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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von
insbesondere durch Laserschweißen
gebildeten Schweißnähten zwischen
zwei Schweißteilen,
wobei in die Schweißteile über einen geeigneten
Magnetfelderzeuger ein Magnetfeld eingeleitet wird, derart, dass
das Magnetfeld zumindest teilweise im Bereich eines Schweißnahtabschnitts verläuft und
durch diesen beeinflusst wird, und wobei das durch die Schweißnaht beeinflusste
Magnetfeld anschließend
mittels eines Magnetfeldsensors gemessen wird. Des Weiteren betrifft
die Erfindung noch eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
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Im
Stand der Technik sind verschiedenste Verfahren und Vorrichtungen
bekannt, um die Qualität
und die verschiedenen Parameter von Schweißnähten zu prüfen bzw. zu erfassen. Insbesondere beim
Laserstrahl-Schweißen
entstehen Nähte
mit kleinen Querschnitten bei Vorschubgeschwindigkeiten von über 1 m/min.
Zur Analyse/Prüfung
des Schweißergebnisses
während
der Bearbeitung sind Methoden bekannt, die sich auf Sekundäreffekte
stützen
wie etwa eine Schallanalyse, die Analyse von Leuchterscheinungen,
die Analyse von reflektierter Laserstrahlung und weitere Verfahren.
Bei keinem dieser Verfahren kann direkt der Querschnitt der Schweißzone während des
Schweißens
erfasst werden. Daher sind nach dem Schweißen zusätzliche Prüfungen nötig.
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Unter
anderem aus Heptner, Stroppe "Magnetische
und magnetinduktive Werkstoffprüfung", 1973, S. 6573,
ist bekannt, Schweißnähte mittels
magnetischer Prüfverfahren
zu untersuchen. Ähnliches ist
auch aus der
DE 196
38 776 A1 bekannt. Die Prüfverfahren werden dabei allerdings
zeitlich und räumlich
getrennt von dem Schweißvorgang
durchgeführt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, dem Stand der Technik ein weiteres
Prüfverfahren
für Schweißnähte hinzuzufügen, das
insbesondere den Querschnitt der Schweißzone direkt erfassen kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren gemäß Anspruch
1.
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Die
Erfindung bezieht sich also auf ein Verfahren zum Prüfen von
insbesondere durch Laserschweißen
gebildeten Schweißnähten zwischen
zwei Schweißteilen,
wobei über
einen geeigneten Magnetfelderzeuger in die Schweißteile ein
Magnetfeld eingeleitet wird, derart, dass das Magnetfeld zumindest teilweise
im Bereich eines Schweißnahtabschnitts verläuft und
durch diesen beeinflusst wird, wobei das durch die Schweißnaht beeinflusste
Magnetfeld anschließend
mittels eines Magnetfeldsensors gemessen wird. Dabei wird das Magnetfeld
derart angelegt, dass es sich unmittelbar nach der Schweißnahtbildung
zumindest teilweise durch die noch nicht vollständig erkaltete Schweißzone der
Schweißnaht
erstreckt.
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Die
Erfindung nutzt dabei aus, dass Magnetflüsse unter anderem durch die
Art der Stoffe, durch sie hindurchtreten sowie durch deren jeweiligen
Aggregatzustand beeinflussbar sind. Die dieses Phänomen beschreibende
physikalische Größe ist die
sogenannte Permeabilitätskonstante μ. Ein Magnetfeld, das
im Bereich des Stoßes
zweier Schweißteile
angelegt wird, ändert
sich beispielsweise durch die Bildung einer Schweißnaht, da
die Konstante μ der Schweißnaht Einfluss
auf das angelegte Magnetfeld hat. Je nach Querschnittsdicke, Tiefe,
Güte und
Temperatur der Schweißnaht ändert sich
die Konstante μ der
Schweißnaht
und damit ändert
sich jeweils das messbare Magnetfeld. Diese Abhängigkeiten können beispielsweise
anhand von Referenzschweißnähten bestimmt
werden. Abweichungen von Soll-Werten können dann schon während der
Bearbeitung erkannt werden. Unter anderem können die Schweißnahtdicke,
die Schweißnahtbreite
und Ungänzen
in der Naht bestimmt werden.
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In
automatisierten Verfahren wird der Schweißstrahl also entlang des Schweißstoßes bewegt
und direkt hinter dem Schweißstrahl
erfolgt die Prüfung
der Schweißnaht.
Die Schweißnaht
kann dabei durch einen sich entlang eines Schweißstoßes bewegenden Energieträger, insbesondere
Schweißstrahl,
gebildet werden, wobei die Prüfung
der Schweißnaht
jeweils unmittelbar im Anschluss an das Schweißen eines Schweißnahtabschnitts
in Vorschubrichtung hinter dem Energieträger erfolgt. Wenn die Schweißzone noch
eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur aufweist, ändert diese Zone
den magnetischen Fluss bei einigen Werkstoffen besonders stark.
Dabei wird bei diesen Werkstoffen ausgenutzt, dass sich die Permeabillitätskonstante μ oberhalb
der Curietemperatur sprunghaft ändert.
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Alternativ
ist es aber auch möglich,
das Magnetfeld so anzulegen, dass es sich zumindest teilweise durch
die schon vollständig
erkaltete Schweißzone
der Schweißnaht
erstreckt. Denn auch die vollständig
erkaltete Schweißzone
hat Einfluss auf das angelegte Magnetfeld.
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Vorteilhafterweise
werden der Magnetfeldzeuger sowie der Magnetfeldsensor mit gleicher
Vorschubgeschwindigkeit wie der Schweißstrahl bewegt und laufen dem
Schweißstrahl
in Vorschubrichtung gesehen nach, d.h. sind von diesem beabstandet. Der
Magnetfelderzeuger und der Magnetfeldsensor können dabei beispielsweise zusammen
mit dem Schweißstrahl
in einer Gesamtkonstruktion entlang des Schweißstoßes bewegt werden. Grundsätzlich denkbar
ist aber alternativ auch, ein Magnetfeld, d.h. Magnetfelderzeuger über die
gesamte Länge
des Schweißstoßes ortsfest
anzuordnen, insbesondere zusammen mit einer Vielzahl von ebenfalls
entlang des Schweißstoßes entsprechend
positionierten Magnetfeldsensoren, die dafür sorgen, Magnetfeldänderungen
durch die Schweißnahtbildung
ortsaufgelöst messen
zu können.
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Besonders
vorteilhaft ist es, das Magnetfeld von beiden Seiten der Schweißnaht in
die beiden Schweißteile
einzuleiten. Grundsätzlich
denkbar ist es aber auch, das Magnetfeld nur von einer Seite einzuleiten.
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In
besonderer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens leiten zwei
mit dem Magnetfelderzeuger unmittelbar oder mittelbar verbundene,
voneinander – insbesondere
horizontal – beabstandete
Polschuhe das Magnetfeld von den beiden Seiten der Schweißnaht in
die Schweißteile
ein, indem ein Polschuh rechts, der andere Polschuh links von der
Schweißnaht
angeordnet wird, wobei jeder Polschuh das entsprechende Schweißteil berührt oder
in einem für
eine Magnetfeldeinleitung ausreichend geringen Abstand von dem Schweißteil geführt wird.
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Zweckmäßigerweise
wird das Magnetfeld so in die Schweißteile eingeleitet, dass der
magnetische Fluss nahezu senkrecht durch die Schweißzone verläuft.
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Was
das Magnetfeld angeht, so kann der Magnetfelderzeuger ein Permanentmagnet
sein oder ein mit Gleich- oder Wechselstrom beaufschlagter Elektromagnet.
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Einen
mit Wechselstrom beaufschlagten Elektromagneten einzuseten und die
Frequenz an die Soll-Nahttiefe der Schweißnaht anzupassen, ist besonders
dann zweckmäßig, wenn
die Schweißnahttiefe
der Schweißnaht
geringer ist als die Dicke der beiden Schweißteile. Denn dann würde der
magnetische Fluss im Wesentlichen unterhalb der Schweißnaht durch
die Schweißteile
verlaufen und eine Flussänderung
durch die Schweißnaht
würde kaum
ins Gewicht fallen. Indem ein mit Wechselstrom beaufschlagter Elektromagnet
eingesetzt wird, kann aufgrund des bekannten Skin-Effektes die Eindringtiefe
des Magnetfeldes in die Schweißteile über die Frequenz
des Wechselstromes gesteuert werden.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Schweißkopf zum Schweißen von
Schweißteilen
sowie zum Prüfen
einer von dem Schweißkopf
erzeugten Schweißnaht
zwischen den Schweißteilen,
- (a) wobei der Schweißkopf zur Prüfung der
von dem Schweißkopf
erzeugten Schweißnaht
einen Magnetfelderzeuger aufweist, Polschuhe, über die das von dem Magnetfelderzeuger
erzeugte Magnetfeld in die Schweißteile einleitbar ist, sowie
einen Magnetfeldsensor,
- (b) wobei die Polschuhe derart am Schweißkopf positioniert sind, dass über diese
das Magnetfeld unmittelbar nach der Schweißnahtbildung zumindest teilweise
durch die noch nicht vollständig
erkaltete Schweißzone
der Schweißnaht
leitbar ist,
- (c) wobei der Magnetfeldsensor derart am Schweißkopf positioniert
ist, dass mit diesem das von der Schweißnaht beeinflusste Magnetfeld messbar
ist.
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Weitere
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ergeben sich aus den beigefügten
Ansprüchen
sowie der nachfolgenden Beschreibung konkreter Ausführungsbeispiele
und aus den Zeichnungen.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetfeldeinleitung in
zwei Schweißteile,
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2(a) eine Prinzipskizze des magnetischen Flusslinienverlaufs
in den zwei Schweißteilen ohne
Schweißnaht,
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2(b) eine Prinzipskizze des magnetischen Flusslinienverlaufs
in den zwei Schweißteilen mit
Schweißnaht,
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3 eine
Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Messsystems mit Flussdichte-Sensor,
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4(a) einen Schweißvorsatz mit erfindungsgemäßem Messsystem
in Perspektivansicht,
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4(b) den Schweißvorsatz von 4(a) in Seitenansicht,
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4(c) eine vergrößerte Ausschnittsansicht der
Messvorrichtung von 4(a),
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4(d) den Schweißvorsatz von 4(a) im Seitenschnitt.
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Die 1 – 3 zeigen
in schematischer Darstellung die Funktionsweise und die theoretischen
Hintergründe
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
zwei Schweißteile 10, 11 aus
Metall, die an einander zugewandten Längsseiten einen Schweißstoß 12 bilden.
Im vorderen Bereich des Schweißstoßes ist
eine Schweißzone 13 zu
erkennen, die von einem nicht dargestellten Laserschweißgerät erzeugt
wurde. In dieser Schweißzone 13,
die über
die gesamte Dicke der Schweißteile
verläuft,
liegen die jeweiligen Schweißteilwerkstoffe – üblicherweise
Metalle, Stähle/Edelstähle – als Schmelze
vor. Die Schweißzone 13 wird
nach Erkalten zur Schweißnaht.
Schweißnaht
und Schweißzone
werden mit derselben Bezugsziffer gekennzeichnet.
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Um
den Querschnitt der Schweißnaht
bzw. Schweißzone 13 zu
bestimmen, werden die Einflüsse
dieser Zone 13 auf ein Magnetfeld bestimmt.
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Dafür wird an
die Schweißzone 13 ein
Magnetfeld angelegt, indem zu beiden Seiten der Schweißzone 13 jeweils
ein Polschuh 14, 15 aus Eisen mit den jeweiligen
Schweißteilen 10, 11 in
Kontakt gebracht wird, wobei die Polschuhe 14, 15 mit
einem Permanentmagneten 16 verbunden sind. Ein direkter
Berührungskontakt
mit den Schweißteilen 10, 11 ist
allerdings nicht zwingend notwendig, es reicht aus, die Polschuhe 14, 15 in
einem Abstand oberhalb der Schweißteile 10, 11 zu
positionieren, der ausreichend gering ist, um noch einen magnetischen
Fluss durch die Schweißzone 13 zu
erzeugen.
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Die 2(a) und 2(b) zeigen
in diesem Zusammenhang den ungefähren
Verlauf von magnetischen Fluss- oder Feldlinien durch die Schweißteile 10, 11,
einerseits im noch nicht verschweißten Schweißstoßbereich – 2(a) –, andererseits
im schon durch die Schweißnaht 13 verbundenen Schweißstoßbereich – 2(b). Die Feldlinien verlaufen zwischen den Polschuhen 14, 15 durch
die Schweißteile 10, 11 hindurch.
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In 2(a) verlaufen die Feldlinien allerdings quasi
ungestört
auch durch den Schweißstoßbereich
hindurch, während
in 2(b) dagegen eine Verdrängung derselben
durch die Schweißnaht 13 erkennbar
ist. Im Bereich der Schweißnaht 13 werden
die Feldlinien nach außen
gedrängt.
Ein Magnetfeld-Flussdichte-Sensor 17 kann diesen Effekt
messen.
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Es
gibt zwei systematisch unterschiedliche Messverfahren, nämlich einerseits
eine Nebenschlussmessung bei der der Magnetfeld-Sensor (Flussdichte-Sensor)
mit den Polschuhen bzw. dem Magneten direkt oder indirekt verbunden
ist, andererseits ein Messverfahren, bei dem dies nicht der Fall ist.
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3 zeigt
das Prinzip einer Nebenschlussmessung an den Schweißteilen 10, 11 der 1 und 2. Zwei Polschuhe 18, 19,
die in Pfeilrichtung mit einem nicht dargestellten Magneten verbunden
sind, weisen jeweils Teilabschnitte 20, 21 auf,
die in ähnlicher
Weise wie die Polschuhenden der Polschuhe 14, 15 in 1 jeweils
seitlich der Schweißzone 13 auf
die Schweißteile 10, 11 zugerichtet
sind. Über zwei
von den Polschuhen 18, 19 abzweigende, nach schräg oben gerichtete
Arme 22, 23 der Polschuhe 14, 15 sind
diese miteinander in einem Nebenzweig verbunden, und zwar indirekt über einen
mittig zwischen den Armenden angeordneten Flussdichte-Sensor 24,
insbesondere einen Hall-Sensor.
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Bei
dieser Ausführungsform
ergibt sich also ein magnetischer Fluss über die Polschuhteilabschnitte 20, 21 durch
die Schweißzone 13 hindurch, sowie
ein weiterer magnetischer Fluss durch die Polschuharme 22, 23 über den
Flussdichte-Sensor 24. Jede Änderung des magnetischen Flusses
durch die Schweißzone 13 führt automatisch
zu einer Änderung
des Teilflusses durch die Polschuharme 22, 23 und
damit durch den Flussdichte-Sensor 24.
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Anstelle
des beschriebenen Nebenschlussmessverfahrens kann – wie schon
angedeutet – ein Messverfahren
eingesetzt werden, bei dem der Magnetfeld-Sensor nicht mit den Polschuhen
bzw. dem Magneten verbunden ist. Gemäß einem solchen Verfahren wäre es beispielsweise
denkbar den Flussdichte-Sensor vollständig getrennt von den Polschuhen
hinter den beiden Polschuhteilabschnitten 20, 21 zu
positionieren, um dort die entsprechenden Magnetfeldänderungen
zu messen.
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4(a) – 4(d) zeigen verschiedene Ansichten eines Schweißkopfes
oder Schweißvorsatzes 25,
der eine Vorrichtung 26 zum Analysieren von Schweißnähten aufweist.
Die folgenden Richtungsangaben beziehen sich auf den eingebauten Zustand
des Schweißkopfes.
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Der
Schweißkopf 25 weist
eine quaderförmige
Grundplatte 27 auf, an der zwei nach unten gerichtete Arbeitsarme 28, 29 angeordnet
sind. Diese Arbeitsarme weisen endständig jeweils Düsenvorrichtungen 30, 31 auf.
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Die
Düsen 30, 31 sind
während
des Schweißvorgangs
in gewissem Abstand auf den Schweißstoß der hier nicht gezeigten,
zu verschweißenden
Metallteile gerichtet. Dazu weichen die Arme 28, 29 von
ihrem zunächst
vertikalen Verlauf am unteren Ende von der Vertikalen nach schräg innen
ab, d.h. die Arme sind endständig
nach innen abgeknickt.
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Aus
der Düse 30 und
der Düse 31 werden
für den
Schweißvorgang
ein Arbeitsgas bzw. ein Zusatzschweißmittel – Zusatzdraht – zur Verfügung gestellt.
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Besonders
wichtig ist nun die Schweißnahtanalysevorrichtung 26,
die an dem Arbeitsarm 29 befestigt ist. Die Analysevorrichtung 26 weist
an ihrer hinteren oberen Seite einen zylinderförmigen Permanentmagneten 32 auf.
Von den Stirnseiten des Magneten 32 gehen seitlich, dem
abgeknickten Verlauf des Armes 29 folgend, jeweils Polschuharme 33, 34 aus
Eisen aus. Sie erstrecken sich schräg nach unten auf die nicht
gezeigten Schweißteile
zu, wobei sie – in
einem gewissen Abstand zueinander – parallel verlaufen. An den
schrägen
Verlauf der Polschuharme 33, 34 schließt sich
ein horizontaler Verlauf der Arme 33, 34 an, der über entsprechende
Winkel in den Polschuhen 33, 34 erreicht wird.
Endständig
weichen die Polschuhe 33, 34 von ihrem parallelen
Verlauf, sind aufeinander zugerichtet und über einen Magnetfeld-Sensor 35 verbunden.
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Die
Polschuharme 33, 34 weisen in ihren horizontal
verlaufenden Abschnitten an den jeweiligen Armunterseiten Kontaktelemente 36, 37 auf.
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Zur
Analyse von Schweißnähten während des
Verschweißvorgangs
wird nun der Schweißkopf 25 an
eine nicht gezeigte Schweißvorrichtung
angeschlossen und so über
den ebenfalls nicht dargestellten Schweißteilen positioniert, dass
die Kontaktelemente 36, 37 auf jeweils einer Seite
des Schweißstoßes bzw.
der nach dem Schweißen
erfolgten Schweißnaht
angeordnet sind und die Schweißteile berühren. Die
Anordnung dieser Kontaktelemente 36, 37 entspricht
der Anordnung der Teilabschnitte 20, 21 der Polschuhe 18, 19 von 3 bzw.
der Anordnung der Polschuhe 14, 15 in 1.
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Ein
nicht gezeigter Laserstrahl verschweißt dann in üblicher Weise die Schweißteile unter
dem Einsatz von Arbeitsgas und Zusatzdraht und wird gemeinsam mit
dem Schweißkopf 25 entlang
des Schweißstoßes in Vorschubrichtung
geführt.
An die noch heiße
Schmelzzone der Schweißnaht
wird über die
Kontaktelemente 36, 37 in der in den Prinzipskizzen
der 1 – 3 gezeigten
Weise ein Magnetfeld angelegt und über den Flussdichte-Sensor 35 das
entsprechende Magnetfeld gemessen. Gleichzeitig kann der jeweilige
Messort über
geeignete Sensoren oder Zählwerke
bestimmt werden, sodass insgesamt eine ortsaufgelöste Magnetfeldmessung möglich ist.
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Das
Magnetfeld kann dann beispielsweise verglichen werden mit entsprechenden
Referenzmagnetfeldern, die an Referenzschweißteilen bei Referenzmessungen
gemessen wurden.
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Für die genaue
Ausgestaltung der Magnetfelderzeuger, der Polschuhe, der Sensoren
und geeigneter Auswerteverfahren gibt es im Übrigen eine Vielzahl von Möglichkeiten.
Gemeinsam ist allen denkbaren Verfahren das erfindungsgemäße Grundprinzip
der Magnetfeldeinleitung in die Schweißteile im Schweißnahtbereich
und die entsprechende Messung des durch die Schweißnaht beeinflussten
Magnetfelds.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Schweißverfahren
denkbar ist, bei der das erfindungsgemäße Messverfahren bzw. die Messvorrichtung
eingesetzt werden kann. Die Erfindung ist somit nicht auf das Laserschweißen begrenzt.
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- 10
- Schweißteil
- 11
- Schweißteil
- 12
- Schweißstoß
- 13
- Schweißzone
- 14
- Polschuh
- 15
- Polschuh
- 16
- Magnet
- 17
- Magnetfeld-Sensor
- 18
- Polschuh
- 19
- Polschuh
- 20
- Teilabschnitt
- 21
- Teilabschnitt
- 22
- Polschuharm
- 23
- Polschuharm
- 24
- Magnetfeld-Sensor
- 25
- Schweißkopf
- 26
- Analysevorrichtung
- 27
- Grundplatte
- 28
- Arbeitsarm
- 29
- Arbeitsarm
- 30
- Düse
- 31
- Düse
- 32
- Magnet
- 33
- Polschuharm
- 34
- Polschuharm
- 35
- Magnetfeld-Sensor
- 36
- Kontaktstift
- 37
- Kontaktstift