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Gefördert durch: Erkenntnisse zur Physik des metalldampfdominierten Bogens Projektbegleitende Arbeitskreissitzung Senftenberg, 25. Februar 2010 M. Hertel,

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Präsentation zum Thema: "Gefördert durch: Erkenntnisse zur Physik des metalldampfdominierten Bogens Projektbegleitende Arbeitskreissitzung Senftenberg, 25. Februar 2010 M. Hertel,"—  Präsentation transkript:

1 gefördert durch: Erkenntnisse zur Physik des metalldampfdominierten Bogens Projektbegleitende Arbeitskreissitzung Senftenberg, 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)

2 22 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

3 33 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

4 44 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)

5 55 Diagnostik Untersuchung einer Schnittebene in vier Zeitpunkten in der Hochstromphase Plasma ohne Eisenkern Plasma mit Eisenkern Plasmadiagnostik und –modellierung (G1, INP Greifswald) Schnittebene

6 66 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?

7 77 Analyse der OES - Daten 1.Temperatur T(r) aus Boltzmannplot der Fe-Linienintensität 2.Elektronendichte n e (r) aus Starkbreite der Fe-Linienprofile 3.Metalldampfanteil Y Fe (r) aus Zusammensetzungsrechnung bei Vorgabe von T(r) und n e (r) LTG Zusammensetzung für 80% Ar + 20% Fe Plasmadiagnostik und –modellierung (G1, INP Greifswald)

8 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)

9 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)

10 10 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

11 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

12 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 13 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

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

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

16 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 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

18 18 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

19 19 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

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

21 21 Ableitung von Konstruktionsvorschlägen Entspannungsnutenporöse Materialien Strömungsmechanik (A3, TU Dresden)

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

23 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

24 gefördert durch: Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Projektbegleitende Arbeitskreissitzung Senftenberg, 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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