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Erfindungsgebiet
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Hier beschriebene Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf ein Schweißverfahren und eine Schweißvorrichtung.
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Hintergrund
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Beim Laserschweißen wird im Allgemeinen ein stabiles Schweißen durchgeführt, wenn ein Abstand einer Nut 0,2 mm oder weniger ist. Wenn der Abstand der Nut 0,2 mm übersteigt ist es notwendig, Schweißdraht zuzuführen, eine Kombination mit Bogenschweißen vorzunehmen und ähnliches. Es war bekannt, eine dicke Verbindungsausbildung (Thick Joint Formation) durchzuführen, indem ein Schweißdraht zugeführt wird (siehe beispielsweise Proceedings of the 63rd Laser Materials Processing Conference (Mai 2005) „Application of high-power solid-state laser processing in heavy industry field"). Des Weiteren ist ein Bogenschweißen, ein MIG-Schweißen (Metal-Inertgas-Schweißen) ein TIG-Schweißen (Tungsten-Inertgas-Schweißen) und ähnliches bekannt.
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Laserschweißen ermöglicht es, ein Schweißobjekt in einer hohen Geschwindigkeit augenblicklich zu schmelzen und schweißen, da die Energiedichte des Laserstrahls hoch ist. Des Weiteren ist im Zusammenhang mit dem Laserschweißen nur Eintrag klein und der Wärmeeinfluss und Schweißstörungen auf/in einem Randabschnitt sind ebenfalls klein, da die Energiedichte des Laserstrahls hoch ist. Wenn jedoch in der Nähe einer Schweißlinie eine andere Schweißlinie existiert, wird auch beim Laserschweißen in einigen Fällen zur Zeit des Schweißens der ersten Schweißlinie eine Form einer Nute der zweiten Schweißlinie durch Wärme verformt. Ein solches Problem taucht in einer Kühlstruktur auf, in der ein supraleitender Draht aufgenommen ist, um beispielsweise eine supraleitende Spule zu bilden.
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10 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Kühlstruktur zeigt, die noch nicht verschweißt ist.
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Eine Kühlstruktur 100 enthält gemäß diesem Beispiel einen Plattenkörper 111 und eine Mehrzahl von Deckelkörpern 112. Der Plattenkörper 111 enthält eine Mehrzahl von Nutabschnitten 113, die parallel eingeordnet sind, und Wandabschnitte 114, die jeweils zwischen diesen Nutabschnitten 113 angeordnet sind. Supraleitende Drähte und ähnliches werden in den Nutabschnitten 113 aufgenommen. Der Wandabschnitt 114 enthält einen hervorspringenden Abschnitt 115, der in der dicken Richtung dünn ist und der an dessen oberen Abschnitt angeordnet ist, flache Abschnitte 116, die an beiden Seiten des hervorspringenden Abschnitts 115 vorgesehen sind. Der Deckelkörper 112 hat somit die beiden Endabschnitte durch die flachen Abschnitte 116 getragen und ist angeordnet, um den Nutabschnitt 113 zu bedecken.
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Entlang einer Seite des Deckelkörpers 112 (zwischen dem hervorspringenden Abschnitt 115 und dem Deckelabschnitt 112) ist eine Schweißlinie 117 angeordnet, wo das Schweißen durchgeführt wird. Die Schweißlinie 117 ist ein virtuelles Liniensegment, wo das Schweißen geplant ist, und entspricht einem zu schweißenden Abschnitt, der durch Schweißen gebildet wird. Ein Abstand zwischen den zwei Schweißlinien 117, die an beiden Seiten des hervorspringenden Abschnitts 115 vorgesehen sind, ist gemäß diesem Beispiel nicht kleiner als 2 mm und nicht mehr als 10 mm.
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Das Schweißen der Kühlstruktur 100 wird zum Beispiel wie folgt durchgeführt. Zunächst, wie es in 11 gezeigt ist, wird die Emission eines Laserstrahls auf der gesamten Schweißlinie 117, die an einer Seite der Oberflächenseite des hervorspringenden Abschnitts 115 angeordnet ist, von einem Endabschnitt zu dem anderen Endabschnitt in einer Schweißrichtung durchgeführt, und ein geschweißter Abschnitt 118 wird gebildet. Anschließend wird die Einstrahlemission des Laserstrahls auch an der gesamten Schweißlinie 117, die an der anderen Seite der Oberflächenseite des hervorspringenden Abschnitts 115 angeordnet ist, von einem Endabschnitt bis zu dem anderen Endabschnitt in einer Schweißrichtung durchgeführt, und ein geschweißter Abschnitt 118 wird gebildet, der nicht gezeigt ist.
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Zu dieser Zeit, wenn der Abstand zwischen den beiden Schweißlinien 117 eng ist, wird zur Zeit des Schweißens der ersten Schweißlinie 117 eine Nut der nächsten Schweißlinie 117 verformt, so dass sie einen geweiteten Abstand hat. Wenn der Abstand der Nut geweitet ist, reicht die Emission des Laserstrahls nicht aus, und das Schweißen wird bei der Durchführung schwierig, so dass ein Schweißdraht oder ähnliches erforderlich wird. Des Weiteren, wenn der Abstand der Nut geweitet ist, neigt sich der Deckelkörper 112 in einer solchen Art, dass seine seitliche Oberfläche auf der Seite entgegengesetzt zu der seitlichen Oberfläche, die die Nut bildet, angehoben wird, und das Schweißen wird durchgeführt. Wenn der Deckelkörper 112 geneigt ist, wird die Luftdichtheit vermindert, und es entsteht ein Risiko, dass die Kühleffizienz absinkt.
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Des Weiteren, wenn eine Mehrzahl von Schweißlinien 117 existieren, wird eine große Zeit benötigt, wenn die Schweißlinien 117 einzeln geschweißt werden, so dass ein Verfahren, das in der Lage ist, das Schweißen effizient durchzuführen, erforderlich ist. Des Weiteren ist es auch erforderlich, dass die Struktur der Schweißvorrichtung nicht kompliziert ist, und dass der Preis der Schweißvorrichtung nicht hoch ist.
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Zusammenfassung
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Eine Aufgabe, die durch die Erfindung zu lösen ist, ist es, ein Schweißverfahren für eine Mehrzahl von Schweißlinien in geeigneter und effizienter Art und eine entsprechende Schweißvorrichtung bereit zu stellen.
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Ein Schweißverfahren, das in einer Ausführungsform wiedergegeben ist, umfasst das vorbereiten eines Schweißobjekts einschließlich einer ersten und einer zweiten Schweißlinie, die Seite an Seite angeordnet sind, und das Bewegen einer Einstrahlposition eines Laserstrahls entlang der Schweißlinien, während die Einstrahlposition in einer Richtung unterschiedlich von einer Richtung der Schweißlinien pendelt, umso abwechselnd die Schweißlinien mit dem Laserstrahl zu bestrahlen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Kühlstruktur zeigt, die ein Schweißobjekt einer Ausführungsform ist;
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2 ist eine Ansicht, die verwendet wird, um ein Schweißverfahren bei der Ausführungsform zu erläutern;
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3 ist eine Ansicht, die verwendet wird, um das Schweißverfahren bei der Ausführungsform zu erläutern;
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4 ist eine typische Aufsicht, die ein Emissionsmuster eines Laserstrahls bei der Ausführungsform zeigt;
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5 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Zeit und der Laserleistung bei der Ausführungsform zeigt;
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6 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einer Breite einer Schweißlinie und einer Drahtzufuhrrate bei der Ausführungsform zeigt;
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7 ist eine Ansicht, die eine Schweißvorrichtung einer Ausführungsform verdeutlicht;
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8 ist ein Blockdiagramm, das ein Steuersystem der Ausführungsform zeigt;
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9 ist eine Ansicht, die verwendet wird, um ein Schweißverfahren bei einem geschweißten Balg bei der Ausführungsform zu erläutern;
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10 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Kühlstruktur zeigt; und
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11 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Kühlstruktur zeigt, die in einem herkömmlichen Schweißverfahren geschweißt wurde.
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Detaillierte Beschreibung
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung erläutert.
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Das Schweißverfahren der Ausführungsform bezieht sich auf ein Verfahren des Laserschweißens mit einer Mehrzahl von Schweißlinien. In dem Verfahren der Ausführungsform schwingt ein Laserstrahl in einer Richtung senkrecht zu einer Schweißrichtung, wobei der Laserstrahl auf die jeweiligen Schweißlinien gestrahlt bzw. emittiert wird, und wobei die jeweiligen Schweißlinien wiederholt mit dem Laserstrahl bestrahlt werden.
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Das Schwingen des Laserstrahls macht es möglich, die Mehrzahl der Schweißlinien mit einem einzelnen Laserstrahl zu schweißen, die Schweißeffizienz zu verbessern und die Struktur der Schweißvorrichtung zu vereinfachen. Des Weiteren wird der Laserstrahl auf die jeweiligen Schweißlinien der Reihe nach emittiert, und die jeweiligen Schweißlinien werden wiederholt mit dem Laserstrahl bestrahlt, wodurch es möglich wird, die jeweiligen Schweißlinien gleichzeitig in der Schweißrichtung zu schweißen, und auch in dem Fall, in dem ein Abstand zwischen den Schweißlinien klein ist, kann eine Verformung einer Nut vermieden werden. Daher ist es beispielsweise in dem Fall, in dem eine Kühlstruktur mit einer Mehrzahl von Deckelkörpern zu schweißen ist, möglich, das Neigen des Deckelkörpers und ähnliches zu vermeiden, und die Luftdichtigkeit und die Kühlleistung zu verbessern.
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1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Kühlstruktur zeigt, die ein Beispiel eines Schweißobjekts ist.
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Eine Kühlstruktur 10 wird zur Herstellung einer supraleitenden Spule verwendet, wobei beispielsweise ein supraleitender Draht in ihrem Inneren aufgenommen wird. Die Kühlstruktur 10 enthält einen Plattenkörper 11 und eine Mehrzahl von Deckelkörpern 12. Der Plattenkörper 11 und die Deckelkörper 12 sind zum Beispiel aus rostfreiem Stahl.
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Der Plattenkörper 11 enthält eine Mehrzahl von Nutabschnitten 13, die parallel angeordnet sind, und er enthält Wandabschnitte 14, die zwischen den Nutabschnitten 13 angeordnet sind. Der Wandabschnitt 14 enthält einen hervorspringenden Abschnitt 15, der in Dicken-Richtung klein und an dessen oberen Abschnitt angeordnet ist, und flache Abschnitte 16, die an beiden Seiten des hervorspringenden Abschnitts 15 vorgesehen sind. Der Deckelkörper 12 hat seine beiden Endabschnitte auf den flachen Abschnitten 16 gestützt und ist angeordnet, um den Hutabschnitt 13 abzudecken. Zwischen dem hervorspringenden Abschnitt 15 und dem Deckelkörper 12 ist eine Schweißlinie 17, an der das Schweißen ausgeführt wird, angeordnet. Ein Abstand zwischen den zwei Schweißlinien 17, die an beiden Seiten des hervorspringenden Abschnitts 15 angeordnet sind, ist bei diesem Beispiel nicht kleiner als 2 mm und nicht größer als 10 mm.
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2 und 3 sind Ansichten, die zum Erläutern des Schweißverfahrens bei der Ausführungsform verwendet werden.
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In dem Verfahren der Ausführungsform, wie es in 2 und 3 gezeigt ist, sind beispielsweise die Schweißlinien 17 an beiden Seiten des hervorspringenden Abschnitts 15, der in der Mitte der Kühlstruktur 10 angeordnet ist, gleichzeitig zu verschweißen. Im Folgenden wird die Schweißlinie 17, die auf der linken Seite des hervorspringenden Abschnitts 15 angeordnet ist, als die linke Schweißlinie 17 beschrieben, und die Schweißlinie 17, die auf der rechten Seite des hervorspringenden Abschnitts 15 angeordnet ist, wird als rechte Schweißlinie 17 beschrieben, und eine Erläuterung folgt.
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Bei dem Verfahren der Ausführungsform wird zunächst ein Laserstrahl in einer Schweißrichtung bewegt. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls ist vorzugsweise 0,5 m/Minute oder mehr zum Verkürzen einer Schweißzeit. Des Weiteren ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 21 vorzugsweise 5 m/Minute oder weniger zum Vermeiden von Schweißabschnitten 18 an den jeweiligen Schweißlinien 17, die unterbrochen werden könnten.
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In dem Zustand, in dem der Laserstrahl 21 in einer Schweißrichtung bewegt wird, wie es zum Beispiel in 2 gezeigt ist, wird eine Einstrahlposition des Laserstrahls 21 zu der linken Schweißlinie 17 schwingen (pendeln), wobei die linke Schweißlinie 17 von dem Laserstrahl bestrahl wird, und ein Schweißabschnitt 18 wird ausgebildet. Anschließend, wie es in 3 gezeigt ist, wird die Einstrahlposition des Laserstrahls 21 zu der rechten Schweißlinie schwingen, wobei die rechte Schweißlinie mit dem Laserstrahl 21 bestrahlt wird, und wobei ein Schweißabschnitt 18 gebildet wird. Die Emission des Laserstrahls 21 wird in einer solchen Art durchgeführt, dass beispielsweise eine Schweißeindringtiefe nicht weniger als 1 mm und auch nicht größer als 5 mm wird.
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Nachdem der Laserstrahl 21 auf die rechte Schweißlinie 17 eingestrahlt wurde, wird der Laserstrahl 21 auf die linke Schweißlinie zurück schwingen, wobei der Laserstrahl 21 auf die linke Schweißlinie 17 emittiert wird, und wobei ein Schweißabschnitt 18 gebildet wird. Auf diese Art werden von einem Endabschnitt zu dem anderen Endabschnitt der Schweißrichtung der linken und rechten Schweißlinien 17 die linke und rechte Schweißlinie 17 abwechselnd und wiederholt mit dem Laserstrahl 21 bestrahlt, während periodisch die Einstrahlposition des Laserstrahls 21 schwingt (pendelt, vibriert), wodurch es möglich wird, die linken und rechten Schweißlinien in der Schweißrichtung gleichzeitig zu verschweißen. Dadurch ist es möglich, eine Verformung einer Nut der Schweißlinie 17 zu unterdrücken, auch wenn ein Abstand zwischen der linken und der rechten Schweißlinie 17 klein ist. Hierdurch ist es möglich, ein Neigen des Deckelkörpers 12 und ähnliches zu unterdrücken, und es ist möglich, die Luftdichtigkeit und die Kühlleistung zu verbessern.
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Offensichtlich wird bei einem Schweißobjekt, auf das das Schweißen mit dem Schweißverfahren der Ausführungsform angewendet wird, Spuren in einer Streifenform und ähnliches gebildet, welche durch die Emission des Laserstrahls 21 gebildet werden, die normalerweise auf einer Seite oder beiden Seiten des Schweißabschnitts 18 verbleiben. D. h., wenn der Laserstrahl 21 schwingt, ist es wahrscheinlich, dass der Laserstrahl 21 nicht nur auf die Schweißlinie 17 strahlt, sondern auch auf die Nachbarschaft oder Nachbarschaften auf einer Seite oder beiden Seiten der Schweißlinie 17 strahlt, und es ist wahrscheinlich, dass eine Spur zurück bleibt. Daher, wenn es Spuren in einer Streifenform und ähnliches auf einer Seite oder beiden Seiten von jedem der Schweißabschnitte 18 gibt, ist es möglich, festzustellen, dass das Schweißen durch das Schweißverfahren der Ausführungsform durchgeführt wurde.
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4 ist eine typische Aufsicht, die ein Beispiel eines Emissionsmusters des Laserstrahls 21 zeigt.
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Offensichtlich zeigt in der Zeichnung jeder Pfeil mit einer durchgezogenen Linie einen Abschnitt, der mit dem Laserstrahl 21 zu bestrahlen wird. Des Weiteren zeigt jeder Pfeil mit einer gepunkteten Linie einen Abschnitt, der nicht mit dem Laserstrahl 21 bestrahlt wird.
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Beispielsweise wird der Laserstrahl 21 zunächst entlang der linken Schweißlinie 17 emittiert. Als nächstes wird der Laserstrahl 21 entlang der rechten Schweißlinie 17 emittiert. Anschließend wird der Laserstrahl 21 erneut entlang der linken Linie emittiert. Wie es beschrieben wurde, wird der Laserstrahl 21 auf die linke und rechte Schweißlinie abwechselnd emittiert und wird wiederholt auf diese emittiert. Offensichtlich wird die Emission des Laserstrahls 21 diskontinuierlich in der Schweißrichtung der jeweiligen Schweißlinien 17 durchgeführt, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Jedoch wird die Wärme des Abschnitts, der von den Laserstrahl 21 emittiert wird, auch zu dem vorderen und hinteren Abschnitten in der Schweißrichtung transportiert, so dass die Schweißabschnitte 18 kontinuierlich in der Schweißrichtung der jeweiligen Schweißlinien 17 werden. Der Schweißabschnitt 18 wird kontinuierlich ausgeformt und dabei die Kühlstruktur 10 mit guter Luftdichtigkeit und Kühlleistung erhalten.
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Ein solches Emissionsmuster wird durch Bewegen des Laserstrahls 21 in Schweißrichtung mit einer festen Geschwindigkeit und periodischem Schwingen des Laserstrahls 21 in einer Richtung senkrecht zur Schweißrichtung erhalten, wie es erläutert wurde. Das Schwingen kann je nach Notwenigkeit auch vorübergehend gestoppt werden. Beispielsweise wird das Schwingen vorübergehend gestoppt, wenn der Laserstrahl 21 auf die Schweißlinie 17 gesteuert wird, wodurch es möglich ist, die Zeit zu verlängern, während der Laserstrahl 21 auf die Schweißlinie 17 emittiert wird.
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Eine Amplitude w des Schwingens ist vorzugsweise basierend auf einer Mitte 17a jeder Schweißlinien 17 (die Mitte einer Nut) eingestellt. Hier ist die Mitte 17a die Mitte in einer Richtung senkrecht zu Schweißrichtung. Beruhend auf der Mitte 17a kann der Laserstrahl 21 in geeigneter Weise auf die Schweißlinie 17 emittiert werden, auch wenn sich eine Breite G der Schweißlinie 17 (der Abstand einer Nut) in einer Schweißrichtung ändert.
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Als ein Verfahren zum Einstellen der Amplitude w des Schwingens beruhend auf der Mitte 17a kann ein Verfahren genannt werden, bei dem beispielsweise an der Vorderseite in der Schweißrichtung, anstatt an der Position, an der der Laserstrahl 21 emittiert wird, die Position der Mitte 17a gemessen wird, und beruhend auf dem Messergebnis die Amplitude w des Schwingens des Laserstrahls eingestellt wird. In diesem Fall wird die Messung kontinuierlich vom Start des Schweißens bis zum Beenden des Schweißens durchgeführt, und beruhend auf diesen Messergebnis wird die Amplitude w des Schwingens des Laserstrahls 21 vorzugsweise konstant eingestellt.
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Die Amplitude w wird so eingestellt, dass der Laserstrahl 21 zum Beispiel auf die Mitte 17a jeder der Schweißlinien 17 eingestrahlt wird. Offensichtlich kann in Anbetracht einer Breite einer Schweißperle und ähnlichem die Amplitude w auch so eingestellt sein, dass der Laserstrahl 21 auf die Außenseite oder Innenseite der Mitte 17a emittiert wird. In diesem Fall wird die Amplitude w vorzugsweise so eingestellt, dass der Laserstrahl 21 auf jeden Bereich innerhalb 1 mm auf beiden Seiten der Mitte 17a emittiert wird.
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Die Frequenz des Schwingens wird vorzugsweise 20 Hz oder mehr sein. Hier bedeutet die Frequenz des Schwingens die Anzahl von Malen eines einzelnen Schwingens, das innerhalb einer Sekunde durchgeführt wird. Wenn die Frequenz 20 Hz oder mehr ist, wird die Zeit, ohne dass eine Bestrahlung durchgeführt wird, zwischen der vorherigen Bestrahlung und der folgenden Bestrahlung der jeweiligen Schweißlinie 17 verkürzt, und die Schweißabschnitte 18 sind in der Schweißrichtung der jeweiligen Schweißlinien 17 mit größerer Wahrscheinlichkeit kontinuierlich. Des Weiteren, wenn die Frequenz 20 Hz oder mehr beträgt, sind die Schweißabschnitte 18 mit größerer Wahrscheinlichkeit kontinuierlich in der Schweißrichtung der jeweiligen Schweißlinie 17, auch wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 21 in Schweißrichtung größer wird. Insbesondere, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 21 in Schweißrichtung 1,2 m/Minute oder so wird, wird die Frequenz des Schwingens vorzugsweise 20 Hz oder mehr sein.
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5 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Zeit und der Laserleistung darstellt.
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Die Laserleitung wird vorzugsweise periodisch mit dem Schwingen des Laserstrahls 21 erhöht und abgesenkt.
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Genauer gesagt wird die Laserleistung vorzugsweise auf eine Spitze erhöht, wenn der Laserstrahl 21 auf die Schweißlinie 17 emittiert wird. Das Erhöhen und Absenken der Laserleistung wird durchgeführt, um zum Beispiel rechteckige Wellen zu erhalten, die in der Figur dargestellt sind. Anschließend wird die Laserleistung an der Spitze als der Maximalwert der Laserleistung beschrieben, und die minimale Laserleistung zwischen den Spitzen wird als minimaler Wert der Laserleistung beschrieben.
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Der maximale Wert der Laserleistung ist vorzugsweise 1 kW oder mehr angesichts der Tatsache, dass die Schweißeindringtiefe des Schweißabschnitts 18 eingestellt ist, um nicht weniger als 1 mm und nicht mehr als 5 mm zu sein, und wobei die Schweißabschnitte 18 kontinuierlich in Schweißrichtung der jeweiligen Schweißlinien gemacht werden. Des Weiteren wird der Maximalwert der Laserleistung vorzugsweise 10 kW oder weniger sein, angesichts der Unterdrückung von Verformungen der Nut oder ähnlichem.
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Der minimale Wert der Laserleistung muss nicht nur kleiner als der maximale Wert der Laserleistung sein, er sollte auf 2 kW oder weniger gesetzt sein. Je kleiner der minimale Wert der Laserleistung ist, je mehr ist dies zu bevorzugen, aber abhängig von dem Ansprechverhalten eines Oszillators besteht gelegentlich ein Fall, dass die Rechteckwellen, die in der Figur gezeigt sind, nicht erhalten werden können. In einem solchen Fall, wird der minimale Wert der Laserleistung nicht immer auf 0 kW gesetzt sein können, und muss nur kleiner als 2 kW sein.
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Eine Pulsbreite der Laserleistung kann in geeigneter Weise entsprechend der Frequenz des Schwingens oder ähnlichem gewählt werden. Die Pulsbreite wird vorzugsweise so gesetzt, dass der Laserstrahl 21 von einem Seitenendabschnitt zu dem anderen Seitenendabschnitt der jeweiligen Schweißlinie 17 emittiert wird. Wenn somit eine Pulsform, die den Anstieg und das Absinken der Laserleistung beachtet, eine Rechteckform ist, die in der Figur gezeigt ist, wird die Pulsbreite in einem Zeitintervall von einer vorderen Kante zu einer hinteren Kante des Pulses resultieren. Die Pulsbreite ist vorzugsweise 0,05 Sekunden oder länger. Wenn die Pulsbreite 0,05 Sekunden oder länger ist, wird der Laserstrahl 21 hinreichend auf die jeweilige Schweißlinie emittiert, was bevorzugt ist. Normalerweise ist die Pulsbreite vorzugsweise eine Sekunde oder kürzer. Offensichtlich ist die Pulsform nicht auf eine Rechteckform beschränkt. Wenn die Pulsform eine andere als die Rechteckform ist, ergibt sich die Pulsbreite in einem Zeitintervall von einem Mesialpunkt einer vorderen Kante zu einem Mesialpunkt einer hinteren Kante des Pulses.
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Bei dem Verfahren der Ausführungsform wird wenn die Breite G für jede Schweißlinie 17 groß ist oder ähnliches, nach Bedarf ein Schweißdraht zugeführt. In diesem Fall, entsprechend der Breite G der Schweißlinie 17, wird orzugsweis eingestellt, ob ein Schweißdraht zugeführt wird oder nicht, und die Drahtzufuhrrate. Als ein Verfahren zum Einstellen, ob oder ob nicht Schweißdraht zugeführt wird, und zum Einstellen der Zufuhrrate wird beispielsweise ein Verfahren genannt, bei dem an der Vorderseite in Schweißrichtung anstatt an der Position, an der der Laserstrahl 21 emittiert wird, die Breite G gemessen wird, und beruhend auf dem Messergebnis wird eingestellt, ob oder ob nicht Schweißdraht zugeführt wird, und auch die Drahtzufuhrrate wird eingestellt. In diesem Fall wird die Messung konstant von einem Beginn des Schweißens bis zum Ende des Schweißens durchgeführt, und beruhend auf dem Messergebnis wird konstant eingestellt, ob der Schweißdraht zugeführt wird, und die Drahtzufuhrrate.
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6 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Breite G der Schweißlinie 17 und einer Drahtzufuhrrate (Zufuhrrate des Schweißdrahtes 35) darstellt. Die Drahtzufuhrrate wird vorzugsweise eingestellt, um in einen Bereich zu fallen, der in der Zeichnung als Beispiel dargestellt ist. D. h., es ist vorzuziehen, den Schweißdraht 35 nicht zuzuführen, wenn die Breite G kleiner als eine vorgegebene Größe ist, und mit dem Zuführen des Schweißdrahtes 35 zu beginnen, wenn die Breite G eine vorgegebene Größe erreicht. Ein Beispiel der Breite G, bei der die Zufuhr von Schweißdraht 35 begonnen wird, ist beispielsweise 0,2 mm. Des Weiteren ist die Zufuhrrate vorzugsweise erhöht, wenn die Breite G größer wird. Ein Beispiel der Drahtzufuhrrate ist zum Beispiel nicht weniger als 1 m/Minute noch mehr als 10 m/Minute. Wenn die Drahtzufuhrrate weniger als 1 m/Minute ist, besteht die Gefahr, dass die zugeführte Menge zu klein ist. Wenn die Drahtzufuhrrate 10 m/Minute übersteigt, besteht eine Gefahr, dass eine Zufuhrmenge zu groß wird.
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Die 7 ist eine Außenansicht, die ein Beispiel einer Schweißvorrichtung der Ausführungsform zeigt.
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Eine Schweißvorrichtung 30 enthält ein Ausgabemittel 31, ein Bewegungsmittel 32 und ein Schwingmittel 33. Das Ausgabemittel 31 gibt den Laserstrahl 21 aus. Das Bewegungsmittel 32 bewegt den Laserstrahl 21 in einer Schweißrichtung der jeweiligen Schweißlinien 17. Das Schwingmittel 33 schwingt den Laserstrahl 21 in einer Richtung senkrecht zu der Schweißrichtung, so dass der Laserstrahl auf die jeweiligen Schweißlinien der Reihe nach emittiert wird.
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Das Ausgabemittel 31 enthält in dem Beispiel einen Oszillator zum Oszillieren des Laserstrahls 21, eine Kondenserlinse zum Bündeln des Laserstrahls 21, der von dem Oszillator oszilliert wird, und ähnliches. Als Oszillator kann ein Festkörperlaser, ein Gaslaser oder ähnliches genannt sein. Genauer gesagt, ein Plattenlaser mit einer Wellenlänge von 1030 nm, ein YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm, und ein Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 nm oder ähnlichem werden in geeigneter Weise verwendet.
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Das Bewegungsmittel 32 muss in Lage sein, den Laserstrahl 21 in Schweißrichtung der jeweiligen Schweißlinie 17 zu bewegen. Mit Bezug auf die Bewegung des Laserstrahls 21 kann der Laserstrahl 21 mit Bezug auf die Kühlstruktur 10 bewegt werden, wobei die Position der Schweißrichtung fest ist, oder im Gegenzug kann die Kühlstruktur auch in Bezug auf den Laserstrahl 21 bewegt werden, wobei die Position der Schweißrichtung fest ist. Um die Struktur der Schweißvorrichtung 30 zu vereinfachen, wird vorzugsweise der Laserstrahl 21 in Bezug auf die Kühlstruktur 10 bewegt. Als ein Bewegungsmittel 32 sind verschiedene Roboter, NC-Maschinenwerkzeug oder ähnliches zu erwähnen.
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Das Schwingmittel 33 kann eines sein, um entweder mechanisch den Laser 21 zu schwingen, oder eines, um den Laserstrahl 21 optisch zu schwingen. Als jenes, um den Laserstrahl 21 mechanisch zu schwingen, wird beispielsweise in den Figuren eines gezeigt, bei den das gesamte Ausgabemittel 31 extern schwingt, umso den Laserstrahl 21 zu schwingen, was als Beispiel genannt wird. Als eines, bei dem ein optisches Schwingen des Laserstrahls 21 erfolgt, kann beispielsweise eines mit einem Spiegel genannt sein, der die Strahlrichtung des Laserstrahls 21 ändert und den Laserstrahl 21 schwingt durch ändern des Winkels des Spiegels, der innerhalb des Ausgabemittels 31 vorgesehen ist.
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Als das Schwingmittel 33 wird zur Vereinfachung der Struktur eines bevorzugt, bei dem nur der Emissionswinkel des Laserstrahls 21 geändert wird, ohne praktisch eine Einstrahlposition des Laserstrahls 21 (eine Position in einer Richtung senkrecht zur Schweißrichtung) zu ändern. Beispielsweise eines zum Rotieren des Ausgabemittels 31 um eine Achse parallel zur Schweißlinie 17 oder eines zum Ändern eines Winkels eines Spiegels, der die Ausstrahlrichtung des Laserstrahls 21 ändert, ist vorzuziehen. Des Weiteren wird als Schwingmittel 33 eines bevorzugt, das in der Lage ist, die Amplitude w des Schwingens einzustellen.
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Die Schweißvorrichtung 30 ist mit einem Messmittel 34 ausgestattet. Als Messobjekt für jede der Schweißlinien 17, ist die Mitte 17a, die Breite G, eine Wurzelöffnung (root gap) und ähnliches hier zu nennen. Die Mitte 17a wird beispielsweise durch einen Mittelmesssensor gemessen, der in dem Messmittel 34 vorgesehen ist. Die Breite G wird durch einen breiten Messsensor gemessen, der als Messmittel 34 vorgesehen ist. Die Breite G wird durch einen Breiten-Messsensor gemessen, der beispielsweise in dem Messmittel 34 vorgesehen ist. Die Wurzelöffnung wird durch einen Wurzelöffnungsmesssensor gemessen, der beispielsweise in dem Messmittel 34 vorgesehen ist.
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Das Messmittel 34 ist an der Vorderseite des Ausgabemittels 31 in der Schweißrichtung angeordnet. Des Weiteren, wird das Messmittel 34 vorzugsweise in Schweißrichtung zusammen mit dem Ausgabemittel 31 bewegt. Das Messmittel 34 ist vor dem Ausgabemittel 31 angeordnet und wird zusammen mit dem Ausgabemittel bewegt, wodurch es möglich ist, konstant die Mitte 17a, die Breite G, die Wurzelöffnung und ähnliches zu messen, bevor die Emission des Laserstrahls 21 erfolgt. Als Messmittel 34 kann ein Laserverschiebungssensor oder ähnliches genannt sein.
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Des Weiteren ist die Schweißvorrichtung 30 vorzugsweise mit einem Zufuhrmittel 36 ausgestattet, das jeweils einen Schweißdraht 35 zuführt. Der Schweißdraht 35 wird an der Position einer jeden Schweißlinie 17 zugeführt, auf die der Laserstrahl 21 emittiert wird. Das Zufuhrmittel 36 wird vorzugsweise in der Lage sein, einzustellen, ob Schweißdraht 35 zugeführt wird oder nicht, und um die Drahtzufuhrrate einzustellen. Wenn das die Kühlstruktur 10 bildende Material rostfreier Stahl ist, wird rostfreier Stahl als Material des Schweißdrahts 35 verwendet. Des Weiteren ist der Durchmesser des Schweißdrahtes 35 vorzugsweise nicht weniger als 0,8 mm und nicht mehr als 1,6 mm.
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Im Folgenden wird ein Steuerungsverfahren der Schweißvorrichtung beschrieben.
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8 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines Steuersystems zeigt.
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Das Ausgabemittel 31, das Bewegungsmittel 32, das Schwingmittel 33 und das Zufuhrmittel 36 werden vorzugsweise durch das Steuermittel 37 gesteuert. Des Weiteren steuert das Steuerungsmittel 37 vorzugsweise das Ausgabemittel 31, das Schwingmittel 33, das Bewegungsmittel 32 und das Zufuhrmittel 36 beruhend auf Messergebnissen, die von dem Messmittel 34 gemessen werden.
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In dem Ausgabemittel 31 werden eine Laserleistungs-Anstieg- und Absinkzeitdauer (auch als Laserleistungsanstieg- und Fallperiode bezeichnet) und die Laserleistungen, wenn diese ansteigt und absinkt, durch ein Steuermittel 37 gesteuert. Die Laserleistungs-Anstieg- und Absinkzeitdauer wird so gesteuert, dass die Laserleistung erhöht wird, wenn der Laserstrahl 21 auf die Schweißlinie 17 emittiert wird, und so dass die Laserleistung verringert werden kann, wenn der Laserstrahl 21 nicht auf die Schweißlinie 17 emittiert wird. Die Laserleistungs-Anstieg- und Absinkzeitdauer ist im Wesentlichen beruhend auf einer Frequenz zu steuern, die im Voraus eingestellt wird, und wird durch ein Messergebnis eingestellt, das von den Messmittel 34 bemessen wird, was beispielsweise die Position der Mitte 17a für jede der Schweißlinien 17 ist. Die Laserleistung, wenn diese erhöht oder abgesenkt wird, wird bei diesem Beispiel beruhend auf dem Maximalwert und dem Minimalwert der Laserleistung gesteuert, die im Voraus eingestellt werden. Die Steuerung der Laserleistungs-Anstieg- und Absinkzeitdauer und die Laserleistung, wenn diese erhöht und abgesenkt wird, wird durch das Steuermittel 37 durchgeführt, das den Oszillator zum Oszillieren des Laserstrahls 21 steuert, das bei dem Beispiel in dem Ausgabemittel 31 vorgesehen ist.
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Das Bewegungsmittel 32 wird durch das Steuermittel 37 so gesteuert, das die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 21 in der Schweißrichtung die Bewegungsgeschwindigkeit sein kann, die vorausgehend eingestellt wurde. Die Bewegungsgeschwindigkeit wird auf eine feste Geschwindigkeit gesteuert. Die Bewegungsgeschwindigkeit ist vorzugsweise 0,5 m/Minute oder mehr und weiter bevorzugt 0,6 m/Minute. Des Weiteren ist die Bewegungsgeschwindigkeit vorzugsweise 5 m/Minute oder weniger und weiter bevorzugt 2 m/Minute oder weniger, und weiter bevorzugt 1,8 m/Minute oder weniger.
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Das Schwingmittel 33, die Amplitude w und die Frequenz des Schwingens werden vorzugsweise durch das Steuermittel 37 gesteuert. Die Amplitude w wird bei dem Beispiel so gesteuert, dass der Laserstrahl 21 auf die Mitte 17a jeder der Schweißlinien 17 gestrahlt wird. Die Amplitude w ist grundsätzlich beruhend auf einer im Voraus eingestellten Amplitude zu steuern, und wird durch ein Messergebnis eingestellt, das von dem Messmittel 34 gemessen wird, was beispielsweise die Position der Mitte 17a für jede der Schweißlinien sein kann. Die Frequenz ist auch im Wesentlichen beruhend auf einer im Voraus eingestellten Frequenz zu steuern, und wird durch ein Messergebnis eingestellt, das von dem Messmittel 34 gemessen wird, was beispielsweise die Position der Mitte 17a für jede der Schweißlinien 17 ist.
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Bei dem Zufuhrmittel 36 wird gesteuert, ob oder ob nicht Schweißdraht 35 zugeführt wird, und auch die Drahtzufuhrrate wird durch das Steuermittel 37 gesteuert. Ob oder ob nicht der Schweißdraht 35 zugeführt wird, wird beruhend auf dem Messergebnis eingestellt, das von dem Messmittel 34 gemessen wird, was beispielsweise die Breite G der Schweißlinie 17 und die Wurzelöffnung sein können. Die Drahtzufuhrrate wird ebenfalls beruhend auf Messergebnissen eingestellt, die von dem Messmittel 34 gemessen werden, die beispielsweise die Breite G der Schweißlinie und die Wurzelöffnung sein können. Beruhend auf den Messergebnissen der Breite G der Schweißlinie 17, der Wurzelöffnung und ähnlichem wird eingestellt, ob Schweißdraht 35 zugeführt wird oder nicht, und auch die Drahtzufuhrrate wird eingestellt, wodurch es möglich ist, das Schweißen in geeigneter Form durchzuführen.
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Wie vorangehend beschrieben wurde, werden die Laserleistungsanstieg- und Absinkzeitdauer, die Laserleistung, wenn diese ansteigt oder absinkt, die Amplitude w und die Frequenz des Schwingens, die Zufuhrzeitdauer und die Drahtzufuhrrate und ähnliches beruhend auf den Messergebnissen des Messmittels 34 gesteuert, wodurch es möglich wird, das Schweißen in geeigneter Art durchzuführen, auch wenn die Mitte 17a, die Breite G und ähnliches für die Schweißlinien 17 in der Schweißrichtung sich ändern.
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Als Nächstes wird ein weiteres Schweißobjekt erläutert. 9 ist eine Querschnittsansicht, die als ein Beispiel eines weiteren Schweißobjekts ein Schweißverfahren eines Schweißbalgs zeigt.
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Ein Schweißbalg 40 enthält eine Mehrzahl von ringförmigen Metallplatten 41. Die Mehrzahl Metallplatten 41 sind miteinander in einer Art verbunden, so dass ihre inneren Randabschnitte miteinander und ihre äußeren Randabschnitte miteinander verschweißt werden. Die Mehrzahl Metallplatten 41 sind miteinander verbunden, um eine Balgform zu bilden, um so in Axialrichtung dehnbar zu sein, und wobei es in einem Zustand faltbar ist, indem die innere Luftdichtigkeit beibehalten wird. Das Schweißverfahren, das bei dieser Ausführungsform beschrieben ist, wird im Wesentlichen verwendet um die oben beschriebenen Schweißbalge 40 zu schweißen.
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Wie es in der Figur gezeigt ist, werden beispielsweise bei den Schweißbalgen 40 äußere Randabschnitte von zwei Metallplatten 41 verschweißt. Bezüglich einer Schweißlinie 42, die an dem äußeren Randabschnitt von zwei Metallplatten 41 angeordnet ist, wie es vorangehend benannt wurde, sind die beiden Schweißlinien 42 parallel angeordnet. Das Verfahren des Schweißens, das bei dieser Ausführungsform beschrieben ist, wird für Schweißbalge 40, wie sie oben beschrieben sind, angewendet, wodurch es möglich wird, das Schweißen in geeigneter und effizienter Art durchzuführen.
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Bezüglich der Schweißbalge 40 des Beispiels werden die drei Schweißlinien 41, die an einem Endabschnitt angeordnet sind, gleichzeitig Laserverschweißt, wie es in der Zeichnung gezeigt ist. Genauer gesagt, während des Schwingens des Laserstrahls 21 in einer Richtung senkrecht zur Schweißrichtung wird der Laserstrahl 21 auf die jeweiligen Schweißlinien 42 der Reihe nach emittiert, und der Laserstrahl 21 wird auf die jeweilige Schweißlinien 42 wiederholt emittiert.
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In dem Fall der Schweißbalge 40 wird der Laserstrahl 21 auch in Schweißrichtung mit einer festen Geschwindigkeit bewegt. Bezüglich der Bewegung des Laserstrahls 21 in der Schweißrichtung kann der Laserstrahl 21 in einer Kreisrichtung in Bezug auf die Schweißbalge 40 bewegt werden, dessen Position fest bleibt, oder im Gegenzug können die Schweißbalge 40 in Bezug auf den Laserstrahl 21 gedreht werden, dessen Position fix ist.
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In dem Fall der drei Schweißlinien 42 wird beispielsweise die Emission des Laserstrahls 21 in der Reihenfolge von der Schweißlinie 42, die auf einer Seite ist, bis zur Schweißlinie 42 die auf der anderen Seite ist, durchgeführt, und dann wird der Laserstrahl 21 erneut zu der Schweißlinie 42, die auf der einen Seite ist, zurückkehren, und die Emission des Laserstrahls 21 wird in ähnlicher Weise durchgeführt. D. h., wenn die drei Schweißlinien 42 eingestellt sind, um die erste Schweißlinie 42, die zweite Schweißlinie 42 und dritte Schweißlinie 42 in der Reihe von einer Seite zu sein, wird der Laserstrahl 21 wiederholt auf die erste Schweißlinie 42, die zweite Schweißlinie 42, die dritte Schweißlinie 42, die erste Schweißlinie 42, die zweite Schweißlinie 42 und die dritte Schweißlinie 42 in der Reihenfolge emittiert werden.
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Offensichtlich kann der Laserstrahl 21 in einer solchen Art emittiert werden, dass der Laserstrahl 21 in der Reihenfolge von der Schweißlinie 42, die an einer Seite ist, zu der Schweißlinie 42, die an der anderen Seite ist, und dann zurück emittiert werden. In dem Beispiel kann der Laserstrahl 21 auch wiederholt auf die erste Schweißlinie 42, die zweite Schweißlinie 42, die dritte Schweißlinie 42, die zweite Schweißlinie 42 und die erste Schweißlinie 42 in dieser Reihenfolge emittiert werden.
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Entsprechend der oben beschriebenen Ausführungsform ist es möglich, eine Mehrzahl von Schweißlinien in geeigneter und effizienter Weise zu schweißen.
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Während bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurden, sind diese Ausführungsformen nur als Beispiel gedacht und sind nicht beschränkend für den Schutzumfang der Erfindung zu verstehen. Tatsächlich können die beschriebenen Ausführungsformen in einer Vielzahl von Arten variiert werden, des Weiteren können verschiedene Weglassungen, Ersetzungen und Änderungen in der Form der Ausführungsformen, wie hier beschrieben wurden, durchgeführt werden, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Die beiliegenden Ansprüche und ihre Äquivalente sind beabsichtigt, um auch solche Formen und Modifikationen abzudecken, die in den Schutzumfang und Geist der Erfindung fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Proceedings of the 63rd Laser Materials Processing Conference (Mai 2005) „Application of high-power solid-state laser processing in heavy industry field” [0002]
