Erkenntnisse zur Physik des metalldampfdominierten Bogens

1. Erkenntnisse zur Physik des metalldampfdominierten Bogens 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) Projektbegleitende Arbeitskreissitzung Senftenberg, 25. Februar 2010

2. Einordnung im Forschungscluster Gliederung • Diagnostik am MSG-Lichtbogen • Entwicklung eines numerischen Modells • Anwendung des Modells zur Brennerentwicklung G1 - Plasmadiagnostik und -modellierung A3 - Strömungs-mechanik metalldampf-dominierter Lichtbogen G4 - Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge 2

3. Einordnung im Forschungscluster Gliederung • Diagnostik am MSG-Lichtbogen • Entwicklung eines numerischen Modells • Anwendung des Modells zur Brennerentwicklung G1 - Plasmadiagnostik und -modellierung A3 - Strömungs-mechanik metalldampf-dominierter Lichtbogen G4 - Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge 3

4. Plasmadiagnostik und –modellierung (G1, INP Greifswald) 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 4

5. Plasmadiagnostik und –modellierung (G1, INP Greifswald) Diagnostik • Untersuchung einer Schnittebene in vier Zeitpunkten in der Hochstromphase Plasma ohne Eisenkern Schnittebene Plasma mit Eisenkern 5

6. Plasmadiagnostik und –modellierung (G1, INP Greifswald) Übersichtsspektrum • Strahlungsintensität als Funktion der Wellenlänge und der radialen Position  Wo strahlt welche Spezies? Plasma ohne Eisenkern Plasma mit Eisenkern 6

7. Plasmadiagnostik und –modellierung (G1, INP Greifswald) Analyse der OES - Daten • Temperatur T(r) aus Boltzmannplot der Fe-Linienintensität • Elektronendichte ne(r) aus Starkbreite der Fe-Linienprofile • Metalldampfanteil YFe(r) aus Zusammensetzungsrechnung bei Vorgabe von T(r) und ne(r) LTG Zusammensetzung für 80% Ar + 20% Fe 7

8. Plasmadiagnostik und –modellierung (G1, INP Greifswald) Temperaturverteilung • Minimum im Zentrum • Anstieg bei einer radialen Position zwischen 1-1,5 mm • Verbreiterung des kälteren Kerns während der Hochstromphase 8

9. Plasmadiagnostik und –modellierung (G1, INP Greifswald) Metalldampfanteil • Maximum im Zentrum • zeitlicher Anstieg des Maximums bis ca. 300 µs, dann Abfall • Verbreiterung des Metalldampfkerns während der Hochstromphase 9

10. Einordnung im Forschungscluster Gliederung • Diagnostik am MSG-Lichtbogen • Entwicklung eines numerischen Modells • Anwendung des Modells zur Brennerentwicklung G1 - Plasmadiagnostik und -modellierung A3 - Strömungs-mechanik metalldampf-dominierter Lichtbogen G4 - Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge 10

11. 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 11

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

13. 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 ohne Metalldampf mit Metalldampf ohne Eisendampf

14. Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge (G4, TU Dresden / ISF Aachen) Vergleich Temperaturverteilung 14

15. Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge (G4, TU Dresden / ISF Aachen) Vergleich Anteil Eisendampf 15

16. Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge (G4, TU Dresden / ISF Aachen) Sensitivanalysen – Einfluss Eisendampf • Wodurch kommt Temperaturminimum im Zentrum zustande?  Ursache: erhöhte Strahlung des Eisendampfes

17. Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge (G4, TU Dresden / ISF Aachen) Sensitivanalysen – Einfluss Eisendampf • Wodurch kommt Spannungsanstieg zustande?  erhöhte Leitfähigkeit des Eisendampfes allein führt zur Verringerung des Spannungsabfalls  Verlust durch erhöhte Strahlung muss ausgeglichen werden Bezugslinie – Argon Eigenschaften

18. Einordnung im Forschungscluster Gliederung • Diagnostik am MSG-Lichtbogen • Entwicklung eines numerischen Modells • Anwendung des Modells zur Brennerentwicklung G1 - Plasmadiagnostik und -modellierung A3 - Strömungs-mechanik metalldampf-dominierter Lichtbogen G4 - Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge 18

19. Strömungsmechanik (A3, TU Dresden) 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 G4 A3 19

20. Strömungsmechanik (A3, TU Dresden) Untersuchung der Schutzgasströmung • Entstehung von Turbulenzen durch die Geometrie des Gasverteilers • Kontamination der Schutzgasabdeckung am Werkstück 20

21. Strömungsmechanik (A3, TU Dresden) Ableitung von Konstruktionsvorschlägen Entspannungsnuten poröse Materialien 21

22. Strömungsmechanik (A3, TU Dresden) Sensitivanalysen – Schutzgasabdeckung am Werkstück mit Lichtbogen ohne Lichtbogen 22

23. 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 23

24. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit 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) Projektbegleitende Arbeitskreissitzung Senftenberg, 25. Februar 2010