gefördert durch:

ForschungsvereinigungStahlanwendung e.V

Projekt G4Modellierung und Visualisierung physikalischer Zusammenhänge beim MSG-Lichtbogenprozess

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

M. Hertel, M. Schnick, U. Füssel, Lehrstuhl Fügetechnik und Montage, IOF, TU Dresden

Lichtbogenkolloquium 05.10.2009 Berlin

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Zielstellung

MSG-Prozess numerisches Model Prozessvorhersagen

Numerische Simulation

• Interpretation von Messergebnissen (G1, G2, G3)

• Erweiterung des Prozessverständnisses

• Vorhersage von Prozessabläufen

Schaffung eines Entwicklungswerkzeugs für den MSG-Prozess

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Modellentwicklung (I)

MSG-Lichtbogenmodell (TU Dresden)

Gesamtmodell

MSG-Prozess

Einfluss von Metalldampf Entmischungseffekte Turbulenz Strahlungstransport Fallgebietsmechanismen

Berechnung der freien Oberfläche (VOF-Methode)

temperaturabhängige Stoffeigenschaften

Kathodenmodell Anodenmodell

Tropfenübergangsmodell (RWTH Aachen)

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

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Modellentwicklung (II)

Haidar,

J. Phys. D: Appl. Phys.,1998

Spille-Kohoff,

ChopArc. Project, 2004

Hu,

Int. J. Heat Mass Transf., 2006

Bisherige Modelle von MSG-Lichtbögen

• abgeleitet von Modellen des WSG-Lichtbogens

• maximale Temperaturen über 18 000 K

• maximale Temperatur und Stromdichte auf der Lichtbogenachse

• ohne Metalldampf

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Modellentwicklung (III)

Messung an MSG-Lichtbögen

• maximale Temperaturen kleiner 13 000 K

• Minimum in der radialen Temperaturverteilung

• Metalldampf im Lichtbogenkern

Berücksichtigung von Metalldampf im Modell ist notwendig !

Lichtbogenkern dominiert von Metalldampf

Cu-Filter (510 ± 3 nm)

Ar-Filter (750 ± 3.5 nm)

Außenbereich dominiert von

Argon

INP Greifswald, ChopArc. Project, 2004

ohne Filter

Briand et al.: SG 212, 2008

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Modellentwicklung (IV)

Eigenschaften von Argon-Eisendampf-Mischungen

A. B. Murphy: Thermal plasmas in gas mixtures. J. Phys. D: Appl. Phys., 2001

7

ohne Eisendampf mit Eisendampf

Einfluss von Eisendampf auf den MSG-Lichtbogen

Modellentwicklung (V)

8

Entstehung und Verteilung von Eisendampf

A. B. Murphy: Thermal plasmas in gas mixtures, J. Phys. D: Appl. Phys., 2001

Diffusionsmodell nach Murphy

Vermischung und Entmischung im

Lichtbogen

Modellentwicklung (VI)

9

Entstehung und Verteilung von Eisendampf

A. B. Murphy: Thermal plasmas in gas mixtures, J. Phys. D: Appl. Phys., 2001

Diffusionsmodell nach Murphy

Vermischung und Entmischung im

Lichtbogen

Modellentwicklung (VII)

10

Vergleich mit Messwerten aus G1

INP

11

INP

Vergleich mit Messwerten aus G1

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Einfluss von Eisendampf (I)

Wodurch kommt das lokale Temperaturminimum zustande?

• bisherige Erklärungsversuche:

Kühlwirkung durch Vermischung mit „kaltem “Metalldampf

geringere Widerstandserwärmung durch erhöhte Leitfähigkeit

Sensitivanalysen: Ursache ist erhöhte Strahlung des Metalldampfes

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020

radius [m]

tem

per

atu

re [

K]

all propertiesonly densityonly viscosityonly el. cond.only radiationonly spec. heat only th. cond.Ar propertieswithout evap.

0,0E+00

2,0E+06

4,0E+06

6,0E+06

8,0E+06

1,0E+07

1,2E+07

0,000 0,002 0,004 0,006

radius [m]

cu

rre

nt

de

ns

ity

[A

m^

-2]

all propertiesonly densityonly viscosityonly el. cond.only radiationonly spec. heat only th. cond.Ar propertieswithout evap.

13

Einfluss von Eisendampf (II)

Wodurch kommt der Spannungsanstieg zustande?

• Sensitivanalysen:

elektrische Leitfähigkeit allein führt zur Verringerung des Spannungsabfalls

Verlust durch erhöhte Strahlung muss ausgeglichen werden

Bezugslinie

Argon Eigenschaften

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Einfluss von Eisendampf (III)

Was passiert mit steigender Verdampfungsrate?

• Staudruck nimmt ab

• Temperaturgradient sinkt

• Wärmeübergang wird schlechter

0,0E+00

1,0E+07

2,0E+07

3,0E+07

4,0E+07

5,0E+07

6,0E+07

7,0E+07

0,000 0,005 0,010 0,015

Radius [m]

Wa

ll H

ea

t F

lux

[W

m^

-2]

0% m_Draht

0,01% m_Draht

0,1% m_Draht

1,0% m_Draht

0,0E+00

2,0E+02

4,0E+02

6,0E+02

8,0E+02

1,0E+03

1,2E+03

1,4E+03

1,6E+03

1,8E+03

2,0E+03

0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005

Radius [m]

Pre

ssu

re [

Pa

]

0% m_Draht

0,01% m_Draht

0,1% m_Draht

1,0% m_Draht

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Schlussfolgerungen

Modellierung

Einfluss des Metalldampfes zum ersten mal in einem MSG-Lichtbogenmodell berücksichtigt

Metalldampf hat einen signifikanten Einfluss auf die Prozessparameter

Vernachlässigung bzw. Annahme einer gleichmäßigen Verteilung im Lichtbogen nicht zulässig

höhere Aussagekraft als bisherige MSG-Modelle

Einfluss von Eisendampf auf den MSG-Prozess

lokales Minimum in der radialen Temperatur- und Stromdichteverteilung

Hauptursache ist die erhöhte Strahlung des Metalldampfes

Staudruck und Wärmeeintrag sinken mit steigender Verdampfungsrate

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weitere Schritte

MSG-Lichtbogenmodell

• Weiterentwicklung

Implementierung der Fallgebietsmechanismen (Energieeintrag und Fallspannung)

Implementierung Strahlungstransportmodell (Berücksichtigung der Strahlungsabsorption im optisch dichten Metalldampfkern)

• Validierung des Modells

bisher: Literaturangaben (Randbedingungen teilweise unbekannt)

jetzt: Diagnostik im Forschungscluster (G1, G3, G5)

• Nutzung des MSG-Modells in G5 und A3

gefördert durch:

ForschungsvereinigungStahlanwendung e.V

Projekt G4Modellierung und Visualisierung physikalischer Zusammenhänge beim MSG-Lichtbogenprozess

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

Lichtbogenkolloquium 05.10.2009 Berlin

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Berechnung von MSG-Lichtbögen

Modellentwicklung (V)

T, U

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Einfluss von Eisendampf (IV)

Sensitivanalyse

• lokales Minimum in der radialen Temperaturverteilung ausgeprägter bei geringeren Stromstärken und hohen Verdampfungsraten