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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen mit Nahtführung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und eine Schweißvorrichtung.
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Beim Schweißen wird das Material der zu verbindenden Bauteile an der Fügestelle bis über die Liquidustemperatur erhitzt. Die schmelzflüssigen Phasen beider Bauteile vermischen sich und erstarren nach Abkühlung zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Zum Schweißen von Nähten sind u.a. das Metallschutzgasschweißen und das Laserstrahlschweißen gebräuchliche Schweißverfahren. Das Metallschutzgasschweißen ist ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem der abschmelzende Zusatzdraht kontinuierlich dem Schmelzbad zugeführt wird. Die Fügestelle wird zeitgleich von einem Schutzgas umströmt. Je nach verwendeter Schutzgasart wird das Metallschutzgasschweißen auch als Metallaktivgas (MAG)- oder Metallinertgas-(MIG) Schweißen bezeichnet. Beim Laserstrahlschweißen wird ein fokussierter Laserstrahl hoher Leistungsdichte auf eine Fügestelle gerichtet, wodurch das bestrahlte Material aufschmilzt. Durch Ausführen einer Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkzeug wird das Schmelzbad über die Bauteile bewegt. Die erkaltende Schmelze erstarrt und verbindet die miteinander verschweißten Bauteile stoffschlüssig.
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Durch den Einsatz von Nahtführungssystemen ist es insbesondere auch möglich, Schweißungen an Bauteilkanten, z.B. zur Ausbildung von Kehlnähten, durchzuführen. Neben taktilen Verfahren ist ein nach dem Lichtschnittverfahren arbeitendes Nahtführungssystem beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2006 004 919 A1 bekannt. Vorlaufend zur Schweißposition eines Schweißlasers wird eine Laserlinie auf die Bauteile projiziert. Das projizierte Bild wird von einer Kamera erfasst und hinsichtlich des Linienversatzes ausgewertet. Durch Bestimmung des Linienversatzes kann der Kantenverlauf bestimmt werden.
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Gerade beim Laserstrahlschweißen, das üblicherweise ohne Zusatzwerkstoff durchgeführt wird, ist jedoch die Bestimmung des Kantenverlaufs alleine nicht ausreichend um die notwendige Prozesssicherheit sicherstellen zu können.
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Weiterhin aus ist aus der Druckschrift
WO 2016/ 209 583 A1 ein bildverarbeitendes Schweißsystem bekannt mit einer Schweißausrüstung und einer Time of flight-Kamera, mit der eine dreidimensionale Tiefenkarte der Schweißstelle erzeugt wird und einer digitalen Bildverarbeitungsschalten, welche Schweißinformationen aus der Tiefenkarte extrahiert.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie die Prozesssicherheit beim Schweißen und insbesondere beim Laserschweißen verbessert werden kann.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie ein Vorrichtung nach Patentanspruch 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es wird ein Verfahren zum Schweißen angegeben, bei dem wenigstens zwei Bauteile in einer Stoßanordnung zueinander positioniert werden und durch eine Schweißnaht stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Hierzu wird mit einer Schweißvorrichtung anhand von Steuerungsparametern an einer Schweißstelle in den Bauteilen ein Schmelzbad erzeugt und die Schweißstelle relativ zu den Bauteilen bewegt. Erfindungsgemäß wird mittels einer Time-of-flight Erfassungsvorrichtung ein Beobachtungsfenster auf den Bauteilen erfasst, das der Schweißstelle zumindest teilweise vorauseilt, und es werden korrespondierende Bilddaten erzeugt. Durch Auswertung der Time-of-flight Bilddaten werden korrespondierende Topographiedaten der Bauteilanordnung ermittelt und die Steuerungsparameter der Schweißvorrichtung werden aufgrund der Topographiedaten angepasst.
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Erfindungsgemäß wird eine Time-of-flight (TOF)-Erfassungsvorrichtung zur Nahterkennung bzw. Nahtverfolgung eingesetzt. Die TOF-Erfassungsvorrichtung kann z.B. mittels eines PMD (Photomischdetektor)-Flächensensors als TOF-Kamera realisiert sein. Die TOF-Erfassungsvorrichtung leuchtet die Bauteile in dem Beobachtungsfenster mittels eines Lichtpulses aus und ermittelt für jeden Bildpunkt die Zeit, die das Licht bis zum Bauteil und wieder zurück braucht. Aus den TOF-Bilddaten kann somit für jeden Bildpunkt der Abstand zum Bauteil bestimmt werden und es können Topographiedaten erzeugt werden, welche die Oberflächengestalt der Bauteile im Beobachtungsfenster wiederspiegeln. Die Topographiedaten können z.B. als Datensatz oder als dreidimensionale bildhafte Darstellung aufbereitet werden.
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Vorteilhafterweise kann mit der TOF-Erfassungsvorrichtung das gesamte Beobachtungsfenster auf einmal aufgenommen werden, ein zeilenweises Abtasten ist nicht notwendig. Die ermittelten Daten stehen quasi in Echtzeit zur Verfügung. Zudem ist mit der TOF-Technik eine hohe Auflösung bis in den HD-Bereich möglich. Somit werden sehr hochwertige und aussagekräftige Daten von der Fügestelle erhalten, die verwendet werden, um die Steuerungsparameter, mit denen das Schweißverfahren gesteuert wird, in Echtzeit anzupassen.
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Die Topographiedaten geben einen Beschnittwinkel wenigstens eines der Bauteile wieder, z.B. den Beschnittwinkel des Oberblechs an einem Überlappstoß.
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Die Bilddaten der TOF-Erfassungsvorrichtung können auch ausgewertet werden, um mehrere der beschriebenen Arten von Topographiedaten zu ermitteln oder weitere Topographiedaten, z.B. Entfernung vom Bauteil.
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Die ermittelten Topographiedaten können in einer Ausgestaltung den Verlauf einer Bauteilkante wiedergeben. Die genaue Kenntnis des Kantenverlaufs ermöglicht die exakte Positionierung der Schweißstelle bzw. des Laserstrahls relativ zu den Bauteilen, z.B. bei einer Kehlnahtschweißung oder I-Naht am Stumpfstoß und macht eine taktile Nahtführung entbehrlich.
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Weiterhin können die Topographiedaten das Spaltmaß eines Fügespaltes zwischen den Bauteilen wiedergeben. Dies kann genutzt werden, um z.B. die Vorschubgeschwindigkeit des Zusatzdrahtes anzupassen oder beispielsweise eine Strahloszillation eines Laserstrahls anzupassen. Das Laserstrahlschweißen hat aufgrund des geringen Strahldurchmessers und des relativ kleinen Schmelzbades nur eine geringe Spaltüberbrückbarkeit, die jedoch z.B. durch Oszillation des Laserstrahls verbessert werden kann. Die Auswertung der TOF-Bilddaten hinsichtlich des Spaltmaßes ermöglicht z.B. eine gezielte Anpassung der Strahloszillation.
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Vorzugsweise wird aufgrund der ermittelten Topographiedaten die Position der Schweißstelle bzw. des Laserstrahls relativ zu einer Bauteilkante angepasst oder es werden die Schweißparameter angepasst, wie z.B. der Schweißstrom, die Vorschubgeschwindigkeit, der Drahtvorschub oder bei Verwendung eines Laserstrahls die Fokuslage, Fokusdurchmesser, Oszillationsart, -größe und -frequenz oder Schweißgeschwindigkeit oder es werden sowohl die Position der Schweißstelle bzw. des Laserstrahls als auch die Schweißparameter angepasst.
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In einer Ausgestaltung kann das Verfahren zudem verwendet werden, um eine Qualitätssicherung der erzeugten Schweißnaht unmittelbar an den Schweißprozess anschließend durchzuführen. Hierzu werden in einem der Schweißstelle nachlaufenden Beobachtungsabschnitt mittels Time-of-flight Erfassungsvorrichtung Bilddaten aufgenommen und hinsichtlich der Qualität der Schweißnaht ausgewertet. Die Bilddaten ermöglichen eine hochauflösende dreidimensionale Darstellung der erzeugten Schweißnaht und bilden die Grundlage für eine hochwertige optische Nahtinspektion. Die Beurteilung der Qualität der Schweißnaht kann z.B. durch geschultes Fachpersonal erfolgen oder in automatisierter Form, z.B. durch Vergleich der Bilddaten mit Referenzdatensätzen. Fehlstellen in der Schweißnaht können so unmittelbar an den Schweißprozess anschließend aufgefunden werden.
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Der nachlaufende Beobachtungsabschnitt kann durch dieselbe TOF-Erfassungsvorrichtung erfasst werden, mit der auch die Bilddaten im vorlaufenden Bereich aufgenommen werden. In diesem Fall ist der nachlaufende Beobachtungsabschnitt Teil des Beobachtungsfensters, das dann sowohl den Bereich vor der Schweißstelle als auch einen nachfolgenden Bereich umfasst. In diesem Fall kann die TOF-Erfassungsvorrichtung z.B. mit einem Filter ausgestattet sein, um Prozesslicht des Lasers weg zu filtern.
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In einer Ausgestaltung erfolgt die Erfassung des nachlaufenden Beobachtungsabschnitts mit einer zweiten TOF-Erfassungsvorrichtung, deren Erfassungsbereich als zweites Beobachtungsfenster zumindest teilweise auf den nachlaufenden Bereich gerichtet ist.
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Vorzugsweise werden die Bilddaten des Beobachtungsfensters und - soweit erfasst - des zweiten Beobachtungsfensters fortlaufend während der Dauer der Schweißung erfasst. Dabei wandern die Beobachtungsfenster vorzugsweise mit der fortschreitenden Schweißnaht mit.
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Bei den Bauteilen handelt es sich vorzugsweise um Metallbauteile. Ein Metallbauteil ist insbesondere ein Blechformteil, z.B. aus einem Aluminium- oder Stahlblech, wobei es sich auch um ein Gußteil oder Profilteil handeln kann. Die Bauteile können vorzugsweise Fahrzeugbauteile sein, z.B. Karosseriebauteile oder Karosserieanbauteile, Fahrwerksbauteile etc.
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Vorteilhafter weise werden mit dem Verfahren in Echtzeit Bilddaten bereitgestellt und ausgewertet, die eine deutlich verbesserte Nahtführung und Regelung der Schweißprozessparameter ermöglichen. Vorhandene Maßabweichungen können vorlaufend vor der Schweißstelle erkannt werden und die Schweißparameter entsprechend angepasst werden. Zudem besteht die Möglichkeit einer optischen Auswertung der Naht unmittelbar nach deren Herstellung, was u.a. die Möglichkeit zu einer „Reparatur“ im selben Arbeitsgang eröffnet. Resultierend kann die Prozesssicherheit gesteigert werden.
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Vorzugsweise wird das Verfahren verwendet, um die Steuerungsparameter einer Laserschweißvorrichtung oder einer Metallschutzgasschweißvorrichtung anzupassen, ist jedoch grundsätzlich auch für andere Schweißvorrichtungen einsetzbar.
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Weiterhin wird eine Schweißvorrichtung angegeben, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Schweißvorrichtung beinhaltet eine Steuerungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um anhand von Steuerungsparametern ein Schmelzbad in den zu fügenden Bauteilen erzeugt, und die Schweißstelle relativ zu den Bauteilen zu bewegen. Weiterhin beinhaltet die Schweißvorrichtung eine Time-of-Flight Erfassungsvorrichtung, deren Erfassungsbereich auf ein Beobachtungsfenster richtbar ist, das der Schweißstelle zumindest teilweise vorauseilt und mit der Bilddaten des Beobachtungsfensters erfassbar sind, sowie eine Auswerteeinrichtung, die anhand der Time-of-flight-Bilddaten Topographiedaten der Bauteile in dem Beobachtungsfenster erzeugt, anhand der ermittelten Topographiedaten die Steuerungsparameter anpasst und in einer Regelverbindung mit der Steuerungsvorrichtung steht.
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Die Auswerteeinrichtung kann weiterhin eingerichtet sein, um aus Bilddaten, die in einem der Schweißstelle nachlaufenden Beobachtungsabschnitt erfasst werden, eine optische Darstellung der Nahttopographie zu erzeugen und/oder die Qualität der Schweißnaht zu bewerten. Zur Bewertung der Schweißnahtqualität können z.B. die Bilddaten mit Referenzdaten verglichen werden oder Kenngrößen ermittelt werden.
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Soll der nachlaufende Beobachtungsabschnitt als separates zweites Beobachtungsfenster erfasst werden, so kann die Schweißvorrichtung optional eine zweite Time-of-flight Erfassungsvorrichtung aufweisen, deren Erfassungsbereich auf den der Schweißstelle nachlaufenden, zweiten Beobachtungsabschnitt richtbar ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schweißvorrichtung eine Laserstrahlschweißvorrichtung und beinhaltet weiterhin eine Laserquelle sowie eine geeignete Optik zur Erzeugung des Schweißlaserstrahls. Vorzugsweise kann es sich bei der Laserstrahlschweißvorrichtung um eine Laser-Remote-Schweißvorrichtung handeln. Beim Laser-Remote-Schweißen wird der Laserstrahl mit großem Arbeitsabstand, z.B. mehr als 40 cm, mittels einer Scanneroptik über die Bauteile bewegt. Das Laser-Remote Schweißen ermöglicht hohe Arbeitsgeschwindigkeiten auch bei komplexen Schweißnahtgeometrien. Zur Beibehaltung dieser Vorteile ist (sind) die TOF-Erfassungsvorrichtung(en) vorzugsweise in den die Optik tragenden Remote-Kopf integriert.
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Ist die Schweißvorrichtung eine Metallschutzgasschweißvorrichtung so beinhaltet sie weiterhin einen Schweißbrenner mit Drahtvorschub und Stromversorgung zur Erzeugung des Lichtbogens sowie eine Schutzgaszuführung.
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Die Schweißvorrichtung kann zur Durchführung des voranstehend beschriebenen Verfahrens verwendet werden und erzielt als solche dieselben technischen Wirkungen und Vorteile, wie sie zum Verfahren beschrieben wurden.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich anhand der Zeichnung und im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen in schematischer Ansicht:
- 1 eine beispielhafte Schweißvorrichtung zur Erläuterung des Verfahrens und
- 2 eine alternative Ausgestaltung einer Schweißvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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1 zeigt eine Prinzipskizze einer Schweißvorrichtung 1 in Form einer Laser-Remote-Schweißvorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Von einer nicht dargestellten Laserquelle wird Laserstrahlung in eine Scanner-Vorrichtung 2 eingekoppelt und über bewegliche Spiegel 3 und eine Fokussier- und Umlenkeinheit 4 als fokussierter Schweißlaserstrahl S auf die zu verschweißenden Bauteile 5, 6 gelenkt. Die Steuerung der Strahlbewegung und -parameter erfolgt mittels einer Steuerungsvorrichtung 7, die hierzu in einer Wirkverbindung mit den strahlformenden und -bewegenden Vorrichtungskomponenten steht.
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Die zu verschweißenden Bauteile 5, 6 in Form von Blechbauteilen sind im Überlappstoß angeordnet und sollen mit einer Stirnkehlnaht verschweißt werden. Hierzu wird der Laserstrahl S auf die Bauteile 5, 6 gerichtet, wo er an der Schweißstelle 8 ein Schmelzbad erzeugt. Die Schweißstelle 8 wird durch die Bauteile 5, 6 bewegt, wodurch sich die Schweißnaht 9 ausbildet. Die Schweißrichtung ist durch den Pfeil R angegeben. Am Ende der Schweißnaht 9 wird der Laserstrahl S abgeschaltet.
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Die Schweißvorrichtung 1 weist weiterhin eine TOF-Kamera 10 auf, die in die Scanner-Vorrichtung 2 integriert ist. Der Erfassungsbereich der TOF-Kamera 10 ist so ausgerichtet, dass ein Beobachtungsfenster 11 erfasst wird, das sowohl einen der Schweißstelle vorlaufenden Beobachtungsabschnitt 12 als auch einen nachlaufenden Beobachtungsabschnitt 13 erfasst.
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Die TOF-Kamera 10 wird während der Schweißung betrieben und erfasst fortlaufend Bilddaten B1, B2 aus dem Beobachtungsfenster 11. Die Bilddaten B1, B2 werden an eine Auswerteeinrichtung 14 übertragen. Aus den Bilddaten B1 des vorlaufenden Beobachtungsabschnitts 12 werden Topographiedaten T der Bauteiloberflächen erzeugt. Diese Topographiedaten T geben z.B. die Lage und den Verlauf der Bauteilkante, den Beschnittwinkel des Oberblechs 5 und eine Spaltbreite zwischen Ober- und Unterblech an. Die Topographiedaten T werden verwendet, um die Steuerungsparameter ST, mit der die Steuerungsvorrichtung 7 die Schweißung steuert, in der Art einer Regelverbindung anzupassen.
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Weiterhin werden die Bilddaten B2, welche im nachlaufenden Beobachtungsabschnitt 13 erfasst werden, zur Beurteilung der Nahtqualität herangezogen. Hierzu erzeugt die Auswerteeinrichtung 14 eine optische Darstellung der Nahttopographie und bewertet die Qualität der Schweißnaht 9 durch Vergleich der Bilddaten B2 mit Referenzdaten oder durch Ermittlung von Kenngrößen. Die Beurteilung der Nahtqualität kann dann an eine Auswerteschnittstelle 15, z.B. einen Computer oder Bildschirm, ausgegeben werden.
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2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Schweißvorrichtung 1A mit zwei TOF-Kameras 16, 17. Soweit die Vorrichtung und Bauteilanordnung in 2 mit der in 1 übereinstimmt, sind dieselben Bezugszeichen verwendet und es gilt das voranstehend Beschriebene auch für 2. Eine erste TOF-Kamera 16 ist so ausgerichtet, dass ihr Erfassungsbereich auf ein erstes Beobachtungsfenster 18 gerichtet ist, das der Schweißstelle 8 vorläuft. Die erste TOF-Kamera 16 liefert die Bilddaten B1 zur Topographiebestimmung der Bauteilanordnung und zur Anpassung der Steuerungsparameter ST für den Schweißprozess. Eine zweite TOF-Kamera 17 ist so ausgerichtet, dass ihr Erfassungsbereich auf ein zweites Beobachtungsfenster 18 gerichtet ist, das der Schweißstelle 8 zumindest teilweise nachläuft und in dem die Naht bereits ausgebildet ist. Die zweite TOF-Kamera 17 liefert die Bilddaten B2, die zur Beurteilung der Schweißnahtqualität herangezogen werden.
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Die Erfassungsbereiche der TOF-Kameras werden vorzugsweise in Schweißrichtung R mitbewegt.
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Die Scannervorrichtung 2 kann stationär angeordnet sein oder bewegbar z.B. an einer nicht dargestellten Handhabungsvorrichtung wie z.B. einem Roboter. Die gezeigte Stoßart und die Art der Schweißnaht sind beispielhaft. Das Verfahren und die Vorrichtung sind ebenso geeignet, um andere Nahtformen und/oder Stoßarten miteinander zu verbinden, z.B. I-Naht am Stumpfstoß etc.
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Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1A
- Schweißvorrichtung
- 2
- Scanner-Vorrichtung
- 3
- Spiegel
- 4
- Fokussier-/Umlenkeinrichtung
- 5, 6
- Bauteile
- 7
- Steuerungsvorrichtung
- 8
- Schweißstelle
- 9
- Schweißnaht
- 10
- TOF-Kamera
- 11
- Beobachtungsfenster
- 12, 13
- Beobachtungsabschnitt
- 14
- Auswerteeinrichtung
- 15
- Schnittstelle
- 16, 17
- TOF-Kamera
- 18, 19
- Beobachtungsfenster
- B1, B2
- Bidldaten
- T
- Topographiedaten
- ST
- Steuerungsparameter
- R
- Schweißrichtung
