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Vorrichtung zur Regelung eines SchweißvorgangeXs
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung von Schweißvorgängen
bei vorwiegend einlagigen I-Maßverbindungen und ersten Nähten mehrlagiger Schweißungen,
mit einer wurzelseitig angeordneten Einrichtung zur Erfassung des Schweißvorganges,
die einen Fotosensor aufweist.
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Bei nahezu allen Schweißverbindungen kommt der Wurzelausbildung besondere
Bedeutung zu. Nicht verschweißte Kanten im Wurzelbereich, aber auch zu großer Wurzeldurchhang,
sind meist unzulässig und führen zu zeitaufwendigen, teuren Reparaturen oder gar
zum Ausschuß eines Teiles. Durch unterschiedliche Materialdicken, unterschiedliche
Fertigungstoleranzen, veränderte Wärmeableitung, Oxidschichten sowie Schwankungen
des Schweißstromes, der Schweißspannung und dergleichen kommt es bevorzugt beim
Schweißen der Nahtwurzel oft zu Schweißfehlern. Es werden daher vielseitig Lösungen
gesucht, mit denen durch eine Beobachtung der Schweißwurzel und einer Regelung des
Schweißvorganges Fehler in der Schweißnaht weitgehend verhindert werden.
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Im Aufsatz Selbsttätige Regelung des Einbrands beim Lichtbogenschweißen
der Fachzeitschrift "Swarotschnoje Proiswodstwo" (Schweißproduktion), Nr. 8, 1961,
UdSSR, Seiten 23 bis 25 ist ein Lösungsbeispiel dazu beschrieben.
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Bei der darin beschriebenen Einrichtung wird der Einbrand bzw. eine
unveränderliche Tiefe des Einbrands bei einer veränderlichen Größe des Nahtspalts
zwischen den Schweißkanten selbsttätig geregelt. Es handelt sich dabei um ein System
der selbsttätigen Steuerung der Pendel breite einer schwenkbaren Schweißelektrode
in Abhängigkeit von der Tiefe des Einbrands der Schweißwurzel. Dazu ist wurzelseitig
eine kristalline fotoelektrische Diode an einer relativ zum Schweißlichtbogen fixierten
Position als Strahlungsfühler angeordnet, der ein Signal in Abhängigkeit der Intensität
der Lichtausstrahlung bevorzugt im langwelligen Spektralbereich aus der Schweißwurzel
zum Steuern eines Antriebs für die Pendelbewegung ausgibt. Bei dieser bekannten
Einrichtung muß der Fühler sowohl bei einer Rundnaht als auch bei einer geraden
Naht mit dem wandelnden Wurzelschmelzfleck mitbewegt und möglichst genau justiert
werden.
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Eine weitere Lösung ist aus der JA-PS 55 42 111 bekannt, bei der die
Schweißnahtregelung nicht mittels einer komplizierten Pendelbewegung der Schweißelektrode,
sondern durch Regelung des Schweißstromes in Abhängigkeit der Ausstrahlungen aus
einem vom Aufschmelzpunkt relativ weit entfernten Bereich der Schweißwurzel erfolgt.
Jedoch ist auch hier eine Mitführung des Fühlers mit dem Schweißvorgang erforderlich.
Der Fühler besteht aus 6 Fotosensoren, die in 2 Reihen auf empirisch bestimmten
Abständen in einer bandartigen Halterung versenkt sind.
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Zwischen Schweißnahtwurzel und Sensorhalterung befindet sich lichtdurchlässiges
Material (Glaswolle).
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Auch eine in der US-PS 3,702,915 vorgeschlagene Lösung erfordert eine
genaue Fixierung des Sensorsystems unter dem Winkel A. Zur Regelung werden alle
Wellenlängen, für die die Fotodiode empfindlich ist, benützt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, mit der eine genaue Regelung des Schweißvorganges erreicht
werden kann, bei der die Sensoren gegenüber der Schweißwurzel nicht justiert oder
mitgeführt werden müssen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruches
1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt die von der Schweißstelle emittierte
Strahlung zur Regelung des Schweißvorganges, indem der Stab die auf dessen Außenumfang
bzw. -mantel auftreffende Stahlung zumindest teilweise aufnimmt und sie an den Fotosensor
weiterleitet. Ein derartiger Lichtleiter der einen runden oder poligonalen Querschnitt
haben und gerade oder gebogen ausgestaltet sein kann, kann gestell fest angebracht
werden, wobei der Fotosensor beliebig entfernt von der heißen Schweißzone angeordnet
sein kann. Die Geometrie des Sensorstabes richtet sich nach dem Verlauf der Schweißnaht
derart, daß die Strahlung der sich bewegenden Schmel zstel 1 e trotz nicht mitlaufenden
Stabes stets auf den Stab auftrifft. Außerdem ist eine genaue Positionierung im
Gegensatz zu den bekannten Verfahren nicht notwendig. In Abhängigkeit der absorbierten
Strahlenenergie wird der Schweißstrom oder die Dauer von Stromimpulsen geregelt,
womit eine rasche und präzise Steuerung des Schweißvorganges möglich ist.
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Der Sensorstab ist vorzugsweise so hergestellt, daß er ein kurzwelliges
Band aus dem Strahlenspektrum absorbiert und es in eine langwellige Strahlung umwandelt
und zum Sensor weiterleitet.
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Mit der kurzwelligen Strahlung wird der Zustand des Schmelzpunktes
mit geringstmöglicher Verfälschung durch Fremdeinflüsse erfaßt. Die nachträgliche
Anhebung der Wellenlänge durch den Sensorstab hat den Vorteil, daß die Strahlung
in einen Wellenlängenbereich gebracht wird, der für Fotosensoren, z.B. Si-Fotodioden
günstig ist. Fotosensoren sind empfindlich für größere Wellenlängen.
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Der Sensorstab kann einen großen Teil des transformierten Lichtes
aufgrund seines hohen Berechnungsindexes im Stab durch Totalreflexion verlustarm
über weite Strecken zu dessen Stirnflächen leiten.
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Der Sensorstab kann dazu einen Durchmesser zwischen etwa 3 bis 15
mm haben. Er empfängt radial einfallende Strahlung aus allen Winkelstellungen mit
gleicher Empfindlichkeit.
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Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist somit eine fertigungstechnisch
einfache Lösung zur genauen Regelung des Schweißstromes und damit zur zuverlässigen
Steuerung der Schweißnaht geschaffen, bei der kein Mechanismus für einen Vorschub
des Fühlers sowie keine genau einzuhaltene Positionierung des Sensors notwendig
ist.
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Für den Sensorstab kann jedes durchsichtige Polymer verwendet werden,
das Lichtstrahlungen absorbiert und innerhalb des Materials durch Totalreflexion
in bestimmte Richtungen weiterleiten kann. Dazu sind beispielsweise Polycarbonade,
Polymethylmethacrylat, Zellulose geeignet.
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Für die Filterung der Strahlung ist es vorteilhaft, den Sensorstab
mit lumin#szenzfähigen Partikeln zu durchsetzen, die die für den Anwendungsfall
günstigen Wellenlängen absorbiert und umgewandelt wieder abstrahlt.
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Hiermit wird erreicht, daß nur ein enges Strahlenspektrum bzw. nur
eine Wellenlänge absorbiert und zum Fotosensor geleitet wird, so daß ohne zusätzliche
Filter einfache, auf eine Wellenlänge abgestimmte Sensoren verwendbar sind.
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Für die anderen Wellenlängen ist der Sensorstab transparent.
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Bei einem Schweißvorgang trifft das gesamte vom Aufschmelzpunkt an
der Nahtwurzel und seiner Umgebung emittierte Licht den Sensorstab, durch die lumineszenzfähigen
Teilchen werden nur die Strahlungen absorbiert, die bevorzugt vom Aufschmelzpunkt
und nicht von der Umgebung emittiert werden. Das von den Teilchen wieder emittierte
Licht ist längerwelliger und liegt damit im Bereich der erhöhten Empfindlichkeit
einer Fotodiode. Durch Total reflexionen wird ein großer Teil des emittierten Lichts
an die Stirnflächen geleitet. Ein an mindestens einer Stirnseite des Sensorstabes
angeordneter Fotosensor reagiert sehr empfindlich auf Intensitätsschwankungen des
vom Aufschmelzpunkt emittierten und von den lumineszenzfähigen Stoffen absorbierten
Lichtes. Damit steht für die Regelung ein bezüglich der Schweißnahtwurzelbreite
empfindliches Signal zur Verfügung.
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Mit den als Filter wirkenden Partikeln können die warmen Infrarotstahlungen
ausgefiltert werden, so daß Fehler durch Fremdstrahlungen, insbesondere die von
den der Schweißnaht umgebenen Werkstoffbereichen emittierten Wärmestrahlungen, ausgeschaltet
werden.
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Ein so ausgebildeter Stab hat die Eigenschaften, Licht selektiv zu
absorbieren, zu transformieren und zu leiten, er ist besonders bei Rohrrundnähten
vorteilhaft, da hier nach dem Schweißen von etwa 300 Umfang der Rest der Schweißung
in einem durch Wärmeleitung schon heißen Bereich stattfindet. Gerade in diesem heißen
Ober-1 appungsberei ch von Nahtanfang und -ende ist der Anteil des längerwell igen,
von der Umgebung des Aufschmelzpunktes emittierten Lichtes am Gesamtspektrum wesentlich
größer und würde auch bei nur teilweiser Berücksichtigung im Fotosensor zur Verfälschung
der Messung und damit zu einer ungleichmäßigen Schweißnahtwurzelbreite führen.
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Dadurch, daß der Sensorstab bevorzugt nur kurzwelliges, vom Schmelzpunkt
emittiertes Licht zum Fotosensor leitet, ist es dem Sensor möglich, ein Signal zu
liefern, mit Hilfe dessen ein Regler den Schweißstrom so verändert, daß auch unter
ungünstigsten Randbedingungen eine Schweißnaht mit gleichmäßiger schmaler Wurzel
über der gesamten Länge entsteht.
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Eine zusätzliche Filterung der langwelligen Strahlen kann mittels
eines nur für die gewünschte Wellenlänge transparentes, den Stab umgebendes Rohr
erreicht werden.
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Hierzu ist Quarz besonders gut geeignet. Damit wird der Sensorstab
gegen Hitze geschützt.
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Die von einem Sensorstab eingefangene Strahlung wird an den Stirnenden
wieder ausgestrahlt. Um die aus der von der Fotoelektrode entferntliegenden Stirnende
austretende Strahlung ebenfalls zu nutzen, wird an dieser Stirnseite eine Spiegelfläche
vorgesehen, die die Strahlungen wieder zurück in den Stab reflektiert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensorstab
mit Blenden versehen, die je nach Anwendungsfalls unterschiedlich ausgebildet sind.
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Mit den Blenden werden Fremdstrahlungen, z.B. Licht aus der Umgebung,
Wärmestrahlungen aus aufgeheizten Werkstückbereichen in der Umgebung des Schweißpunktes
abgehalten und damit Verfälschungen der Meßdaten, insbesondere durch sich zeitlich
und örtlich ändernden Fremdstrahlungen weitestgehend ausgeschaltet.
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Die erfindungsgemäße Ausführung ist daher geeignet, um präzise Messungen
der Einbrandtiefe einer Schweißwurzel und eine genaue Regelung des Schweißvorganges
mit sehr einfachen Mitteln durchzuführen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine allgemeine Anordnung des Regel systemes, Fig.
2 bis 4 je ein Ausführungsbeispiel.
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Bei einem Schweißvorgang, bei dem zwei Werkstücke 10 und 11 miteinander
verbunden werden sollen, kommt der Herstellung der Schweißnahtwurzel 12 eine besondere
Bedeutung zu. Die Schweißnaht im Wurzelbereich muß möglichst durchgehend homogen
verlaufen, um eine zuverlässige Verbindung der Werkstückteile 10 und 11 zu gewährleisten.
Wird der Schweißpunkt zu stark erhitzt, dann besteht die Gefahr, daß das Lot durchsickert.
Bei zu geringer Aufschmelzung wiederum können unverschweißte Stellen die Folge sein.
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Um derartige Unregelmäßigkeiten zu vermeiden, wird die Schweißnaht
gemäß Fig. 1 ständig beobachtet und der Schweißvorgang über den an der Schweißelektrode
13 anliegenden Strom 14 geregelt.
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Die Regelung des Schweißstromes 14 erfolgt dadurch, daß die Intensität
der Strahlung 16, die von der aufgeheizten Schweißwurzel 12 emittiert wird und die
ein Maß für die Einschmelztiefe ist, mit einem Fotosensor 18, beispielsweise einer
Si-Fotodiode gemessen wird. Der Fotosensor 18 gibt ein Signal 19 aus, das der aufgenommenen
Strahlungsintensität entspricht.
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Mittels eines Reglers 20 wird aufgrund des Signals 19 ein Potentiometer
22 zur Einstellung des für den jeweiligen Zustand erforderlichen Schweißstromes
14 angesteuert. Es kann auch die Dauer eines Schweißimpulses beeinflußt werden.
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Um den Fotosensor 18 einerseits fern von der heißen Schweißstelle
anordnen zu können und eine ausreichende Strahlungsenergie aufnehmen zu können,
wird ein strahlensammelnder ausgebildeter Sensorstab 24 verwendet, der die aufgenommene
Strahlung 16 vom Bereich des Schweißpunktes an eine davon entferntgelegene Stelle
leitet.
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Mit dem Sensorstab 24 kann über eine größere Umfangsfläche Strahlungen
absorbiert und an die verhältnismäßig kleine Fläche der Stirnseiten des Stabes konzentriert
werden.
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Der Fotosensor 18 ist an einem, dem warmen Bereich 26 des Schmelzpunktes
entferntliegenden Stirnende des Stabes 24 angeordnet, um dort die konzentrierte
Strahlungsenergie aufzunehmen und in elektrische Spannung umzuwandeln.
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Der Lichtleiterstab 24 wird so ausgebildet, daß er unbeweglich angeordnet
imstande ist, die Strahlung des sich bewegenden Einbrandbereiches durchweg aufnehmen
zu können.
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Wie in Fig. 1 mit der Bezugsziffer 27 angedeutet, ist der Stab gestell
fest angebracht. Die geometrische Ausgestaltung des Lichtleiterstabes 24 richtet
sich nach dem Anwendungsfall bzw. der Geometrie des Schweißnahtverlaufes. Der Lichtleiterstab
24 kann ebenfalls in Abhängigkeit des Verlaufes der Schweißwurzel mit Blenden versehen
werden, mit denen die Strahlenabsorption auf einen gezielten Strahlenkonus eingeschränkt
wird.
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Durch im Stabmaterial enthaltene fluqreszierende Partikeln wird die
Strahlung nur einer bestimmten Bandbreite vom Stab absorbiert. Bei der Wahl der
Partikeln mit einer Absorptionsfähigkeit im Bereich der niedrigeren optischen Wellenlängen
bis etwa 500 nm lassen sich die langwelligen, insbesondere Wärmestrahlungen ausfiltern,
wodurch eine Beeinträchtigung der fremden Wärmestrahlung weiter reduziert wird.
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Um die absorbierte Strahlung möglichst vollständig zum Fotosensor
18 zu leiten, ist am dem Fotosensor 18 entgegengesetzten Ende 28 des Lichtleiterstabes
24 eine Reflektionsschicht vorgesehen, mit der die diesem Ende 28 ausgerichteten
Strahlen in den Lichtleiterstab 24 zurückreflektiert werden.
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Verschiedene Ausführungen des Lichtleiterstabes sind in den Fig. 2
bis 4 gezeigt.
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Gemäß Fig. 2 ist ein gradliniger Lichtleiterstab 30 gezeigt, der beispielsweise
für eine Rundschweißnaht 31 zum Zusammenfügen von Rohren 32 vorgesehen werden kann.
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Der Lichtleiterstab 30 ist am freien Stirnende mit einer Spiegel schicht
34 versehen, die die an dieser Stirnseite ankommenden Strahlen 38 zurückreflektiert
(36), so daß ein Austritt von Strahlenenergie an dieser Stirnseite verhindert wird.
Die zurückreflektierten Strahlen 36 werden ebenfalls wie die direkt absorbierten
Strahlen 38 durch Total reflexion innerhalb des Stabes zur entgegengesetzten Stirnseite
des Stabes 30 und damit zum Fotosensor 18 geleitet.
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Der Lichtleiterstab 30 ist mit einer als Blende ausgebildeten, lichtundurchlässigen
Ummantelung 35 umgeben, die lediglich in dem Bereich der Schweißnahtwurzel 31 eine
Ringöffnung 37 hat, durch die ein Strahlenkonus 39 von der unteren Schmelzstelle
40 in den Lichtleiterstab 30 durchdringen kann. Durch die Blende 35 wird verhindert,
daß ein großer Anteil von Fremdstrahlungen, z.B. Wärmestrahlungen 42 aus dem Umgebungsbereich
des Schmelzpunktes 40, von außen kommende Lichtstrahlen 43 in den Stab 30 eindringen
und das Meßergebnis verfälschen, zumal diese Strahlungen im Regelfall keine konstante
Intensität haben. Die Aufwärmung des Werkstückes 32 in der Umgebung des Schweißpunktes
40 schwankt nämlich im allgemeinen,und unddas von außen eindringende Licht 43 wird
durch unregelmäßige Abschattungen ebenfalls in ihrer Intensität stark schwanken.
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Durch die Blende 35 wird somit vorwiegend die von der Schmelzstelle
40 emittierte, die Temperatur und den Zustand bzw. die Größe der momentanen Schmelzzone
charakterisierende Strahlung 39 an den Fotosensor 18 weitergeleitet und verarbeitet.
Hiermit kann eine sehr genaue Messung der
Einbrandtiefe im Werkstück
32 durchgeführt und folglich eine genaue Regulierung des Schweißstromes 14 vorgenommen
werden, die es erlaubt, eine über die Schweißnahtlänge gleichmäßige Einbrandtiefe
und damit eine gleichmäßige Schweißnahtwurzel herzustellen.
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Mit der Vorrichtung können Rundnähte von Kugeln, Rohren, Kegeln mit
Durchmessern von 30 bis 3.000 mm überwacht werden.
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Beim Schweißen von Rohren mit sehr großen Durchmessern, d.h. oberhalb
3 m wird die Intensität der auf einen axialen Lichtleiterstab gemäß Fig. 2 auftreffende
Schmelzstellenstrahlung zu gering sein, um eine genaue Messung bzw. Regelung durchzuführen.
In diesem Fall könnte der Lichtleiterstab als offener Ringstab ausgebildet werden,
dessen Durchmesser entsprechend niedriger als der Durchmesser der zusammenzufügenden
Rohre ist.
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Bei sehr langen Rohren 32 wird das aus Sensorstab 30 und Fotosensor
18 bestehende Sensorsystem verschiebbar angebracht, so daß es der Schweißnaht nachgeführt
wird, wenn eine Längsschweißung vorgenommen wird. In diesem Fall wird der Sensorstab
in der Art nach Fig. 4 ausgestattet sein. In Fig. 2 ist ein für eine Rundnaht 31
ausgebildeter Sensorstab 30 gezeigt, der für so eine Naht nach dessen Positionierung
- die nicht exakt sein muß - ortsfest verankert. Für eine Längsnaht wird der Sensorstab
ausgetauscht, die nicht dargestellte Verankerung gelöst und das Sensorsystem entlang
einer Führung 61 dem Schweißvorgang mit Motor oder per Hand nachgeführt.
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In Fig. 3 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem ein unregelmäßiger Werkzeugkantenverlauf
50 zu verschweißen ist. Für so einen Fall kann der Lichtleiterstab 51 mit entsprechend
gebogener Kontur ausgebildet werden, so daß der Schweißweg stets oberhalb des Lichtleiterstabes
51 zu liegen kommt. Als Blenden sind hier Ringscheiben 52 vorgesehen, die in regelmäßigen
Abständen über die Länge des Stabes 51 hinweg senkrecht zur Stabachse 53 mit dem
Stab befestigt sind.
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Bei geradlinigen Schweißnähten kann der Lichtleiterstab 55 gemäß Fig.
4 mit einer lichtundurchlässigen Ummantelung 56 umschlossen sein, die einen Spalt
57 für den Zutritt von Strahlungen 58 freilä0ßt. Diese Blendenausführung eignet
sich auch für den Ringstab für Rohr-Schweißnähte mit großen Durchmessern.
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Je nach Anwendungsfall kann ein Sensorsystem verwendet werden, das
die für den Anwendungsfall günstige Absorptions- bzw. Wirkbänder hat. Die gewünschte
Absorption wird durch entsprechende Pigmentierung des Sensorstabmaterials erreicht.
Es ist aber auch möglich, einen nahezu alle optischen Wellenlängen absorbierenden
Stab zu verwenden und die Wellenlängenselektierung durch ein als Filter dienendes
Rohr 62 (Fig. 2) zu erreichen.
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In so einem Fall kann ein den Stab kühlendes Inertgas durch den Ringspalt
geführt werden, das nach Austritt des Ringspaltes die Schweißstelle umspült und
damit einer Korrosion entgegenwirkt.
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Der Sensorstab kann im Rahmen der Erforderung, Lichtstrahlen zu absorbieren
und weiterleiten, jede erdenkliche Ausgestaltung haben. So ist es auch denkbar,
einen Flüssigkeitsstab vorzusehen, bei dem durch entsprechende Wahl der Flüssigkeit
und des Materials des die Flüssigkeit tragenden Rohres ein für die Totalreflexion
günstiger Berechnungsindex gegeben ist.