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Projekt A3 Strömungstechnische Auslegung von Brennersystemen zum wirtschaftlichen und emissionsreduzierten Lichtbogensc

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Projekt A3 Strömungstechnische Auslegung von Brennersystemen zum wirtschaftlichen und emissionsreduzierten Lichtbogenschweißen. M. Dreher, U. Füssel, M. Schnick Technische Universität Dresden, Professur Fügetechnik und Montage. Lichtbogenkolloquium 05.10.2009 Berlin. Ausgangssituation.

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Projekt A3Strömungstechnische Auslegung von Brennersystemen zum wirtschaftlichen und emissionsreduzierten Lichtbogenschweißen

M. Dreher, U. Füssel, M. Schnick

Technische Universität Dresden, Professur Fügetechnik und Montage

  • Lichtbogenkolloquium 05.10.2009 Berlin
ausgangssituation
Ausgangssituation
  • MSG-Schweißen: definierter, reproduzierbarer Prozess wird angestrebt
  • Kontamination des Schutzgases durch instationäre, turbulente Strömungsmuster
  •  Schweißspritzer
  •  Poren
  •  Oxidniederschläge
  •  Schmauchspuren

kostenintensive

Nacharbeit

  • Brennerentwicklung vorrangig über Schweißversuche
  • Variation der Brennergeometrie aus Erfahrung
  •  Ursachen für Kontamination weitgehend unbekannt
  • Kenntnisse über die Prozessgasströmung unzureichend
ausgangssituation1
Ausgangssituation
  • MSG-Schweißen: definierter, reproduzierbarer Prozess wird angestrebt
  • Kontamination des Schutzgases durch instationäre, turbulente Strömungsmuster
  •  Schweißspritzer
  •  Poren
  •  Oxidniederschläge
  •  Schmauchspuren

kostenintensive

Nacharbeit

  •  verdeckte Bereiche im Brenner
  •  Temperaturen bis 20.000 K
  •  optische Strahlung des Lichtbogens
  •  elektro-magnetische Strahlung
zielstellung
Zielstellung
  • experimentelle und numerische Untersuchung der Strömung im Brenner und am Werkstück
  • Klären der Ursachen für Entstehung turbulenter Strömungsmuster
  • durch Geometrieelemente handelsüblicher Schweißbrenner
  • Untersuchenvordefinierter Strömungsprofile (gradierte Strömung)
  • mit dem Ziel einer guten Schutzgasabdeckung am Werkstück
  • Ableiten vonKonstruktions- und Anwendungsempfehlungen
  • für die Unternehmen auf Grundlage der Simulation
  • Überführen in Funktionsmuster auf Grundlage der Simulations-
  • ergebnisse
l sungsweg
Lösungsweg
  • Erstellen eines numerischen Modells
  •  Diffusion und Turbulenz
  •  Lichtbogen (Zuarbeit aus Projekt G4)
  •  Metallverdampfung (Zuarbeit aus Projekt G4 und G5)
  • Validieren des Modells durch diagnostische Methoden der Strömungsanalyse
  •  Particle Image Velocimetry (PIV)
  •  Schlierentechnik
  •  Sauerstoffmessung am Werkstück
  • Erproben der Tauglichkeit des abgeleiteten Brennersystems durch Schweißversuche
arbeitsstand diagnostik
Arbeitsstand - Diagnostik
  • Schlierentechnik
  •  Aufbau abgeschlossen (in Zusammenarbeit mit LPT)
  •  Strömungsvisualisierung an MSG-Brenner
  • (eingepresste Wolframelektrode)
  •  Validierung Simulation
  • Restsauerstoffgehalt am Werkstück
  •  Aufbau abgeschlossen
  •  Messungen an MSG-Brennern mit Lichtbogen
  •  Validierung Simulation
  • PIV
  •  Auswahl geeigneter Komponenten
  •  im Aufbau
arbeitsstand simulation
Arbeitsstand - Simulation
  • Physikalisches Modell
  •  verschiedener Turbulenzmodelle
  •  Diffusion und Gaseigenschaften in Abhängigkeit der Temperatur
  •  Lichtbogensäule MHD
  •  Lichtbogenansatz LTE

Berücksichtigung

der Strömung am

Gasverteiler

  • Geometrie

6°-Modell

90°-Modell

ausgew hlte ergebnisse
Ausgewählte Ergebnisse
  • Strömung kalter Brenner
  •  Entstehung von Turbulenzen durch Geometrie des Gasverteilers
  •  Kontamination der Schutzgasabdeckung am Werkstück
ausgew hlte ergebnisse1
Ausgewählte Ergebnisse
  • Strömung kalter Brenner
  •  Entstehung von Turbulenzen durch Geometrie des Gasverteilers
  •  Kontamination der Schutzgasabdeckung am Werkstück
  •  Vermehrte Turbulenzen bei steigenden Schutzgasmengen
ausgew hlte ergebnisse2
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-

ausgew hlte ergebnisse3
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
ausgew hlte ergebnisse4
Ausgewählte Ergebnisse
  • Einfluss des Lichtbogens
  •  Das Gas wird durch den Lichtbogen angesaugt und beschleunigt
ausgew hlte ergebnisse5
Ausgewählte Ergebnisse
  • Einfluss der Schutzgasmenge bei brennendem Lichtbogen
  •  Kontamination durch Diffusionsprozesse bei geringen Schutzgasmengen
zusammenfassung
Zusammenfassung

Zusammenfassung und Ausblick

  • 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
arbeitsstand diagnostik1
Arbeitsstand - Diagnostik
  • Schlierentechnik
  •  Aufbau abgeschlossen (in Zusammenarbeit mit LPT)
  •  Strömungsvisualisierung an MSG-Brenner
  • (eingepresste Wolframelektrode)
  •  Validierung Simulation
arbeitsstand diagnostik3
Arbeitsstand - Diagnostik
  • Restsauerstoffgehalt am Werkstück
  •  Aufbau abgeschlossen
  •  Messungen an MSG-Brennern mit Lichtbogen
  •  Validierung Simulation
arbeitsstand diagnostik4
Arbeitsstand - Diagnostik
  • Restsauerstoffgehalt am Werkstück
arbeitsstand diagnostik5
Arbeitsstand - Diagnostik
  • PIV
  •  Auswahl geeigneter Komponenten (Laser, Kamera)
  •  im Aufbau
zusammenfassung1
Zusammenfassung

Diskussion

  • Randbedingungen Simulation
zusammenfassung2
Zusammenfassung

Diskussion

  • Randbedingungen Simulation
zusammenfassung3
Zusammenfassung

Diskussion

  • Untersuchungen in Abhängigkeit von:
  •  Brennergeometrie
  •  Stromparameter
  •  Schweißposition
  •  Pendeln des Brenners
  •  Prozessgase
  •  Grund- und Zusatzwerkstoff
  •  Stoßart
  •  Schweißgeschwindigkeit