gefördert durch:

ForschungsvereinigungStahlanwendung e.V

Erkenntnisse zur Physik des metalldampfdominierten Bogens

Projektbegleitende ArbeitskreissitzungSenftenberg, 25. Februar 2010

M. Hertel, M. Dreher, M. Schnick, U. Füssel, Lehrstuhl Fügetechnik und Montage, IOF, TU Dresden (G4, G5)

S. Gorchakov, G. Gött, M. Rouffet, H. Schöpp, D. Uhrlandt, M. Wendt, INP Greifswald (A1)

A. Zabirov, O. Mokrov, U. Reisgen, Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik, RWTH Aachen University (G4)

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G1 - Plasmadiagnostik und -modellierung

metalldampf-dominierter Lichtbogen

G4 - Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge

A3 - Strömungs-mechanik

Einordnung im Forschungscluster

Gliederung

• Diagnostik am MSG-Lichtbogen

• Entwicklung eines numerischen Modells

• Anwendung des Modells zur Brennerentwicklung

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G1 - Plasmadiagnostik und -modellierung

metalldampf-dominierter Lichtbogen

G4 - Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge

A3 - Strömungs-mechanik

Einordnung im Forschungscluster

Gliederung

• Diagnostik am MSG-Lichtbogen

• Entwicklung eines numerischen Modells

• Anwendung des Modells zur Brennerentwicklung

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Diagnostik

• optische Emissionsspektroskopie (OES) am gepulsten MSG-Prozess

• Untersuchung einer Schnittebene in vier Zeitpunkten in der Hochstromphase

• Berechnung der radialen Verteilung von Temperatur Elektronendichte Metalldampfanteil

Erarbeitung neuer Modellvorstellungen

• Fußpunktmodell für die Fallgebiete

• Modell für Strahlungstransport im Lichtbogen

Plasma ohne Eisenkern

Plasma mit Eisenkern

Plasmadiagnostik und –modellierung (G1, INP Greifswald)

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Diagnostik

• Untersuchung einer Schnittebene in vier Zeitpunkten in der Hochstromphase

Plasma ohne Eisenkern

Plasma mit Eisenkern

Plasmadiagnostik und –modellierung (G1, INP Greifswald)

Schnittebene

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Plasma ohne Eisenkern

Plasma mit Eisenkern

Plasmadiagnostik und –modellierung (G1, INP Greifswald)

Übersichtsspektrum

• Strahlungsintensität als Funktion der Wellenlänge und der radialen Position

Wo strahlt welche Spezies?

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Analyse der OES - Daten

1. Temperatur T(r) aus Boltzmannplot der Fe-Linienintensität

2. Elektronendichte ne(r) aus Starkbreite der Fe-Linienprofile

3. Metalldampfanteil YFe(r) aus Zusammensetzungsrechnung bei Vorgabe von T(r) und ne(r)

LTG Zusammensetzung für 80% Ar + 20% Fe

Plasmadiagnostik und –modellierung (G1, INP Greifswald)

88

Temperaturverteilung

• Minimum im Zentrum

• Anstieg bei einer radialen Position zwischen 1-1,5 mm

• Verbreiterung des kälteren Kerns während der Hochstromphase

Plasmadiagnostik und –modellierung (G1, INP Greifswald)

99

Metalldampfanteil

• Maximum im Zentrum

• zeitlicher Anstieg des Maximums bis ca. 300 µs, dann Abfall

• Verbreiterung des Metalldampfkerns während der Hochstromphase

Plasmadiagnostik und –modellierung (G1, INP Greifswald)

1010

G1 - Plasmadiagnostik und -modellierung

metalldampf-dominierter Lichtbogen

G4 - Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge

A3 - Strömungs-mechanik

Einordnung im Forschungscluster

Gliederung

• Diagnostik am MSG-Lichtbogen

• Entwicklung eines numerischen Modells

• Anwendung des Modells zur Brennerentwicklung

1111

Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge (G4, TU Dresden / ISF Aachen)

Entwicklung MSG-Prozessmodell

MSG-Lichtbogenmodell

Magnetohydrodynamik Stoffeigenschaften Argon-

Eisendampf-Mischungen Diffusions- und Ent-

mischungsvorgänge Verdampfungsmodell

- Fußpunktmodell für die Fallgebiete (G1)

- Modell für den Strahlungstransport im Lichtbogen (G1)

Werkstoffübergang

Berechnung der freien Oberfläche

Stoffeigenschaften

- Kathodenmodell- Anodenmodell

J. Hu, et al. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2007

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Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge (G4, TU Dresden / ISF Aachen)

MSG-Lichtbogenmodell

• Annahme einer Rotationssymmetrie

• Schutzgas: Argon• Metalldampf: Eisen

• konstante Tropfengeometrie aus Hochgeschwindigkeitsaufnahmen

• Vorgabe eines Verdampfungsprofils an der Drahtunterseite

• alle Gleichungen ausführlich in: M Schnick et al 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43

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Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge (G4, TU Dresden / ISF Aachen)

ohne Eisendampf

MSG-Lichtbogenmodell

• Annahme einer Rotationssymmetrie

• Schutzgas: Argon• Metalldampf: Eisen

• konstante Tropfengeometrie aus Hochgeschwindigkeitsaufnahmen

• Vorgabe eines Verdampfungsprofils an der Drahtunterseite

• alle Gleichungen ausführlich in: M Schnick et al 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43

ohne Metalldampf

mit Metalldampf

1414

Vergleich Temperaturverteilung

Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge (G4, TU Dresden / ISF Aachen)

1515

Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge (G4, TU Dresden / ISF Aachen)

Vergleich Anteil Eisendampf

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Sensitivanalysen – Einfluss Eisendampf

• Wodurch kommt Temperaturminimum im Zentrum zustande?

Ursache: erhöhte Strahlung des Eisendampfes

Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge (G4, TU Dresden / ISF Aachen)

17

Sensitivanalysen – Einfluss Eisendampf

• Wodurch kommt Spannungsanstieg zustande?

erhöhte Leitfähigkeit des Eisendampfes allein führt zur Verringerung des Spannungsabfalls

Verlust durch erhöhte Strahlung muss ausgeglichen werden

Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge (G4, TU Dresden / ISF Aachen)

Bezugslinie – Argon Eigenschaften

1818

G1 - Plasmadiagnostik und -modellierung

metalldampf-dominierter Lichtbogen

G4 - Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge

A3 - Strömungs-mechanik

Einordnung im Forschungscluster

Gliederung

• Diagnostik am MSG-Lichtbogen

• Entwicklung eines numerischen Modells

• Anwendung des Modells zur Brennerentwicklung

1919

Anwendung des numerischen Modells

• Untersuchung der Schutzgasströmung im Brenner und am Werkstück

Validierung

• Sauerstoffmessung

• Particle Image Velocimetry (PIV)

• Schlieren - Messtechnik

Ergebnisse

• Entwicklung von Gasführungskonzepten

• Einfluss von Schweißparametern auf die Schutzgasabdeckung

Strömungsmechanik (A3, TU Dresden)

G4

A3

2020

Untersuchung der Schutzgasströmung

Entstehung von Turbulenzen durch die Geometrie des Gasverteilers Kontamination der Schutzgasabdeckung am Werkstück

Strömungsmechanik (A3, TU Dresden)

2121

Ableitung von Konstruktionsvorschlägen

Entspannungsnuten poröse Materialien

Strömungsmechanik (A3, TU Dresden)

2222

Sensitivanalysen – Schutzgasabdeckung am Werkstück

Strömungsmechanik (A3, TU Dresden)

ohne Lichtbogen mit Lichtbogen

2323

Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung

• signifikanter Einfluss des Metalldampfes auf die Eigenschaften des Lichtbogens

• besseres Verständnis der Metalldampfeffekte durch numerisches Modell

• höhere Aussagekraft der Modelle der anwendungsorientierten Projekte

Ausblick

• Untersuchung anderer Schnittebenen

• Weiterentwicklung des numerischen Modells

• Schutzgasströmung in Interaktion mit Lichtbogen

gefördert durch:

ForschungsvereinigungStahlanwendung e.V

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

Projektbegleitende ArbeitskreissitzungSenftenberg, 25. Februar 2010

M. Hertel, M. Dreher, M. Schnick, U. Füssel, Lehrstuhl Fügetechnik und Montage, IOF, TU Dresden (G4, G5)

S. Gorchakov, G. Gött, M. Rouffet, H. Schöpp, D. Uhrlandt, M. Wendt, INP Greifswald (A1)

A. Zabirov, O. Mokrov, U. Reisgen, Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik, RWTH Aachen University (G4)