Non-equilibrium models for the arc in arc welding processes
Final Report Abstract
Gegenstand des Vorhabens war die Beschreibung der Interaktion des Lichtbogens mit den Elektroden in Lichtbogenschweißprozessen. Insbesondere wurden für das Beispiel des Wolfram-Inertgas-Prozesses (WIG) auf Stahl die Ausbildung der Bogenansätze und Schichtspannungen sowie der resultierende Energietransfer auf die Elektroden mit einem Modell konsistent erfasst und untersucht. Neben dem Kathodenansatz an einer Wolframelektrode wurde vor allem der Anodenansatz am Werkstück beim WIG-Prozess auf Stahl grundlegend unter konsistenter Einbeziehung der Metallverdampfung analysiert. Ein wesentliches Ergebnis des Projekts ist ein Nichtgleichgewichtsmodell für den WIG-Prozess, das eine kontinuierliche Beschreibung des Lichtbogenplasmas vom Zentrum nahe dem lokalen thermodynamischen Gleichgewicht (LTG) bis hin zu den Zonen vor den Elektroden gewährleistet, welche durch erhebliche Abweichungen vom thermischen, chemischen und Ionisationsgleichgewicht gekennzeichnet sind. Die zusätzliche Berücksichtigung einer als stoßfrei angenommenen Raumladungszone vor jeder Elektrode ermöglicht die Bestimmung der Schichtspannungen. Deren Einbeziehung in das Gesamtmodell auf Basis einer magnetohydrodynamischen Mehrflüssigkeitssimulation des Plasmas, der Wärme- und Strombilanzen in den Elektroden sowie der Emissionsmechanismen der Elektrodenoberflächen erlaubt die selbstkonsistente Erfassung der Ausbildung der Bogenansätze und der Metallverdampfung. Das Modell wurde zusätzlich auf eine genauere Beschreibung der Diffusionsprozesse und des elektrischen Potenzials im Plasma und damit auch auf eine detaillierte Erfassung der Energieströme über Schichtgrenzen hinweg erweitert. Hiermit konnten Ergebnisse erzielt werden, die erstmals die Wirkung einer Raumladungshalterung in einem Bogenplasma und eine Feldumkehr sowie eine Ohmsche Kühlung im Bereich der Anodenvorschicht für den WIG- Lichtbogen demonstrieren. Darüber hinaus konnte illustriert werden, dass der überwiegende Anteil der elektrischen Leistung im WIG-Lichtbogen (ca. 75%) in der Kathoden- und Kathodenvorschicht in das Plasma eingekoppelt wird, und die Lichtbogensäule nur eine untergeordnete Rolle des Energietransports übernimmt. In diesem Zusammenhang bestätigt das Modell auch jüngste Hypothesen, dass der Energieumsatz im Schichtbereich nicht nur die Kathode sondern auch die Plasmasäule heizt. Das Modell konnte erfolgreich mit Spannungsmessungen im WIG-Prozess (Gesamtspannung als Summe von Lichtbogenspannung, Schichtspannungen und Spannungsabfall in den Elektroden), mit spektroskopischen Messungen der Plasmatemperatur und mit pyrometrischen Messungen der Kathodenoberflächentemperatur validiert werden. Untersuchungen zu den Elektrodenansätzen demonstrierten den wesentlichen Einfluss des Stroms und unterschiedlicher Elektrodenformen auf den Kathodenansatz sowie den Modensprung zwischen diffusem und kontrahiertem Ansatz an der Anode in Abhängigkeit der Schutzgasströmung. Ein wesentliches Ergebnis des Projekts ist weiterhin ein Stoß-Strahlungsmodell für Eisen als Basis u.a. für eine Nichtgleichgewichtsbeschreibung von Argon-Eisen-Plasmen, wie sie sowohl im WIG als auch in Metall-Inertgas (MIG) Prozessen auftreten. Mit Hilfe des Modells wurde ein WIG-Prozess selbstkonsistent unter Einbeziehung der Metallverdampfung an der Anode beschrieben und das Verhalten der Eisenspezies im Plasmen einschließlich des Anodenvorschichtbereichs untersucht. Des Weiteren konnte das Nichtgleichgewichtsverhalten von Eisendampf im Querschnitt eines MIG-Lichtbogens unter Zuhilfenahme einer Mehrflüssigkeits-Gleichgewichtssimulation und des Stoß-Strahlungsmodell für Eisen charakterisiert werden. Für eine dem konsistenten Nichtgleichgewichtsmodell für den WIG-Prozess entsprechenden Beschreibung des MIG-Prozesses unter Einbeziehung der Elektroden, Schichtbereiche und des Metalldampfes sind weitere theoretische Untersuchungen erforderlich, welche insbesondere das Problem der Elektronenemission im Kathodenbereich bei diffusen Lichtbogenansätzen klären müssen.
Publications
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