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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
22
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