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Vorrichtung zum Uberwachen und Steuern des Schweißvorganges beim elektrischen
Widerstandsschweißen mittels Ultraschall Beim elektrischen Widerstandsschweißen
kann die Schweißzeit im allgemeinen durch Versuche ermittelt werden. Bei zu kurzen
Schweißzeiten wird die Schweißstelle ungenügend erwärmt, und das Material kommt
kaum zum Fließen. Bei zu langen Schweißzeiten verbrennt die Schweißstelle, so daß
unter Umständen das Werkstück Schaden nimmt.
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Die zulässige Toleranz für die Schweißleistung ist bei den einzelnen
zu verschweißenden Werkstoffen unterschiedlich, was eine weitereSchwierigkeit beim
Einstellen des Schweißgerätes bedeutet. Man ist z. B. in der Weise vorgegangen,
daß man auf Grund von Erfahrungswerten die Schweißdauer und Schweißstromstärke von
Fall zu Fall entsprechend wählte. Dabei war man naturgemäß von der Erfahrung der
Bedienungsperson weitgehend abhängig, und auch die größte Erfahrung konnte in den
Fällen nicht helfen, wo Unregelmäßigkeiten im Werkstoff vorlagen, sei es, daß Walzrisse,
Lunker od. dgl. im Innern des Werkstückes vorhanden waren, sei es, daß die chemische
Zusammensetzung zu verschweißender Legierungen etwa auf Grund von Unregelmäßigkeiten
in der Fabrikation von den Sollwerten abwich.
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Es sind nun zwar Überwachungs- bzw. Steuerungsanlagen für Schweißvorgänge
bekanntgeworden, die sich z. B. der Veränderlichkeit des Leistungsfaktors während
der Schweißstromzeit, der Messung der an der Schweißelektrode auftretenden Kraft
oder einer durch Wärmestrahlung
beeinflußbaren Fotozelle bzw. der
Temperaturveränderung an der Schweißstelle bedienen. Allen diesen Verfahren haftet
der Nachteil an, daß die Einleitung bzw. Beendigung der Steuervorgänge nicht genau
genug erfolgen kann und der Fließzustand der zu verschweißenden Werkstoffe bzw.
der Zeitpunkt, wann dieser eingetreten ist, durch die ganze Schweißstelle hindurch,
insbesondere bei wechselnder Stärke der Werkstoffe, nicht exakt genug bestimmt werden
kann, um eine sichere Steuerung oder Überwachung vornehmen zu können.
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Zur Verbesserung der Qualität der Schweißstelle ist es bekannt, beim
elektrischen Widerstandsschweißen der Schweißstelle Ultraschall zuzuführen. Durch
das Einleiten kräftiger Ultraschallschwingungen in eine Metallschmelze können bekanntlich
Gaseinschlüsse sehr einfach und wirksam herausgetrieben werden, so daß die Bildung
von Rissen od. dgl. in der Schweißstelle durch Anwendung von Ultraschall vermieden
wird. Diese vorteilhafte Wirkung kann auch durch eine Beeinflussung des Gefüges
der Schweißstelle durch den Ultraschall zustande kommen. Diese bekannten Verfahren,
mit denen die Erfindung nicht vergleichbar ist, können jedoch keine Hilfe bei den
vorstehend geschilderten Schwierigkeiten bedeuten. Eine dieser Schwierigkeiten besteht
z. B. in der Möglichkeit, daß im Werkstoff Walzrisse, Lunker od. dgl. vorhanden
sind, und solche Unterbrechungen im Materialgefüge würden durch Anwendung von Ultraschall
erst dann beseitigt, wenn das Werkstück unter dem Einfluß des Schweißstroms an der
betreffenden Stelle zum Fließen kommt. Vorher aber muß festgelegt. werden, welcher
Schweißstrom und welche Schweißzeit in Anwendung kommen soll, und hierfür können
die bekannten Verfahren keinerlei Anhaltspunkte liefern, mit denen eine genaue und
dem jeweiligen Schweißgut angepaßte Steuerung möglich oder aus denen eine exakte
Steuerung abzuleiten ist.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen und Steuern
des Schweißvorganges beim elektrischen Widerstandsschweißen unter Verwendung von
die Schweißstellen durchstrahlender Ultraschallenergie mit einem an der Schweißstelle
angebrachten Ultraschallgeber und -empfänger, dessen Ausgang, in Abhängigkeit von
Schallwiderstandsänderungen, Schaltmittel beeinflußt, die den einzelnen Schweißvorgang
steuern. Gemäß der Erfindung erfolgt die Durchstrahlung des Werkstückes mit Ultraschallimpulsen
nach dem Rückstrahlverfahren, und die von den Werkstücken reflektierten Impulse
werden empfangsseitig einer als Zählschaltung für die während eines Impulsfolgezyklus
auftretenden reflektierten Impulse dienenden Steuereinrichtung zugeführt, die die
erforderlichen Schweißstromschaltsignale beim Auftreffen der Rückstrahlimpulse für
die Einschaltung und beim Verschwinden desSchweißstellenimpulses für dieAbschaltung
des Schweißstromes liefert.
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Metalle sind bekanntlich verhältnismäßig gute .Leiter für_Schallschwingungen,
und es ist ebenfalls bekannt, daß quer zum Schallstrahl verlaufende Unterbrechungen
des Gefüges eine erhebliche Herauf setzung des Schallwiderstandes zur Folge haben.
Diese Tatsache wird also nach der Erfindung dazu ausgenutzt, um eine Anzeige zu
erhalten, sobald die Trennfuge zwischen den zu verbindenden Werkstückteilen beim
Schweißvorgang verschwindet, so daß der Schweißstrom daraufhin von Hand oder selbsttätig
ausgeschaltet werden kann.
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Grundsätzlich kann der Schall mit Hilfe eines magnetostriktiven oder
elektrostriktiven Schwingers unmittelbar neben der Schweißelektrode derart in die
Werkstücke eingeführt bzw. aus ihnen abgeführt werden, daß der Schall im Werkstück
die Bahn des Schweißstroms kreuzt. Vorteilhaft aber erfolgt die Schalleinstrahlung
bzw. -abnahme in bekannter Weise über die Schweißelektroden oder eine von ihnen.
Es ist dabei die Gewähr gegeben, daß die Schweißstelle exakt von den Schallstrahlen
erfaßt wird. Außerdem werden hierbei Schwierigkeiten vermieden, die durch die Wärmeentwicklung
des Schweißvorganges in den unmittelbar neben den Schweißelektroden aufgesetzten
Schwingern entstehen könnten. Um hierbei möglichst große Schallwiderstandsänderungen
zu erzielen und die Anzeige bzw. die Steuerung möglichst sicher zu gestalten, soll
man die verwendete Schweißelektrode derart formen, daß Schallreflexionen in ihrem
Innern weitgehend vermieden sind, daß sie also insbesondere bei reichlichem Querschnitt
keine ins Gewicht fallenden plötzlichen Querschnittsänderungen, bezogen auf die
Schallfortpflanzungsrichtung, aufweist.
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Es ist bekannt, daß kontinuierliche Ultraschallschwingungen zur Abschaltung
des Schweißvorganges benutzt werden, die hierbei wirksam werden, sobald eine einwandfreie
Schweißstelle hergestellt ist. Die Einschaltung und Dosierung des Schweißstroms
erfolgt hierbei über eine besondere Zeittaktvorrichtung. Demgegenüber unterscheidet
sich die neue Vorrichtung dadurch, daß der gesamte Schweißvorgang automatisch ohne
besonderes Zeittaktglied erfolgt. Die Einschaltung des Schweißstroms kann nur erfolgen,
wenn alle Ultraschallimpulse reflektiert werden. Sobald einer fehlt oder verschwindet,
wird entweder nicht eingeschaltet oder ausgeschaltet.
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Hierzu braucht nur auf die eine Schweißelektrode ein Schwingquarz
od. dgl. aufgesetzt zu werden, der sowohl zum Senden als auch zum Empfangen der
Ultraschallimpulse dient. Der ausgestrahlte Ultraschallimpuls wird dann an der ersten
Trennfuge zwischen der Schweißelektrode und dem Blech, ferner auch an der Trennfuge
zwischen den beiden aufeinanderliegenden Blechen, wo sich der Schweißvorgang abspielt,
und schließlich noch an der Trennfuge zwischen dem zweiten Blech und der Unterlage
bzw. der zweiten Schweißelektrode reflektiert. Die einzelnen reflektierten Spannungen
erreichen infolge ihrer verschiedenen Laufzeiten den Empfänger nacheinander und
werden dort zur Steuerung des Schweißvorganges weiter verarbeitet. Ihre - Unterscheidung
ist also beispielsweise auf
Grund der verschiedenen Laufzeiten der
reflektierten Impulse möglich.
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Dabei kann als Steuereinrichtung eine Zählschaltung für die während
eines Impulsfolgezyklus auftretenden reflektierten Impulse dienen, die die erforderlichen
Schweißstrom-Schaltsignale abgibt, wenn außer dem Werkstück-Vorderflächen- und gegebenenfalls
dem Werkstück-Rückwand-Impuls ein Schweißstellenimpuls auftritt bzw. verschwindet.
Als Zählschaltung kann ein Treppenspannungsgenerator dienen, dessen Ausgangsspannung
von jedem je Impulszyklus empfangenen Refleximpuls unabhängig von dessen Amplitude
um eine Stufe angehoben und nach Ablauf eines Impulsfolgezyklus auf den Wert Null
gesteuert wird. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß bei der üblichen
Werkstückeinspannung zwischen den Schweißelektroden praktisch nur drei Trennfugen
vorhanden sind, so daß sich bei genügendem Anpreßdruck der Elektroden drei ausgeprägte
Refleximpulse ausbilden, von denen der eine ausbleibt, wenn beim Durchführen der
Schweißung die mittlere Trennfuge infolge des Zusammenfließens der Metalle verschwindet.
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Hierbei ist es vorteilhaft, die reflektierten Impulse dem Treppenspannungsgenerator
über einen Amplitudenbegrenzer, insbesondere eine übersteuerte Verstärkerstufe,
zuzuführen.
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Die Ausgangsspannung des Treppenspannungsgenerators liegt zweckmäßig
an einer Potentialschwelle, die erst nach Erreichen des Treppenspannungswertes,
der sich beim Auftreten des Schweißstellenimpulses ergibt, eine die Schweißstromsteuerung
auslösende Spannung liefert.
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Schließlich kann es von Vorteil sein, die Anordnung nach der Erfindung
derart auszubilden, daß die Ausgangsspannung der Potentialschwelle am Steuerorgan
eines monostabilen Vibrators liegt, dem ein Ausgangsimpuls negativer Polarität entnommen
und an die Steuerelektrode eines Gas- oder Dampfentladungsrohres angelegt wird,
das an der nicht vorgespannten Steuerelektrode mit einer Speichervorrichtung, zweckmäßig
einem RC-Glied, ausgerüstet ist und den Schweißstrom bei gezündeter Entladung unterbricht,
bei erloschener Entladung -hingegen freigibt.
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In den Zeichnungen ist eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung
schematisch dargestellt, und zwar zeigt Fig. i das Blockschema eines Schweißautomaten
mit Impuls-Rückstrahl-Durchschaltung des Werkstückes, Fig.2 das genauer dargestellte
Schaltbild eines Teils der Einrichtung nach Fig. i und Fig. 3 das Diagramm einiger
Spannungen in der Vorrichtung gemäß Fig. i bzw. Fig. 2.
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Ein von Ultraschall-Rückstrählimpulsen gesteuerter Schweißautomat
besitzt gemäß Fig. i die Schweißelektroden 3 und 5, zwischen denen die Werkstücke
q. verschweißt werden sollen. 21 ist der Schweißtransformator, der durch das mit
34 angedeutete Relais ein- und ausschaltbar ist. Für die Schallein- bzw. -auskopplung
ist nur ein einziger Quarzschwinger 25 vorgesehen, der in Simultanschaltung mit
der im nachfolgenden beschriebenen Steuereinrichtung verbunden ist.
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Ein als Taktgeber dienender Wechselstromgenerator 26, dessen Frequenz
einige ioo0 Hz betragen kann, speist ein Verzerrungsglied 27, das in an sich bekannter
Weise aus der etwa sinusförmigen Spannung des Generators 26 positive Spannungsimpulse
erzeugt. Diese modulieren einen Hochfrequenzgenerator 28, und die von letzterem
erzeugten Hochfrequenzimpulse gelangen über eine Weiche 29 an den Quarzschwinger
25. Über die Schweißelektrode 3 werden also hochfrequente Schallimpulse in das Werkstück
q. hineingeleitet, und die an den hier bestehenden Trennfugen entstehenden Rückstrahlimpulse
gelangen über den Quarzschwinger 25 und die Weiche 29 in einen Empfänger 30, wo
sie verstärkt und demoduliert werden. Die Ausgangsspannungen des Empfängers werden
einem Treppenspannungsgenerator 31 zugeführt, der beim Eintreffen eines jeden reflektierten
Impulses seine Ausgangsspannung um einen bestimmten konstanten Betrag erhöht, bis
nach Ablauf einer Taktgeberperiode die Trennspannung wieder auf den Wert Null zurückgeführt
wird. An den Ausgang des Treppenspannungsgenerators ist eine monostabile Kippschaltung
32 angeschlossen, die über eine mit einer gittergesteuerten Gasentladungsröhre bestückte
Schaltstufe 33 die Ein- bzw. Ausschaltung des Schweißtransformators vornimmt. Hierfür
ist in Fig. i schematisch ein Relais 34 vorgesehen, das in der Praxis im allgemeinen
die Form eines elektronischen Schalters erhält, d. h. die Form zweier antiparallel
geschalteter steuerbarer Gas- oder Dampfentladungsstrecken.
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Beim Betrieb dieser Vorrichtung wird demnach ständig durch den impulsgetasteten
Ultraschallsender dem Empfänger ein Impulsgemisch zugeführt, das aus verschiedenen
reflektierten Impulsen besteht, die man nach ihrer Laufzeit eindeutig den verschiedenen
Trennfugen zwischen den Schweißelektroden und den miteinander zu verschweißenden
Werkstückteilen zuordnen kann. Beim Einschalten des Schweißstroms erhitzt sich die
Schweißstelle bis zum Zusammenfließen der mittleren Trennfuge. In diesem Augenblick
verändert sich das Reflexionsbild, indem der dieser Trennfuge zugehörige Refleximpuls
verschwindet. Das Verschwinden dieses Impulses wird in das Abschaltsignal für den
Schweißstrom umgewandelt. Außerdem wird hierbei das Einschalten des Schweißstroms
erst bewirkt, wenn der Anpreßdruck der Schweißelektroden einen genügend hohen Wert
erreicht hat. Erst wenn dies der Fall ist, kann sich nämlich der Rückstrahlimpuls
richtig ausbilden, der der Trennfuge zwischen den zu verbindenden Werkstückteilen
entspricht. Das Auftreten dieses Impulses ist also ein Kriterium dafür, daß nunmehr
der Schweißstrom eingeschaltet werden kann.
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Als Impulsfolgefrequenz, d. h. als Frequenz des Generators 26, kann
beispielsweise eine solche von 5ooo Hz verwendet werden. Die Arbeitsfrequenz des
Ultraschallsenders liegt z. B. um 5 MHz. Bei
der konstruktiven Ausführung
der Befestigung des Quarzschwingers 25 an der Schweißelektrode 3 sollen die üblichen
ultraschalltechnischen Vorkehrungen getroffen werden, die Reflexionsfreiheit und
einen guten Wirkungsgrad der Anordnung ermöglichen. Die Form der Schweißelektrode
3 ist zweckmäßig so zu wählen, daß neben guten schweißtechnischen Eigenschaften
möglichst wenig störende Ultraschallnebenreflexe an bzw. in der Elektrode selbst
entstehen können.
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Die Schaltung des Treppenspannungsgenerators 3 1 und der nachgeschalteten
Stufen 32 und 33 ist in Fig. 2 in einer beispielhaften Ausführungsform näher dargestellt.
Die Schaltung ist so gewählt, daß beim Verschwinden bzw. erheblichen Verkleinern
des der Werkstücktrennfuge entsprechenden Rückstrahlimpulses ein Steuervorgang entsteht,
der das Unterbrechen des Schweißstromes bewirkt. Das ist der Fall, wenn die beiden
Metalle in der Schweißstelle beim Schweißprozeß zusammengeflossen sind.
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In Fig. 3 a und 3 b sind Spannungsdiagramme dargestellt, die die während
einer Impulsfolgeperiode auftretenden Ultraschallimpulse in Abhängigkeit von der
Zeit zeigen, und zwar stellt Fig. 3 a den Fall dar, daß nach dem Ausstrahlen des
Senderimpulses A drei Rückstrahlimpulse B, C
und D vorhanden
sind. Dabei entspricht B der Trennfuge zwischen der Elektrode 3 und dem oberen
Teil des Werkstückes 4, C der Trennfuge zwischen den beiden Werkstückteilen und
D der Trennfuge zwischen dem unteren Werkstückteil und der Schweißelektrode 5. Im
allgemeinen wird zeitlich nach dem Rückstrahlimpuls D noch ein weiterer Rückstrahlimpuls
auftreten, der dem unteren Ende der Schweißelektrode 5 entspricht, doch liegt dieser
in verhältnismäßig großem Abstand von D und ist nicht dargestellt, da er für die
Arbeitsweise der Schaltung keine Bedeutung besitzt. Hat der Schweißstrom das Zusammenfließen
des Werkstückmetalls bewirkt, so verschwindet damit nahezu oder völlig der Rückstrahlimpuls
C, und es ergibt sich ein Spannungsdiagramm gemäß Fig. 3 b.
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Die Ausgangsspannung des Empfängers 30 wird der Schaltung nach
Fig. 2 über die Klemme 35 zugeführt und in der Diode 36 gleichgerichtet. In der
Verstärkerröhre 37 werden die gleichgerichteten Impulse durch Übersteuerung der
Röhre derart verformt, daß je ein schmaler Rechteckimpuls von konstanter Amplitude
entsteht, wie dies in Fig. 3 c dargestellt ist. Von diesen Rechteckimpulsen wird
ein Treppenspannungsgenerator angestoßen, der aus den Dioden 38, 39 und dem Kondensator
4o besteht. Sind gemäß Fig.3 a drei Rückstrahlimpulse vorhanden, also auch drei
Rechteckimpulse gemäß Fig. 3 c, so wird eine Treppenspannung mit drei Stufen gemäß
Fig. 3 d erzeugt. Am Ende einer jeden Meßperiode wird die dann erreichte Treppenspannung
mit Hilfe eines Taktgeberimpulses auf .den Wert Null zurückgeführt; dieser Taktgeberimpuls
eilt dem Senderimpuls zeitlich etwas vor und wird der Klemme4r zugeführt. Er gelangt
an das Gitter einer Triode 42, die mittels des Potentiometers52 so vorgespannt ist,
daß die mit ihrer Kathode verbundene Diode 43 nicht leitend ist, solange die Treppenspannung
nicht mehr als zwei Stufen aufweist. Wird jedoch am Ende der Meßperiode dem Gitter
der Triode 42 vom Taktgeber her über die Klemme 41 ein negativer Sperrimpuls genügender
Breite zugeführt, wie er in Fig. 3 g dargestellt ist, so verschwindet der Spannungsabfall
am Kathodenwiderstand der Röhre 42 und damit auch die Vorspannung der Diode 43.
Dann entlädt sich der Treppenspannungskondensator 4o über dem Kathodenwiderstand
der Röhre 42.
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Der Kondensator 40 ist ferner über eine weitere vorgespannte Diode
44 mit einer monostabilen Kippschaltung verbunden, die aus den Röhren 45 und 46
besteht. Weist die Treppenspannung drei Stufen auf (Fig. 3 d), so gelangt bei richtiger
Einstellung der Vorspannung der Diode 44 mittels des Potentiometers 47 ein Signal
an die Kippschaltung. Dabei ist das Potentiometer 47 so einzustellen, daß dies erst
bei Vorhandensein der dritten Stufe der Treppenspannung geschieht. Das dann an das
Steuergitter der Röhre 45 gelangende Signal bringt den monostabilen Vibrator zum
Umkippen. An der Anode der Röhre 45 tritt hierbei ein negativer Impuls auf, der
über eine Diode 48 an das Gitter des steuerbaren Gasentladungsgefäßes 49 gelangt.
Dabei ist im Gitterkreis dieser Röhre eine Widerstands-Kondensator-Kombination vorgesehen,
deren Zeitkonstante so gewählt ist, daß das Rohr 49 bei kontinuierlichem Erscheinen
des negativen Impulses nicht zündet.
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Fällt jedoch der Impuls C fort, so entstehen am Kondensator 4o nur
zwei Treppenstufen, wie dies in Fig. 3 e angedeutet ist. Der Vibrator 45, 46 wird
nicht angestoßen, weil bei nur zwei Treppenstufen die Spannung am Kondensator 40
nicht hoch genug wird, um die Diode 44 leitend zu machen. Damit wird sodann die
negative Ladung am Gitter des Rohres 49 nicht mehr erneuert, so daß dieses Rohr
zündet, sobald der in seinem Gitterkreis liegende Kondensator genügend weit entladen
ist. Das Zünden des Rohres 49 erzeugt an seiner Anode einen Steuerimpuls (Fig. 3
f), der über die Klemme 5o an die Schaltvorrichtung 34 des Schweißtransformators
gegeben wird und diesen dazu veranlaßt, den Schweißstrom abzuschalten.
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Ist der Anpassungsdruck der Schweißelektrode nicht hoch genug, so
kann kein Schweißstrom fließen, da das Gasentladungsrohr 49 so eingestellt ist,
daß es laufend, z. B. im 5o-Hz-Takt, Sperrimpulse abgibt. Dies ist so lange der
Fall, wie nur zwei oder weniger reflektierte Impulse vorhanden sind. Erst in dem
Augenblick, wo der Elektrodendruck hoch genug ist, um ein gutes Eindringen des Ultraschalls
in das Werkstück zu ermöglichen, bildet sich ein deutlicher dritter Refleximpuls
C aus. Dann sind also drei Impulse zum Steuern des Treppenspannungsgenerators vorhanden,
es werden negative Impulse an das Gitter des Rohres 49 gegeben, die den Kondensator
des Gitter-Zeitkonstantengliedes aufladen und nach erfolgter Rufladung bewirken,
daß das Rohr 49 keine Sperrimpulse
über die Klemme 5o an das Schaltgerät
34 abgeben kann. Damit wird also der Schweißtransformator 21 eingeschaltet, und
der Schweißvorgang kann beginnen.