Entwicklung eines physikalisch-mathematischen Modells des Metallschutzgasschweißprozesses für den Impulsmodus unter Verwendung von mehrkomponentigen Zusatzwerkstoffen und molekularen Schutzgasen
Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Strömungsmechanik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Modellierung des Werkstoffübergangs ist seit langem eine Zielstellung zur theoretischen Durchdringung und Vorhersage des MSG-Prozesses. Im Rahmen des Projekts wurden mathematische Modelle der Lichtbogensäule und des Tropfentransfers beim MSG-Prozess entwickelt und Phänomene im Tropfen und Lichtbogen untersucht. Aufgrund der Halbierung der ursprünglich beantragten Förderung und Bearbeitungszeit konnten nicht alle Arbeitspakete dieses Forschungsvorhabens behandelt werden. Trotz dieser Limitierung konnte ein Modell implementiert werden, das unter Berücksichtigung der Anodenschicht und der Verdampfung von der Tropfenoberfläche die Erfassung der Kopplung und Interaktion zwischen dem flüssigen Metall und dem Lichtbogen ermöglicht. Das Hauptziel des behandelten Projektes war die Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit des Werkstoffübergangs beim MSG-Schweißen, um die Anwendung von Elektrodendrähten aus Binärlegierungen sowie Schutzgasgemischen zu analysieren. Der Einfluss relevanter Prozessparameter und Materialkombinationen auf den Werkstoffübergang wurde ausführlich untersucht. Die Ergebnisse dieses Projektes gestatten es nun, sowohl die geometrischen als auch die elektrischen Parameter der Anodenfläche zu berücksichtigen. Die erfolgreiche Kopplung von Einzelmodellen, die die jeweiligen Vorgänge im Prozess beschrieben, ermöglicht eine Berechnung des Schweißprozesses mit Verwendung molekularer Schutzgase und mehrkomponentiger Zusatzwerkstoffe. Dazu wurden in dem vorliegenden Projekt folgende Untersuchungen durchgeführt: Erarbeitung mathematischer Modelle und Festlegung qualitativer Gesetzmäßigkeiten für globulare und Sprühtropfenübergänge unter Berücksichtigung des Anodenspannungsabfalls; Entwicklung eines Modells des Lichtbogens unter Berücksichtigung der Verdampfung von der Tropfenoberfläche anhand des Verdampfungsmodels für binäre Zusammensetzungen; Zusammenführung von beiden Modellen. Im Verlauf des Projektes wurde die Notwendigkeit weiterer Forschungen im Bereich der Tropfenablösung beim MSG-Schweißen ersichtlich. Diese sollen die bisher entwickelten Modelle erweitern, unter Verwendung weiterer selbstgeschriebener Computerprogramme sowie sinnvollem Einsatz kommerziell verfügbarer Software. Dadurch wird die Grundlage für Untersuchungen von physikalischen Phänomenen, wie beispielsweise dem Metalltransfer, gebildet. Durch das Vorhaben wurden wesentliche Grundlagen für die Prozesssimulation von globularen Tropfenübergang und Sprühtropfenübergang sowie für zuverlässige Vorhersagen zu deren Prozessverhalten geschaffen. Für weiterführende Untersuchungen sind komplexere chemische Zusammenhänge und moderne Regelungskonzepte (u. A. die innere und äußere Regelung sowie die reglungstechnische Behandlung von Kurzschlüssen) in das numerische Modell zu implementieren. Außerdem steht eine Validierung des Modellaussagevermögens im erweiterten Leistungsspektrum und an verschiedenen Schutzgasen aus.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Mathematical modelling and computer simulation of arc plasma and metal transfer in GMAW. Proc. 17. Int. Conf. “Sheet Metal Welding Conference” 2016”, Livonia, MI, USA, 2016 (16 pp)
U. Reisgen, I. Krivtsun, O.Semenov, A. Schiebahn, A. Zabirov
- Modeling of the electrode melting and metal transfer in GMAW. Proc. 41.CWS Int. Conf. “Welding 2016”, Opatija, Croatia, 2016 (pp 143-154). ISBN 978-953-7518-04-2
O. Semenov, I. Krivtsun, A. Zabirov
- Study of the electrode metal transfer in GMAW by combining of two modeling approaches. Proc. 10. Int. Conf. “Trends in Welding Research 2016”, Tokyo, Japan, 2016 (pp 575-578)
U. Reisgen, O.Mokrov, I. Krivtsun, O. Semenov
