ABICOR-Innovationspreis 2008 (1. Platz)

   Dipl.-Ing. Michael Schnick (Technische Universität Dresden)

Strömungssimulation als Entwicklungswerkzeug für Lichtbogen- und Plasmabrenner

Der Lichtbogen ist das wichtigste technologische Werkzeug zum thermischen Fügen metallischer Werkstoffe. Dennoch müssen für sichere Anwendungen in physikalischen Grenzbereichen die Lichtbogenprozesse weiterentwickelt und angepasst werden, um den steigenden Anforderungen der Produkte mit komplexen Konstruktionen, Werkstoffen und Werkstoffkombinationen zu entsprechen. Die konventionellen Methoden der Verfahrens- und Brennerentwicklung, die auf Parameterstudien und kostenintensivem Prototypenbau beruhen, sind dafür nicht geeignet, da die physikalischen Wirkprinzipien im Lichtbogen, in der Elektrode und in der Schmelze als Black Box vereinfacht betrachtet werden und daher die aufwändig gewonnenen Erkenntnisse gering und nicht zu verallgemeinern sind.

Im Rahmen der Forschungsarbeit wurde ein Simulationswerkzeug für Plasmalichtbogenprozesse entwickelt, in dem das auf den Grundgleichungen der Physik basierende numerische Modell komplexe physikalische Vorgänge in der Prozessgasführung, in der Schutzgasabdeckung, im Lichtbogen sowie an und in den Elektroden zeitlich und örtlich hoch aufgelöst beschreibt. Die Simulation wurde gezielt als Entwicklungswerkzeug genutzt, um Schwachstellen an bestehenden Brennerkonzepten zu visualisieren und Verbesserungsansätze zu erarbeiten. Dazu wurden Effekte visualisiert, die im Brenner verborgen und die aufgrund der hohen Strahlungs- und Temperaturbelastung experimentell sehr schwer oder gar nicht zugänglich sind. Erstmals wird durch numerische Sensitivanalysen das Verständnis der physikalischen Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zwischen dem Lichtbogen, dem Werkstück, dem Brenner und den Prozessparametern vertieft sowie auf Potentiale und Restriktionen der Prozesse geschlossen.

So konnte beispielhaft an einem Plasma-Pulverschweißbrenner die Schutzgasströmung optimiert werden, indem instationäre Strömungsablösungen an der Schutzgasdüse durch das Einführen einer definierten Abrisskante verhindert werden.
An Plasmaschneidbrennern wurden neue Erkenntnisse zum Einfluss des Brennerdesigns auf den Kathodenverschleiß und Pinchinstabilitäten der Plasmasäule zwischen der Kathode und der Düsenbohrung erarbeitet.
Beim Plasmaschweißen wurde neben der Geometrie des Plasmadüsen-Kathoden-Systems auch der Einfluss von Prozessgasen untersucht. Durch Sensitivanalysen einzelner Gaseigenschaften konnte aufgezeigt werden, dass die Strömung des Plasmastrahls besonders durch heliumhaltige Prozessgase beeinflusst wird, währenddessen der Wärmeeintrag in das Werkstück vor allem durch Wasserstoffzumischungen erhöht wird. Es wurde gezeigt, dass Anreicherungen der Prozessgase im Lichtbogen (Helium) und an der Werkstückoberfläche (Wasserstoff) durch komplexe Diffusionsvorgänge verursacht werden. Diese verstärken die Ausprägung der Effekte auch bei geringen Zumischungen. Darauf aufbauend konnten Strategien und Prozessparameter abgeleitet werden, durch die die Wirkungen der einzelnen Prozessgase provoziert und gezielt genutzt werden können. Die Ergebnisse nutzen folglich dem wirtschaftlichen Anwenden der Prozessgase.

Physikalisch fundierte Simulationsergebnisse sind hervorragend geeignet, die Entwicklungsergebnisse bildlich und plausibel darzustellen. Sie können daher gleichzeitig zum Wissenstransfer, z. B. zur Überführung in die Anwendungen oder zur Schulung von Schweißfachingenieuren und Schweißern, genutzt werden.

Die Anwendung der Lichtbogensimulation bei der Entwicklung von Schweiß- und Schneidbrennern hat gezeigt, dass im Vergleich zu den konventionellen Entwicklungsmethoden sowohl der durch den Prototypenbau verursachte Entwicklungsaufwand und die Entwicklungszeit gemindert werden als auch gleichzeitig der Erkenntnisgewinn gesteigert wird. Das durch die Modellierung geschaffene Prozessverständnis führt zu neuen Entwicklungsansätzen und Gestaltungsprinzipien für Brenner.