Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2007

Universiẗat, Diss., 2000--Freiburg (Breisgau).

Thesis (doctoral)--Technische Universität, Ilmenau, 2000.

Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2007

Universiẗat, Diss., 1999--Freiburg (Breisgau).

Die vorliegende Arbeit behandelt Aspekte der Verschlackung von MgO in sekundärmetall-urgischen Schlacken. Mittels FactSage© wird eine Berechnung der Löslichkeit von MgO in Kalksilikat- und Kalkaluminatschlacke bei 1600, 1650 und 1700°C durchgeführt. Die Ergebnisse werden leicht handhab- und ablesbar dargestellt. Die Verschlackung eines porösen MgO-Probekörpers in einer an MgO ungesättigten und an MgO gesättigten Kalkaluminat-schlacke wird bei 1600°C thermogravimetrisch verfolgt. Der Verschlackungsvorgang wird maßgeblich durch die Mechanismen der Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung in der infiltrierten Mikrostruktur beeinflusst. Das komplexe Zusammenspiel von Zerfall und Auflösung wird nach einem Modell von W. Gans an feuerfestes Material (MgO) angepasst und modelliert. Der Einfluss von Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung auf den voreilenden Verschleiß im 3-Phasenkontakt (Marangoni-Konvektion) wird quantifiziert. Ferner wird ein einfaches Modell zur Abschätzung des voreilenden Verschleißes dargelegt.

In this study, thermocapillary-driven convection around a gas bubble under a horizontal heated wall is experimentally investigated under gravitational conditions. The thermocapillary convective flow under conditions beyond the laminar steady state towards turbulent flow is explored in detail. Generally, Marangoni convection is more critical and important under microgravity conditions rather than on earth. Under low gravity, this surface tension induced flow can dictate both heat and mass transfer processes. Thus, thermocapillary convection should be considered by manufacturers during material production processes in space. Moreover, temperature gradients can be purposefully used to eliminate or move bubbles or drops suspended in liquid materials. In addition to that, thermocapillary convective flow appears in many other applications like manufacturing of single-walled carbon nanotubes and mono crystal production, to mention only few examples. Researchers have always seen Marangoni convection as an interesting topic for both numerical and experimental studies. Regarding the configuration of the injected gas bubble under a horizontal heated wall, this physical problem is mainly characterized by a dimensionless number that represents the ratio of convective heat flow induced by capillary convection to the heat transfer due to conduction which is termed Marangoni number (Mg). The past decade has seen different approaches to describe the flow behaviour at high Marangoni numbers. The thermocapillary flow has been mainly investigated and categorized regarding a stable laminar behaviour and a non-laminar one, which is characterized by periodic or non-periodic oscillations. Through previous studies, the point of the transition of the thermocapillary flow from the periodic oscillatory zone to the non-periodic one has been well investigated. However, there is a lack of information about this non-periodic behaviour at very high temperature gradients. Therefore, in the current study, our experimental investigations focus mainly on exploring different factors affecting the non-periodicity of the Marangoni convection and on explaining how this flow behaves under conditions above the transitional Marangoni number (Mg tran ). The experimental work was launched using a PIV technique and shadowgraphy. In addition to that, temperature measurements at different locations in the matrix fluid around the air bubble were conducted to determine the undisturbed temperature gradients at different boundary conditions. The transient observation of both velocity and temperature measurements at locations near the bubble allowed deeper insight in the behaviour of the thermocapillary bubbleconvection. Moreover, through shadowgraphy, a qualitative evaluation of the fluid flow periodicity around the gas bubble was achieved. The implementation of experiments inside a pressure chamber under gauge pressure conditions formed a novel methodology to enable us conducting experiments under higher temperature gradients in order to reach high Marangoni numbers. The thermocapillary bubble convection was categorized into laminar, periodic oscillatory, and non-periodic oscillatory flow. The periodic fluid flow oscillations were categorized in symmetric and asymmetric ones depending on the different applied boundary conditions. The non-periodic fluid flow oscillations around the gas bubble were also achieved at high temperature gradients for different bubble aspect ratios. We proved that for every bubble size, the non-periodic oscillatory state of the fluid flow around the gas bubble undergoes four different modes (A-D). The last one (phase D) is a developed turbulent state starting at Mg- numbers of 75000 for the smallest bubble aspect ratio of 1.2 up to the maximal measured Mg- number of 140000 for a bubble aspect ratio of 2.3. Hence, turbulent thermocapillary bubble convection was realized and studied in our experimental configuration. Moreover, the thermocapillary flow driving velocities at the bubble periphery were measured at different boundary conditions. This study clearly demonstrates that it is the high magnitude of the driving velocity that initiates the interactions between thermocapillary flow vortices leading finally to a highly developed oscillation mode (turbulent state) and that buoyancy plays a secondary role in the described flow configuration.:1 INTRODUCTION 2 LITERATURE REVIEW 3 EXPERIMENTAL SETUP AND METHODOLOGY 4 RESULTS AND DISCUSSION 5 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS / In dieser Arbeit wird die thermokapillare Konvektion um eine Gasblase unter einer horizontal beheizten Wand unter Gravitationsbedingungen experimentell untersucht. Diese thermokapillare konvektive Strömung jenseits des laminaren stationären Zustands in Richtung turbulenter Strömung steht in dieser Arbeit im Fokus. Im Allgemeinen ist die Marangoni-Konvektion unter Schwerelosigkeitsbedingungen kritischer und wichtiger als auf der Erde. Unter geringen Schwerkraftkräften kann diese durch Oberflächenspannung induzierte Strömung sowohl Wärme- als auch Stoffübergangsprozesse maßgeblich bestimmen. Daher sollte die thermokapillare Konvektion bei Materialproduktionsprozessen im Weltraum berücksichtigt werden. Darüber hinaus können Temperaturgradienten gezielt angewendet werden, um in flüssigen Materialien suspendierte Blasen oder Tropfen zu entfernen oder zu bewegen. Außerdem tritt thermokapillare Strömung in vielen anderen Anwendungen auf, beispielsweise bei der Herstellung von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren oder der Herstellung von Einkristallen, um nur einige Beispiele zu nennen. Forscher haben die Marangoni-Konvektion immer als ein wichtiges und interessantes Thema für numerische und experimentelle Studien betrachtet. In Bezug auf die Konfiguration der injizierten Blase unter einer horizontal beheizten Wand wird dieses physikalische Problem hauptsächlich durch eine dimensionslose Kennzahl, die das Verhältnis des durch Kapillarkonvektion induzierten konvektiven Wärmeübertragungs zur Wärmeübertragung durch Leitung darstellt und als Marangoni-Zahl (Mg) bezeichnet wird, definiert. In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene Ansätze zur Beschreibung des Strömungs-Verhaltens bei höheren Marangoni-Zahlen verfolgt. Dabei wurde die Thermokapillarströmung grundsätzlich in ein stabiles laminares und ein nicht laminares (oszillierendes) Verhalten, das durch periodische oder nicht periodische Geschwindigkeit- und Temperatur-Fluktuationen gekennzeichnet ist, eingeteilt. Durch frühere Studien wurde das Regime des Übergangs des thermokapillaren Verhaltens von der periodischen Schwingungszone zur nichtperiodischen gut untersucht. Es fehlen jedoch immer noch detaillierte Informationen über das nichtperiodische Verhalten bei sehr hohen Temperaturgradienten. Daher konzentrieren sich unsere experimentellen Untersuchungen in der vorliegenden Studie hauptsächlich auf die Untersuchung verschiedener Faktoren, die die Nichtperiodizität der konvektiven Thermokapillarströmung beeinflussen, und auf eine Klärung, wie sich diese Strömung unter verschiedenen Randbedingungen über der kritischen Marangoni-Zahl (Mg c ) verhält.Die experimentelle Arbeit wurde sowohl mit einer PIV-Technik als auch mit der Shadowgraph- Technik durchgeführt. Darüber hinaus waren Temperaturmessungen auf Sensorbasis an verschiedenen Stellen in der verwendeten Flüssigkeit um die Luftblase geeignet, um die ungestörten Temperaturgradienten bei verschiedenen Randbedingungen zu bestimmen. Die zeitabhängige Messung sowohl von Geschwindigkeiten als auch von Temperaturen an Orten in der Nähe der Blase lieferte Informationen über das Verhalten der Konvektion der thermokapillaren Strömung. Darüber hinaus wurde durch die Shadowgraph-Technik eine qualitative Bewertung der Fluidströmungsperiodizität um die Blase ermöglicht. Die Durchführung von Experimenten in einer Druckkammer unter Überdruck-Bedingungen bildet eine neuartige Methode, um solche Experimente unter höheren Temperaturgradienten durchzuführen und höhere Marangoni-Zahlen zu erreichen. Die thermokapillare Blasenkonvektion wurde in dieser Arbeit in laminaren stetigen Flüssigkeitsströmungen, periodischen und nichtperiodischen oszillierenden Flüssigkeitsströmungen eingeteilt. Die periodischen Fluidströmungsschwingungen wurden in Abhängigkeit von unterschiedlichen Randbedingungen in symmetrische und asymmetrische eingeteilt. Die nichtperiodischen Strömungsoszillationen um die Gasblase wurden auch bei hohen Temperaturgradienten für verschiedene Blasenaspektverhältnisse erreicht. Wir konnten zeigen, dass für jede Blasengröße der nichtperiodische Schwingungszustand der Strömung um die Gasblase vier verschiedene Modi (A-D) besitzen kann. Die letzte (Phase D) ist ein hoch entwickelter turbulenter Zustand, der bei Mg-Zahlen von 75000 für das kleinste Blasenaspektverhältnis von 1,2 bis zur maximal gemessenen Mg-Zahl von 140000 für das Blasenaspektverhältnis von 2,3 beginnt. Der ausgebildete turbulente Zustand der thermokapillaren Strömung konnte mit unserer experimentellen Konfiguration erstmalig erreicht werden. Darüber hinaus konnten die Antriebsgeschwindigkeiten der thermokapillaren Strömung an der Peripherie der Blase bei verschiedenen Randbedingungen gemessen werden. Diese Studie zeigt deutlich, dass es die Höhe der Antriebsgeschwindigkeit ist, welche die Wechselwirkungen zwischen thermokapillaren Strömungswirbeln unterschiedlicher Größe antreibt, die schließlich zu chaotischen Schwingungen der im Folgenden beschriebenen Grenzlinie führen. Diese Studie zeigt auch, dass die Auftriebskonvektion in der beschriebenen Strömungskonfiguration eine untergeordnete Rolle spielt.:1 INTRODUCTION 2 LITERATURE REVIEW 3 EXPERIMENTAL SETUP AND METHODOLOGY 4 RESULTS AND DISCUSSION 5 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS

Die vorliegende Arbeit behandelt Aspekte der Verschlackung von MgO in sekundärmetall-urgischen Schlacken. Mittels FactSage© wird eine Berechnung der Löslichkeit von MgO in Kalksilikat- und Kalkaluminatschlacke bei 1600, 1650 und 1700°C durchgeführt. Die Ergebnisse werden leicht handhab- und ablesbar dargestellt. Die Verschlackung eines porösen MgO-Probekörpers in einer an MgO ungesättigten und an MgO gesättigten Kalkaluminat-schlacke wird bei 1600°C thermogravimetrisch verfolgt. Der Verschlackungsvorgang wird maßgeblich durch die Mechanismen der Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung in der infiltrierten Mikrostruktur beeinflusst. Das komplexe Zusammenspiel von Zerfall und Auflösung wird nach einem Modell von W. Gans an feuerfestes Material (MgO) angepasst und modelliert. Der Einfluss von Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung auf den voreilenden Verschleiß im 3-Phasenkontakt (Marangoni-Konvektion) wird quantifiziert. Ferner wird ein einfaches Modell zur Abschätzung des voreilenden Verschleißes dargelegt.

In der serienmäßigen Verarbeitung von hochfesten Feinkornbaustählen zeigte sich, dass verschiedene Stähle gleicher Festigkeitsklasse zu stark unterschiedlichen Schweißergebnissen beim Laserstrahltiefschweißprozess führen können. Die materialbedingten Einflüsse auf das Schmelzbadverhalten sind bisher in keiner bekannten Forschungsarbeit untersucht worden. Diese Arbeit erweitert die bisherige Forschung mit neuen Erkenntnissen aus umfangreichen Materialanalysen und Schweißversuchen. Dadurch wurde es möglich, ein ganzheitliches Erklärungsmodell der materialbedingten Einflüsse beim Laserstrahltiefschweißprozess zu beschreiben. Diese Arbeit fokussierte sich einerseits auf die Analyse der chemischen Zusammensetzung der Grundmaterialien und die Auswirkungen der Legierungselemente auf die Schweißnahtvorbereitung in Kombination mit dem Vorprozess Laserstrahlbrennschneiden. Andererseits wurde gezielt die Auswirkung der chemischen Grundmaterialzusammensetzung auf das Schmelzbadverhalten im Laserstrahltiefschweißprozess untersucht. Dabei wurden die Blechstärken so variiert, dass durchgeschweißte und nicht durchgeschweißte I-Naht-Verbindungen, geschweißt unter konstanten Schweißbedingungen, analysiert werden konnten. Die Schweißparameter und der Hilfsstoffeinsatz wurden dabei konstant gehalten, sodass Vergleichsanalysen der Schweißergebnisse möglich waren. Bei durchgeschweißten Stößen wurde die Schmelzbadoberfläche, aber auch die Schmelzbadunterseite per Hochgeschwindigkeitskamera inkl. Laserlichtfilter analysiert. Bei nicht durchgeschweißten Stößen wurde die Wirkung der verschiedenen Schnittkantenzustände auf das Einschweißverhalten und die Einbrandgeometrie an mehr als 100 Makroschliffen untersucht. Die Untersuchungen zeigten, dass die Art der Schnittkantenbehandlung nach dem Laserstrahlbrennschneidprozess materialbedingt zu unterschiedlichen Schnittkantenzuständen führt. Diese können in weiterer Folge die Schweißergebnisse stark beeinflussen. Auch bei mechanisch bearbeiteten Schweißnahtvorbereitungen wurden grundwerkstoffbedingte Unterschiede in der Einbrandform und im Erstarrungsgefüge nachgewiesen. Unbehandelte und somit schnittoxidbehaftete Schnittkanten bzw. auch Schweißnahtvorbereitungen mit manuell aufgetragenem SiO2 führen zu einer Stabilisierung der Dampfkapillare und erhöhen die Einschweißtiefe signifikant. Die positive Wirkung von Oxiden, welche direkt in der Schweißfuge dem Schmelzbad zugeführt werden, wurden mit den experimentellen Versuchen in dieser Arbeit erstmals nachgewiesen. Bei den gewählten Schweißparametersätzen stellen die Oxide in der Schweißfuge die dominierende Einflussmöglichkeit beim Laserstrahltiefschweißprozess dar. Vergleiche der mechanisch-technologischen Verbindungseigenschaften bei unterschiedlichen Schnittkantenzuständen und Schweißversuche mit unterschiedlichen Schutzgaszusammensetzungen zeigten die Auswirkungen der verschiedenen Fugenvorbereitungen auf die Schweißergebnisse. Durch die Kombination der bisherigen Erkenntnisse aus der Forschung mit den neu gewonnenen Erkenntnissen aus dieser Arbeit, konnte ein ganzheitliches Erklärungsmodell aufgestellt werden, das die Einflüsse der Grundmaterialzusammensetzung entlang der Prozesskette beschreibt und die materialabhängigen Unterschiede der Schweißergebnisse aus dem Laserstrahltiefschweißprozess nachvollziehbar macht. Die Erkenntnisse dieser Arbeit ermöglichen ein erhöhtes Prozessverständnis und zeigen neue Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung in der Blechverarbeitungsprozesskette mit Lasertechnologien.:1 Einleitung 2 Zielsetzung 3 Stand der Technik 4 Experimentelles 5 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen 6 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 7 Schlussfolgerungen und Ausblick / In the industrial series processing of high-strength fine grain steels, it was found that different steels of the same strength class can lead to different welding results by the laser beam keyhole welding process. The material-related influences on the molten pool behavior have not yet been investigated in any known research. This research work extends the state of knowledge with new findings from extensive material analysis and welding tests. This new findings made it possible to describe a holistic explanatory model of the material-related influences in the laser beam keyhole welding of high-strength fine grain steels. On the one hand, this work focused on the analysis of the chemical composition of the base materials and the effects of the alloying elements on the weld preparation in combination with the laser cutting process. On the other hand, the effect of the chemical base material composition on the melt pool behavior during laser keyhole welding process was specifically investigated. The welding parameters and the use of filler material were kept constant so that comparative analysis of the welding results was possible. The sheet thicknesses were varied so that full penetration and partly penetration I-seam-butt-welds could be analyzed. While welding full penetration welds, the surface of the molten pool as well as the root of the melt pool was analyzed by a high-speed camera equipped with laser light filter. For the partly penetration welds, the effect of the different cutting edge conditions on the penetration depth and the weld penetration geometry was investigated on more than 100 macro sections. The investigations have shown that the type of cut edge treatment after the laser beam cutting process leads to different cutting edge conditions depending on the material. These different conditions can subsequently strongly influence the welding results. Base-material-related differences in the penetration shape and in the solidification structure were detected in the cross sections even on seams welded on mechanically processed edge preparations. After laser beam cutting, untreated and thus cut-oxide-containing cut edges lead to a stabilization of the keyhole and increase the penetration depth significantly. This effect could also be observed with manually applied SiO2 on the mechanically processed edge preparations before welding. The positive effects of oxides, which are existing directly in the weld preparation groove, were first detected with the experimental investigations during this work. With regard to the selected welding parameter sets, the oxides that are directly on the weld preparation edges are the dominant influence option in the laser beam keyhole welding process. Comparisons of the mechanical-technological joint properties at different cutting edge conditions and welding tests with different protective gas compositions showed the impacts of various joint preparations on the final welding results. By combining previous experience with the results of this work, a holistic explanatory model was developed, which describes the influence of the base material composition along the process chain and makes the material-dependent differences of the welding results of the laser beam keyhole welding process comprehensible. The findings of this work enable a better understanding of the process and show new possibilities for increasing efficiency in the concerned sheet metal processing chain with laser technologies.:1 Einleitung 2 Zielsetzung 3 Stand der Technik 4 Experimentelles 5 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen 6 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 7 Schlussfolgerungen und Ausblick

This thesis presents a modelling approach of laser welding process of aluminium alloy from the thermo-mechanical point of view to evaluate the occurrence of hot cracking based on simulation results and relevant criteria. The model was created stepwise in COMSOL Multiphysics, starting with the thermal model where heat conduction of solid and liquid phase was computed. Then the CFD model was created by involving the driving forces of liquid motion in the weld pool, i.e. natural convection and Marangoni effect. Lastly, the temperature profile calculated by the CFD model was loaded into the mechanical model for computation of thermal stress and strain. The mechanical results were required in  criteria for measuring the  susceptibility of hot cracking. The main findings include that Marangoni effect plays a dominant role in generating the fluid flow and convective heat flux in the weld pool, thus enhancing the heat dissipation and lowering temperature in the workpiece. By contrast, such temperature reduction caused by the air convection, radiation and natural convection is negligible. The welding track further from the clamped side experiences smaller transversal residual stress, but it does not necessarily suggest higher susceptibility to hot cracking according to the applied criteria. It can be concluded judging from current results that these first models of laser welding process work satisfactorily. There is still a work to do to obtain the full maturity of this model due to its limitation and some assumptions made for simplicity. / Denna avhandling presenterar en modelleringsmetod för lasersvetsningsprocessen av aluminiumlegering ur termomekanisk synvinkel för att utvärdera förekomsten av het sprickbildning baserat på simuleringsresultat och relevanta kriterier. Modellen skapades stegvis i COMSOL Multiphysics, med början med den termiska modellen där värmeledning av fast och flytande fas beräknades. Sedan skapades CFD-modellen genom att involvera drivkrafterna för flytande rörelse i svetsbassängen, dvs. naturlig konvektion och Marangoni-effekt. Slutligen laddades temperaturprofilen beräknad av CFD-modellen in i den mekaniska modellen för beräkning av termisk stress och töjning. De mekaniska resultaten krävdes i kriterier för att mäta känsligheten för het sprickbildning. De viktigaste resultaten inkluderar att Marangoni-effekten spelar en dominerande roll när det gäller att generera vätskeflödet och konvektivt värmeflöde i svetsbassängen, vilket förbättrar värmeavledningen och sänker temperaturen i arbetsstycket. Däremot är sådan temperaturreduktion orsakad av luftkonvektion, strålning och naturlig konvektion försumbar. Svetsbanan längre från den fastspända sidan upplever mindre tvärgående restspänning, men det föreslår inte nödvändigtvis högre känslighet för hetsprickning enligt de tillämpade kriterierna. Man kan dra slutsatsen utifrån aktuella resultat att dessa första modeller av lasersvetsningsprocesser fungerar tillfredsställande. Det finns fortfarande ett arbete att göra för att få full mognad för denna modell på grund av dess begränsning och vissa antaganden för enkelhetens skull.