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Gefördert durch: Projekt A3 Strömungstechnische Auslegung von Brennersystemen zum wirtschaftlichen und emissionsreduzierten Lichtbogenschweißen M. Dreher,

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Präsentation zum Thema: "Gefördert durch: Projekt A3 Strömungstechnische Auslegung von Brennersystemen zum wirtschaftlichen und emissionsreduzierten Lichtbogenschweißen M. Dreher,"—  Präsentation transkript:

1 gefördert durch: Projekt A3 Strömungstechnische Auslegung von Brennersystemen zum wirtschaftlichen und emissionsreduzierten Lichtbogenschweißen M. Dreher, U. Füssel, M. Schnick Technische Universität Dresden, Professur Fügetechnik und Montage Lichtbogenkolloquium Berlin

2 2 Ausgangssituation MSG-Schweißen: definierter, reproduzierbarer Prozess wird angestrebt Kontamination des Schutzgases durch instationäre, turbulente Strömungsmuster Schweißspritzer Poren Oxidniederschläge Schmauchspuren kostenintensive Nacharbeit Brennerentwicklung vorrangig über Schweißversuche Variation der Brennergeometrie aus Erfahrung Ursachen für Kontamination weitgehend unbekannt Kenntnisse über die Prozessgasströmung unzureichend

3 3 MSG-Schweißen: definierter, reproduzierbarer Prozess wird angestrebt Kontamination des Schutzgases durch instationäre, turbulente Strömungsmuster Schweißspritzer Poren Oxidniederschläge Schmauchspuren Ausgangssituation verdeckte Bereiche im Brenner Temperaturen bis K optische Strahlung des Lichtbogens elektro-magnetische Strahlung kostenintensive Nacharbeit

4 4 Zielstellung experimentelle und numerische Untersuchung der Strömung im Brenner und am Werkstück Untersuchen vordefinierter Strömungsprofile (gradierte Strömung) mit dem Ziel einer guten Schutzgasabdeckung am Werkstück Ableiten von Konstruktions- und Anwendungsempfehlungen für die Unternehmen auf Grundlage der Simulation Überführen in Funktionsmuster auf Grundlage der Simulations- ergebnisse Klären der Ursachen für Entstehung turbulenter Strömungsmuster durch Geometrieelemente handelsüblicher Schweißbrenner

5 5 Lösungsweg Validieren des Modells durch diagnostische Methoden der Strömungsanalyse Particle Image Velocimetry (PIV) Schlierentechnik Sauerstoffmessung am Werkstück Erproben der Tauglichkeit des abgeleiteten Brennersystems durch Schweißversuche Erstellen eines numerischen Modells Diffusion und Turbulenz Lichtbogen (Zuarbeit aus Projekt G4) Metallverdampfung (Zuarbeit aus Projekt G4 und G5)

6 6 Arbeitsstand - Diagnostik Restsauerstoffgehalt am Werkstück Aufbau abgeschlossen Messungen an MSG-Brennern mit Lichtbogen Validierung Simulation PIV Auswahl geeigneter Komponenten im Aufbau Schlierentechnik Aufbau abgeschlossen (in Zusammenarbeit mit LPT) Strömungsvisualisierung an MSG-Brenner (eingepresste Wolframelektrode) Validierung Simulation

7 7 Physikalisches Modell verschiedener Turbulenzmodelle Diffusion und Gaseigenschaften in Abhängigkeit der Temperatur Lichtbogensäule MHD Lichtbogenansatz LTE Arbeitsstand - Simulation Geometrie 6°-Modell90°-Modell Berücksichtigung der Strömung am Gasverteiler

8 8 Ausgewählte Ergebnisse Strömung kalter Brenner Entstehung von Turbulenzen durch Geometrie des Gasverteilers Kontamination der Schutzgasabdeckung am Werkstück

9 9 Ausgewählte Ergebnisse Strömung kalter Brenner Entstehung von Turbulenzen durch Geometrie des Gasverteilers Kontamination der Schutzgasabdeckung am Werkstück Vermehrte Turbulenzen bei steigenden Schutzgasmengen

10 10 Ausgewählte Ergebnisse Validierung durch Schlierentechnik Entstehung von Turbulenzen durch Geometrie des Gasverteilers Kontamination der Schutzgasabdeckung am Werkstück Vermehrte Turbulenzen bei steigenden Schutzgasmengen Argon 5 l/min, 150 A DC- MSG-Brenner mit eingepresster Wolframelektrode Argon 15 l/min, 150 A DC-

11 11 Ausgewählte Ergebnisse Strömung kalter Brenner Entstehung von Turbulenzen durch Geometrie des Gasverteilers Kontamination der Schutzgasabdeckung am Werkstück Vermehrte Turbulenzen bei steigenden Schutzgasmengen Schlussfolgerung: konstruktive Umgestaltung der Strömung im oberen Brennerbereich Ziel: Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit in den Bohrungen des Gasverteilers Lösungsansatz: 1. Gasverteilung oberhalb des Gasverteilers 2. Gleichmäßige Anströmung des Gasverteilers 3. Größere Bohrungen im Gasverteiler realisierbar

12 12 Ausgewählte Ergebnisse Einfluss des Lichtbogens Das Gas wird durch den Lichtbogen angesaugt und beschleunigt

13 13 Ausgewählte Ergebnisse Einfluss der Schutzgasmenge bei brennendem Lichtbogen Kontamination durch Diffusionsprozesse bei geringen Schutzgasmengen

14 14 Zusammenfassung Entwicklung eines numerischen Modells mit Berücksichtigung des Lichtbogens Validierung des Modells durch Sauerstoffmessungen und Schlierentechnik Nachweis der Entstehung turbulenter Strömungsprofile am Gasverteiler und daraus resultierender Kontamination des Schutzgases Untersuchung des Einflusses des Lichtbogens auf die Schutzgasströmung Implementierung des Metalldampfs in die Simulation (Projekt G4, G5) Untersuchung der Eignung ausgewählter Strömungsprofile (gradierte Strömung) für eine gute Schutzgasabdeckung am Werkstück Ableitung geeigneter Brennergeometrien zur Realisierung der gradierten Strömungsprofile auf Basis der Simulation Überführung in Funktionsmuster für optimierte Schutzgasabdeckung Zusammenfassung und Ausblick

15 15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

16 16 Arbeitsstand - Diagnostik Schlierentechnik Aufbau abgeschlossen (in Zusammenarbeit mit LPT) Strömungsvisualisierung an MSG-Brenner (eingepresste Wolframelektrode) Validierung Simulation

17 17 Arbeitsstand - Diagnostik Schlierentechnik

18 18 Arbeitsstand - Diagnostik Restsauerstoffgehalt am Werkstück Aufbau abgeschlossen Messungen an MSG-Brennern mit Lichtbogen Validierung Simulation

19 19 Arbeitsstand - Diagnostik Restsauerstoffgehalt am Werkstück

20 20 Arbeitsstand - Diagnostik PIV Auswahl geeigneter Komponenten (Laser, Kamera) im Aufbau

21 21 Zusammenfassung Randbedingungen Simulation Diskussion

22 22 Zusammenfassung Randbedingungen Simulation Diskussion

23 23 Zusammenfassung Untersuchungen in Abhängigkeit von: Brennergeometrie Stromparameter Schweißposition Pendeln des Brenners Prozessgase Grund- und Zusatzwerkstoff Stoßart Schweißgeschwindigkeit Diskussion


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