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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen von
Drähten
mittels einer Laserquelle, insbesondere von dünnen, insbesondere kohlenstoffhaltigen
Drähten.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Drahtverschweißungsverfahren
bekannt, bei denen zu verschweißende
Drähte
mittels Bestromung verschweißt
und anschließend
durch eine weitere Bestromung zur Temperaturerhöhung oder in einer Glühkammer
nachbehandelt werden, wobei jedoch immer die entstehende Schweißstelle
als Verdickung deutlich über
den radialen Querschnitt der verschweißten Drähte herausragt. So ist aus
der
US 4,224,499 A ein
Verfahren zum Schweißen
von Drähten
mittels einer Laserquelle bekannt, bei dem die zu verschweißenden Drähte aufeinander
geführt
und anschließend
verschweißt
werden und beim Verschweißen
die zu verschweißenden
Drähte
mittels einer Kraft ineinander gefahren werden. Dabei entsteht wieder
ein Schweißgrat,
der entweder belassen oder entfernt werden kann. Alle Schweißverfahren nach
dem Stand der Technik, die mittels Verschweißung durch Bestromung funktionieren,
haben mit geringer werdenden Durchmessern das Problem einer immer
schlechter definierten Kontaktstelle (Oberfläche und Beschaffenheit der
Kontaktstelle zur Initiierung des Stromflusses), was zu einem hohen
Aufkommen an Fehlstellen führt.
Des weiteren stellt die Verdickung im Bereich der Schweißstelle
ein Problem dar, so dass diese Stelle für relevante Anwendungen, meistens
mechanisch egalisiert werden muss und gegebenenfalls dann nochmals
ein weiterer Glühbehandlungsschritt
sich anschließt,
um ausreichende Zug- und Biegebelastungen sicherzustellen, wobei
hier beispielsweise auf
US
6,311,684 B1 verwiesen wird.
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Trotz
des zweimaligen nachträglichen
Glühens
weisen die entsprechenden Verschweißungen häufig nicht ausreichende mechanische
Zugbelastungs- und Biegebelastungsstandfestigkeiten auf, wobei das
mechanische Entfernen (des Verschweißungsgrates) der Verdickung
im Bereich der Schweißstelle
und das energetisch relativ ungünstige Glühen im Ofen
einen hohen Zeit-, Energie- und somit Kostenfaktor darstellt.
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Das
der Erfindung zugrundeliegende Problem bzw. deren Aufgabe liegt
darin, die oben genannten Nachteile zumindest teilweise zu verringern bzw.
zu vermeiden, insbesondere dahingehend, dass ein mechanisches Entfernen
der Verdickung im Bereich der Schweißstelle der Drähte und
gleichzeitig ein mehrfaches Glühen
auch vermieden wird, um somit ein kostengünstiges, schnelles und sicheres
Verschweißungsverfahren
von dünnen
Drähten
bereitzustellen.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch
10.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Schweißen
von Drähten
werden die zu verschweißenden
Drähte
mittels einer Führungseinrichtung aufeinandergeführt und
anschließend
verschweißt, wobei
mittels eines Kraftelementes die zu verschweißenden Drähte vor dem Verschweißen mittels
einer Laserquelle – ziehend
oder drückend – aufeinandergefahren
werden, um eine definierte zu verschweißende Stelle bereitzustellen.
Weiterhin werden beim Verschweißen
der zu verschweißenden
Drähte
mittels eines bzw. des Kraftelementes die zu verschweißenden Drähte – ziehend
oder drückend – ineinander gefahren,
wobei mittels eines Begrenzungselementes, beispielsweise und insbesondere
eines Seils oder einer Stellschraube, das Ineinanderfahren der Drähte begrenzt
wird, derart, dass beim Verschweißen der Drähte die entstehende Schweißstelle
sich nicht im Wesentlichen über
den radialen Querschnitt der Drähte
erstreckt. Dies kann beispielsweise und insbesondere realisiert
werden mittels einer in 1 dargestellten und entsprechend
beschriebenen Vorrichtung sowie entsprechenden Verfahrensschritten. Insbesondere
wird über
das Vorspannen ein definierter Anpressdruck der beiden zu verschweißenden Drähte sichergestellt,
wobei im Augenblick des Verschweißens mittels Laserstrahlung,
welches in der Regel nur wenige tausendstel Sekunden dauert, durch
das an der Schweißstelle
weichgewordene und fließfähige Material
beide Drähte
sich ineinander leicht zubewegen, so dass über die Begrenzung der Wegstrecke
eine entstehende Verdickung der Schweißstelle (Schweißperle)
kontrollierend und vorbestimmend begrenzt wird. Servomotoren oder ähnliche
Stellelemente wären
nicht in der Lage, innerhalb dieser kurzen Zeitspannen reproduzierbar
und kontrolliert die Drähte
ineinanderfließend
nachzuführen, so
dass nicht reproduzierbare und in der Regel minderwertige Verschweißungen entstehen
würden.
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Erfindungsgemäß sind unter
dem Begriff ”Kraftelement” Elemente
zu verstehen, die derart eingestellt werden können, dass sie eine Kraft auf
ein angegriffenes Element ausüben,
so dass beispielsweise auch Pneumatik- oder Hydraulikzylinderelemente
oder aber auch magnetische Elemente hierunter fallen, jedoch insbesondere
klassische Federelemente hervorzuheben sind.
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Vorteilhaft,
da in der Praxis bewährt,
ist es, wenn es sich beim Kraftelement um ein Element aus der Gruppe
pneumatisches, hydraulisches, magnetisches oder Feder-Kraftelement
handelt, da diese eine besonders hohe Zuverlässigkeit hinsichtlich der Reproduzierbarkeit
der Qualität
der Schweißstelle
sicherstellen, wobei jedoch wenn auch nicht ganz in diesem Ausmaß schnelle
Servomotorkraftelemente durchaus denkbar sind.
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Zunächst ist
es vorteilhaft, wenn bei der Führung
der zu verwendenden Drähte
diese Drähte
umgebende Röhrchen,
beispielsweise und insbesondere Glasröhrchen, Glaskeramikröhrchen oder
Keramikröhrchen,
verwendet werden zur gegenseitigen Ausrichtung der Drähte.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Verschweißen der Drähte unter einem Schutzgas,
beispielsweise und insbesondere Argon, durchgeführt wird, um entweder ein Verzundern
zu vermeiden bzw. eine hohe Qualität der Schweißstelle
zu erreichen.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn das Schutzgas mittels der Düse für das Heißgas, also
der Düse, aus
der das Heißgas
austritt, appliziert wird, um so einen einfachen apparativen Aufbau
zu realisieren.
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Dabei
hat es sich als vorteilhaft in der Praxis herausgestellt, daß der maximale
Durchmesser der zu verschweißenden
Drähte
2 mm beträgt,
was letztlich wohl einer Wärmedissipationen
geschuldet ist und das schnelle Einbringen der Energie mittels Laserstrahlung
mehr oder weniger obere Grenzen hinsichtlich eines maximalen Durchmessers
zur Folge hat.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn mittels einer Laserquelle mindestens zwei
Drähte
miteinander verschweißt
werden, wobei beipielsweise und inbesondere als Laserquelle ein
gepulster Festkörperlaser
in Frage kommt, wobei im Anschluß daran die entstandene Schweißstelle,
die sich auch als Schweißstelle
(Schweißperle)
darstellt und als solche bezeichnet wird, mittels eines insbesondere punktuell
gerichteten Heißgasstromes,
der insbesondere eine Temperatur aufweist zwischen +250°C und +500°C, einem
Annealingprozess (einem Glühen) unterworfen
wird.
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Das
Annealing mittels eines insbesondere punktuellen Heißgasstromes
zu realisieren bringt neben einer extremen Vereinfachung des Verfahrensprozesses
und einer sehr großen
Zeitersparnis insbesondere den Vorteil, das nur punktuell die betroffene
Schweißzone
der thermischen Behandlung unterworfen wird und somit der von der
Schweißung
nicht betroffene Draht keine, seine Eigenschaften verändernde
Behandlung erfährt.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn nach dem Annealing ein Zuglasttest durchgeführt wird,
um unmittelbar nach der Herstellung die jeweilig notwendigen Mindestbeanspruchungen
hinsichtlich Zuglastfestigkeit zu bestimmen, um eventuelle Fehler
bereits zu diesem Zeitpunkt zu erkennen.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn das Verschweißen der Drähte, das Annnealing und der Zuglasttest
in einer Vorrichtung durchgeführt
werden, um ein kompliziertes Ausspannen der verschweißten Drähte und
ein erneutes Einspannen einzusparen, was wiederum Arbeitseinsatz,
Zeit und somit Kosten erheblich reduziert.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, wenn mittels einer Laserquelle die Drähte miteinander
verschweißt
werden, da sich mit Hilfe eines solchen homogenen und vom Drahtdurchmesser
unabhängigen
Energieeintrages und unter Zuhilfenahme der oben beschriebenen mechanischen
Prozesssteuerungskomponenten eine Schweißstelle bildet, deren räumliche
Dimensionen sich im wesentlichen nicht über den radialen Querschnitt
der zu verschweißenden
Drähte
erstreckt, wobei mit dem Applizieren eines Heißgasstromes Vorteile verbunden
sind, vorzugsweise und beispielsweise, wenn dieser aus der Gruppe
Luft, Stickstoff, Edelgas ausgewählt
wird, da sich diese Stoffe in der Praxis sehr bewährt haben,
wobei es sich darüber
hinaus in der Praxis als ausgesprochen vorteilhaft herausgestellt
hat, daß das
Heißgas
mittels einer Düse
an die Schweißstelle
appliziert wird, so daß ein
gezieltes räumlich
eng begrenztes Abgeben von Wärme
ermöglicht
wird, so daß vorteilhafterweise
während
des Anealingvorganges die höchste Temperatur
in der Schweißstelle
herrscht, so daß von der
Schweißstelle
aus gesehen in längsaxialer
Richtung der Drähte
ein kontinuierlicher Temperaturabfall festzustellen ist, der im
wesentlichen den Erhalt der Materialeigenschaften außerhalb
der Annealingzone sicherstellt.
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Auf
diese Art und Weise wird ein Verfahren zum Verschweißen von
Drähten
bereitgestellt, daß eine
sichere und reproduzierbare Verschweißung gewährleistet, die ein mechanisches
Entfernen von dem sonst aus dem Stand der Technik überstehenden
Verschweißungsgrat
an der Verschweißungsstelle
entbehrlich macht, was zu erheblichen Zeit- und Geldersparnissen
führt,
und das auf der anderen Seite durch das spezielle Annealing mittels
eines Heißgasstromes
und nicht wie aus dem Stand der Technik üblich mittels eines Annealings
in einem Ofen oder durch Temperaturerhöhung mittels Bestromung, durch
das sich einstellende Temperaturprofil kontrolliert Rekristallisationsvorgänge in der
Metallstruktur der verschweißten
Drähte
stattfindet, um auf diese Art und Weise eine ausgesprochen hohe
Biege- und Zugbeanspruchungbarkeit zu generieren bzw. zu gewährleisten.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, wenn während des Schweißens sich
die maximale Temperatur der miteinander zu verschweißenden Drähte im Zentrum der
Verschweißung
befindet, um auf diese Art und Weise ein zu beiden Seiten hin gleichmäßiges Temperaturgradientenprofil
zu erhalten, um später
eine optimale Grundlage für
das Glühen
bereitzustellen, was sich letztlich in hohen Zuglastfestigkeiten
und Biegebeanspruchbarkeiten äußert.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Verschweißen der Drähte unter einem Schutzgas,
beispielsweise und insbesondere Argon, durchgeführt wird, um entweder ein Verzundern
zu vermeiden bzw. eine hohe Qualität der Schweißstelle
zu erreichen.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn das Schutzgas mittels der Düse für das Heißgas, also
der Düse, aus
der das Heißgas
austritt, appliziert wird, um so einen einfachen apparativen Aufbau
zu realisieren.
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Es
ist weiterhin ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung, daß die zerstörbaren Präzisionsausgleichsröhrchen,
hergestellt vorzugsweise aus Glas, Glaskeramik oder Keramik, verwendet
werden zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
da die Glasröhrchen,
die für
eine sichere Führung
und hohe Stabilität
der Drähte
beim Aufeinanderfahren unter zunehmendem Druck auf die Drahtenden
der zu verschweißenden
Drähte
Sorge tragen, durch einfaches Zerdrücken beispielsweise mittels
einer Zange nach dem Verschweißen
entfernt werden können,
so daß bei
insbesondere einer Kombination aus Verwendung von Laserstrahlen
mittels einer Laserquelle für
das Verschweißen
und das anschließende
Annealing mittels eines Heißgasstromes letztlich
in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ausgesprochen elegant und reproduzierbar durchgeführt werden
kann.
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In
produktionstechnischer Hinsicht ist es dann weiterhin von großem Vorteil,
daß im
Anschluß an
das Verschweißen
und Annealing ein Zuglasttest durchgeführt werden kann, um vor Ort
die Schweißstelle
auf ihre Mindesterfordernisse hin zu untersuchen und gegebenenfalls
mindere Qualität
auszuschließen.
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Die
Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele nichtbeschränkend erläutert.
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In
den Figuren zeigen:
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1 – eine schematische
Prinzipskizze in Aufsicht,
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2 – eine schematische
Querschnittsansicht eines Ausschnittes aus 1,
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3 – eine schematische
Querschnittsansicht der in 1 gezeigten
Ausführungsform,
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4 – eine schematische
Querschnittsansicht eines Ausschnittes einer weiteren Ausführungsform,
und
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5 – eine schematische
Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform.
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In 1 ist
schematisch ein Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung von oben zu
erkennen.
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Die
zu verschweißenden
Drähte 2 werden
in der mittig innenliegenden Seele jeweils eines Glasröhrchen 5 fest
in der bewegliche Aufnahme 8a bzw. der feststehenden Aufnahme 8b befestigt.
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Aufnahme 8a ist
mittels eines Seiles X mit der servogesteuerten Rolle 10 verbunden.
Aufnahme 8b ist starr mit dem Kraftaufnahmesensor 13 verbunden.
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Die
Feder 6 verbindet Aufnahme 8a mit Aufnahme 8b unter
Vorspannung einiger Newton. Zu diesem Prozesszeitpunkt werden die
Kräfte
der Feder 6 über
die Aufnahmen, das Seil X und die Rolle 10 bzw. die starre
Verbindung Y an den Kraftaufnahmesensor und dann jeweils an das
Gehäuse übertragen.
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Durch
Rotation der Rolle 10 im Uhrzeigersinn bewegt sich Aufnahme 8a jetzt
auf Aufnahme 8b, unter der Krafteinwirkung von Feder 6,
zu, bis sich die beiden Schweißdrahtenden
berühren.
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Mit
dem Berühren
der Drähte
entsteht eine Verlagerung der Federkräfte von Feder 6 auf
die in den Aufnahmen 8a und 8b befestigten Drähte.
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Seil
X und starre Verbindung Y nehmen keine Kräfte mehr auf.
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Durch
eine definierte weitere Rotation der Rolle 10 im Uhrzeigersinn
wird das Seil X um eine definierte Wegstrecke weiter freigegeben.
Diese Wegstrecke entspricht später
exakt der Wegstrecke um die sich die Drähte während des Schweißvorganges, durch
die Feder 6 gezogen, ineinander verschieben.
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Diese
Wegstrecke bestimmt den Durchmesser der Schweißperle, welche im Idealfall
genau dem Drahtdurchmesser des Drahtes entspricht.
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Wenn
sich die Drähte
berühren
und die Seilrolle 10 eine definierte weitere Seilfreigabe
ausgeführt
hat, werden die beiden Drähte
mittels Laserstrahlung bei konstantem Andruck und definiertem Weg
miteinander verschweißt.
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Nach
Applikation der Laserstrahlung und dem dadurch stattgefundenen Verschweißen der
beiden Drähte 2 ist
eine Schweißstelle 3 entstanden,
die dann mittels einer darauf ausgerichteten Düse 9 mittels eines
Heißgasstromes
(4) einem Annealing (Glühen)
unterworfen wird, wobei die Temperatur des Heißgasstromes in Abhängigkeit
von Material und Durchmesser ca. +250°C bis +500°C beträgt und das Heißgas Argon
ist. Das Annealing findet unmittelbar nach dem Verschweißen statt.
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Beim
Annealing ist darauf zu achten, daß die Ausrichtung der Düse 9 derart
ist, daß sich
im Zentrum der Schweißstelle 3 die
maximale Temperatur befindet, so daß der Temperaturverlauf stetig
nach außen
verlaufend absinkend ist und beim endgültigen Abkühlen nach dem Annealing aufgrund
der durch das Annealing stattgefundenen Rekristallisationsprozesse
dann eine hohe Zuglast und insbesondere Biegebelastbarkeit sich
einstellt.
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Im
Anschluß an
das Verschweißen
und das Annealing wird unmittelbar danach, also insbesondere nach
Abkühlen
auf Raumtemperatur, die Schweißstelle
einem Zuglasttest ausgesetzt, um die eingestellten Mindestanforderungen
vor Ort zu überprüfen. Dabei
wird die Rolle 10 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht und über das
Seil X eine Feder 14 gespannt und die jetzt zunehmende
Kraft über
die feste Verbindung der Drähte 2 in
Aufnahme 8a und 8b sowie die starre Verbindung
Y an den Kraftaufnahmesensor 13 geführt. Die gesamte Kraft wird
dabei über
die Schweißstelle
geleitet. Die Kraft der Feder 6 wird durch eine Nullung
des Meßsystems
vor der Messung kompensiert. Durch die Drehung der Rolle 10 kann
die Kraft kontinuierlich bis zum gewünschten Wert gesteigert werden.
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Wird
dabei die Schweißstelle 3 nicht
zerstört, so
ist die Verschweißung
erfolgreich gewesen, so daß im
Anschluß daran
die beiden miteinander verschweißten Drähte – nunmehr der neue gemeinsame Draht – aus der
Vorrichtung entnommen werden können.
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Es
sei lediglich der guten Ordnung halber darauf hingewiesen, daß die zu
verschweißenden Drähte an ihren
in Bezug auf die Verschweißung
distalen Enden klemmend an jeweiligen Klemmelementen der Führungseinrichtung 8 befestigt
werden, beispielsweise und insbesondere mittels Klemmbacken, die
Teile der Führungseinrichtung 8 sind.
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Weiterhin
sei darauf hingewiesen, daß nach dem
Verschweißen
und Testen beispielsweise und insbesondere mittels einer Zange die
empfindlichen Glasröhrchen
einfach quetschend-zerstörend
entfernt werden können.
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In 2 ist
auszugsweise und in im Vergleich zu 1 vergrößerter Querschnittsdarstellung nochmals
zu erkennen, wie die beiden zu verschweißenden Drähte 2 in den jeweiligen
Glasröhrchen 5 angeordnet
sind, um dann zusammengefahren verschweißt zu werden.
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In
den 3 bis 5 sind unter Bezugnahme auf
die obigen Erläuterungen
und Ausführungen zu
den 1 und 2 unterschiedliche Ausführungsbeispielprinzipien
hinsichtlich der Wegbegrenzungselemente 7 aufgezeigt, wobei
in 3 das Seil X als Wegbegrenzungselement 7,
in 4 eine Stellschraube 11 und in 5 eine
Stellschraube 11 und eine zwischen einem Gegenlager 15 und
einem Spacer 12 als Wegbegrenzungselement dient. Bei der
Ausführungsform
in 3 sei auf die Erläuterungen zu 1 verwiesen.
Hinsichtlich der 4 läßt sich feststellen, daß ein ausgesprochen
schmaler Spalt S zwischen einem Gegenlager 15 und dem distalen
Ende der Stellschraube 11 durch entsprechendes Einstellen
der Stellschraube 11 beim Verschweißen die begrenzte Wegstrecke
definiert, während dies
in 5 durch den Spacer 12 geschieht, der
vor dem Verschweißen
entfernt wird.
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Lediglich
der guten Ordnung halber sei darauf hingewiesen, daß statt
einer die Aufnahmen 8a und 8b zusammenziehenden
Feder zwei aufeinanderdrückende
Federn oder andere Kraftelemente eingesetzt werden können.