発明によるアーク溶接トーチは、3つの主要サブアッセンブリ、すなわちトーチ支持体もしくは載置部材27、トーチ本体16、およびワイヤガイドシステム13を内包し、ワンピースワイヤガイド/ノズルアッセンブリを形成するノズル11から構成される。
【0032】
トーチ支持体もしくは載置部材は、すべての流体入り口、特に冷媒(水)の供給および変換のためのもの;溶接プロセスを行うために必要なガスまたは複数ガスのための入り口;1またはそれ以上の電力ケーブルを介する電力用接続(これらケーブルは、ソリッド(solid)であるか、または液体冷却またはガス冷却され、その取り付け方法は、関係するケーブルに依存する);および溶接ワイヤ案内シース用の入り口(シースは、電極により規定されるトーチの幾何学的軸に平行にある)を支持する。
【0033】
載置部材27は、それ自身「耐衝撃性」安全装置に載置された適切な機械部材によりロボットシステムのリスト(wrist)に固定されている。
【0034】
載置部材27は、一方では、載置部材が流体、すなわちガスおよび冷却水を送給する対象であるトーチ本体16サブアッセンブリ、および溶接プロセスを行うために必要な電気接触を提供することが意図されたコンタクトソケットを介しての電力を受け、他方では、載置部材が溶接金属、すなわち消耗溶接ワイヤを送給する対象であるワイヤガイド13/ノズル11アッセンブリを受ける。
【0035】
載置部材27の設計は、ワイヤガイド13/ノズル11アッセンブリが、行おうとする溶接操作に従い予め選択された位置30においてトーチ本体16サブアッセンブリと同心的に位置することを可能とするものであり、種々の位置30は、図2に図式的に示すように、270°リングにわたって分布している。
【0036】
図5および図6に示すように、トーチ本体16は、筒状焼結タングステンロッド内に作られた純タングステンもしくはトリウムタングステン電極12を収容し、電極の一端は尖っている。
【0037】
電極12は、プッシュ作動もしくはプル作動グリッパシステム、かみ合いシステム等のような通常の保持システムにより中央に保持される。
【0038】
電極12は、また、2つの部材、すなわち純タングステンまたはトリウムタングステンで作られた、押し込み固定され、クリンプされまたはろう付けされた部分を支持する、銅合金で作られた支持部材から構成することもできる。この場合、電極は、摩滅したときに交換される消耗電極となる。
【0039】
トーチ本体16は、トーチ支持体内に作られた冷却液体回路により冷却されてもよいし、されなくてもよい。
【0040】
トーチ本体16は、追加の中央ガス回路を備えることもできる。その場合、トーチ本体は、デュアルフローTIGプロセスを行うために、ノズル11の周りに配置された外側ノズルを備える。
【0041】
トーチ本体16は、トーチ本体16の肩部31に(30において)当接することとなるトーチ支持体もしくは載置部材27中に挿入され、肩部31は、Zアクセスに沿う位置のための参照点として作用する。トーチ本体が肩部に当接して配置されたら、トーチ本体をその場に保持するために、適切な機械デバイス、例えばロックリング、コッターピンシステム等によりロックすることができる。
【0042】
ワイヤガイド13/ノズル11アッセンブリは、例えばろう付け、ねじ、ボンドまたは溶接により互いに固着されたノズル11およびワイヤガイドシステム13から構成される。
【0043】
図3および図4に詳細に示すように、ノズル11は、筒状の一般形状の中空金属部品であり、トーチのパワーに応じてトーチ支持体27由来の冷却液により冷却してもしなくてもよい。
【0044】
ノズル11は、トーチ本体16と同心となるようにトーチ支持体27に固定され、トーチ本体から電気的に絶縁されている。
【0045】
軸調節デバイス15が、ワイヤガイド13/ノズル11アッセンブリを電極12に対して正確に位置させることを可能とする。調節デバイス15は、例えば、トーチ本体16の部分18と協働するねじ付リング15およびノズル11の下流端の外周壁に設けられたねじ山17を含む。
【0046】
ノズル11は、溶接ワイヤ14を搬送するためのワイヤガイド13を受け入れる。
【0047】
ワイヤガイド13は、チューブ状部材の形態にあり、その内径は、使用するワイヤ14の直径に依存する。
【0048】
ワイヤガイド13は、図3に示すように、ノズル11の外側に沿ってノズル11から短い距離Dで走行し、典型的には約30mm以下の距離Dでノズルと平行に配置されている。図3からわかるように、距離Dは、ノズル11の軸と、ノズル11の軸と平行かほとんど平行なワイヤガイド13の部分(部分24)の領域におけるノズル11の外側でのチューブ13の軸との間の距離である。
【0049】
ワイヤを搬送するために使用されるチューブ状部材13は、半剛性ワイヤ14を詰まりや過剰の摩擦なしにチューブ部材中を通ることを可能とするに十分な半径をもって曲げられ、また電極12に面するその下流端で型彫り(profile)されている。
【0050】
ワイヤガイド13は、機械加工されたハウジングまたは切り欠き部10を介して、電極12の方向において、好ましくは電極12またはノズル11を通る軸に対して10°〜30°の角度でワイヤ14がノズル11を貫通するように、ノズル11中に挿入され、ワイヤ14と電極12は、同一平面内にある。
【0051】
ワイヤガイド13/ノズル11アッセンブリの幾何学形状は、末端部分、すなわち図4に示すようにワイヤがワイヤガイドを去る点におけるワイヤの案内されない部分が最小となるようなものである。ワイヤガイド13の下流端20は、図3および図4に示すように、電極12またはトーチ本体16と機械的に接触してはならない。
【0052】
溶接ワイヤ14の端部は、TIGプロセスの実施中に、与えられた仕事高さ(work height)に対応するガスについて得られるアーク電圧には無関係に、電気アークによって作られるアノードスポット22中に入る。
【0053】
溶接ワイヤ14は、該ワイヤ14の端部が電極12の尖鋭端をかすめて通るように、すなわち、好ましくは溶接ワイヤ14の直径よりも小さくない距離内で該尖鋭端に近づくように送給される。
【0054】
従って、本発明のトーチは、ワンピース形態のものであり、すなわち、ワイヤガイド13を備えるTIGトーチは、部分的にノズル11中に統合一体化され、従って作るべき接合の面に対してワイヤを案内するための追加の軸を必要とせず、ロボット溶接アームに一体化させることが非常に実際的になる。
【0055】
電極12を電極ホルダー19に予めセットし、一体化されたワイヤガイド13を備えるノズル11を調節することは、ワイヤ14が常にアークのアノードスポット中に到達するようにこれを電極12に対して正確に位置させることを確実にする。
【0056】
予めセットされた電極ホルダー19は、ロボットのZ軸に沿った再設定の必要なしに迅速にこのモジュールを交換することを可能とする。
【0057】
電極ホルダー19は、電極12をシールドガスで遮蔽し、従って2つの同心ガス流を用いたTIG溶接プロセスの操作条件と同様に操作条件を提供するように配置することができる。
【0058】
さらに、トーチは、アーク−電圧自己調節モードで操作させることができ、これはロボットにより直接行われる。
【0059】
さらにまた、トーチは、機械的または光学的タイプの工業的ジョイントモニターシステム、例えばCCD(電荷結合素子)カメラを備えるレーザを用いるものを備えることができる。
【0060】
ワイヤ送出装置は、用途および利用可能な技術に依存して、連続的にまたは交互に動作させることができる。
【0061】
溶接実験は、上記ロボットトーチを備える溶接アッセンブリは空間的に種々の幾何学的位置において動作することを立証している。
【0062】
ワイヤ/電極平面およびワイヤ14が電極12と作る角度を考慮するならば、本アッセンブリは、図7〜図9に示す形態で動作することができる。すなわち、
− 電極が垂直で、ワイヤが一定の規定された角度で側部に到来する(図7の左側の図)か、ワイヤが垂直に到来し、電極が一定の規定された角度で側部に傾斜する(図7の中央の図)か、あるいは垂直軸がワイヤの軸と電極の軸との間の角度の二等分線を通る(図7の右側の図)、溶接方向における垂直ワイヤ/電極平面;
− 電極が垂直で、ワイヤが一定の規定された角度で側部に到来する(図8の左側の図)か、ワイヤが垂直に到来し、電極が一定の規定された角度で側部に傾斜する(図8の中央の図)か、あるいは垂直軸がワイヤと電極との間の角度の二等分線を通る(図8の右側の図)、角度B(図8参照、溶接方向に垂直な軸に対して0°〜90°)で傾斜する垂直ワイヤ/電極平面。これらすべての角度は、約±5°という広い許容差を許容する。用いた形態とは無関係に、ワイヤは、好ましくは、溶接の進行方向において電極12の後に送給されるが、反対の配置、すなわち進行方向においてワイヤが電極よりも先に来ることも使用可能である;
− 電極が垂直で、ワイヤが同じ側で構造角度で到来するか、電極が40°までであり得る可変角度Bで傾斜する、溶接方向に直角なワイヤ/電極平面。
【0063】
溶接電源により送られる電流は、カーボンまたはステンレス鋼並びにニッケル基、チタン/ジルコニウム基およびタンタル基合金の場合には、パルス化もしくは非パルス化DC電流であり得、アルミニウム基またはマグネシウム基軽合金を溶接するためにはACまたは可変極性電流であり得る。
【0064】
さらに、トーチに使用される溶接電極14の送出は、連続的でも、あるいは例えば連結ロッド、クランクその他の機械的装置によりまたは送出モータを制御するための電子デバイスにより速度調節された動きによりパルス化されてもよい。
【0065】
既に述べたように、本発明のトーチは、単一ガス流またはデュアルガス流タイプのTIG溶接プロセスに動作するように設計することができる。
【0066】
本発明の溶接トーチは、被覆(亜鉛メッキまたは電気亜鉛メッキ)炭素鋼で作られた、フェライトもしくはオーステナイトステンレス鋼で作られた、またはアルミニウムまたはマグネシウム軽合金で作られた厚さ0.5mm〜4mmの金属シートまたはプレートからなる種々の要素を溶接またはブレイズ溶接により互いに接合するために使用することができる。
【0067】
所望の用途に依存して、溶接ワイヤは、非合金もしくは低合金鋼、フェライトもしくはオーステナイトステンレス鋼、ニッケルもしくはニッケル合金、純銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金で作ることができる。
【0068】
本発明の溶接トーチは、非常に広範な部品または被加工物、特に自動車産業に意図された被加工物、殊にアルミニウムもしくはアルミニウム合金車体もしくは車体部品、ボンネット、トランクカバー、ドアおよびフロア接続、並びにフェライトもしくはオーステナイトステンレス鋼排気系を溶接するためばかりでなく、オートバイ産業のような他の産業用、特にアルミニウムもしくはアルミニウム合金バイクフレームを溶接するため、あるいは鋼もしくは軽合金足場もしくははしごを製造するための自動化溶接ロボットに取り付けることができるように設計される。本発明のトーチは、より一般的に、良質の溶接ビードを得ることを要するいずれもの溶接操作を行うために使用することができる。
【0069】
一例として、本発明のトーチは、以下の表に示す条件の下で、良質の溶接を作る。
【表1】

【図面の簡単な説明】
【0070】
【図1】先行技術によるTIGトーチのためのワイヤ供給構造の側面図。
【図2】本発明によるTIGトーチのための載置部材の頂面図。
【図3】本発明による電気アーク溶接トーチ用のワイヤガイド/ノズルアッセンブリの側面の概略図。
【図4】本発明による電気アーク溶接トーチ用のワイヤガイド/ノズルアッセンブリの側面の概略図。
【図5】本発明によるトーチを通る長手方向断面図。
【図6】本発明によるトーチを通る長手方向断面図。
【図7】本発明によるトーチのワイヤガイド/ノズルアッセンブリの可能な配置を示す概略図。
【図8】本発明によるトーチのワイヤガイド/ノズルアッセンブリの可能な配置を示す概略図。
【図9】本発明によるトーチのワイヤガイド/ノズルアッセンブリの可能な配置を示す概略図。
【符号の説明】
【0071】
11…ノズル
12…非消耗電極
13…ワイヤガイドシステム
14…溶接ワイヤ
16…トーチ本体
20…ワイヤガイドシステムの下流端
24…ワイヤガイドシステムの平行部分
25…ワイヤガイドシステムの湾曲部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガスを送給するための少なくとも1つのノズル(11)および少なくとも1つの消耗ワイヤを案内するための少なくとも1つのワイヤガイドシステム(13)を備え、前記ワイヤガイドシステム(13)の下流端(20)が前記ノズル(11)内に達していることを特徴とする電気アークトーチのためのワイヤガイド/ノズルアッセンブリ。
【請求項2】
前記ノズル(11)の周囲壁が、前記ワイヤガイドシステム(13)が通過する少なくとも1つの切り欠き部(10)を有することを特徴とする請求項1に記載のアッセンブリ。
【請求項3】
前記ワイヤガイドシステム(13)が、前記ノズル(11)に固定されていることを特徴とする請求項1または2に記載のアッセンブリ。
【請求項4】
前記ワイヤガイドシステム(13)の下流端(20)における軸と前記ノズル(11)の軸とが、互いに、10°〜70°、好ましくは約15°〜45°の角度をなすことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のアッセンブリ。
【請求項5】
前記ワイヤガイドシステム(13)が、中空かつ長方形の一般形状にあり、好ましくは、前記ワイヤガイドシステム(13)が、中空チューブの形状を有し、その内径が0.6mm〜2mmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のアッセンブリ。
【請求項6】
前記ワイヤガイドシステム(13)が、湾曲部(25)が後続する、前記ノズル(11)の軸に平行な部分(24)を備え、前記平行部分(24)と前記湾曲部(25)は、ともに、前記ノズル(11)の外側に配置されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のアッセンブリ。
【請求項7】
前記ワイヤガイドシステム(13)の平行部分(24)の軸を前記ノズル(11)の軸から隔てている距離(D)が、30mm以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のアッセンブリ。
【請求項8】
前記ノズル(12)が、前記ノズルを溶接トーチに取り付けるための取り付け手段(17)を備え、好ましくは前記取り付け手段(17)は、前記ノズル(12)の外側周囲壁上に設けられたねじ山を備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のアッセンブリ。
【請求項9】
請求項1〜8のいずれか1項に記載のワイヤガイド/ノズルアッセンブリ(11、13)を備えるTIG溶接トーチ。
【請求項10】
前記ワイヤガイド(13)により運ばれるワイヤ(14)が前記ノズル(11)を貫通し、電極(12)またはノズル(11)の軸に対して5°〜50°、好ましくは10°〜30°の角度で電極(12)に向かって伸びるように前記ワイヤガイド/ノズルアッセンブリ(11、13)に対して配置された非消耗電極(12)をさらに含み、前記ワイヤ(14)および電極(12)は、同一の平面内にあることを特徴とする請求項9に記載のトーチ。
【請求項11】
前記ワイヤガイド/ノズルアッセンブリを所定の位置(30)に取り付ける載置部材(27)をさらに備える請求項9または10に記載のトーチ。
【請求項12】
請求項9〜11のいずれか1項に記載のトーチを備えるロボットアームを少なくとも1つ有するロボット溶接装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2006−15381(P2006−15381A)
【公開日】平成18年1月19日(2006.1.19)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2004−196585(P2004−196585)
【出願日】平成16年7月2日(2004.7.2)
【出願人】(591036572)レール・リキード−ソシエテ・アノニム・ア・ディレクトワール・エ・コンセイユ・ドゥ・スールベイランス・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード (438)
【出願人】(598099419)ラ・スーデュール・オトジェーヌ・フランセーズ (3)
【氏名又は名称原語表記】LA SOUDURE AUTOGENE FRANCAISE
【Fターム(参考)】