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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasma-Stichlochschweißen
eines Werkstücks, bei dem unter Verwendung einer mit einem Schweißstrom
beaufschlagten Elektrode und wenigstens eines mit einer Gaszusammensetzung
bereitgestellten Schweißgases ein Plasmastrahl erzeugt
wird, wobei wenigstens ein Gasvolumenstrom zeitlich verändert
wird, und eine entsprechende Vorrichtung.
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Schweißen
bezeichnet das stoffschlüssige Verbinden von Bauteilen
unter Anwendung von Wärme und/oder Druck, gegebenenfalls
unter Verwendung von Schweißzusatzwerkstoffen. Für
Metalle, jedoch auch beim Schweißen von Glas oder für
thermoplastische Kunststoffe werden meist Schmelzschweißverfahren
eingesetzt. Beim Schmelzschweißen wird üblicherweise
mit örtlich begrenztem Schmelzfluss ohne Anwendung von
Kraft und somit ohne Druck geschweißt. Das Verbinden der
Bauteile erfolgt in der Regel in Form von Schweißnähten
oder -punkten.
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Das
Schutzgasschweißen bildet eine Gruppe von Schweißverfahren
mit besonders vorteilhaften Eigenschaften, worunter das Plasmaschweißen eine
besondere Stellung einnimmt. Das Plasmaschweißen zählt
zu den Wolfram-Schutzgas-(WP-)Verfahren, bei denen ein Plasmastrahl
als Wärmequelle dient. Der Plasmastrahl wird durch Ionisation
und Einschnüren eines Lichtbogens erzeugt, auf ein Werkstück
gerichtet und beispielsweise entlang eines gewünschten
Schweißnahtverlaufs bewegt. Aufgrund der Einschnürung
des Plasmastrahls zu einer fast zylindrischen Gassäule
(in der Regel durch eine wassergekühlte Kupferdüse,
meist unter Zuhilfenahme eines sogenannten Fokussiergases) ergibt
sich eine höhere Energiekonzentration als bei konventionellen
Schweißverfahren, wie beispielsweise dem WIG-Schweißen.
In einem die Elektrode konzentrisch umgebenden Plasmabrenner können
dabei über konzentrische Düsen bis zu drei Gase
oder Gasgemische zugeführt werden, darunter das Plasmagas,
das Fokussiergas zum Einschnüren des Plasmastrahls und
das Schutzgas. Bei den herkömmlichen Verfahren werden der
Plasmastrahl und das Fokussiergas von Schutzgas umhüllt.
Der Einsatz von Schutzgas dient unter anderem dazu, die Schmelze
während des Schweißvorgangs vor Oxidation zu schützen.
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Das
Plasma-Stichlochschweißen stellt eine Variante des Plasmaschweißens
dar. Als Hochleistungsschweißverfahren gestattet es die
Bearbeitung größerer Blechdicken mit geringem
thermischem Verzug und hohen Schweißgeschwindigkeiten und wird
momentan hauptsächlich zum schweißtechnischen
Fügen von Chrom-Nickel-Stählen eingesetzt. Zudem
wird heute auf diese Technik zurückgegriffen, wenn besondere
Anforderungen an die Qualität der Schweißnaht
hinsichtlich Durchschweißung, Nahtform und Nahtaussehen
gestellt werden. Es wird in der Regel bis zu einer Blechdicke von
8 bis 10 mm eingesetzt. Die hauptsächlichen Anwendungsgebiete liegen
im chemischen Anlagenbau, der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie
dem Behälter- und Rohrleitungsbau.
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Beim
Plasma-Stichlochschweißen durchtritt der Plasmastrahl zu
Beginn des Schweißvorgangs die gesamte Werkstückdicke.
Dabei wird das durch Aufschmelzen des Werkstücks entstehende Schmelzbad
vom Plasmastrahl zur Seite gedrückt. Aufgrund der Oberflächenspannung
der Schmelze fällt diese idealerweise nicht durch das Stichloch
oder tropft ab, sondern fließt hinter der sich bildenden Schweißöse
wieder zusammen und erstarrt zur Schweißnaht.
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Unabdingbare
Voraussetzung für die Anwendung des Plasma-Stichlochschweißens
ist die prozesssichere Ausbildung des Stichloches. Hierzu sind eine,
mit hohem zeitlichem Aufwand verbundene, exakte Schweißkantenvorbereitung
und eine entsprechende Positionierung der Bauteile sowie das genaue
Einhalten der Schweißparameter Grundvoraussetzung. Bei
Abweichungen von diesen Randbedingungen, z. B. durch variable Spaltmaße
und Kantenversätze sowie Geometriesprünge, die
eine veränderliche Wärmeableitung in das Bauteil
verursachen, kann es zur ungenügenden Durchschweißung,
zur Spritzerbildung, zum Auftreten von Einbrandkerben oder zum Durchsacken
des Schweißbades kommen. Gerade bei den am häufigsten
verschweißten un- und niedriglegierten Stählen
(wie Baustahl) kommt es aufgrund starker Variationen der chemischen
Zusammensetzung sowie einer geringen Oberflächenspannung
und Viskosität vermehrt zum Auftreten dieser Prozessinstabilitäten.
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Die
Anwendung des Plasma-Stichlochschweißens ist daher momentan
nur unter kosten- und zeitintensiven Aufwendungen für die
Bauteilvorbereitung und -positionierung möglich. Mit zunehmender
Blechdicke reduziert sich ferner die maximal realisierbare Schweißgeschwindigkeit
erheblich, zudem nimmt vor allem auch die Stabilität des
Schweißprozesses ab. Die insbesondere beim Plasma-Stichlochschweißen
von Baustahl dominierende Schwierigkeit einer stabilen Stichlochausbildung
schränkt daher die industrielle Anwendbarkeit des Verfahrens auf
diesem Gebiet bisher erheblich ein.
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Um
eine sichere und stabile Ausbildung des Stichloches unter praxisrelevanten
Bedingungen wie z. B. langen Lichtbogenzeiten, unterschiedlichen Blechoberflächen,
nicht-optimalem Masseanschluss, Schwankungen in der Legierungszusammensetzung und
dergleichen zu verbessern, sind unterschiedliche Ansätze
bekannt.
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Zur
laufenden Kontrolle der Stichlochausbildung während des
Schweißprozesses können optische, pneumatische
und/oder elektrische Parameter überwacht werden. So kann
die Helligkeit des durchtretenden Plasmastrahls, der aus seiner
kinetischen Energie resultierende Druck und/oder die elektrische Leitfähigkeit
seines auf der Werkstückrückseite austretenden
Anteils (sogenannter Durchdringungsstrom) als Kontrollgröße
der Durchschweißung verwendet werden. Die Stichlochausbildung
wird dann über eine Variation des Schweißstroms
konstant gehalten. Hierzu wird meist der Schweißstrom auf
einen Grundlevel eingestellt, und kann bei Bedarf auf einen erhöhten
Wert (Pulslevel) angehoben werden, um dem Bauteil mehr Energie zuzuführen.
Da die thermische Belastbarkeit der Plasmagasdüse den maximalen
Schweißstrom jedoch begrenzt, kann die Leistungsfähigkeit
des Plasmabrenners in der Grundstromphase nicht voll ausgenutzt
werden, weil jeweils eine ”Reserve” für
den Pulslevel vorzusehen ist.
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Es
ist bekannt, bei der Erzeugung von Plasma-Lichtbögen das
Plasmagas zu pulsen. So offenbart die
EP 257766 A2 ein Verfahren zum Plasmaschneiden
und/oder -schweißen, bei dem die von dem Schweißbrenner über
den Plasmastrahl abgegebene Energie durch hochfrequente Variation
des Plasmagasflusses und/oder des Schweißstroms derart
moduliert wird, dass sie abwechselnd jeweils über und unter
dem für den jeweiligen Schneide- oder Schweißprozess
erforderlichen Wert liegt. Hierdurch kann eine intermittierende
Perforierung des Materials oder Punktschweißung erzielt
werden.
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Zur
Erhöhung der maximalen Schweißgeschwindigkeit
und/oder der maximal schweißbaren Blechdicke offenbart
die
EP 689896 A1 ein
Verfahren, bei dem der Volumenstrom des Plasmagases und damit seine
Energiedichte periodisch verändert wird. Zusammen mit dem
entsprechend variierenden pneumatischen Druck werden damit die Charakteristika
des Plasmastrahls, insbesondere seine Penetrationstiefe und die
Konfiguration des geschmolzenen Metalls, das von dem Strahl nach
unten und zur Seite gedrückt wird, zyklisch verändert.
Hierdurch soll insbesondere ein Durchsacken und/oder Abtropfen des Schweißbades
verhindert werden.
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Ferner
beinhaltet auch die
JP
08039259 A ein Verfahren zum periodischen Variieren des
Plasmagases beim Plasma- und Plasmastichlochschweißen im
Impulsbetrieb, bei dem ein niedriger und ein hoher Volumenstrom
des Plasmagases in einem festgelegten Verhältnis zueinander
stehen und entsprechend verändert werden. Die Änderungsperiode liegt
jenseits einer Sekunde und entspricht der Impulsfrequenz des Plasmaschweißstroms,
wobei während der Niedrigstromphase die niedrige Plasmagas-Flussrate
eingestellt wird.
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Eine
periodische Veränderung der Zusammensetzung des Schutzgases
beim Schweißen durch Veränderung wenigstens eines
Volumenstroms offenbart die
US
3484575 A . Ziel ist es dabei, die Vorteile des Impulsschweißens
nicht durch eine gepulste Stromquelle sondern durch Pulsen der Zusammensetzung
des Schutzgases zu erzielen. Hierzu werden zwei unterschiedliche
Schutzgase bereitgestellt, von denen wenigstens eines in seinem
Volumenstrom moduliert wird. Da ein Lichtbogen in unterschiedlichen
Medien unterschiedlich brennt und daher seine Leitfähigkeit
variiert, soll sich durch die periodische Veränderung der
Schutzgaszusammensetzung bei einer vorgegebenen Schweißspannung eine
Modulation des Schweißstroms einstellen.
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Die
DE 10 2007 017 223
A1 und die
DE
10 2007 017 224 A1 offenbaren Verfahren zum Plasma-Stichlochschweißen,
wobei als Plasmagas und/oder als Schutzgas jeweils eine Gasmischung eingesetzt
wird. Mindestens eine Gaszusammensetzung bzw. mindestens ein Gasvolumenstrom
werden während des Schweissvorgangs mehrmals zeitlich verändert,
wodurch ein zeitlich sich verändernder Staudruck auf die
Schmelze ausgeübt und diese dadurch entsprechend in Schwingung
versetzt wird. Hierdurch erhöht sich die Prozesstabilität
beim Zusammenfliessen der Schmelze hinter dem Stichloch und die
Kinematik der Stichlochbildung wird vorteilhaft verändert.
Durch die zeitlich veränderliche Zusammensetzung bzw. den
zeitlich veränderlichen Gasvolumenstrom des Fokussiergases
kann darüber hinaus die Energiedichte des Plasmastrahls
variiert werden.
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Unabdingbare
Voraussetzung für die Anwendung des Plasma-Stichlochschweißens
ist jedoch die prozesssichere Ausbildung des Stichloches unter praxisrelevanten
Bedingungen wie z. B. variablen Spaltmaßen und Abweichungen
in der Schweißnahtvorbereitung sowie veränderlichen
Legierungszusammensetzungen, die sich während des Schweißvorgangs
ergeben können.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Plasma-Stichlochschweißen zur
Verfügung zu stellen, durch das bzw. durch die die Prozessstabilität
und Handhabung, insbesondere die Stabilität der Stichlochausbildung,
verbessert und/oder die maximal realisierbare Schweißgeschwindigkeit
erhöht werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den
jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Verfahrensseitig
wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass in einem
Verfahren zum Plasma-Stichlochschweißen eines Werkstücks,
bei dem unter Verwendung einer mit einem Schweißstrom beaufschlagten
Elektrode und wenigstens eines mit einer Gaszusammensetzung bereitgestellten
Schweißgases ein Plasmastrahl erzeugt wird, wobei wenigstens
eine Gaszusammensetzung zeitlich verändert wird, erfindungsgemäß die
Gaszusammensetzung wenigstens eines Schweißgases während
eines Schweißvorgangs in Abhängigkeit von mindestens einer
Randbedingung des Schweißvorgangs zeitlich verändert
wird.
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Es
sei im Rahmen dieser Anmeldung unter ”Schweißgas” eines
der beim Plasma-Stichlochschweißen verwendeten Gase verstanden,
wie etwa ein Plasmagas, ein Fokussiergas, ein Schutzgas oder Formiergas.
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Eine ”zeitliche
Veränderung” der Gaszusammensetzung umfasst insbesondere
eine stufenweise, kontinuierliche und/oder durch eine mathematische Funktion beschreibbare
Zunahme, Abnahme und/oder Modulation, insbesondere aber eine periodische
Veränderung einer Komponente einer Gaszusammensetzung.
Die Frequenz, die Amplitude und/oder die Grundlinie einer periodisch
sich verändernden Gaszusammensetzung kann insbesondere aufgrund
sich ändernder Randbedingungen verändert werden.
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Unter ”Werkstück” seien
ein oder mehrere, insbesondere metallische Elemente verstanden,
die durch Plasma-Stichlochschweißen bearbeitet werden.
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Eine
entsprechende Veränderung kann im Rahmen eines Regelkreises
erfolgen oder von einem Benutzer, gegebenenfalls auf Grundlage von
abgelesenen Messwerten oder aufgrund eines entsprechenden Signals,
eingegeben werden. Die Randbedingungen können hierbei auch
mehrere oder alle verwendeten Schweißgase betreffen, d.
h. eine entsprechende zeitliche Veränderung bewirken, es
kann jedoch ebenso vorgesehen sein, dass bestimmte, bekannte oder
gemessene Randbedingungen selektiv auf einzelne Schweißgase
einwirken. Es sei in diesem Zusammenhang betont, dass die zeitliche
Veränderung während des Schweißvorgangs
insbesondere durch eine automatische Regelung erfolgen kann. Der
Fachmann wird diese Veränderungen von einfachen Einricht-
bzw. Optimierungsvorgängen am Beginn eines Schweißprozesses,
bei denen eine Zusammensetzung eines Schweißgases ebenfalls
verändert und in der Regel einmalig den Schweißbedingungen
und dem Material angepasst werden kann, klar abgrenzen.
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Eine
Veränderung der Zusammensetzung eines Schweißgases
ist durch eine Erhöhung oder Reduzierung der absoluten
oder relativen Beiträge einzelner Gase einer Mischung möglich.
Beispielsweise kann auch ein erstes Gas mit einem ersten, konstanten
Volumenstrom und ein zweites Gas mit einem zweiten, pulsierenden
Volumenstrom bereitgestellt werden, wodurch sich entsprechend die
Zusammensetzung des sich hieraus ergebenden, gemischten Schweißgases
pulsierend verändert. Hiermit kann beispielsweise sich
verändernden Materialzusammensetzungen Rechnung getragen
werden. Beispielsweise können variable Gemische aus inerten mit
aktiven Schweißgasen zum Einsatz kommen, die es ermöglichen,
den Schweißprozess im Sinne einer Verbesserung der Plasmastrahlstabilität,
der Abschmelzleistung, der Nahtoberfläche, der Vermeidung
oder Einschränkung einer Spritzerbildung, von ungünstigen
Einbrandformen oder hohen Gasgehalten im Schweißgut positiv
zu beeinflussen. Insbesondere durch eine adaptive Veränderung
der Zusammensetzung des Plasmagases kann seine Wärmeleitfähigkeit
und seine Enthalpie unter Berücksichtigung der Randbedingungen
beeinflusst werden.
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Die
Randbedingungen umfassen vorteilhafterweise sowohl Eigenschaften
des Werkstücks, als auch Parameter des Schweißvorgangs,
insbesondere deren Änderung. Bei den Eigenschaften des
Werkstücks kann es sich um geometrische und/oder (physiko-)chemische
Eigenschaften handeln. Die geometrischen Eigenschaften beinhalten
unter anderem die Materialstärke, die Spaltmaße,
Abweichungen in der Schweißnahtvorbereitung und den Kantenversatz zwischen
Elementen des Werkstücks. Bei den chemischen Eigenschaften
kann es sich um Legierungs- oder Materialeigenschaften (z. B. Phasen
von Stahl) handeln, die den Schweißvorgang beeinflussen.
Es kann zwischen vorhersehbaren (bekannten) und nicht vorhersehbaren
(unbekannten) Änderungen unterschieden werden, die sowohl
die geometrischen als auch die chemischen Eigenschaften betreffen können.
Beispielsweise kann bei einer bekannten, kontinuierlichen Zunahme
der Dicke des Werkstückes oder einer bekannten Änderung
der Materialzusammensetzung durch Anpassung der Zusammensetzung
eines Gases ein besonders stabiler Schweißvorgang bewirkt
werden.
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Vorteilhafterweise
werden die Parameter des Schweißvorgangs und/oder die Eigenschaften
des Werkstücks anhand optischer, pneumatischer und/oder
elektrischer Eigenschaften des Plasmastrahls ermittelt. Ändern
sich Charakteristika des Plasmastrahls, insbesondere aufgrund von
nicht vorhersehbaren Änderungen von Eigenschaften des zu schweißenden
Werkstücks, kann dann durch eine geeignete Anpassung einer
Gaszusammensetzung reagiert werden. So kann beispielsweise die Qualität eines
Plasmastrahls durch eine Messung des Durchdringungsstroms zwischen
einem Werkstück und einer hierunter angebrachten Formiergasschiene
beurteilt werden. In Abhängigkeit von den gemessenen Werten
kann dann die Zusammensetzung eines Gases angepasst werden. Nimmt
beispielsweise die Breite eines Schweißspaltes vorhersehbar
oder nicht vorhersehbar zu, tritt ein größerer
Anteil des Plasmastrahls durch den Schweißspalt. Die für
den Schweißvorgang verfügbare Energiemenge nimmt ab,
der Durchdringungsstrom erhöht sich. Wird nun auf Grundlage
der detektierten Änderung des Durchdringungsstroms eine Änderung
einer Gaszusammensetzung vorgenommen, kann die Energiedichte des
Plasmastrahls erhöht werden, so dass die in das Werkstück
eingebrachte Energie steigt. Bei einer Änderung einer Legierungszusammensetzung
kann sich aufgrund einer besseren oder schlechteren Schmelzbarkeit
des Materials das Stichloch aufweiten oder verengen. Hierdurch tritt
entsprechend ein größerer oder geringerer Anteil
des Plasmastrahls durch das Stichloch. Der Durchdringungsstrom erhöht
oder verringert sich. Um ein zu großes Stichloch zu verengen
oder ein zu kleines Stichloch aufzuweiten, kann dann auf Basis des
Durchdringungsstroms eine Veränderung einer Gaszusammensetzung
vorgenommen werden, wodurch die Energiedichte des Plasmastrahls
verringert oder erhöht werden kann.
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Vorteilhafterweise
umfasst das wenigstens eine Schweißgas, dessen Zusammensetzung
zeitlich verändert wird, ein Plasmagas, ein Fokussiergas und/oder
ein Schutzgas. Durch eine entsprechende Modulation des Plasmagases
kann beispielsweise die Energiedichte des Plasmastrahls, und damit
die in das Werkstück eingebrachte Energie, beeinflusst werden.
Die Veränderung der Zusammensetzung des Fokussiergases
bewirkt eine stärkere oder schwächere Fokussierung
des Plasmastrahls, und damit ebenfalls eine Modulation der Energiedichte. Durch
Beeinflussung der Zusammensetzung des Schutzgases kann die Schutzwirkung
gegen Oxidation angepasst werden, sofern dies, beispielsweise aufgrund
eines größeren Schmelzenvolumens oder einer Änderung
der Materialzusammensetzung erforderlich ist. Sämtliche
Schweißgase wirken zusammen bei der Einstellung des Staudrucks
auf die Schmelze. Diese kann hierdurch beispielsweise in Schwingung
versetzt werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens eines
der Schweißgase, insbesondere das Plasmagas, das Fokussiergas und/oder
das Schutzgas mindestens ein Gas aus der Gruppe von Argon, Helium,
Stickstoff, Kohlendioxid, Sauerstoff und Wasserstoff auf. Bevorzugt
werden demnach als Plasmagas und/oder als Fokussiergas und/oder
als Schutzgas Gase oder Gasgemische verwendet, die mindestens ein
Gas aus der genannten Gruppe enthalten. Die Festlegung des geeigneten
Gases bzw. des geeigneten Gasgemisches erfolgt in Abhängigkeit
von der Schweißaufgabe, besonders unter Berücksichtigung
des zu schweißenden Grundwerkstoffs und etwaiger Zusatzwerkstoffe, wie
zuvor erläutert, in sich adaptiv verändernden
Zusammensetzungen.
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Es
kommen sowohl die Reingase, als auch Zwei-, Drei- und Mehr-Komponenten-Gemische
vorteilhaft zum Einsatz. Hierdurch wird eine besonders selektive
Anpassung an die Schweißaufgabe bewirkt.
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In
vielen Fällen können sich auch dotierte Gasgemische
als besonders vorteilhaft erweisen, wobei dotierte Gasgemische Dotierungen
mit aktiven Gasen im vpm-Bereich aufweisen. Die Dotierung erfolgt
bevorzugt im Bereich von weniger als 2,5, insbesondere 1,0 Volumenprozent,
meist weniger als 0,1 Volumenprozent.
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Als
Dotiergase können aktive Gase wie z. B. Sauerstoff, Kohlendioxid,
Stickstoffmonoxid, Lachgas (Distickstoffmonoxid) oder Stickstoff
vorteilhaft eingesetzt werden.
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Entsprechend
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann ferner der Volumenstrom
wenigstens eines Schweißgases, insbesondere des Plasmagases,
des Fokussiergases und/oder des Schutzgases zeitlich verändert
werden. Wird die Schmelze unter Anpassung an Randbedingungen, beispielsweise
durch eine pulsierende Veränderung eines Volumenstroms,
in Schwingung versetzt, erhöht sich in besonders vorteilhafter
Weise die Prozesstabilität beim Zusammenfließen
der Schmelze hinter dem Stichloch. Die Kinematik der Stichlochbildung
wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angepasst
an die momentan vorhandenen Bedingungen (adaptiv) verändert.
Wird ein Gasvolumenstrom pulsierend bereitgestellt, kann ein Pulsieren
des Plasmastrahls bewirkt werden. Hierdurch kann die maximal realisierbare
Schweißgeschwindigkeit erhöht werden, ohne die
Streckenenergie, d. h. den Energieeintrag in das Werkstück
bezogen auf die Länge der Schweißnaht signifikant
zu erhöhen. Hierdurch wird ein geringerer Verzug des zu
schweißenden Materials bewirkt.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die einfachsten Möglichkeiten
zur Veränderung eines Gasvolumenstroms darin bestehen,
entweder den Fluss zu verändern oder einen zweiten Gasstrom mit
gleicher Gaszusammensetzung zu- beziehungsweise wegzuschalten. Entsprechend
kann die Gaszusammensetzung durch eine Mischung unterschiedlicher
Gase, die in zueinander zeitlich veränderlichen Volumenströmen
bereitgestellt werden, verändert werden. Eine Veränderung
einer Gaszusammensetzung kann mit einer Volumenstromveränderung
einhergehen, wenn beispielsweise ein unterschiedliches Gas zugeschaltet
wird.
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Vorteilhafterweise
wird ferner der Schweißstrom zeitlich verändert.
Durch eine entsprechende Veränderung, insbesondere unter
Anpassung an die genannten Randbedingungen, kann eine zusätzlich verbesserte
Adaption an die Schweißaufgabe durch Beeinflussung des
Energieeintrags bewirkt werden.
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Hierbei
sieht eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der
Erfindung vor, dass mit pulsierendem Schweißstrom (Impulsstrom)
geschweißt wird, wobei jede Periode aus einer Impulsstromphase
(Hochstromphase) und einer Grundstromphase (Niedrigstromphase) zusammengesetzt
ist. Ein gepulst bereitgestellter Schweißstrom erhöht
zusätzlich zu den vorgenannten Maßnahmen die Prozesssicherheit.
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Entsprechend
einer vorteilhaften Weiterbildung erfolgt eine zeitliche Veränderung
der Gaszusammensetzung, eines Gasvolumenstroms wenigstens eines
Schweißgases und/oder des Schweißstroms in Abhängigkeit
von wenigstens einer weiteren zeitlichen Veränderung einer
Gaszusammensetzung, eines Volumenstroms und/oder eines Schweißstroms.
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Es
sei zu verstehen gegeben, dass eine Veränderung ”in
Abhängigkeit von wenigstens einer weiteren zeitlichen Veränderung” eine
phasengleiche, phasenversetzte, gleich- oder entgegengerichtete Veränderung
beinhalten kann, sofern dies zweckmäßig ist.
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Beim
Schweißen mit pulsierendem Schweißstrom (Impulsstrom)
kann etwa der Plasmagasvolumenstrom, der Fokussiergasvolumenstrom
und/oder der Schutzgasvolumenstrom synchron oder phasenverschoben
zum Impulsstromverlauf zeitlich verändert werden, wodurch
eine Adaption an die jeweils in das Material eingebrachte Energie
erfolgen kann. Zusätzlich zu der Zusammensetzungsänderung
kann auch eine entsprechende Volumenstromänderung erfolgen.
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Ferner
kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Fokussiergas synchron
zu wenigstens einem weiteren bereitgestellten Schweißgas,
insbesondere synchron zum Plasmagas (dessen Gasvolumenstrom seinerseits
durch die Randbedingungen beeinflusst ist), verändert wird.
Dies dient insbesondere dazu, Turbulenzen und etwaige ungünstige
Vermischungen zwischen Plasmagas und Fokussiergas zu verhindern.
Durch eine entsprechende Veränderung kann in besonders
vorteilhafter Weise die Energiedichte des Plasmastrahls variiert
werden, indem dessen Fokussierung adaptiv verändert wird.
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In
analoger Weise kann beispielsweise der Gasvolumenstrom des Schutzgases
in Abhängigkeit vom Gasvolumenstrom des Plasmagases und/oder des
Fokussiergases zeitlich verändert werden. Neben der genannten
Verhinderung von Turbulenzen kann durch eine Veränderung
des Volumenstroms des Schutzgases dieses angepasst an die übrigen Volumenströme
bereitgestellt werden.
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Die
Veränderung der Zusammensetzungen kann in einer vorteilhaften
Ausgestaltung synchron zur Veränderung des Gasvolumenstroms
stattfinden. In anderen Fällen kann es jedoch auch von
Vorteil sein, Gasvolumenstrom und Zusammensetzungen phasenverschoben
zueinander zu verändern. Möglich ist auch, Gasvolumenstrom
und Zusammensetzung mit unterschiedlichen Frequenzen zu pulsen.
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Vorteilhafterweise
erfolgt die zeitliche Veränderung der Gaszusammensetzung,
eines Volumenstroms wenigstens eines Schweißgases und/oder des
Schweißstroms periodisch mit einer Frequenz im Bereich
zwischen 1 und 200 Hz, insbesondere zwischen 12 und 200 Hz, insbesondere
zwischen 15 und 100 Hz, vorzugsweise zwischen 20 und 80 Hz. Die Vorteile
der Erfindung zeigen sich in ausgeprägter Weise bis hin
zu Frequenzen von 200 Hz, besonders ausgeprägt bis 100
Hz und insbesondere bis 80 Hz. Es hat sich insbesondere für
das Plasmagas gezeigt, dass bei Frequenzen, die über den
vorgenannten Untergrenzen liegen, sich das Plasma infolge seiner Trägheit
nahezu kontinuierlich kontrahiert. Die Kontraktion führt
zu einer Erhöhung der Energiedichte und daraus resultierend
zu einer Erhöhung des verschweißbaren Blechdicken
oder zu einer Erhöhung der maximalen Schweißgeschwindigkeit,
ohne die Streckenenergie signifikant zu erhöhen.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Pulsen
mit den vorgenannten (niedrigen) Frequenzen mit einem weiteren,
hochfrequenten Puls mit einer Frequenz bis zu 10000 Hz, vorzugsweise
bis zu 8000 Hz, überlagert. Hierbei kann es sich entweder
um ein reines Volumenpulsen handeln, jedoch kann auch ein entsprechendes
Pulsen der Zusammensetzung oder ein kombiniertes Pulsen von Volumen
und Zusammensetzung vorgesehen sein. Vorteilhafterweise findet jedoch
neben dem niederfrequenten Pulsen des Gasvolumenstroms nur ein hochfrequentes Pulsen
des Gasvolumenstroms statt. Betroffen von dem zusätzlichen
Hochfrequenz-Pulsen können Plasmagas und/oder Fokussiergas
und/oder Schutzgas sein. Dieses zusätzliche Hochfrequenz-Pulsen
kann während der gesamten Periode des (niederfrequenten)
Pulsens oder nur während einer gewissen Zeitspanne innerhalb
der Periode erfolgen. Die Frequenzen für das Hochfrequenz-Pulsen
des Gasvolumenstroms und/oder der Gaszusammensetzung liegen im Bereich
von 100 bis 10000 Hz, vorzugsweise im Bereich von 250 bis 8000 Hz
und besonders bevorzugt im Bereich von 500 bis 5000 Hz. Zum Beispiel
kann mit besonderem Vorteil einem niederfrequenten Gasvolumenstrom
des Plasma- und/oder des Fokussiergases in der Hochphase und/oder
in der Niedrigphase ein hochfrequentes Pulsieren des Plasma- und/oder
des Fokussiergases überlagert werden. Eine entsprechende Überlagerung
kann vorteilhafterweise auch angepasst an sich verändernde
Schweiß-Randbedingungen erfolgen.
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Zweckmäßigerweise
wird die zeitliche Veränderung des Gasvolumenstroms, einer
Zusammensetzung wenigstens eines Schweißgases und/oder des
Schweißstroms zumindest zum Teil durch ein Rechteckprofil
dargestellt. Mit besonderem Vorteil verläuft die zeitliche
Veränderung nach einem modifizierten Rechteckprofil, das
abgeschrägte Schultern aufweist. Eine andere vorteilhafte
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die zeitliche Veränderung des
Volumenstroms und/oder der Zusammensetzung zumindest zum Teil durch
ein Dreieckprofil oder ein sinusförmiges Profil dargestellt
wird.
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Durch
geeignete Wahl der Kombinationsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen
Ausgestaltungen kann der Schweißprozess mit besonderem
Vorteil aufgabenspezifisch optimiert werden.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Plasma-Stichlochschweißen,
die eine Elektrode, Mittel zur Versorgung der Elektrode mit Schweißstrom, wenigstens
eine Düse und Gasbereitstellungsmittel zum Bereitstellen
wenigstens eines Schweißgases mit einer Gaszusammensetzung
aufweist, wobei mittels der Elektrode und des wenigstens einen Schweißgases
ein Plasmastrahl erzeugbar ist, und wobei wenigstens eine Gaszusammensetzung
zeitlich veränderbar ist, weist Mittel zum Verändern
einer Gaszusammensetzung wenigstens eines Schweißgases
während eines Schweißvorgangs in Abhängigkeit
von mindestens einer Randbedingung des Schweißvorgangs
auf.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist für eine
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
in besonderer Weise geeignet. Bei den Mitteln zum Verändern
der Gaszusammensetzung kann es sich dabei insbesondere um Magnetventile
oder piezoelektrische Ventile oder entsprechende, gepulst arbeitende
Pumpen handeln.
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Vorteilhafterweise
weist eine entsprechende Vorrichtung ferner Mittel zum Bestimmen
von Randbedingungen und/oder Randbedingungsänderungen des
Schweißvorgangs und/oder Mittel zum Regeln mindestens einer
Gaszusammensetzung auf Grundlage solcher Randbedingungen und/oder
Randbedingungsänderungen auf. Als Mittel zum Bestimmen von
Randbedingungen können in der Vorrichtung bereits vorhandene
Einrichtungen, beispielsweise solche zur optischen, pneumatischen
und/oder elektrischen Beurteilung des Plasmastrahls, dienen. Insbesondere
die Mittel zum Regeln können dabei Teil einer übergeordneten
Regeleinrichtung oder einer entsprechenden Recheneinheit sein.
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Bezüglich
weiterer Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sei auf die Erläuterungen bzgl. des erfindungsgemäßen
Verfahrens ausdrücklich hingewiesen.
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Die
Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im
Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Im Einzelnen zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Plasma-Stichlochschweißen
gemäß Stand der Technik, und
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2 Beispiele
für eine zeitliche Veränderung von Gasvolumenströmen
in Abhängigkeit von Randbedingungen gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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In 1 ist
eine Vorrichtung für das Plasma-Stichlochschweißen
gemäß Stand der Technik dargestellt und insgesamt
mit 100 bezeichnet. Die Vorrichtung verfügt über einen
Schweißbrenner 1, der auf ein Werkstück 8 ausgerichtet
ist. Der Schweißbrenner 1 weist eine Elektrode 2,
vorzugsweise eine nichtabbrennende bzw. nichtabschmelzende Wolframelektrode 2 auf,
die mit dem Minuspol einer Schweißstromquelle 12 über
Leitung 13 verbunden ist. Die Elektrode 2 ist
von einer ersten Düse 3 umgeben, in deren Lumen 5 ein
Plasmagas mit einem Volumenstrom und einer Zusammensetzung bereitgestellt
wird. Brenner 1 weist eine weitere Düse 4 auf,
die die erste Düse und die Elektrode konzentrisch umgibt,
und in deren Lumen 6 ein weiteres Schweißgas,
beispielsweise ein Fokussiergas und/oder ein Schutzgas mit einem
weiteren Volumenstrom und einer weiteren Zusammensetzung bereitgestellt
werden kann. Weitere Düsen, in denen weitere Schweißgase
bereitgestellt werden können, können vorgesehen
sein, sind jedoch der Einfachheit halber nicht dargestellt. Unter
dem Einfluss der Spannung auf die Elektrode 2 in Anwesenheit
des Plasmagases 5 bildet sich ein Plasmastrahl 7 aus.
In der Figur ist dargestellt, wie der Plasmastrahl 7 das
Werkstück 8 durch ein Stichloch 9 von
einer Eintrittsseite 8' in Richtung einer Austrittsseite 8'' durchdringt.
Auf der Austrittsseite 8'' des Plasmastrahls 7 ist
ein nicht näher erläuterter elektrischer Leiter 10 vorgesehen, der
als Teil einer Formiergasschiene ausgebildet sein kann. In dem elektrischen
Leiter 10 und/oder in der entsprechenden Formiergasschiene
sind Kanäle 11, 11' ausgebildet, bei
denen es sich um Kanäle zur Wasserkühlung und/oder
um Kanäle handeln kann, mittels derer ein Schutzgas oder
ein entsprechendes weiteres Schweißgas bereitgestellt werden
kann. Der elektrische Leiter 10 ist über Leitungen 14 und 16, das
Werkstück 8 über Leitungen 14 und 15 mit
dem positiven Pol der Schweißstromquelle 12 verbunden. Ferner
ist in der 1 eine Mess- bzw. Auswerteeinheit 19,
hier als Computer symbolisiert, dargestellt, die bzw. der über
Messleitungen 17 und 18 eine Stromdifferenz zwischen
dem Werkstück 8 und dem Leiter 10 misst,
d. h. einen Stromfluss ΔI detektiert. Der Stromfluss ΔI
wird als Durchdringungsstrom bezeichnet, der abhängig von
veränderlichen Prozessgrößen variabel
ist. Der Durchdringungsstrom kann besonders bevorzugt als Indikator
für veränderliche Randbedingungen des Schweißvorgangs
verwendet werden.
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In
den Teilfiguren 2A bis 2D der 2 ist auf
der Abszisse jeweils die Zeit (T) und auf der Ordinate die Größe
eines Gasvolumenstroms (V), beispielsweise in Litern pro Sekunde
aufgetragen. In allen Teilfiguren sind zeitliche Verläufe
von Gaszusammensetzungen 22 von Schweißgasen entsprechend
besonders bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.
Die Gaszusammensetzungen 22 weisen jeweils drei Gaskomponenten A,
B und C auf, die zusammen ein Mischgas ergeben. Es versteht sich,
dass neben drei Gaskomponenten auch jede beliebige andere Anzahl
vorgesehen sein kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen,
und dass als Gaskomponenten neben Reingasen auch ihrerseits Gasmischungen
zum Einsatz kommen können. Wenigstens eine der Komponenten
A, B und C kann auch aus mehreren Gasströmen zusammengesetzt
sein, wobei durch Zu- bzw. Wegschalten eines entsprechenden Gasstroms
der Gesamtvolumenstrom der Komponente veränderbar ist.
Die angegebenen Kurven sind hierbei nicht als maßstabsgerecht
anzusehen. Ebenfalls in allen Teilfiguren erfolgt zu bestimmten
Zeitpunkten T1 und T2 eine Veränderung von Randbedingungen
E1 und E2, die in geeigneter Weise dem System bekanntgegeben wird.
Es sei jedoch zu verstehen gegeben, dass neben einer entsprechenden
Randbedingungsänderung E1 bzw. E2 zu den Zeitpunkten T1
bzw. T2 auch die Bereitstellung entsprechender anderer Signale erfolgen
kann, die in vergleichbarer Weise zu einer Veränderung
der Gaszusammensetzung führen. Beispielsweise kann zu einer
ersten Zeit T1 eine Randbedingung E1 auf ein erstes Gas, beispielsweise
das Plasmagas einwirken, woraufhin dann eine entsprechende Veränderung
eines zweiten Gases eingeleitet wird, die von der ersten Veränderung
abgeleitet ist. Ferner versteht sich, dass zu den Zeitpunkten T1 bzw.
T2 auch beispielsweise Befehle eines entsprechenden zeitlich ablaufenden
Schweißprogramms verarbeitet werden können.
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2A zeigt den zeitlichen Verlauf einer nichtgepulst
(kontinuierlich) bereitgestellten Gaszusammensetzung 22.
Die Gaszusammensetzung weist von Zeitpunkt T0 an (beispielsweise
ab dem Beginn des Schweißprozesses) eine erste Gaszusammensetzung
auf, wobei Gaskomponente A die höchste Konzentration, den
höchsten Volumenstrom oder den höchsten Partialdruck
aufweist (im folgenden als Beitrag bezeichnet). Wird zu einem ersten Zeitpunkt
T1 eine erste Randbedingungsänderung E1 detektiert, oder
erhält das System ein anderes entsprechendes Signal, das
beispielsweise eine Verschmälerung des Schweißspaltes
oder eine Abnahme des Durchdringungsstroms kennzeichnet, kann bewirkt
werden, dass der Beitrag dieses Gases A abgesenkt wird. Der Beitrag
des Gases B wird hingegen erhöht. Beispielsweise kann durch
eine entsprechende Absenkung eines schwerer ionisierbaren Gases gegenüber
einem leichter ionisierbaren Gases im Plasmagas eine höhere
Energiedichte des Plasmastrahls bewirkt werden, wohingegen eine
Veränderung in umgekehrter Richtung eine entsprechende Verringerung
bewirkt.
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Die
dritte Komponente C, beispielsweise ein Dotiergas, bleibt auf gleichem
Niveau. Erfolgt zu einem zweiten Zeitpunkt T2 eine weitere Änderung
E2, kehrt das System in den Ausgangszustand zurück, wobei
der Beitrag von Komponente A erneut angehoben und der von Komponente
B verringert wird. Der Gesamtvolumenstrom der Gasmischung, und damit der
auf die Schmelze durch das Schweißgas ausgeübte
Staudruck ändert sich in 2A nicht.
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In 2B ist gezeigt, wie die Beiträge
zweier Gaskomponenten A und B sich jeweils mit einem sinusförmigen
Verlauf ändern. Die Phasen der Kurven sind um 180° versetzt,
wodurch eine pulsierende Zusammensetzungsänderung bewirkt
wird. Analog zur vorigen Figur wird zu Zeitpunkt T1 eine Randbedingungsänderung
E1 erkannt. Aufgrunddessen wird nun eine dritte Gaskomponente C,
die zuvor nicht Teil der Gasmischung war, zugeschaltet. Wie oben
kehrt das System zu Zeitpunkt T2 in den Ausgangszustand zurück.
Im Rahmen der 2B erhöht sich
zwischen Zeitpunkt T1 und T2 der Gesamtvolumenstrom um den Beitrag
des Gases C. Hierdurch kann beispielsweise ein erhöhter
Staudruck bewirkt werden.
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In 2C wird eine Gaskomponente A fortwährend
mit einem sinusförmigen Verlauf gepulst. Eine Gaskomponente
C bleibt konstant. Zwischen T1 und T2 wird der Beitrag eines Gases
B erhöht, gleichzeitig wird ein Grunddruck der Komponente
A abgesenkt (beispielsweise durch Wegschalten einer kontinuierlichen
Gasquelle). Die Differenz zwischen Maximal- und Minimalvolumenstrom
des Gases A ändert sich hingegen nicht. Damit wird der
Gesamtstaudruck der Zusammensetzung 22 (bis auf das kontinuierliche
Pulsen) nicht verändert.
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In ähnlicher
Weise zeigt 2D zwischen den Zeitpunkten
T1 und T2 eine Absenkung einer gepulsten Komponente A und eine Anhebung
einer gepulsten Komponente B, um den Gesamtstaudruck nicht wesentlich
zu verändern.
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Es
sei zu verstehen gegeben, dass, wenngleich in der 2 jeweils
nicht überlagerte Frequenzen dargestellt sind, eine Überlagerung
der entsprechenden Kurven, insbesondere mit Hochfrequenzpulsen,
in jeder beliebigen Weise erfolgen kann, ohne von der Erfindung
abzuweichen. Gleichfalls kann vorgesehen sein, die Wellenformen
mit beliebigen weiteren Funktionen zu überlagern. Die Formen für
die jeweiligen Verläufe von Plasma-, Fokussier- und Schutzgasvolumenstrom
sind in den Teilfiguren der 2 nur schematisch
angegeben und als Beispiel zu betrachten. Sie können den
aufgabenspezifischen Anforderungen von konkreten Schweißaufgaben
Rechnung tragende Anstiegsgeschwindigkeiten, Abfallgeschwindigkeiten,
Zwischenimpulse und Schultern (z. B. bei Übergängen)
aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 257766
A2 [0010]
- - EP 689896 A1 [0011]
- - JP 08039259 A [0012]
- - US 3484575 A [0013]
- - DE 102007017223 A1 [0014]
- - DE 102007017224 A1 [0014]
