Beschreibung
P 798 – Einsatz geregelter gepulster Lichtbögen zur Beeinflussung der Schmelzbaderstarrung
Das Ziel des Forschungsvorhabens IGF 15.870 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 LichtbogenBrenngebiets 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 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
Veröffentlichung:
2012
Autoren:
Prof. Dr. rer. nat. habil. J. Kruscha
