- An Plasmaschweißbrennern treten starke thermomechanische Beanspruchungen aufgrund der ablaufenden thermophysikalischen Teilprozesse auf. Diese können durch funktionsgerechte werkstoffliche, konstruktive und fertigungstechnische Brennergestaltung bewerkstelligt und die Thermobilanz und Lebensdauer der Brenner verbessert werden. - Anhand des entwickelten strömungs-thermomechanischen/magneto-hydro-dynamischen Simulationsmodells wurden werkstofflich-konstruktive Lösungsansätze für Entwicklung von physikalischen Prozesswirkprinzipien der betrachteten Plasma-Schweißprozessvarianten erarbeitet. - Differente Einflussgrößen des Plasmaschweißprozesses wurden erfasst, analysiert und ihre Wirkung auf Prozessverhalten und Brennerkonstruktion ermittelt. - Die damit gewonnenen Erkenntnisse wurden für werkstoffliche, technisch-konstruktive Brennerentwicklung bzgl. der Ausführungsgeometrien, Prozessgaszuführung und Brennerkühlung genutzt.

- An Plasmaschweißbrennern treten starke thermomechanische Beanspruchungen aufgrund der ablaufenden thermophysikalischen Teilprozesse auf. Diese können durch funktionsgerechte werkstoffliche, konstruktive und fertigungstechnische Brennergestaltung bewerkstelligt und die Thermobilanz und Lebensdauer der Brenner verbessert werden. - Anhand des entwickelten strömungs-thermomechanischen/magneto-hydro-dynamischen Simulationsmodells wurden werkstofflich-konstruktive Lösungsansätze für Entwicklung von physikalischen Prozesswirkprinzipien der betrachteten Plasma-Schweißprozessvarianten erarbeitet. - Differente Einflussgrößen des Plasmaschweißprozesses wurden erfasst, analysiert und ihre Wirkung auf Prozessverhalten und Brennerkonstruktion ermittelt. - Die damit gewonnenen Erkenntnisse wurden für werkstoffliche, technisch-konstruktive Brennerentwicklung bzgl. der Ausführungsgeometrien, Prozessgaszuführung und Brennerkühlung genutzt.

In der vorliegenden Habilitationsarbeit wurden technisch-konstruktive Lösungsansätze basierend auf einem entwickelten strömungs-thermomechanischen/magneto-hydro-dynamischen Simulationsmodell zur Entwicklung/Charakterisierung eines physikalischen Prozesswirkprinzips des betrachteten Mikro- und Hochleistungs- sowie Orbital-Plasma-Schweißprozesses und dessen physikalischer Effekte entwickelt. Dabei wurden die differenten Einflussgrößen beim Plasmaschweißprozess erfasst, analysiert und ihre Wirkung auf Schweißprozessverhalten und Brennerkonstruktion charakterisiert. Die damit gewonnenen Ergebnisse wurden zur werkstofflichen, technisch-konstruktiven Entwicklung der Brennerkopfmodelle hinsichtlich der Ausführungsgeometrien des Prozessgaszuführungs- und Brennerkühlsystems genutzt. Im Rahmen des erarbeiteten thermomechanischen Simulationsmodells wurden die beim Plasma-Auftragschweißen von Verbundbauteilen auftretenden Temperaturfelder, Verformungen und Eigenspannungen vorausbestimmt, untersucht und analysiert. Mittels des erarbeiteten Simulationsmodells wurden werkstoffliche, konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen zur Minimierung/Beeinflussung schweißbedingter Verformungen und Eigenspannungen simulativ untersucht und bewertet. / In this work, technical and constructive solutions were developed based on simulation models (process and structural) for fluid mechanical, thermomechanical and magneto-hydrodynamic effects. The simulation process included improving and characterising the physical operating principles for micro plasma welding, high performance plasma welding and orbital plasma welding. Also, the physical effects for the above plasma welding processes were studied and analysed. From these different physical properties of the parameters for the plasma welding processes, and their effects on plasma welding process behaviour and torch design were analysed and characterised. The results were used for the development and construction of plasma welding torch models, which included material selection and geometrical design such as, process gas supply design, torch cooling system design, and other related torch designs. By developing the thermomechanical simulation model, deformations and residual stresses that were generated by heating during the plasma welding process were investigated and analysed. The developed thermomechanical model included material, structural and welding specifications such as buffering and preheating. Simulations utilizing this model were used in order to reduce the residual stresses and deformations of the welded components.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Energiebilanz von der Schweißenergiequelle bis zur Schmelzebildung im Bauteil eingehend analysiert. Hierfür wurden geeignete Messsysteme auf Basis der Kalorimetrie entwickelt und validiert. Neben dem Energieverbrauch der Anlage wird der Wärmeeintrag in das Bauteil kalorimetrisch analysiert. Zur umfassenden Analyse des Energieflusses werden zudem die Verlustgrößen, wie die Wärmeleitung, Wärmestrahlung und der Wärmedurchgang des Lichtbogens als auch der externe Brennerkühlkreislauf der Schweißenergiequelle untersucht. Neueste Untersuchungsmethoden ermöglichen zudem die Tropfentemperatur und die Lichtbogenleistung zu bestimmen. In Abhängigkeit definiert gewählter Prozessparameter wurde der Energiefluss für Schutzgasschweißverfahren mit abschmelzender und nicht abschmelzender Elektrode, sowie für das Unterpulverschweißen erstellt. Die einzelnen Wirkmechanismen der Prozesse wurden analysiert und bewertet sowie Zusammenhänge herausgestellt. Neben der Empfehlung für die Überarbeitung gültiger Normen, wie DIN EN 1011-1 kann mit der Kenntnis das Fügen temperatursensibler Werkstoffe verbessert werden. Gleichzeitig wird die Genauigkeit von Prozess- und Werkstoffsimulationen erhöht und Berechnung von Bauteildeformationen vereinfacht. Es wurden mittlere Tropfentemperaturen in einem Bereich zwischen TTr = 2.350…2.700°C ermittelt. Die Untersuchungen zeigen zudem, dass eine ausschließlich gezielte Änderung der Tropfentemperatur im Schweißprozess nicht möglich ist. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass der Lichtbogen und dessen Intensität den entscheidenden Einfluss auf die Entstehung des Einbandes in den Grundwerkstoff besitzt. / Welding performance is not the same as the energy input in the component. The efficiency is the ratio of usable to required energy. The aim of any process is to achieve a high efficiency, and thus to keep the share of losses as small as possible. Recent process developments in arc welding with consumable electrode have the aim to regulate the energy input in the component to achieve the target of an optimum welding result. This is based on a fundamental understanding of the operations during the welding process. For this purpose, the knowledge of the individual operations of the energy transport from the electrode contact to the heating behaviour of the component is necessary. Different measurement methods and results for the separate determination of the energy content of droplet and welding arc as well as energy input into the component are presented. For instance the question is analysed and discussed - whether the arc, or the overheated droplet is responsible for the weld penetration? In addition, the situation between relative and absolute efficiency of the welding process is discussed. In welding standards often global efficiencies for different welding processes are indicated. These standards provide this efficiency in relation to the as 100 % set submerged arc welding. This leads to errors in the use of the values for calculations or simulations. With the methods presented a sophisticated analysis of the influence of different parameter settings of the shielding gas welding process on the energy efficiency is possible.

In der vorliegenden Habilitationsarbeit wurden technisch-konstruktive Lösungsansätze basierend auf einem entwickelten strömungs-thermomechanischen/magneto-hydro-dynamischen Simulationsmodell zur Entwicklung/Charakterisierung eines physikalischen Prozesswirkprinzips des betrachteten Mikro- und Hochleistungs- sowie Orbital-Plasma-Schweißprozesses und dessen physikalischer Effekte entwickelt. Dabei wurden die differenten Einflussgrößen beim Plasmaschweißprozess erfasst, analysiert und ihre Wirkung auf Schweißprozessverhalten und Brennerkonstruktion charakterisiert. Die damit gewonnenen Ergebnisse wurden zur werkstofflichen, technisch-konstruktiven Entwicklung der Brennerkopfmodelle hinsichtlich der Ausführungsgeometrien des Prozessgaszuführungs- und Brennerkühlsystems genutzt. Im Rahmen des erarbeiteten thermomechanischen Simulationsmodells wurden die beim Plasma-Auftragschweißen von Verbundbauteilen auftretenden Temperaturfelder, Verformungen und Eigenspannungen vorausbestimmt, untersucht und analysiert. Mittels des erarbeiteten Simulationsmodells wurden werkstoffliche, konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen zur Minimierung/Beeinflussung schweißbedingter Verformungen und Eigenspannungen simulativ untersucht und bewertet. / In this work, technical and constructive solutions were developed based on simulation models (process and structural) for fluid mechanical, thermomechanical and magneto-hydrodynamic effects. The simulation process included improving and characterising the physical operating principles for micro plasma welding, high performance plasma welding and orbital plasma welding. Also, the physical effects for the above plasma welding processes were studied and analysed. From these different physical properties of the parameters for the plasma welding processes, and their effects on plasma welding process behaviour and torch design were analysed and characterised. The results were used for the development and construction of plasma welding torch models, which included material selection and geometrical design such as, process gas supply design, torch cooling system design, and other related torch designs. By developing the thermomechanical simulation model, deformations and residual stresses that were generated by heating during the plasma welding process were investigated and analysed. The developed thermomechanical model included material, structural and welding specifications such as buffering and preheating. Simulations utilizing this model were used in order to reduce the residual stresses and deformations of the welded components.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Energiebilanz von der Schweißenergiequelle bis zur Schmelzebildung im Bauteil eingehend analysiert. Hierfür wurden geeignete Messsysteme auf Basis der Kalorimetrie entwickelt und validiert. Neben dem Energieverbrauch der Anlage wird der Wärmeeintrag in das Bauteil kalorimetrisch analysiert. Zur umfassenden Analyse des Energieflusses werden zudem die Verlustgrößen, wie die Wärmeleitung, Wärmestrahlung und der Wärmedurchgang des Lichtbogens als auch der externe Brennerkühlkreislauf der Schweißenergiequelle untersucht. Neueste Untersuchungsmethoden ermöglichen zudem die Tropfentemperatur und die Lichtbogenleistung zu bestimmen. In Abhängigkeit definiert gewählter Prozessparameter wurde der Energiefluss für Schutzgasschweißverfahren mit abschmelzender und nicht abschmelzender Elektrode, sowie für das Unterpulverschweißen erstellt. Die einzelnen Wirkmechanismen der Prozesse wurden analysiert und bewertet sowie Zusammenhänge herausgestellt. Neben der Empfehlung für die Überarbeitung gültiger Normen, wie DIN EN 1011-1 kann mit der Kenntnis das Fügen temperatursensibler Werkstoffe verbessert werden. Gleichzeitig wird die Genauigkeit von Prozess- und Werkstoffsimulationen erhöht und Berechnung von Bauteildeformationen vereinfacht. Es wurden mittlere Tropfentemperaturen in einem Bereich zwischen TTr = 2.350…2.700°C ermittelt. Die Untersuchungen zeigen zudem, dass eine ausschließlich gezielte Änderung der Tropfentemperatur im Schweißprozess nicht möglich ist. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass der Lichtbogen und dessen Intensität den entscheidenden Einfluss auf die Entstehung des Einbandes in den Grundwerkstoff besitzt. / Welding performance is not the same as the energy input in the component. The efficiency is the ratio of usable to required energy. The aim of any process is to achieve a high efficiency, and thus to keep the share of losses as small as possible. Recent process developments in arc welding with consumable electrode have the aim to regulate the energy input in the component to achieve the target of an optimum welding result. This is based on a fundamental understanding of the operations during the welding process. For this purpose, the knowledge of the individual operations of the energy transport from the electrode contact to the heating behaviour of the component is necessary. Different measurement methods and results for the separate determination of the energy content of droplet and welding arc as well as energy input into the component are presented. For instance the question is analysed and discussed - whether the arc, or the overheated droplet is responsible for the weld penetration? In addition, the situation between relative and absolute efficiency of the welding process is discussed. In welding standards often global efficiencies for different welding processes are indicated. These standards provide this efficiency in relation to the as 100 % set submerged arc welding. This leads to errors in the use of the values for calculations or simulations. With the methods presented a sophisticated analysis of the influence of different parameter settings of the shielding gas welding process on the energy efficiency is possible.

Die Arbeit zeigt Möglichkeiten zur Erzeugung und Anwendung zeitlich veränderlicher Gasvolumenströme beim Schutzgasschweißen auf. Es wird ein System zur Erzeugung definiert gepulster Gasströme vorgestellt, das einfach in bestehende Anlagentechnik integriert werden kann. Der Einfluss eines aktiv geregelten Gasstroms auf die Kaltgasströmung und hervorgerufene Effekte im Lichtbogenprozess werden grundlegend untersucht. Darauf basierend werden sinnvolle Parameterbereiche abgeleitet. Anhand der Auswertung von Schweißversuchen werden verfahrensspezifische Vorteile sowie technologische Grenzen bei Anwendung der Gaspulstechnik zum Schutzgasschweißen dargelegt. / This thesis shows the possibilities for the creation and application of temporally varying gas flow rates for gas-shielded arc welding. A system for generation of defined pulsed volume flows is presented, which can be easily integrated into existing welding equipment. The influence of an actively regulated gas flow rate on the pure gas flow and caused effects in the arc process are investigated. Based on this an array of appropiate parameters are derived. By means of the evaluation of welding tests process specific advantages as well as technological limits for using pulsed gas flows for gas-shielded arc welding are demonstrated.

In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie sich instationäre Plasma- und Fördergasvolumenströme nutzen lassen, um den Plasma-Pulver-Auftragschweißprozess in seiner Gesamtheit zu beeinflussen. Dabei wurden die Veränderungen in der Lichtbogencharakteristik, der Pulverzuführung und insbesondere dem Schmelzbad analysiert und in einem theoretischen Prozessmodell zusammengefasst. Die gewonnenen Ergebnisse und die aufgezeigten Wirkzusammenhänge konnten in der Folge dazu genutzt werden, die Hartstoffverteilung in Pseudolegierungen und den mikrostrukturellen Aufbau geschweißter konventioneller Hartschichten zu modifizieren. / In the present studies it is examined, how unsteady gas flows can be used to modify the plasma transfer arc welding process in its entirety. In the first step it was analysed in which different ways non-steady-state plasma and transport gas flows influence the arc characteristics, the powder transport and the melt bead properties. With the obtained results a theoretical model was developed, to describe the observed behaviours and understand the coherences. Subsequently the preliminary findings were used to alter the distribution of tungsten-carbide in a welded hardface composite coating and to modify the microstructure of a conventional alloy welded with the plasma transfer arc process.

Die Arbeit zeigt Möglichkeiten zur Erzeugung und Anwendung zeitlich veränderlicher Gasvolumenströme beim Schutzgasschweißen auf. Es wird ein System zur Erzeugung definiert gepulster Gasströme vorgestellt, das einfach in bestehende Anlagentechnik integriert werden kann. Der Einfluss eines aktiv geregelten Gasstroms auf die Kaltgasströmung und hervorgerufene Effekte im Lichtbogenprozess werden grundlegend untersucht. Darauf basierend werden sinnvolle Parameterbereiche abgeleitet. Anhand der Auswertung von Schweißversuchen werden verfahrensspezifische Vorteile sowie technologische Grenzen bei Anwendung der Gaspulstechnik zum Schutzgasschweißen dargelegt. / This thesis shows the possibilities for the creation and application of temporally varying gas flow rates for gas-shielded arc welding. A system for generation of defined pulsed volume flows is presented, which can be easily integrated into existing welding equipment. The influence of an actively regulated gas flow rate on the pure gas flow and caused effects in the arc process are investigated. Based on this an array of appropiate parameters are derived. By means of the evaluation of welding tests process specific advantages as well as technological limits for using pulsed gas flows for gas-shielded arc welding are demonstrated.

In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie sich instationäre Plasma- und Fördergasvolumenströme nutzen lassen, um den Plasma-Pulver-Auftragschweißprozess in seiner Gesamtheit zu beeinflussen. Dabei wurden die Veränderungen in der Lichtbogencharakteristik, der Pulverzuführung und insbesondere dem Schmelzbad analysiert und in einem theoretischen Prozessmodell zusammengefasst. Die gewonnenen Ergebnisse und die aufgezeigten Wirkzusammenhänge konnten in der Folge dazu genutzt werden, die Hartstoffverteilung in Pseudolegierungen und den mikrostrukturellen Aufbau geschweißter konventioneller Hartschichten zu modifizieren. / In the present studies it is examined, how unsteady gas flows can be used to modify the plasma transfer arc welding process in its entirety. In the first step it was analysed in which different ways non-steady-state plasma and transport gas flows influence the arc characteristics, the powder transport and the melt bead properties. With the obtained results a theoretical model was developed, to describe the observed behaviours and understand the coherences. Subsequently the preliminary findings were used to alter the distribution of tungsten-carbide in a welded hardface composite coating and to modify the microstructure of a conventional alloy welded with the plasma transfer arc process.