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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und ein Gerät
zum Bewerten der Qualität
von Widerstandsschweißverbindungen,
insbesondere Punktschweißverbindungen.
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Obwohl Widerstandsschweißen insbesondere
Punktschweißen
auf vielfältige
Produkte angewendet worden ist, die Stahlplatten verwenden, gibt
es in den letzten Jahren tendenziell mehr Schweißdefekte. Weil bislang Weichstahlplatten
herkömmlicherweise zu
schweißendes
Material gewesen sind, ist ein schlechter Schweißstrom selten aufgetreten,
so dass die Schweißqualität relativ
stabil gehalten werden konnte, indem die Schweißbedingungen ständig kontrolliert
wurden. Da große
Mengen von galvanisierten Stahlplatten und Hochspannungs-Stahlplatten
anstelle von Weichstahlplatten mittlerweile benutzt werden, hat
das Auftreten von Schweißdefekten
jedoch zugenommen. Vor diesem Hintergrund sind ein Verfahren und
ein Gerät
stark nachgefragt worden, die nicht nur die Schweißbedingungen überwachen
können,
sondern auch die Schweißqualität mit hoher Präzision überwachen
können.
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Zur Lösung dieses Problems sind eine
Vielzahl von Schweißqualitäts-Überwachungssystemen mit dem
Ziel entwickelt worden, nach der Beendigung des Schweißvorgangs
zu beurteilen, ob das Schweißergebnis
gut oder schlecht ist. Ein Urteil darüber, ob ein Schweißergebnis
gut oder schlecht ist, erlaubt es, das Ergebnis zu reflektieren,
bevor ein nächstes
Mal geschweißt
wird. Als Beispiele für
derartige Schweißqualitäts-Überwachungssysteme,
die bislang entwickelt worden sind, dienen die nachfolgenden Systeme:
- (1) Ein System, bei dem ein Inter-Chipwiderstand aus
einem Schweißstrom
und einer Schweißspannung
bestimmt wird und die Güte
oder Schlechtigkeit eines Schweißergebnisses wird auf Grund
eines Änderungsmusters
des Inter-Chipwiderstands
beurteilt, wovon ein Beispiel in JP 56-158286 offenbart ist.
- (2) Ein System, bei dem eine Inter-Chipspannung mit einer Zeitänderung
einer vorbestimmten Referenzspannung verglichen wird und die Güte oder Schlechtigkeit
in Abhängigkeit
davon beurteilt wird, ob der Unterschied zwischen Ihnen innerhalb
eines erlaubten Wertebereichs liegt oder nicht, wovon ein Beispiel
in JP 59-14312 offenbart ist. Und diejenigen, bei denen eine wirksame Komponente,
die zu einer Wärmeerzeugung
einer Schweißverbindung
wirksam beiträgt,
aus einer Inter-Chipspannung extrahiert wird und basierend auf einem
Zeitintegrationswert der wirksamen Komponente die Güte oder
Schlechtigkeit eines Schweißergebnisses
beurteilt wird, wovon ein Beispiel in JP 59-40550 und JP 59-61580
offenbart ist.
- (3) Ein System, in dem eine exotherme Temperatur erfasst wird
und basierend auf einem Temperaturänderungsmuster die Güte oder
Schlechtigkeit eines Schweißergebnisses
beurteilt wird, wovon ein Beispiel in JP 1-216246 offenbart ist.
- (4) Ein System, bei dem Ultraschallwellen zwischen zu schweißenden Materialien übertragen werden
und basierend auf der resultierenden Übertragungsmenge die Güte oder
Schlechtigkeit einer Schweißverbindung
beurteilt wird, wovon ein Beispiel in JP 52-94841 offenbart ist.
- (5) Ein System, bei dem ein Signal, welches von einem Beschleunigungssensor
erfasst wird, der auf einem Elektrodenchip befestigt ist, zweimal
integriert wird und der resultierende Abstand des Elektrodenchips
beim Schweißvorgang
verwendet wird, wovon ein Beispiel in JP 60-40955 offenbart ist.
- (6) Ein System, bei dem ein Schweißstrom erfasst wird und seine
oberen und unteren Grenzwerte mit dem Ziel überwacht werden, Schweißergebnisse
konstant zu halten.
- (7) Ein System, bei dem unter Verwendung eines thermischen Leitungsmodells
ein Nugget-Durchmesser berechnet wird, indem ein Computer verwendet
wird, wovon ein Beispiel in Sano „A study on numerical analysis
method for welding current path and temperature distribution in
spot welding" Master's thesis specialized
in welding in Osaka University Postgraduate Courses (1979) und in Nishiu „A study
on faster quality monitoring with the aid of numerical calculation
for resistance spot welding" Master's thesis specialized
in welding in Osaka University Postgraduate Course (1991) und dergleichen
offenbart ist.
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Wenn bei dem System (1)
aus diesen Systemen ein Bruch oder eine Schweißstromablenkung eines Chipendabschnitts
aufgetreten ist oder wenn das zu schweißende Material eine galvanisierte
Stahlplatte ist, wird es schwierig, die Güte oder Schlechtigkeit eines
Schweißergebnisses
zu beurteilen, weil ein Änderungsmuster
des Widerstand unregelmäßig ist. Weil
es notwendig ist, die Beurteilungskonditionen für ein Schweißergebnis
immer dann zurückzusetzen, wenn
der Schweißzustand
eine Änderung
erfährt
wie einen Bruch des Chips oder eine Änderung der Plattendicke, ist
es bei dem System (2) schwierig, eine genaue Beurteilung
der Güte
oder Schlechtigkeit in der Praxis zu geben. Die Einsatzfähigkeit
der Systeme (3) und (4) bei der Außendienstarbeit
bereitet Schwierigkeiten dabei, das Temperaturerfassungsequipment
und das Ultraschallübertragungs-
und -empfangsequipment zu installieren und zu befestigen. Der Einsatz
des Systems (5) bereitet in der Praxis Schwierigkeiten,
weil Rauschmischungen, Schwierigkeiten beim Messen von kleinen Abständen, Unterschiede
der mechanischen Stärke
individueller Widerstandsschweißverbindungen
und dergleichen auftreten, was mit Schweißapplikationen im Außendienst
einhergeht. System (6) ist preiswert hinsichtlich der Kosten,
einfach zu Implementieren und effektiv beim Auffinden von Leistungsfehlern,
Brüchen
von Sekundärleitern
und dgl., aber es kann Qualitätsverschlechterungen
von Schweißverbindungen
auf Grund niedrigerer Stromdichten wie beim Brechen und Schweißstromablenkungen
des Chipendbereichs nicht unterscheiden.
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Ferner würden diese unterschiedlichen
Arten von herkömmlichen
Schweißqualitäts-Überwachungssystemen die Arbeit
des Durchführens
eines vorläufigen
Experiments an Schweißfeldern
für jedes Schweißmaterial
beinhalten und dann das vorläufige Bestimmen
der Beziehung zwischen Schweißqualität und Unterscheidungskriterien
beinhalten und nebenbei könnte
das Unterscheidungsergebnis nur eine grobe Beurteilung bezüglich der
Güte oder
Schlechtheit einer Schweißverbindung
bereitstellen. Obwohl das System (7) potenziell die Fähigkeit
zum Lösen der
vorstehenden Probleme hat, würde
es lange brauchen, um die Gleichung der Wärmeleitung als ihren größten Defekt
zu lösen.
Deshalb könnte
ein Schweißergebnis
nicht beurteilt werden, bis das Schweißverfahren abgeschlossen ist,
so dass eine Ausgangskontrolle des Schweißers selber oder eine Verbesserung
von Schweißergebnissen
nicht erzielt werden könnte.
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EP 0 129 963 A1 , welche den nächstliegenden
Stand der Technik darstellt, von dem die vorliegende Erfindung fortschreitet,
offenbart ein Verfahren zum Erfassen des Einsetzens des Schmelzens
beim Widerstandspunktschweißen.
Die Schweißparameter
werden beim Ausbilden einer Widerstandspunktschweißverbindung
während
einer Schweißperiode überwacht
und die Schweißwiderstandskurve
und die Leistungskurve darstellende Daten werden erhalten und zur
Analyse mittels eines geeignet programmierten Computers gespeichert.
Die Ableitung des Widerstands R wird berechnet und gespeichert und diese
Ableitung wird durch die Leistung P geteilt, um R/P zu erhalten.
Die Widerstandskurve wird abgesucht, um den Maximalwert Rm zu erhalten,
der während
der Heizphase auftritt und die Funktion R/P wird vor der Zeit von
Rm abgesucht, um das Maximum der Kurve zu finden, welches die stärkste Zunahme
der Widerstandsrate repräsentiert.
Dann wird die R/P-Kurve nacheinander bis zu ihrem Maximum abgesucht,
um zu bestimmen, wann die Funktion eine vorbestimmte Prozentzahl
des Maximums erreicht. Der Wert tritt an einem Knie der Widerstandskurve auf
und gibt näherungsweise
das Einsetzen des Schmelzens beim Schweißen wieder.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, die vorstehenden Probleme zu lösen und ein Verfahren und ein
Gerät zum Überwachen
einer Qualität von
Widerstandsschweißverbindungen
bereit zu stellen, die einen Zustand der Erzeugung eines Nuggets mit
allgemeiner Vielseitigkeit überwachen
können, und
die Qualität
von Schweißverbindungen
zuverlässig
auswerten können.
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Um die vorstehende und weitere Aufgaben zu
lösen wird
gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung einer Verfahren zum Beurteilen der
Qualität
einer Widerstandsschweißverbindung bereitgestellt
mit den Schritten:
wiederholtes Erfassen von Momentanwerten
von einem Schweißstrom
und einer Interchipspannung während
einer Wechselstrom-Halbwelle, während der
sich der Momentanwert des Schweißstroms ändert,
wiederholtes Berechnen
eines Momentanwertes eines dynamischen Interchipscheinwiderstands
aus den beiden erfassten Werten,
gekennzeichnet durch die Schritte
Berechnen
einer Änderungsrate
des Momentanwerts des dynamischen Interchipwiderstands zu einem
beliebigen Zeitpunkt während
der Wechselstrom-Halbwelle, und Beurteilen der Schweißqualität durch
Verwenden einer Änderungseigenschaft
der Änderungsrate
des dynamischen Widerstandsmomentanwerts, die aus den aufeinanderfolgenden
Werten der Änderungsrate
der dynamischen Widerstandsmomentanwerte erhalten wird, welche während der
aufeinanderfolgenden Wechselstrom-Halbwellen berechnet werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Gerät zum Beurteilen der Qualität einer
Widerstandsschweißverbindung
bereitgestellt, mit:
einem Schweißstrom-Messmittel zum wiederholten Erfassen
eines Schweißstroms,
einem Interchipspannungs-Erfassungsmittel zum wiederholten Erfassen
einer Interchipspannung,
einem Berechnungsmittel für den dynamischen
Interchipwiderstand zum wiederholten Berechnen eines dynamischen
Interchipscheinwiderstands aus erfassten Werten der Messmittel und
der Erfassungsmittel,
gekennzeichnet durch
ein Berechnungsmittel
für die Änderungsrate
des dynamischen Widerstandsmomentanwerts zum Berechnen einer Änderungsrate
eines dynamischen Widerstandsmomentanwerts des dynamischen Interchipwiderstands
während
einer Wechselstrom-Halbwelle,
während
der sich der Momentanwert des Schweißstroms bei einem Schweißvorgang ändert,
Speichermittel
zum aufeinander folgenden Speichern des dynamischen Interchipwiderstands
und der Änderungsrate
eines dynamischen Widerstandsmomentanwerts, und
Arithmetikmittel
zum Durchführen
eines arithmetischen Vorgangs zum Beurteilen einer Schweißqualität durch
Verwenden der gespeicherten Änderungsraten
der dynamischen Widerstandsmomentanwerte.
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Weitere Vorteile von Ausführungsbeispielen werden
in den beigefügten
Ansprüchen
definiert.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Die vorliegende Erfindung wird anhand
der nachfolgend präsentierten,
detaillierten Beschreibung und den beigefügten Figuren besser verstanden
werden, die lediglich illustrativen Zwecken dienen und die vorliegende
Erfindung nicht begrenzen. Es zeigen:
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1 eine
erläuternde
Ansicht, die den Aufbau eines Qualitätsbeurteilungsvorrichtung für Widerstandsschweißverbindungen
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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2 eine
erläuternde
Ansicht einer Temperaturabhängigkeit
eines spezifischen Widerstands eines Metallmaterials, und
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3 eine
erläuternde
Ansicht für
gemessene Werte der Änderungsrate
des dynamischen Widerstandsmomentanwerts sowie für einen Nuggeterzeugungszustand
beim Schweißen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Ein Qualitätsbeurteilungsverfahren für Widerstandsschweißverbindungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird erläutert.
Momentanwerte eines Schweißstroms
und einer Interchipspannung werden während einer Stromänderungsperiode
Tn erfasst, während
der der Momentanwert eines Schweißstroms bei ei nem Schweißvorgang
sich ändert,
beispielsweise während
einer Halbwellenperiode eines wechselnden Schweißstroms oder während einer
Stromperiode mit Strompulsation. Ein Interchipscheinwiderstand wir
aus den Momentanwerten des Schweißstroms und der Interchipspannung
erhalten, wo der resultierende Interchipwiderstandswert dynamischer
Interchipwiderstandsmomentanwert genannt wird. Das Verhalten dieses
dynamischen Interchipwiderstandsmomentanwerts kann als ansprechend
auf die positive Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands angesehen werden, den das zum Schweißen bereitgestelltes
Metallmaterial aufweist, und ferner kann die Änderungsrate des dynamischen
Interchipwiderstandsmomentanwerts während einer Strömänderungsperiode,
d. h. einer Änderungsrate ΔRn eines
dynamischen Widerstandsmomentanwerts, als mit einer Temperaturerhöhungsrate
einer Schweißzone
im Zusammenhang stehend angesehen werden. 2 zeigt ein Beispiel der Temperaturabhängigkeit
eines spezifischen Widerstands eines Metallmaterials. Daher kann
ein Änderungsvorgang
eines spezifischen Widerstands und ein Temperaturzunahmezustand
erfasst werden, indem der dynamische Interchipwiderstand für eine Stromänderungsperiode
C1 bis zu einer Stromänderungsperiode
Tn berechnet werden und ferner die Änderungsrate ΔRn eines
dynamischen Widerstandsmomentanwerts nacheinander für die individuellen
Perioden berechnet werden. Daher kann der Schweißausbildungszustand einer Schweißzone, d. h.
die Qualitätsbeurteilung
einer Schweißverbindung bereitgestellt
werden.
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Weil zusätzlich eine direkt gemessene
Interchip-Spannungswellenform Rauschen beinhalten würde wie
eine induzierte Spannung auf Grund der gegenseitigen Induktivität zwischen
einer Schweißschaltung
und einer Messschaltung, gibt es das Bedürfnis, dieses Rauschen zu unterdrücken.
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Nachfolgend wird eine Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt
ist, ist eine Schweißelektrode
(Chip) 8 mit einer nicht gezeigten Wechselstrom-Schweißquelle
verbunden und wird mit einem zu schweißendem Material 11 elektrisch
leitend verbunden. Weil der Leitungsstrom ein Wechselstrom ist,
wird die Beobachtung der Stromwechselperioden auf Grundlage jeder
Wechsel strom-Halbwelle in dem Leitungszustand durchgeführt, so
dass Änderungsraten
des dynamischen Widerstandsmomentanwerts während aller Perioden in dem
Leitungszustand erhalten werden können. Eine Toroidspule 9 erfasst
einen magnetischen Fluss, der in dem Schweißstrom-Fließzustand erzeugt wird, eine
Schweißstrom-Messschaltung 1 führt einen
Verstärkungsvorgang
und Integrationsvorgang durch und ein A/D-Umwandlungsvorgang wird
zu einem Befehlszeitpunkt mittels einer Qualitätsbeurteilungs-Arithmetikverarbeitungsschaltung 7 durchgeführt und
der Schweißstrom
wird gemessen. Eine Interchipscheinspannung wird auch von einer
Schweißspannungs-Erfassungsleitung 10 gemessen,
wo diese Interchipscheinspannung induzierte Spannungen auf Grund
eines Magnetfeldes, dass von dem Schweißstrom erzeugt wird, und auf
Grund von gegenseitiger Induktion und Eigeninduktion der Schweißspannungs-Erfassungsleitung 10 aufweist.
Als Mittel zum Entfernen irgendwelcher Effekte dieser induzierten Spannungen
wird eine Signal der Toroidspule 9 verwendet und die in
der Interchipscheinspannung enthaltene induzierte Spannung wird
in einer Schweißspannung-Messschaltung 2 entfernt,
gefolgt von einem A/D-Umwandlungsvorgang, durch den die Interchipspannung
gemessen wird. Der gemessene Schweißstrom und die Interchipspannung
werden von einer Berechnungsschaltung für einen dynamischen Widerstandsmomentanwert 3 berechnet, durch
die ein Interchipwiderstandsmomentanwert, d. h. ein dynamischer
Interchipwiderstandsmomentanwert berechnet wird. Dieser Wert wird
einer nach dem anderen in einer ersten Speicherschaltung 4 während einer
Stromänderungsperiode,
d. h. einer Halbwelle gespeichert und ferner wird eine Änderungsrate
des dynamischen Widerstandsmomentanwerts zu irgendeinem Zeitpunkt
während
der Halbwelle durch eine Änderungsrate
einer Berechnungsschaltung 5 für einen dynamischen Widerstandsmomentanwert
berechnet. Obwohl eine Änderungsrate des
dynamischen Widerstandsmomentanwerts zu einem Zeitpunkt, wenn der
Schweißpunkt
einen Maximalwert erreicht, als die Änderungsrate des dynamischen
Widerstandsmomentanwerts in diesem Ausführungsbeispiel berechnet wird,
muss der Zeitpunkt, zu dem die Änderungsrate
des dynamischen Widerstandsmomentanwerts berechnet wird, nur im
Bereich eines Zeitpunkts liegen, wenn eine Temperaturänderung
des Schweißens
maximal wird. Die berechnete Änderungsrate
des dynamischen Widerstandsmomentanwerts wird in einer zweiten Speicherschaltung 6 gespeichert.
Wenn ferner die nachfolgende Stromänderungsperiode (nachfolgende Halbwelle)
gestartet worden ist, wird die Änderungsrate
des dynamischen Wider standsmomentanwerts von demselben Verarbeitungsablauf
wie vorstehend berechnet und in der zweiten Speicherschaltung 6 gespeichert.
Genauso sind in der zweiten Speicherschaltung 6 Änderungsraten
eines dynamischen Widerstandsmomentanwerts mit einem Schweißfortschritt
gespeichert, so dass der Temperaturzunahmevorgang des Schweißens von
einer Qualitätsurteil-Arithmetikverarbeitungsschaltung 7 aus
den Änderungen
des Wertes der Änderungsrate
des dynamischen Widerstandsmomentanwerts abgeschätzt werden kann. 3 zeigt ein Beispiel der
Wertänderung
der Änderungsrate
des dynamischen Widerstandsmomentanwerts mit dem Schweißfortschritt, einen
Beurteilungszeitpunkt für
die Zeit einer Schmelzzoneneerzeugung von der Qualitätsurteil-Arithmetikverarbeitungsschaltung 7 und
die Zeit der Nuggeterzeugung, die mit den tatsächlich geschnittenen Schweißverbindungen
gemessen wird, in diesem Ausführungsbeispiel.
Für die
Beurteilungsarithmetik wird in diesem Fall der Zeitpunkt, zu dem der
Wert der Änderungsrate
des dynamischen Widerstandsmomentanwerts maximal wird, als die Zeit
der Schmelzzonen(Nugget)-Erzeugung genommen, wo es also aus 3 verstanden werden kann,
dass eine Hochpräzisionsbeurteilung
erreicht werden kann. Obwohl die Zeit der Nuggeterzeugung in diesem
Ausführungsbeispiel
beurteilt worden ist, ist es zusätzlich
auch möglich,
dass die Größe eines
Nuggets durch Verwendung des Absolutwerts der Änderungsrate des dynamischen
Widerstandsmomentanwerts und seiner verstrichenen Zeit bestimmt
wird, weil die Änderungsrate
des dynamischen Widerstandsmomentanwerts auf der Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstandswerts des Metallmaterials basiert, welches
wie in 2 dargestellt
zu schweißen
ist, und ferner offensichtlich auch direkt mit der Zustandsänderung
des Volumens der geschmolzenen Zone in Beziehung steht. Wenn ferner der
spezifische Widerstandswert weniger von der Temperatur abhängt, bevor
das zu schweißende
Metallmaterial zu schmelzen beginnt, wie in dem Fall von Aluminium
oder dgl., ist es auch möglich,
die Zeit der Nuggeterzeugung durch Verwenden der Zeit zu beurteilen,
zu der der Absolutwert der Änderungsrate des
Widerstandswerts sich abrupt ändert,
wobei die Änderung
des spezifischen Widerstandswerts ausgenutzt wird, der sich abrupt
beim Schmelzen ändert. Wenn
ferner eine „Austreibung" bzw. Expulsion während des
Schweißprozesses
auftritt, nimmt das Volumen der geschmolzenen Zone stark ab und
daraufhin ändert
sich die Änderungsrate
des dynamischen Widerstandsmomentanwerts auch stark, so dass sie
als Mittel zum Erfassen einer „Expulsion" verwendet werden
kann.
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Wie vorstehend gezeigt ist, kann
gemäß dem Verfahren
und Gerät
zur Beurteilung der Qualität
einer Widerstandsschweißverbindung
der vorliegenden Erfindung der Nuggeterzeugungszustand während eines
Schweißvorgangs
mittels beobachtbarer numerischer Werte auf Grundlage von physikalischen
Phänomenen
beurteilt werden. Deshalb können
Wirkungen mit überlegener
Leistung erzielt werden wie ein weiter Anwendungsbereich des Schweißmaterials,
eine Fähigkeit,
den Nuggeterzeugungszustand von Schweißverbindungen genau zu kennen,
eine Fähigkeit,
die Größe eines
erzeugten Nuggets abzuschätzen
und eine Fähigkeit,
die Zeitpunkte genau zu überwachen,
zu denen eine Expulsion auftritt.