Projekt G4 Modellierung und Visualisierung physikalischer Zusammenhänge beim MSG-Lichtbogenprozess A. Zabirov, O. Mokrov, U. Reisgen, Institut für Schweißtechnik.

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1 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 Berlin

2 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

3 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

4 Modellentwicklung (II)
Bisherige Modelle von MSG-Lichtbögen abgeleitet von Modellen des WSG-Lichtbogens maximale Temperaturen über 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

5 Modellentwicklung (III)
Messung an MSG-Lichtbögen maximale Temperaturen kleiner 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

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

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

8 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

9 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

10 Vergleich mit Messwerten aus G1
INP

11 Vergleich mit Messwerten aus G1
INP

12 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

13 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

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

15 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

16 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

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

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

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