Analyse der elektrischen Prozesswirkstrecke eines MSG-Schweißprozesses zur Erstellung einer dynamischen, phänomenologischen Systembeschreibung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Forschungsprojektes war die experimentelle Analyse der Prozesswirkstrecke Stromkontaktrohr, fester und flüssiger Bereich des freien Drahtendes, Lichtbogen einschließlich Fallgebiete und Werkstück beim Metallschutzgasschweißen. Diese Bereiche der Prozesswirkstrecke wurden separiert betrachtet, wobei spezifische optische und elektrische Diagnostiken adaptiert wurden. Als Referenz diente der Impulslichtbogenprozess bei typischer Auswahl von niedriglegiertem Stahl als Grundund Zusatzwerkstoff. Weitere Untersuchungen erfolgten zum Sprühlichtbogen. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und Bildverarbeitung wurden adaptiert, um die Lichtbogenstruktur zu rekonstruieren und Zeitreihen der Lichtbogenlänge zu generieren. Mit Hilfe der Thermografie und Zwei-Farben-Pyrometrie wurde die Temperaturverteilung des festen und flüssigen Teils des freien Drahtendes aus Aufnahmen während der Grundstromphase bestimmt. Ein Heizexperiment wurde genutzt, um den spezifischen Widerstand der Schweißdrähte zu ermitteln. Die Zusammenführung dieser Werte ermöglichte die Berechnung des Spannungsabfalls und Widerstandes im freien Drahtende. Weiterhin wurden Sondenmessungen am Draht und Messungen in Kurzschlussphasen genutzt, um diese Spannungsabfälle zu verifizieren und zusätzlich den Kontaktrohrwiderstand zu ermitteln. Momentane Messwerte der Gesamtspannung in der Pulsphase bei verschiedenen Pulsströmen und Lichtbogenlängen und die Spannungsabfälle in Draht und Kontaktrohr wurden letztlich genutzt, um die Spannung über die Lichtbogensäule und die Elektrodenschichtspannung als Summe von Kathoden- und Anodenschichtspannung separat abzuleiten. Die Spannungen entlang der Prozesswirkstrecke in Abhängigkeit von Strom und Lichtbogen- bzw. freier Drahtlänge für eine Impuls- und einen Sprühlichtbogenprozess stellen ein zentrales Ergebnis des Projekts dar. Diese wurden jeweils für festgehaltene Schweiß- und Drahtvorschubgeschwindigkeiten ermittelt und bilden die Basis für ein elektrisches Modell der Prozessstrecke. Beispielsweise wurde ein Anstieg der Schichtspannung im Impulsprozess von 18 auf 23 V mit steigendem Pulsstrom von 350 auf 650 A erhalten, während die mittlere elektrische Feldstärke im Lichtbogen nahezu konstant bei 1.1 V/mm liegt. Aus der Schichtspannung resultiert ein Anteil der Schicht von mehr als 60% am gesamten Energieumsatz entlang der Prozesswirkstrecke. Draht und Lichtbogensäule tragen mit weniger als 20% je nach ihren Längen bei. Die erzielten Ergebnisse stehen bereit für die Verifizierung und Erweiterung von Lichtbogen- und Schweißprozesssimulationen. Das elektrische Modell ermöglicht, soweit für den bisher eingeschränkten Parameterbereich sinnvoll, Weiterentwicklungen der Lichtbogenlängensteuerung im Schweißprozess. In weiterführenden Untersuchungen ist die Abhängigkeit des ermittelten elektrischen Modells der Prozessstrecke von Schweißparametern, insbesondere der Drahtvorschubgeschwindigkeit, und vom Material zu analysieren. Außerdem ist die Aufteilung der Schichtspannung auf Anode und Kathode weiterhin offen. Interessante Ergebnisse werden zudem erwartet, wenn die erarbeitete Methodik auf Wechselstromprozesse angewendet und die Abhängigkeit von der Polarität analysiert würde.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Active Acoustic Sensor Concept for Welding Arc Analysis and Model Based Arc Length Control, Interjoin III International Congress & 21st Technical Sessions on Welding and Joining Technologies, Gijon, 2016
U. Reisgen, S. Mann, G. Buchholz, P. Lozano, K. Willms
- Active Acoustic Sensor Concept for the Analysis of the Welding Arc Column, IIW Annual Assembly, Shanghai, 2017, SG 212 - Doc. 212-1479-17
U. Reisgen, S. Mann, G. Buchholz, P. Lozano, K. Willms, D. Uhrlandt, G. Gött, Z. Goukai
- Aktives akustisches Sensorkonzept zur Schweißlichtbogenanalyse, DVS-Berichte Band 339, DVS Media, Düsseldorf, 2017, S. 8-14
U. Reisgen, S. Mann, G. Buchholz, P. Lozano, K. Willms
- Arc voltage drop determination in GMAW, IIW Annual Assembly, Shanghai, 2017, SG 212 - Doc. 212-1482-17
G. Zhang, G. Goett, D. Uhrlandt
- Determination of temperature, geometry and resistance of the wire and droplet depot in GMAW, IIW Annual Assembly, Shanghai, 2017, SG 212 - Doc. 212-1481-17
D. Uhrlandt, G. Zhang, G. Goett, R. Kozakov, U. Reisgen, S. Mann, G. Buchholz, P. Lozano, K. Willms
- Betrachtung der elektrischen Prozesswirkstrecke beim MSG-Schweißen unter Variation des Lichtbogens, DVS-Berichte Band 342, DVS Media, Düsseldorf, 2018
U. Reisgen, P. Lozano, S. Mann, K. Willms
- Finding Puzzle Pieces of the Voltage Drop in GMAW, IIW Annual Assembly, Bali, 2018, SG 212 - Doc. 212-1552-18
G. Zhang, G. Goett, D. Uhrlandt, P. Lozano
- Study of the arc voltage in gas metal arc welding, J. Phys. D: Appl. Phys. 52, 085202, 2019
Zhang, G.; Goett, G.; Kozakov, R.; Uhrlandt, D.; Reisgen, U.; Willms, K.; Sharma, R.; Mann, S.; Lozano, Ph.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-6463/aaf588) - Study of the wire resistance in gas metal arc welding, J. Phys. D: Appl. Phys. 52, 085201, 2019
Zhang, G.; Goett, G.; Kozakov, R.; Uhrlandt, D.; Reisgen, U.; Willms, K.; Sharma, R.; Mann, S.; Lozano, Ph.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-6463/aaf5bb)
