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Schweißen und Schalten

Im Fokus des Forschungsschwerpunktes Schweißen und Schalten stehen thermische Plasmen und ihre technologische Anwendung, sowie Untersuchungen von Entladungsphänomenen in Hochspannungskomponenten des elektrischen Netzwerkes. Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten finden Lichtbogenplasmen in Schaltanlagen der elektrischen Energietechnik in allen Spannungsebenen sowie bei Füge-, Trenn- und Auftragsprozessen in der Metallverarbeitung. Trotz langjähriger Forschung fehlen bis heute detaillierte Kenntnisse über physikalische Mechanismen der Wechselwirkung zwischen Bogenplasmen und angrenzenden Materialien (Wänden, Elektroden). Untersuchungen von Alterungserscheinungen in Hochspannungskomponenten infolge von Teilentladungen unterstützen Zustandsbewertung und Lebensdauervorhersagen.

Durch Kombination diverser Diagnostikmethoden werden raum- und zeitabhängige Plasmaparameter, wie z.B. Temperatur, Zusammensetzung, Druck und Geschwindigkeit, gewonnen. Die Erarbeitung optischer Diagnostikmethoden bildet zusammen mit der Modellierung und Simulation den Kern des Forschungsprogramms. Pyrometrie, Emissions- und Absorptionsspektroskopie sowie Hochgeschwindigkeitskinematographie werden für quantitative Diagnostiken eingesetzt. Die detaillierte Kenntnis der Eigenschaften von Lichtbogen und angrenzenden Oberflächen, insbesondere Elektroden sowie deren Kontrolle begünstigen die Erarbeitung neuer Ansätze für die Verbesserung von bestehenden Gerätekonzepten und Prozessen. Dies reicht von der dringend notwendigen Erhöhung der Zuverlässigkeit elektrischer Komponenten im Rahmen der Energiewende über die Qualifizierung von Füge- und Auftragsprozessen für Industrie 4.0 bis hin zur Unterstützung generativer Fertigungsverfahren.


Anwendungsfelder

Detaillierte Analysen und tieferes Verständnis der grundlegenden Plasmaprozesse bilden die Basis für die Weiterentwicklung und Optimierung der lichtbogenbasierten Schaltertechnologien. Das Schaltvermögen bei hohen Strömen in allen Spannungsebenen erfordert eine hohe Zuverlässigkeit der Stromnetzkomponenten. Die Entwicklung von Schaltgeräten, auf hohem technischen Niveau und unter Berücksichtigung der Umweltverträglichkeit, benötigt die Einbeziehung komplexer, physikalischer Plasmamodelle und fortgeschrittener, experimenteller Diagnostik. Der Einsatz dieser Methoden für die Design- und Parameteroptimierung ermöglicht eine signifikante Zeit- und Kostenersparnis bei der Schalterentwicklung.

Für die Untersuchungen an hochdynamischen Schaltlichtbogenplasmen werden kombinierte Diagnostikmethoden, einschließlich optischer Emissions- und Absorptionsspektroskopie, sowie Hochgeschwindigkeitskameratechniken eingesetzt. Die Bestimmung von Plasmaparameter, wie z.B. Temperatur oder Zusammensetzung erfolgt durch Zusammenführung komplementärer Methoden einschließlich der Plasma- und Strahlungssimulation.  Neben dem Verhalten des Lichtbogens sowie seiner Wechselwirkung mit Elektroden und Wänden und der Zünd- und Löschvorgänge stehen Untersuchungen zur Erosion und Oberflächentemperatur der Elektroden und Wände aktuell im Vordergrund. Es werden insbesondere Vakuumbögen und abbrandbestimmte Bögen untersucht.

Konventionelle Schweißverfahren erfordern signifikante Innovationen, um unter steigenden Qualitätsansprüchen als kostengünstige Technologie auch für neuartige Materialien konkurrenzfähig zu bleiben. Prozesssicherheit und -effizienz sind charakteristische Merkmale moderner Schweißtechnologien. Ein detailliertes Verständnis der Plasmaeigenschaften und Kenntnisse der Wechselwirkung zwischen Lichtbogen, Substrat und Elektroden sind für die Entwicklung solcher innovativen Schweißverfahren unabdingbar.

Einen Forschungsschwerpunkt bildet die Qualifizierung optischer und spektroskopischer Diagnostikmethoden für Messungen an hochdynamischen und unsymmetrischen Objekten unter Prozessbedingungen einschließlich der notwendigen Datenbearbeitung. Dabei stehen neben dem Lichtbogen selbst die Entwicklung von Lichtbogenansätzen an Elektroden, die Bildung von Metalldämpfen, der Materialtransfer und das Schmelzbad im Fokus. Die Ermittlung räumlich und zeitlich hochaufgelöster Daten wird insbesondere durch Hochgeschwindigkeitskameratechnik, die Kombination spektral selektiver Aufnahmen und geometrische Rekonstruktionen erreicht.  Eine besondere Bedeutung kommt diesen Daten für die Validierung von Lichtbogenmodellen und Schweißprozesssimulationen zu (siehe Beitrag Modellierung und Simulation). Weiterhin gestatten die Verfahrensentwicklungen die Ableitung von praxistauglichen Methoden für eine online Prozessüberwachung etwa mit Photodioden (siehe Beitrag Optische Sensoren).

Für besondere Anwendungsfälle wie z.B. das Unter-Pulver-Schweißen werden spezialisierte Ansätze entwickelt, um die vom Pulver verdeckten Prozesse in der Lichtbogenkaverne beobachten und analysieren zu können.

Die Ergebnisse der Grundlagenforschung fließen in die Weiterentwicklung innovativer Prozessführungskonzepte, wie z.B. Laser-unterstütztes Schweißen und Unter-Pulver-Schweißen, mit ein. Durch die Erhöhung der Stabilität, Zuverlässigkeit und Effizienz dieser Prozesse schaffen die Forschungsarbeiten des INP hierzu einen wesentlichen Mehrwert für industrielle Anwendungen. 

Teilentladungen, als ein permanenter Begleiter aller Hochspannungsanwendungen, führen zu fortschreitenden Alterungserscheinungen und letztendlich zum Versagen der Hochspannungskomponenten des Stromnetzes, wie z.B. Transformatoren, Mittelspanungskabel, Isolationen von Leistungselektronik sowie Komponenten des Verteilungsnetzes. Kenntnisse über die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse spielen eine wesentliche Rolle bei der adäquaten Zustandsbewertung und realistischen Vorhersage der Lebensdauer der Anlagen.

Für die Analyse von Teilentladungsaktivitäten wird eine breitbandige elektrische Diagnostik (>1 GHz) in Kombination mit einer hochempfindlichen optischen Diagnostik, wie z.B. iCCD-Kameras, optische Emissionsspektroskopie und Photomultiplier, eingesetzt. Die Korrelation zwischen elektrischen und optischen Signalen ist Gegenstand aktueller Untersuchungen.

Das von Plasmen emittierte Licht enthält wesentliche Informationen über deren Temperatur, Zusammensetzung und Druck. Die Auswertung von räumlichen und zeitlichen Abhängigkeiten dieser Parameter liefert Aussagen über das Plasma selbst, ihre Wechselwirkung mit der umgebenden Materie sowie den Einfluss auf Mensch und Umwelt. Eine In-situ Analyse dieser Daten erlaubt einerseits eine präzise und stabile Prozessführung und Erhöhung der Effizienz, und andererseits eine Verbesserung der Arbeitssicherheit und Verringerung der Umweltbeeinflussung. So wird aktuell an der Kontrolle der Rauchemission bei Metallschutzgasschweißprozessen unter Einsatz von spektral selektiven optischen Sensoren gearbeitet.

Die optische und insbesondere pyrometrische Diagnostik von Oberflächenstrahlung bietet ein noch weitgehend ungenutztes Potential für die Kontrolle und Steuerung von Füge- und Auftragsprozessen mittels Lichtbogen oder Laser. Hier gilt es, neben Temperaturfeldern von Werkstücken und Fügenähten auch Temperaturen von Schmelzen zuverlässig und ungestört von der Lichtbogen- bzw. Laserstrahlung aus der spezifischen Oberflächenstrahlung zu ermitteln.

Die Erarbeitung entsprechender optischer Mess- und Kontrollkonzepte unterstützt maßgeblich die Qualifizierung von Lichtbogen- und Laserprozessen für Industrie 4.0 und besitzt auch ein hohes Potential für die Qualitätskontrolle bei Prozessen der generativen Fertigung.

Die experimentelle Diagnostik wird durch numerische Simulationen und Modellierung unterstützt. Trotz etablierter Technologien und langjähriger Forschung fehlen detaillierte Kenntnisse über spezifische Eigenschaften und physikalische Zusammenhänge in den Lichtbogenplasmen. Diese Tatsache verhindert technologische Innovationen maßgeblich. Detaillierte physikalische Modelle, die eine genaue Beschreibung der relevanten Prozesse beinhalten, liefern die nötigen Informationen und entsprechenden Erkenntnisse. Im Fokus aktueller Forschung steht die Erarbeitung von Nichtgleichgewichtsplasmamodellen für thermische Plasmen, Vakuumplasmen und partielle Entladungen. Simulationen von Lichtbögen und Elektroden, unter Berücksichtigung der Abweichungen vom thermischem, chemischem und Ionisation-Gleichgewicht im Lichtbogen und den Elektrodenrandschichten sowie der Einbeziehung von Verdampfungsprodukten wie insbesondere Metalldämpfen, führen neben dem Erkenntnisgewinn bezüglich relevanter Mechanismen zu einer besseren Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment. Dies erlaubt die Entwicklung von realistischen Simulationstools für die Design- und Parameteroptimierung.  


Projektthemen

Eine maßgebliche Verbesserung von Prozesseffizienz und Zuverlässigkeit von lichtbogenbasierten Technologien, wie z.B. dem Schweißverfahren oder Gas- und Vakuumschalter, erfordert detaillierte Kenntnisse über die Eigenschaften und Dynamik relevanter Plasmen. Besondere Aufmerksamkeit verdienen hierbei die plasmaangrenzenden Bereiche, wie z.B. Elektroden und Wände. Die Wechselwirkung zwischen Plasma und umgebendem Medium ist von großer Bedeutung in allen lichtbogenbasierten Technologien. Die Analyse der physikalischen Prozesse von Lichtbogenplasmen und deren Umgebung mit Hilfe von optischer Diagnostik und numerischen Modellen steht im Fokus des Grundlagenprojektes. Die Bestimmung der Plasmaeigenschaften, wie z.B. Temperatur und Zusammensetzung, erfolgt unter dem Einsatz von kombinierten spektroskopischen Methoden.  Die Auswertung der Linienstrahlung der Atome und Ionen beispielsweise erweitert den Einsatzbereich optischer Emissionsspektroskopie für breitere räumliche Gebiete und Zeitabschnitte. Tomographische Methoden werden unter Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameratechnik für Studien an unsymmetrischen Lichtbögen angewendet. Die Absorptionsspektroskopie wird als eine Methode für quantitative Untersuchengen der kalten Plasmaregionen und angrenzenden Gebiete etabliert.

Projektleiter:
Dr.-Ing. Diego Gonzalez
Tel.: +49 3834 - 554 3959
diego.gonzalezinp-greifswaldde

 

Elektrische Kontaktöffnungsentladungen sind eine potenzielle Zündquelle für brennbare Gasgemische. Elektrische Betriebsmittel, die Kontaktentladungen erzeugen können, müssen daher bei einem Einsatz in explosionsfähigen Atmosphären Sicherheitsanforderungen entsprechen, wie beispielsweise der in der internationalen Norm IEC 60079-11 dokumentierten Zündschutzart „Eigensicherheit“. Eine Beurteilung für den sicheren Einsatz der elektrischen Betriebsmittel in explosiven Atmosphären kann mit Hilfe des sogenannten „Funkenprüfgerätes“ erfolgen. In diesem werden elektrische Entladungen in einem Wasserstoff-Luft-Gasgemisch erzeugt, jedoch streuen die Ergebnisse und sind schlecht reproduzierbar. Für die Entwicklung einer Alternative zum „Funkenprüfgerät“ mit besser reproduzierbaren Ergebnissen werden aktuell die physikalischen Zusammenhänge der elektrischen Kontaktöffnungsentladungen analysiert und ein multiphysikalisches Modell entwickelt. Das Projekt wird als Kooperation von PTB Braunschweig, TU Ilmenau und INP durchgeführt. Das INP ist mit seiner Expertise in der Diagnostik und Modellentwicklung von Plasmen beteiligt.
Gefördert von der DFG

Projektleiter:
Dr.-Ing. Diego Gonzalez
Tel.: +49 3834 - 554 3959
diego.gonzalezinp-greifswaldde

 

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Moderne Gasleistungsschalter als zentrales Sicherheitselement in Energieversorgungsnetzen basieren auf dem Selbstblasprinzip. Hierbei wird der Abbrand von Düsenmaterial infolge der Strahlung des Schaltlichtbogens zum Druckaufbau in einem Heizvolumen und zwecks Löschung des Lichtbogens zur Beblasung eingesetzt. Ein Schwerpunkt in der Schalterentwicklung ist der Ersatz des klimaschädlichen Löschgases Schwefelhexafluorid z.B. durch Kohlenstoffdioxid. Für das Schaltvermögen dieser Schalter sind der Zeitbereich um den Stromnulldurchgang sowie die Phase unmittelbar danach von besonderer Bedeutung. Effekte wie die Strömungsumkehr im Heizkanal, der Wechsel von einem Abbrand bestimmten zu einem axial beblasenen Bogen, die Bogenlöschung und ein Ausdampfen des Düsenmaterials sind bisher nur unzureichend verstanden. Ziel des Vorhabens ist die Untersuchung dieser Effekte und ihrer Wirkung auf das transiente Verhalten und die dielektrische Wiederverfestigung der Schalttrecke einschließlich einer vollständigen Modellierung auf Basis von Schaltersimulationen. An einem praxisnahen Modellschalter betrieben mit Spitzenströmen von einigen Kiloampere werden drei experimentelle Methodengruppen eingesetzt: eine über den gesamten Zeitbereich ortsaufgelöste Widerstandsmessung der Lichtbogenstrecke, die optische Emissionsspektroskopie der Lichtbogenstrahlung sowie die absorptionsspektroskopische Analyse der Düsenevaporation. Ergänzend erfolgen Simulationen der Schaltstrecke einschließlich der Quantifizierung der Düsenevaporation nach dem Stromnulldurchgang. Basierend auf den Eingangsdaten aus den Simulationen (Temperatur, Dichte Gaszusammensetzung) erfolgt schließlich die Modellierung der dielektrischen Festigkeit und des ortsaufgelösten Verlaufs des Durchschlagspfads. Gefördert von der DFG, 01/2016 bis 12/2017

Projektleiter:
Dr. Steffen Franke
Tel.: +49(0) 3834 554 3839
steffen.frankeinp-greifswaldde

 

Lichtbogenplasmen besitzen nach wie vor einen breiten Anwendungsbereich in industriellen Prozessen und Anlagen. Jedoch ist das Verständnis der physikalischen Mechanismen in elektrischen Lichtbögen und deren komplexe Wechselwirkung immer noch unvollständig. Zur Beschreibung des stark gekoppelten und nichtlinearen physikalischen Problems werden Vereinfachungen wie z. B. die Annahme lokalen thermodynamischen Gleichgewichts, die Drift-Diffusions-Näherung oder die vereinfachte Form des Ohm’schen Gesetzes in Betracht gezogen. Diese Voraussetzungen versagen insbesondere bei kleinen Strömen (unter 50 A) und kurzen Bogenlängen (unter 2 mm).

Das Ziel dieses Projektes ist es, eine neuartige, gleichgewichtsferne Beschreibung von Lichtbögen und deren Wechselwirkung mit den Elektroden bei niedrigen elektrischen Stromstärken und kurzen Bogenlängen zu erarbeiten und eine entsprechende Modellierung durchzuführen. Mittels sorgfältiger Analyse der physikalischen Prozesse und Eigenschaften des Bogenplasmas werden Erkenntnisse über die räumliche und zeitliche Entwicklung insbesondere von Bogenplasmen, deren Bogenlänge sich bis auf wenige Millimeter verkürzt, gewonnen. Die Ergebnisse des Projekts werden in technologischer Hinsicht wertvoll sein. So können z. B. etablierte Verfahren wie das Kurz- und Mikrolichtbogenschweißen, neue Verfahren wie die generative Fertigung mit Lichtbogenschweißprozessen und die Entwicklung von Niederspannungsschaltgeräten von den neuen Erkenntnissen und der Modellierung profitieren.

Gefördert von der DFG

Projektleiter:
Dr. Margarita Baeva
Tel.: +49(0) 3834 554 3823
baevainp-greifswaldde

 

Im Rahmen des BMBF Verbundvorhabens „MOMOS“ („Multiphysics Online/Offline Monitoring System - MOMOS") werden mithilfe eines Ansatzes, der physikalische und ingenieur-technische Expertise vereint, Teilentladungsphänomene analysiert, welche an Betriebsmitteln von Stromnetzen auftreten. Dabei fließen Erkenntnisse und Erfahrungen aus der Plasmatechnologie ein, die sich z.T. mit Gasentladungen im ähnlichen Parameterbereich beschäftigen. Ein Ziel des Vorhabens ist es zu verstehen, wie einzelne Stressmechanismen unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen die Ausbildung von Teilentladungen beeinflussen. Der Einfluss der Alterungserscheinungen auf die Entladungsaffinität und -aktivität unter typischen Arbeitsbedingung soll geklärt werden. Dieses Wissen ist letztlich die Voraussetzung für die Verbesserung der Instandhaltung und der Sicherung von Stromnetzwerken.

Als Resultat soll ein modernes Monitoring System konzipiert werden, das zur Zustandsbewertung der Stromnetzkomponenten während ihrer Betriebsdauer eingesetzt werden kann. Derartige Monitoring Systeme könnten u.a. bei Offshore Anwendungen zum Einsatz kommen und mittels Datenfernübertragung Informationen zum Anlagenzustand liefern.

Projektleiter:
Dr. Sergey Gortschakow
Tel.: +49 3834 - 554 3820
sergey.gortschakow@inp-greifswald.de

Das Projekt zielt auf die Beschreibung der Wechselwirkung von Lichtbögen und Elektroden beim Lichtbogenschweißen ab. Insbesondere sollte die Entstehung der Lichtbogenfußpunkte und der Schichtspannungen sowie die daraus resultierende Energieumsatz auf die Elektroden durch ein Modell für die TIG und GMAW Verfahren bestimmt werden. Der Schwerpunkt wird auf die Auswirkung sowie auf die präzise Beschreibung der Metallverdampfung an den Elektroden gelegt.
Die Projektarbeit konzentriert sich auf die Entwicklung eines Nichtgleichgewichtsmodells für Argon-Eisen Metalldampfmischung, das eine kontinuierliche Beschreibung des Lichtbogenplasmas vom Zentrum, wo es sich in der Nähe des lokalen thermodynamischen Gleichgewichtszustands (LTE) befindet, bis hin zu den Elektrodengebieten, wo insbesondere deutliche Abweichungen vom thermischen, chemischen und Ionisationsgleichgewicht auftreten. Basierend auf einer Magneto-Hydro-Dynamischen Mehrfluidsimulation des Plasmas und der Wärme- und Strombilanzen der Elektroden einschließlich der Emissionsmechanismen an den Elektrodenoberflächen werden die Struktur der Lichtbogenfußpunkte sowie die Elektrodenverdampfung in einer selbstkonsistenten Beschreibungsweise bestimmt.

Die Simulationsergebnisse sollten ein deutlich verbessertes Verständnis der Fußpunktcharakteristik in TIG- und GMAW-Prozessen sowie verbesserte Beziehungen von Lichtbogenlänge, Strom und Gesamtspannung liefern, die unter anderem für die Steuerung des Schweißprozesses für weitere Untersuchungen verwendet werden können.

 

Gegenstand des Vorhabens ist die Beschreibung der Interaktion des Lichtbogens mit den Elektroden in Lichtbogenschweißprozessen. Für die Beispiele eines Wolfram-Inertgas-Prozesses (WIG) und eines Metall-Inertgasprozesses (MIG) von Stahl werden die Bogenansätze und Schichtspannungen sowie der resultierende Energietransfer auf die Elektroden mit einem Modell konsistent erfasst. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Wirkung und konsistente Beschreibung der Metallverdampfung an den Elektroden.

Im Fokus der Arbeiten steht die Entwicklung eines Nichtgleichgewichtsmodells für Argon-Eisendampf-Gemische. Dieses Modell gewährleistet eine kontinuierliche Beschreibung des Lichtbogenplasmas vom Zentrum nahe dem lokalen thermodynamischen Gleichgewicht (LTG) bis hin zu den Zonen vor den Elektroden, welche durch erhebliche Abweichungen vom thermischen, chemischen und Ionisationsgleichgewicht gekennzeichnet sind. Auf Basis einer magneto-hydrodynamischen Mehrflüssigkeitssimulation des Plasmas, der Wärme- und Strombilanzen in den Elektroden sowie der Emissionsmechanismen der Elektrodenoberflächen werden die Ausbildung der Bogenansätze und die Metallverdampfung selbstkonsistent erfasst.

Erwartet wird aus den Ergebnissen ein wesentlich verbessertes Verständnis der Bogenansatzformen im WIG- und MIG-Prozess sowie signifikant verbesserte quantitative Relationen von Lichtbogenlänge, Strom und Gesamtspannungsabfall, welche für weiterführende Untersuchungen u.a. zu Prozesssteuerungen an den Schweißprozessen zur Verfügung stehen.

Gefördert von der DFG, 01/2015 bis 05/2017

Projektleiter:
Prof. Dr. Dirk Uhrlandt
Tel.: +49 3834 - 554 461
uhrlandtinp-greifswaldde

Die Einhaltung der Lichtbogenlänge beim Metallschutzgasschweißen ist eine wichtige Voraussetzung bei Regelungskonzepten in Schweißstromquellen zur Einstellung robuster Schweißprozesse. Basis für die Bestimmung der Lichtbogenlänge bilden heute Annahmen und statistische Informationen aus den Strom-Spannungsverläufen. Bisherige Modellvorstellungen, in denen hauptsächlich die Lichtbogensäule als veränderliche Größe betrachtet wird, weisen Defizite auf, da die Fallgebiete maßgeblich für den Energieeintrag und damit für zusätzliche Spannungsschwankungen verantwortlich sind.

Ziel des Projektes ist die experimentelle Analyse der Wirkstrecke Kontaktrohr-Draht-Tropfen-Lichtbogen-Werkstück. Die Bereiche der Wirkstrecke werden separiert betrachtet, in dem die unterschiedlichen Zeitskalen der zugrundeliegenden physikalischen Vorgänge bestimmt und analysiert werden. Als technologisch nutzbares Ergebnis dieser Grundlagenuntersuchungen steht nach Abschluss der Arbeiten eine Beschreibung dieser Wirkstrecke in Form eines Ersatzschaltbildes zu Verfügung, welches das Verhalten der Untersysteme dynamisch und interdependent aufzeigt. Im Gegensatz zum bisherigen Ansatz bieten die Ergebnisse einer solchen phänomenologischen Systembeschreibung die Basis zur Verbesserung der Lichtbogenlängenregelungen beim MSG-Schweißen.

Gefördert von der DFG, 10/2015 bis 12/2017

Projektleiter:
Prof. Dr. Dirk Uhrlandt
Tel.: +49 3834 - 554 461
uhrlandtinp-greifswaldde

Publikationen


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