Gekoppelte Simulation von Lichtbogen, Materialtransfer und Schmelzbad

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1 Fakultät Maschinenwesen Institut für Fertigungstechnik Professur Fügetechnik und Montage Workshop Lichtbogenphysik O.-v.-G.-Universität Magdeburg Gekoppelte Simulation von Lichtbogen, Materialtransfer und Schmelzbad M. Hertel, M. Lohse, S. Rose, U. Füssel TU Dresden, Institut für Fertigungstechnik, Professur für Fügetechnik und Montage

2 Motivation Motivation Numerische Beschreibung von Schweißprozessen Ableitung Ursache-Wirkungszusammenhänge sensitive Parameter Werkstoffübergang Lichtbogen Gekoppelte Simulation von Lichtbogen, Materialtransfer und Schmelzbad Modellierung aller Teilprozesse wenn möglich ohne Annahmen treffen zu müssen Schmelzbad gegenwärtige Rechentechnik erfordert Abstraktion in Teilmodelle Numerische Modelle so detailliert wie nötig! Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 2

3 MSG-Schweißprozess Modelle des MSG-Schweißprozesses + hohe Komplexität (Fallgebietsmodellierung, ) - vorgegebene Elektrodenform (meist als Festkörper) Modellkomplexität Lichtbogen Materialtransfer + Interaktion zwischen Lichtbogen und Draht - i.d.r. rotationssymmetrisch + Nahtaufbau Schmelzbad - i.d.r. Vereinfachung der LB-Physik und des Materialtransfers Berechnungsaufwand Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 3

4 MSG-Schweißprozess Modelle des MSG-Schweißprozesses sequentiell gekoppeltes Modell Modellkomplexität Lichtbogen Materialtransfer parallel gekoppeltes Modell Schmelzbad Berechnungsaufwand Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 4

5 MSG-Schweißprozess Modelle des MSG-Schweißprozesses sequentiell gekoppeltes Modell Lichtbogen Materialtransfer Schmelzbad Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 5

6 Modellierungsansätze Gliederung Modellierung des Lichtbogens Modellaufbau Prozessanalysen Anwendung / Ausblick Modellierung des Werkstoffübergangs Modellaufbau Anwendung / Ausblick Modellierung des Schmelzbades Modellaufbau Anwendung / Ausblick Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 6

7 Modellierungsansätze Gliederung Modellierung des Lichtbogens Modellaufbau Prozessanalysen Anwendung / Ausblick Modellierung des Werkstoffübergangs Modellaufbau Anwendung / Ausblick Modellierung des Schmelzbades Modellaufbau Anwendung / Ausblick Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 7

8 Modellierung des Lichtbogens Modellaufbau Rotationssymmetrisch Erhaltungsgleichungen (MHD) - Masse, Impuls, Energie, Spezies, Strom, Magnetfeld Stoffeigenschaften - Schutzgas: Ar, Ar-CO 2, Ar-O 2, - Metalldampf: Fe, Cu, Al, Spiegelsymmetrisch Strömungsraum Annahmen - Elektrodengeometrie - Temperaturverteilung - Verdampfungsprofil am Draht Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 8

9 Modellierung des Lichtbogens Prozessanalysen - Eisendampf Temperaturminimum auf der Bogenachse Rückströmung auf der Bogenachse 330 A Ursache: hohe Strahlungsemission Rückströmung bei hohen Verdampfungsraten Je größer die Verdampfungsrate, desto: höher die Spannung kleiner der Staudruck geringer der Wirkungsgrad gute Übereinstimmung mit Messungen! Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 9

10 Modellierung des Lichtbogens Variation der Metallverdampfungsrate (0 5%) Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 10

11 Modellierung des Lichtbogens Prozessanalysen unterschiedliche Metalldämpfe Abschmelzleistung: 8 m/min rel. Verdampfung 1% Al Cu Fe 200 A 215 A 250 A Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 11

12 Modellierung des Lichtbogens Prozessanalysen unterschiedliche Prozessgase 100% Ar I = 250 A v D = 10 m/min 0,1 % 1 % 5 % 79,8% Ar 20,2% CO2 0,1 % 1 % 5 % Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 12

13 Modellierung des Lichtbogens Anwendungsmöglichkeiten Prozessverständnis Untersuchung der Schutzgasabdeckung Strömungstechnische Auslegung von MSG-Brennern Verbesserung von Absaugbrennern WIG Plasma MSG Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 13

14 Modellierungsansätze Gliederung Modellierung des Lichtbogens Modellaufbau Prozessanalysen Anwendung / Ausblick Modellierung des Werkstoffübergangs Modellaufbau Anwendung / Ausblick Modellierung des Schmelzbades Modellaufbau Anwendung / Ausblick Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 14

15 Modellierung des Werkstoffübergangs Modellaufbau Mehrphasenmodelle Phase 1: Flüssigkeit (F m = 1) Volume-of-Fluid Methode 2 Phasen Transportgleichung flüssige Phase: Fm ρm t + ( F Stoffeigenschaften als Funktion des Masse- bzw. Volumenanteils der Phasen Phasengrenze ( 0 < F m < 1) Oberflächenspannung m r ρ u) = M m VAP Phase 2: Gas (F m = 0) Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 15

16 Modellierung des Werkstoffübergangs MIG-Tropfenablösung Phase 1: Metall (fest) hohe Viskosität, Haltekräfte Phasengrenze (Elektrodenkontur) Phase 1: Metall (flüssig) Phase 2: Gas (Schutzgas, Metalldampf) Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 16

17 Modellierung des Werkstoffübergangs Vergleichbarkeit mit dem Experiment Pulsprozess auf einer gekühlten Kupferkathode Ringkathode LB nahezu rotationssymmetrisch keine Beeinflussung durch veränderliche Nahtgeometrie Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 17

18 Modellierung des Werkstoffübergangs MIG-Tropfenablösung Temperaturverteilung Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 18

19 Modellierung des Werkstoffübergangs MIG-Tropfenablösung Temperaturverteilung Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 19

20 Modellierung des Werkstoffübergangs Vergleich mit OES Messungen 1 1 OES Measurement - Tsujimura IIW SG212, Denver 2012, IIW Doc Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 20

21 Modellierung des Werkstoffübergangs Vergleich mit OES Messungen 2 2 INP Greifswald, INP Greifswald, 2011 Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 21

22 Modellierung des Werkstoffübergangs MIG-Tropfenablösung Stromdichte Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 22

23 Modellierung des Werkstoffübergangs MIG-Tropfenablösung Strompfad Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 23

24 Modellierung des Werkstoffübergangs MIG-Tropfenablösung Strompfad Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 24

25 Modellierung des Werkstoffübergangs Anwendungsmöglichkeiten Prozessverständnis MSG Mechanismen der Tropfenablösung Einfluss der Gase und Werkstoffe Schweißrauchemissionen Instabilitäten Plasma MIG Ausblick Implementierung der Stromquellenregelung Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 25

26 Modellierungsansätze Gliederung Modellierung des Lichtbogens Modellaufbau Prozessanalysen Anwendung / Ausblick Modellierung des Werkstoffübergangs Modellaufbau Anwendung / Ausblick Modellierung des Schmelzbades Modellaufbau Anwendung / Ausblick Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 26

27 Prozesssimulation MSG-Schweißen Modellierung des Schmelzbades Modellaufbau Mehrphasenmodell großes Berechnungsgebiet Netzauflösung < 200 µm Ziel: Verringerung der Modellkomplexität Abstraktion des Lichtbogens und des Tropfenübergangs durch Quellterme Randbedingung aus der Modellierung des Lichtbogens und des Werkstofftransfers Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 27

28 Prozesssimulation MSG-Schweißen Plasma-MIG-Prozessmodellierung Schmelzbad (sequentiell gekoppeltes Modell) Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 28

29 Prozesssimulation MSG-Schweißen Plasma-MIG-Prozessmodellierung Schmelzbad Metalltemperatur [K] Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 29

30 Prozesssimulation MSG-Schweißen Modellierung des Schmelzbades Anwendungsmöglichkeiten Einfluss Staudruck Visualisierung von Ursache-Wirkungszusammenhänge Sensitivitätsanalyse Geometrie der Schmelzgrenze als Eingangsgrößen für FEM-Simulationen Ausblick Erweiterung auf unterschiedliche Nahtarten Schweißpositionen Werkstoffe Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 30

31 Prozesssimulation MSG-Schweißen Modellierung des Schmelzbades Ausblick: parallel gekoppelte Modelle (Gesamtmodell) Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 31

32 Prozesssimulation MSG-Schweißen Modellierung des Schmelzbades Parallel gekoppelte Modelle mit flachem Schmelzbad Plasma Laser - Interaktion DFG Projekt FU 307/4-1 Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 32

33 Zusammenfassung Zusammenfassung Teilmodelle für Lichtbogen, Werkstoffübergang und Schmelzbad sind erprobt und werden stetig weiterentwickelt (Werkstoffe, Schutzgase) Zielgerichteter Einsatz für industrierelevante Anwendungen Parallel gekoppelte Modelle (Gesamtmodell) sind heute meist mit hohem Rechenaufwand und / oder geringerer Modellkomplexität verbunden Vorrangig für Grundlagenuntersuchungen geeignet Sequentiell gekoppelte Modelle ermöglicht bereits heute Rückschlüsse von den Prozessparametern auf das Schweißergebnis Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg M. Hertel M. Lohse S. Rose Prof. U. Füssel Seite 33

34 Fakultät Maschinenwesen Institut für Fertigungstechnik Professur Fügetechnik und Montage Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Gekoppelte Simulation von Lichtbogen, Materialtransfer und Schmelzbad M. Hertel, M. Lohse, S. Rose, U. Füssel TU Dresden, Institut für Fertigungstechnik, Professur für Fügetechnik und Montage