Plasmabeschreibung in Lichtbogenschweißverfahren mit Hilfe von Nichtgleichgewichtsmodellen

• Antragsteller: Dr. Dirk Uhrlandt
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 248989489

Gegenstand des Vorhabens ist die Beschreibung der Interaktion des Lichtbogens mit den Elektroden in Lichtbogenschweißprozessen. Für die Beispiele eines Wolfram-Inertgas-Prozesses (WIG) und eines Metall-Inertgasprozesses (MIG) von Stahl sollen insbesondere die Ausbildung der Bogenansätze und Schichtspannungen sowie der resultierende Energietransfer auf die Elektroden mit einem Modell konsistent erfasst werden. Neben dem Kathodenansatz an einer Wolframelektrode soll vor allem der Anodenansatz am Werkstück beim WIG-Prozess sowie am Tropfendepot beim gepulsten MIG-Prozess grundlegend analysiert werden. Von besondere Bedeutung ist dabei die Wirkung und konsistente Beschreibung der Metallverdampfung an den Elektroden. Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen soll ein Nichtgleichgewichtsmodell für Argon-Eisendampf-Gemische erarbeitet und eingesetzt werden. Dieses Modell gewährleistet eine kontinuierliche Beschreibung des Lichtbogenplasmas vom Zentrum nahe dem lokalen thermodynamischen Gleichgewicht (LTG) bis hin zu den Zonen vor den Elektroden, welche durch erhebliche Abweichungen vom thermischen, chemischen und Ionisationsgleichgewicht gekennzeichnet sind. Die zusätzliche Berücksichtigung einer als stoßfrei angenommenen Raumladungszone vor jeder Elektrode ermöglicht die Bestimmung der Schichtspannungen. Deren Einbeziehung in das Gesamtmodell auf Basis einer magneto-hydrodynamischen Mehrflüssigkeitssimulation des Plasmas, der Wärme- und Strombilanzen in den Elektroden sowie der Emissionsmechanismen der Elektrodenoberflächen erlaubt die selbstkonsistente Erfassung der Ausbildung der Bogenansätze und der Metallverdampfung. Die Simulationen sollen auf quasi-stationäre Situationen mit vorgegebener rotationssymmetrischer Elektrodengeometrie beschränkt werden. Begleitende Experimente am WIG- und MIG-Prozess dienen der Geometrievorgabe sowie der Validierung des Nichtgleichgewichtsmodells mit Hilfe optischer Emissionsspektroskopie.Erwartet wird aus den Ergebnissen ein wesentlich verbessertes Verständnis der Bogenansatzformen im WIG- und MIG-Prozess, des Einflusses der Metallverdampfung auf den Bogenansatz und der Rolle der Elektrodenfallgebiete für den Energietransfer auf die Elektroden. Es sollen auch Fragen der Bogenkommutation über einen fallenden Tropfen beantwortet werden. Theoretisch abgesicherte Werte für Schichtspannungen und Energieeinträge auf die Elektroden für DC-Prozesse und ausgewählte Situationen in einem gepulsten MIG-Prozess werden signifikant verbesserte quantitative Relationen von Lichtbogenlänge, Strom und Gesamtspannungsabfall liefern, welche für weiterführende Untersuchungen u.a. zu Prozesssteuerungen an den Schweißprozessen zur Verfügung stehen. Die Ergebnisse bieten außerdem die Perspektive, vereinfachte Teilmodelle für die Elektrodenbereiche so anzupassen, dass sie in etablierten magneto-hydrodynamischen Simulationen des Schweißlichtbogens (unter Annahme des LTG) ebenfalls eine Verbesserung der Erfassung der Bogenansätze erlauben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Dr. Sergej Gorchakov