Projekt G4 Modellierung 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

Zielstellung Numerische Simulation Interpretation von Messergebnissen (G1, G2, G3) Erweiterung des Prozessverständnisses Vorhersage von Prozessabläufen Schaffung eines Entwicklungswerkzeugs für den MSG-Prozess MSG-Prozess numerisches Model Prozessvorhersagen

Modellentwicklung (I) Tropfenübergangsmodell (RWTH Aachen) Berechnung der freien Oberfläche (VOF-Methode) temperaturabhängige Stoffeigenschaften Kathodenmodell Anodenmodell Gesamtmodell MSG-Prozess MSG-Lichtbogenmodell (TU Dresden) Einfluss von Metalldampf Entmischungseffekte Turbulenz Strahlungstransport Fallgebietsmechanismen J. Hu, et al. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2007

Modellentwicklung (II) 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 Haidar, J. Phys. D: Appl. Phys.,1998 Spille-Kohoff, ChopArc. Project, 2004 Hu, Int. J. Heat Mass Transf., 2006

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 ! ohne Filter Lichtbogenkern dominiert von Metalldampf Cu-Filter (510 ± 3 nm) Ar-Filter (750 ± 3.5 nm) Außenbereich dominiert von Argon Briand et al.: SG 212, 2008 INP Greifswald, ChopArc. Project, 2004

Modellentwicklung (IV) Eigenschaften von Argon-Eisendampf-Mischungen A. B. Murphy: Thermal plasmas in gas mixtures. J. Phys. D: Appl. Phys., 2001

Modellentwicklung (V) Einfluss von Eisendampf auf den MSG-Lichtbogen ohne Eisendampf mit Eisendampf

Modellentwicklung (VI) Entstehung und Verteilung von Eisendampf Diffusionsmodell nach Murphy Vermischung und Entmischung im Lichtbogen A. B. Murphy: Thermal plasmas in gas mixtures, J. Phys. D: Appl. Phys., 2001

Modellentwicklung (VII) Entstehung und Verteilung von Eisendampf Diffusionsmodell nach Murphy Vermischung und Entmischung im Lichtbogen A. B. Murphy: Thermal plasmas in gas mixtures, J. Phys. D: Appl. Phys., 2001

Vergleich mit Messwerten aus G1 INP

Vergleich mit Messwerten aus G1 INP

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

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

Einfluss von Eisendampf (III) Was passiert mit steigender Verdampfungsrate? Staudruck nimmt ab Temperaturgradient sinkt Wärmeübergang wird schlechter

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

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

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Projekt G4 Modellierung und Visualisierung physikalischer Zusammenhänge beim MSG-Lichtbogenprozess Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Lichtbogenkolloquium 05.10.2009 Berlin

Modellentwicklung (V) Berechnung von MSG-Lichtbögen T, U

Einfluss von Eisendampf (IV) Sensitivanalyse lokales Minimum in der radialen Temperaturverteilung ausgeprägter bei geringeren Stromstärken und hohen Verdampfungsraten