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Die Erfindung betrifft einen Schweißkopf zur Durchführung des Widerstandsschweißens, Widerstandslötens oder Warmnietens, wobei die zu verbindenden Werkstücke durch Widerstandserwärmung bei gleichzeitig ausgeübter Druckkraft (Schweißkraft) auf eine Fügestelle (beim Schweißen die sog. Schweißstelle) stoffschlüssig oder über Lot miteinander verbunden werden.
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Beim Widerstandsschweißen werden zwei elektrisch leitfähige Werkstücke durch einen elektrischen Stromfluss bis zum Aufschmelzen erhitzt. Die Schmelze erstarrt nach dem Stromfluss und bildet eine Schweißverbindung. Hierbei wird die Bildung einer innigen Verbindung ggf. durch Zusammendrücken während und nach dem Stromfluss unterstützt (Widerstands-Pressschweißen). Das Widerstandsschweißen erfolgt im Allgemeinen ohne Zufuhr eines Zusatzwerkstoffes. Das Widerstands-Punktschweißen als Sonderform des Widerstandsschweißens wird beispielsweise zur Verbindung von Stahlblechen im Karosserie- und Fahrzeugbau verwendet. Es dient aber auch zum Verschweißen von Aluminium oder anderen Metallen, z. B. bei der Herstellung von Kondensatoren, Anschlüssen von Spulen und Motorwicklungen oder Kontaktsätzen für Relais- und Leitungs-Schutzschalter. Das Widerstands-Punktschweißen bietet den Vorteil, innerhalb kürzester Zeit eine hohe Energie in Form von elektrischem Strom auf eine kleine Fläche eines Werkstücks zu konzentrieren, wobei unter Zuführung von hohem Druck, welcher pneumatisch oder elektromechanisch aufgebracht wird, eine unlösbare Verbindung entsteht.
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Beim Widerstandslöten erzeugt ein elektrischer Stromschluss an einer Lötstelle Wärme. Es eignet sich zum Verlöten von Teilen ungleicher Masse, beispielsweise von Kleinteilen auf Bleche, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Die Lötstelle bildet hierbei einen elektrischen Widerstand und er wärmt sich direkt.
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Für die beschriebenen Anwendungsgebiete sind Schweißköpfe bekannt. Diese tragen eine Elektrode, welche in Richtung einer Gegenelektrode beweglich gelagert sind. Die zu fügenden Werkstücke werden zunächst zwischen beiden Elektroden positioniert und anschließend durch eine Bewegung der Elektrode des Schweißkopfes auf die Gegenelektrode gedrückt. Während des Verbindungsprozesses kommt es durch eine erforderliche Prozesstemperatur und Schweißkraft zu einer Materialerweichung, welche durch den Druck der Elektroden auf die Werkstücke zu einem so genannten Nachsetzen des Schweißkopfes führt.
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Aus dem Stand der Technik ist ein Schweißkopf mit einem Antrieb und mit einer Elektrode, welche beweglich gelagert ist, bekannt, vgl.
"Mikroschweisskopf mit einstellbarer Elektrodenkraft", im Internet erhältlich unter www.isomatic.com/html/Deutsh/ksk.htm am 28.09.2010. Hierbei kann die Schweißkraft zwischen 0,7 und 200 Newton eingestellt werden.
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Ein Schweißkopf mit einem Antrieb und einer Elektrode, welche beweglich gelagert ist, ist auch aus dem Dokument
"Constant Force Weld Head by MacGregor" erhältlich im Internet unter http://www.macgregorsystems.com/files/downloads/Constant%20Force%20Weld%20Head.pdf am 05.10.2010, bekannt.
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Im genannten Stand der Technik wird das Nachsetzen des Schweißkopfs bzw. der daran montierten Elektrode über eine Pneumatik-Einrichtung vorgenommen. Negativ wirken sich hierbei deren träges Verhalten und dadurch eine Minderung der Schweißkraft während des Nachsetzens der Elektrode beim Schweißen aus, was zu eine verminderten Qualität des Verbindungsprozesses führt. Beim Einsatz von Linear-Antrieben in der Elektrodensteuerung wirkt sich nachteilig aus, dass die Schweißkraft während des gesamten Schweißvorgangs nicht konstant gehalten werden kann. Qualitativ hochwertige und günstige Verbindungsprozesse erfordern jedoch eine optimal ausgelegte Regelung des Nachsetzverhaltens.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schweißkopf anzugeben, welcher ein Nachsetzverhalten des Schweißkopfs im Vergleich zum Stand der Technik verbessert.
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Diese Aufgabe wird durch einen Schweißkopf mit einem Antrieb und mit einer Elektrode, welche beweglich gelagert ist, gelöst. Der Schweißkopf ist dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb, ein elastisches Element und die Elektrode in einer Linie angeordnet sind, sodass eine Wirkungslinie einer Kraft, welche ausgehend von dem Antrieb oder dem elastischen Element auf die Elektrode wirkt, zentrisch durch die Elektrode verläuft.
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Durch den Schweißkopf werden mehrere Vorteile erzielt. So optimiert die lineare Anordnung von Antrieb, elastischem Element und Elektrode das Nachsetzverhalten der Elektrode, da keine Kraftmomente zwischen dem Antrieb und der Fügestelle oder zwischen dem elastischen Element und der Fügestelle auftreten können. Ein Kraftmoment würde eine erhöhte Reibung in Führungen der Elektrode bewirken und eine höhere Trägheit und damit ein schlechteres Nachsetzverhalten des Schweißkopfes nach sich ziehen. Demgegenüber ermöglicht der erfindungsgemäße Schweißkopf eine optimal ausgelegte Regelung des Nachsetzverhaltens, welche in direkter Nähe der Fügestelle realisiert ist. Ein wichtiger Vorteil dieser Konstruktion im Vergleich zum Stand der Technik ist somit der direkte Kraftfluss vom Antrieb über das elastische Element bis hin zur Elektrode. Hierbei dient das elastische Element der Nachsetzregelung. Da die Wirkungslinie der Schweißkraft zentrisch und längs durch die Elektrode verläuft, treten keine Relativbewegungen zu den Werkstücken auf. Dies führt zu einer hohen Reproduzierbarkeit und wenig Elektrodenverschleiß.
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Die Konstruktion ermöglicht ferner eine kompakte Bauweise des Schweißkopfes. Dadurch sind auch ergonomische und teilmechanisierte Lösungen möglich. Ferner ist eine Einbaulage des Schweißkopfes beliebig. Auch lässt sich der Schweißkopf einfach isolieren. Die kompakte Bauweise ermöglicht ferner den Einsatz des Schweißkopfes als Basiskonzept im Rahmen eines Plattformkonzepts, welches diese Ressource verwendet. Auch kann der Schweißkopf durch seine bewegliche Elektrode für unterschiedliche Materialfluss-Systeme wie etwa Schieberaufnahme, Drehteller oder Werkstückträger eingesetzt werden.
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In einer Weiterbildung ist der Schweißkopf zu einer Bewegung der Elektrode synchron zum Antrieb eingerichtet, solange die Elektrode an keinem Werkstück anliegt, indem eine Druckkraft vom Antrieb auf die Elektrode ausgeübt wird. Weiterhin ist der Schweißkopf zu einer Entkoppelung der Elektrode vom Antrieb und zu einer Bewegung der Elektrode relativ zum Antrieb mittels des elastischen Antriebs eingerichtet, solange die Elektrode an einem Werkstück anliegt.
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Eine Druckkraft auf die zu verbindenden Werkstücke wird hierbei direkt vom Antrieb in die bewegliche Elektrode des Schweißkopfes eingebracht. Auch eine Federwirkung des elastischen Elements geht auf direktem Wege in die Elektrode ein. Der Kraftfluss von Antrieb und elastischem Element ist beim Nachsetzverhalten jedoch getrennt. Somit ist eine Federkraft des elastischen Elements von einer Kraft des Antriebs mechanisch entkoppelt. Dies führt zu einer hohen reproduzierbaren Qualität von Widerstandsschweißungen und ermöglicht es, auch anspruchsvollste Buntmetallschweißungen durchzuführen. Die Entkoppelung des Antriebs gegenüber der Elektrode mittels des elastischen Elements verringert Reibungsverluste und erhöht die Reproduzierbarkeit.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das elastische Element des Schweißkopfes eine Druckfeder, insbesondere eine Schraubenfeder, welche zur Übertragung einer Schweißkraft auf die Elektrode angeordnet und für eine Regelung einer Nachsetzbewegung der Elektrode gegenüber einem Werkstück ausgelegt ist.
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Druckfedern sind Bauteile, welche unter Belastung nachgeben und nach Entlastung in ihre ursprüngliche Form zurückkehren, sich also elastisch rückstellend verhalten. Die rücktreibende Kraft einer Druckfeder ist nach dem Hookeschen Gesetz proportional zu einer Verschiebung eines Kraftangriffspunktes entgegen einer Kraftrichtung, in welcher die Druckfeder wirkt.
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Die zuvor genannte Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Druckfeder den Nachsetzweg regelt und gleichzeitig die Schweißkraft während der Prozessdauer nahezu konstant hält. Die Druckfeder ermöglicht somit ein optimales Nachsetzverhalten der Elektrode während des Schweißens. Der Schweißkopf kann daher für anspruchsvollste Buntmetallschweißungen verwendet werden.
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In einer Weiterbildung ist der Antrieb des Schweißkopfes durch mindestens einen pneumatischen Zylinder realisiert. In einer darauf aufbauenden Weiterbildung ist der Schweißkopf zum Vorschub der Elektrode um einen Elektrodehub während eines Ausfahrens des pneumatischen Zylinders eingerichtet, bis die Elektrode auf ein Werkstück aufsetzt. Weiterhin ist der Schweißkopf zu einer Kompression des elastischen Elements um einen Federweg während des Ausfahrens des pneumatischen Zylinders eingerichtet, nachdem die Elektrode auf das Werkstück aufgesetzt hat, wobei der Federweg die Differenz des Zylinderhubs und des Elektrodenhubs bildet und gemeinsam mit einer Vorspannung des elastischen Elements eine Schweißkraft definiert, welche auf das Werkstück ausgeübt wird. Abschließend ist der Schweißkopf eingerichtet zum Vorschub der Elektrode um einen Nachsetzweg während eines Schweißvorgangs mithilfe des elastischen Elements, wobei die Kompression des elastischen Elements um den Nachsetzweg vermindert wird.
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Diese Weiterbildung beschreibt die zuvor beschriebene Entkoppelung von Elektrode und Antrieb im Detail. Die zuvor genannten Vorteile gelten entsprechend.
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Gemäß einer darauf aufbauenden Weiterbildung weist der Schweißkopf einen Sensor auf, welcher zur Erkennung eines Ausbleibens der Kompression des elastischen Elements während des Ausfahrens des pneumatischen Zylinders eingerichtet ist. Hierdurch ist ein Fehlen eines Werkstücks detektierbar. Das Signal des Sensors kann hierbei auch als Startsignal für einen Schweißprozess herangezogen werden, da hierbei kontrolliert werden kann, ob Werkstücke zum Schweißen vorhanden sind.
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In einer anderen Weiterbildung ist der Schweißkopf mit einem Messtaster ausgestattet, welcher zur Messung des Nachsetzwegs der Elektrode angeordnet ist. Der Messtaster misst hierbei den Nachsetzweg der Elektrode während des Schweißens. Vorteilhaft wirkt sich hierbei aus, dass der Messtaster kontinuierlich während des gesamten Schweißvorgangs arbeiten kann. Dies führt zu einer sicheren Prozesskontrolle. Der Nachsetzweg kann hierbei direkt aus dem Federweg gewonnen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Elektrode des Schweißkopfs zwischen zwei beidseitig angeordneten Elektrodenführungen, insbesondere Kugelführungen, beweglich geführt.
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Hierbei werden die Elektrodenführungen in einer Elektrodenebene paarweise der Elektrode angeordnet, wobei die Schweißkraft zentral durch die Elektrode geführt wird. Dies bietet den Vorteil, dass eine Reibung in den Elektrodenführungen verringert wird. Dies reduziert auch die Trägheit des Schweißkopfes und führt insgesamt zu einem besseren Nachsetzverhalten der Elektrode beim Schweißen. Auch hierbei wirkt sich vorteilhaft aus, dass der zuvor beschriebene Kraftfluss bzw. die Wirkungslinie der Kraft in einer Linie mit der Elektrode, aber auch der Elektrodenführung liegen. Weiterhin bietet diese Konstruktion den Vorteil, dass ein Elektrodenhalter, welcher die bewegliche Elektrode aufnimmt, nur eine geringe Masse aufweist. Dies führt zu einer geringen Massenträgheit und hohen Elektrodenbeschleunigungen. Die Kugelführungen bieten den besonderen Vorteil, die Reibwerte in den Elektrodenführungen zusätzlich zu senken. Insgesamt wird hierdurch das dynamische Verhalten des Schweißkopfes unterstützt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Schweißkopf eine Kühlwasserdurchführung auf, welche zur Kühlung der Elektrode eingerichtet ist. Hierdurch können konstante Wärmeverhältnisse erzielt werden.
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Der Schweißkopf eignet sich zum Schweißen, insbesondere dem Widerstandsschweißen, Widerstands-Pressschweißen und Widerstands-Punktschweißen, zum Löten, insbesondere auch dem Widerstandslöten, oder auch zum Warmnieten. Dies bietet den Vorteil, dass der Schweißkopf durch Verfahrenssubstitution als Ressource für unterschiedliche Verbindungstechnologien genutzt werden kann.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 vier Betriebszustände des Schweißkopfes,
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2 eine Ansicht des Schweißkopfes mit einer Zerlegung in seine Bestandteile,
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3A eine Frontalansicht mit einem Schnitt durch den Schweißkopf,
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3B eine Seitenansicht auf den Schweißkopf,
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3C eine Aufsicht auf den Schweißkopf.
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1 zeigt einen Schweißkopf 1 in einem ersten Betriebszustand 11, einem zweiten Betriebszustand 12, einem dritten Betriebszustand 13 sowie einem vierten Betriebszustand 14. Der Schweißkopf 1 setzt sich jeweils aus einem Antrieb 2, einer Elektrode 3, einem elastischen Element 4, einem Sensor 8, einem Messtaster 9 und Elektrodenführungen 30 zusammen. Der Antrieb 2, das elastische Element 4 und die Elektrode 3 sind in einer Wirkungslinie 5 angeordnet. Unter dem Schweißkopf 1 sind jeweils zwei Werkstücke 6, welche miteinander verschweißt werden sollen, eingezeichnet. Der Antrieb 2 beinhaltet zwei Endlagenabfragen 40. Die genaue Anordnung des Sensors 8 kann den weiteren Figuren, die später beschreiben werden, entnommen werden. Das elastische Element 4 ist in 1 als Druckfeder, genauer als Schraubenfeder gezeigt. Der Antrieb 2 beinhaltet beispielsweise einen oder mehrere pneumatische Zylinder, welche in 1 nicht näher eingezeichnet sind. Der Antrieb 2 entfaltet seine Antriebskraft entlang der Wirkungslinie 5 und überträgt sie entlang der Senkrechten auf die weiteren in 1 sichtbaren Elemente des Schweißkopfes 1, insbesondere das elastische Element 4 und die Elektrode 3. Ein galvanischer Überzug der Elektrode 3 verhindert eine Korrosion der Elektrode 3 und vermeidet Kontaktwiderstandsveränderungen.
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Im ersten Betriebszustand 11 befindet sich der Schweißkopf 1 in einer Grundstellung. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass der Antrieb 2 mit einem pneumatischen Zylinder realisiert ist, der im ersten Betriebszustand 11 eingefahren ist. Der pneumatische Zylinder befindet sich hierbei entlang der Wirkungslinie 5 im Antrieb 2. In Verlängerung des pneumatischen Zylinders ist in 1 eine Distanzhülse 21 eingezeichnet, welche einen Zylinderhub Z des pneumatischen Zylinders im ersten Betriebszustand 11, in dem der pneumatische Zylinder eingefahren ist, begrenzt. Mithilfe der Distanzhülse 21 ist der Zylinderhub Z des pneumatischen Zylinders variabel einstellbar. Zur Veränderung des Zylinderhubs Z ist die Distanzhülse 21 durch eine Distanzhülse mit geeigneten Abmessungen auszutauschen. Das elastische Element 4 ist im ersten Betriebszustand 11 vorgespannt.
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Im zweiten Betriebszustand 12 ist der pneumatische Zylinder vollständig ausgefahren und hat hierbei den Zylinderhub Z zurückgelegt. Die Elektrode 3 hat beim Übergang vom ersten Betriebszustand 11 in den zweiten Betriebszustand 12 einen Elektrodehub E zurückgelegt und auf die Werkstücke 6 aufgesetzt. Da die Elektrode 3 auf die Werkstücke 6 bereits aufsetzt, bevor der pneumatische Zylinder um den gesamten Zylinderhub Z ausgefahren ist, wird das elastische Element 4 zusätzlich zu der bereits im ersten Betriebszustand 11 vorhandenen Vorspannung noch um einen Federweg F zusammengedrückt, der in 1 ebenfalls gezeigt ist. Das elastische Element 4 ist im zweiten Betriebszustand 12 folglich überdrückt. Die Elektrode 3 drückt nun mit einer Schweißkraft auf die Werkstücke 6.
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Die Schweißkraft ergibt sich hierbei aus der Vorspannung des elastischen Elements 4 und dem Federweg F. Sie kann variabel zwischen 240 und 1400 N eingestellt werden. Die Einstellung erfolgt ggf. im zweiten Betriebszustand 12. Hierzu wird eine Vorspannung V (in 3A eingezeichnet) des elastischen Elements 4 beispielsweise zwischen 1,8 und 8,5 mm eingestellt. Der Federweg F wird beispielsweise zwischen 1 und 3 mm, vorzugsweise bei 1,5 mm eingestellt. Je nach Konstruktion können sich auch andere Grenz- und Richtwerte für die Schweißkraft, den Federweg F und die Vorspannung V ergeben.
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Der Zylinderhub Z setzt sich aus dem Elektrodehub E und dem Federweg F zusammen. Der Messtaster 9 ist als induktiver Aufnehmer ausgeführt und misst während des Schweißvorgangs das Nachsetzen der Elektrode 3.
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Der Schweißvorgang findet zwischen dem zweiten Betriebszustand 12 und dem dritten Betriebszustand 13 statt, und ist in letzterem bereits abgeschlossen. Während des Schweißvorgangs sinkt die Elektrode 3 um den Nachsetzweg N in die Werkstücke 6 ein. Entsprechend verringert sich die Kompression des elastischen Elements 4 ausgehend vom Federweg um den Nachsetzweg N.
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Der vierte Betriebszustand 14 zeigt den Fall, dass der pneumatische Zylinder um den Zylinderhub Z vollständig ausgefahren wird, wobei jedoch keine Werkstücke 6 vorhanden sind, weshalb die Elektrode 3 ins Leere geschoben wird. In diesem Fall findet also keine Kompression des elastischen Elements 4 um den Federweg F statt, d. h. das elastische Element 4 ist im vierten Betriebszustand 14 nicht beaufschlagt. Dies kann durch den Sensor 8 detektiert werden und dient zur Kontrolle, ob Werkstücke zum Schweißen vorhanden sind.
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Zusammenfassend bewegt sich die Elektrode 4 solange synchron zum Antrieb 2 bzw. zur Bewegung des pneumatischen Zylinders, wie sie an keinem Werkstück 6 anliegt. Sobald die Elektrode 3 an einem Werkstück 6 anliegt, wird sie vom Antrieb 2 entkoppelt und bewegt sich relativ zu der Bewegung des pneumatischen Zylinders. Dies wird durch das elastische Element 4 ermöglicht.
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2 zeigt erneut einen Schweißkopf 1 mit einem Antrieb 2, einer Elektrode 3 und einem elastischen Element 4, welche erneut auf einer Wirkungslinie 5 angeordnet sind. Zusätzlich sind auch ein Sensor 8, eine Distanzhülse 21, ein pneumatischer Zylinder 20 und Elektrodenführungen 31 eingezeichnet. Die genannten Elemente haben die gleiche Funktion wie zuvor beschrieben. 2 zeigt die Montage der genannten Elemente im Detail.
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3A zeigt eine Frontalansicht eines Schweißkopfes 1 mit einem Schnitt durch den Schweißkopf 1. Gezeigt sind erneut ein Antrieb 2, eine Elektrode 3 und ein elastisches Element 4, welche auf einer Wirkungslinie 5 linear angeordnet sind. Weiterhin gut zu erkennen sind eine Distanzhülse 21 und Elektrodenführungen 30. Zusätzlich zu einem Zylinderhub Z, einem Federweg F und einem Elektrodehub E ist in 3A auch eine Vorspannung V eingezeichnet, um welche das elastische Element 4 vorgespannt wird. Die genannten Elemente haben die gleiche Funktion wie zuvor beschrieben.
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3B zeigt einen Schweißkopf 1 in einer Seitenansicht. Neben einem Antrieb 2, einem elastischen Element 4 und einer Elektrode 3, welche erneut in einer Wirkungslinie 5 linear angeordnet sind, zeigt 3B auch eine Distanzhülse 21, einen Sensor 8 und einen Anschluss für eine Spannungsmessleitung 50. Der Anschluss für eine Spannungsmessleitung 50 dient hierbei einer Messung eines Spannungsabfalls zwischen den Elektroden. Die anderen Elemente haben die gleiche Funktion wie zuvor beschrieben.
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3C zeigt eine Aufsicht auf einen Schweißkopf 1. Hierbei ist teilweise ein Schnitt durch den Schweißkopf 1 gezeigt, wobei insbesondere eine Elektrode 3 und ein Antrieb 2 zu erkennen sind.
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Die genannten Ausführungsformen, Weiterbildungen und Ausführungsbeispiele lassen sich frei miteinander kombinieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Mikroschweisskopf mit einstellbarer Elektrodenkraft”, im Internet erhältlich unter www.isomatic.com/html/Deutsh/ksk.htm am 28.09.2010 [0005]
- ”Constant Force Weld Head by MacGregor” erhältlich im Internet unter http://www.macgregorsystems.com/files/downloads/Constant%20Force%20Weld%20Head.pdf am 05.10.2010 [0006]
