Entwicklung eines selbstkonsistenten physikalisch-mathematischen Modells des Energie-, Massen und Ladungstransfers im System Tropfen-Anodenschicht-Lichtbogensäule beim Metall-Schutzgasschweißen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Reisgen
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 25904200

Im Rahmen des beantragten Projektes wird ein komplexes mathematisches Modell von Wärme-, Massen- und Ladungstransfervorgängen entwickelt, die in der Drahtelektrode, einschl. Tropfen, im Nebenanodenbereich und im Plasma einer Lichtbogensäule während des MSG-Schweißens ablaufen. Die herauszuhebenden Neuerungen im Vergleich zu bisherigen Modellen bestehen darin, dass bei dem o.g. Modell physikalisch korrekte Randbedingungen für den Wärmefluss, die Stromdichte und den Druck auf eine Tropfenoberfläche definiert und eingesetzt werden. Dies kann durch eine selbstkonsistente Beschreibung der im mehrkomponentigen Nichtgleichgewichtsplasma des Nebenanodenbereichs ablaufenden Vorgänge erreicht werden. Dabei wird der Einfluss der Anodenmaterialverdampfung sowie der Vorgänge an der Oberfläche und im Inneren eines Tropfens berücksichtigt. Die formulierten Randbedingungen ermöglichen also eine adäquate Modellierung der Drahtschmelz-, Tropfenbildungs- und -ablösungsvorgänge bei MSG-Schweißen von Stählen und Aluminiumlegierungen mit verschiedenen Schutzgasen. Der Einsatz des entwickelten Modells bietet umfassende Möglichkeiten zur Steuerung des Elektrodenmetallübergangs bei verschiedenen Lichtbogen- und Prozessarten (Kurzlichtbogen, Sprühlichtbogen, Normalprozess, Impulsprozess etc.) Die Untersuchungen werden in Zusammenarbeit des ISF mit dem E.O. Paton Institut durchgeführt. Im Rahmen dieser Zusammenarbeit ist Folgendes geplant. Das ISF entwickelt ein Modell und einen numerischen Algorithmus für die gekoppelte Berechnung des Temperaturfeldes und des elektrischen Feldes im Draht und im Tropfen sowie für die Berechnung der Form dessen freier Oberfläche, unter Berücksichtigung der Hydrodynamik des flüssigen Metalls. Randbedingungen für die Lösung dieser Aufgaben sind die Stromdichteverteilungen, der Wärmefluss und der Druck auf der Oberfläche eines Tropfens im Gebiet der Anodenanbindung des Lichtbogens. Auf Basis dieser Daten kann ein Modellierungsergebnis von Vorgängen im Nebenanodenbereich und in der Lichtbogensäule eines Lichtbogens erstellt werden. Diesen Teil des Projektes übernimmt das E.O. Paton Institut. Für die Modellierung der o.g. Plasmavorgänge sind nichtstationäre Gleichungen der magnetischen Gasdynamik des mehrkomponentigen Nichtgleichgewichtsplasmas (thermisches und Ionisierungsnichtgleichgewicht) zu verwenden. Randbedingungen dieser Gleichungen sind die Temperaturverteilung auf der Tropfenoberfläche und dessen Form im Bereich der Anodenanbindung des Lichtbogens. Die komplette Aufgabe soll also auf iterative Weise gelöst werden. Auf diese Weise wird das komplexe physikalisch-mathematische Modell entwickelt. Das entwickelte Modell wird in Form einer Software für die Simulation des Wärme- und Metalltransfers beim MSG-Schweißen eingesetzt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Ukraine
• Beteiligte Person: Professor Dr.-Ing. Igor Krivtsun