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)
55
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
12
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
16
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)