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Verfahren zum Herstellen von Halbtorusschalen, Vorrichtung zum
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Durchführen des Verfahrens, sowie Halbtorusschale und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halbtorusschalen.
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Solche Halbtorusschalen werden dazu benutzt, dickwandige und grossen
Durchmesser aufweisende Rohrkrümmer herzustellen, wie sie für Kernreaktoranlagen
gebraucht werden. Aus den Halbtorusschalen, die nach einem bekannten Verfahren durch
Giessen hergestellt werden, werden dann dem Krümraerwinkel entsprechende Sektoren
herausgeschnitten und jeweils zwei solcher Sektoren mittels in der Krümmerebene
verlaufender Längsnähte zu einem Krümmer zusammengeschweisst. Bei diesem Verfahren
ist nachteilig, dass verhältnismässig viel Abfall entsteht, weil die Sektoren aus
lunker- und seigerungsfreien Abschnitten der Schalen herausgeschnitten werden müssen.
Das Herausfinden solcher einwandfreien Abschnitte geschieht durch zerstörungsfreie
Werkstoffprüfung. Nachteilig sind auch die für viele Anwendungsfälle ungenügenden
Festigkeitseigenschaften des Gusswerkstoffs.
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Weiter ist es bekannt, Bleche zu Toroidsektoren zu schmieden,
gegebenenfalls
diese Sektoren auf ihrer Innenseite zu plattieren, wonach zwei solcher Sektoren
zu einem Krümmer zusammengeschweisst werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist,
dass teure Gesenke gebraucht werden und dass die Schmiedearbeiten nur in Werkstätten
mit entsprechend schweren Schmiedepressen vorgenommen werden können. Ferner ergibt
sich relativ viel Abfall und - sofern neue Gesenke hergestellt werden müssen - hohe
Werkzeugkosten. Schliesslich kann der grosse Zeitaufwand für das Herstellen der
Gesenke und das Bereithalten der Bleche passender Abmessungen störend sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen
von Halbtorusschalen zu schaffen, das mit wesentlich geringerem Zeitaufwand und
geringer Vorratshaltung des zu verarbeitenden Werkstoffs zu Produkten führt, die
in ihrem Gefüge homogener als gegossene Halbtorusschalen sind und zumindert gleich
gute Festigkeit und Dehnung wie geschmiedete Produkte aufweisen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass beginnend
auf der Oberseite einer drehbaren Scheibe, die mit ihrer Drehachse in einer Vertikalebene
aus einer unteren in eine obere Stellung schwenkbar ist, ausgehend von ihrer unteren
Stellung unter gleichzeitigem Drehen der Scheibe und kontinuierlichem Schwenken
der Scheibe oder - nach jeweils einer Umdrehung der Scheibe - schrittweisem Schwenken
der Scheibe in Richtung auf ihre obere Stellung Schweisswerkstoff mittels eines
Schweisskopfes aufgetragen wird, wobei der Schweisskopf im
wesentlichen
in der genannten Vertikalebene auf einer Kreisbahn und parallel zu sich selbst geführt
wird.
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Mit diesem Verfahren werden also Halbtorusschalen durch formgebendes
Auftragschweissen hergestellt, das in seinem Ablauf einfach ist und keine Störanfälligkeit
aufweist. Die nach diesem Verfahren erzeugten Produkte haben einen durch das Umschmelzen
bedingten guten und homogenen Gefügeaufbau, so dass praktisch kein Ausschuss entsteht.
Der gute Gefügeaufbau ist eine wesentliche Voraussetzung für den sicheren Betrieb
der Rohrkrümmer in Kernreaktoranlagen. Die Vorratshaltung für den zu verarbeitenden
Werkstoff, Band- oder auch Drahtelektroden, ist sehr einfach und damit kostensparend.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen des
Verfahrens, die gekennzeichnet ist durch eine drehbare und in einer Vertikalebene
schwenkbare Spindel sowie ein mit dem Schweisskopf verbundenes Gestängesystem zum
Führen des Schweisskopfes parallel zu sich selbst auf einer Kreisbahn, deren Radius
dem Abstand der Torusseelenachse vom Schwenkmittelpunkt der Spindel gleich ist.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht einer
Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens, wobei die fertiggeschweisste
Halbtorusschale im Axialschnitt dargestellt ist, Fig. 2 eine Vorderansicht der Vorrichtung
in der gleichen Stellung wie in Fig. 1, Fig. 3 eine Seitenansicht der Vorrichtung
in deren Ausgangsstellung, Fig. 4 eine Seitenansicht der Vorrichtung in einer Zwischenstellung,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer abgewandelten Scheibe zum Auftragen von
Schweisswerkstoff, Fig. 6 einen Schnitt durch die Scheibe entsprechend der Linie
VI - VI in Fig. 5, Fig. 7 schematisch, teilweise im Schnitt und teilweise in Ansicht
einen Schweisskopf, Fig. 8 einen Schnitt entsprechend der Linie VIII - VIII in Fig.
7,
Fig. 9 ein Diagramm, das die Spindeldrehzahl n in Funktion des
Zeitintegrals des Schweissstromes i zeigt, Fig. 10 einen Axialschnitt durch eine
andere Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens, wobei die
gezeichnete Stellung der Vorrichtung derjenigen bei fertiggeschweisster Halbtorusschale
entspricht, Fig. 11 ebenfalls einen Axialschnitt der Vorrichtung gemäss Fig. 10,
jedoch in Ausgangsstellung und Fig. 12 einen Schnitt der Vorrichtung entsprechend
der Linie XII - XII in Fig. 11.
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ist horizonale Gemäss Fig. 1 und 2/in einem auskragenden Lagerbock
1 eine/Welle 2 drehbar gelagert, mit der ein Schneckenrad 3 und eine Lagerbüchse
4 drehfest verbunden sind. Die Achse der Lagerbüchse 4 steht rechtwinklig zur Achse
der Welle 2. In das Schneckenrad 3 greift eine Schnecke 5 ein, die von einem mit
dem Lagerbock 1 starr verbundenen Getriebemotor 6 angetrieben werden kann.
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In der Lagerbüchse 4'ist eine Spindel 10 drehbar gelagert, die durch
eine Kronenmutter 11 gegen axia'e Verschiebung in der Büchse gesichert ist. Mit
der Spindel 10 ist ein Schneckenrad 12 drehfest verbunden. Das Schneckenrad 12 steht
mit einer in den Fig.
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1 und 2 nicht sichtbaren Schnecke im Eingriff, die von einen an der
Lagerbüchse 4 befestigten Motor 13 angetrieben wird, so dass die Spindel 10 eine
in einer Vertikalebene verlaufende Schwenkvon etwa bewegungZl80° ausführt, die im
Gegenuhrzeigersinn aus der in Fig. 1 gezeichneten Stellung in die in Fig. 3 gezeichnete
Stellung
in der Zeichenebene dieser Figuren stattfindet.
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An dem aus der Lagerbüchse 4 herausragenden freien Ende der Spindel
10 ist eine Scheibe 17 vorgesehen, die mittels einer Mutter 16 auf einer Schulter
15 der Spindel festgeklemmt ist. Die Scheibe 17 trägt in Fig. 1 und 2 an ihrer Pertherie
eine erfindungsgemäss durch Auftragsschweissen fertig hergestellte Halbtorusschale
20 an derem inneren Rand.
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Zu beiden Seiten des Lagerbockes 1, und zwar symmetrisch zur Spindel
10 in Fig. 2,ist je ein Ständer 25 vorgesehen, von denen in Fig. 2 nur einer dargestellt
ist. Jeder Ständer 25 weist etwa auf seiner mittle-ren Höhe einen nach aussen ragenden
Zapfen 26 und an seinem oberen Ende einen nach innen ragenden Zapfen 27 auf. Auf
jedem Zapfen 26 ist eine Lasche 28 und auf jedem Zapfen 27 eine Lasche 29 schwenkbar
gelagert. Die Laschen 28 und 29 weisen an ihrem in Fig. 2 oberen Ende ein Lagerauge
auf. Der Abstand A (Fig. 4) von Mitte des Zapfens 26 bzw. 27 bis Mitte des Lagerauges
an der zugehörigen Lasche ist für alle Laschen gleich. Im oberen Auge der Lasche
28 ist ein Kurbelzapfen 30 einer Kurbel 31 drehbar gelagert, die an ihrem in Fig.
2 oberen Ende mit eibeiden Bolzen 32 gemeinsamen nem Bolzen 32 fest verbunden ist,
der an einem# Vierkantrohr 33 angeschweisst ist. Der Bolzen 32 ist zugleich durch
das obere Auge der Lasche 29 geführt. Am Vierkantrohr 33 ist ein als Ganzes mit
40 bezeichneter konventioneller Bandschweisskopf angebracht. Da die Armlänge C'
(Fig. 4) der Kurbel 31 dem Abstand C der Zapfen 26 und 27 gleich ist und auch die
Laschen 28 und 29 gleich lang sind, steht die Kurbel 31 in jeder Stellung der Laschen
vertikal.
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Mit der in Fig. 2 dargestellten Lasche 29 ist ein auf dem Zapfen 27
gelagertes Schneckenrad 34 drehfest verbunden, das mit einer Schnecke 35 kämmt,
die von einem am Ständer 25 befestigten Motor 36 angetrieben wird. Der in Fig 2
nicht sichtbare zweite Ständer kann ebenfalls mit den Antriebsmitteln 34 bis 36
ausgerüstet sein. In diesem Falle ist eine nicht dargestellte Vorrichtung vorgesehen,
die den Synchronlauf der beiden Motoren 36 sicherstellt. Es ist auch möglich, nur
einen Motor 36 vorzusehen, wobei dann die beiden Laschen 29 starr miteinander gekuppelt
werden, beispielsweise durch eine durch das Vierkantrohr 33 und den Bolzen 32 hindurchgeführte
Stange.
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Der in Fig. 1 und 2 schematisch vereinfacht dargestellte Bandschweisskopf
40 weist eine Spule 42, die den auf die Scheibe 17 aufzutragenden Schweisswerkstoff
in Form eines aufgerollten Bandes 41 trägt, mehrere Vorschub- und Führungsrollen
43, einen über ein Winkelgetriebe 45 die Rollen 43 antreibenden Motor 44 und einen
Schweisspulvertrichter 46 auf, in dessen Mündungsbereich das Band 41 endet. Die
Anschlüsse für den Schweissstrom sind hier der Einfachheit halber weggelassen. Der
Bandschweisskopf 4C wird aus der in Fig. 1 und 2 gezeichneten Endstellung in seine
Ausgangsstellung gebracht, indem die Laschen 29 durch den Motor 36 über das Schneckenrad
34 in Fig. 1 im Gegenuhrzeigersinn um 1800 verschwenkt werden, so dass er die in
Fig. 3 gezeichnete Stellung einnimmt, in der er oberhalb der ihre untere Stellung
einnehmende Scheibe 17 steht.
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Zu Beginn des Fertigungsvorganges nehmen die Scheibe 17 und der Schweisskopf
40 die in Fig. 3 gezeigte Stellung ein und die Scheibe 17 wird durch den Motor 13
über das Schneckenrad 12 und Spindel 10 gedreht. Dabei wird durch Abschmelzen des
Bandes 41 auf der Oter--en seite der Scheibe 17 nahe der/Peripherie eine Schweissschicht
aufgetragen. Nach einer Umdrehung der Scheibe 17 und somit Vollendung der ersten
Schwessschicht, werden die Spindel 10 und die Laschen 28 und 29 um einen gleichen,
kleinen Winkel in Fig. 3 im Uhrzeigersinn geschwenkt, wonach die nächste Schweissschicht
auf die vorhergehende aufgetragen wird, unter gleichzeitiger Drehung der Scheibe
17. Der Winkel, um den die Spindel und damit die Scheibe 17 verschwenkt wurde, entspricht
der Dicke der aufgetragenen Schicht. Die Schwenkbewegungen wiederholen sich nach
jeder Umdrehung der Scheibe 17. Aus der in Fig. 4 gezeigten Zwisehenstellung der
Vorrichtung ist deutlich erkennbar, dass die den Abstand A bildenden Strecken der
Laschen 28 und 29 gleich gross den und parallel dazu verlaufen sind wie die zwischen/
PunktenTSA und S gebildete Streckt wobei der Punkt TSA der dem Schweisskopf 40 benachbarte
Durchstosspunkt der Torusseelenachse durchi vertikale Schwenkebene und der Punkt
S der Durchstosspunkt der Achse der horizontalen Welle 2 durch dieselbe Schwenkebene
ist.
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Durch das Schwenken der Scheibe 17 ergibt sich der Vorteil, dass die
Oberfläche des Schmelzbandes stets horizontal verläuft und die einzelnen Auftragschichten
somit im Querschnitt leicht keilförmig sind, wobei das verdickte Ende des Querschnitts
auf der Aussenseite der Halbtorusschale liegt.
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Die beschriebene Vorrichtung kann nicht nur mit schrittweiser Schwenkbewegung
der Spindel und schrittweiser Bewegung des Schweisskopfes betrieben werden, sondern
auch mit kontinuierli--en chem Verlauf dieser Bewegung. In diesem Fall wird die
eine ebene Oberseite aufweisende Scheibe 17 durch eine Scheibe 17' ersetzt, die
gemäss Fig. 5 und 6 ausgebildet ist, indem sie auf der Oberseite eine Schraubenfläche
aufweist, deren Steigung der Dicke einer aufzutragenden Schicht entspricht. Auf
der Schraubenfläche erfolgt dann das Auftragen der ersten Schweissschicht.
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Bei Betrieb der Vorrichtung mit kontinuierlicher Schwenkbewegung
wird die Abschmelzleistung des Bandes 41 zweckmässig konstant gewerden halten und
die Elektromotoren 6, 13 und 36/in Abhängigkeit dieser Abschmelzleistung parallel
gesteuert. Diese Steuerung erfolgt gemäss Fig. 7 in Funktion der geleisteten Auftragsarbeit.
Zu diesem Zweck ist ein Funktionsgeber 73 vorgesehen, der eingangsseitig mit einem
Geber 72 für die Auftragsarbeit verbunden ist, in dem ein dem zeitlichen Integral
des Schaseisstromes i proportionales Signal gebildet wird. Dieses Signal wird dem
Funktionsgeber 73 zugeführt, der entsprechend dem Diagramm in Fig. 9 ein Ausgangssignal
n bildet, das einem Punkt 71 zugeführt wird. Deni Punkt 71 wird ausserdem ein weiteres
Signal zugeführt, das dem Höhenunterschied dH zwischen dem Schweisskopf 40 und der
aufgetragenen Schicht entspricht. Zur Bildung dieses Signals sind eine elektromagnetische
Spule 53 und ein Integralglied 70 vorgesehen. Die elektromagnetische Spule 53 ist
am Pulvertrichter 46 mittels Vertindungsstücken51 und 52 (Fig. 8) angeordnet und
weist einen zylindrischen, ferritischen Anker 54 auf, der an *) Die Kurve n in Fig.
9 verläuft umgekehrt proportional zu dem sich im Verlauf des AuftragsverfMirens
ändernden Umfang der Auftragsfläche.
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seinem unteren Ende über einen Bügel 60 und ein Radpaar 62 auf der
aufgeträgenen Schicht abgestützt ist. Damit die Achse 61 lel zur des Radpaares 62
stets paral-Schwenkebene der Spindel 10 bleibt, ist der Bügel 60 über einen Dorn
65 an einem der beiden Verbindungsstücke 52 geführt.
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Je nach dem Höhenunterschied aH zwischen dem Schweisskopf 40 und der
Oberseite der von der Schlacke befreiten Auftragsschicht taucht der Anker 54 mehr
oder weniger weit in die Spule 53 ein.
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Dabei wird auf an sich bekannte Weise ein dem Hub des Ankers 54 im
wesentlichen proportionales Signal erzeugt, das über das Integralglied 70 dem Punkt
71 zugeführt wird, in dem eine Subtraktion mit dem vom Funktionsgeber 73 kommenden
Signal n stattfindet. Das aus dieser Subtraktion entstehende Signal wird als Drehzahl-
Sollwert den Motoren 6, 13, 36 zugeführt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss ~Fig. 10 bis 12 wird anstelle von
drei parallelgesteuerten Elektromotoren nur ein einziger Motor für den Antrieb der
Vorrichtung verwendet. Der Lagerbock 1' trägt einen horizontalen Wellenstummel 75
auf dem ein hohler Schwenkarm 76 gelagert ist, der rechtwinklig zur Achse des Wellenstummels
angeordnet ist. In der Axialbohrung des Schwenkarmes 76 ist ein Bolzen 78 angeordnet,
der an seinem aus dem Schwenkarm herausragenden Ende einen Kopf 78'aufweist und
der mittels einer Druckschraube 79 fest mit dem Schwenkarm verbunden ist.
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Zwischen der Stirnfläche des Schwenkarmes 76 und dem Kopf 78' des
Bolzens 78 ist eine Nabe 81 mit Flansch 81' angeordnet, die über eine Lagerbüchse
80 auf dem Bolzen 78 drehbar gelagert ist
Der Flansch 81' weist
eine Schulter 82 auf, auf der sich eine Ringscheibe 83 abstützt, die mittels Schrauben
84 und einer Scheibe 85 gegen die Schulter 82 gedrückt wird. Die Ringscheibe 83
dient, wie die Scheibe 17 und 17', zum Aufbau der Halttorusschale.
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Auf der Nabe ist mittels eines Keiles 88 ein Stirnzahnrad 89 befestigt,
das mit einem Ritzel 96 in Eingriff steht, das von einem am Schwenkarm 76 befestigten
elektrischen Gebriebemotor 97 angetrieben werden kann. In Fig. 10 unterhalb des
Stirnzahnrades 89 ist auf' dem Schwenkarm 76 ein Stirnzahnrad 94 drehfest angebracht,
das in diesem Beispiel mit 202 Zähnen versehen ist. Unterhalt des Stirnzahnrades
94 ist ein Stirnzahnrad 92 vorgesehen, das auf dem Schwenkarm 76 drehbar gelagert
ist und aus einem Stück mit einem Kegelrad 93 besteht. Die Zähnezahl des Stirnzahnrades
92 beträgt 200 und das Kegelrad 93 steht mit einem Kegelrad 98 in Eingriff, das
koaxial zum Wellenstummel 75 am Lagerbock 1' befestigt ist. Mit den beiden Stirnzahnrädern
92 und 94 kämmt ein Paar von kleineren Zahn-95 räder, die diametral zueinander im
Stirnzahnrad 89 gelagert sind.
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Am Kopf 78' des Bolzens 78 ist das eine Ende eines Armes 99 angeschweisst,
der an seinem anderen Ende ein Lagerauge 100 aufweist, dessen Achse mit der Torusseelenachse
zusammenfällt. In dem Lagerauge 100 steckt ein Bolzen, der zu beiden Seiten des
je Armes 99 mit/einem Träger 101 von winkligem Querschnitt verbunde ist.
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Am in Fig. 10 rechten Ende der beiden Träger 101 ist der Bandschweisskopf
40 befestigt. Am anderen Ende der beiden Träger 101 weisen diese einen gemeinsamen
Bolzen 105 auf, über den die Träbumerangförmigen ger mit dem einen Arm eines / Hebels
106 gelenkig verbunden sind. Der andere Arm des Hebels 106 ist mittels eines Bolzens
107 in einem Ständer 108 schwenkbar gelagert. Die Strecke D zwischen der Mitte der
beiden Bolzen 105 und 107 ist gleich lang stets und/gleich gerichtet wie die Strecke
D' zwischen dem Drehpunkt des Schwenkarmes 76 und dem Lagerauge 100 des Armes 99.
Auch hier kewegt sich also der Schweisskopf 40 in der vertikalen Bewegungsebene
des Schwenkarmes 76 auf einer Kreisbahn parallel zu sich selbst.
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Zu Beginn des Herstellungsverfahren wird die Vorrichtung in die in
Fig. 11 gezeigte Ausgangsstellung gebracht. Das Band 41 wird mit einer optimalen
Leistung abgeschmolzen, wobei sich auf der Ringscheibe 83 an deren Peripherie die
erste aufgetragene Schweissschicht bildet. Von der Abschmelzarbeit ausgehend, wird
- wie zu Fig. 7 bis 9 beschrieben - für die Drehzahl des Motors 97 ein Sollwert
gebildet, durch den der Motor 97 auf#bekannte Weise beeinflusst wird. Ueber das
Ritzel 96 und das Stirnzahnrad 89 wird der Flansch 81' mit der darauf befestigten
Ringscheibe 83 angetrieben. ueber das Zahnradpaar 95 wird pro Umdrehung des Stirnzahnrades
89 das Stirnzahnrad 92 um zwei Zähne (= 202 - 200) weitergeschaltet, was über die
Kegelräder 93 und 98 die gewünschte, geringe Schwenkbewegung des Schwenkarmes 76
und damit der Ringscheibe 83 zur Folge hat. Da der Schweisskopf 40 in seiner Bewegung
über die Träger 101 und den Arm 99 mit dem Schwenkarm 76
gekoppelt
ist, bewegt sich auch der Schweisskopf um einen der Schwenkbewegung der Ringscheibe
83 entsprechenden Betrag, auf deren Oberseite einehiernicht erkennbare Schraubenfläche,
wie zu Fig.
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5 und 6 erläutert, vorgesehen ist.
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Im Vergleich zur Vorrichtung gemäss Fig. 1 bis 4 hat die Vorrichtung
gemäss Fig. 10 bis 12 den Vorteil, dass - abgesehen von dem Antrieb für das Band
41 - nur ein einziger Antriebsmotor für alle drei Bewegungen vorgesehen ist. Ausserdem
ist die Konstruktion der Vorrichtung billiger und die Führung der relativ zueinander
bewegten Teile präziser als bei der Vorrichtung nach Fig. 1 bis 4.
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Abweichend von den beschriebenen Vorrichtungen kann anstelle des Bandschweisskopfes
40 auch ein Schweisskopf verwendet werden, der mehrere Einzelelektroden als Auftragwerkstoff
zuführt Das Auftragverfahren mit Bändern hat jedoch den Vorteil, dass das Auftragen
in einem schmalen, der Schwenkebene benachbarten Bereich erfolgt.
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Für die WeIterverarbeItung der Halbtorusschalen 20 wird die Scheibe
17 bzw. 83 z. B. durch spanabhebende Bearbeitung entfernt. Es ist auch möglich,
das erfindungsgemässe Verfahren so durchzuführen, dass die Scheibe 17 bzw. 83 integrierender
Bestandteil der Halbtorusschale ist. In diesem Fall müsste nur der der Innenseite
der Halbtorusschale benachbarte Abschnitt der Scheibe 17 bzw. 83 entfernt werden.
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Nach den beschriebenen Beispielen liegt die Oberfläche der aufgetragenen
Schicht auf einem Radius, der von der Torusseelenachse ausgeht. Abweichend davon
kann man den Schweisskopf auch so einstellen, dass die genannte Oberfläche zum erwähnten
Radius geneigt verläuft, so dass die genannte Oberfläche am Ende des Auftragsverfahrens
eine nach aussen oder innen geneigte Konusfläche bildet.