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Strömungstechnische Auslegungskriterien zur Erhöhung der Absaugeffektivität von integrierten Absaugbrennern in Zwangslagen

IGF-Nr. 17.990 N

Zur numerischen Analyse des strömungsmechanischen Verhaltens wurden Simulationen für 6 unterschiedliche Düsengeometrien durchgeführt: Modell 1, BF, CF-Schlitzdüse sowie DINSE – Standard, DINSE-Schlitz 1 und DINSE-Schlitz 2. Dabei galt das Hauptaugenmerk zunächst der Charakterisierung des Strömungsverhaltens sowie einer Weiterentwicklung eines möglichst einfachen und dennoch realistischen Modells zur Schweißrauchentstehung. Durch die schrittweise Weiterentwicklung, bzw. Verbesserung des Rauchmodels, konnte mit dem Rauchmodel 3 ein einfaches Modell erarbeitet werden, welches den Hauptentstehungsmechanismus der Umwandlung von Metalldampf in Metalloxid berücksichtigt. Die ersten numerischen Simulationen haben ergeben, dass BF eine bessere Absaugeffektivität besitzt und eine kleinere Ausbreitung von Schutzgas und Rauch aufweist. In den Simulationen für die CF-Schlitzdüse wurde unter anderem auch das Schutzgas variiert. Dabei ist festgestellt worden, dass Argon in den Positionen PA und PC eine bessere Schutzgasabdeckung als M21 besitzt. Das liegt daran, dass M21 andere Stoffdaten, im Besonderen der Dichte, besitzt. Der positive Einfluss eines steigenden Schutzgasvolumenstroms auf die Abdeckung des Lichtbogens konnte ebenfalls gezeigt werden. Die numerischen Untersuchungen der DINSE Düsen haben gezeigt, dass die Neigung des Brenners zum Werkstück dazu führen kann, dass in den Positionen PE und PC mit allen drei Düsengeometrien keine ausreichende Absaugung mehr erreicht werden kann. Der Hauptgrund liegt in der unzureichenden Erfassung der Schutzgasströmung durch die Absaugung. Dadurch gelangt Metalldampf aus dem Erfassungsbereich und wird dort in Rauch umgewandelt, wo eine Absaugung nicht mehr möglich ist. Eine Erhöhung der Metalldampfentstehungsrate führt zu einer erhöhten Rauchbildung und verringert erwartungsgemäß die Absaugeffektivität. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sowohl die Absaugdüsengeometrie als auch die Schwerkraft keinen Einfluss auf die Geschehnisse im Lichtbogen, etwa die Metalldampfentstehung oder das Temperaturfeld haben. Im Vergleich der Düsen untereinander konnte eine bessere Absaugeffektivität der DINSE-Schlitzdüsen gegenüber der DINSE-Standard in jeder Simulation erreicht werden, wobei Schlitz 1 noch leicht bessere Werte als Schlitz 2 lieferte. Die Untersuchungen lassen feststellen, dass bei gleichen Versuchsparametern mit der „CF-Schlitz“-Düse bessere Absaugeffizienz erreicht werden kann. Hier wurden die Reproduzierbarkeit der Emissionsrate beim Messen verbessert. Bei der Schweißposition PA 75° bringen die höheren Absaugstufen nur geringfügig bessere Absaugwerte. Durchgeführte Versuche und die Auswertung der Messungen zeigen, dass die Ar-Ausbreitung im Schweißbereich beim BF-Modell schmaler als beim Modell 1 ist. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrien zeigen die Temperaturverläufe bis zu einem Radius von 1 mm unterschiedliche Werte an. Diese Verläufe zeigen bei der Position PC ohne Absaugung noch stärkere Unterschiede.

Das Ziel des Projektes wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben 17.990 der Forschungsvereinigung Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V. Der DVS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Für diese Förderung und Unterstützung sei herzlich gedankt. Wir danken ebenfalls den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses für die Unterstützung und die intensiven Diskussionen.

 

Schlussbericht [1]

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