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 Sehr geehrte Damen und Herren, ich folgenden möchte ich auf die Physik des metalldampfdominierten Lichtbogens eingehen. Anhand dieser Thematik kann man sehr gut die Verknüpfung der einzelnen Teilprojekte im Forschungscluster erläutern.

metalldampf-dominierter Lichtbogen 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 In möchte deshalb in meiner Präsentation auf folgende 3 Teilprojekte näher eingehen. Zum einen auf das Projekt G1, welches von den Kollegen aus Greifswald bearbeitet wird und sich mit der Diagnostik am MSG Lichtbogen beschäftigt. Zum zweiten auf das Projekt G4, welches sich mit der Modellierung des MSG-Prozesses beschäftigt. Hier handelt es sich um ein Gemeinschaftsprojekt der RWTH Aachen und der TU Dresden. Von Seiten der TU Dresden wird das Projekt von mir bearbeitet. Im letzten Teil meiner Präsentation möchte ich auf das anwendungsnahe Projekt A3 eingehen, welches ebenfalls an der TU Dresden bearbeitet wird und sich mit den Strömungsverhältnissen an Schweißbrenner beschäftig. 2

metalldampf-dominierter Lichtbogen 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 Im ersten Teil wie gesagt: Projekt G1, Diagnostik am MSG Lichtbogen. 3

Erarbeitung neuer Modellvorstellungen 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 Hier wird mithilfe der optischen Emissionsspektroskopie der gepulste MSG Prozess näher untersucht um daraus z.B. auf die radiale Verteilung der Temperatur, der Elektronendichte und des Metalldampfanteils zu schließen. 4

Diagnostik Plasmadiagnostik und –modellierung (G1, INP Greifswald) Untersuchung einer Schnittebene in vier Zeitpunkten in der Hochstromphase Plasma ohne Eisenkern Schnittebene Plasma mit Eisenkern Durch die Untersuchung bestimmter Schnittebenen zu unterschiedlichen Zeitpunkten, hier am Beispiel dargestellt in einem Mittelschnitt zu 4 Zeitpunkten in der Hochstromphase, erreicht man sowohl eine örtliche als auch eine zeitliche Auflösung der Prozessgrößen. 5

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 Mithilfe so genannter Übersichtsspektren kann man dann herausfinden, welche Spezies überhaupt am Strahlungsprozess beteiligt sind. Hier ist die Strahlungsintensität als Farbskalierung über die Wellenlänge, hier auf der x-Achse, und der radialen Position auf der Schnittebene, hier auf der y-Achse dargestellt. 6

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) Durch die Auswertung einzelner Linien kann man dann z.B. auf die radiale Temperaturverteilung, die Elektronendichte und den Metalldampfanteil schließen. LTG Zusammensetzung für 80% Ar + 20% Fe 7

Temperaturverteilung 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 Auf der nächsten Folie ist einmal die radiale Temperaturverteilung im Mittelschnitt für die bereits erwähnten 4 Zeitpunkte in der Hochstromphase dargestellt. Man sieht zum einen ein Minimum im Zentrum des Lichtbogens und zum anderen einen drastischen Anstieg der Temperatur in einem Bereich zwischen 1 und 2mm. Des Weiteren erkennt man eine Verbreiterung des Kalten Kerns während der Hochstromphase. 8

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 Schaut man sich jetzt die Verteilung des Metalldampfes im Lichtbogen an, so kann man erkennen, dass speziell der Lichtbogenkern in einem Bereich bis zu 2mm von Metalldampf geprägt ist. Des Weiteren erkennt man, dass sich dieser Metalldampfkern ebenfalls während der Hochstromphase ausbreitet. 9

metalldampf-dominierter Lichtbogen 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 Wir haben also bereits prinzipielle Effekte im gepulsten MSG Prozess erkannt. Eine Möglichkeit die Funktionsmechanismen besser zu verstehen, ist die Visualisierung mithilfe eines numerischen Modells, welches wir im Teilprojekt G4 entwickeln. 10

Entwicklung MSG-Prozessmodell MSG-Lichtbogenmodell 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 Die Modellierung des MSG-Prozesses ist sehr komplex, wir wollen deshalb im ersten Schritt getrennt voneinander Modelle für den MSG-Lichtbogen und den Werkstoffübergang entwickeln und diese anschließend miteinander koppeln. Im möchte im Folgenden nur auf das MSG-Lichtbogenmodell eingehen, da die Thematik des Werkstoffübergangs noch im Vortrag von Prof. Schein aufgegriffen wird. J. Hu, et al. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2007 11

MSG-Lichtbogenmodell 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 Wir berechnen den MSG-Lichtbogen in einem rotationssymmetrischen Modell unter der Annahme einer perfekten Schutzgasabdeckung bestehend aus Argon. Die Tropfenform wird hier fest vorgegeben und stammt aus Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von Herrn Rose. Die Entstehung des Metalldampfs, hier Eisendampf, wird im ersten Schritt durch die Vorgabe eines Verdampfungsprofils an der Drahtunterseite abgeschätzt.

MSG-Lichtbogenmodell 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 Wenn man die Eigenschaften des Eisendampfes im Modell implementiert, sieht man hier rechts am Beispiel der Temperatur dargestellt, dass sich die Prozessgrößen drastisch ändern. ohne Eisendampf

Vergleich Temperaturverteilung Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge (G4, TU Dresden / ISF Aachen) Vergleich Temperaturverteilung Ein anschließender Vergleich mit den Messwerten des INP zeigt, eine gute Übereinstimmung sowohl in der Temperatur, was das Minimum im Zentrum als auch den Anstieg über den Radius betrifft… 14

Vergleich Anteil Eisendampf Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge (G4, TU Dresden / ISF Aachen) Vergleich Anteil Eisendampf … als auch in der Verteilung des Eisendampfanteils. Wir erwarten hier in Zukunft noch bessere Übereinstimmungen durch den Einbau einer selbstkonsistenten Drahtverdampfung und der Implementierung der Fallgebietsmechanismen, was den Energieeintrag und die Fallspannung betrifft. 15

Sensitivanalysen – Einfluss Eisendampf 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 Auf der Grundlage der guten Übereinstimmung mit den Messwerten kann man bereits erste Untersuchungen zu den Wirkmechanismen anstellen. Hier sind wir z.B. mal der Frage nachgegangen, wodurch das Minimum in der radialen Temperaturverteilung zustande kommt. Man erkennt, dass dieses vorrangig durch die Strahlungseigenschaften des Metalldampfes bewirkt wird. Dieser strahlt im Vergleich zu Argon stärker.

Sensitivanalysen – Einfluss Eisendampf 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 Dieser ist auch die Ursache für den Spannungsanstieg. Bei gleicher Stromstärke muss der erhöhte Strahlungsverlust durch eine größere Spannung eingekauft werden.

metalldampf-dominierter Lichtbogen 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 Die Erkenntnisse aus G1 und G4 bilden nun die Grundlage für praxisnahe Untersuchungen, wie sie z.B. Inhalt des Teilprojektes A3 sind. 18

A3 Anwendung des numerischen Modells Validierung Ergebnisse 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 Während der Focus des Projektes G4 eher im Verständnis der Effekte im Lichtbogen zu sehen ist, soll im Projekt A3 etwas globaler die Schutzgasströmung am Brenner und am Werkstück untersucht werden. Hierbei werden zusätzliche Effekte wie Turbulenz und Diffusion als Ursache für die Kontamination des Schutzgases untersucht. A3 19

Untersuchung der Schutzgasströmung Strömungsmechanik (A3, TU Dresden) Untersuchung der Schutzgasströmung Entstehung von Turbulenzen durch die Geometrie des Gasverteilers Kontamination der Schutzgasabdeckung am Werkstück Auch wenn die Entwicklung des Modells in G4 noch nicht abgeschlossen ist, kann man dennoch schon Effekte untersuchen, welche unabhängig vom Lichtbogen sind, wie z.B. die Strömung am Gasverteiler oder Strömungsablösungseffekte im Brenner. Um das Schutzgas gleichmäßig über den Umfang zu verteilen, benötigt man einen Gasverteiler mit geringen Bohrungsdurchmessern. Diese geringen Bohrungsdurchmesser bedingen jedoch die Entstehung von Turbulenzen, welche bis zum Werkstück transportiert werden und dort zur Einwirbelung von Atmosphärengasen führen können. 20

Entspannungsnuten poröse Materialien Strömungsmechanik (A3, TU Dresden) Ableitung von Konstruktionsvorschlägen Diesem Spagat aus guter Verteilung des Schutzgases über den Umfang und der Verringerung der Turbulenzbildung an den Bohrungen kann man nun durch eine Trennung der Funktionsprinzipien begegnen. Und zwar indem man bereits oberhalb des Gasverteilers eine gleichmäßige Anströmung sicherstellt. Diese kann z.B. durch den Einsatz von Entspannungsnuten erfolgen oder durch die Verwendung von porösen Materialien realisiert werden. Die hier dargestellten Konstruktionsvorschläge werden nun anschließend sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Entspannungsnuten poröse Materialien 21

Sensitivanalysen – Schutzgasabdeckung am Werkstück Strömungsmechanik (A3, TU Dresden) Sensitivanalysen – Schutzgasabdeckung am Werkstück ohne Lichtbogen mit Lichtbogen Auf der nächsten Folie sind einmal erste Untersuchungen zur Schutzgasabdeckung am Werkstück gezeigt. In der linken Bildhälfte mit einem Modell ohne Lichtbogen und in der rechten Bildhälfte mit einem vereinfachten Lichtbogenmodell. Und hier erkennt man, dass sich die Strömungsverhältnisse und damit auch die Qualität der Schutzgasabdeckung stark ändern. Sie sehen also, warum eine möglichst genaue Abbildung der Lichtbogenphysik so wichtig für die anwendungsnahen Projekte ist. 22

Zusammenfassung Ausblick Zusammenfassung und Ausblick 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 Ich hoffe, ich konnte Ihnen heute zeigen, dass Metalldampf einen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften des Lichtbogens hat. Mithilfe des numerischen Modells, dessen Aussagekraft wir mithilfe der Diagnostik aus G1 überprüft haben, konnten wir bereits ein besseres Prozessverständnis erreichen. Wir haben herausgefunden, dass sowohl das Minimum in der radialen Temperaturverteilung als auch der Spannungsanstieg hauptsächlich durch die erhöhte Strahlung des Metalldampfes verursacht wird. Wir erreichen dadurch eine höhere Aussagekraft für die Modelle der anwendungorientierten Projekte. Des Weiteren haben wir bereits wesentliche Ursachen für die Einwirbelung von Atmosphärengasen lokalisiert, welche wir im Folgenden durch konstruktive Änderungen an den Schweißbrennern verringern wollen. Im Folgenden wollen wir weitere Schnittebenen im Brenner untersuchen und die numerischen Modelle weiterentwickeln. Des Weiteren soll die Interaktion der Schutzgasströmung mit dem Lichtbogen näher untersucht werden. 23

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