Gefördert durch: Projekt A3 Strömungstechnische Auslegung von Brennersystemen zum wirtschaftlichen...

gefördert durch:

ForschungsvereinigungStahlanwendung e.V

Projekt A3Strömungstechnische Auslegung von Brennersystemen zum wirtschaftlichen und emissionsreduzierten Lichtbogenschweißen

M. Dreher, U. Füssel, M. SchnickTechnische Universität Dresden, Professur Fügetechnik und Montage

Lichtbogenkolloquium 05.10.2009 Berlin

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Ausgangssituation

MSG-Schweißen: definierter, reproduzierbarer Prozess wird angestrebt Kontamination des Schutzgases durch instationäre, turbulente

Strömungsmuster

Schweißspritzer

Poren

Oxidniederschläge

Schmauchspuren

kostenintensiveNacharbeit

Brennerentwicklung vorrangig über Schweißversuche Variation der Brennergeometrie aus Erfahrung

Ursachen für Kontamination weitgehend unbekannt

Kenntnisse über die Prozessgasströmung unzureichend

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MSG-Schweißen: definierter, reproduzierbarer Prozess wird angestrebt Kontamination des Schutzgases durch instationäre, turbulente

Strömungsmuster

Schweißspritzer

Poren

Oxidniederschläge

Schmauchspuren

Ausgangssituation

verdeckte Bereiche im Brenner

Temperaturen bis 20.000 K

optische Strahlung des Lichtbogens

elektro-magnetische Strahlung

kostenintensiveNacharbeit

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Zielstellung

experimentelle und numerische Untersuchung der Strömung im Brenner und am Werkstück

Untersuchen vordefinierter Strömungsprofile (gradierte Strömung)

mit dem Ziel einer guten Schutzgasabdeckung am Werkstück

Ableiten von Konstruktions- und Anwendungsempfehlungen

für die Unternehmen auf Grundlage der Simulation

Überführen in Funktionsmuster auf Grundlage der Simulations-

ergebnisse

Klären der Ursachen für Entstehung turbulenter Strömungsmuster

durch Geometrieelemente handelsüblicher Schweißbrenner

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Lösungsweg

Validieren des Modells durch diagnostische Methoden der Strömungsanalyse

Particle Image Velocimetry (PIV)

Schlierentechnik

Sauerstoffmessung am Werkstück

Erproben der Tauglichkeit des abgeleiteten Brennersystems durch Schweißversuche

Erstellen eines numerischen Modells

Diffusion und Turbulenz

Lichtbogen (Zuarbeit aus Projekt G4)

Metallverdampfung (Zuarbeit aus Projekt G4 und G5)

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Arbeitsstand - Diagnostik

Restsauerstoffgehalt am Werkstück

Aufbau abgeschlossen

Messungen an MSG-Brennern mit Lichtbogen

Validierung Simulation PIV

Auswahl geeigneter Komponenten

im Aufbau

Schlierentechnik

Aufbau abgeschlossen (in Zusammenarbeit mit LPT)

Strömungsvisualisierung an MSG-Brenner

(eingepresste Wolframelektrode)

Validierung Simulation

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Physikalisches Modell

verschiedener Turbulenzmodelle

Diffusion und Gaseigenschaften in Abhängigkeit der Temperatur

Lichtbogensäule MHD

Lichtbogenansatz LTE

Arbeitsstand - Simulation

Geometrie

6°-Modell 90°-Modell

Berücksichtigung der Strömung am Gasverteiler

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Ausgewählte Ergebnisse

Strömung kalter Brenner

Entstehung von Turbulenzen durch Geometrie des Gasverteilers

Kontamination der Schutzgasabdeckung am Werkstück

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Ausgewählte Ergebnisse

Strömung kalter Brenner

Entstehung von Turbulenzen durch Geometrie des Gasverteilers

Kontamination der Schutzgasabdeckung am Werkstück

Vermehrte Turbulenzen bei steigenden Schutzgasmengen

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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-

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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

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Ausgewählte Ergebnisse

Einfluss des Lichtbogens

Das Gas wird durch den Lichtbogen angesaugt und beschleunigt

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Ausgewählte Ergebnisse

Einfluss der Schutzgasmenge bei brennendem Lichtbogen

Kontamination durch Diffusionsprozesse bei geringen Schutzgasmengen

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Zusammenfassung

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

Zusammenfassung und Ausblick

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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Arbeitsstand - Diagnostik

Schlierentechnik

Aufbau abgeschlossen (in Zusammenarbeit mit LPT)

Strömungsvisualisierung an MSG-Brenner

(eingepresste Wolframelektrode)

Validierung Simulation

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Arbeitsstand - Diagnostik

Schlierentechnik

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Arbeitsstand - Diagnostik

Restsauerstoffgehalt am Werkstück

Aufbau abgeschlossen

Messungen an MSG-Brennern mit Lichtbogen

Validierung Simulation

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Arbeitsstand - Diagnostik

Restsauerstoffgehalt am Werkstück

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Arbeitsstand - Diagnostik

PIV

Auswahl geeigneter Komponenten (Laser, Kamera)

im Aufbau

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Zusammenfassung

Randbedingungen Simulation

Diskussion

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Zusammenfassung

Randbedingungen Simulation

Diskussion

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Zusammenfassung

Untersuchungen in Abhängigkeit von:

Brennergeometrie

Stromparameter

Schweißposition

Pendeln des Brenners

Prozessgase

Grund- und Zusatzwerkstoff

Stoßart

Schweißgeschwindigkeit

Diskussion