Plasmadiagnostik und -modellierung am MSG-Lichtbogen

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Im Vorhaben ist die Analyse des Metall-Schutzgasschweißprozesses (MSG-Prozess) mit impulsförmiger Ansteuerung, schmelzenden Stahldrahtelektroden und dem Schutzgas Argon geplant. Ziel ist es, die plasmaphysikalischen Eigenschaften des Bogenplasmas in ihrer räumlichen Verteilung (radial und axial) und zeitlichen Dynamik zu ermitteln. Der Vergleich mit zugeordneten Magnetohydrodynamischen (MHD) Simulationen innerhalb des Clusters bietet hier einzigartige Möglichkeiten der Validierung. Der MSG-Prozess wird in einer experimentellen Anordnung nachgebildet und mit spektroskopischen Methoden untersucht. Als eine besondere Herausforderung wird die Temperaturbestimmung aus hochaufgelösten Aufnahmen von Linienprofilen gesehen, welche bisher nur bei Bogenplasmen weitaus geringerer Dynamik angewendet wurde. Entsprechend der Metallverdampfung von Fe-Elektroden mit Zumischungen von Mn und Si sind Diagnostiklinien geeigneter Intensität und optischer Tiefe sowie geringer Überlappung zu finden. Die Temperaturbestimmung wird durch Berechnungen von Zusammensetzungen, thermodynamischen und Transportgrößen, Strahlungstransport und Energiebilanzen ergänzt. Die Anpassung simulierter Linienprofile an die hochaufgelösten Messungen wird Informationen bzgl. Elektronen- und Gastemperatur, Elektronendichte und Linienverbreiterung liefern. Es werden wesentliche Rückschlüsse auf das Zeitverhalten und die räumliche Verteilung der Metallverdampfung, Strahlungsemission und des Strompfades sowie auf Abweichungen vom Lokalen Thermodynamischen Gleichgewicht (LTG) einschließlich ihrer Einflussfaktoren in der Prozessführung erwartet. Zusammensetzungen, thermodynamische und Transportdaten und Koeffizienten der Strahlungs-Nettoemission werden den MHD-Simulationen zur Verfügung gestellt. Zusätzlich ist auf Basis exakter Rechnungen eine Verbesserung der Strahlungstransportmodelle für die MHD-Simulation vorgesehen.