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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren eines Schmelzschweißverfahrens zur Herstellung einer Schweißnaht sowie eine Schmelzschweißanlage.
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Bekannt ist es, dass ein Versuchsingenieur verschiedene Prozessparameter testet und im Anschluss nach metallografischer Analyse und Bewertung von mechanischen Kenngröße durch Vergleich diejenigen Parameter für einen Schweißprozess bestimmt, welche optimal geeignet sind. Problematisch daran ist, dass ein subjektiver Eindruck von einer Person Einfluss auf die Optimumsfindung hat. Demgemäß sind bei einer solchen Vorgehensweise auch menschliche Fehler nicht auszuschließen. Darüber hinaus ist es aufgrund des meist vorhandenen Kostendrucks regelmäßig zeitbedingt nicht möglich, dass ein Entwicklungsingenieur eine Optimierung der Prozessparameter umfassend ausführen kann.
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Der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2013 015 656 A1 ist ein Verfahren zum Messen einer Eindringtiefe eines Laserstrahls in ein Werkstück zu entnehmen, wobei der Laserstrahl mithilfe einer in einem Bearbeitungskopf angeordneten Fokussierungsoptik in einem Brennfleck fokussiert wird. Der Brennfleck erzeugt dabei in dem Werkstück eine Dampfkapillare. Ein optischer Kohärenztomograf erzeugt einen ersten Messstrahl und einen zweiten Messstrahl. Der erste Messstrahl wird auf einen ersten Messpunkt am Grund der Dampfkapillare gerichtet, um dadurch einen ersten Abstand zwischen einem Referenzpunkt und dem ersten Messpunkt zu messen. Gleichzeitig wird der zweite Messstrahl auf einen zweiten Messpunkt auf einer zum Bearbeitungskopf zuweisenden Oberfläche des Werkstücks außerhalb der Dampfkapillare gerichtet, um dadurch einen zweiten Abstand zwischen dem Referenzpunkt und dem zweiten Punkt zu messen. Die Eindringtiefe des Laserstrahls ergibt sich dann als Differenz zwischen dem zweiten Abstand und dem ersten Abstand. Nachteilig hieran ist jedoch, dass hierdurch keine automatisierte Optimierung von Prozessparametern möglich ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Optimieren eines Schmelzschweißverfahrens zur Herstellung einer Schweißnaht sowie eine Schmelzschweißanlage zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten bevorzugten Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Optimieren eines Schmelzschweißverfahrens zur Herstellung einer Schweißnaht geschaffen wird, unter Verwendung einer Schmelzschweißanlage, aufweisend einen Bearbeitungslaser sowie ein berührungsloses Messsystem, wobei folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:
- a) Vorgabe mindestens eines Verfahrensparameters,
- b) Erstellen einer Versuchsmatrix, wobei durch Variation des mindestens einen Versuchsparameters mit einer vorgebbaren Schrittweite mindestens zwei Versuche gebildet werden, wobei Prozessgrenzen der verwendeten Schmelzschweißanlage in Bezug auf die Verfahrensparameter berücksichtigt werden,
- c) Start des Optimierungsverfahrens, wobei mit der Schmelzschweißanlage ein erstes Teilstück von mindestens zwei Teilstücken einer Schweißnaht unter Verwendung der Vorgaben aus dem ersten Versuch der mindestens zwei Versuche der Versuchsmatrix hergestellt wird,
- d) Bestimmen einer Qualität, insbesondere Schweißqualität, des ersten Teilstücks der Schweißnaht mittels des berührungslosen Messsystems,
- e) Herstellen eines nächsten Teilstücks der mindestens zwei Teilstücke der Schweißnaht unter Verwendung der Vorgaben eines nächsten Versuchs der mindestens zwei Versuche der Versuchsmatrix,
- f) Bestimmen einer Qualität, insbesondere Schweißqualität, des nächsten Teilstücks der Schweißnaht mittels des berührungslosen Messsystems,
- g) Wiederholen der Verfahrensschritte e) bis f) bis entweder die erhaltene Schweißnaht, insbesondere eines der Teilstücke der hergestellten Schweißnaht, eine Qualität aufweist, welche vorgebbare Qualitätsstandards erfüllt, oder wenn alle Versuche der mindestens zwei Versuche der Versuchsmatrix angewendet wurden,
- h) Bestimmen eines Optimums für jeden der vorgegebenen Versuchsparameter des mindestens einen Versuchsparameters gemäß Verfahrensschritt a), mittels Vergleich der jeweils bestimmten Qualität der unter Verwendung der Vorgaben der mindestens zwei Versuche der Versuchsmatrix hergestellten Teilstücke der Schweißnaht,
- i) Erhalt des Optimums für den in Verfahrensschritt a) vorgegebenen mindestens einen Verfahrensparameter.
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Mit dem Verfahrensschritt i) ist insbesondere angesprochen, dass für jeden in Verfahrensschritt a) vorgegebenen einen Verfahrensparameter ein Optimum in Verfahrensschritt h) bestimmt und in Verfahrensschritt i) das Optimum für jeden der in Verfahrensschritt a) vorgegebenen mindestens einen Verfahrensparameter erhalten wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise ein Schmelzschweißverfahren in Bezug auf die angewendeten Verfahrensparameter dahingehend optimiert werden kann, dass eine vorgebbare Qualitätsstandards erfüllende Schweißnaht erhalten werden kann. Hierbei werden einerseits entsprechende Prozessgrenzen der verwendeten Schmelzschweißanlage berücksichtigt und durch Anwendung einer ersten vorgebbaren Schrittweite ein für die Optimierung notwendiger Zeitbedarf auf ein möglichst geringes Niveau beschränkt. Ferner ergibt sich durch die Zeiteffizienz insbesondere der Vorteil, dass auf einfache Art und Weise umfassende Prozessparameterstudien durchgeführt werden können. Insbesondere durch die automatisierte und standardisierte Durchführung wird ein hoher Komfort wie auch eine gleichbleibend hohe Qualität der Optimierung/Studien erzielt. Darüber hinaus wird durch das berührungslose Messsystem nach objektiven Kriterien das Schmelzschweißverfahren bewertet. Insofern erfolgt die Auffindung des Optimums für die Verfahrensparameter ohne Einfluss von subjektiven Eindrücken von beispielsweise verschiedenen Personen und auch menschliche Fehler werden hierdurch möglichst ausgeschlossen beziehungsweise reduziert. Darüber hinaus kann insbesondere der Arbeitsschutz signifikant erhöht werden, da keine Person im Bereich der Schmelzschweißanlage zugegen sein muss, um die Optimierung zu steuern und/oder zu beobachten. Insofern wird auch ein Schulungsbedarf für Mitarbeiter, welche üblicherweise die Optimierung eines Schmelzschweißverfahrens durchführen, deutlich reduziert oder kann vollständig entfallen, da durch das Verfahren zum Optimieren eines Schmelzschweißverfahrens zur Herstellung einer Schweißnaht die Schulung von Mitarbeitern nicht mehr notwendig ist. Insgesamt ergibt sich hierdurch eine Zeit- und insbesondere Kostenersparnis, wobei das Verfahren flexibel auf verschiedene Werkstoffe und Schweißverfahren anwendbar ist. Durch das Verfahren zum Optimieren eines Schmelzschweißverfahrens zur Herstellung einer Schweißnaht wird insbesondere erreicht, dass eine automatisierte Verfahrensparameteroptimierung (beispielsweise in Bezug auf die Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit, aber auch Fokussierung beziehungsweise Defokussierung - basierend auf vorher vorgebbaren und zu erfüllenden Qualitätsstandards - ausgeführt werden kann. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass in den Verfahrensschritten d) und f) die Qualität der Schweißnaht insbesondere durch Erfassen einer Einschweißtiefe, einer Schmelzbadgeometrie und/oder einer erstarrten Oberraupe bestimmt wird. Die Bestimmung der Qualität erfolgt vorzugsweise automatisch.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass es sich bei der Schweißnaht um eine Testschweißnaht handelt.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass das Schmelzschweißverfahren ein MIG-Schweißverfahren (Metall-Inertgas-Schweißen) oder ein MAG-Schweißverfahren (Metall-Aktivgas-Schweißen) ist.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass mit dem Verfahren Schweißnähte in Bezug auf verschiedene Materialstärken und/oder verschiedene Werkstoffe und/oder verschiedene Nähte, wie beispielsweise Kehlnaht und/oder Überlappnaht und/oder Sumpfnaht, optimiert werden können.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Versuchsparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Nahtparameter und Prozessparameter, wobei vorzugsweise der Nahtparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Einschweißtiefe, Nahtbreite, Anbindebreite, Nahtoberraupe und Schmelzbadform, und wobei der Prozessparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Dampfkapillarverhalten, Temperatur, insbesondere Schmelzbadtemperatur, Auswürfe, Spritzer, Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit und Fokuslage, insbesondere Ort und Größe. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass in Bezug auf eine umfangreiche Auswahl an verschiedenen Verfahrensparameter ein Optimum ermittelt werden kann. Eine gezielte Auswahl von Verfahrensparametern macht es darüber hinaus möglich, besonders zeiteffizient - durch eine Auswahl von nur wenigen Verfahrensparametern - ein Optimum zu bestimmen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das gemäß Verfahrensschritt i) erhaltene Optimum für den im Verfahrensschritt a) vorgegebenen mindestens einen Verfahrensparameter ausgegeben, insbesondere übermittelt, vorzugsweise akustisch und/oder grafisch, wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise ein Optimum an eine entsprechende Person, wie insbesondere einen Versuchsingenieur, übermittelt werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einem Nichtauffinden eines Optimums für den in Verfahrensschritt a) vorgegebenen mindestens einen Verfahrensparameter ausgegeben wird, das ein die vorgebbaren Qualitätsstandards erfüllende Schweißnaht mit den vorgegebenen Verfahrensparametern nicht ermittelt werden kann. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise und insbesondere zeiteffizient nach einer gescheiterten Optimierung eine neue Optimierung mit anderen Verfahrensparametern ausgelöst werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das berührungslose Messsystem ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Thermografiekamera, Wärmebildkamera, Highspeedkamera, Abstandsmesssensorik, insbesondere optischer Kohärenztomograf (OCT), Detektor für Prozessleuchten und Tonaufnahmegerät. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass auf ein zu untersuchendes Schmelzschweißverfahren abgestimmtes berührungsloses Messsystem auf einfache Art und Weise ausgewählt werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einem weiteren Verfahrensschritt eine Endabsicherung des bestimmten Optimums für den in Verfahrensschritt a) vorgegebenen mindestens einen Verfahrensparameter mittels herkömmlicher Methoden, wie beispielsweise Metallografie und/oder Zugversuche, durchgeführt wird. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass bei Überlappungsverbindungen eine Einschweißtiefe und eine Anbindungsbreite in einer Fügeebene mittels matallografischer Analysen bestimmt wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise eine verlässliche Endabsicherung erzielt werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass vor Verfahrensschritt c) in einem Verfahrensschritt b1) ein Bearbeitungsraum, insbesondere eine geometrische Lage und/oder geometrische Länge, für die mittels des zu optimierenden Schmelzschweißverfahrens herstellbare Schweißnaht vorgegeben wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass durch Auswahl einer bestimmten geometrischen Lage die Verfahrensparameter in Abhängigkeit beispielsweise dort vorhandenen besonderen Zusammensetzung eines Materials untersucht werden kann, welches verschweißt werden soll. Insofern lassen sich auch problematische Materialkombinationen auf einfache Art und Weise optimieren.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass unter Verwendung des gefundenen Optimums für den mindestens einen Verfahrensparameter die Verfahrensschritt b) bis i) wiederholt werden, wobei in Verfahrensschritt b) eine nächste Versuchsmatrix mit mindestens zwei Versuchen erstellt wird, wobei die für die nächste Versuchsmatrix angewendete Schrittweite kleiner ist als die Schrittweite, welche für die vorherige Versuchsmatrix angewendet wurde. Hierdurch ist es insbesondere möglich, dass auf einfache und insbesondere effiziente Art, das tatsächliche globale Optimum gefunden werden kann und nicht nur lediglich ein lokales Optimum gefunden wird.
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Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem eine Schmelzschweißanlage geschaffen wird, aufweisend einen Bearbeitungslaser, ein berührungsloses Messsystem sowie ein Steuergerät, wobei der Bearbeitungslaser, das berührungslose Messsystem sowie das Steuergerät wirkverbunden sind, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß der Erfindung oder ein Verfahren gemäß einem der zuvor genannten Ausführungsformen auszuführen. In Zusammenhang mit der Schmelzschweißanlage verwirklichen sich insbesondere die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schmelzschweißanlage als MIG-Schmelzschweißanlage (Metall-Inertgas-Schweißen) oder als MAG-Schmelzschweißanlage (Metall-Aktivgas-Schweißen) ausgebildet ist. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass auch verschiedene Schmelzschweißverfahren optimiert werden können.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ablaufplans des Verfahrens zum Optimieren eines Schmelzschweißverfahrens zur Herstellung einer Schweißnaht,
- 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Schmelzschweißanlage.
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Der 1 ist ein schematischer Ablaufplan eines Verfahrens zum Optimieren eines Schmelzschweißverfahrens zur Herstellung einer Schweißnaht zu entnehmen, unter Verwendung einer Schmelzschweißanlage 1, aufweisend einen Bearbeitungslaser 3 sowie ein berührungsloses Messsystem 5, wobei folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:
- a) Vorgabe mindestens eines Verfahrensparameters,
- b) Erstellen einer Versuchsmatrix, wobei durch Variation des mindestens einen Verfahrensparameters mit einer vorgebbaren Schrittweite mindestens zwei Versuche gebildet werden, wobei Prozessgrenzen der verwendeten Schmelzschweißanlage 1 in Bezug auf die Verfahrensparameter berücksichtigt werden,
- c) Start des Optimierungsverfahrens, wobei mit der Schmelzschweißanlage 1 ein erstes Teilstück von mindestens zwei Teilstücken einer Schweißnaht 7 unter Verwendung der Vorgaben aus dem ersten Versuch der mindestens zwei Versuche der Versuchsmatrix hergestellt wird,
- d) Bestimmen einer Qualität, insbesondere Schweißqualität, des ersten Teilstücks der Schweißnaht 7 mittels des berührungslosen Messsystems 5,
- e) Herstellen eines nächsten Teilstücks der mindestens zwei Teilstücke der Schweißnaht 7 unter Verwendung der Vorgaben eines nächsten Versuchs der mindestens zwei Versuche der Versuchsmatrix,
- f) Bestimmen einer Qualität, insbesondere Schweißqualität, des nächsten Teilstücks der Schweißnaht 7 mittels des berührungslosen Messsystems 5,
- g) Wiederholen der Verfahrensschritte e) bis f), bis entweder die erhaltene Schweißnaht 7, insbesondere eines der Teilstücke der hergestellten Schweißnaht 7, eine Qualität aufweist, welche vorgebbare Qualitätsstandards erfüllt, oder wenn alle Versuche der mindestens zwei Versuche der Versuchsmatrix angewendet wurden,
- h) Bestimmen eines Optimums für jeden der vorgebbaren Versuchsparameter des mindestens einen Versuchsparameters gemäß Verfahrensschritt a) mittels Vergleich der jeweils bestimmten Qualität der unter Verwendung der Vorgaben der mindestens zwei Versuche der Versuchsmatrix hergestellten Teilstücke der Schweißnaht 7,
- i) Erhalt des Optimums für den in Verfahrensschritt a) vorgegebenen mindestens einen Verfahrensparameter.
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Mittels beispielsweise eines Abstandsmessverfahrens ist es möglich, während eines Laserschweißprozesses eine Oberfläche abzutasten und zu vermessen, sodass entsprechende Echtzeitoberflächentopografieaufnahmen erstellt werden können. Mittels solchen Informationen kann insbesondere in einem Laserschweißprozess, beispielsweise eine Einschweißtiefe, Länge und Breite einer Dampfkapillare und eine Form und Fluktuation eines Schmelzbades bestimmt werden.
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Sobald insbesondere systemtechnisch eine Regelung der Schmelzschweißanlage 1 in Bezug auf eine Laserleistung und/oder Schweißgeschwindigkeit durch die durch das berührungslose Messsystem 5 erhaltenen Messdaten ermöglicht wird, ist auch eine kontinuierliche Parameteranpassung während eines Schweißprozesses der Schweißnaht 7 denkbar, bis die vorgebbaren Qualitätsstandards erreicht werden.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der mindestens eine Versuchsparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Nahtparameter und Prozessparameter, wobei vorzugsweise der Nahtparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Einschweißtiefe, Anbindebreite, Nahtbreite, Nahtoberraupe und Schmelzbadform, und wobei der Prozessparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Dampfkapillarverhalten, Temperatur, insbesondere Schmelzbadtemperatur, Auswürfe, Spritzer, Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit und Fokuslagen.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass das gemäß Verfahrensschritt i) erhaltene Optimum für den in Verfahrensschritt a) vorgegebenen mindestens ein Verfahrensparameter ausgegeben wird.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass bei einem Nichtauffinden eines Optimums für den in Verfahrensschritt a) vorgegebenen mindestens ein Verfahrensparameter ausgegeben wird, das an die vorgebbaren Qualitätsstandards erfüllende Schweißnaht 7 mit den vorgegebenen Verfahrensparametern nicht ermittelt werden kann.
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Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass das berührungslose Messsystem ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Thermografiekamera, Highspeedkamera, Wärmebildkamera, Abstandsmesssensorik, insbesondere Kohärenztomograf (OCT), Detektor für Prozessleuchten und Tonaufnahmegerät.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass in einem weiteren Verfahrensschritt eine Endabsicherung des bestimmten Optimums für den in Verfahrensschritt a) vorgegebenen mindestens einen Verfahrensparameter mittels herkömmlicher Methoden, wie beispielsweise Metallografie und/oder Zugversuche, durchgeführt wird.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass vor Verfahrensschritt c) in einem Verfahrensschritt b1) ein Bearbeitungsraum, insbesondere eine geometrische Lage oder geometrische Länge mittels des zu optimierenden Schmelzschweißverfahrens herstellbare Schweißnaht 7 vorgegeben wird.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass unter Verwendung des gefundenen Optimums für den mindestens einen Verfahrensparameter die Verfahrensschritte b) bis i) wiederholt werden, wobei in Verfahrensschritt b) eine nächste Versuchsmatrix mit mindestens zwei Versuchen erstellt wird, wobei die für die nächste Versuchsmatrix angewendete Schrittweite kleiner ist als die Schrittweite, welche für die vorherige Versuchsmatrix angewendet wurde.
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Ferner ist der 2 eine Schmelzschweißanlage 1 zu entnehmen, aufweisend einen Bearbeitungslaser 3, ein berührungsloses Messsystem 5 sowie ein Steuergerät 9, wobei der Bearbeitungslaser 3, das berührungslose Messsystem 5 sowie das Steuergerät 9 wirkverbunden sind, wobei das Steuergerät 9 dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Schmelzschweißanlage 1 aus MIG-Schmelzschweißanlage oder als MAG-Schmelzschweißanlage ausgebildet ist.
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Darüber hinaus ist der 2 in Bezug auf Bezugszeichen 11 zu entnehmen, dass mittels des berührungslosen Messsystems 5 eine Höheninformation zur Detektion von Auswürfen und/oder Spritzern oder mit Bezugszeichen 13 eine Tiefeninformation zur Detektion der sicheren Anbindung des unteren Fügepartners - bei beispielsweise einer in 2 dargestellten Überlappverbindung - bestimmt werden kann.
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In 2 ist insbesondere mit dem Bezugszeichen 15 ein Laserstrahl des Bearbeitungslasers 3 bezeichnet.
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Mit Bezugszeichen 17 ist ein unerwünschter Auswurf und/oder Spritzer in 2 gezeigt.
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Mit Bezugszeichen 19 ist eine bereits erstarrte Schweißenaht und mit Bezugszeichen 21 die entsprechend flüssige Schmelze der Schweißnaht bezeichnet.
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In 2 ist mit 23 eine Schweißrichtung bezeichnet.
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Der 2 ist - wie bereits erwähnt - eine Überlappnaht zu entnehmen, wobei mit Bezugszeichen 25 die obere (geodätisch) und mit Bezugszeichen 27 die untere (geodätisch) der beiden Fügepartner bezeichnet sind.
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Mit Bezugszeichen 29 ist in 2 eine Einschweißtiefe bezeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013015656 A1 [0003]
