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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren der Fügetechnik von metallischen
Bauteilen, wie beispielsweise metallischen Blechen, an denen Schweißelektroden
einer Schweißvorrichtung mit geeigneter Anpresskraft zusammengeführt
werden, durch die im Bereich der zu verschweißenden Schweißzone
ein elektrischer Schweißstrom geleitet wird, der mittels Kondensatorentladung
erzeugt wird, wobei der Schweißstrom als aufeinander folgende
Teilstromimpulse mit bestimmter Schweißenergie ausgeprägt
ist und eine Schweißeinheit mit angeschlossener Schweißvorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Beim
Kondensator-Entladungsschweißen wird die Energie, die zum
Verschmelzen des Gefüges einer Schweißstelle notwendig
ist, in einem Kondensator oder einer Kondensatorbank bei hoher Ladespannung
U gespeichert. Der Kondensator hat dann den Energieinhalt W = 1/2
C × U2 angegeben in Wattsekunden
oder Joule. Der Energieinhalt ist also maßgeblich von der
Kapazität C der Kondensatorbatterie und der Ladespannung
U abhängig.
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Die üblicherweise
hohen Ladespannungen, von bis zu 4000 V, erfordern nach den elektrischen Normen
und Vorschriften festgelegte Sicherheitsabstände und Schutzmaßnahmen
innerhalb des Energieteils (Schweißeinheit). Zusätzlich
darf durch die Hochspannung die Schweißvorrichtung nicht
mit flexiblen elektrischen Leitungen angeschlossen werden und beschränkt
somit den Einsatz auf stationär betriebene Schweißvorrichtungen.
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Zum
Schweißen mittels Kondensatorentladung wird die gespeicherte
Energie des Kondensators über die Primärwicklung
eines Schweißtransformators entladen. Der primärseitig
anliegende Entladespannungsimpuls erzeugt einen Stromfluss, der durch
den Schweißtransformator übersetzt und sekundärseitig
als hoher Stromimpuls mit einer sehr kurzen Schweißimpulsdauer
(Teilstromimpulsdauer) von nur bis zu 10 ms über die Elektroden
an die Schweißstelle abgegeben wird.
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In
der
EP 1990123 A2 ist
ein Verfahren beschrieben, mit dem metallische Bauteile durch eine im
Raum bewegliche Schweißzange mittels Kondensatorentladung
punktgeschweißt werden. Die Stromimpulsdauer wird in diesem
Fall bei einer Kondensatorladespannung von ca. 500 V über
10 ms hinaus auf bis zu 50 ms verlängert. Der Stromimpuls
wird als Wechselimpuls mit zwei Teilstromimpulsen mit entgegengesetzter
Polarität erzeugt. Zum Bereitstellen der Schweißenergie
werden zwei Kondensatorbänke eingesetzt, die mit der gleichen
Ladespannung über einen Ladetransformator aufgeladen werden
und somit den gleichen Energieinhalt aufweisen. Jede Kondensatorbank
gibt bei einem Schweißvorgang nacheinander die gleiche
Energiemenge an den Schweißtransformator ab. Das heißt,
Kondensatorbank Eins liefert die Schweißenergie für
den ersten Stromimpuls und Kondensatorbank Zwei liefert die Energie für
den zweiten Stromimpuls innerhalb eines Schweißvorganges.
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Durch
das Einbringen des ersten Teilstromimpulses als Schweißimpuls
hat sich bereits ein Gefüge in der Schweißzone
gebildet und die Schweißstelle weist einen veränderten
Widerstand auf. Folgt nun der zweite Teilstromimpuls mit der gleichen
Schweißenergie, so ist diese nach Erkenntnissen der vorliegenden
Erfindung dem veränderten Widerstand der Schweißzone
nicht angepasst, was negative Auswirkungen auf die Schweißgüte
haben kann. Das Verfahren nach der
EP 1990123 A2 erlaubt keine getrennte Dosierung
der Schweißenergie für beide Teilstromimpulse
und so kann der Strom für den zweiten Teilstromimpuls dem
Gefüge nicht im Sinne der vorliegenden Erfindung angepasst
werden. Als weiterer Nachteil wird aufgefasst, dass die Kondensatoren
bei jeder Schweißung bis auf 0 Volt, d. h. tiefstentladen
werden, was die Lebensdauer der Kondensatoren verkürzen
kann. Der Einsatz eines dreiphasigen Ladetransformators, bedeutet
einen erhöhten Komponentenaufwand und erfordert einen größeren
Platzbedarf. Außerdem wirkt der Transformator als nicht
unerhebliche Wärmequelle, was den Einsatz von kostenintensiven
Kühlaggregaten erfordert.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Schweißeinheit
zu schaffen, die ein Kondensator-Entladungsschweißen ermöglicht
bei dem die Schweißenergie für jeden Teilstromimpuls
getrennt dosiert werden kann, um eine bestmögliche Schweißgüte
zu erreichen und gleichzeitig den Aufwand an elektronischen Bauteilen
gering zu halten.
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Die
gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst
mit einem Verfahren und einer Schweißeinheit gemäß jeweiligem
unabhängigen Patentanspruch. Bevorzugte Ausführungsformen
sind Gegenstand der Unteransprüche und nachfolgend beschrieben.
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Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Kondensatorbank
mit einer Spannung von bis zu 500 V aufgeladen. Aus der Ladespannung
ergibt sich ein Gesamtenergieinhalt der Kondensatorbank. Ein Schweißzyklus
besteht aus mehreren Teilstromimpulsen. Den einzelnen Teilstromimpulsen des
Schweißzyklus wird die ihnen zu gedachte Schweißenergie
bereitgestellt, wobei die Energieabgabe an den Schweißtransformator
durch gesteuerte Schaltvorgänge von Schaltgliedern eines
Entladeschalters eingeleitet und abgeschlossen wird. Die von der
Kondensatorbank zur Verfügung gestellte Gesamtschweißenergie
kann mit diesem Verfahren auf mehrere Teilstromimpulse in unterschiedlicher oder
gleicher Höhe verteilt werden. Es lässt sich damit
ein auf die Schweißaufgabe optimal abgestimmter und reproduzierbarer
Schweißzyklus realisieren, weil die Schweißenergie
der einzelnen Teilstromimpulse innerhalb eines Schweißzyklus
getrennt zu steuern ist und somit der Strom für jeden Teilstromimpuls
der Schweißaufgabe angepasst dosiert werden kann. Die Länge
eines einzelnen Teilstromimpuls beträgt i. d. R. mehr als
10 ms. Vorteilhaft ist jedoch häufig eine Teilimpulsdauer
von 20 bis 40 ms.
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Die
Schweißenergie, die den einzelnen Stromimpulsen zugeteilt
wird, kann für alle Teilstromimpulse gleich sein. Erfindungsgemäß ist
es aber auch möglich, dass die Menge an Schweißenergie,
die dem auf einen Teilstromimpuls folgenden Teilstromimpuls zugeteilt
wird, von der Menge des vorangegangenen Impulses abweicht. Die Regel
gilt, wenn Abweichungen gewünscht sind, für alle
Teilstromimpulse die einem vorangegangenen Impuls nachfolgen.
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Es
ist also vorgesehen, dass die Menge an Schweißenergie,
die den auf einen Teilstromimpuls folgenden Teilstromimpulsen zugeteilt
wird, kleiner oder größer bemessen wird.
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Es
hat sich gezeigt, dass es sich positiv auf die Schweißgüte
auswirkt, wenn beim zweiten oder weiteren Teilstromimpuls mit einer
veränderten Menge an Schweißenergie, vorzugsweise
mit einer herabgesetzten Menge an Schweißenergie gearbeitet wird.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
den Teilstromimpulsen unterschiedliche Mengen an Schweißenergie
zugemessen werden können, wobei die Teilstromimpulse als Halbwelle
ausgeprägt sind und mit wechselnder Polarität
aufeinander folgen.
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Die
Schaltglieder schalten den Stromfluss damit auch nach Maßgabe
der jedem Teilimpuls zugemessenen Schweißenergie mit wechselnder
Polarität. Der Schweißtransformator T wird mit
jedem Teilstromimpuls nacheinander immer abwechselnd mit einem positiv
und negativ polarisierten Spannungsimpuls angesteuert, die Stromflussrichtung
ist also im Wechsel gegensinnig. Mit jedem Spannungsimpuls wird
der Transformator ummagnetisiert. Damit wird einer sogenannten Sättigungsmagnetisierung
entgegengewirkt. Die Schweißenergie des Schweißzyklus bleibt
somit für jeden neuen Schweißzyklus konstant.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
zwischen den Teilstromimpulsen Pausen vorgesehen sind, die in ihrer
zeitlichen Länge einstellbar sind, wobei jede Pausenzeit 20
bis 200 ms betragen kann. Die Pausenamplituden betragen in ihrem
Stromwert I, Null Ampere.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht den Verzicht
eines Ladetransformators vor. Kosteneinsparung und ein geringerer
Platzbedarf im Schaltschrank sind nicht von der Hand zu weisende
Vorteile. Außerdem wirkt der Transformator als nicht unerhebliche
Wärmequelle, wodurch der Einsatz von kostenintensiven Kühlaggregaten
entfällt.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
sogenannte IGBT's zur Freigabe der Entladung des Kondensators eingeschaltet
und zur Beendigung der Entladung abgeschaltet werden. Dieser Vorgang
gilt für jeden Teilimpuls.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
durch den Einsatz von abschaltbaren Schaltgliedern, einer ständigen
Entladung der Kondensatoren auf 0 V vorgebeugt werden kann, was
zu einer Schädigung und damit Kapazitätsverlust
des Kondensators führen kann. Durch die gewählte
Ladespannung und einer festgelegten Kapazität der Kondensatorbank,
ist der zur Verfügung stehende Gesamtenergieinhalt unter
Verwendung der Formel W = 1/2 × C × U2 definiert.
Durch die Möglichkeit der gezielten Verteilung der Energie
auf die einzelnen Teilstromimpulse, kann eine festgelegte Restladespannung
von beispielsweise 5 V am Kondensator verbleiben.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Auf- und Entladevorgänge des Kondensators mittels eines
Ladereglers und eines Entladereglers geregelt werden.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Lade- und Entladeregler von einem Mikroprozessor gesteuert werden.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
im Entladeschalter die Schaltglieder beispielsweise paarweise in
den Zweigen einer Brückenschaltung angeordnet sind. Der Abgriff
des Schweißtransformators erfolgt jeweils zwischen den
Schaltgliederpaaren der Brückenzweige.
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert,
ohne auf diese beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 ein
vereinfachtes Prinzipschaltbild der zum Einsatz kommenden Schweißeinheit
mit einer Schweißvorrichtung zur Durchführung
des Schweißverfahrens nach der Erfindung,
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2 eine
Darstellung des Stromverlaufes der Teilstromimpulse während
eines Schweißzyklus,
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3 ein
Schaltbild für eine mögliche Ausführungsform
des Entladeschalters in der Schweißeinheit mit einer Schweißvorrichtung
zur Durchführung des Schweißverfahrens nach der
Erfindung.
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Zur
Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung kommt eine
Schweißeinheit 1 zum Einsatz, dargestellt in 1,
mit der die Schweißvorgänge an der Schweißvorrichtung 13 gesteuert
werden.
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Die
Schweißeinheit 1 wird vorzugsweise an einem Dreiphasennetz 15 mit
einer Netzspannung von 400 V bei einer Netzabsicherung 14 von
32 A betrieben. Der Kondensator C wird über einen Gleichrichter 2 mit
einer gleichgerichteten Ladespannung UL aufgeladen.
Ein Laderegler 3 übernimmt einerseits die Aufgabe
einer stromgeregelten Aufladung, d. h. der netzseitig bereitgestellte
Ladestrom wird überwacht und begrenzt, angedeutet durch
die Verbindung 3-1 und andererseits sorgt der Laderegler 3 für
eine stabilisierte Ladespannung UL, angedeutet durch
die Verbindung 3-2. Die maximale Ladespannungsamplitude
ist zunächst auf 500 V festgelegt. Dieser Höchstwert
der Ladespannung ist aber vom Gerätetyp abhängig
und kann noch verändert werden.
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Der
Kondensator C wird über den Entladeschalter 5 entladen
und die im Kondensator gespeicherte Energie wird an den Schweißtransformator
T abgegeben. Der Entladeschalter 5 wird über eine
angedeutete Verbindung 6-1 von einem Entladeregler 6 angesteuert.
Der Entladeschalter 5 kann auf verschiedene Weise aufgebaut
sein und auf nicht dargestellte Weise mehrere Schaltglieder V enthalten,
mit denen es möglich ist, durch elektronische Ansteuerung
die Schweißenergiemenge von Teilstromimpulsen des Schweißstromes
durch gezieltes Ein- und Ausschalten zu bemessen. Die elektronische
Ansteuerung der Schaltglieder V wird dabei vom Entladeregler 6 übernommen.
In 1 sind die eingesetzten Schaltglieder V stellvertretend
für ihre tatsächliche Ausbildung durch ein Schalterzeichen
symbolisiert. Als geeignete ein- und abschaltbare elektronische
Schaltglieder V können beispielsweise IGBT's genannt werden.
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In 3 ist
als Beispiel die Schweißeinheit 1 mit einer möglichen
Ausführungsform des Entladeschalters 5 dargestellt.
Diese Schaltung wird später erläutert.
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Eine übergeordnete
Mikroprozessorsteuerung 9 koordiniert und steuert über
die angedeuteten Verbindungen 9-1 und 9-2 den
Laderegler 3 und Entladeregler 6 der Schweißeinheit 1.
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Der
Kondensator C gibt die für die Teilstromimpulse I1, I2,
I3, I4, bezeichnet in 2, bemessene Spannung über
den Entladeschalter 5 an die Schweißvorrichtung 13 ab.
Diese besteht vereinfacht aus einem Schweißtransformator
T, an dessen Primärseite 7 (Primärwicklung)
die Entladungsspannung des Teilstromimpulses, beispielsweise I1,
bezeichnet in 1, anliegt. An der Sekundärseite 8 (Sekundärwicklung)
zwischen deren Polen, die die Schweißelektroden 10 bilden,
das Schweißgut 12 liegt, erhält man einen
Spannungsstoß, der durch die Transformierung sehr hohe
Ströme abzugeben vermag. Der Schweißstrom (I)
wird dann durch das Schweißgut (12) geleitet und
fügt diese zusammen.
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Der
Schweißtransformator T wird mit jedem Teilimpuls I1–I4
primärseitig nacheinander immer abwechselnd mit einem positiv
und negativ polarisierten Spannungsimpuls angesteuert, die Stromflussrichtung
ist also im Wechsel gegensinnig. Dies ist durch die Pfeile 11 angedeutet.
Mit jeder Schweißung wird der Schweißtransformator
T ummagnetisiert. Damit wird einer einseitigen Magnetisierung entgegengewirkt,
was eine Sättigung des Schweißtransformators T
zur Folge hat. Die Schweißenergie des Schweißzyklus
bleibt somit für jeden neuen Schweißzyklus konstant
und somit reproduzierbar.
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2 zeigt
nun den Ablauf eines Schweißzyklus anhand des abgegebenen
Schweißstromes I über der Zeitachse t. Der erste
Teilstromimpulse I1 hat eine zeitliche Länge t1 mit einer
Schweißenergie W1. Der zweite Teilstromimpulse I2 hat eine
zeitliche Länge von t2 mit einer Schweißenergie
W2. Beiden Teilstromimpulsen I1 und I2 wird durch Öffnen
und Schließen der Schaltglieder V die Ihnen vorgesehene Entladespannung
des Kondensators C zugeteilt. Daraus resultieren für beide
Teilstromimpulse auch unterschiedliche Schweißenergien
W1 und W2. Die beschriebenen Abläufe der Teilstromimpulse
I1 und I2 gelten auch für die weiteren Teilstromimpulse,
dargestellt als I3, I4. Die zeitliche Länge eines einzelnen Teilstromimpulses
beträgt mehr als 10 ms. Erfahrungsgemäß liegt
die Teilimpulsdauer jedoch zwischen 20–40 ms. Auf Grund
der gesteuerten Entladung ist es möglich über
I4 hinaus, weitere Teilstromimpulse folgen zu lassen. Der Schweißzyklus
ist also deutlich besser unter Kontrolle.
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Die
Graphik der 2 verdeutlicht, dass die Teilstromimpulse
I1–I4 in Ihrer Stromhöhe I, Impulsdauer t1–t4
und der Schweißenergie W1–W4 innerhalb eines Schweißzyklus
unterschiedlich ausgeprägt sein können.
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2 zeigt
außerdem, dass zwischen den Teilstromimpulsen Pausen vorgesehen
sind, die in ihrer zeitlichen Länge einstellbar sind, wobei
die Pausenzeiten 20 bis 200 ms betragen können, bei einem Schweißstrom
von Null Ampere. Insgesamt ist der Schweißvorgang auf diese
Weise außerordentlich fein regulierbar.
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3 zeigt
ein modifiziertes Prinzipschaltbild einer möglichen Ausführungsform
des Entladeschalters 5 innerhalb der Schweißeinheit 1 nach
der Erfindung.
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An
dieser Stelle wird auf die Funktionsweise des Entladereglers 5 mit
seinen Schaltgliedern V eingegangen. Die Wirkungsweise der übrigen
Schaltungsteile wurde in der Beschreibung von 1 erläutert
und ist identisch.
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Der
Entladeschalter 5 wird über die angedeuteten Verbindungen 6-1, 6-2, 6-3, 6-4 von
dem Entladeregler 6 angesteuert. Der Entladeregler 6 übernimmt
die elektronische Ansteuerung der Schaltglieder V. Dabei werden
bei jedem Teilstromimpuls als Schweißimpuls I1–I4
bestimmte Schaltglieder V eingeschaltet, d. h. in einen stromleitenden
Zustand gebracht und gleichzeitig müssen andere Schaltglieder
V ausgeschaltet, d. h. in einen stromsperrenden Zustand gebracht
werden. Der Entladeregler 6 sorgt also für eine
Verriegelung der Schaltglieder V untereinander.
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Für
den Teilstromimpulse I1, bleiben bestimmte Schaltglieder V nur solange
stromleitend und gleichzeitig bestimmte Schaltglieder V im gesperrten
Zustand, bis die für den Teilstromimpuls I1 vorgewählte
Spannung in Form einer positiven Halbwelle an den Schweißtransformator
T abgegeben wurde. Der durch den Schweißtransformator T
auf der Sekundärseite 8 erzeugte Teilstromimpuls
I hat somit einen definierten Energiewert W.
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Bei
dem nachfolgenden Teilstromimpuls I2 werden die Schaltglieder V
erneut, wie zuvor beschrieben angesteuert. Allerdings wird die für
den Teilstromimpuls I2 vorgewählte Spannung jetzt in Form
einer negativen Halbwelle an den Schweißtransformator T
abgegeben. Der Wechsel der Polarität mit jedem Teilstromimpuls
ist in 2 gut zu erkennen.
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In
entsprechender Weise wird verfahren, wenn weitere Teilstromimpulse
I3, I4 usw. vorhanden sind.
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Die
elektronischen Schaltglieder V1, V2, V3, V4 sind vorzugsweise unter
der technischen Bezeichnung IGBT eingesetzte Schaltglieder. Die
IGBT-Schaltglieder V1, V2, V3, V4 sind mit Schutz-Dioden D versehen.
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Eine übergeordnete
Mikroprozessorsteuerung 9 koordiniert und steuert über
die angedeuteten Verbindungen 9-1 und 9-2 den
Laderegler 3 und Entladeregler 6.
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Der
Stromfluss wird mit jedem Ansteuern der IGBT's kontrolliert eingeleitet
und abgebrochen. Die vom Schweißtransformator T abgegebene
Energiemenge W ist dadurch dosierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1990123
A2 [0005, 0006]