Innovationen bei bis zu dreißigtausend Grad Celsius

Dresdner Forscher am Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik der TU Dresden untersuchen den Einfluss des Metalldampfes auf den Lichtbogen beim Hochtemperaturschweißen.

Ihr Ziel ist es, den Einfluss des Metalldampfes auf die Temperatur, den Ladungsträgertransfer und den Spannungsabfall im Lichtbogen zu untersuchen. Ein neues numerisches Lichtbogenmodell ermöglicht daneben den Vergleich mit experimentell ermittelten Temperaturen.

Der Lichtbogen, eine Gasentladung zwischen zwei Elektroden, ist das dominierende Werkzeug zum Schweißen und Löten von metallischen Werkstoffen. Moderne Schweißanlagen, leistungsfähige Schweißbrenner, angepasste Prozessgase sowie schnelle Steuerungs- und selbstoptimierende Regeltechnik ermöglichen heutzutage sicheres Lichtbogenschweißen in nahezu allen Anwendungsbereichen. Doch erst durch die modernen Methoden der numerischen Simulation können die komplexen Vorgänge im Lichtbogen erkannt und untersucht werden. Damit werden die wissenschaftlichen Erkenntnisse zur Grundlage für überraschende und innovative Lösungen.

„Beim so genannten Metallschutzgasschweißen (MSG) brennt der Lichtbogen zwischen einer abschmelzenden Drahtelektrode und dem Werkstück“, erklärt Institutsmitarbeiter Michael Schnick. „Die Lichtbogeneigenschaften werden dabei von der Geometrie der Elektroden sowie der Temperatur, der Stromdichte und den Verdampfungen an den Elektrodenoberflächen bestimmt. Um nun den experimentellen Versuchsaufwand zu mindern und zielgerichtet Prozesse mit geringer Emission und erweiterten Anwendungsbereichen zu entwickeln, beschreiben wir die zeitlich und örtlich hoch aufgelösten physikalischen Vorgänge durch numerische Modelle.“

Die spektroskopisch ermittelten Lichtbogentemperaturen stimmen mit den Ergebnissen der neuen Dresdner Modelle überein und beweisen, dass die meisten bisherigen MSG-Lichtbogenmodelle fehlerhaft sind. Als Ursache vermuten die Dresdner Forscher den Fakt, dass der entstehende Metalldampf in der Lichtbogensäule in die früheren Berechnungen ihrer Kollegen nicht mit einbezogen wurde. Das neue Modell soll nun weiterentwickelt und präzisiert werden. Geplant ist, die an den Schnittflächen von Lichtbogen und Elektroden errechneten Oberflächeneigenschaften als Randbedingungen zu verwenden und so auf Elektronen- und Ionenstromdichten direkt am Werkstück zu schließen.

Diese Ergebnisse sind Teil eines von der DFG geförderten Forschungsvorhabens „Erweiterung des Prozessverständnisses über MSG-Lichtbogenprozesse durch Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge“ sowie des AiF-DFG-Clustervorhabens „Lichtbogenschweißen – Physik und Werkzeug“.

Sie werden auf dem diesjährigen Dresdner Fügetechnischen Kolloquium mit dem Titel „Schweißtechnik – Faszination in Forschung und Fertigung“ vorgestellt, das am 19. und 20. März im Hülsse-Bau der TU Dresden (Zi. S386) unter der Leitung von Prof. Uwe Füssel stattfindet.

Informationen für Journalisten:
Dipl.-Ing. Michael Schnick
Tel. 0351 463-34373,
E-Mail: schnick@mciron.mw.tu-dresden.de