gefördert durch:
ForschungsvereinigungStahlanwendung e.V
Projekt G4Modellierung 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
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Zielstellung
MSG-Prozess numerisches Model Prozessvorhersagen
Numerische Simulation
• Interpretation von Messergebnissen (G1, G2, G3)
• Erweiterung des Prozessverständnisses
• Vorhersage von Prozessabläufen
Schaffung eines Entwicklungswerkzeugs für den MSG-Prozess
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Modellentwicklung (I)
MSG-Lichtbogenmodell (TU Dresden)
Gesamtmodell
MSG-Prozess
Einfluss von Metalldampf Entmischungseffekte Turbulenz Strahlungstransport Fallgebietsmechanismen
Berechnung der freien Oberfläche (VOF-Methode)
temperaturabhängige Stoffeigenschaften
Kathodenmodell Anodenmodell
Tropfenübergangsmodell (RWTH Aachen)
J. Hu, et al. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2007
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Modellentwicklung (II)
Haidar,
J. Phys. D: Appl. Phys.,1998
Spille-Kohoff,
ChopArc. Project, 2004
Hu,
Int. J. Heat Mass Transf., 2006
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
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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 !
Lichtbogenkern dominiert von Metalldampf
Cu-Filter (510 ± 3 nm)
Ar-Filter (750 ± 3.5 nm)
Außenbereich dominiert von
Argon
INP Greifswald, ChopArc. Project, 2004
ohne Filter
Briand et al.: SG 212, 2008
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Modellentwicklung (IV)
Eigenschaften von Argon-Eisendampf-Mischungen
A. B. Murphy: Thermal plasmas in gas mixtures. J. Phys. D: Appl. Phys., 2001
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ohne Eisendampf mit Eisendampf
Einfluss von Eisendampf auf den MSG-Lichtbogen
Modellentwicklung (V)
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Entstehung und Verteilung von Eisendampf
A. B. Murphy: Thermal plasmas in gas mixtures, J. Phys. D: Appl. Phys., 2001
Diffusionsmodell nach Murphy
Vermischung und Entmischung im
Lichtbogen
Modellentwicklung (VI)
9
Entstehung und Verteilung von Eisendampf
A. B. Murphy: Thermal plasmas in gas mixtures, J. Phys. D: Appl. Phys., 2001
Diffusionsmodell nach Murphy
Vermischung und Entmischung im
Lichtbogen
Modellentwicklung (VII)
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Vergleich mit Messwerten aus G1
INP
11
INP
Vergleich mit Messwerten aus G1
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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
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020
radius [m]
tem
per
atu
re [
K]
all propertiesonly densityonly viscosityonly el. cond.only radiationonly spec. heat only th. cond.Ar propertieswithout evap.
0,0E+00
2,0E+06
4,0E+06
6,0E+06
8,0E+06
1,0E+07
1,2E+07
0,000 0,002 0,004 0,006
radius [m]
cu
rre
nt
de
ns
ity
[A
m^
-2]
all propertiesonly densityonly viscosityonly el. cond.only radiationonly spec. heat only th. cond.Ar propertieswithout evap.
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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
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Einfluss von Eisendampf (III)
Was passiert mit steigender Verdampfungsrate?
• Staudruck nimmt ab
• Temperaturgradient sinkt
• Wärmeübergang wird schlechter
0,0E+00
1,0E+07
2,0E+07
3,0E+07
4,0E+07
5,0E+07
6,0E+07
7,0E+07
0,000 0,005 0,010 0,015
Radius [m]
Wa
ll H
ea
t F
lux
[W
m^
-2]
0% m_Draht
0,01% m_Draht
0,1% m_Draht
1,0% m_Draht
0,0E+00
2,0E+02
4,0E+02
6,0E+02
8,0E+02
1,0E+03
1,2E+03
1,4E+03
1,6E+03
1,8E+03
2,0E+03
0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005
Radius [m]
Pre
ssu
re [
Pa
]
0% m_Draht
0,01% m_Draht
0,1% m_Draht
1,0% m_Draht
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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
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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
gefördert durch:
ForschungsvereinigungStahlanwendung e.V
Projekt G4Modellierung und Visualisierung physikalischer Zusammenhänge beim MSG-Lichtbogenprozess
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
Lichtbogenkolloquium 05.10.2009 Berlin
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Berechnung von MSG-Lichtbögen
Modellentwicklung (V)
T, U
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Einfluss von Eisendampf (IV)
Sensitivanalyse
• lokales Minimum in der radialen Temperaturverteilung ausgeprägter bei geringeren Stromstärken und hohen Verdampfungsraten