gefördert durch:

ForschungsvereinigungStahlanwendung e.V

Zusammenführung von direkter und inverserModellierung

Projekt G5: Beschreibung komplexer Vorgänge im Lichtbogen durch die Kopplung von inverser und direkter Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge

U. Füssel, S. Rose, M. Schnick: TU Dresden, IOF, Professur Fügetechnik und Montage

J. Kruscha, K. Schlodder, M. Tempelhagen, F. Wagner: Hochschule Lausitz, IIM

25.02.2010 Senftenberg

2

Zielstellung und Vorgehensweise

• Relevante Messgrößen sind identifiziert und werden erfasst• Explorative Datenanalyse abgeschlossen

Þ Transiente Simulation und Interpretation der erkannten Zusammenhänge

3

Gliederung

1. Numerisches Modell

2. Zusammenführung Metalldampfrandbedingungen Eingangsdaten aus Experimenten Simulationsergebnisse Mustervergleich

3. Zusammenführung Geometrierandbedingungen Geometrieauswertungen Simulationsergebnisse Mustervergleich

4. Ausblick

4

1. Numerisches Modell

Strömungslöser ANSYS CFX

Einfaches Lichtbogenmodell ohne Fallgebiete

Definieren der Metalldampfquelle an der Drahtunterseite

Metalldampfeigenschaften von Murphy (CSIRO)

Zweigleichungs-Turbulenzmodell (SST-Modell CFX-Standard)

Erprobtes Diffusionsmodell

Interface-Tracking

Ele

ktro

de

5

2. Metalldampf – Metalldampfquelle

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01

Zeit / s

Em

iss

ion

Variante 1

Verdampfung direktproportional zur gemessenenVolumenstrahlung

Eingangsdaten für Definition der Metalldampfquelle

Metalldampf

0

100

200

300

400

500

0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01

Zeit / s

Str

om

stä

rke

/ A Variante 2

Verdampfung direktproportional zur Stromstärke

Stromstärke

6

2. Metalldampf – Metalldampfquelle

Eingangsdaten für Definition der Metalldampfquelle

Variante 1proportional zum Vol-Int (Strahlung)

Variante 2direkt proportional zur Stromstärke

7

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500

Stromstärke / A

Sp

an

nu

ng

/ V

Variante 1 - Strom

Experiment

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500

Stromstärke / A

Sp

an

nu

ng

/ V

Variante 2 - Diode

Experiment

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500

Stromstärke / A

Sp

an

nu

ng

/ V

Variante 1 - Diode

Variante 2 - Strom

Experiment

2. Metalldampf – Mustervergleich

Up-slope

Down-slope

Phasenraum U-I zeigt ausgeprägten Hystereseeffekt zwischen Up-slope und Down-slope

8

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500

Stromstärke / A

Sp

an

nu

ng

/ V

Variante 1 - Diode

Experiment

2. Metalldampf – Mustervergleich

Up-slope

Down-slope

Charakteristischer Verlauf im Phasenraum U-I stimmt bei Kopplung der Verdampfung an gemessenen Volumenstrahlung nicht überein

9

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500

Stromstärke / A

Sp

an

nu

ng

/ V

Variante 2 - Strom

Experiment

2. Metalldampf – Mustervergleich

Charakteristischer Verlauf im Phasenraum U-I stimmt bei Kopplung der Verdampfung an gemessenen Volumenstrahlung sehr gut überein

Up-slope

Down-slope

10

2. Metalldampf – Mustervergleich

Zwischenzusammenfassung

1. Verläufe stimmen in ihrer Charakteristik gut übereinÞ Lichtbogensäule und Metalldampfeinfluss sehr gut abgebildet

2. Spannung in Simulation im Mittel 11 V geringerÞ Differenz entspricht etwa prognostizierten Schichtspannungen

11

1 % 3 % 5 %

• Höhere Verdampfungen senken Temperaturen im Lichtbogen• Höhere Verdampfungen verschieben Temperaturmaximum nach außen

Þ Bessere Übereinstimmungen in Ort und Wert der Maximaltemperatur bei hohen Verdampfungsraten (Vortrag M. Hertel)

2. Metalldampf – Metalldampfmenge

12

1. Übereinstimmung im charakteristischer Up-slope- / Down-slope-Verlauf wird mit steigender Verdampfungmenge schlechter 2. Zeitliche Änderung im Temperaturprofile über dem Puls stimmt noch nicht mit Messwerten des INP (G1) übereinÞ Vergleich Vortrag M. Hertel

2. Metalldampf – Mustervergleich

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500

Stromstärke / A

Sp

an

nu

ng

/ V

1 Prozent

3 Prozent

5 Prozent

Experiment

13

Zwischenzusammenfassung1. Übereinstimmung der Temperaturen mit 5 % am besten2. Übereinstimmung des Hystereseverlaufs mit 1 % am besten3. Zeitliche Entwicklung derzeit noch nicht adäquat abgebildetÞ Nächster Schritt: Weiterentwicklung Verdampfungsmodell

2. Metalldampf – Mustervergleich

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500

Stromstärke / A

Sp

an

nu

ng

/ V

1 Prozent

3 Prozent

5 Prozent

Experiment

14

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Me-Emission

Ar-

Em

iss

ion

2. Metalldampf – Weiterentwicklung

Weiterentwicklung einer ortsaufgelöste Messung

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Me-Emission

Ar-

Em

iss

ion

1%

3%

SimulationExperiment

Variante 1 - Diode Variante 2 - Strom

0

100

200

300

400

500

0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01

Zeit / s

Str

om

stä

rke

/ A

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01

Zeit / s

Em

iss

ion

15

2. Metalldampf – Weiterentwicklung

Weiterentwicklung einer ortsaufgelöste Messung

Metalldampf Stromstärke

+

16

Gliederung

1. Numerisches Modell

2. Zusammenführung Metalldampfrandbedingungen Messtechnik Simulationsergebnisse Mustervergleich

3. Zusammenführung Geometrierandbedingungen Geometrieauswertungen Simulationsergebnisse Mustervergleich

4. Ausblick

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3. Geometrie – Randbedingung

Interface-Tracking

Geometrieerkennung

18

Ohne Drahtvorschub (1 %) Mit Drahtvorschub (1 %)

3. Geometrie – Simulationsergebnisse

19

Ohne Drahtvorschub Mit Drahtvorschub

3. Geometrie – Simulationsergebnisse

1. Spannung sinkt aufgrund der kürzeren Lichtbogenlänge – sichtbar v. a. im Down-slope-BereichÞ sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Werten

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3. Geometrie – Mustervergleich

6

8

10

12

14

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18

0 100 200 300 400 500

Stromstärke / A

Sp

ann

un

g /

V

1% mit Vorschub

1% ohne Vorschub

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Nächste Schritte:1. Änderung der Lichtbogenlängen (Spannungskorrektur)2. Änderung der Tropfengeometrie (Einschnürung)

3. Geometrie – Mustervergleich

6

8

10

12

14

16

18

0 100 200 300 400 500

Stromstärke / A

Sp

ann

un

g /

V

1% mit Vorschub

1% ohne Vorschub

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Muster: - automatisierte Geometrieauswertung zur statistischen Absicherung- Verteilung des Metalldampfes

Explorative Datenanalyse Numerische Simulation

4. Ausblick

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Muster

Validierung

Explorative Datenanalyse Numerische Simulation

4. Ausblick

Muster: - automatisierte Geometrieauswertung- Verteilung des Metalldampfes

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit