Projekt A3 Strömungstechnische Auslegung von Brennersystemen zum wirtschaftlichen und emissionsreduzierten Lichtbogensch

1. Projekt A3Strömungstechnische Auslegung von Brennersystemen zum wirtschaftlichen und emissionsreduzierten Lichtbogenschweißen M. Dreher, U. Füssel, M. Schnick Technische Universität Dresden, Professur Fügetechnik und Montage • Lichtbogenkolloquium 05.10.2009 Berlin

2. Ausgangssituation • MSG-Schweißen: definierter, reproduzierbarer Prozess wird angestrebt • Kontamination des Schutzgases durch instationäre, turbulente Strömungsmuster •  Schweißspritzer •  Poren •  Oxidniederschläge •  Schmauchspuren kostenintensive Nacharbeit • Brennerentwicklung vorrangig über Schweißversuche • Variation der Brennergeometrie aus Erfahrung •  Ursachen für Kontamination weitgehend unbekannt • Kenntnisse über die Prozessgasströmung unzureichend

3. Ausgangssituation • MSG-Schweißen: definierter, reproduzierbarer Prozess wird angestrebt • Kontamination des Schutzgases durch instationäre, turbulente Strömungsmuster •  Schweißspritzer •  Poren •  Oxidniederschläge •  Schmauchspuren kostenintensive Nacharbeit •  verdeckte Bereiche im Brenner •  Temperaturen bis 20.000 K •  optische Strahlung des Lichtbogens •  elektro-magnetische Strahlung

4. Zielstellung • experimentelle und numerische Untersuchung der Strömung im Brenner und am Werkstück • Klären der Ursachen für Entstehung turbulenter Strömungsmuster • durch Geometrieelemente handelsüblicher Schweißbrenner • Untersuchenvordefinierter Strömungsprofile (gradierte Strömung) • mit dem Ziel einer guten Schutzgasabdeckung am Werkstück • Ableiten vonKonstruktions- und Anwendungsempfehlungen • für die Unternehmen auf Grundlage der Simulation • Überführen in Funktionsmuster auf Grundlage der Simulations- • ergebnisse

5. Lösungsweg • Erstellen eines numerischen Modells •  Diffusion und Turbulenz •  Lichtbogen (Zuarbeit aus Projekt G4) •  Metallverdampfung (Zuarbeit aus Projekt G4 und G5) • Validieren des Modells durch diagnostische Methoden der Strömungsanalyse •  Particle Image Velocimetry (PIV) •  Schlierentechnik •  Sauerstoffmessung am Werkstück • Erproben der Tauglichkeit des abgeleiteten Brennersystems durch Schweißversuche

6. Arbeitsstand - Diagnostik • Schlierentechnik •  Aufbau abgeschlossen (in Zusammenarbeit mit LPT) •  Strömungsvisualisierung an MSG-Brenner • (eingepresste Wolframelektrode) •  Validierung Simulation • Restsauerstoffgehalt am Werkstück •  Aufbau abgeschlossen •  Messungen an MSG-Brennern mit Lichtbogen •  Validierung Simulation • PIV •  Auswahl geeigneter Komponenten •  im Aufbau

7. Arbeitsstand - Simulation • Physikalisches Modell •  verschiedener Turbulenzmodelle •  Diffusion und Gaseigenschaften in Abhängigkeit der Temperatur •  Lichtbogensäule MHD •  Lichtbogenansatz LTE Berücksichtigung der Strömung am Gasverteiler • Geometrie 6°-Modell 90°-Modell

8. Ausgewählte Ergebnisse • Strömung kalter Brenner •  Entstehung von Turbulenzen durch Geometrie des Gasverteilers •  Kontamination der Schutzgasabdeckung am Werkstück

9. Ausgewählte Ergebnisse • Strömung kalter Brenner •  Entstehung von Turbulenzen durch Geometrie des Gasverteilers •  Kontamination der Schutzgasabdeckung am Werkstück •  Vermehrte Turbulenzen bei steigenden Schutzgasmengen

10. Ausgewählte Ergebnisse • Validierung durch Schlierentechnik •  Entstehung von Turbulenzen durch Geometrie des Gasverteilers •  Kontamination der Schutzgasabdeckung am Werkstück •  Vermehrte Turbulenzen bei steigenden Schutzgasmengen Argon 5 l/min, 150 A DC- MSG-Brenner mit eingepresster Wolframelektrode Argon 15 l/min, 150 A DC-

11. Ausgewählte Ergebnisse • Strömung kalter Brenner •  Entstehung von Turbulenzen durch Geometrie des Gasverteilers •  Kontamination der Schutzgasabdeckung am Werkstück •  Vermehrte Turbulenzen bei steigenden Schutzgasmengen • Schlussfolgerung: konstruktive Umgestaltung der Strömung im oberen • Brennerbereich • Ziel: Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit in den • Bohrungen des Gasverteilers • Lösungsansatz: 1. Gasverteilung oberhalb des Gasverteilers • 2. Gleichmäßige Anströmung des Gasverteilers • 3. Größere Bohrungen im Gasverteiler realisierbar

12. Ausgewählte Ergebnisse • Einfluss des Lichtbogens •  Das Gas wird durch den Lichtbogen angesaugt und beschleunigt

13. Ausgewählte Ergebnisse • Einfluss der Schutzgasmenge bei brennendem Lichtbogen •  Kontamination durch Diffusionsprozesse bei geringen Schutzgasmengen

14. Zusammenfassung Zusammenfassung und Ausblick • Entwicklung eines numerischen Modells mit Berücksichtigung des Lichtbogens • Validierung des Modells durch Sauerstoffmessungen und Schlierentechnik • Nachweis der Entstehung turbulenter Strömungsprofile am Gasverteiler und daraus resultierender Kontamination des Schutzgases • Untersuchung des Einflusses des Lichtbogens auf die Schutzgasströmung • Implementierung des Metalldampfs in die Simulation (Projekt G4, G5) • Untersuchung der Eignung ausgewählter Strömungsprofile (gradierte Strömung) für eine gute Schutzgasabdeckung am Werkstück • Ableitung geeigneter Brennergeometrien zur Realisierung der gradierten Strömungsprofile auf Basis der Simulation • Überführung in Funktionsmuster für optimierte Schutzgasabdeckung

15. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

16. Arbeitsstand - Diagnostik • Schlierentechnik •  Aufbau abgeschlossen (in Zusammenarbeit mit LPT) •  Strömungsvisualisierung an MSG-Brenner • (eingepresste Wolframelektrode) •  Validierung Simulation

17. Arbeitsstand - Diagnostik • Schlierentechnik

18. Arbeitsstand - Diagnostik • Restsauerstoffgehalt am Werkstück •  Aufbau abgeschlossen •  Messungen an MSG-Brennern mit Lichtbogen •  Validierung Simulation

19. Arbeitsstand - Diagnostik • Restsauerstoffgehalt am Werkstück

20. Arbeitsstand - Diagnostik • PIV •  Auswahl geeigneter Komponenten (Laser, Kamera) •  im Aufbau

21. Zusammenfassung Diskussion • Randbedingungen Simulation

22. Zusammenfassung Diskussion • Randbedingungen Simulation

23. Zusammenfassung Diskussion • Untersuchungen in Abhängigkeit von: •  Brennergeometrie •  Stromparameter •  Schweißposition •  Pendeln des Brenners •  Prozessgase •  Grund- und Zusatzwerkstoff •  Stoßart •  Schweißgeschwindigkeit