AT508197A1 - Verfahren für das metallschutzgasschweissen mit einer teilautomatisierten, programmunterstützten, handgeführten schweisspistole - Google Patents

Description

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Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für das Metall Schutzgasschweißen mit einer teilautomatisierten, programmunterstützten Handschweißpistole, welche in bekannter Weise 5 aus einem gebogenen oder geraden Brennerrohr (Fig. 3, Pos. 1), einer Gasdüse (Fig. 3, Pos. 2), einem freien Schweißdrahtende (Fig. 3, Pos. 3X einem Griff (Fig. 3, Pos. 8), einem Schlauchpaketanschluss (Fig. 3, Pos. 9) und der MediendurchfÜhrung für Schutzgas, Drahtzufuhr, Stromleitung, Leitungen für das Kühlmedium und die Schweißrauchabsaugung, sowie allfälligen Sensorleitungen (Fig. 3, Pos. 10) besteht. 10

In schweißtechnischen Betrieben wird vor allem Metallschutzgasschweißen von Hand geführt angewendet und zu einem geringen Grad Roboterschweißung. Besonders die heutige Entwicklung zeigt aber, dass gut ausgebildete Schweißer am Markt fehlen und immer mehr angelerntes Personal die verantwortungsvolle Aufgabe des Schweißen übernehmen soll. 15 Besonders das Schweißen in engen Schweißnahtöffhungswinkeln bringt zwar eine

Einsparung der Schweißzeit, des Verzuges und eine Verringerung der Kosten, (Fig. 1), dennoch wird das von wenigen Schweißern ohne Fehler auf langen Schweißnähten beherrscht und die Gefahr, zum Beispiel von Bindefehlern ist durch einen zu flachen Anstellwinkel des Brennerrohres mit seinem freien Drahtende und dem Lichtbogen zur Nahtflanke gegeben 20 (Fig. 2). Zusätzlich verlangen die Zwangspositionen eine noch höhere Handfertigkeit und spezielle Brennerrohrführungen.

Roboteranlagen sind wesentlich teurer und die wiederkehrende Qualität der Schweißnähte ist wesentlich höher einzuschätzen als die manuelle Schweißung. Allerdings sind Roboteranlagen nicht so flexibel auf die jeweilige Schweißaufgabe adaptierbar, wie die 25 Handschweißung.

Die Aufgaben der Erfindung sind es, erstens die Fehlstellung von Brennerrohr (1), Brennerdüse (2) und Schweißdraht (3) zur Schweißfuge, resultierend aus einer ungenauen hündischen Führung durch den Schweißer, mittels einer teilsautomatisierten, 30 programmunterstützten Führungskinematik, der zwischen Handgriff und der restlichen

Schweißpistole angeordnet ist, zu korrigieren und zu optimieren; zweitens den Schweißer mit einem visuellen Informationssystem (Display) zu leiten und drittens den Schweißer durch eine integrierte Absaugung gegebenenfalls durch eine komplette Abschirmung des Lichtbogens davor zu bewahren, den Schweißrauch einatmen zu müssen. 1 35 • · ·· φ · · · ·· · ·« ·········· ······ · · · • ·· * #φ · φ · φ · φ φ φ # · φ φ · φ • · ·« · φ φ # φ φ φ φ φ φ φ

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die anzustrebende Schweißpistolenbewegung und damit die Brennerrohibogenbewegung a) durch eine mechanische Brennerrohrführungskinematik (Fig. 3, Pos. 7), z.B. durch eine zwischengeschaltete ansteuerbare Hexapodenkinematik (Fig. 4) oder durch 5 andere ansteuerbare Linear- und Drehachsenkinematiken (Fig. 5) - welche von der Führung des Pistolengriffes (Fig. 3, Pos. 8) unabhängig sind und in den Fällen ausgleicht, in denen die ausgeführte Schweißbewegung nicht der geforderten Brennerrohrbewegung entspricht. b) durch ein Informationssystem (Fig. 3, Pos. 14) zur Führung des Pistolengriffes (Pos. 8) 10 unterstützt wird. c) durch die Abschirmung des Schweißbades durch eine Absaughaube (Fig. 4, Pos. 15) und der elektronischen Darstellung der Informationen auf dem Bildschirm (Fig. 3,

Pos. 14) ist eine effiziente Abschirmung der Schweißstelle möglich, weil das Schweißbad nicht direkt vom Schweißer beobachtet werden muss. Somit kann der 15 Schweißrauch vollständig abgesaugt werden.

Dieses Informationssystem ist derartig gestaltet, dass der Schweißer nicht mehr das reale Schweißbad und die Schweißfuge sieht, welche durch den Schweißschirm nur sehr eingeschränkt zu erkennen sind, sondern dass auf einem Bildschirm (Fig. 3, Pos. 14), die 20 wesentlichen Informationsgrößen und deren Abweichungen von der Ideallinie angezeigt erhält. Damit soll auch dem Schweißer ein Führungsmodell zur Verfügung gestellt werden, das ihm erlaubt, auch Schweißaufgaben mit geringerer Handfertigkeit zu bewältigen.

Bei rein visueller und akustisch«- Kontrolle des Schweißablaufes erhält der Schweißer nicht 25 die umfassenden Informationen wie sie erfindungsgemäß realisiert werden. Beim

Schweißbeginn muss die Elektrode in der Schweißnahtfuge am Nahtanfang gezündet werden. Zum Zeitpunkt der Zündung muss der Schweißer ohne Sichtkontakt die Startposition der Schweißung anfahren, da er sonst vom Lichtbogen ohne Augenschutz geblendet wird. Der Schweißer sieht nicht immer die volle Schweißnahtfuge quer und längs zur Naht und damit 30 den weiteren Verlauf der Schweißfugenvorbereitung (z.B. Blaswirkung infolge Kanten, Materialanhäufungen, Spaltbreite, Steghöhe und Nahtverlauf), sondern nur die vom Lichtbogen erhellten Stellen des Schweißbades. Er muss daher die Weglänge, die Wegrichtung und den zeitlichen Verlauf der Pendelbewegung einschließlich der Anstellung des Brennerrohres im Gefühl haben, um das Schweißbad zu beherrschen. Der Schweißer 35 muss, in Abhängigkeit der oben angeführten Parameter, verschiedene Schweißbewegungen, 2 ------ *· · · · ·· ·«·· · · ·········· *·«#·· · · · • · · ····· · · · • · · · · · · · · ·· ·· # ···· »· »·*· z.B. Strichraupentechnik, Pendelbewegungen, Pendeldreiecksbewegungen, usw., ausführen. Derzeit muss der Schweißer in intensiven Praxislehrgängen diese Handfertigkeit durch Beobachtung des Lichtbogens und des Schweißbades erlernen und dann motorisch geregelt durchführen. Besonders beim MAG-Schweißen sind motorische Fähigkeiten, gute 5 Beobachtungsgabe und ein gutes Gehör notwendig, da nur das Zusammenspiel Auge-Gehör-Motorik einen guten und erfkhrenen Schweißer ausmacht. Dies wird im Folgenden kurz beschrieben.

Auge: Die hellen und dunklen Schattierungen geben dem Schweißer Informationen darüber, 10 wo rieh sein Schweißbad befindet und ob es flüssig, teigig oder fest ist.

Gehör: Da sich beim MAG-Schweißen unterschiedliche Lichtbogenarten ergeben, können diese am Geräusch identifiziert werden. Z.B.: Kurzlichtbogen· gleichmäßiges, knatterndes Geräusch 15 Übergangslichtbogen: unregelmäßiges, knatterndes, zischendes Geräusch

Sprühlichtbogen: gleichmäßiges, zischendes Geräusch

Richtige Schweißbewegungen für die jeweiligen Positionen - in Abhängigkeit der Lichtbogenart (Gehör) und in Abhängigkeit der Lichtbogenlänge, sowie der Beobachtung des 20 Schweißbades und der Nahtkontur müssen motorisch eingelemt sein.

Eine erfindungsgemäße Unterstützung stellt die Online-Aufnahme der realen Parameter mittels geeignetem internen Sensor (Lichtbogensensor) und externen Sensoren (Fig. 3 und Fig. 4, Pos. 13,20,21) die dem Informationssystem und dem Brennerfuhrungssystem zur 25 Verfügung gestellt wird, dar. Die Lichtbogenart kann an den Strom- und Spannungswerten identifiziert werden, der Verlauf und die Geometrie der Nahtfuge beispielsweise, durch Lasersensoren ermittelt werden. Die Schweißbadtemperaturverteilung, das Lichtbogenplasma und flüssiges Schweißbad können z.B. durch Wärmekameras oder Strahlungssensoren erfasst werden. 30

Es existieren bereits virtuelle Schweißprozess-Systeme ([2], [3], [4], [5], [6]), die dem Schweißer das Schweißen im „Trockentraining“ anlernen. Dennoch sind die Bewegungsabläufe nicht die Reaktion auf die Wirklichkeit mit einem realen Schweißlichtbogen, sondern es ist die Reaktion auf durch Software vorgegebene und 3 5 simulierte Prozesse. Es soll damit der Bewegungsablauf derartig eingelemt werden, dass 3

+··«· ······ • * · · * · · · ······ · · • · · ····· · · • · · · 0 0 0 0 ·· ·· · ···« ·· dieser auch beim realen Schweißprozess dann motorisch richtig abläuft. Diese Informationssysteme können erfindungsgemäß eine Unterstützung beim realen Schweißvorgang darstellen. Besonders die im Schweißrauch vorhandenen Elemente können bereits bei geringen Konzentrationen gesundheitsschädigend sein, sodass Atemschutzmasken 5 erforderlich sein können. Die indirekte Beobachtung des Lichtbogens durch eine Informationsanzeige erlaubt es, den Lichtbogen komplett abzuschirmen und den Schweißrauch vor Ort abzusaugen.

Aufzlhhing und Kurzbeschreibung der Zeichnungsfiguren 10

Fig. 1: Darstellung der Einsparungsmöglichkeh an Schweißgutvolumen durch geringe Nahtöffnungswinkel anhand eines Diagramms Fig. 2: Anstellwinkel des Brennerrohrs zur Nahtflanke

Fig. 3: Vergleich des Aufbaus einer Standard-Metallschutzgas-Handschweißpistole mit dem 15 Aufbau dm- teilautomatisierten, programmunterstützten Handschweißpistole

Fig. 4: Teilautomatisierter, programmunterstützter Handschweißbrenner mit Hexapoden-Korrekturkinematik

Fig. 5: Teilautomatisierter, programmunterstützter Handschweißbrenner mit Linear- und Drehachsenkinematik 20 Fig. 6: Einflussgrößen für die Steuerungskorrekturbewegung

Fig. 7: Bezugskoordinatensysteme ftlr die Vorrichtung (Index „V“), das Brennerrohr (Index „R“) und fiir die GrifFeinheit (Index JP“)

In Fig. 1 wird in Diagrammform der Einfluss des Nahtöffnungswinkels α auf das 25 Einsparungspotential an theoretischem Schweißgutvolumen G& (Annahme, kein Spalt, kein Steg, keine Überhöhung) in Abhängigkeit der Blechdicke s dargestellt [1].

In Fig.2 wird der Anstellwinkel 5 des Brennerrohres 1 (im Weiteren als ß bezeichnet) zur Nahtflanke 6 dargestellt. Weiters abgebildet sind die Gasdüse 2, das freie Schweißdrahtende 3 30 und der Lichtbogen 4. Man spricht von einem flachen Anstellwinkel, wenn ß gering ist (z.B. ß - 5°), bzw. von einem steilen Anstellwinkel, wenn ß groß ist (z.B. ß = 90°).

Gemäß Fig. 3 besteht die teilmechanisierte, intelligente Handschweißpistole einerseits aus der eigentlichen Metallschutzgasschweißeinheit mit Brennerrohr 1, Gasdüse 2, freiem 4

Schweißdrahtende 3, Medienschlauchpaket 10, sowie der Verschraubung 9 und andererseits aus ein«' Griffeinheit 8, bzw. 19, an der der Schweißer die Pistole mit der Hand hält und fuhrt.

Zwischen der eigentlichen Schweißeinheit und dem Griff befindet sich jener 5 Verstellmechanismus 7, der entweder in Form einer Hexapodenkinematik, wie in Fig. 4 dargestellt, bestehend aus Hexapoden-Basisring 16, Hexapoden-Positionierring 17 und Linearverstelleinheiten 18, oder alternativ aus einer Kombination von Linear- und Drehantrieben 22,23,2S, 27, und 29, wie in Fig. 5 abgebildet, mittels Hebel- und Schwenkvorrichtungen, wie 24,26 und 28, sowie durch Linearführungen, die suboptimale 10 Position der Brennerspitze gegenüber der Nahtfuge korrigiert.

Die Ist-Position der verstellbaren Spitze der Schweißeinheit kann von einer angeschlossenen Rechnereinheit, sowohl mit Hilfe interner Sensoren (z.B. elektrische Größen des Lichtbogens wie Strom, Spannung oder Widerstand) oder externer Sensoren (z.B. optischen Kameras), die auf der Schweißpistole vor dem Brennerrohr, wie 20, hinter dem Brennerrohr, wie 21, oder 15 ortsfest montiert sind, wie 13, bestimmt werden. In Fig. 3 sind auch die Sensormesspunkte 11 und 12 abgebildet, die auf der Verstelleinheit 7 und dem Griffs angebracht sind, um dem externen Sensor 13 die Erfassung der jeweiligen Positionen zu ermöglichen.

Um dem Schweißer Anweisungen hinsichtlich gewünschter Handfuhrungskorrekturen geben zu können, werden ihm relevante Schweißparameter, Nahtkontur, Brennerposition, 20 Brennerrohranstellung und Ausbildung des Schweißbades auf einem Bildschirm 15 oder einem im Schweißhelm integrierten Display angezeigt. hi Fig. 4 ist die Verstelleinheit 7 der intelligenten Handschweißpistole als Hexapoden-Lösung ausgefiihrt. Die Griffeinheit, bestehend aus einem Handschweiß-Pistolengriff 8 und einem 25 Griffring 19 erlaubt beidhändiges Tragen und Führen und ist mit dem Hexapoden-Basisring 16 fest verbunden. Der Hexapoden-Positionierring 17 bildet gemeinsam mit dem Basisring 16 und den sechs dazwischen angeordneten Linearmotoren 18 einen Hexapoden, der das Verfahren des Positionierrings 17 in allen sechs Freiheitsgraden ermöglicht. Gemeinsam mit dem Positionierring 17 kann auch die auf ihm fest montierte Schweißbrennereinheit, 30 bestehend aus Schlauchpaket 10, Schweißbrennerrohr 1, dazwischen liegendem

Brenneranschluss 9, Brennerdüse 2 und Schweißdrahtende 3, in jeder Richtung im Raum beliebig verfahren werden, wobei es auch möglich ist, die Anstellung durch eine beliebige Korrektur des Winkels zu verändern. In Fig. 4 sind die Schweißrauch-Absaughaube 15 und die Sensoren 20 und 21 nicht verstellbar auf der Griffeinheit 8 und 19 befestigt dargestellt. •· ···#

Grundsätzlich können diese Komponenten jedoch auch verstellbar auf dem Hexapoden-Positioniening 17 montiert werden.

Fig. 5 zeigt die alternative Ausführung zur Hexapoden-Verstelleinheit, nämlich die S Ausführung der Verstelleinheit 7 als Linear- und Drehachsenkinematik. Der Einfachheit halber sind in Fig. 5 keine Sensoren, keine Kamms, kein Bildschirm und keine Absaughaube abgebildet. Die Funktionsweise: Der Griff 8, durch den das Schlauchpaket 10 hindurch geführt wird, ist fest verbunden mit dem Linearmotor 22, der wiederum den Motor 23 in einer linearen Hubbewegung verfährt. Dieser Motor 23 schwenkt über den Arm 24 den fix auf ihm 10 montierten Motor 25. Auf der Welle von 25 ist die Gabel 26 montiert, die wiederum den Motor 27 trägt. Motor 27 schwenkt den, auf seiner Welle montierten Motorträger 28, in der Motor 29 eingesetzt ist. Motor 29 dreht die Schweißbrennereinheit, die aus denselben Komponenten besteht wie in Fig. 4, um die Längsachse des Brennerrohrs 1. Diese Anordnung erlaubt die Bewegung der Schweißbrennereinheit in fünf Freiheitsgraden und ermöglicht so 15 die notwendigen Korrekturbewegungen des Schweißbrenners.

In Fig. 6 sind jene Einflussgrößen, die von der Sensorik erfasst und durch die Steuerelektronik in Korrektursignale für die Brennerposition 32 weiterverarbeitet werden, dargestellt. Neben den geometrischen Größen wie der Spaltbreite 30, dem 20 Nahtöffiiungswinkel a, der Nahtorientierung 31, der Blechdicke s, der Steghöhe 33 und dem räumlichen Nahtflankenverlauf 35 sollen auch Zustandsgrößen wie jene des Schweißbads 34 als Parameter in die Korrekturalgorithmik einfließen.

In Fig. 7 sind, um die durch die Regelautomatik und die Verstelleinheit 7 zu korrigierenden 25 Relativpositionen zu veranschaulichen, die drei, in die Korrekturauswertung einfließenden Koordinatensysteme daigestellt: werkstückfestes Koordinatensystem (xv, yv, zy), das Brennerrohr-feste Koordinatensystem (xr, yR, zR) und das grifffeste Koordinatensystem (xP, yP, zp). Die nicht raumfesten Koordinatensysteme werden mit Hilfe der Sensormesspunkte 11 und 13 (Fig. 3) und des externen Sense«-13 bestimmt. 6 30

Literatur [ 1 ] Czesany, G.: Untersuchungsergebnisse über das teilmechanisierte MAG-Schweißen unter Mischgas. Schweißtechnik Wien 29,1975, H. 12, S. 201/03 [2] Claude Choquet, 123 Certification Inc., „ARC+®: Today’s Virtual Reality Solution for Welders“, Safety and Reliability of Welded Components in Energy and Processing Industry; HW Annual Assembly, Graz, 2008 [3] L. Da Dalto und O. Balet, CS Virtual Reality Department; F. Benus Jr, MATRAI Welding Ltd.; D. Steib, AFPA DI; “CS WAVE. Leaming welding motion in a virtual environment”, Safety and Reliability of Welded Components in Energy and Processing Industry; HW Annual Assembly, Graz, 2008 [4] J. Kreindl, Fronius International GmbH; H. Sandtner, A. Behmel, H. Dötsch, ZML -innovative Lernszenarien FH JOANNEUM Ges.m.b.H., „Virtual welding - a modern, innovative simulation-system for the training and education of welding Personnel“, Safety and Reliability of Welded Components in Energy and Processing Industry; HW Annual Assembly, Graz, 2008 [5] L. Quintino,TU Lisbon, EWF-IAB/IIW, R. Ferraz, ISQ, IAB and I. Femandes, ISQ, EWF-IAB/HW, “International Certification Systems in Welding”, Safety and Reliability of Welded Components in Energy and Processing Industry; HW Annual Assembly, Graz, 2008 [6] Elektronischer, Computer-unterstützter Schweißtrainer, GSI Schweißtechnische Lehr-und Versuchsanstalt Halle GmbH, 2009

Claims (10)

1. Patentansprüche: 1. Ein Verfahren für das Metallschutzgasschweißen mit einer teilautomatisierten, programmunterstützten handgeführten Schweißpistole, welche in bekannter Weise aus - einem gebogenen oder geraden Brennerrohr (Fig. 3, Pos. 1) - einer Gasdüse (Fig. 3, Pos. 2) - einem freien Schweißdrahtende (Fig. 3, Pos. 3) - einem Griff (Fig. 3, Pos. 8) - einem Schlauchpaketanschluss (Fig. 3, Pos. 9) und - der Mediendurchführung für Schutzgas, Drahtzufuhr, Stromleitung, Leitungen für das Kühlmedium und die Schweißrauchabsaugung, sowie allfälligen Sensorleitungen (10) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennerrohr (1) der handgeführten, teilautomatisierten, programmunterstützten, handgefuhrten Schweißpistole in Abhängigkeit von den Merkmalen der Nahtkontur und der Nahtorientierung (Fig. 6), relativ zum Griff der Schweißpistole (Fig. 3, Pos. 8) - programmgesteuert und von der Handführung unabhängig - Korrekturbewegungen ausführen kann.
2. 2. Ein Verfahren für das Metallschutzgasschweißen mit einer teilautomatisierten, programmunterstützten handgefuhrten Schweißpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Brennerrohrs der handgefuhrten Schweißpistole nach ein bis sechs Freiheitsgraden erfolgen kann und diese Bewegung mit einer an sich bekannten Hexapodenkinematik (Fig. 4) durchgeführt wird.
3. 3. Ein Verfahren für das Metallschutzgasschweißen mit einer teilautomatisierten, programmunterstützten handgeführten Schweißpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Brennerrohrs der handgeführten Schweißpistole nach ein bis fünf Freiheitsgraden erfolgen kann und diese Bewegung in an sich bekannter Weise durch eine Kombination aus Linearachsenkinematik und Drehachsenkinematik (Fig. S) erfolgt.
4. 4. Ein Verfahren für das Metall Schutzgasschweißen mit einer teilautomatisierten, programmunterstützten handgeführten Schweißpistole nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass innere und/oder externe Sensoren (Fig. 4 und 6) Parameter der Nahtkontur (Fig. 7) der Brennerrohranstellung und Brennerrohrposition in Relation zur Naht (Fig. 7), sowie Parameter der Ausbildungszustände des Schweißbades (flüssig - teigig - fest) in an sich bekannter Weise erkennen und erfindungsgemäß in Antriebssignale für die Brennerrohrbewegung umwandeh werden.
5. 5. Die Ermittlung der Brennerrohrposition und der Brennerrohranstellung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Brennerrohrs in Relation zur Nahtkontur und zum Griff, entweder von einem Koordinatensystem, fix verbunden mit einer Hilfsvorrichtung an der Schweißnaht (Fig. 6: xv, yv, zv) oder von einem Koordinatensystem, fix verbunden mit dem Griff (Fig. 6: xp, yp, zP) oder von einem Koordinatensystem, fix verbunden mit dem Brennenohr (Fig.6: xr, ya, zr ) «fasst wird.
6. 6. Die Steuerung des Brennerrohrs nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensordaten mit der idealen möglichen, in einer Datenbank abgespeicherten Brennerposition und Brenneranstellung für die jeweilige Schweißnahtkontur verglichen werden und diese SoMst-DifFerenzen mit einem an sich bekannten Softwareprogramm in Antriebssignale für eine entsprechende Brennerrohrbewegung mit Hilfe der Hexapodenkinematik (Fig. 4) oder der Linear- und/oder Drehkinematik (Fig. 5) umgesetzt werden.
7. 7. Ein Verfahren für das Metallschutzgasschweißen mit einer teilautomatisierten, programmunterstützten handgeführten Schweißpistole nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerrohrbewegung (Fig. 3) die vereinfachte Bewegung des handgeführten Griffs der Schweißpistole (Fig. 3) überlagert und handlungsrelevante Informationssignale für die Handführung des Pistolengriffs visuell angezeigt werden (14).
8. 8. Informationsanzeige nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die, für das Schweißen handlungsrelevanten Informationssignale bezüglich der Abweichungen der Anstellungen und der seitlichen vertikalen und in Schweißnahtlängsrichtung liegende Geschwindigkeitskomponenten auf ein Display im Schweißschirm (Fig. 3, Pos. 14) in an sich bekannter Weise eingeblendet werden.
9. 9. Ein Verfahren für das Metallschutzgasschweißen mit einer teilautomatisierten, programmunterstützten handgeführten Schweißpistole nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die visuelle Beobachtung des Schweißbades durch die i ► · *· • · « Displayinformation ersetzt wird und mittels einer Absaughaube (Fig. 4, Pos. IS) eine Optimale Absaugung des Schweißrauches erfolgt.
10. 10. Ein Verfahren für das Metallschutzgasschweißen mit einer teilautomatisierten, S programmunterstützten handgeführten Schweißpistole nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Drahtende in bekannter Weise eine geregelte Länge aufweist.

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