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Vorrichtung zum Spaltschweißen
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Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Spaltschweißen,
insbesondere Engspaltschweißen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Verschweißen großer Werkstücke, insbesondere dicker Bleche mit
einem tiefen Schweißspalt erfordert es, daß die zum Schweißen notwendige Energiequelle
innerhalb des Spaltes bewegbar ist. Dadurch muß der Spalt zwangsläufig eine
gewisse
Breite, d. h. einen minimalen Abstand der sich gegenüberliegenden Spaltflächen für
einen einzubringenden Schweißkopf od. dgl. aufweisen, der dann nacheinander durch
Schweißschichten aus nebeneinander liegenden Schweißraupen auszufüllen ist zum Verbinden
der zu verschweißenden Teile. Aufgrund dieser Vorgehensweise ist eine Vielzahl einzelner
Schweißraupen notwendig. Um gleichwohl zu einer möglichst hohen Schweißleistung
zu kommen, ist man bestrebt, mit möglichst wenigen Einzelnachschweißraupen die Werkstücke
bzw. Bleche zu verschweißen bei hohen Schweißgeschwindigkeiten.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Engspaltschweißen
vorzuschlagen, die durch eine hohe Energiedichte schnelle Schweißgeschwindigkeiten
ermöglicht und durch eine kompakte Bauweise auch in schmale Schweißspalte einsetzbar
ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist die erfindungsgemäße Vorrichtung die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 auf. Der Hochleistungslaser, insbesondere
ein C02-Laser, als Energiequelle weist gegenüber herkömmlichen Energiequellen eine
höhere Leistungsdichte auf. Durch die exakte Fokussiermöglichkeit des Laserstrahls
genau dort, wo ein hohes Energiepotential erforderlich ist, sind hohe Abschmelzleistungen
zu erzielen, wobei aber die Wärmeeinbringung in die Schweißflächen der zu verschweißenden
Werkstücke so gering wie möglich gehalten werden kann.
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Dadurch entstehen einerseits nur geringe Wärmeverluste, während andererseits
im Vergleich zu anderen Energiequellen keine übermäßig hohe Aufheizung der angrenzenden
Werkstückbereiche erfolgt. Die letztgenannte Eigenschaft verhindert unerwünschte
Gefügeumwandlungen in den Randbereichen des Schweißspaltes bzw. der Schweißnaht.
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Das Verfahren des Schweißkopfes innerhalb des Schweißspaltes erfolgt
bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung durch einen außerhalb des
Schweißspaltes liegenden Antrieb. Dieser kann so ausgestaltet sein, daß er zwei
unabhängige, um 90 0 zueinander versetzte Bewegungen des Schweißkopfes ermöglicht,
und zwar in der Ebene des Schweißspaltes. Durch eine hin- und hergehende Längsbewegung
des Schweißkopfes können die Schweißraupen gezogen werden,und durch eine quer dazu
verlaufende Hibbewegung können die Schweißraupen schichtweise übereinandergelegt
werden. Für besondere Anwendungsfälle können alternativ die beiden Bewegungsrichtungen
auch nicht orthogonal zueinander liegen, beispielsweise bei rauten- bzw. bogenförmigen
Spalten. Vorteilhafterweise ist jeder Bewegungsrichtung des Schweißkopfes ein eigener
Antrieb zugeordnet. Dieser kann über ein mechanisches Getriebe, aber auch Druckmittelzylinder
od. dgl.
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erfolgen.
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Wenn in einer quer zur Ebene des Schweißspalts liegenden Schicht mehrere
Schweißraupen nebeneinanderliegend herzustellen sind, also der Schweißspalt durch
rasterartig angeordnete Schweißraupen ausfüllbar ist, dann ist der Schweißkopf nach
einem weiteren Vorschlag der Erfindung noch in einer zusätzlichen dritten Richtung
bewegbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann dies durch
ein Verdrehen des Schweißkopfes innerhalb des Schweißspaltes geschehen, und zwar
um eine Drehachse, die parallel zu den Längsachsen der Schweißraupen liegt. Dazu
ist der Schweißkopf stufenartig jedesmal dann schwenkbar, wenn sein Längshub eine
Endposition erreicht hat, also eine Schweißraupe fertiggestellt worden ist. Alternativ
kann auch der Schweißkopf mit dem gesamten Antrieb in einer Richtung quer zur Schweißspaltebene
stufenweise verfahren werden zur Herstellung nebeneinanderliegender Schweißnähte.
Dann wäre der Antrieb für den Schweißkopf
beispielsweise derart
auszubilden, daß er drei um jeweils 900 zueinander versetzte Bewegungen ermöglicht.
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Ein weiterer, wesentlicher Vorschlag der Erfindung besteht darin,
den Laserstrahl zumindest im Bereich des Schweißspaltes so zu verformen, daß er
in Richtung quer zur Spaltebene kleinere Abmessungen aufweist als längs zu derselben,
d. h. den Laserstrahl zu verschmälern. Zu diesem Zweck ist der Laserstrahl erfindungsgemäß
außerhalb des Schweißspaltes, beispielsweise im Bereich des Antriebs zum Bewegen
des Schweißkopfes zu verformen, und zwar vorzugsweise durch ein Teleskop. Bei einem
vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Teleskop mit einem Zylinderspiegelpaar
ausgerüstet, welches den ursprünglich mit einem kreisrunden Querschnitt in das Teleskop
eintretenden Laserstrahl derart verformt, daß dieser beim Austritt aus dem Teleskop
einen etwa elliptischen Querschnitt aufweist. Die Umlenkung des elliptisch verformten
Laserstrahls erfolgt dann in den Schweißspalt hinein so, daß die kleine Ellipsenachse
des Laserstrahls quer zur Schweißspaltebene liegt. Auf diese Weise kann ein Verschweißen
in einem relativ schmalen Schweißspalt erfolgen. Aufgrund des elliptischen Strahlquerschnittes
weist der Laserstrahl trotz seiner Verformung noch einen ausreichenden Strahlquerschnitt
auf, wodurch die Leistungsdichte des Laserstrahls so weit begrenzbar ist, daß eine
Beschädigung der Umlenkspiegel durch Überhitzung ausgeschlossen ist.
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Alternativ sind auch Ausführungsbeispiele der Erfindung bzw. des Teleskops
zur Strahlverformung denkbar, bei denen in Abhängigkeit von dem verwendeten Spiegel
paar von der Ellipsenform abweichende Laserstrahlen erzeugt werden, beispielsweise
solche mit ovalem Querschnitt.
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Weit re Merkmale der Erfindung betreffen die konstruktive Ausbildung
des Antriebes zum Bewegen des Schweißkopfes.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung wird
nachfolgend anhand der Fig. 1 - 4 der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig.
1 eine schematische Seitenansicht auf einen Engspalt zwischen zwei zu verschweißenden
Werkstücken, Fig. 2 eine um 900 zur Ansicht der Fig. 1 versetzte Seitenansicht,
nämlich einen Schnitt II-II durch den Engspalt gemäß der Fig. 1 mit einer schematisch
dargestellten Schweißvorrichtung, Fig. 3 eine schematische Seitenansicht des Teleskops
zur Verformung des Laserstrahls,in vergrößertem Maßstab, und Fig. 4 eine gegenüber
der Fig. 3 um 900 versetzte Ansicht des Teleskops in ebenfalls schematischer Darstellung.
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Die Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels eignet sich
besonders zum Engspaltschweißen, wobei als Energiequelle ein C02-Laser dient.
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Ein Schweißspalt 10 wird hier zwischen zwei gegenüberliegenden, in
den Fig. 1 und 2 teilweise dargestellten Platten 11 und 12 gebildet. Zwei einander
mit Abstand gegenüberliegende Stirnflächen 13 und 14 der Platten 11 bzw. 12 begrenzen
den Schweißspalt 10. Die beiden Stirnflächen 13 und 14 verlaufen hier parallel zueinander,
so daß der Schweißspalt 10 in diesem Ausführungsbeispiel einen etwa rechteckförmigen
Querschnitt aufweist, wie
aus der Fig. 1 ersichtlich.
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Unterhalb der beiden Platten 11 und 12 ist eine die Unterseite des
Schweißspalts 10 überbrückende Badsicherung 15 in Form eines Bleches angeordnet.
Die Badsicherung 15 dient dazu, zu Beginn des Schweißens ein Wegfließen der Schweiße
zu verhindern. Nachdem der untere Bereich des Schweißspalts 10 in ausreichendem
Maße zugeschweißt ist, kann die Badsicherung 15 entfernt werden.
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Des weiteren ist aus der Fig. 1 der Aufbau der Schweißnaht zu erkennen.
Wie teilweise dargestellt, setzt sich nämlich die Schweißnaht aus einer Vielzahl
einzelner Schweißraupen 16 zusammen. Dazu bilden mehrere nebeneinanderliegende Schweißraupen
16 eine Schweißschicht 17. Wiederum mehrere solcher Schweißschichten 17 liegen übereinander.
Zu diesem Zweck ist ein Schweißkopf 18 der erfindungsgemäßen Vorrichtung in drei
unterschiedlichen Richtungen bewegbar.
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Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, liegt lediglich der Schweißkopf 18 der
Vorrichtung im Schweißspalt 10. Der übrige Teil der Vorrichtung, nämlich ein Antrieb
zum Höhen- und Längsverfahren des Schweißkopfes 18 mit einem heb- und senkbaren
Kreuzschlitten 19 und einem Schubstangentrieb 20, liegt neben den Platten 11 und
12 außerhalb des Schweißspalts 10. Der Kreuzschlitten 19 ist bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel an einem Hubarm 21 gehalten, welcher durch ein in den Figuren
nicht dargestelltes Druckmittelorgan, beispielsweise einen Hydraulikzylinder, höhenverfahrbar
ist. Hierzu kann ein Kolben des Druckmittelorgans an dem beweglichen Hubarm 21 befestigt
sein, während der Zylinder des Druckmittel organs ortsfest gelagert ist.
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Alternativ kann der Hubarm 21 des Kreuzschlittens 19 auch durch einen
Schubstangenantrieb - wie er für die Längsverschiebung des Schweißkopfes 18 vorgesehen
ist, antreibbar sein. Ebenso kann anstatt der Schubstange eine Zahnstange
Verwendung
finden.
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Der Kreuzschlitten 19 weist eine am unteren Ende des Hubarms 21 angeordnete,
aufrechte Lagerplatte 23 und den daran angeordneten Schubstangenantrieb 20 auf.
Letzterer besteht aus zwei mit Abstand voneinander an der Lagerplatte 23 gelagerten
Treibrollenpaaren 24. Jedes Treibrollenpaar 24 wiederum weist zwei um eine etwa
horizontale Achse drehbare Rollen 25 bzw. 26 auf. Zwischen den beiden mit Abstand
übereinander angeordneten Rollen 25, 26 eines jeden Treibrollenpaares 24 ist eine
in den Schweißspalt 10 hineinragende Schubstange 27 gelagert. Zum Längsverfahren
der Schubstange 27 ist bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils eine Rolle, nämlich
die untere Rolle 26 jedes Treibrollenpaares 24 antreibbar. Durch ein Längsverfahren
des Schweißkopfes 18 innerhalb des Schweißspalts 10 durch den Schubstangenanatrieb
20 sind einzelne Schweißraupen 16 im Schweißspalt 10 herstellbar. Durch eine Hubbewegung
des gesamten Kreuzschlittens 19 mit dem Schweißkopf 18 sind die Schweißraupen 16
bzw. SchweiBschichten 17 übereinanderleg bar.
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Der am in den Schweißspalt 10 hineinragenden, freien Ende der Schubstange
27 angeordnete Schweißkopf 18 ist zusätzlich zur Bewegung in der Ebene des Schweißspalts
10 noch schwenkbar, und zwar durch einen ihm zugeordneten Schwenkantrieb 28. Letzterer
ermöglicht eine Schwenkbewegung des Schweißkopfes 18 um eine parallel zur Längsrichtung
der herzustellenden Schweißraupen 16 liegende Drehachse 29.
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Auch die Umlenkung des aus einer in den Figuren nicht dargestellten
Hochleistungslaserquelle austretenden Laserstrahls 30 geht aus der Fig.2 anschaulich
hervor. Demnach tritt der Laserstrahl 30 in etwa senkrecht in die Vorrichtung ein
und gelangt von einem nachfolgend noch näher beschriebenen Strahlumformer 31 ebenfalls
senkrecht verlaufend auf einen Umlenkspiegel 32. Letzterer ist fest
mit
dem Kreuzschlitten 19 verbunden, d. h. lediglich höhenverfahrbar. Eine Spiegelfläche
33 des Umlenkspiegels 32 ist hier ebenflächig ausgebildet und unter 450 geneigt.
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Dadurch erfolgt am Umlenkspiegel 32, also am Kreuzschlitten 19, eine
Umlenkung des Laserstrahls 30 um 900 in eine Horizontale, und zwar ohne daß der
Strahlquerschnitt im wesentlichen verändert wird. Vom Umlenkspiegel 32 aus läuft
der Laserstrahl 30 in etwa parallel zur Schubstange 27 bzw. zu den Schweißraupen
16 bis zu einem Fokussierspiegel 34 am Schweißkopf 18. Im Gegensatz zum Umlenkspiegel
32 verfügt der Fokussierspiegel 34 über eine gewölbte, nämlich konkave Spiegelfläche
35, die gegenüber der Vertikalen geneigt ist. Durch den Fokussierspiegel 34 wird
dadurch der horizontal eintretende Laserstrahl 30 um 900 in eine Senkrechte umgelenkt
und gleichzeitig fokussiert.
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Ein Fokuspunkt 36 des fokussierten Laserstrahls 30 liegt hier in etwa
im Schweißpunkt 36, also in etwa auf der Längsachse der herzustellenden Schweißraupe
16.
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Der Schwenkantrieb 28 des Schweißkopfes 18 dreht hier den Fokussierspiegel
34 um seine mit der horizontalen Achse 37 des Laserstrahls 30 zusammenfallende Längsmittelachse
38. Dadurch wird der Laserstrahlkegel 39 des fokussierten Laserstrahls 30 in einer
quer zur Ebene des Schweißspalts 10 verlaufenden Ebene verschwenkt, wie die Fig.
1 zeigt.
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Aus dieser Figur geht auch hervor, daß ein Gehäuse 40 des Schweißkopfes
18 nicht mitverschwenkt wird.
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Der Querschnitt des ursprünglich kreisförmigen Laserstrahls 30 ist
durch den Strahlumformer 31 derart veränderbar, daß der Laserstrahl 30 mit einem
in etwa elliptischen Querschnitt aus dem Strahlumformer 31 austritt. Zu diesem Zweck
verfügt der Strahlumformer 31 über zwei Zylinderspiegel 41 bzw. 42. Beide Zylinderspiegel
41 und 42 sind leicht geneigt, wodurch innerhalb des Strahlumformers 31 der Laserstrahl
30 einen in etwa Z-förmigen Verlauf erhält. Die Spiegelfläche 43 der Zylinderspiegel
41, 42
weist einen konvexen Zylindermantelabschnitt auf, und zwar
im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit unterschiedlichen Krümmungsradien, wie die
Fig. 4 deutlich zeigt. Durch diese Wölbungen erfolgt eine stufenweise Verformung
des Laserstrahls mit entsprechenden Verformungsgraden. So erfährt der ursprünglich
kreisrunde, auf den ersten Zylinderspiegel 41 des Strahlumformers 31 auftreffende,
aufrechte Laserstrahl 30 eine elliptische Verformung bei einer schräggerichteten
Umlenkung zum zweiten Zylinderspiegel 42. Letzterer verfolgt den mit bereits elliptischem
Querschnitt eintretenden Laserstrahl 30 auf seinem endgültigen, stark elliptischen
Querschnitt bei einer wiederum erfolgenden Umlenkung in eine erneute Vertikale.
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Die Zylinderspiegel 41 und 42 verformen den ursprünglich kreisrund
vom Laser ankommenden Laserstrahl 30 nur in einer Richtung. Die große Achse des
aus dem Strahlumformer 31 austretenden elliptischen Laserstrahls 30 entspricht daher
dem Durchmesser des ursprünglichen Laserstrahls 30. Also erfolgt eine Stauchung
desselben nur in Richtung der kleinen Achse 44 des elliptischen Querschnitts.
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Die Anordnung des Strahlumformers 31 mit den Zylinderspiegeln 41,
42 erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel am Hubarm 21 des Kreuzschlittens
19. Die Relativlage der Zylinderspiegel 41, 42 ist dabei derart gewählt, daß der
vom Zylinderspiegel 42 reflektierte, elliptisch verformte Laserstrahl 30 auf den
Umlenkspiegel 32 am Kreuzschlitten 19 trifft, wobei die kleine Achse 44 des elliptischen
Laserstrahis 30 quer zur Ebene des Schweißspalts 10 zu liegen kommt, d. h. der Laserstrahl
30 aufrecht im Schweißspalt 10 verläuft. Somit kann der verformte Laserstrahl 30
ungehindert einen relativ engen Schweißspalt 10 passieren, und zwar mit einer nur
geringfügigen Verringerung der Fläche des ursprünglich runden Laserstrahls 30.
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Die Zufuhr eines Schweißdrahtes 22 zur Schweißstelle erfolgt - wie
ebenfalls die Fig. 2 zeigt - vom Schweißkopf 18 aus. Die Führung des Schweißdrahtes
22 im Schweißkopf 18 ist dabei derart ausgebildet, daß das freie Ende des Schweißdrahtes
22 in die Nähe des Fokuspunktes 36 des Laserstrahlkegels 39 gelangen kann. Zum Schweißkopf
18 hin gelangt der Schweißdraht 22 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vom
Kreuzschlitten 19 aus. Auf letzterem kann auch ein Vorrat des Schweißdrahtes 22,
beispielsweise auf einem Haspel, angeordnet sein. Ein Vorschub des Schweißdrahtes
22 kann vom Schweißkopf 18 aus erfolgen.
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Die Versorgung des Schweißkopfes 18 mit einem Schutzgas, Kühlmittel
od. dgl. ist in den Figuren nicht gezeigt.
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Prinzipiell kann sie aber ähnlich wie beim Schweißdraht 22 von außen
her, nämlich beispielsweise vom Kreuzschlitten 19 aus erfolgen.
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Der Bewegungsablauf der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung
einer Schweißnaht erfolgt nach folgendem Schema: Zur Herstellung einer Schweißraupe
16 ist der Schweißkopf 18 in der Horizontalen durch den Schubstangenantrieb 20 hin-
und herbewegbar. Bei jedem Hub des Schweißkopfes 18 von einem Ende der Platten 11
und 12 zum anderen entsteht eine Schweißraupe 16. In der horizontalen Endlage des
Schweißkopfes 18 erfolgt anschließend eine schrittweise Verschwenkung des Schweißkopfes
18 bzw. des Fokussierspiegels 34, wodurch bei der nachfolgenden Längsbewegung eine
neben der zuvor hergestellten Schweißraupe 16 liegende Schweißraupe entsteht. Wenn
auf diese Weise eine Schweißschicht 17 mit mehreren, im vorliegenden Falle fünf
nebeneinanderliegenden Schweißraupen 16 hergestellt worden ist, wird der Schweißkopf
18 zusammen mit dem Kreuzschlitten 19 durch den Hubarm 21 der Vorrichtung um den
Betrag einer Schichthöhe hochgefahren. Anschließend sind durch Hin- und Herbewegungen
des Schweißkopfes 18 mit zwischenzeitlichen
Verschwenkungen desselben
Schweißraupen 16 der neuen Schweißschicht 17 herstellbar.
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Mit der erfindungsgemäßen Engspaltschweißvorrichtung sind Platten
11 und 12 bzw. andersartige Werkstücke mit einer Breite von bis zu 500 mm schweißbar.
Die Länge einer Schweißraupe 16 kann in Abhängigkeit von der Konstruktion der Vorrichtung
mehrere Meter betragen. Einsetzbar ist die Vorrichtung ab etwa 10 mm Spaltbreite.
Die Schweißgeschwindigkeit, d. h. die Vorschubgeschwindigkeit des Schubstangenantriebs
20 kann bis zu 15 m/min betragen.
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Außer zum hier beschriebenen Schweißen von Engspalten eignet sich
die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zum Schweißen anderer Nahtformen, beispielsweise
Kehlnähten.
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Bezugszeichenl iste 10 Schweißspalt 11 Platte 12 Platte 13 Stirnfläche
14 Stirnfläche 15 Badsicherung 16 Schweißraupe 17 Schweißschicht 18 Schweißkopf
19 Kreuzschlitten 20 Schubstangentrieb 21 Hubarm 22 Schweißdraht 23 Lagerplatte
24 Treibrollenpaar 25 Rolle 26 Rolle 27 Schubstange 28 Schwenkantrieb 29 Drehachse
30 Laserstrahl 31 Strahlumformer 32 Umlenkspiegel 33 Spiegelfläche 34 Fokussierspiegel
35 Spiegelfläche 36 Fokuspunkt 37 Achse 38 Längsmittelachse 39 Laserstrahl kegel
40 Gehäuse 41 Zylinderspiegel 42 Zylinderspiegel 43 Spiegelfläche 44 kleine Achse