Schlussbericht. der Forschungsstelle(n) Institut für Inverse Modellierung der Hochschule Lausitz. zu dem über die

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1 Schlussbericht der Forschungsstelle(n) Institut für Inverse Modellierung der Hochschule Lausitz zu dem über die im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages geförderten Vorhaben BG Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen zur Beeinflussung der Schmelzbaderstarrung (Bewilligungszeitraum: ) der AiF-Forschungsvereinigung FOSTA - Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.v. Senftenberg, Ort, Datum Prof. Dr. rer. nat. habil. Johannes Kruscha Name und Unterschrift des/der Projektleiter(s) an der/den Forschungsstelle(n) 0910

2 I Kurzfassung Das Ziel des Forschungsvorhabens IGF BG bestand darin, in Zusammenarbeit zwischen der Füge und Beschichtungstechnik der TU-Berlin und des Instituts für inverse Modellierung der Hochschule Lausitz (IIM) in Ergänzung zu den existierenden, klassischen Regelungskonzepten der Impulslichtbogenprozesse Prozessführungen zu untersuchen, die das Potential haben, die Erstarrungsbedingungen der Schmelze positiv zu beeinflussen: modulierter Wärmeeintrag; Starke räumliche Konzentration des Lichtbogenansatzes an der Schmelze (Kathodenspot) und die Ausnutzung der durch die hohen Temperaturgradienten bedingten starken Marangonikonvektion zur Intensivierung der Durchmischung des Schmelzbades; Durchmischung des Schmelzbades durch resonanzbedingte Intensivierung der Schmelzbadoberflächenwellenbewegung; Räumliche Variation des Lichtbogen- Brenngebiets auf dem Schmelzbad und der dadurch bedingten Richtungsänderung der Strömungen im Schmelzbad. Im Rahmen der plasmaphysikalischen und datenanalytischen Vorarbeiten konnte durch das IIM ein Auswertungsstandard für schweißtechnische Signale etabliert werden. Mit der Methode der inversen Modellierung wurden robuste Modellansätze mit den physikalisch relevanten Systemparametern mit regeltechnischer und energetischer Relevanz entwickelt. Für das Gesamtverständnis des Schweißlichtbogens erfolgte die Entwicklung eines neuen Energieverteilungsmodells, dass die realen Verhältnisse wie sie über die Messungen widergespiegelt werden praxisnäher darstellt und eine enge Beziehung zu den regelungsrelevanten Aspekten herstellt. In Bezug auf die technologische Aufgabenstellung des A1-Projektes konnte eine Reihe von Erkenntnissen gewonnen werden. Ein pulsmodulierter Wärmeeintrag in das Schmelzbad lässt sich über entsprechende modulierte elektrische Signale realisieren, wobei der Lichtbogen praktisch trägheitslos die eingespeiste Stromform als entsprechende Leistungseinspeisung ohne Signaldeformation in das Schmelzbad überführt. Da der Hauptenergieeintrag in die Werkstück-Kathode über die verschwindend

3 II dünne Kathodenrandschicht erfolgt, spielen die Besonderheiten der Lichtbogensäulenstruktur nur eine sekundäre Rolle. Für besonders kurze Lichtbögen, ist der Wirkungsgrad des Schweißlichtbogenprozesses am höchsten, für die Lösung des in diesem Fall sich verschärfenden Abstandsregelungsproblems wurde ein Lösungsansatz vorgestellt. Die Energieverteilungsverhältnisse auf Kathode (Werkstück) und Anode (Zusatzwerkstoffelektrode) können über neue, relativ robuste Beziehungen bestimmt werden. Eine starke Durchmischung des Schmelzbades lässt sich für Impulslichtbogenprozesse weniger durch eine Pulsmodulation über den Lichtbogen erzielen, als vielmehr durch Herstellung einer Resonanz zwischen Tropfenabwurf (Strom-Impulsperiode) und der Eigenschwingung des Schmelzbades. Es konnte gezeigt werden, dass eine zusätzliche Pulsmodulation des klassischen Impulslichtbogenschweißprozesses eine Reihe von neuen Effekten in der Wechselwirkung des fallenden Metalltropfens mit dem Metalldampfkern des Lichtbogens hervorruft und sich somit Möglichkeiten für eine differenzierte Beeinflussung des Schmelzbades eröffnen. Es konnten die Zusammenhänge aufgeklärt werden, die es ermöglichen, aus der Analyse der elektrischen Signale heraus zu erkennen, ob sich der Lichtbogenansatz im Spot- oder Diffusmodus befindet. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

4 III Förderhinweis Das IGF-Vorhaben BG der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.v. FOSTA wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Für diese Förderung sei gedankt.

5 IV Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Energieverteilungsverhältnisse im Schweißlichtbogen-A1 Teilbericht IIM I. Alternative Grundvorstellungen zum Schweißlichtbogen...14 Analyse der für die Bewertung der Energieeintragsmechanismen ins Schmelzbad relevanten Grundzüge der KPF-Vorstellungen Klassische Lichtbogen-Kanalmodelle Kanalmodell-Denkansatz des INP-Greifswald (KM-INP) Fazit zu alternativen Grundvorstellungen zum Schweißlichtbogen II. Stromfluss in aufgeweiteten Schweißlichtbögen...32 III. Aufteilung der Lichtbogenspannung auf Lichtbogensäule und Randschichten...45 IV. Zum Grundverständnis des Lichtbogens als Dissipative Struktur als offenes System, dass sich im Gleichgewichtszustand fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht befindet...49 Beispiel der Anwendung von Variations-Beziehungen beim G-, M-Bogen Übergang V. Energiebilanz auf der Kathodenoberfläche aus klassischer Sicht...56 VI. Neue Schlussfolgerungen für die Energiebilanz auf der b Kathodenoberfläche, die sich aus der Neuinterpretation des K I -Terms ergeben...61 VII. Einordnung der neuen Energiebilanz- und Energieverteilungsverhältnisse, b die sich aus der Neuinterpretation des K I -Terms ergeben in die Vorstellungen der klassischen Lichtbogentheorie (KLT)...65 VIII. Neue Energiebilanz- und Energieverteilungsverhältnisse, die sich aus der b Neuinterpretation des K I -Terms ergeben...69 IX. Auflösung des Widerspruchs zwischen Kathoden-Kältepol der KPF-CFD- Modellierung und extrem heißer Ionisationsschicht der KLT...77 X. Konsequenzen, die sich aus der neuen Sicht auf die Energieverteilungs- Verhältnisse im Schweißlichtbogen für die Prozessregelung ergeben...80

6 V XI. Lichtbogenansatz an der Kathode (Diffusansatz, Spotansatz) und Stationarität...81 XII. Physikalische Bedeutung von kurzzeitigen Spannungsspitzen in der Schweißlichtbogen-Messstrecke...84 XIII. Einfluss der pulsmodulierten Stromführung auf das Lichtbogenverhalten ANLAGE: Strompfad der Lichtbogensäule unter den Bedingungen eines Tropfenhindernisses Bedeutung der inversen Modellierung für die Beschreibung von Schweißlichtbogensystemen Zusammenfassung Formales Wissenschaftlich-technischer Nutzen Wirtschaftlicher Nutzen insb. für kmu, innovativer Beitrag und industrielle Anwendungsmöglichkeit Voraussichtliche Nutzung der angestrebten Forschungsergebnisse Möglicher Beitrag zur Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der kmu Transfermaßnahmen Durchgeführte spezifische Transfermaßnahmen während der Laufzeit Spezifische Transfermaßnahmen nach der Laufzeit Veröffentlichungen Gewerbliche Schutzrechte Literaturverzeichnis

7 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 1 1 Einleitung Das A1-Projekt nahm im Schweißlichtbogen-Cluster neben dem A4-Projekt (Regelungsaspekte) als Output-Projekt eine zentrale Stellung ein. Letztendlich sind es die metallurgischen Aspekte der Schweißnaht, die als Endergebnis des Schweißprozesses im Mittelpunkt aller Optimierungsprozesse der Schweißlichtbogentechnologie stehen. Zum anderen kam dem Institut für inverse Modellierung der Hochschule Lausitz (IIM) im Verbund des Clusters auch die Aufgabenstellung zu, einerseits analytische und numerische Signalauswertungsmethoden zu entwickeln, die von den beteiligten Forschungsstellen und den Geräteherstellern in ihrer täglichen Arbeit verwendet werden konnten und andererseits musste über das IIM ein Gesamtvorstellungssystem über den Schweißlichtbogen zusammengetragen werden, dass sich wiederum als Ausgangsdenkmuster für die experimentellen Arbeiten der Forschungsstellen und für die Anwender als Anregung für neue technologische Ansätze als tauglich erweisen konnte. Schon von der Aufgabenstellung her ergab sich eine Zweiteilung der Arbeitsprozesse im Rahmen des A1-Projektes: Die Füge und Beschichtungstechnik der TU-Berlin (Forschungsstelle 1) zeichnete verantwortlich für den Versuchsaufbau und die Versuchsdurchführung. In Bezug auf die Analyse der Prozesse lag der Schwerpunkt unter der Schmelzbadoberfläche: Analyse der Schliffbilder zur Bewertung des Erstarrungsverhaltens. CFD-Modellierung der Schmelzbadströmungsmuster in Hinblick auf die Ergründung möglicher Einflüsse des Strömungsverhaltens auf die Erstarrungsprozesse der Schmelze. Aufbau der Versuchsapparatur einschließlich der Stromimpulssteuerung (MATLAB- Simulink) und der Entwicklung der Prozessdiagnosetechnik (elektrische Signale, HGA-Kameraaufnahmen und spektralselektive Photodioden).

8 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 2 Die einzelnen Arbeitsschritte und Ergebnisse sind ausführlich im Berichtsteil der Forschungsstelle 1 dargestellt. Das Institut für Inverse Modellierung (IIM) der Hochschule Lausitz (Forschungsstelle 2) zeichnete verantwortlich für die Analyse der Prozesse über der Schmelzbadoberfläche: Schweißlichtbogendynamik Tropfenabwurfverhalten Schmelzbadschwingungsverhalten, das durch die Tropfenablösedynamik beeinflusst wird Im Mittelpunkt des A1-Projektes standen Untersuchungen, Möglichkeiten der Übertragbarkeit eines aus dem Laser-Schweißen bekannten Effekts, auf das MIG-MAG Impulslichtbogenschweißen zu überprüfen (pulsmodulierter Wärmeeintrag). Aufgrund der clusterübergreifenden zentralen Aufgabenstellung durch gezielte Beeinflussung des Lichtbogenverhaltens die Schweißnahtqualität zu verbessern gestalteten sich die Arbeiten am A1-Projekt in sehr hohem Maße vernetzt mit den anderen Forschungsstellen des Clusters. Es erwies sich aber auch bedingt durch die Spezifik der Aufgabenstellung eine breite und intensive Zusammenarbeit mit den Stromquellenherstellern des PbA sowohl als notwendig als auch vom Resultat her als sehr erfolgreich: Die Schweißstromquellenhersteller des PbA standen die ganze Bearbeitungszeit über mit Anregungen, Empfehlungen und kritischen Bewertungen den beiden Forschungsstellen hilfreich zur Seite. Um die vielen Aspekte der Schweißlichtbogendynamik systematisch und relativ umfassend zu erforschen, erwiesen sich die im Rahmen dieses Projektes geplanten Ressourcen als nicht ausreichend. Mit einer Vielzahl sehr qualifizierter und aufwendiger Messungen brachten sich die Schweißstromquellenhersteller direkt in den Projektbearbeitungsprozess ein, wodurch insbesondere das IIM in seiner Arbeit unterstützt wurde.

9 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 3 Im Rahmen der Projektbearbeitung konnte eine Reihe neuer Effekte entdeckt, Neuinterpretationen bekannter quantitativer Verhältnisse vorgenommen werden und eine Reihe von Anregungen den Quellenherstellern gegeben werden sowohl für verbesserte Regelungsansätze als auch für die technologisch relevante Prozessführung. Dieser Erkenntnis- und Entwicklungsprozess war nur durch eine ständige enge Kommunikation mit den Forschungs- und Entwicklungsabteilungen der Schweißgerätehersteller möglich, die ihrerseits den beiden Forschungsstellen auch mit spezifizierten Aufgabenstellungen und Problembeschreibungen die notwendigen Grundorientierungen und Korrekturanregungen für beide Forschungsstellen gaben. Die Arbeiten des IIM für das A1-Projekt entwickelten sich (wie auch für das A4- Projekt) bedingt durch eine Reihe objektiver Umstände in einem relativ selbständigen Rahmen: 1) Die Methoden der Datenanalyse und inversen Modellierung mussten entsprechend der Planung eigenständig durch das IIM entwickelt werden. 2) Der Lichtbogenprozess realisiert sich in engem Wechselspiel dreier System-Komponenten: a. Plasmaphysikalische Gesetzmäßigkeiten des Lichtbogenzustands b. Besonderheiten der Stromquelle insbesondere die U(I)- Charakteristik c. Besonderheiten der Prozessführung, bedingt durch die unterschiedlichen technologischen Zielstellungen Vordergründig ging es für das IIM im A1-Projekt darum, die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten des Lichtbogenverhaltens auf der Basis einer qualifizierten Datenanalyse zu erkennen. Da sich jedoch in jeder konkreten Messung eine Wechselwirkung der drei System- Komponenten widerspiegelt und diese Widerspiegelung für jede Schweißstromquelle mit einer anderen Wichtung erfolgt, entstand für das IIM eine unvorhergesehene komplizierte Ausgangssituation, die noch

10 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 4 dadurch verschärft wurde, dass die Messungen der Forschungsstelle 1 auf der Basis einer selbst definierten Prozessführung (frei programmierbare Simulink-Steuerung) erfolgten, die sich gegenüber kommerziellen Stromquellen, durch eine Reihe von erheblichen Besonderheiten auszeichnete. Diese Situation konnte durch das IIM in Ergänzung zu den in der Antragstellung entwickelten Vorstellungen nur durch drei neue Arbeitsansätze bewältigt werden: (1) Über den Vergleich der Messungen mit verschiedensten Maschinenmodellen und Parametereinstellungen (Messungen aller Forschungsstellen des Clusters und der Stromquellenhersteller des PbA) war es möglich, die maschinenunabhängigen Lichtbogeneigenschaften zu erkennen und mit einer entsprechenden Systematik zu strukturieren. (2) Im Rahmen des ständigen Kontakts mit den Forschungs- und Entwicklungsabteilungen der Stromquellenhersteller gelang auch die selektive Zuordnung verschiedenster Signalstrukturen zur Lichtbogenphysik bzw. der Maschinenregelung zuzuordnen. (3) Mit gezielten Messungen der Forschungsstelle 1 gelang es dann wiederum in Bezug auf die Aufteilung der Effekte im Sinne von (2) die notwendige letzte Bestätigung zu erlangen. 3) In der ursprünglich geplanten Vorgehensweise war gemäß Antragstellung beabsichtigt, die aus den Messungen gewonnenen Modellgleichungen mit den etablierten theoretischen Vorstellungen zum Schweißlichtbogen abzugleichen, um dann die entsprechenden Schlussfolgerungen für die Aufgabenstellung des A1-Projektes zu ziehen. Bereits in der Anfangsphase der Projektbearbeitung eröffneten sich zwei Problembereiche in einer Schärfe, mit der in der Antragsbearbeitungsphase nicht zu rechnen war: a. Die differenzierten Auswertungen der Messergebnisse am IIM zeigten, dass im Lichtbogensystem eine Reihe neuer Effekte identifiziert werden konnte, für die es im Rahmen der etablierten Schweißlichtbogentheorie keine Erklärungen gab.

11 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 5 b. Eine tiefgreifende Analyse verschiedenster theoretischer Denkansätze der Schweißlichtbogentheorie mit der das IIM seine Arbeiten über den ganzen Bearbeitungszeitraum begleiten musste zeigte zu unserer Überraschung, dass sich die Schweißlichtbogenforschung noch weit entfernt von einem in sich geschlossenen und widerspruchsfreien System von Gesamtvorstellungen befindet. c. Zum Verständnis der neu aufgefundenen Effekte und ihrer entsprechenden Einordnung in das Gesamtgefüge des plasmaphysikalischen Wissens, der Theorie der Kathodenoberflächenphysik und der Vorstellungen zum Schweißlichtbogen, erwiesen sich auch regelmäßige Kontakte mit entsprechenden physikalischen Forschungseinrichtungen als notwendig. 4) Entsprechend der in 3) skizzierten Problemlage erwuchs während des Bearbeitungszeitraums seitens der experimentell tätigen Forschungsstellen aber insbesondere auch seitens der Stromquellenhersteller des PbA an das IIM eine Erwartungshaltung in Bezug auf die Erarbeitung einer relativ geschlossenen, widerspruchsfreien Gesamtsicht auf den Schweißlichtbogenprozess, die als Richtschnur für die zukünftige Praxis dienen könnte. Entsprechend der in 4) beschriebenen Erwartungshaltung entschloss sich das IIM, die Berichterstattung für die 3 bearbeiteten Schweißlichtbogenclusterprojekte in einer Form anzustreben, die sich durch Ergebnisorientiertheit auszeichnet und darauf gerichtet ist, eine im Rahmen der Arbeiten des Forschungsclusters erarbeitete Schweißlichtbogen-Gesamtvorstellung zu präsentieren, an der sich sowohl der Stromquellenentwickler als auch der Schweißingenieur in seiner täglichen Arbeit orientieren kann: Die Ergebnisse der Schmelzbadbeeinflussung mit ihren metallurgischen Implikationen wurden im Arbeitsbericht der Forschungsstelle 1 umfassend dargestellt.

12 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 6 Die Arbeitsschritte, Methodik, mathematische Rahmenstrukturen und die Anwendungsergebnisse des IIM im Rahmen der explorativen Datenanalyse und inversen Modellbildung wurden bereits in Veröffentlichungen ausführlich beschrieben: a) Zwei gedruckte Zwischenberichte Lichtbogenschweißen Physik und Werkzeug [2] (als Dateien auch als Download verfügbar [1], teil_2_a1_iim.pdf, a1_datenanalyse_5_10_2009.pdf) b) Vortragsfolien des Workshops Workshop Datenanalyse schweißtechnischer Signale [3] c) DVS Berichte 275 (Hamburger Tagung 2011) [23, 39] (alle Berichte sind über die Internetseite des IIM erhältlich, die für die Arbeit dieses Forschungsclusters eingerichtet wurde: Der erste Teil dieser vom IIM angestrebten Schweißlichtbogen- Gesamtvorstellung wurde im Rahmen des A4-Berichtes (Vorhaben IGF BG) vorgestellt. Dieser erste Teil bildet auch das Fundament für diesen Bericht und enthält die systematischen Darstellungen der folgenden Punkte: - Physikalisch und prozesstechnisch anschauliche Darstellungen der Auswertungen der Messergebnisse. - Physikalische und regeltechnische Bedeutung der Messgrößen und aus ihnen abgeleitete Prozess-Zustandsgrößen - Modellbildung und Bedeutung der Modellparameter - Abstandsregelungskonzept (äußere Regelung) - Erweitertes Stabilitätskonzept (innere Regelung) Der aktuelle A1-Bericht des IIM (IGF BG) konzentriert sich der Aufgabenstellung entsprechend auf die Analyse der energetischen Aspekte des Schweißlichtbogens. Vordergründig wird ein neues Konzept für die Energieverteilungsverhältnisse der eingespeisten Leistung auf Lichtbogensäule, Werkstück (Kathode) und Zusatzwerkstoff (Anode) vorgestellt. Dieser Bericht kann somit auch als Teil 2 der vom IIM angestrebten Schweißlichtbogen-Gesamtvorstellung angesehen werden.

13 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 7 Aufgrund der bereits thematisierten Vielfältigkeit und Widersprüchlichkeit der existierenden Vorstellungen zum Schweißlichtbogen, kam das IIM nicht umhin, die systematische Darstellung der im Schweißlichtbogen gewonnenen neuen Erkenntnisse mit entsprechender Würdigung und kritischer Auseinandersetzung mit alternativen Vorstellungen zu begleiten. Das Ziel des Forschungsvorhabens IGF BG bestand darin, in Zusammenarbeit zwischen der Füge und Beschichtungstechnik der TU Berlin und dem IIM in Ergänzung zu den existierenden, klassischen Regelungskonzepten der Impulslichtbogenprozesse Prozessführungen zu untersuchen, die das Potential haben, die Erstarrungsbedingungen der Schmelze positiv zu beeinflussen: - Modulierter Wärmeeintrag - Starke räumliche Konzentration des Lichtbogenansatzes an der Schmelze (Kathodenspot) und die Ausnutzung der durch die hohen Temperaturgradienten bedingten starken Marangonikonvektion zur Intensivierung der Durchmischung des Schmelzbades - Durchmischung des Schmelzbades durch resonanzbedingte Intensivierung der Schmelzbadoberflächenwellenbewegung - Räumliche Variation des Lichtbogen-Brenngebietes auf dem Schmelzbad und der dadurch bedingten Richtungsänderung der Strömungen im Schmelzbad Hinsichtlich der Ergebnisse des IIM im A1-Projekt kann eine Zweiteilung vorgenommen werden: - Theoretische plasmaphysikalische und datenanalytische Vorarbeiten - Technologische relevante Untersuchungsergebnisse In Bezug auf die datenanalytischen und physikalisch theoretischen Aufgabenstellungen des A1-Projektes sind die folgenden Ergebnisse hervorzuheben: 1. Etablierung eines Auswertungsstandards für schweißtechnische Signale.

14 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 8 Zusammenführung der Zeitreiheninformation der elektrischen Signale mit den Bildinformationen der HGA-Kameraaufnahmen. Entwicklung geeigneter Entfaltungstechniken für die Messsignale. Selektion der Darstellungsform, die am prägnantesten die physikalisch-technologischen Verhältnisse widerspiegeln. Entwicklung verschiedener Methoden der Ereignisdetektion. 2. Entwicklung robuster und praxistauglicher Modellansätze mit den physikalisch relevanten Systemparametern mit regeltechnischer und energetischer Relevanz. 3. Entwicklung eines neuen Energieverteilungsmodells, dass die realen Verhältnisse wie sie über die Messungen widergespiegelt werden praxisnäher darstellt und eine enge Beziehung zu den regelungsrelevanten Aspekten herstellt. In Bezug auf die technologische Aufgabenstellung des A1-Projektes, die darin bestand, herauszufinden, welche Beeinflussungen des Schweißlichtbogensystems geeignet sein könnten, metallurgisch relevante Effekte hervorzurufen, kam das IIM summarisch zu folgenden Ergebnissen: 1. Ein pulsmodulierter Wärmeeintrag in das Schmelzbad lässt sich über entsprechende modulierte elektrische Signale realisieren, wobei der Lichtbogen praktisch trägheitslos die eingespeiste Stromform als entsprechende Leistungseinspeisung (die sich als direkt proportional zum Strom erweist) ohne Phasenverschiebung und Signaldeformation in das Schmelzbad überführt. 2. Da der Hauptenergieeintrag in die Werkstück-Kathode über die verschwindend dünne Kathodenrandschicht erfolgt, spielen die Besonderheiten der Lichtbogensäulenstruktur nur eine sekundäre Rolle, so dass sogar die Störung der Lichtbogensäule durch den fallenden Tropfen auch im Fall einer pulsmodulierten Prozessführung nur einen verschwindend geringen Einfluss auf die Energieeinspeisung in das Schmelzbad hat. 3. Im Rahmen einer allgemeinen Energieverteilungsanalyse konnte gezeigt werden:

15 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 9 - Für besonders kurze Lichtbögen, ist der Wirkungsgrad des Schweißlichtbogenprozesses am höchsten. Für die Lösung des sich in diesem Fall verschärfenden Abstandsregelungsproblems wurde ein Lösungsansatz vorgestellt. - Die Energieverteilungsverhältnisse auf Kathode (Werkstück) und Anode (Zusatzwerkstoffelektrode) können über relativ einfache Beziehungen bestimmt werden. - Der Energieeintrag in die Werkstück-Kathode hängt nicht nur vom Stromstärkewert sondern auch von den Schutzgaseigenschaften (effektives Ionisationspotenzial) und vom Werkstückmaterial (Austrittsarbeit) ab. 4. Speziell mit aufgeweiteten Lichtbögen (Molekülgaszusätze) lässt sich eine spezifische Form des Energieeintrags in das Schmelzbad realisieren (zwei Einspeisungsgebiete: punktförmiges Zentrum und konzentrischer Kreis), die ein besonderes Strömungsmuster im Schmelzbad erzwingt und damit auch die damit verbundenen Erstarrungsverhältnisse beeinflussen kann. 5. Eine starke Durchmischung des Schmelzbades lässt sich für Impulslichtbogenprozesse weniger durch eine Pulsmodulation über den Lichtbogen erzielen, als vielmehr durch Herstellung einer Resonanz zwischen Tropfenabwurf (Strom-Impulsperiode) und der Eigenschwingung des Schmelzbades. Unter dieser Resonanzbedingung kann sich die Amplitude der Schmelzbadschwingungen sehr stark aufschwingen, und damit die Strömungen im Schmelzbad erheblich beeinflussen. Über die elektrischen Signale kann der Schwingungszustand des Schmelzbades sehr gut erkannt werden [2], woraus sich die Möglichkeit für die Schweißmaschinenregelung ableitet, durch gezielte Herbeiführung dieser Resonanz die Erstarrungsverhältnisse zu beeinflussen, in dem die Regelung ein vorgegebenes Schmelzbad-Schwingungsniveau gezielt aufrechterhält. 6. Es konnte gezeigt werden, dass eine zusätzliche Pulsmodulation des klassischen Impulslichtbogenschweißprozesses eine Reihe von neuen Effekten in der Wechselwirkung des fallenden Metalltropfens mit dem

16 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 10 Metalldampfkern des Lichtbogens hervorruft und sich somit Möglichkeiten für eine differenzierte Beeinflussung des Schmelzbades eröffnen sowohl hinsichtlich des Energieeintrages durch den Lichtbogen, als auch durch die Tropfenfallrichtung und die Position des Tropfeneinschlaggebietes im Schmelzbad ([2], teil_2_a1_iim.pdf, 7. Es konnten die Zusammenhänge aufgeklärt werden, die es ermöglichen, aus der Analyse der elektrischen Signale heraus zu erkennen, ob sich der Lichtbogenansatz im Spot- oder Diffusmodus befindet. Gleichzeitig konnten erste energetische Schlussfolgerungen in Bezug auf den Lichtbogenansatz-Modus gewonnen werden.

17 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 11 2 Energieverteilungsverhältnisse im Schweißlichtbogen-A1 Teilbericht IIM Das A1-Projekt wurde von der Idee getragen, die Übertragbarkeit eines aus dem Laser-Schweißen bekannten Effekts, auf das MIG-MAG Impulslichtbogenschweißen zu überprüfen (pulsmodulierter Wärmeeintrag). Im Kern geht es um zwei Fragen: - Welcher Teil und über welche Mechanismen gelangt die in den Schweißlichtbogen eingespeiste elektrische Leistung in das Schmelzbad? - Inwieweit und über welche Mechanismen lässt sich ein pulsmodulierter Energieeintrag in den Schweißlichtbogen realisieren und mit welchen Trägheitseffekten ist dabei zu rechnen? Der Forschungsansatz des IIM basiert auf den folgenden Teilschritten: - Analyse der messbaren Daten an Schweißlichtbogensystemen unter besonderer Beachtung des Zusammenhangs zwischen den elektrischen Signalen, der Spannung U(t) (Spannungsabfall an der Lichtbogenstrecke: Kontaktrohr-Stickout-Lichtbogen-Schmelzbad- Werkstück) und dem Strom im Schweißstromkreis I(t) mit den Ergebnissen der Bildauswertung der Hochgeschwindigkeits-Kamera- Aufnahmen (HGA). - Explorative Datenanalyse, physikalisch aussagefähige Darstellungen mit dem besonderen Schwerpunkt der Bild Be- und Verarbeitung. - Inverse Modellbildung (messdatenbasierte Erstellung formaler Modelle, die die experimentelle Datensituation in ausreichendem Grade widerspiegeln). - Erklärung der aufgefundenen Funktionszusammenhänge durch bekannte Theorieansätze (einschließlich umfassender Literaturquellenstudien zur theoretischen Beschreibung von Schweißlichtbögen). - Selektion der Theorieansätze nach der Vereinbarkeit mit der Datenlage. - Erklärung relativ komplizierter Funktionszusammenhänge durch anschauliche Analogiebetrachtungen.

18 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 12 Aus physikalischer Sicht müssen vorrangig die folgenden Fragen beantwortet werden: I. Alternative Grundvorstellungen zum Schweißlichtbogen Systematische Gegenüberstellung zweier sich gegenseitig ausschließender Grundvorstellungen zur Schweißlichtbogensäule. Geklärt werden muss vorrangig das Problem der Energieverluste im Lichtbogen. Es sind die Anteile der eingespeisten elektrischen Leistung zu bestimmen, die über Dissipationsprozesse (vorrangig Wärmeverluste und Strahlung) in der Lichtbogensäule verloren gehen und damit weder im Werkstück, noch in die Elektrode eingespeist werden. II. Stromfluss in aufgeweiteten Schweißlichtbögen Vorrangig ist die Frage zu beantworten: Wo fließt der Strom im Lichtbogen? Auf der Basis der ausgewerteten Bildinformation der HGA-Bilder ist unter Beachtung entsprechender physikalischer Plausibilitätsbetrachtungen eine Vorstellung über den Strompfad zu entwickeln. Hierbei gilt es über umfassende Literaturstudien den Vergleich zu entsprechenden Messergebnissen in der Lichtbogenforschung zu suchen. Der Strompfad im Lichtbogen bestimmt die Regionen, in denen die Energie ins Schmelzbad gelangt. III. Aufteilung der Lichtbogenspannung auf Lichtbogensäule und Randschichten IV. Zum Grundverständnis des Lichtbogens als Dissipative Struktur als offenes System, das sich im Gleichgewichtszustand fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht befindet V. Energiebilanz auf der Kathodenoberfläche aus klassischer Sicht Mit Hilfe plausibler Energiebilanzbetrachtungen ist der Teil der vom Lichtbogen zuströmenden Energie zu bestimmen, der summarisch beiden Elektroden, aber vor allem dem Schmelzbad, zugeführt wird.

19 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 13 VI. Neue Schlussfolgerungen für die Energiebilanz auf der Kathodenoberfläche, die sich aus der Neuinterpretation des bk ergeben I-Terms VII. Einordnung der neuen Energiebilanz- und Energieverteilungsverhältnisse, die sich aus der Neuinterpretation des bk I -Terms VIII. ergeben in die Vorstellungen der klassischen Lichtbogentheorie (KLT) Neue Schlussfolgerungen für die Energiebilanz in der Lichtbogensäule und auf der Kathodenoberfläche, die sich aus der Neuinterpretation des bk I-Terms ergeben IX. Auflösung des Widerspruchs zwischen Kathoden-Kältepol der KPF-CFD- Modellierung und extrem heißer Ionisationsschicht der KLT X. Konsequenzen, die sich aus der neuen Sicht auf die Energieverteilungs- Verhältnisse im Schweißlichtbogen für die Prozessregelung ergeben XI. Lichtbogenansatz an der Kathode (Diffusansatz, Spotansatz) und Stationarität XII. Physikalische Bedeutung von kurzzeitigen Spannungsspitzen in der Schweißlichtbogen-Messstrecke XIII. Einfluss der pulsmodulierten Stromführung auf das Lichtbogenverhalten ANLAGE: Strompfad der Lichtbogensäule unter den Bedingungen eines Tropfenhindernisses Bedeutung der inversen Modellierung für die Beschreibung von Schweißlichtbogensystemen

20 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 14 I. Alternative Grundvorstellungen zum Schweißlichtbogen Im Rahmen des Forschungsclusters Schweißlichtbogen Physik und Werkzeug [1-3] wurden im A4-Berichtsteil bereits wesentliche Aspekte zum Schweißlichtbogenverständnis dargelegt [1]. Wenn im A4-Bericht des IIM stärker die regeltechnischen Aspekte im Mittelpunkt der Betrachtung stehen, so liegt für das IIM der Schwerpunkt der Berichterstattung im vorliegenden A1- Berichtsteil im Versuch der Beantwortung der Frage, über welche Mechanismen und Wege die eingespeiste elektrische Energie über lichtbogenphysikalische Zwischenzustandsformen letztendlich in das Schmelzbad bzw. die Elektrode des Zusatzwerkstoffs übergeht. Da für Schweißlichtbogensysteme auch in deutschsprachiger Form keine einheitliche physikalische, in sich geschlossene, Abhandlung zu den physikalischen Mechanismen und entsprechenden quantitativen Verhältnissen der Energieeinspeisung ins Schmelzbad vorliegt, soll der vorliegende A1-Bericht auch in dieser Hinsicht einen auf einer kritischen Literaturanalyse basierenden Versuch beinhalten, einen Entwurf für ein Gesamtbild der Energietransferprozesse im Schweißlichtbogensystem darzustellen. Hierbei wird, im Sinne der AiF-Norm, sowohl auf detaillierte mathematische Strukturen und Herleitungen als auch differenzierte Beschreibung der numerischen Algorithmen verzichtet. Ziel ist es, sowohl dem Entwickler von Schweißstromquellen, als auch dem qualifizierten Schweiß-Anwendungsingenieur ein nachvollziehbares und insgesamt verständliches Gesamtbild der Energietransferprozesse im Lichtbogen anzubieten. Forschungsmäßig setzt das IIM hierbei konsequent auf den Weg der inversen Modellierung. Das bedeutet, dass ausgehend von der Analyse der Messdaten formale mathematische Modellgleichungen hergeleitet werden (datengenerierende Modellgleichungen), die mit den Messdaten vergleichbare dynamische Zusammenhänge der physikalischen Messgrößen widerspiegeln. Hierbei wird entsprechend dem heuristischen Forschungsprinzip der statistischen Analyse (Occam s Razor oder auch parsimony), davon ausgegangen, dass bei der Bildung von erklärenden Hypothesen und Theorien die einfachste Theorie zu bevorzugen ist. Oder um es im Sinne von Einstein

21 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 15 zu formulieren: bei der Auswahl zwischen verschiedenen mit den Daten verträglichen Erklärungen muss unter allen alternativen Theorien die Erklärung (mathematische Struktur) bevorzugt werden, die so einfach wie möglich und so kompliziert wie nötig ist. Darüber hinaus muss sich die wahre Theorie auch durch Robustheit auszeichnen, insofern einzelne Abweichungen von der Regel trotzdem die Konvergenz zur wahren Theorie nicht verletzen. Die Vorgehensweise in diesem ersten Schritt der Modellbildung lässt sich auch mit der pragmatischen Sicht von George Box verkürzen: All models are wrong but some are useful. In einem zweiten Schritt der inversen Modellierung erfolgt dann über den Vergleich mit bekannten physikalischen Theorieansätzen und entsprechenden experimentellen Arbeiten ein physikalischer Interpretationsversuch der über die inverse Modellierung aufgefundenen Funktionszusammenhänge. Als Glücksumstand muss es in diesem Zusammenhang gewertet werden, wenn in der wissenschaftlichen Literatur alternative physikalische theoretische Erklärungsversuche vorliegen oder auf experimentelle Arbeiten mit unterschiedlichen bzw. widersprüchlichen Aussagen zurückgegriffen werden kann. In diesem Fall kann der inverse Modellierer dann auch unter den vorliegenden alternativen Theorieansätzen nach der Vereinbarkeit mit der Datenlage auswählen. In jedem Fall sind diese Arbeiten mit Plausibilitätserklärungen zu untermauern, um zu verhindern, dass der aufgefundene theoretische Zusammenhang bzw. Erklärungsversuch nicht physikalischen Grundprinzipien widerspricht. Im Mittelpunkt des vorliegenden Berichts steht die ergebnisorientierte Darstellung des zweiten Schritts der inversen Modellierung, da die Methodik der vorbereitenden Untersuchungen bereits relativ umfassend vorgestellt wurde (Explorative Datenanalyse [1-3], A4- Bericht). In Bezug auf die Schweißlichtbogenforschung, als Anwendungsfall bzw. Sonderdisziplin der physikalischen Lichtbogenforschung liegt ein über 100- jähriger Erfahrungsschatz von umfassenden in sich relativ widerspruchsfreien Forschungsergebnissen vor, die man in ihrer Verallgemeinerung mit

22 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 16 Berechtigung als Klassische Lichtbogentheorie (KLT) bezeichnen kann. Innerhalb der KLT lassen sich bestimmte Schwerpunktbereiche hervorheben: 1. Phänomenologische Beschreibung des Lichtbogens, die sich beginnend mit Hertha Marks Ayrton besonders der Erstellung von Lichtbogencharakteristiken U(I) und der Aufstellung grundlegender Stabilitätskriterien widmete (innere Regelung, Lichtbogenabrissbedingung). 2. Plasmaphysikalische Lichtbogentheorie (besonders Metalldampflampenforschung, Irving Langmuir, Max Steenbeck, Johannes Stark, V. L. Granovsky) [4]. 3. Plasmarandschichtphysik (nach wie vor aktuelles Forschungsgebiet, beginnend mit David Bohm). 4. Hochdruck-Lichtbogenlampen (Verständnis für die dominierende Rolle der Elektrodenrandschichten in den Energietransferbeziehungen, viel ausgeprägter als in der aktuellen Schweißlichtbogenforschung). 5. Sowjetische und amerikanische Spitzenforschung im Rahmen der Kernfusionsbemühungen. Da ursprünglich der Lichtbogen auch als ein Weg bzw. Hilfsmittel zur kontrollierten Kernfusion angesehen worden war, wurde der Lichtbogen zeitweise auch zum Untersuchungsgegenstand der Elite der Physikforschung. 6. Systematische Erschließung der Ergebnisse der Lichtbogenphysik für die Belange der Schweißlichtbogentechnologie [5]. 7. Russische Schweißtheorie-Literatur. Aufgrund der hohen technologischen Anforderungen (Rüstungsindustrie, Kernenergietechnik, Flugzeug- und Weltraumtechnik) wurden in der Sowjetunion beachtliche Kapazitäten für die Schweißlichtbogenforschung zentralisiert bereitgestellt und große Forschungsinstitute betrieben (z.b. Paton- Institut). In enger Wechselwirkung mit der auch weltweit führenden sowjetischen Plasmaphysik entstand eine mit vielen Alleinstellungsmerkmalen behaftete Schweißlichtbogenforschungsliteratur, die wohl erst nach dem Zerfall der UdSSR allgemein zugänglich wurde und für die deutsche Forschung wohl in großen

23 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 17 Bereichen noch nicht erschlossen werden konnte (Ausnahmeversuch [5]) [8-14]. 8. Internationale Schweiß-Theorie (z. B.[6-7]) In den letzten Jahren entwickelte sich eine neue Schweißlichtbogenforschungsrichtung, die hier mit der Bezeichnung Kältepolfraktion (KPF) vorgestellt und bewertet werden soll, da die Thesen der KPF einen unmittelbaren Bezug zum Forschungsgegenstand des A1-Projektes haben. Die Bezeichnung Kältepol ist in einem doppelten Sinn zu verstehen, da an den Stellen, an denen im Rahmen der KLT mit experimentellen Untersuchungen und theoretischen Erklärungsmustern in den letzten 100 Jahren die heißesten Lichtbogenbereiche als ausgemacht galten (zentrale Achse des Lichtbogens und Vorschicht vor der Kathode) sollen sich nach Ansicht der KPF nunmehr die relativ kältesten Lichtbogenbereiche befinden. Da die KPF auch im Lichtbogenforschungscluster stark präsent ist, macht es Sinn, hier kurz für die untersuchten MIG-MAG Prozesse die wesentlichen gravierenden alternativen Sichten der KPF gegenüber der klassischen KLT zusammenzustellen: Strom soll nach KPF im Wesentlichen außerhalb des Metalldampfkerns des Lichtbogens fließen. Der Lichtbogenmetalldampfkern ist, nach Sicht der KPF, um viele 1000 Grad kälter als der nicht metalldampfdominierte äußere Teil des Lichtbogens (reiner Schutzgasbereich). Es treten im Metalldampfkernrandbereich Temperatursprünge von bis zu 5000 Grad auf. Dort wo die KLT außerhalb des Metalldampf-Lichtbogenkerns die theoretisch und experimentell vielfältig untersuchte Aureolen-Physik (schwach ionisiertes Plasma) etablierte, hat die KPF nunmehr die energiereichsten Lichtbogenbereiche platziert. Im Rahmen der KLT fließt der Hauptstrom im Metalldampfkern und mit der dort umgesetzten Energie wird über Wärmetransport bzw. über Strahlung der äußere Lichtbogenbereich (Aureolen) energetisch gespeist. Im Rahmen der KPF-Vorstellungen wird hingegen der wesentlichste Teil, der vom Metalldampfkern ausgestrahlten Leistung,

24 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 18 vom äußeren Lichtbogenbereich ins Zentrum des Bogens über Wärmeleitung eingespeist (Strom fließt im Hüllenbereich des Bogens => Joulsche Erwärmung der Lichtbogenaußenbereiche => im Außenbereich entstandene Wärme wird über Wärmeleitung ins Zentrum des Bogens geleitet => im Metalldampfkern wird die zugeleitete Wärme in hochenergetische Strahlung umgewandelt, die obgleich im stark ultravioletten Bereich dann vom Metalldampfkern radial nach außen abgestrahlt wird). Die KLT geht im Metalldampfkern in Bezug auf den molaren Metallanteil von wenigen Prozent aus, die KPF hingegen setzt einen molaren Metallanteil von bis zu 70 % voraus. In experimentellen Untersuchungen mit Eisenelektroden wurde der Anteil Eisen bestimmt, der von der Elektrode als Metalldampf zur Werkstückkathode übergeht. In Abhängigkeit vom Elektrodendurchmesser wurden Werte von 2,7% (4 mm Durchmesser) bis 2% (1,6 mm Durchmesser) gemessen [11, Seite 43]. Im Rahmen der KPF-Forschung wird teilweise von Werten ausgegangen, die eine Größenordnung über den in [11] präsentierten Werten liegen. Die wesentlichen Energieeintragsmechanismen des Schweißlichtbogens ins Schmelzbad und der positiven Elektrode des Schweißdrahtes werden (in der KPF) über die Lichtbogensäule erklärt (CFD-Simulation) und nicht wie in der KLT durch die in dieser Hinsicht dominierenden Randschichten des Lichtbogens an den Elektroden. Die im Rahmen der KPF gemessenen bzw. berechneten Werte für die elektrische Feldstärke liegen eine Größenordnung über den entsprechenden Werten der KLT und den auch unter den Schweißstromquellenherstellern als gesichert geltenden gut untersuchten und tabellierten Standardwerten. Die KLT geht bei Metalldampfbögen von einem relativ niedrigen Ionisationsgrad aus (einige Prozent), die KPF hingegen arbeitet mit Vorstellungen eines weitestgehend vollständig ionisierten Plasmas.

25 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 19 Obgleich das IIM die KLT summarisch für physikalisch gesichert hält und die KPF für in sich physikalisch widersprüchlich und insgesamt als nicht überzeugend ansieht, soll in dieser Abhandlung nicht verkürzend KLT für True und KPF für False verstanden werden. Vielmehr werden beide Ansätze im Sinne der inversen Modellierung als Anregungen wahrgenommen, die beide unvoreingenommen überprüft werden, ob sie nicht als Erklärungsmuster für die experimentell aufgefundenen Zusammenhänge der Messgrößen dienen können, wobei natürlich physikalische Plausibilitätsüberlegungen unbedingt als Nebenbedingung Berücksichtigung finden müssen. Letztendlich kann auch die Herstellung des Bezugs zu einer als vermeintlich falschen Theorie zu den Messdaten einen zusätzlichen Grad an Überzeugung liefern, als der alleinige Bezug zu einer vorab als richtig angenommenen Theorie. Die ständige Gegenüberstellung der KLT-Theorie mit der KPF-Vorstellung liefert auch methodisch einen belebenden Rahmen für die systematische Abhandlung der Energieeinspeisungsmechanismen, wie sie dem aktuellen Erkenntnisstand des IIM entsprechen.

26 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 20 Analyse der für die Bewertung der Energieeintragsmechanismen ins Schmelzbad relevanten Grundzüge der KPF-Vorstellungen Abb. IIMA1-1 Die klassischen international etablierten Vorstellungen der KLT in Bezug auf Temperaturverlauf und Strompfad für Metalldampf-Schweißlichtbögen. Die zentrale helle Säule im Lichtbogen (oben links) wird als metalldampfdominierter Lichtbogenkern interpretiert (zumindest in dieser Frage besteht zwischen KLT und KPF Einmütigkeit). Klassische Lichtbogen-Kanalmodelle Da auch die KPF neuerdings im Rahmen von Kanalmodell -Vorstellungen versucht, ihren Standpunkt physikalisch zu erläutern, macht es an dieser Stelle Sinn, im Rahmen einer kleinen Übersicht zu den Grundzügen der Kanalmodell- Lichtbogen-Säulen-Näherung das Wesen der Energiebilanzen in der Lichtbogensäule zu erläutern. Obgleich bereits im A4-Berichtsteil ausführlicher die verschiedenen Kanalmodelltypen referiert wurden, erweist es sich als notwendig, an dieser Stelle zusammenfassende Aussagen bzw. ergänzende Aspekte zu den KLT-Kanalmodellnäherungen vorzustellen.

27 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen Wi ne C1 p T exp 2kT 3 4 C3 T exp W i 2kT G-Kanal Modell 2 1 d dt E r r dr dr WiAr 15,7eV Effektives Ionisations- Potential Wi(x) M-Kanal Modell X: Argonanteil (1-X): Fe-Anteil WiFe 7,8eV I E r E rkt LB X Abb. IIMA1-2 Basisvorstellungen für die Lichtbogen-Kanalmodellnäherung. Als Ausgangspunkt der Betrachtungen gilt jeweils die Elenbaas Hellersche Differentialgleichung (A4-Bericht [1], Abb. IIM 16). Für metalldampfdominierte Lichtbögen (M-Bögen) (Abb. IIMA1-2, links unten) dominiert als Energieverlustprozess die Strahlung (primär im ultravioletten Spektralbereich). Für Gasbögen (G-Bögen) (Abb. IIMA1-2, links oben), die beim WIG-Schweißen und beim MIG-MAG Impulsschweißen in der Grundstromphase realisiert werden, dominiert als Energieverlustprozess die Wärmeleitung. Das entsprechende Kanalmodell wurde für die G-Bögen durch die deutsche Schule begründet [4, 15] und das M-Bogenkanalmodell durch die russische Schule [9-14] entwickelt (A4-Bericht [1]). Innerhalb eines Jahrhunderts wurden mit verschiedensten Methoden (vielfältige spektroskopische Untersuchungen [4], Ultraschall, Röntgenstrahlung, Sondenmessungen) die Temperaturen der Lichtbögen bestimmt und eine international relativ einheitliche Sicht auf die relevanten Temperaturbereiche entwickelt: für M-Bögen 5000 bis 7000K (was ungefähr kt= ½eV entspricht) und für Argon-dominierte G-Bögen bis

28 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen K (kt 1eV für Abschätzungen) [5-15]. Das bedeutet, dass für typische Ionisationspotentialwerte Wi (Abb. IIMA1-2, Mitte oben) einerseits die Faktoren exp(-wi/kt) sehr klein sind (geringer Ionisationsgrad) und andererseits dadurch bedingt bei nur kleinen Änderungen der Temperatur die Werte dieser exponentiellen Faktoren extrem schnell abnehmen. Die schnelle Abnahme der Elektronendichte bzw. elektrische Leitfähigkeit mit abnehmender Temperatur führt zur Ausprägung der Kanalwand um den stromführenden stärker ionisierten Bereich, die sich besonders scharf im Fall von M-Bögen ausbildet. Bei M-Bögen steigt das effektive Ionisationspotential (Berechnung IIM) eines Gemisches Argon-Metalldampf im Bereich von 0 bis wenigen Prozent Eisenmolaranteil drastisch von 7,8eV auf 15,7eV an (Abb. IIMA1-2, rechts unten), wodurch sich der Kanaleffekt deutlich verstärkt (Abb. IIMA1-2, links unten). Kanalmodell-Denkansatz des INP-Greifswald (KM-INP) 2 j E E 4 N WQ Abb. IIMA1-3 Grundannahmen des Greifswalder INP-Kanalmodells (KM-INP). In der Energiebilanzbetrachtung (unten links) wird im Rahmen des KM-INP immer die Wärmeverlustleistung gegenüber der Strahlungsverlustleistung vernachlässigt, was speziell im Argon-Randbereich des Lichtbogenmodells zu gravierenden Fehleinschätzungen führen muss.

29 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 23 Das INP-Kanalmodell (KM-INP) stellt im gewissen Sinne einen Versuch dar, die Kombination der beiden klassischen Kanalmodelle zu untersuchen (Abb. IIMA1-3), wobei jedoch erhebliche physikalische Eigenständigkeiten in die Argumentation eingebracht werden. - Es wird im KM-INP davon ausgegangen, dass in beiden Teilkanälen die elektrische Feldstärke den gleichen Wert hat. Diese Bedingung folgt aus rot( E) 0 und ist physikalisch korrekt. - Für die Abschätzung wird die in beide Teilkanäle eingespeiste Leistung pro Volumen korrekt mit I U j E E 2 A L (1) angesetzt. - Für den zentralen metalldampfdominierten Teilzylinder (Abb. IIMA1-3, links oben) wird im KM-INP als Energieverlustprozess nur die Abstrahlung angesetzt, was auch dem Kanalmodellansatz der russischen Schule für M-Bögen entspricht. Der Strahlungsverlust wird über den Effectiv Emission Coefficient of Lowke bestimmt, wobei bei der Herleitung dieses Koeffizienten wesentliche Teilaspekte darauf beruhen, dass optisch dünne Spektrallinien vorausgesetzt werden (partiell absorbierend) ([16], ). Die KLT geht jedoch davon aus, dass gestützt auf vielen Experimenten der zentrale metalldampfdominierte Zylinder strahlungsmäßig als optisch dick anzusehen ist und damit der stromführende Lichtbogenkern als Oberflächenstrahler die über den Strom eingespeiste Leistung abstrahlt [9-14]. Diese Sicht hält das IIM auch durch die Greifswalder INP- Spektrum-Berechnungen bestätigt (Abb. IIMA1-4): die Metalllinien (linker Spektralbereich) liegen in der Umgebung der Kirchoff-Planck-Linie (rot), was die Eisenlinien (im Gegensatz für die Argon-Linien) zumindest als Kandidaten für einen Oberflächenstrahlungsprozess ausweist.

30 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 24 Abb. IIMA1-4 Energieverteilung des Schweißlichtbogenspektrums Greifswalder INP- Kanalmodells KM-INP (INP-D. Uhrlandt, November 2011). - Im Rahmen der KPF-Modellvorstellung, in der der zentrale stromführende Metalldampfkern nicht als optisch dicker Oberflächenstrahler verstanden wird, tritt das Energieflussparadoxon auf (Abb. IIMA1-5): von der vom metalldampfdominierten Lichtbogenkern abgestrahlten Leistung können nur zu 3,75% als vom elektrischen Strom eingespeist erklärt werden (Energieflussparadoxon). Für den Rest (96,25%) der für die Abstrahlung benötigten Einspeisungsleistung wird nach Erklärungsmustern gesucht, die jedoch eine gravierende Verletzung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik (Entropie-Prinzip) beinhalten. Im Rahmen der Vorstellungen von einem optisch dicken Oberflächenstrahler hingegen wandern die im Zylinderinneren erzeugten Photonen, die sofort wieder absorbiert werden, über einen faktischen Diffusionsprozess an die Zylinderoberfläche, wo sie dann abgestrahlt werden. Volumen- und Oberflächenprozesse stimmen sich im Rahmen von Selbstorganisationsverhältnissen so gegenseitig ab, dass genau die in das Volumen eingespeiste elektrische Leistung auch von der Oberfläche abgestrahlt werden kann.

31 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 25 Abb. IIMA1-5 Energieflussparadoxon, das entsteht, wenn die Strahlung des Metalldampfkerns nicht als optisch dick angesehen wird [17]: Die in den Metalldampfkern eingespeiste elektrische Leistung deckt nur zu 3,75 % die vom Metalldampfkern abgestrahlte Leistung ab. Darum wird von der KPF versucht, dieses Paradoxon dadurch zu erklären, dass die im äußeren Argon- Zylinderbereich durch den Strom erzeugte Wärme nach innen strömt und im Metalldampfkern in hochenergetische Strahlung umgewandelt wird (Abb. IIMA1-4). Dieser Umformungsprozess von Wärme mit relativ niedriger Temperatur (Abb. IIMA1-4-rechter Argon-Bereich) in hochenergetische Strahlung, die einer sehr hohen Temperatur entspricht (Abb. IIMA1-4-linker Eisenbereich), stellt eine Verletzung des Entropie-Satzes (2. Hauptsatz der Thermodynamik) dar (Folie des IIM, DVS-Conference in Hamburg on September 27-29, 2011). - Sehr kritisch muss die Handhabung des Energieerhaltungssatzes im äußeren Argon-Zylinder (Abb. IIMA1-3) im Rahmen des KM-INP bewertet werden. Im Ansatz für die Abschätzung der Energieverhältnisse 2 j E E 4 N W Q (2) ist es physikalisch gerechtfertigt, im Metalldampfkern die Wärmeverlustleistung pro Volumen W Q zu vernachlässigen. Für den äußeren Argon-Zylinder bedeutet die Vernachlässigung des WQ -Terms hingegen eine drastische Verletzung des Energieerhaltungssatzes im Rahmen des KM-INP. In der einschlägigen KLT-Literatur findet man viele Abschätzungen und Versuchsbeschreibungen für die Bestimmung des Verhältnisses der Energieverluste: im Argonplasma beträgt der Anteil der

32 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 26 Energieverluste durch Strahlung weniger als ein Promille im Verhältnis zu den Gesamtenergieverlusten, die vorrangig über Wärmeleitung realisiert werden. Für ganz heiße WIG-Bögen (durch kühlende Einschnürungen können über den Steenbeck-Effekt sehr hohe Temperaturen erreicht werden) mit Temperaturen im Bereich von 15000K finden sich in der Literatur Höchstwerte zu den Abschätzungen über den Strahlungsverlustanteil von ~10%. Somit wird das Temperaturminimum im zentralen Metalldampfkern des Schweißlichtbogens in der Sache damit erklärt, dass unter Vernachlässigung des überwältigenden Anteils der Wärmetransportverluste im Argon-Mantel, die verschwindend geringen Strahlungsverluste im Argonplasma als dominierend erklärt werden. Im Rahmen eines physikalisch gesicherten Vorgehens (dominierende Rolle der Wärmeverluste im Argonmantel) würden sich dann auch mit der groben Modellvorstellung des KM-INP für den zentralen Metalldampfbereich andere Temperaturverhältnisse ergeben. - Die KM-INP Interpretation, die auch für das Dresdner IOF als Begründung für die prinzipielle Richtigkeit der KPF-Vorstellungen angesehen wird, zeigt andererseits auch die innere Zerrissenheit und fehlende Selbstkonsistenz innerhalb der Forschungsstellen des KPF- Lagers. So wird in [17] (Abb. IIMA1-5, rechts) begründet, dass 96,25% der für die Metalldampfkern-Strahlung benötigten Energie über Wärmetransport aus dem Argonmantel in den inneren Metalldampfzylinder fließen müssen (in [20] schließt sich das INP dieser Argumentationslinie an). Zur Begründung des zentralen Temperaturminimums wird vom INP hingegen die Wärme-Entstehung und -Ableitung im Argonmantel (die ja gemäß [17] den dominierenden Prozess im Außenzylinder darstellt) im Rahmen der KM-INP Begründung wiederum völlig vernachlässigt! - Es gibt auch eine Reihe von weiteren Argumenten, die gegen die KM- INP Vorstellungen und die in diesem Zusammenhang vorgestellten Messergebnisse sprechen. Die Vertreter der KPF berufen sich oft auf die Arbeit von Ton [18] (Abb. IIMA1-6), die in der Regel in der

33 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 27 Schweißlichtbogenforschung als erste Entdeckung des Kältepols gewürdigt wird (so auch Lowke [17] und M. Tanaka [19]). Andererseits ist dem Titel dieser Arbeit zu entnehmen, dass in [18] ein völlig anderer Prozess untersucht wird (Abb. IIMA1-6, oben): plasma-mig welding arc. Ton untersuchte einen gemischten Prozess. Im Innenbereich wird ein MIG-Bogen und im äußeren Bereich ein WIG-Bogen betrieben. Da diese beiden Lichtbogentypen auch jeweils aus unterschiedlichen Stromquellen gespeist werden, stellt die Ton-Arbeit schlicht und einfach eine Bestätigung der KLT dar: M-Bögen (Innenbereich Ton) brennen mit einer Temperatur von rund ½eV und G-Bögen (WIG) mit einer Temperatur von 1eV. Im Gegenschluss muss es als sehr verwunderlich angesehen werden, dass zwei unterschiedliche Prozesse, wie sie nun mal der Plasma-WIG- (Abb. IIMA1-6, oben rechts und unten links) und der gewöhnliche MIG-Prozess (Abb. IIMA1-6, unten rechts) darstellen, nach KPF mit praktisch gleichen radialen Temperaturprofilen verbunden sein sollen. - Die KPF-Vorstellung hat auch auf einen Widerspruch keine Antwort: Wenn im äußeren Argon-Zylindermantel eine wesentlich höhere Temperatur (und damit höhere elektrische Leitfähigkeit) herrschen soll, so dass der Hauptstrom im Argon-Mantel fließt wieso dann nicht der Außenbereich der Elektrode (dort wo der Strom aus dem Argon-Mantel auftrifft) stärker aufgeheizt wird, als der Innenbereich der Elektrode, der ja doch offensichtlich der viel heißere ist (sonst würde der Metalldampfstrom ja nicht im Innenbereich entstehen)? Der Energieeintrag in die Kathode (Werkstück) wird durch den Randschichtspannungsabfall bestimmt (Spannung=Energie/Ladung) und die Menge an Ladung/Zeit durch die Stromstärke. Da die Randschichtspannung als relativ konstant anzusehen ist, bestimmt die Stromstärke den Energieeintrag in die Kathodenoberfläche pro Zeit. In dem Elektrodengebiet, in dem ein höherer Strom fließt müsste sich die Elektrodenoberfläche am stärksten aufheizen und entsprechend mehr Metalldampf emittieren.

34 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 28 Abb. IIMA1-6 Die wesentlichsten Ergebnisse der Klassischen Kältepolarbeit von Ton [18] (oben und unten links). Rechts unten (bunt): die publizierten Ergebnisse von zwei Temperaturverteilungsmessungen des INP-Greifswald. - Auch einfachen, nachvollziehbaren, Größenordnungsabschätzungen kann die KPF-Vorstellung nicht standhalten. Wenn auf einem Zehntel mm die Temperatur um 5000 Grad fällt (Abb. IIMA1-6), so liefert eine Abschätzung den folgenden Wert für die Wärmestromdichte in diesem Bereich: dt W 5000K 7 W q ( T) Bei ungefähr 3 2 dr mk 0,1 10 m m L=3mm Lichtbogenlänge ergibt sich die folgende Fläche des Wärmestroms hin zum Zentrum des Bogens (im Bereich des starken Temperatursprungs): 3 3 A 2 r L 2 10 m 3 10 m. Die Gesamtleistung des Wärmestroms im Temperatursprungbereich beträgt folglich: 7 W P q A m 10 W 2 m. Berücksichtigt man nunmehr die Versuchsbedingungen, so erhält man eine in die Lichtbogensäule eingespeiste Leistung von: 3 Pin 400A 3V 1,2 10 W.

35 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 29 Das bedeutet, fast der ganze eingespeiste Strom müsste in dem Temperatursprungbereich mit einer Dicke von ~0,1mm fließen, um den durch den starken Temperaturgradienten bedingten Wärmestrom in den Metalldampfkern hinein aufrecht zu erhalten. Dann bliebe aber kein Strom übrig um den vermeintlich so heißen Argon-Außenmantel aufzuheizen? Die im äußeren Argon-Bereich durch den Strom entstehende Joulsche Wärme muss (gemäß Messung Abb. IIMA1-6, rechts unten) nach außen hin abfließen, da das Temperaturprofil nach außen hin abfällt (Wärmeleitungsgleichung) und kann somit nicht den zentralen Metalldampfbereich durch Energieeinspeisung versorgen. - Im Rahmen der KPF-Vorstellungen werden die Elektroden- Randschichten faktisch nicht in die CFD-Simulation einbezogen. Um dann im Lichtbogen-Gesamtsystem einen mit der Praxis vergleichbaren Strom-Energieeintrag zu erhalten, greifen die Vertreter der KPF gern zum Kunstgriff der Annahme, wesentlich höherer Feldstärken für die Lichtbogensäule, die dann auch durch experimentelle Messungen scheinbar bestätigt werden [20]. Eine kritische Analyse dieser Arbeit zeigt jedoch, dass man mit richtiger Anwendung des Ohmschen Gesetzes aus den Messungen dieser Arbeit für die Feldstärke gar nicht den um eine Größenordnung überhöhten Wert von E=12 V/mm erhält, sondern die gut bekannten üblichen Werte. Fazit zu alternativen Grundvorstellungen zum Schweißlichtbogen Es gibt aus Sicht des IIM keinen Grund, von den klassischen Ergebnissen der Lichtbogenphysik (KLT) abzurücken. In Bezug auf Schwierigkeiten und Quellen für Fehlinterpretationen spektroskopischer Temperaturmessungen muss auf die richtungsweisende Arbeit [4] verwiesen werden. Das IIM hält die Lichtbogenphysik für eine sehr anspruchsvolle Teildisziplin der Theoretischen Physik, in dem noch immer sehr widersprüchliche theoretische Denkansätze die Grundlage aktueller physikalischer Veröffentlichungen bilden. Speziell im Bereich der Elektrodenrandschichtphysik der von zentraler Bedeutung für das Gesamtverständnis der Lichtbogendynamik ist dürfte das letzte physikalische Wort noch längst nicht gesprochen sein. Die Schweißlichtbogentechnologie

36 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 30 hingegen verlangt nach schnellen Lösungen und einfachen regeltechnisch verwertbaren Formeln, die die wesentlichsten Wechselwirkungen der wichtigsten Zustandsgrößen widerspiegeln. Zumindest wird von der Industrie die Benennung der entscheidenden Einflussparameter erwartet. Motiviert durch die Forderung der Industrie nach schnellen Lösungen hat sich im Rahmen der Schweißlichtbogenforschung eine Richtung etabliert, die nach Wahrnehmung durch das IIM tiefergehende Vorkenntnisse in der theoretischen Physik für unmaßgeblich hält. Vielmehr wird von den entsprechenden Forschungsstellen dieser Richtung auch nach erklärtem Selbstverständnis auf die ingenieurpraxisbasierte Anwendung kommerzieller Modellierungstools gesetzt und über diesen Weg eine vollphysikalische Modellierung von Schweißlichtbogensystemen angestrebt, wobei man sich primär von der gesunden ingenieurwissenschaftlichen Erfahrung leiten lässt. Das IIM musste sich in einem ernsthaften Spannungsfeld bewegen: - Die Industrievertreter haben nicht die Ressourcen, um sich an detaillierten Diskussionen physikalischer Feinheiten zu beteiligen, sie suchen pragmatisch nach den entscheidenden Stellschrauben des Schweißlichtbogensystems und entwickeln in diesem Zusammenhang auch eine gewisse Ungeduld. - Als Konkurrenz zu den physikalisch basierten Vorgehensweisen hat sich einem offensichtlichen Zeitgeist folgend die ingenieurtechnische Anwendung von kommerziellen CFD-Modellierungstools etabliert, die die Konferenzen beherrscht, obgleich aus der Sicht des IIM die CFD- Modellierungstools ungeeignet sind, die wesentlichsten Teilaspekte der Schweißlichtbogenphysik (Elektrodenrandschichtphysik) adäquat abzubilden. - Die ehemals führenden physikalischen Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Plasmaphysik sind auch international nicht mehr so präsent, wie in den Hochphasen des kalten Krieges und der forcierten Bemühungen um die Lösung des Kernfusionsproblems, in denen sich physikalische Grundlagenforschung international einer herausragenden breiten staatlichen Unterstützung erfreuen konnte.

37 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 31 - Aus Sicht des IIM wurde durch die Thesen der KPF in Kreisen der deutschen Entwicklungsingenieure, die im Bereich der Schweißlichtbogentechnologie arbeiten, das Maß an Verwirrung hingegen deutlich erhöht, da nun praktisch niemand mehr sicher sagen kann, wo denn nun im Schweißlichtbogen wirklich der Strom fließt (Und dieser Umstand ist mit vielen technologischen Konsequenzen verbunden!). Auch werden die Ergebnisse der KLT von niemandem mehr verteidigt. Die großzügige Förderung der KLT lief Ende der 80-er Jahre des 20. Jahrhunderts aus, auch aus dem Grund, dass man die KLT als relativ abgeschlossenes und in sich konsistentes Wissensgebiet betrachtete. Die Schweißlichtbogenforschung des 21. Jahrhunderts entwickelt sich hingegen in großen Bereichen sogar ohne Kenntnis der Existenz der KLT. - Für die wünschenswert tiefgreifenden physikalischen Analysen der Lichtbogensysteme fehlt es sowohl an zeitlichen als auch an materiellen Ressourcen eine Wiederaufnahme der Forschungsarbeiten in der Intensität und Breite des letzten Jahrhunderts wird auch international als unrealistisches Unterfangen betrachtet. Darum hat das IIM auch als Hauptweg für die Vertiefung des Schweißlichtbogen-Verständnisses die Erschließung der umfangreichen Fachliteratur zur Lichtbogenphysik gewählt. - Im Rahmen des zielorientierten Vorgehens zur Entwicklung von praxisrelevanten Modellvorstellungen konnte vom IIM nicht jede physikalische Feinheit in der möglicherweise auch notwendigen Tiefe verfolgt werden. Zumindest fanden jedoch die Grundtechniken der physikalischen Forschung im Rahmen der inversen Modellierung die notwendige Beachtung: Einhaltung physikalischer Grundgesetzte, wie Energieerhaltungssatz, Entropiesatz, Grundprinzipien der Strukturbildungsprozesse (Steenbeck-Prinzip), Ohmsches Gesetz, Bohmsches Kriterium. Systematische Plausibilitätsüberprüfungen vorliegender Messergebnisse und Theorieansätze.

38 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 32 Stabilitätsbetrachtungen. Da im A1-Projekt das Verständnis der Lichtbogen-Energietransformationsprozesse primäre Bedeutung hat, sah sich das IIM im Rahmen dieses vorliegenden Arbeitsberichtes geradezu genötigt, auf die alternativen Grundvorstellungen zum Schweißlichtbogen dezidiert hinzuweisen und einen Vorschlag zur Diskussion zu stellen, wie diese widersprüchlichen Grundvorstellungen gewertet werden könnten. Das IIM erhebt damit keinen Anspruch auf Unfehlbarkeit bzw. die Verkündigung der letzten Wahrheiten. Vielmehr ist es primäres Anliegen dieses Kapitels, die Entwicklungsingenieure anzuregen, angesichts der aktuellen Dominanz der KPF in Deutschland, auch die klassischen Arbeiten der KLT wieder stärker zu Rate zu ziehen. Da es bisher keine Darstellungen mit einer dezidierten Gegenüberstellung von KLT und KPF gibt, möchte das IIM mit diesem fragmentarischen Versuch die Fachwelt auf das Problem aufmerksam machen und einen möglichen roten Faden vorgeben, an dem sich der Entwicklungsingenieur durch das Themenfeld hindurch tasten kann, um sich dann natürlich seine eigene Meinung bilden zu können. Im Kern soll der Leser aufgefordert werden, bei der Bewertung neuer und insbesondere alternativer Theorieansätze wieder stärker auf die klassischen bewährten Kontrollinstrumente, wie die Einhaltung physikalischer Grundgesetze und Plausibilitätsüberprüfungen zu setzen. Auch möchten wir an die bewährte Hegelsche Erkenntnis der Dialektik verweisen, die von Johann Wolfgang von Goethe so treffend umschrieben wurde: Der Widerspruch ist es, der uns produktiv macht. II. Stromfluss in aufgeweiteten Schweißlichtbögen Die geometrische Form des Auftreffbereichs des Lichtbogens auf dem Werkstück (Energieeinspeisungsbereich) etwa punktförmig konzentriert oder kreisförmig aufgeweitet hat Einfluss auf die Struktur der Schmelzbadströmung und somit auch auf das Erstarrungsverhalten der Schmelze.

39 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 33 Wärmeverlust Kanalmodell r dt 1 2 T T E r dr ( ) ( ) dr r 0 1 d dt 2 div 27 ( T) grad ( T) ( T) r ( T) E 0 r dr dr Abb. IIMA1-7 Klassische Erklärung des Aureolenverhaltens mit besonderer Beachtung der Lichtbogenaufweitung (Ar25CO2-Schutzgas). Die KPF-Vorstellungen werden bisher weitestgehend für den Fall eines relativ dünnen Metalldampfkerns (Abb. IIMA1-7, unten Mitte) propagiert. Im Fall von Molekülgasbeimischungen (Ar25CO2) beobachten wir einen starken Hystereseeffekt im U(I)-Phasenraum, der sich auch in der Lichtbogenform widerspiegelt (Abb. IIMA1-8). So entsprechen die beiden HGA-Bilder in der Mitte von Abb. IIMA1-7 dem gleichen Stromwert: unten Mitte - aufsteigender Stromimpuls, oben Mitte - absteigender Stromimpuls (kurz vor Tropfenabwurf). Im Folgenden wollen wir versuchen, den Lichtbogenaufweitungseffekt zu erklären und zwar sowohl im Rahmen der KPF-Ansichten, als auch aus der Sicht der KLT. Auch im Rahmen dieses Interpretationsversuchs wollen wir dann einen Hinweis darauf gewinnen, ob die KPF oder die KLT plausibler erscheint. Unstrittig dürfte im Rahmen beider Modellvorstellungen sein, dass es sich bei den hell-weiß strahlenden Lichtbogenbereichen um die Metalldampfstrukturen handelt.

40 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 34 Abb. IIMA1-8 Zwei Teilbilder eines am IIM erstellten Auswertungsfilms. Jeweils links oben das aktuelle HGA-Bild des Lichtbogens, links unten die Position (roter Punkt) des aktuellen Zustands im U(I)-Phasenraum. Im mittleren Bildbereich die Phasenraumdarstellung U(L), wobei der Lichtbogenabstand L im Rahmen einer automatisierten Bildauswertung (rote Linien im HGA-Bild) ermittelt wurde (roter Punkt - Position des aktuellen Zustands). Rechts jeweils die Zeitreihen der Signale (von oben nach unten: summarische Lichtbogenintensität - rot, Spannung U, Strom I). Das obere Filmbild entspricht dem aufsteigenden Ast des Stromimpulses (SBB) und das untere Filmbild dem absteigenden Ast (ABB) der Stromführung (kurz vor dem Tropfenabwurf). Beide Teilbilder entsprechen ungefähr der gleichen Stromstärke I, zeichnen sich jedoch, wie der U(I)-Darstellung zu entnehmen ist, durch unterschiedliche Spannungen aus Hystereseeffekt (Ar25CO2-Schutzgas). Wir kommen der KPF entgegen, und gehen zunächst hypothetisch davon aus, dass der Metalldampfbereich in den HGA-Bildern von Abb. IIMA1-7, 8 als massiv anzusehen ist (metalldampfdominiertes Lichtbogenplasma). Die aufgeweiteten Lichtbogenbilder (absteigender Ast des Stromimpulses) wollen wir verkürzt als ABB (aufgeweitetes Bogenbild) und für den aufsteigenden Stromimpulsbereich mit SBB (säulenstrukturiertes Bogenbild) bezeichnen. Der ABB-Zustand lässt sich mit der KPF-Vorstellung nicht erklären: - Denn wenn der Metalldampfbereich im Querschnitt immer größer wird und dieser Bereich als räumlicher Strahler agieren sollte, dann müsste

41 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 35 die abgegebene Strahlungsleistung fast quadratisch mit dem Radius des Metalldampfbereichs zunehmen. Da im ABB und SBB der gleiche Strom fließt, kann die für die wesentlich größere ABB-Abstrahlung notwendige elektrische Energieeinspeisung nicht erbracht werden. - Andererseits geht die KPF davon aus, dass nur 3,75% der vom Metalldampfbereich abgestrahlten Leistung aus der elektrischen Energieeinspeisung des Metalldampfbereichs stammen können. Die verbleibenden 96,25% müssten dann aus dem Argonmantel als Wärmeenergie dem Metalldampfkern zugeleitet werden (Abb. IIMA1-5). Nun kann man aber leicht aus den Abb. IIMA1-7, 8 entnehmen, dass der leuchtende Argonmantel in den ABB tendenziell kleiner ist, als für die SBB, obgleich er bei 10 mal größerem Metalldampfbereichradius das 100-fache an Energie dem Metalldampfbereich hätte zuführen müssen (gegenüber dem SBB-Zustand). Im Rahmen der KLT hingegen lassen sich sowohl der SBB als auch der ABB- Zustand sehr gut erklären: - Der Strom fließt hauptsächlich in den Metalldampfstrukturen und der helle Randbereich in SBB und ABB repräsentiert die Kanalgrenze der stromführenden Metalldampfstruktur. - Außerhalb der stromführenden (weißen) metalldampfdominierten Struktur fließt wenig Strom und die Temperaturen des Außenplasmas nehmen mit wachsendem Abstand ab. Energetisch wird der Außenbereich des Lichtbogens vom stromführenden Metalldampfbereich über Strahlung und Wärmeleitung erhitzt und partiell ionisiert. In diesem Bereich haben wir es mit der von der deutschen klassischen Lichtbogenschule sehr gründlich und umfassend, sowohl theoretisch als auch experimentell, untersuchten Aureolenphysik zu tun ([4] und viele weitere Arbeiten bis in die 70-er Jahre des letzten Jahrhunderts). Da diese physikalischen Aureolen-Effekte nach Wahrnehmung durch das IIM innerhalb der aktuellen deutschen Schweißlichtbogenforschung praktisch unbekannt sind, sei es dem IIM gestattet die entsprechenden physikalischen Effekte kurz skizziert zu erläutern (Abb. IIMA1-7).

42 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 36 Außerhalb des Metalldampfbereichs haben wir es mit einem G- Bogenzustand zu tun, dass bedeutet, dass der Hauptenergieverlustprozess in der Wärmeleitung besteht. Die entsprechende Energiebilanzgleichung soll in vereinfachender Näherung (herausarbeiten der prinzipiellen Effekte) für einen zylindersymmetrischen Fall untersucht werden: 1 d dt 2 div ( T) grad ( T) ( T) r ( T) E 0 r dr dr. (3) Bei Integration der Gleichung (3) erhalten wir eine sehr anschauliche Beziehung: r dt 1 2 T T E r dr ( ) ( ) dr r (4) 0 Das Integral liefert nur im stromführenden Bereich bis r=rw (RW-Radius des stromführenden Kanals) Werte ungleich Null. Außerhalb des stromführenden Bereichs (r > RW) bekommt die rechte Seite von (4) die Form const und für den Temperaturverlauf erhalten wir aus (4) eine r physikalisch sehr aussagestarke Beziehung: dt 1 const, (5) dr ( T) r die zwei Schlussfolgerungen erlauben: 1. Mit wachsender Entfernung nimmt der Betrag des Anstiegs der Temperatur (Temperaturabfall) tendenziell ab (1/r -Effekt). 2. In den Bereichen, in denen die Wärmeleitfähigkeit ( T) Minimalwerte annimmt, realisiert sich jeweils der größte Temperaturgradient (Schulterstruktur der Temperaturverteilung, Abb. IIMA1-7, links oben). Da der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient ( T) eine Wellenstruktur besitzt (Abb. IIMA1-7, rechts oben), entspricht z.b. das Minimum zwischen Dissoziationsmaximum und Ionisationsmaximum einem Gebiet mit starkem Temperaturgradienten, dass sich auf den HGA- Bildern als scharfer Farbwechsel abbildet. Andererseits ergibt sich gemäß (5) in den Lichtbogenbereichen mit hohen Werten für die Wärmeleitfähigkeit ( T) (z.b. Dissoziations-Maxima, Abb. IIMA1-8, 9)

43 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 37 ein nur flacher Anstieg der Temperatur und damit entstehen in den entsprechenden räumlichen Gebieten auf den HGA-Bildern breite Bänder mit schwacher Änderung des Farbwertes. Bei Kenntnis der Schutzgaszusammensetzung kann die Funktionsstruktur von ( T) als bekannt vorausgesetzt werden und die auffälligen Farbgrenzen in den HGA-Bildern (Abb. IIMA1-7, 8) können als Isothermen mit bekannten Temperaturwerten interpretiert werden, wobei das Verständnis der Dissoziationsgebiete von zentraler Bedeutung ist (Abb. IIMA1-9). Given the fact that the temperature in the axis of the arc column generally exceeds 4000 K, it may be concluded from Figure 1.12 that in the case of the gases mentioned, dissociation plays an important role. At 6000 K, for instance, O2 will be almost completely dissociated, while at this temperature approximately 10% of N2 will be dissociated. [22] Dissoziation The degree of dissociation as a function of temperature for some molecular gases.[22] S.25 [10] S. 133 Abb. IIMA1-9 Relevante Temperaturbereiche für die Dissoziation von Schutzgaskomponenten für Gasmischungen mit CO2-Anteilen (Dissoziationsgrad). Diese physikalischen Zusammenhänge liefern dem Praktiker ein sehr einfaches und in der räumlichen Auflösung sehr genaues Instrument für die Bestimmung des Temperaturverlaufs in G-Bögen. Auf diese Weise kann man aus den HGA-Bildern unmittelbar Energieverteilungsverhältnisse des Lichtbogens ablesen (Abb. IIMA1-7, links unten). Anderseits stellt die

44 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 38 Identifikation der Isothermen-Temperatur der Aureolen-Bereiche (außerhalb der Metalldampfstrukturen) als Temperatur, die niedriger als die Temperatur des Metalldampfbereiches liegt, ein gewichtiges Argument gegen die KPF- Vorstellungen dar. - In Bezug auf die innere Struktur der Metalldampfglocke der ABB- Zustände kann man im Rahmen der KLT nicht voraussetzen, dass der metalldampfdominierte Bereich innen massiv ist. Denn eine Aufweitung des M-Bogenbereichs um eine Größenordnung (ABB in Bezug auf SBB) würde bei gleichem Strom I gemäß I 2 r ( r) dr eine erhebliche Verkleinerung der elektrischen Leitfähigkeit ( T( r)) ( r) bedeuten, die ja ihrerseits eine Funktion des Ionisationsgrades (und damit der Temperatur ist: Abb. IIMA1-2, oben Mitte). In unserem Fall würde der M- Bogen bei diesem Temperaturabfall in den G-Bogenzustand zurückfallen müssen bzw. noch geringere Temperaturen annehmen. - Im Rahmen des M-Bogen-Kanalmodells besteht andererseits ein aus der Variationsrechnung herrührender enger Zusammenhang zwischen Temperatur und effektivem Ionisationspotential des Gasgemisches (Abb. IIMA1-2, A4-Bericht [1]), so dass die elektrische Leitfähigkeit in erster Näherung nur zu einer Funktion des effektiven Ionisationspotenzials (und der Wirkungsquerschnitte) wird und damit sowohl im SBB als auch im ABB-Zustand annähernd gleich ist. - Damit bleibt im Rahmen der KLT nur eine Erklärung für den Strompfad im ABB-Zustand: Der Strom fließt in einer relativ dünnen Schicht auf der in den HGA-Bildern von Abb. IIMA1-7, 8 sichtbaren Glocke der hellen Metalldampfstruktur. - Da im Rahmen der KLT russische M-Bogen Kanalmodelltheorie der metalldampfdominierte stromführende Lichtbogenbereich als optisch dicker Strahler wirkt, sind über spektroskopische Untersuchungen auch keine Erkenntnisse zur inneren Struktur des Metalldampfbereichs möglich. Den Temperatureinfall im M-Lichtbogenkern, den das INP- Greifswald über spektroskopische Messungen vorgibt bestimmt zu haben (Abb. IIMA1-6, unten rechts), interpretiert das IIM folgendermaßen

45 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 39 (Abb. IIMA1-10): gemessen wird faktisch die Intensität der Strahlung auf der Oberfläche des M-Bogenkerns. Da dann im Rahmen des Entabelns diese Intensität dem ganzen Zylinderbereich als vermeintlichen Strahlungsquellenbereich zugeordnet wird, in dem die Strahlung als Raumstrahlung interpretiert wird, verringert sich mathematisch die Energiedichte und der Metalldampfkern erscheint als große Delle im Temperaturprofil. - Zur Bestimmung der Struktur des Strompfades kann man auf Sondenmessungen zurückgreifen. Auf der Suche nach der ältesten Messung der Stromdichte für ABB-Zustände stießen wir auf eine interessanterweise bereits bei Schellhase [5] zitierte Arbeit [21]. senkrechte Auf-Addition (Projektion) der Intensität von strahlenden Zylindern optisch dünn Y: senkrechte Auf-Addition (Projektion) der Intensität von strahlenden Zylindern optisch dick X: Abstand von Zylindermitte Die schwarzen Linien stellen die gemessenen Intensitätskurven dar. Auch der Farbwert symbolisiert die auf eine Ebene projizierte Intensität. Messung: Abb. IIMA1-10 Interpretationsversuch einer Intensitätsmessung eines Oberflächenstrahlers, der als Raumstrahler verstanden wird. Die Strahlung eines (ideal optisch dünnen) Zylinders liefert auf der Projektionsfläche im Zentrum die höchsten Werte (links). Die Projektion eines idealen Oberflächenstrahlers (rechts) hingegen zeigt in den Zylinderrandbereichen die maximalen Werte (Randpfeil erfasst eine größere Strahlungsquelle, als der Pfeil in der Mitte des Zylinders). Wird dann die Messung eines Oberflächenstrahlers (unten Mitte) so interpretiert, als ob die Strahlung aus einem räumlichen Zylinderbereich entstanden wäre, dann wird bei der Entfaltung ( Entabeln ) das zentrale Minimum noch vertieft und die Steilheit der Flanken verstärkt.

46 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 40 Abb. IIMA1-11 Gemessene Leitfähigkeitsverteilungen (Sondenmessungen [21]) in Schweißlichtbögen (links WIG, rechts MIG) Wie aus den Sondenmessungen ersichtlich (Abb. IIMA1-11), spiegeln die Messergebnisse sehr gut die in dieser Arbeit ausgeführten Vorstellungen zu den Unterschieden zwischen G- und M-Bögen wider: Im Gegensatz zu den G- Bögen fließt der Strom im M-Bogen weitestgehend nur im metalldampfdominierten Bereich des Lichtbogens. - Eine Analyse der Arbeit [21] zeigt auch, wieso die Stromdichteverteilung (bzw. Leitfähigkeitsverteilung) im Experiment breiter verschmiert erscheint (Abb. IIMA1-11, rechts), als wir es im Rahmen der oben ausgeführten Vorstellungen der Kanalmodelle mit relativ engen Stromkanalgrenzen erwarten dürften. Die Autoren in [21] arbeiteten mit einer Sonde, die länger als die Breite des stromführenden Kanals war. Damit ist dann auch bei der Messung genau der in Abb. IIMA1-11 dargestellte Stromverlauf zu erwarten. In diesem Fall hätten die Messungen entfaltet werden müssen, worauf sich dann der verschmierte Kurvenverlauf auf eine engere Kanalstruktur zusammenziehen würde. - Andererseits zeigen bereits die nicht entfalteten Messungen in Abb. IIMA1-11, rechts, dass für eine M-Bogen-Glockenstruktur mit wachsender Entfernung von der Elektrodenspitze mit dem Radius auch die Breite des stromführenden Kanals zunehmen muss. Dieses Ergebnis

47 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 41 folgt auch aus entsprechenden Variationsrechnungen für M-Bögen, die am IIM für glockenförmige stromführende Metalldampfkanäle durchgeführt wurden. - Nicht uninteressant ist die Frage, was sich innerhalb der metalldampfdominierten Glockenstruktur befindet. Für die Beantwortung dieser Frage gibt es nur wenige Hinweise in der Fachliteratur. Abb. IIMA1-12 Bild aus einem Auswertungsfilm. Im aktuellen HGA-Bild (oben Mitte) ist ein Gasausbruch aus dem Inneren der stromführenden metalldampfdominierten stark leuchtenden Glockenhülle zu erkennen. Die entsprechende Bildsequenz in der Umgebung des HGA-Bildes ist in Abb. IIMA1-13 zusammengefasst. Die systematische Analyse entsprechender vom IIM erstellter Auswertungsfilme erlaubt mehrere Schlussfolgerungen in Bezug auf das Innere der stromführenden metalldampfdominierten stark leuchtenden Glockenhülle:

48 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen Besonders in Schutzgasen mit molekularen Gasanteilen führen Dissoziationseffekte zu neuen physikalischen Erscheinungen. In thermischen Plasmen mit lokalem thermodynamischen Gleichgewicht gilt die Zustandsgleichung i i (6) p p kt n und jedes Teilchen besitzt im statistischen Durchschnitt die gleiche kinetische Energie kt. Wenn nun infolge Dissoziation ein Molekül in mehrere Teile zerlegt wird, erhöht sich entsprechend die Teilchendichte der Komponenten n i und somit gemäß (6) auch der entsprechende Partialdruck p i, was zu einer Erhöhung des Gesamtdrucks p führt. Da sich das Lichtbogensystem jedoch unter konstanten äußeren Luftdruckverhältnissen befindet, wird jede Druckerhöhung dadurch ausgeglichen, indem sich das Lichtbogensystem ausdehnt, womit für die besonders starke Aufweitung des stromführenden Metalldampfgebietes bei molekularen Schutzgasanteilen eine Erklärung gegeben wäre (Abb. IIMA1-7, 8, 13). 2. Aus der M-Bogen-Kanaltheorie folgt ein analytischer Zusammenhang zwischen Stromstärke und Radius der Metalldampfsäule, der in der M- Bogenphase des ansteigenden Stromimpulses des Impulslichtbogenprozesses (im Rahmen von Bild- und Signal- Analysen durch das IIM) auch experimentell beobachtet werden konnte, woraus das IIM die Schlussfolgerung ableitet, dass in dieser initialen Phase der Metalldampfkern auch massiv sein muss. Wie auch von den Kollegen des INP beobachtet (Abb. IIMA1-6, rechts unten), weitet sich der Metalldampfkanal bei konstanter maximaler Stromstärke systematisch auf (stärker, als aus der analytischen Abhängigkeit r(i) folgt, die im Rahmen der K-Bogenkanaltheorie berechnet werden kann), woraus das IIM die Schlussfolgerung zieht, dass bereits im SBB-Zustand bei atomarem Argon-Schutzgas tendenziell der stromführende Metalldampfkern sich zum Hohlzylinder aufweitet (Verunreinigungen aus Schmelzbad und Zusatzwerkstoff, die zu einer den Molekülgasen vergleichbaren Effekten führen).

49 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 43 Abb. IIMA1-13 Bildsequenz einer Serie von Gasausbrüchen aus dem Inneren der stromführenden metalldampfdominierten stark leuchtenden Glockenhülle. Zeitliche Abfolge: von oben links bis unten rechts. Als letztes Bild (vergrößert) wurde zum Vergleich ein SBB-Zustand eingefügt (automatisierte Bilderkennung typischer Trennlinien, die als Isothermen interpretiert werden können). 3. Eine systematische Analyse der Auswertungsfilme (Abb. IIMA1-12, 13) unter Berücksichtigung der oben skizzierten Temperatur Bestimmungsmöglichkeiten über die Aureolenfarbgebung lässt den Schluss zu, dass innerhalb der stromführenden Metalldampfglocke im Gasgemisch eine Temperaturschichtung vorliegen muss, die umgekehrt zu den äußeren Aureolenstrukturen aufgebaut ist (je weiter nach innen, um so kälter). So strömen beim Aufreißen der Metalldampfglocke zunächst die heißeren Gase aus und danach kältere Komponenten (Abb. IIMA1-12, 13). 4. Das Gesamtverhalten des Gasablassens in Abb. IIMA1-12, 13 scheint eine Bestätigung dafür zu geben, dass der Ionisationsgrad innerhalb der Metalldampfglocke wesentlich kleiner, als im stromführenden metalldampfdominierten Glockenrand ist. Plasmen zeichnen sich durch

50 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 44 eine hohe Viskosität aus (umso größer, je höher der Ionisationsgrad ist), die unter bestimmten Umständen mit Sirup vergleichbar ist. Der stärker ionisierte (weil metalldampfdominiert und damit stromführend) stark viskose Glockenrand hält wie ein aufgeblasener Luftballon bis zu einem gewissen Grad dem Innendruck der weniger stark ionisierten inneren Gasgemische stand. Übersteigt der Innendruck einen kritischen Wert, wird das Gas nach außen abgelassen (Abb. IIMA1-12, 13). Hierbei wird deutlich, dass das ausströmende Innengas sich durch eine wesentlich kleinere Viskosität auszeichnet, die auf einen wesentlich kleineren Ionisationsgrad und damit auf eine niedrigere Temperatur des Innengases hindeutet. 5. Aus der Farbgebung des aus der Glocke ausströmenden Gases kann geschlossen werden, dass sich das Innengas durch eine Temperatur auszeichnet, die wohl über der Dissoziationsgrenze liegen muss. Zusammenfassend muss betont werden, dass die Vorstellungen des IIM in Bezug auf den niedrigen Ionisationsgrad der Innenbereiche der stromführenden Metalldampfstrukturen nichts mit den Aussagen der KPF gemein haben. Das IIM erkennt in den metalldampfdominierten Bereichen des Lichtbogens die stromführenden Strukturen, die auch die höchsten Temperaturbereiche des Lichtbogens darstellen. Aus der Sicht der KPF führen die Metalldampfstrukturen sehr wenig Strom (im Verhältnis zu den Lichtbogen-Außenbereichen) und sollen um mehrere tausend Grad kälter sein, als die umhüllenden Schutzgasbereiche. In Bezug auf den vorrangig interessierenden Energieeintrag in das Schmelzbad kann insbesondere für Impulslichtbogenprozesse in Schutzgasen mit Molekulargaszusätzen ein wünschenswerter technologischer Effekt gegründet werden. Im aufsteigenden Ast des Stromimpulses trifft der Lichtbogen sehr konzentriert auf das Schmelzbad und bedingt damit einen fast punktförmigen Energieeintrag. Im absteigenden Ast des Stromimpulses hingegen trifft der Lichtbogen kreisförmig auf das Schmelzbad. Durch diesen systematischen Wechsel des Energieeinspeisungsgebietes können sich im Schmelzbad auch entsprechend alternierende Strömungsmuster ausbilden, wodurch das

51 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 45 Erstarrungsverhalten durch diesen Durchmischungseffekt metallurgisch beeinflussbar wäre. Für typische Impulsfrequenzen wird man für den Impulsprozess aufgrund der Trägheit des Schmelzbades eher davon ausgehen müssen, dass das Schmelzbad diesen schnellen Wechseln nicht wird folgen können. Aus Sicht des Schmelzbades erscheint dann der Lichtbogenenergieeinspeisungsbereich als zentraler Punkt, der von einem weiteren, etwas weniger heißen konzentrischen Gebiet umgeben ist, worauf sich das Schmelzbad dann mit einer spezifischen stationären Strömungsstruktur einstellen würde. III. Aufteilung der Lichtbogenspannung auf Lichtbogensäule und Randschichten Bekanntlich schließt die Spannungsmessstrecke am Schweißlichtbogen die Spannungsabfälle am Stickout, in der Plasmasäule und in den Plasmarandschichten ein. Wie bereits im A4-Bericht [1, 23] detailliert ausgeführt, lassen sich die Energieaufteilungsverhältnisse im Schweißlichtbogen sehr anschaulich im U(I)-Phasenraum darstellen (Abb. IIMA1-14). Besondere Bedeutung hat in diesem Fall das Minimalspannungskonzept (z.b. [15], S. 257), dass davon ausgeht, dass bevor die Elektroden sich berühren die Lichtbogensäulenlänge gegen Null strebt (L 0) und somit der letzte messbare Spannungsabfall, vor dem Kurzschluss, der Summe der beiden Randschichtspannungen (an Kathode und Anode) entspricht. Entsprechende Überlegungen gelten auch für die Kurzschlussbrückenauflösung, wenn der neu entstehende Lichtbogen sich noch durch eine sehr kleine Säulenlänge auszeichnet. Die Analyse von Kurzschlussereignissen in Schweißprozessen liefert einen einfachen Weg zur Bestimmung der Randschichtspannung, Abb. IIMA1-14.

52 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 46 I.2 USäule ELA URand Leistungsumsetzung dominierend in Randschichten: alt bekannter Fakt (in neueren modellierungsbasierten Erklärungsversuchen nicht immer adäquat berücksichtigt, z.b. MHD-Simulationen mit Untersuchungen zur Metalldampfdominanz im Zentrum der Säule [19] : (Plasma-Säule- semi-quantitative predictions, keine Aussagen zur Randschichtphysik) Schellhase [18] U Säule U U Rand I U Stick 19 Abb. IIMA1-14 Die Verhältnisse der einzelnen Spannungsabfälle U i repräsentieren gleichzeitig P I U im Schweißlichtbogen (i steht für Stick, die Verhältnisse der Leistungseinspeisung i i Rand, Säule). Besonders für kurze Lichtbögen kann der Spannungsabfall (Leistungseinspeisung) in die Lichtbogensäule in erster Näherung vernachlässigt werden im Verhältnis zu den entsprechenden Leistungseinspeisungen in den Elektrodenrandschichten und im Stickout. In diesem Sinn erweist sich, die aus pädagogischen Gründen, oft verwendete Analogiebetrachtung zwischen elektrischem Strom und Flüssigkeitsströmungen als besonders hilfreich (Abb. IIMA1-15): Randschichten entsprechen im Rahmen dieser Analogiebetrachtung einem sehr hohen Wasserfall, wobei die Lichtbogensäule dem Wasserfluss im Oberwasser mit sehr leichtem Gefälle entspricht. So wie man durch Flachwasseranalysen des Oberwassers keine Vorstellungen über die Wucht des Wasseraufpralls auf das Unterwasser ableiten kann (wird vorrangig durch die Höhe und Struktur des Abgrunds bestimmt), können Modelluntersuchungen der Plasmasäule (CFD-Simulationen und Animationen der Plasmasäule) allein keine Aussage zu den komplexen Energieeintragsmechanismen in das Schmelzbad liefern. Andererseits kann die Analogie zu den Wasserfällen auch zum Verständnis der inneren Feinstruktur

53 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 47 von Randschichten dienen (Abb. IIMA1-15, oben rechts). Randschichten haben nicht für alle Plasmazustände die gleiche Struktur und sind in sich auch nicht homogen. Wie die Untersuchungen zum Schweißlichtbogen zeigten, können die Kathodenrandschichtphänomene nur verstanden werden durch das Wechselspiel von 4 Teilrandschichtbereichen: Kathodenoberfläche, Freifallschicht (Sheath), Vorschicht (Ionisationsschicht) und Expansionsschicht (beginnend von der Werkstoffoberfläche bis zur Plasma-Lichtbogensäule). [25] [26] p n kt ; kt 0,5eV e [27] 21 U e 15,7eV Rand Abb. IIMA1-15 Analogiebetrachtung zwischen elektrischem Strom und Flüssigkeitsströmungen. Den entscheidenden Energiebetrag bekommen die Ladungsträger in der Randschicht (Wasserfall) und nicht in der Plasmasäule (Flachwasser). Im Flachwasser kommt es zu einer konstanten Fließgeschwindigkeit durch die Kompensation zweier Kräfte: antreibender Gradient der potentiellen Energie und Reibungskraft. Ebenso wird in der Lichtbogensäule die eingespeiste Leistung P=UI (Spannung als Gradient des elektrischen Potentials) kompensiert durch die Verlustleistung (Wärmeleitung und Strahlungsverluste). Die elektrische Feldstärke stellt sich in der Säule so ein, dass gerade die Verlustleistung kompensiert werden kann. Zusammenfassend kann das Ergebnis der Messung (Abb. IIMA1-14) in sehr guter Näherung mit der bekannten Standardbeziehung (Abb. IIMA1-16) beschrieben werden [1]:

54 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 48 U( t) a b I( t) E( I) L( t). (7) Der b I() t Term setzt sich entsprechend Abb. IIMA1-14 folglich aus dem Spannungsabfall vom Stickout U ( t) R I( t) und dem mit dem Strom linear S ansteigenden Anteil des summarischen Spannungsabfalls der Anoden- und Kathodenrandschicht ( U ) zusammen: wobei R S U a R I( t) a b I( t) (8) R R K b I( t) U U a R R I( t), (9) S R S R R R den summarischen differentiellen Widerstand beider Randschichten erfasst. In der Anlage wird an einer Beispielmessung illustriert, wie die Konstanten in (7)-(9) bestimmt werden können. Abb. IIMA1-16 Physikalisch orientierte Mustermessung zur Illustration der Beziehung (7). Die Lichtbogenlänge wurde in diesem Fall automatisiert als Abstand zwischen den beiden hellsten ( heißesten ) Punkten auf dem stromführenden Metalldampflichtbogenkern bestimmt. Wie der experimentell bestimmten Funktion U( I, L ) Abb. IIMA1-16, Bildmitte zu entnehmen ist, realisiert sich zwischen der Spannung U und der Lichtbogenlänge nur dann eine annähernd lineare Beziehung, wenn als Länge L der Weg auf der Außenkannte der Metalldampfstruktur gewählt wird (Argumentation in Kapitel II.). Durch Differentiation erhält man aus der Grundbeziehung (7) auch die differentielle Form:

55 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 49 dl 1 di 1 b du EdL bdi du E du, (10) für den Zusammenhang zwischen Spannungsänderung du und Lichtbogenlängenänderung dl, mit dem sich sehr anschaulich die Spannungsänderung in Abb. IIMA1-16, Bildmitte erklären lässt. Aus (7) folgt unmittelbar der Ausdruck für die Bestimmung der Lichtbogenlänge: L( t) U ( t) - a b I( t) / E( I, L). (11) Wie bereits im A4-Bericht [1] ausgeführt, spielt die elektrische Feldstärke E( I, L) als Funktion von Strom (Kanalmodellphysik) und der Lichtbogenlänge (wird im Abschnitt der Randschichtenergieflussbetrachtungen differenziert beleuchtet) eine zentrale Rolle sowohl für die äußere Abstandsregelung als auch für die Stabilitätskonzepte der inneren Regelung. Darum wird in dieser Arbeit im Rahmen der Aufklärung der physikalisch (energetischen) Bedeutung der Konstanten in (7) ein Schwerpunkt auf die Aufklärung der Funktionszusammenhänge der elektrischen Lichtbogensäulenfeldstärke E( I, L) gelegt. IV. Zum Grundverständnis des Lichtbogens als Dissipative Struktur als offenes System, dass sich im Gleichgewichtszustand fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht befindet Im Rahmen der KPF-Vorstellungen wird oft betont, man wolle die Lichtbogensäule als reines unabhängiges Wissenschaftsobjekt untersuchen und darum die Stromquelle nicht in die Untersuchungen des Gesamtsystems einbeziehen. Teilweise wird sogar noch die extremere These vertreten, man könne den Lichtbogensäulenzustand unabhängig von der Elektrodenrandschichtphysik untersuchen, verstehen und modellieren, obgleich bereits allgemein bekannt ist, dass der Hauptenergieeintrag im Lichtbogensystem in den Randschichten erfolgt. Dieser verbreiteten Sicht muss auf mehreren Ebenen des theoretischen Verständnisses mit Kritik begegnet werden:

56 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 50 - Der Lichtbogen kann nicht als geschlossenes, relativ selbständiges System betrachtet und verstanden werden. Davon kann sich jeder Schweißer überzeugen: wird die Stromzufuhr abgeschaltet, bricht der Lichtbogenzustand in sich zusammen. - Im A4-Berichtsteil [1] wurde bereits bei der Begründung der Abstandsregelung (äußere Regelung) darauf hingewiesen, dass allein der Funktionszusammenhang zwischen U LB (am Lichtbogensystem angelegte Spannung) und der Lichtbogenlänge L nicht ohne Einbeziehung der Randschichteffekte verstanden werden kann. - Auf einer höheren Verständnisebene, die von den Stromquellenherstellern zumindest intuitiv verstanden wird, herrscht Klarheit darüber, dass die Stabilitätskriterien des Lichtbogenzustands im Wechselspiel von Stromquelle (Stromquellencharakteristik) und Lichtbogencharakteristik liegen. Im A4-Berichtsteil [1] wurde in diesem Zusammenhang auch ein verallgemeinertes Stabilitätskonzept entwickelt, dass die zentrale Rolle der dynamischen Stromquellencharakteristik für das Lichtbogenverhalten unterstreicht. - Dissipative Strukturen und um eine solche handelt es sich beim Schweißlichtbogen können prinzipiell nur als offene Systeme verstanden werden, in denen gespeist von einer äußeren Quelle ständige Flüsse durch das System (Masse, elektrischer Strom, Energie, Entropie) aufrechterhalten werden. - Die zentrale Bedeutung für die Existenz einer Dissipativen Struktur, als Gleichgewichtszustand fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht, haben die Entropie-Flussverhältnisse. Darum müssen aus der physikalischen Sicht der Nichtgleichgewichtsthermodynamik auch Modellierungsversuche des Lichtbogens verwundern, die auf die Entropiegleichungen total verzichten. Bei den bekannten CFD- Lichtbogen-Modellierungsversuchen werden nur die Bilanzgleichungen für Masse, Impuls und Energie verwendet. - Umso mehr muss auf Simulationsergebnissen von Schweißlichtbögen mit Kritik begegnet werden, die eine Verletzung des Entropieprinzips implizieren (Kapitel I.).

57 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 51 Im Zusammenhang mit der Berechnung von Lichtbogenkanalmodellen wurde von Steenbeck das Entropie-Minimumprinzip vorgeschlagen, dass es erlaubte, unter Umgehung einer Reihe von mathematischen Schwierigkeiten, das Lichtbogenverhalten auch quantitativ sehr gut zu beschreiben und vorherzusagen. Speziell von den Experimentalphysikern der Lichtbogenforschung wurde diesem Steenbeck-Prinzip jahrzehntelang mit Misstrauen begegnet [4]. Führende Lichtbogenforscher vertraten die Ansicht, dass das Steenbeck-Prinzip physikalisch nicht nachvollziehbar sei, mussten jedoch eingestehen, dass man bei Anwendung dieses Prinzips quantitative Ergebnisse erhält, die sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Die Situation änderte sich mit der revolutionären Arbeit von Th. Peters [28], dem die physikalische Begründung des Steenbeck-Prinzips in überzeugender Weise gelungen ist. Aus heutiger Sicht wird man Steenbeck geradezu visionäre Befähigungen zubilligen müssen, da er auf intuitiver Basis ein Prinzip vorwegnahm, dessen volle physikalische Bedeutung erst ein halbes Jahrhundert später im Rahmen der Nichtgleichgewichtsphysik (Chaosforschung, Selbstorganisation, Dissipative Strukturen) voll verstanden wurde und inzwischen zu einem Grundpfeiler des modernen Physikverständnisses wurde. Aus Sicht des IIM kann die Situation der aktuellen Schweißlichtbogenforschung zum Teil nur so verstanden werden, dass die klassische Lichtbogenforschung (KLT) irgendwo in den 80-Jahren des letzten Jahrhunderts auslief, weil sie einen relativ abgeschlossenen, in sich selbstkonsistenten Zustand erreichte. Die Schweißmaschinen konnten in dieser Zeit das Potential der KLT nicht im Ansatz ausschöpfen, da die entsprechende mikroelektronische Basis fehlte. Die der Zeit vorauseilenden Versuche, die Ergebnisse der KLT der Schweißlichtbogenindustrie zugänglich zu machen [5], wurden darum auch nur mit relativer Zurückhaltung aufgenommen. Nachdem dann im 21. Jahrhundert das elektronische und datenverarbeitende Potenzial der modernen Schweißstromquellen nach tieferem Verständnis der Schweißlichtbogenphysik verlangte, etablierte sich eine neue Schweißlichtbogenforschung, der in großen Bereichen nicht bewusst war, dass der Schweißlichtbogen zuallererst

58 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 52 als Sonderfall der Lichtbogenphysik verstanden werden kann und mit der KLT eine ausgereifte Forschungsliteratur vorliegt. So mutet es geradezu grotesk an, dass neuerdings im Rahmen der Schweißlichtbogenforschung wieder eine Diskussion um die Sinnhaftigkeit des Steenbeck-Prinzips entbrannt ist, die weder die Grundzüge der modernen Nichtgleichgewichtsphysik versteht, noch von der richtungsweisenden Arbeit von Peters [28] etwas gehört haben muss. Diese Entropie-Vorbemerkungen sind wichtig zum Verständnis des Kathodenfalls, der oft in der Ausprägung eines Kathodenflecks auftritt. Generell kann das Prinzip der minimalen Entropieerzeugung nur auf das Gesamtsystem des Lichtbogens (Säule plus Anoden- und Kathodenrandschicht) angewendet werden. Es lässt sich jedoch eine relative Entkopplung der Teilsysteme Lichtbogensäule und Kathodenrandschicht beobachten. Bei einer längeren Lichtbogensäule bzw. in größerer Entfernung von der Kathodenrandschicht stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem Feldstärke und Temperatur gerade zum Stromtransport ausreichen. Und die je cm Säulenlänge zugeführte Leistung (Feldstärke mal Stromstärke) gerade den Energieverlust der Säule bei der betreffenden Temperatur zu decken vermag [4]. In diesem Sinn kann ein Lichtbogensäulen-Teilstück für sich als Dissipative Struktur verstanden werden: Der Nichtgleichgewichtszustand wird aufrechterhalten durch einen ständigen Energiefluss durch das System und Minimalisierung des Entropieflusses stellt das strukturbildende Ordnungsprinzip dar (Steenbeck-Prinzip). Wie im Folgenden beschrieben wird, kann für ausreichend hohe Ströme die Rückwirkung der Lichtbogensäule auf die Kathodenrandschichtstruktur vernachlässigt werden und die Kathodenrandschicht somit als relativ selbständige Dissipative Struktur verstanden werden, die durch entsprechende hindurchgehende Flüsse aufrechterhalten wird. Kathodenrandschichtgebiete schaffen ihre eigenen Existenzbedingungen in einer optimalen selbstorganisierenden Weise, in dem sie sich alle notwendigen Bedingungen der gegenseitigen Abstimmung der verwobenen Teilprozesse schaffen. Sie repräsentieren selbsterhaltende Funktionseinheiten über eine Vielzahl von Rückkopplungen (Nichtlinearität). Die Haupteigenschaft dieser Strukturen ist die

59 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 53 Fähigkeit zur Selbststabilisierung, der ständigen Anpassung an sich ändernde äußere Bedingungen. Beispiel der Anwendung von Variations-Beziehungen beim G-, M-Bogen Übergang Das Steenbeck-Prinzip kann meist reduziert werden auf das Prinzip der Minimalspannung (Feldstärke) im Lichtbogensystem. Darum mag es auf den ersten Blick verwundern, dass ab einem gewissen Stromstärkewert der Lichtbogen aus dem G-Bogen in den M-Bogen-Zustand wechselt [1], obgleich sich der metalldampfdominierte M-Bogen durch einen höheren Spannungsabfall auszeichnet. Die detaillierte mathematisch-physikalische Analyse dieses Übergangs würde den Rahmen eines AiF-Berichtes erheblich sprengen. Gleichwohl macht es Sinn, die wichtigsten Teilaspekte hier qualitativ zu bewerten. Einerseits steht die Untersuchung und Bewertung des Metalldampfeinflusses im Zentrum des Forschungsclusters und andererseits kann an diesem Beispiel das Wesen des Steenbeck-Prinzips verdeutlicht werden: 1. Primär bedeutet dieses Prinzip, dass sich in der Dissipativen Struktur die Zustände etablieren, die einer minimalen Entropieproduktion entsprechen. In Sonderfällen kann aus diesem Prinzip das Minimalspannungsprinzip folgen. 2. Das Extremalprinzip bezieht sich generell immer auf das Gesamtsystem. In Sonderfällen, kann es auch auf relativ unabhängige Teilsysteme (z.b. Lichtbogensäule oder Kathodenrandschicht) getrennt angewandt werden. Wenn der Lichtbogen aus dem G-Bogen-Zustand in den M-Bogen-Zustand übergeht, so müssen die Gesamtumstände analysiert werden, die diesen neuen M-Bogen in Bezug auf Energie- und Entropieverhältnisse als günstiger erscheinen lassen: - Die Elektronen müssen vor der Anode nicht mehr das schwerer zu ionisierende Argon-Gas ionisieren ( W 15,7eV ) sondern brauchen nur noch die Atome des aus der Anode ausströmenden Fe-Metalldampfes i

60 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 54 ionisieren ( W 7,8eV ), was sich energetisch als wesentlich einfacher i erweist. - Andererseits muss der Anode in diesem Zusammenhang seitens der Lichtbogensäule mehr Energie zugeführt werden, um die Verdampfungswärme für den ausströmenden Metalldampf aufzubringen. - Dann muss beachtet werden, dass der Energieeintrag im M-Bogen- Zustand auf der Elektrodenoberfläche konzentrierter und damit energiesparender erfolgt. - Letztendlich muss auch berücksichtigt werden, mit welcher Temperatur die Energie (Wärme, Strahlung) aus der Säule an die Umgebung abgegeben wird (Unterschiede zwischen G- und M-Bogen). Ganz zentral ist in diesem Zusammenhang die innere Energiebilanz der sich beim M-Bogen zentral aufbauenden Metalldampfsäule. In diesem Zusammenhang entstehen immer noch im Rahmen der Schweißlichtforschungsliteratur, insbesondere im Umfeld der KPF, teilweise ganz groteske Arbeiten mit abenteuerlichen Werten für den Masseanteil der Zusatzwerkstoffelektrode, der in Form von Metalldampf ins Schmelzbad übergehen soll. So wird teilweise vorausgesetzt, dass die Mengenanteile vom Stickout die in Form von Metalldampf bzw. als flüssiger Metalltropfen ins Schmelzbad übergehen größenordnungsmäßig gleich sein sollen. Andererseits kann man für die Erklärung des Energieflussparadoxon im Rahmen der KPF (Kapitel II., Abb. IIMA1-5) nur eine Erklärung präsentieren mit dem Preis einer erheblichen Verletzung eines Grundgesetzes der Physik (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik), um wenigstens dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik gerecht zu werden (Energieerhaltungssatz). Im Rahmen der Modellierung von Elektrolichtbogenöfen (Electric Arc Furnace), wobei es um vergleichbare physikalische Verhältnisse geht, werden diese Probleme offensichtlich voll verstanden und adäquat bearbeitet (z.b. [36], Abb. IIMA1-17). Wenn der Lichtbogen von leicht verdampfenden und leicht ionisierbaren Metallen (Ca, Al) verunreinigt wird konkurrieren im metalldampfdominierten Lichtbogen zwei Effekte. Einerseits steigt die elektrische Leitfähigkeit mit zunehmendem Metallanteil, wodurch eine

61 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 55 Spannungsreduktion verursacht wird. Andererseits steigt mit zunehmendem Metalldampfanteil die Verlustleistung, bedingt durch zunehmende Strahlung. Sinnvolle Annahmen für die modellmäßige Betrachtung berücksichtigen die Energiebilanz, die im Fall optisch dicker Strahler noch Freiheiten in der Festlegung der Parameter zulässt, die dann mit Einbeziehung des Zusatzkriteriums (Steenbeck-Prinzip bzw. minimaler Spannungsabfall) von allen virtuell möglichen Lösungen die physikalisch realisierbare bestimmt. Abb. IIMA1-17 Gegensätzliche Effekte die den Spannungsabfall bei Metallzusätzen in Lichtbögen beeinflussen: Leitfähigkeit steigt (Spannung fällt) und Strahlungsverluste nehmen bei Erhöhung des Metallanteils zu (bedingt Spannungszunahme). Im Bereich von 1% Metallzusatz erreicht die Spannung bei gleichzeitiger Berücksichtigung beider Effekte ihren Minimalwert, der dem Steenbeck-Prinzip entsprechen würde [36]. Damit wäre eine doppelte Erklärung gegeben, wieso Metalldampfanteile bereits im Bereich von 1% am Lichtbogengasgemisch den M-Bogenzustand aufrechterhalten können: 1. Bereits bei wenigen Prozent Fe-Anteil im Argon-Gas fällt das effektive Ionisationspotential drastisch ab und bedingt auf diese Weise die Ausprägung einer scharfen Kanalwand für den stromführenden metalldampfbestimmten Lichtbogenbereich (Abb. IIMA1-2).

62 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen Auch im Bereich von wenigen Prozent Metallanteil sind die Optimierungsbedingungen im Sinne des Steenbeck-Prinzips gegeben (Abb. IIMA1-17). V. Energiebilanz auf der Kathodenoberfläche aus klassischer Sicht Die Kathodenoberflächenphysik wurde vorrangig im Rahmen der Hochdrucklampenforschung und der Ionentriebwerksentwicklungen etabliert. Die für den Schweißlichtbogen wichtigsten Prozesse auf der Kathodenoberfläche können mit der folgenden Energiebilanzgleichung erfasst werden [29, 26] (linke Terme Energiezufuhr, rechte Seite Energieverlustterme): Ii Ie e U K Wi QK, (12) e e wobei die Teilterme in (12) die folgende Bedeutung haben: IU - Kinetische Energie, die die im elektrischen Feld der Randschicht i K beschleunigten Ionen pro Zeit auf die Kathodenfläche einbringen, ( Wi ) Ii e - Potentielle Energie, die die Ionen auf die Kathode pro Zeiteinheit einbringen. Die Ionen rekombinieren auf der Kathodenoberfläche, wodurch die Ionisationsenergie W i der Kathode zugeführt wird. Bei der Rekombination benötigen die Ionen jedoch jeweils ein Elektron, dass der Kathode entzogen werden muss, wobei die Austrittsarbeit erbracht werden muss. I e e - Durch die Aufheizung der Kathode werden Elektronen emittiert (thermoionische Emission). Für jedes aus der Kathode austretendes Elektron ist hierfür die Austrittsarbeit aufzubringen, was zu einem entsprechenden Abkühleffekt der Kathode führt. Q K - Der Kathode pro Zeiteinheit durch den Stromfluss summarisch zugeführte Energie. Sie wird verwendet zur Kathodenaufheizung,

63 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 57 Wärmeableitung, Metalldampfemission und Wärmestrahlung, die wie später begründet für typische Stromwerte vernachlässigbar sein sollte. Für die Berechnung der Erwärmung des Kathoden-Werkstücks muss neben (12) noch der Stromfluss (Joulsche Wärme) im Werkstück bzw. Schmelzbad ergänzend Berücksichtigung finden. Für das Verständnis der Energiebilanz auf der Kathodenoberfläche erweist sich das vereinfachte Randschichtmodell, dass auf McKeown (1929) zurückgeht, als ausreichend ([15], Abb. IIMA1-18), da es den wesentlichsten Effekt, die Veränderung des Elektronenstrom/Ionenstrom Verhältnisses im Randschichtbereich widerspiegelt: - In der Lichtbogensäule wird der Strom fast vollständig durch die Elektronen getragen (Beweglichkeitsnäherung, aufgrund der sehr großen Masse der Ionen im Verhältnis zu den Elektronen, ist die mittlere Driftgeschwindigkeit der Ionen zu vernachlässigen). - Aufgrund der negativen Ladung der Kathode, werden die Elektronen abgestoßen und die Elektronendichte vor der Kathode wird sehr klein, so dass ein beträchtlicher Teil des Stromes (Gesamtstrom ist immer gleich) vor der Kathode von den Ionen übernommen werden muss, was über die Beschleunigung der Ionen zur Kathode hin realisiert wird. Abb. IIMA1-18 Bedeutung der Ionenstromkomponente in der Kathodenrandschicht [15] - Aufgrund des sehr unterschiedlichen Massenverhältnisses der beiden Ladungsträgerkategorien in der Freifallschicht (Sheath) werden die Elektronen von der Kathodenseite kommend sehr schnell durch das starke Feld herauskatapultiert und direkt vor der Kathode im Sheath bildet sich durch die wesentlich trägeren Ionen eine positive

64 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 58 Raumladungsschicht, die ihrerseits dann auch den starken Potentialsprung vor der Kathode verursacht. Die Anwendung der Gleichung (12) ist mit einem wesentlichen Problem verbunden, der Bestimmung des Verhältnisses der Stromkomponenten I / I : - Es gab verschiedene Versuche zu einer groben theoretischen Abschätzung dieses Stromverhältnisses, die alle nicht völlig überzeugend sind. - Irgendwann hat sich die Kathodenphysik damit abgefunden, dass dieses Verhältnis über die Gleichung (12) experimentell bestimmt werden müsste (kalorimetrische Bestimmung von Q K ) - Für praktische Anwendungen von (12) und entsprechende energetische Abschätzungen werden als Richtwert relativ willkürlich für I / I Werte im Bereich von 0,3 bis 0,6 verwendet. Letztendlich ist die Kathodenhochdrucklichtbogen-Lampenphysik dazu übergegangen, anstelle von (12) eine andere Gleichung zu benutzen, das Model of nonlinear surface heating (MNSH) bzw. Konzept der Transferfunktionen : 5 ktvs U I QK I I (13) e 2 e Die Energiebilanz (13), Abb. IIMA1-19 basiert auf der Enthalpie, so dass der Faktor 5/2 anstelle von 3/2 für die kinetische Energie in (13) auftritt. Interessanterweise, geben sogar Theoretiker keine physikalische Herleitung für diese Gleichung [26] man beruft sich vielmehr auf die experimentelle Erfahrung pyrometrischer Messungen der Kathodenverlustleistung spektroskopischer Bestimmung von der Temperatur in der Vorschicht T VS. i e i e Q K und

65 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 59 Abb. IIMA1-19 Black-Box Modell [37] der kathodischen Randschicht (links). Die Kathodenverlustleistung Q ist mit P bezeichnet und setzt sich aus der Leistung, die als Wärme von der Kathodenfläche abgeleitet wird P zusammen: PV Pcond Prad rad K V P cond und der Abstrahlungsleistung der Kathode. Schematische Darstellung des Schichtmodells (rechts, U a b I U U U ). Kathodenspannung K K C S P Theoretische Erklärungsversuche der MNSH-Bedingung bestanden darin, für I / I in (12) ungefähr 0,5 zu setzen und den Unterschied zwischen i e Randschichtspannung U K und dem entsprechenden Wert für die Ionisationsenergie Wi / e so zu wählen, dass in (13) der zusätzliche Term 5 kt 2 e auftauchen kann. Diese theoretische Erklärungskrücke ist letztendlich nicht voll überzeugend, aber auch die internationale Schweißlichtbogentheorie hat, mit Abwendung von (12), die Beziehung (13) als maßgeblich erklärt und auf dieser Grundvorstellung das folgende Energieverteilungsmodell für den Schweißlichtbogen etabliert. In den Details der Energiebilanz gibt es bei verschiedenen Autoren der klassischen Schweißforschung Unterschiede die folgende Zusammenfassung stellt in gewissem Sinn eine Art von Mittelung über verschiedene Teilansichten dar, die der Vorgehensweise der Schweißforscher entspricht, die Formeln etwas robuster zu gestalten. Der Leser der Arbeiten der klassischen Schweißforschung wird über die teilweise verwirrende Vielfalt und Widersprüchlichkeit verwundert sein, darum sei an dieser Stelle auf die Hauptursache dieser Widersprüchlichkeit hingewiesen: Die Aufteilung in die Stromanteile I / I, wie sie in der Kathodenoberflächen- i e Energiebilanz (12) verwendet wird, stellt sich gemäß Abb. IIMA1-19 erst durch die Feldwirkung der Randschicht ein [15]. In der Ionisationsschicht hingegen

66 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 60 wird der Strom weitestgehend von den Elektronen getragen, die Ionen sorgen vordergründig für die Quasineutralität des Plasmas. Fast alle Fehler in der Literatur lassen sich dadurch erklären, dass die Autoren auch in der Ionisationsschicht vom gleichen Stromverhältnis I / I ausgehen, wie auf der Kathodenoberfläche. Die Grundvorstellungen in der theoretischen Schweißliteratur lassen sich in folgender Weise zusammenfassen: 1) Energiebilanz in der Kathodenrandschicht: 5 kts U K I QK I e 2 e i e (14) Die durch den Kathodenspannungsabfall eingespeiste elektrische Energie wird umgewandelt in die Aufheizleistung der Kathode Q K und der Strom I trägt von der Kathodenrandschicht die potentielle Energie (Austrittsarbeit mit Elektronen- und Ionenkomponente, erklärt mit (12)) und die kinetische Energie 5 kt S (Enthalpie streng genommen) in die 2 Lichtbogensäule. 2) Lichtbogensäulenmodell: U I Q (15) S VS Entsprechend den stationären Bedingungen wird in der Lichtbogensäule genau die Leistung US Säule gleichkommt (Bestimmung von 3) Energiebilanz in der Anode: 5 kts QA I U A I e 2 e I eingespeist, die den Verlustleistungen Mit dem Stromfluss zur Anode wird die Energie U S über Steenbeck-Prinzip). 5 kt S 2 QVS (16) der pro Zeit zur Anode getragen (beim Eintreten in die Anode wird die Austrittsarbeit als potentielle Energie frei und in Wärme umgewandelt und gleichzeitig die mittlere thermische Energie der Säule 5 kt S pro Zeit der Anode 2 übergeben). Hier wird vereinfachend davon ausgegangen, dass die

67 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 61 Austrittsarbeit der Elektronen an Anode und Kathode gleich ist. Sollte das nicht der Fall sein, so müssen dann für beide Elektroden unterschiedliche Werte für die Austrittsarbeit verwendet werden. 4) Gesamtenergiebilanz des Schweißlichtbogens erhält man bei Addition von (14)-(16) : LB LB K S A K A VS P U I U U U I Q Q Q. (17) Diese Beziehung (17) kann als Kontrollbeziehung verstanden werden. Sie sagt nur aus, dass die insgesamt in das Lichtbogensystem eingespeiste Leistung P LB entweder in die beiden Elektroden eingespeist wird Q K QA, oder als Verlustleistung des Lichtbogens VS Erscheinung tritt. Das Verhältnis Q / Q Q VS K A Wirkungsgrad des Schweißlichtbogens bezeichnet. Da der Energiebetrag 5 kt S 2 Q in wird dann oft als, der in der Kathodenrandschicht eingespeist wird, letztendlich als Wärmeenergie auf der Anode landet, kann der bekannte Effekt erklärt werden, dass die Anode stärker aufgeheizt wird als die Kathode, obgleich man den Spannungsabfall in der Anodenrandschicht oft vernachlässigen kann U K wird Näherungsweise mit dem entsprechenden Ionisationsenergiebetrag des Schutzgases Wi / e gleichgesetzt (das Energiebilanzkonzept basiert auf der Enthalpie, so dass der Faktor 5/2 anstelle von 3/2 für die kinetische Energie angesetzt werden müsste). VI. Neue Schlussfolgerungen für die Energiebilanz auf der b Kathodenoberfläche, die sich aus der Neuinterpretation des K Terms ergeben Die mathematisch-physikalischen Grundlagen in diesem Kapitel sind etwas umfangreicher, so dass es im Rahmen eines AiF-Berichtes nicht angemessen wäre, eine vollständige und differenzierte Herleitung auszuführen. Darum werden nur die wesentlichsten Zwischenüberlegungen und Endresultate in Hinblick auf ihre Praxisrelevanz erläutert, aber in einer Form, die es dem I -

68 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 62 qualifizierten Physiker auch erlaubt, die Dinge im Detail analytisch nachzuvollziehen. Wie bereits im A4-Bericht ausführlich beschrieben [1,23] und in Kapitel III. summarisch zusammengefasst, wurde vom IIM herausgefunden, dass der summarische Spannungsabfall in beiden Randschichten mit dem folgenden linearen Funktionsansatz beschrieben werden kann: UR UK U A a bk I (18) wobei bk RR aus Formel (8) entspricht. Eine umfassende Analyse gängiger Lichtbogenrandschichttheorien von Anode und Kathode erlaubt mit großer Gewissheit bezüglich des bk - Der bk I -Terms zwei Schlussfolgerungen: I-Term ist der Kathoden-Randschichtstruktur zuzuordnen. - Innerhalb der Kathodenrandschicht bestimmt dieser Term den Spannungsabfall in der Vorschicht (Abb. IIMA1-19, rechts) zwischen Freifallschicht und Expansionsschicht und Lichtbogensäule (Knudsen- Schicht). Physikalisch wurde dieser Effekt von David Bohm aufgeklärt und hat den folgenden Hintergrund: - In der Freifallschicht vor der Kathode bildet sich, wie in Kapitel V. beschrieben, eine Ionenwolke, die die in Richtung Kathode strömenden Ionen zunächst abbremst. Um diese erste Potentialhürde zu überwinden, benötigen die Ionen eine Mindestgeschwindigkeit, die den Ionen mit dem Spannungsabfall bk Ii vermittelt wird, so dass die Ionen mit der Ionenschallgeschwindigkeit in die Freifallschicht eintreten. Nachdem den Ionen diese Energie pro Ladung zugeführt wurde, können sie dann in der Freifallschicht (Sheath) mit großem Energieschub hin zur Kathode beschleunigt werden, wobei die Freifallspannung durch das Ionisationspotential der Ionen bestimmt wird. U W / e (19) SH i

69 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 63 Diesen Effekt könnte man auch mit Hilfe der Analogiebetrachtung am Beispiel der Wasserfälle versuchen verständlich zu machen (Abb. IIMA1-15): bevor das Wasser aus der horizontalen Fließrichtung (Lichtbogensäule) frei am Wasserfall herunterfallen kann (Sheath), muss es zunächst die Richtung um 90 ändern (Vorschicht) Richtungsänderungen sind immer mit Kraftwirkungen verbunden. - Die Beziehung (19) ergibt sich zwangsläufig aus der Bedingung, dass die von der Kathode emittierten Elektronen im Sheath in Gegenrichtung so viel kinetische Energie bekommen müssen, dass ihnen nach dem Ionisationsstoß mit den Neutralteilchen ein Betrag an kinetischer Energie verbleibt, der der durchschnittlichen Energie in der Ionisationsschicht entspricht. Mit dieser neuen Interpretation des bk I-Terms lassen sich eine Reihe von wichtigen Schlussfolgerungen ableiten und die bisherigen Randschicht- und Kathodenenergiebilanzmodelle bekommen eine neue Klarheit und Selbstkonsistenz: 1. Die Energie-Bilanzgleichungsansätze (12) und (13) widersprechen nicht einander, noch muss die eine Gleichung durch die andere Beziehung ersetzt werden. 2. Gleichung (13) kann aus physikalischen Prinzipien heraus hergeleitet werden. Sie beschreibt die summarische Energiebilanz im Sinne eines Black-Boxansatzes der Kathodenrandschicht. 3. Unter Verwendung beider Gleichungen (12) und (13) und der neuen Interpretation des bk I-Terms lässt sich das entscheidende Problem der Lichtbogenrandschichttheorie lösen: die Bestimmung des Stromverhältnisses I / I i e 1 1 b I / a. (20) K Die Beziehung (20) hat große technologische Bedeutung, klärt sie doch, welcher Teil des Stromes zur Kathode durch Elektronen und welcher Teil durch Ionen getragen wird. Beide Teilchenkomponenten haben eine völlig andere Wirkung auf die Kathoden-Werkstückoberfläche (Ioneneinfall erhitzt

70 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 64 die Kathode, Elektronenemission kühlt die Kathode ab). Bemerkenswert ist, dass man die Beziehung (20) bereits über die Hinzuziehung der Ergebnisse der Auswertung der elektrischen Signale erhalten kann und nicht auf aufwendige und höchst ungenaue kalorimetrische Messungen zurückgreifen muss. Außerdem ist die Beziehung (20) hinsichtlich der Auswertung durch die intelligente Schweißmaschine onlinefähig und damit von prinzipieller prozesstechnischer Relevanz. 4. Die Beziehung (20) liefert in Verbindung mit (12), (13) ein höchst überraschendes Ergebnis: Q f ( a, ) I, (21) K K das mehrere technologisch relevante Schlussfolgerungen impliziert: 4.1. Formel (21) bedeutet, dass die summarische Energiezufuhr (bei stationären Verhältnissen) zur Kathode in strenger Linearität immer proportional dem Gesamtstrom ist Die direkte summarische Energiezufuhr hängt nur von zwei Materialkonstanten ab, dem Ionisationspotential des Gases der Austrittsarbeit des Metalls K Obgleich der wesentliche bk a W und I-Term in Bezug auf den entsprechenden Spannungsabfall der Kathodenrandschicht zuzuordnen ist, liefert er keinen direkten Beitrag zur Energieeinspeisung in die Kathode, der mit dem elektrischen Stromfluss verbunden wäre. 5. Im Fall starker Abweichungen von der Stationarität wird die, in die Kathode, eingebrachte Leistung Q () t nicht nur zu einer Funktion der Zeit, sondern es K treten auch Trägheitseffekte auf, die sich durch das Memory-Verhalten des Schmelzbades erklären lassen. Die aktuelle Elektronenemission der Kathode wird gemäß der Richardson-Dushmann-Gleichung i j 2 em ARD TK exp kt K (22) durch die aktuelle Temperatur der Kathode T K bestimmt, die wiederum eine Funktion der Energie ist, die in einem vergangenen Zeitintervall über die Ionen der Kathode zugeführt wurde. In diesem Fall muss die Gleichung (20)

71 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 65 durch eine erweiterte Delay-Beziehung ersetzt werden, wobei die entsprechenden Koeffizienten dieser Beziehung sich durch numerische Auswertung des bei Schweißstromquellen-Entwicklern gut bekannten Induktionseffektes des Lichtbogens bestimmen lassen. Hierbei gilt es noch zu beachten, dass auch die Erwärmungsdynamik vom Stickout einen Memory-Effekt verursachen kann. Beide Effekte lassen sich jedoch aufgrund der unterschiedlichen charakteristischen Zeiten voneinander trennen. VII. Einordnung der neuen Energiebilanz- und Energieverteilungsverhältnisse, die sich aus der Neuinterpretation des bk I -Terms ergeben in die Vorstellungen der klassischen Lichtbogentheorie (KLT) Die vom IIM vorgeschlagene neue physikalische Sicht auf den bk I-Term führt zwangsläufig zu einer Korrektur bzw. Ergänzung der klassischen Energieverteilungsverhältnisse der KLT (14)-(17). Auch lassen sich mit diesen neuen Interpretationen durch vielfältige Messungen gesicherte Effekte im Kathodenbereich erklären, die bisher keine überzeugende theoretische Erklärung fanden. In diesem Zusammenhang erscheint es auch notwendig, darauf hinzuweisen, dass sich die neuen IIM-Vorstellungen sehr gut in das klassische Gefüge der KLT einordnen lassen. Diese Ausführungen erscheinen uns umso wichtiger, da die IIM-Interpretation in der deutschen Schweißlichtbogenszene, wo die auf CFD- Simulationsversuchen basierenden KPF-Vorstellungen dominieren, von gewisser Skepsis begleitet werden, obgleich keine sachlichen Gegenargumente gegen die Neuinterpretation des bk I-Terms erkennbar sind. Die Vorwürfe gegenüber den neuen IIM-Vorstellungen reichen von zu revolutionär, über es können sich doch nicht alle geirrt haben bis zu die CFD-Simulationsbilder sehen doch anders aus. In der Tat haben die neuen IIM-Vorstellungen große Konsequenzen für die Schweißlichtbogentechnologie:

72 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 66 - Neuer Ansatz für die Abstandsregelung (äußere Regelung)-A4-Bericht - Neues Konzept für das Verständnis der Prozessstabilitätsbedingungen (innere Regelung)-A4-Bericht - Neues Verständnis für die Energie-Verteilungsverhältnisse im Lichtbogen, die unmittelbare technologische Bedeutung für die Schweißnaht haben. Das IIM versucht, im Sinne einer alten akademischen Tradition zu handeln, nach der vermeintlich neue Erkenntnisse erst unter bestimmten Vorbedingungen veröffentlicht werden sollten: - Die neuen Erkenntnisse müssen relativ umfassend analysiert und im Kern verstanden worden sein. - Die neuen Vorstellungen müssen eine mathematische Form erhalten, die quantitative Schlussfolgerungen zulässt, die wiederum durch eine ausreichende Datenbasis als gesichert gelten können. - Auch müssen die Konsequenzen dieser neuen Erkenntnisse auf das Gesamtgefüge des bisher als gesichert geltenden Wissens überprüft werden, so dass eine Einordnung der neuen Sichten als möglich erscheint und die formalen Widersprüche aufgeklärt werden können. Im Kern geht es hierbei um die Vorstellung, dass ja nicht alles, was von Generationen von Forschern herausgefunden wurde, pauschal falsch sein kann. Darum ist besonders zu überprüfen, ob sich die neuen Erkenntnisse nicht einfach durch Neuinterpretationen bekannten Wissens relativ nahtlos in das gesicherte Gesamtwissensgefüge einordnen lassen. Es handelt sich hierbei einfach um das Hegelsche Verständnis der Wissenschaftsentwicklung als Negation der Negation. Die KLT lieferte gute quantitative Resultate für akademische lange Lichtbögen. Die Abweichungen der Messungen von den theoretischen Formeln für kleine Lichtbogenlängen (mit denen es die Schweißtechnologie vorrangig zu tun hat) führten zu einer partiellen Abwendung von der KLT (Negation) und der Suche mit neuen Mitteln (z.b. CFD-Simulation) und Wegen (z.b. inverse Modellierung) nach der Aufklärung der nicht verstandenen Zusammenhänge. Durch die

73 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 67 Entdeckung der Tatsache, dass der bk I-Term der Randschicht zuzuordnen ist und die Säulensimulationen nicht die entscheidenden Effekte erfassen, entschloss sich das IIM zur Negation der CFD-M- Bogen-Simulations-Resultate und damit zur Negation der Negation. Nach Hegel würde das bedeuten, das man wieder zurück zur KLT findet aber auf höherem Niveau: mit dem neuen energetischen Verständnis des bk I-Terms kann man nun die alten bewährten Techniken der KLT (Steenbeck-Prinzip) auf die erweiterten Bilanzgleichungen anwenden und über diesen Weg eine bessere Korrespondenz der entsprechenden Formeln mit den Messdaten herstellen. - Auch ist es hilfreich, die Ursachen zu erkennen, warum andere Forscher nicht zu gleichen Erklärungsmustern kommen konnten. - Besonders wichtig ist es für eine neue Theorie, experimentell gesicherte Effekte erklären zu können, für die in der Fachliteratur bisher keine befriedigenden Theorieansätze erkennbar sind. Die neuen Sichten auf den bk I-Term wurden bereits vor zwei Jahren auf dem PbA-Treffen in Senftenberg vorsichtig vorgestellt, um die Reaktion der Fachwelt zu testen. In diesem Zusammenhang möchte sich das IIM auch bei allen Fachkollegen bedanken, die sich in den letzten zwei Jahren mit Literaturhinweisen, kritischen Fragen und Anregungen in die Diskussion um den bk I-Term eingebracht haben. Inzwischen hat das IIM einen so großen datenanalytischen und theoretischen Vorlauf, dass die Dinge, wie sie hier dargestellt werden, vom IIM als gesichert angesehen werden. Es folgen Ausführungen, die zeigen, dass im Sinne der oben ausgeführten Vorbedingungen, die Abb. IIMA1-20 UK UA als Funktion vom Strom (gestrichelte Linie) [30] (1971)

74 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 68 Veröffentlichungswürdigkeit der neuen, sehr praxisrelevanten, IIM- Vorstellungen auf die Kathodenrandschicht gegeben sind und die Neuinterpretation des bk I-Terms gar nicht mehr so revolutionär erscheint: 1) In der internationalen Schweißforschungsliteratur wurde immer davon ausgegangen, dass der summarische Spannungsabfall beider Elektrodenrandschichten U IIM mit der Beziehung U U a b I() t Stromes verstanden wird. K A U eine variable Größe ist, die nun vom (18) als Funktion des K A K 2) Bereits im Rahmen der physikalischen Lichtbogenforschung wurde der funktionelle Zusammenhang (18) experimentell bestätigt (Abb. IIMA1-20). 3) Wenn auch in der überwältigenden Mehrheit der Schweißlichtbogen- Forschungsarbeiten und Monographien von (18) nicht ausgegangen wird, so finden sich doch vereinzelt Arbeiten, die den Funktionszusammenhang (18) vermuten [31] und die Autoren von [32] setzen den summarischen Spannungsabfall von cathode and anode spots als proportional der Stromstärke an. 4) Die Bestimmung des Spannungsabfalls als Funktion von I spielte im Rahmen der auf hohem physikalischen Niveau arbeitenden Hochdrucklichtbogenlampenforschung offensichtlich keine Rolle, da man in diesem Bereich in der Regel immer mit festen Stromstärken arbeitet. 5) Die IIM-Thesen beruhen auf Messungen, die sehr moderne intelligente Schweißmaschinen voraussetzen, die die Stromstärke in großen Wertebereichen variieren können und in beliebigen Phasen des Lichtbogenimpulsprozesses einen Kurzschluss herbeiführen können (A4- Bericht, [1,23]). 6) Die neue Modellvorstellung des IIM erlaubt es, bisher nicht verstandene Kathodeneffekte zu erklären (nächste Kapitel). 7) Die neue energetische Interpretation des bk I-Terms macht sogar verständlich, warum sich in der aktuellen Schweißlichtbogenforschung

75 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 69 Fehlinterpretationen [33, 34] der einzelnen Terme in der Grundbeziehung (7) festgesetzt haben [1, 23]. 8) Auch erklärt die neue energetische Interpretation des bk I-Terms, warum der gemessene Energieeintrag in die Kathode gemäß (21) nur linear vom Strom abhängt [35]. VIII. Neue Energiebilanz- und Energieverteilungsverhältnisse, die sich b aus der Neuinterpretation des K I -Terms ergeben Die Zuordnung des bk I-Terms der Ionisationsschicht bzw. Vorschicht (Abb. IIMA1-15, [25,26]) sie befindet sich zwischen Freifallschicht und Säule (zwischen Ionisationsschicht und Lichtbogensäule befindet sich unter bestimmten Bedingungen noch eine Expansionsschicht) führt zu einer Reihe von energetischen Schlussfolgerungen: 1. Die im Rahmen der in Kapitel VI. in den Grundzügen skizzierten Vorstellung zur Ionisationsschicht lässt nur eine Schlussfolgerung zu: für typische Stromwerte in Schweißprozessen liegt die Temperatur der Ionisationsschicht T IS (sie wird durch die Stromstärke It () bestimmt) teilweise beachtlich über der Temperatur der Lichtbogensäule T S (sie wird für M-Bögen im Wesentlichen durch das Ionisationspotential W i bestimmt) Abb. IIMA Für kleine Stromstärken im Bereich I < 10A ist bekannt (z.b. [11]), dass die Lichtbogensäule Energie an die kältere Kathode (Verdampfungstemperatur) verliert. Im Rahmen der neuen Ionisationsschichttheorie hat das IIM für M-Bögen einen Grenzwert für den kritischen Strom abgeschätzt, bei dem die Temperatur der Ionisationsschicht gleich der Temperatur der Lichtbogensäule ist: wobei I KR A 0,02W is b K ev, (23) W is das effektive Ionisationspotential des Gasgemisches ist, dass den Metalldampfbogen bestimmt (in ev). Die im Rahmen der KLT

76 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 70 vorliegenden experimentellen Resultate befinden sich in sehr guter Übereinstimmung mit (23). Abb. IIMA1-21 Wie vielfach experimentell, sowohl im Rahmen der physikalischen Lichtbogenforschung (oben links) als auch in der Schweißlichtbogenforschung (oben rechts, unten Mitte) bestätigt, liegt die Temperatur in der Ionisationsschicht beträchtlich über der Temperatur der Lichtbogensäule. Im Gegensatz dazu bilden KPF-CFD-Modellierungen in diesem Bereich wiederum einen zweiten Kathoden-Kältepol ab (unten rechts). 3. Für Stromstärken, die über dem kritischen Wert (23) liegen, ist die Temperatur der Ionisationsschicht T IS höher als die Säulentemperatur T S, wodurch sich die Energieflussverhältnisse umdrehen: die Ionisationsschicht heizt zusätzlich die Lichtbogensäule auf (Wärmeleitung und besonders Strahlung vorrangig wird jedoch diese Energie mit dem Elektronenfluss in die Säule getragen) und mit diesem Ionisationsschicht-Aufheizungseffekt (ISAH) lassen sich die verschiedenen physikalischen und technologischen Lichtbogeneffekte erklären. Nach der theoretischen Beispielrechnung (Abb. IIMA1-15, rechts oben [26]) soll die Temperatur der Elektronen in der Kathodenrandschicht um eine Größenordnung höher sein, als in der

77 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 71 Lichtbogensäule (p = 30bar). Die IIM-Vorstellungen liefern im Rahmen einer halbquantitativen Abschätzung für M-Bögen folgende Beziehung für das Verhältnis der beiden Temperaturen: T IS 0,03 I A ~ b W ev K is T S, (24) so dass für einen typischen Stromwert von I=300A (Fe) die Temperatur in der Ionisationsschicht bis zwei Größenordnungen über der Temperatur der Säule liegen würden ( W is - Ionisationspotential des den Metalldampfbogen bestimmenden Metalls). Gemessen wurden bei M- Bögen vor der Kathode Temperaturen bis K [11, Seite 41] (eine Größenordnung über der Säulentemperatur). 4. Wie bereits im Rahmen der Kanalmodellvorstellungen ausgeführt, stellt sich die Temperatur der idealisierten M-Bögen auf einen festen Wert ein, der nicht von der Stromstärke abhängt. Nun wurde aber experimentell herausgefunden (z. B. [5]), dass mit wachsender Stromstärke die Temperatur in realen M-Bogensäulen mit wachsender Stromstärke leicht ansteigt. Im Rahmen spektroskopischer Untersuchungen wurde festgestellt, dass bei einer Änderung der Stromstärke von 5 auf 280A sich die Plasmatemperatur von 5300 auf 6100K erhöht [11, Seite 14]. Dieser Effekt erweist sich umso stärker, je kürzer die Lichtbogensäule und je breiter die Elektrode ist. Der ISAH-Effekt kann dieses Verhalten erklären. Die sehr viel heißere Ionisationsschicht trägt ihren Energieüberschuss in die Lichtbogensäule und heizt die Säule (neben dem in der Säule fließenden Strom) zusätzlich auf, was zur Temperaturerhöhung der Säule führen müsste. 5. Genauer untersucht werden muss die energetische Wechselwirkung der sehr heißen Ionisationsschicht mit der Kathode. Auf Grund der physikalischen Randschichtverhältnisse dürfte die Wärmeleitung vernachlässigbar sein und die Strahlung als Hauptfaktor der Beeinflussung der Kathode durch die Ionisationsschicht in Frage kommen. Da die Metallschmelze Spiegeleigenschaften hat, ist wohl davon auszugehen, dass der Großteil der Strahlung von der Kathodenoberfläche zur Ionisationsschicht zurück reflektiert wird (nicht

78 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 72 geschmolzene raue Metalloberflächen würden diese Strahlung hingegen absorbieren und sich durch diese Strahlung zusätzlich aufheizen). Im Fall von Spot-Lichtbogenfußpunkten dürfte ein größerer Teil der Ionisationsschichtenergie der Werkstückkathode zugeführt werden. 6. Sollte die These 5. sich als richtig erweisen, dann würde die Energie der Ionisationsschicht (bei reflektierender Kathodenoberfläche) weitestgehend vollständig der Plasmasäule zugeführt werden und der Spannungsabfall des bk für die Lichtbogensäule bedingen: P I-Terms eine zusätzliche Heizleistung (ISAH) 2 Zu bk I() t, (25) die einen umso bedeutenderen energetischen Einfluss auf die Säule hat, je kürzer der Lichtbogen ist. Damit würde dem bk I-Term eine höchst interessante physikalische Bedeutung zukommen: als Spannungsabfall tritt er in einer Randschichtstruktur von vernachlässigbarer Länge auf (Abstandsregelungsrelevanz), energetisch hingegen wirkt er als Volumeneffekt, der vordergründig eine zusätzliche Aufheizung der Lichtbogensäule bewirkt (bzw. über Strahlung das Kathoden- Werkstückmaterial aufheizt). 7. Im Rahmen der Interpretation 6. lässt sich ein in [1, 23] diskutiertes Paradoxon produktiv auflösen. Die Standardbeziehung (7) hat physikalisch die Form: U( t) a R I b I( t) E( I) L( t), (26) S K mit den Termen a Wi / e -Freifallschichtspannung ( Wi - effektives Ionisationspotential des Schutzgases, nicht des Metalldampfgemisches!), U R I -Spannungsabfall im Stickout, b I() t -Spannungsabfall in Stick S der Ionisationsschicht der Kathodenrandschichtstruktur und E() I K L - stromflussbedingter Spannungsabfall in der Lichtbogensäule. Energetisch würde dann die Säule über zwei Wege aufgeheizt: Elektrische Aufheizung über den in der Säule fließenden Strom P E I L t I t R I t 2 El ( ) ( ) ( ) Säule ( ) (27)

79 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 73 Energiezufuhr aus der Ionisationsschicht (25): Damit hätten die Autoren [33, 34] dann auch nicht ganz unrecht, wenn sie den P 2 Zu bk I() t -Betrag als P Zu b I() t K 2 Lichtbogensäulen- Leistungseinspeisung verstehen. Aus elektrotechnischer Sicht ist diese Leistungseinspeisung aber mit einem Spannungsabfall in einer verschwindend dünnen Randschicht verbunden. 8. Die Sinnhaftigkeit der Überlegungen ließe sich leicht experimentell überprüfen. Da mit zunehmender Stromstärke die zusätzliche Heizleistung (25) für die Säule immer größer wird (ISAH), kann die elektrische Aufheizung über den in der Säule fließenden Strom (27) entsprechend kleiner ausfallen, um die Leistungsverluste der Säule zu kompensieren. In der Fachliteratur wird oft auf solche Messungen verwiesen (Abb. IIMA1-22). Unter Berücksichtigung von (18) wird deutlich, dass die x-achse in Abb. IIMA1-20 eine Funktion von I ist: UK U A a bk I. Damit wäre durch die Thesen , die ja implizieren, dass E( I, L) I L 0 (28) sein muss, eine Erklärung für die experimentellen Ergebnisse (Abb. IIMA1-20) gegeben. 9. Auch ist aus der Literatur bekannt, dass experimentelle Resultate auf E( I, L) L I 0 Abb. IIMA1-22 Verkleinerung der elektrischen Feldstärke der Lichtbogensäule E(I)[V/mm] als Funktion der zunehmenden Randschichtspannung U U in V [10]. (29) hinweisen, obgleich die reine Kanalmodelltheorie konstante Werte für E voraussetzt. Auch dafür liefern die Thesen eine naheliegende K A QVS

80 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 74 Erklärung: je länger die Säule, umso geringer fällt der proportionale Zusatzheizungseffekt (ISAH) durch die Randschicht-Ionisationsschicht (25) aus, der ja für einen konstanten Strom konstant bleibt ( P 2 Zu bk I() t ) und umso mehr Leistung muss durch die elektrische Aufheizung über den in der Säule fließenden Strom (27) P E( I) L( t) I( t) R I( t) El Säule 2 aufgebracht werden, was nur über eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke möglich ist. Dieser Effekt ist umso stärker, je kürzer der Lichtbogen ist für sehr lange Lichtbögen wäre dieser Effekt dann kaum noch nachweisbar. Auch dieser Zusammenhang wird durch experimentelle Resultate bestätigt [9-16]. 10. Abschließend muss noch geklärt werden, welche Änderungen die neuen Aspekte zu den Energieverteilungsverhältnissen (Kapitel VIII.) in den Lichtbogen-Energiebilanzgleichungen der klassischen Vorstellung aus Kapitel V. (14-17) verlangen. Diese Frage ist umso wichtiger, da Praktiker gern auf die Nützlichkeit der Beziehungen (14-17) verweisen [9-16]. In der von Schweißingenieuren gern gewünschten Robustheit stellen sich die Energiebilanzverhältnisse wie folgt dar: 1) Energiebilanz in der Kathodenrandschicht: Es wäre zweckmäßig, die Beziehung (14) mit folgender Beziehung zu ersetzen: K 5 ktvs K UK I QK I QK bk I I e 2 e e, (30) wobei dann UK a bk I der messbare Spannungsabfall in der Kathodenrandschicht wäre und der entsprechende Leistungseintrag P K IU K in die Kathodenrandschicht sich auf Kathodenverlustleistung QK PV Pcond Prad (Abb. IIMA1-19), Abgabe potentieller Energie pro Zeit an die Säule K I e und Leistungseinspeisung in die Ionisationsschicht 5 2 ktvs e I (kinetische Energie) aufteilen würde. 2) Lichtbogensäulenmodell: anstelle der Gleichung (15) für die Lichtbogensäule wäre es angemessen, der Energiebilanz die Form:

81 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 75 5 ktvs 2 5 kt A S K US I I E( I, L) L I bk I QVS I I, (31) 2 e 2 e e zu geben. Entsprechend den stationären Bedingungen wird in der Lichtbogensäule genau die Leistung Verlustleistungen QVS US I eingespeist, die den der Säule gleichkommt und nicht von der Leistungseinspeisung aus der Ionisationsschicht abgedeckt ist (reduziert durch Energieverluste an der Anode). Von der Säule muss auch die Leistung 5 2 kts I aufgebracht werden, die auf die Anode e abfließt und eine mögliche Differenz der Austrittsarbeiten beider Elektroden ausgeglichen werden A K e I. (Bestimmung von U S über Steenbeck-Prinzip). Gemäß der Ausführungen in Kapitel II. muss unter L nicht der kürzeste Abstand zwischen den Elektroden verstanden werden, sondern die Länge vom Strompfad. 3) Energiebilanz in der Anode: anstelle der Beziehung (16) nimmt die Anodenenergiebilanz die vereinfachte Form A 5 kts QA I U A I e 2 e, (32) an. Mit dem Stromfluss zur Anode wird die Energie 5 A kts 2 pro Zeit zur Anode getragen (beim Eintreten in die Anode wird die Austrittsarbeit A als potentielle Energie frei und in Wärme umgewandelt und gleichzeitig die mittlere thermische Energie der Säule 5 kt S pro Zeit der Anode übergeben). 2

82 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 76 4) Summarische Energiebilanz für den Schweißlichtbogen als Summe der Gleichungen (30-32): K 5 ktvs K UK I QK I QK bk I I e 2 e e 5 ktvs 2 5 kt A S K US I I E( I, L) L I bk I QVS I I 2 e 2 e e A 5 kts U A I QA I e 2 e P U I U U U I Q Q Q LB LB K S A K A VS (33) Die Bilanzgleichungen (30)-(33) liefern ein ganz gutes qualitatives Verständnis für die Energieverteilungsverhältnisse im Schweißlichtbogen. Für ein prinzipielles Verständnis, wird man auch den Spannungsabfall in der Anodenrandschicht vernachlässigen können U 0 er kann sowohl positiv, als auch negativ sein (Abb. IIMA1-21, A links unten), ist im Allgemeinen kleiner als der entsprechende Spannungsabfall an der Kathode U K und hat nicht die prinzipielle strukturbildende Funktion wie die Kathodenrandschicht. Auch wurden in dem Bilanzsystem die Betrachtung der Expansionszonen, die speziell vor der Anode immer mit Potenzialveränderungen verbunden sind und insbesondere im Spotmodus der mit großen Lichtbogenexpansionszonen verbunden ist nicht vernachlässigt werden können, verzichtet. 11. Die Lichtbogenrandschichtphysik [25,26] hat schon längst erkannt, dass die physikalischen Verhältnisse so sind, dass die wesentlichen Teilsysteme des Lichtbogens (aufgrund der unterschiedlichen Größenordnungen der Effekte) getrennt voneinander behandelt werden können: Therefore, there is in principle no need to calculate the whole system arc cathode simultaneously: one can first find a solution for the

83 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 77 near-cathode layer, then a solution describing the cathode and finally a solution for the arc column [26]. Die Argumentation in zeigt einen ganz entscheidenden Einfluss der Kathodenrandschicht ( b K I-Term) auf das Lichtbogensäulen-Verhalten E( I, L, b K ) und nicht umgekehrt. Darum müssen auch Lichtbogen-CFD-Simulationsresultate kritisch hinterfragt werden, die von einer umgekehrten Wirkungskette ausgehen (Lichtbogensäule Randschicht, die häufig in der Simulation auch noch weggelassen wird Beeinflussung der Schmelzbadelektrode), insbesondere wenn der Anspruch auf Selbstkonsistenz der Modellierung erhoben und die Modellierung als vollphysikalisch verstanden wird. IX. Auflösung des Widerspruchs zwischen Kathoden-Kältepol der KPF- CFD-Modellierung und extrem heißer Ionisationsschicht der KLT Obgleich im Rahmen der CFD-Modellierungen auch mit (13) vergleichbare Randbedingungen verwendet werden, liefern die Modellierungen anstelle der sehr heißen Ionisationsschicht einen ausgeprägten Kathodenkältepol (Abb. IIMA1-21, rechts unten), wofür es eine Erklärung zu finden gilt. Aufgrund der großen Unterschiede in der Beweglichkeit, ist in der Säule der von den Elektronen getragene Strom über 100-mal größer als der Ionenanteil am Strom (durch einen Querschnitt der Säule wandern pro Zeiteinheit mehr als 100 Elektronen, als Ionen). In der Ionisationsschicht werden pro Zeit soviel Ionen gebildet (-,+ Ladungspärchen erzeugt), wie Elektronen zur Säule in Richtung Anode abwandern, wodurch die Kontinuität des Elektronenstroms im Lichtbogen gewährleistet wird. Die Ionen tragen dann einen großen Teil des Stroms zur Kathode, an der sie sich durch Einfangen eines Elektrons neutralisieren (12) und dann in die Ionisationsschicht als Neutralteilchen zurückkommen. Maecker beschreibt in seiner klassischen Arbeit den Ionenkreislauf vor der Kathode (Abb. IIMA1-23), als das Kernelement von (12), sehr prägnant (Symbole in Klammern IIM): wenn die Ionen die Kathode erreichen dann haben sie bei einem Kathodenfall ( U ) von 10V eine Energie von 10eV gewonnen, außerdem führen sie die Ionisationsenergie ( W ) von auch K i

84 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 78 rund 10eV mit sich. Von diesen 20eV müssen sie aber wieder 4eV ( K ) für die Befreiung des Elektrons aus der Kathode abgeben. Zur Aufheizung der Kathode und damit für die Glühemission verbliebe also eine Leistung von 16eV ( e UK Wi ) pro Ion. Selbst wenn dieser Betrag voll für die Glühemission auf dem Umweg über die Aufheizung der Kathode verwendet würde, könnten höchstens dreimal mehr Elektronen emittiert werden als Ionen auftreffen. Es müssen aber etwa 100-mal so viel sein... So bleibt als letztes nur noch der Ionenkreislauf zur Befreiung von Elektronen aus der Kathode". Abb. IIMA1-23 Ionenkreislauf im Kathodenrandschichtbereich. Die Lösung des Problems läuft auch auf die Beantwortung der Frage hinaus, wieso in der Kathodenoberflächenbilanzgleichung (12) die Ionisationsenergie der Ionen W i auftaucht und in der Randschichtbilanzgleichung (13) nicht. Die Beantwortung dieser Frage hat Maecker mit seinem Funktionsbild mit der Kreiselpumpe vor der Kathode illustriert (Abb. IIMA1-23, links). Wenn für die Säulenstrombilanz auf jedes Ion 100 Elektronen auf den Weg geschickt werden müssen, dann muss das Ion vor der Kathode mindestens 100 Zyklen durchlaufen: - Ionisation des Atoms in der Ionisationsschicht, durch Elektronen, die nach Beschleunigung in der Freifallschicht aus der Kathode kommend, dem Atom in Form von kinetischer Energie die Ionisationsenergie mitbringen. W i

85 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 79 - Das Ion wird in der Randschicht beschleunigt und gibt seine Ionisationsenergie W i an der Kathodenoberfläche wieder ab, neutralisiert und bewegt sich als Atom zurück zur Ionisationsschicht um dort wieder auf die nächste Ionisation zu warten. - Mit der vom Ion auf die Kathode verbrachten Energie wird die thermoionische Emission der Elektronen gespeist, die austretenden Elektronen werden wieder in der Freifallschicht beschleunigt, um in der Ionisationsschicht das nächste Atom zu ionisieren Die Kathodenrandschichtbilanzgleichung (13) erfasst nur die summarischen Betriebskosten eines jeden Zyklus (Ionen brauchen für die Neutralisation ein Elektron aus der Kathode und damit entziehen sie für jedes Elektron die Austrittsarbeit K ; die emittierten Elektronen verbrauchen beim Austritt aus der Kathode auch die Austrittsarbeit K ). So geht der Kathode in jedem Zyklus mit der Dauer t die Energie / W I I t e verloren. Eine t K e K i Analogiebetrachtung kann das Problem auf den Punkt bringen: Ein Transportunternehmen bewegt eine Straßenbahn 100-mal von einem Ortsteil A in den Ortsteil B und zurück mit jeweils Wi -Passagieren. Dabei entstehen Selbstkostenaufwendungen der Größe K für jede Fahrt. Wenn ein Modellierer dieses Prozesses nun zur Erkenntnis kommt, dass 100W Passagiere in die eine Richtung fuhren und 100W Passagiere in die andere Richtung gefahren i sind, somit in der Gesamtpersonenbilanz beider Orte sich summarisch nichts verändert hat, dann kann er als Gesamtbilanzgleichung diese Prozesses feststellen: Aufwand 100 K, Ergebnis 0. Die innere Strömungsdynamik auf die es eigentlich ankam wird mit so einer Modellierung völlig ausgeblendet. Im Kern verfährt die CFD-Modellierung, die ja alle Strömungen erfassen muss, mit der Verwendung der summarischen Bilanzgleichung (13) in ähnlicher Weise, wie unser summarischer Straßenbahnmodellierer : die wesentliche Dynamik wird ausgeblendet, weil im Mittel gleich Null und dann kann man sich auch den Zubringerbahnhof (Ionisationsschicht) und die i

86 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 80 Haltestelle (Kathode) an beiden Orten für das summarisch reduzierte Modell sparen und nur die Kosten für den Transportprozess abrechnen. X. Konsequenzen, die sich aus der neuen Sicht auf die Energieverteilungs-Verhältnisse im Schweißlichtbogen für die Prozessregelung ergeben 1) Die Analyse der experimentellen Daten zeigte, dass die elektrische Feldstärke im Allgemeinen keine Konstante ist, sondern von wesentlichen Prozessgrößen abhängt: E( I, L, b K ), (34) wobei die funktionellen Abhängigkeiten (34) für beide Lichtbogen- Grundtypen (G- und M-Bogen), jeweils eine andere Form annimmt. Die Überlegungen in VII. 8.und 9. (28) und (29) begründen eine Erklärung für das prinzipielle Verhalten von E: E( I, L) I L 0, E( I, L) L I 0. Da die zusätzliche Heizleistung (25) proportional dem bk -Koeffizienten ist, muss im Rahmen der gleichen Argumente auch ausgegangen werden von E( I, L, bk ) b K IL, 0. (35) Eine vordringliche Aufgabe besteht nun darin, diese Funktionen sowohl auf der Basis der entsprechenden Energieflussverhältnisse als auch im Rahmen der Datenanalyse zu bestimmen, um die im A4-Bericht [1] abgehandelten Probleme der äußeren und inneren Regelung zufriedenstellend zu lösen. 2) Die neue Sicht auf die Energiebilanzgleichung der Lichtbogensäule (31) verlangt nach einer theoretischen Neuberechnung der Lichtbogen- Kanalmodelle als Variationsprinzip. In den klassischen Arbeiten der KLT wurde immer von der einfachen Energiebilanz (15) der Säule US I QVS ausgegangen. Nunmehr gilt es das Steenbeck-Prinzip auf eine Bilanzgleichung (31) anzuwenden

87 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 81 5 ktvs 2 5 kt A S K US I I E( I, L) L I bk I QVS I I, die eine 2 e 2 e e wesentlich komplexere Struktur hat und von wesentlich mehr Parametern abhängt. XI. Lichtbogenansatz an der Kathode (Diffusansatz, Spotansatz) und Stationarität Bereits im A4-Bericht [1] und in den Arbeiten [23, 39] wurden erste Ergebnisse zur Untersuchung des Schweißlichtbogen-Spotmodus vorgestellt (Abb. IIMA1-24, 25), die hier nicht wiederholt werden sollen. Für diesen Lichtbogentyp spielen auch die zwischen Ionisationsschicht und Lichtbogensäule positionierten Expansionszonen die in den Balancebeziehungen (X.) nicht erfasst wurden eine wichtige Rolle. Im Rahmen des vorliegenden A1- Berichtes soll der Spot-Modus in Hinblick auf die Rolle des bk I-Terms untersucht und die entsprechenden Energieverteilungsaspekte beleuchtet werden. Bereits im Rahmen der Energiebilanzanalysen lassen sich für den Spot-Modus wichtige Schlussfolgerungen ableiten: - Da die Kathodenrandschicht extrem dünn ist, macht es aus der Sicht des prinzipiellen Aufbaus der Randschichtstruktur (Abb. IIMA1-19, rechts) keinen Unterschied, ob der Lichtbogen im Spot- oder Diffus-Modus auf der Kathode aufsetzt [15]. - In den Arbeiten [23, 39] wurden die klassischen Vorstellungen zur Instabilität dieser Spots referiert, die ihre Ursache im Mechanismus der Erhitzung der Kathodenoberfläche in diesen Lichtbogenfußpunkten haben. Auch eine weitere Möglichkeit der Instabilität dieser Spots sollte in Erwägung gezogen werden: wenn sich der Lichtbogenstrom auf viele kleine Spotkanäle aufteilt, dann würden in den Einzelkanälen Bedingungen vorherrschen, wie sie dem Ayrtonschen Bereich der Lichtbogenkennlinie entsprechen, woraus sich dann die Instabilität jedes einzelnen Lichtbogenkanals aus der Säulendynamik ergeben würde. In jedem Fall springen die Fußpunkte des Lichtbogens so schnell auf der

88 Untersuchungen zum Einsatz geregelt gepulster Lichtbögen 82 Schmelzbadoberfläche, dass das flüssige Metall in keiner Weise auf diese Spot-Bewegungen reagieren kann (Trägheit, Zähigkeit). Abb. IIMA1-24 Demonstrationsfilm für die Analyse typischer Verhaltensmuster langer Lichtbögen mit stochastischen Spot-Modus: obere Zeile Mitte - Anzahl der identifizierten Spots (Aluminiumprozess), untere Zeile Mitte - Ergebnisse der automatisierten Spotidentifikation. Abb. IIMA1-25 Mittlere Anzahl der Spots als Funktion der Spannung (links). Der Umschlagpunkt im Spotverhalten (rechts unten Mittelung über einen größeren Zeitbereich) entspricht dem Umschlagspunkt der Anstiege im U(I)-Phasenraum (nach dem ersten Drittel des Strombereichs im Hauptbalken ). Damit lässt sich die Hypothese aufstellen, dass der Übergang vom Spotmodus in den Lichtbogenmodus mit einem dominierenden diffusen Lichtbogenansatz an der Änderung des Anstiegs im U(I)-Diagramm (rechts oben) erkennbar ist: b K _ Spot - bk Wert für den Spotmodus (grün); bk _ Diffus -bk Wert für den diffusen Lichtbogenansatz (rot). Im U(I)-Diagramm (rechts oben) wird der Phasenraum im umgekehrten Uhrzeigersinn durchlaufen.

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