1Institut für Schweißtechnik und ²Institut für Theoretische Physik,

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Zu den technologischen Zielen einer quantitativen Modellierung von Lichtbogenentladungen gehört die Vorausberechnung von Lichtbogenparametern bei vorgegebener Brennspannung/Stromstärke und Entladungsgeometrie. Dabei ist es von besonderer Relevanz, auf interne Anpassungsparameter zu verzichten, da diese eine genaue experimentelle Vermessung der zu berechnenden Konfiguration erfordern würden (ab-initio Modellierung).

Da die Berechnung der Vorgänge in der Lichtbogensäule schon ausgiebig untersucht wurde, ist zur Zeit die Integration von Katodenfallmodellen Ziel der Untersuchungen. Es wird gezeigt, wie durch ein iteratives Berechnungsverfahren unter Verwendung einer sogenannten Transferfunktion die selbstkonsistente Berechnung der Brennfleckbildung möglich wird. Dabei wird ein eindimensionales Katodenfallmodell (Nichtgleichgewichtsplasma, thermische Elektronenemission, Raumladungsbildung, ...) verwendet, um die internen Randbedingungen zwischen Katodenoberfläche und thermischen Plasma selbstkonsistent zu berechnen (die Transferfunktion). Diese kann dann genutzt werden, um die mehrdimensionale Berechnung der Transportvorgänge in der Lichtbogensäule und dem Katodenfestkörper miteinander zu verbinden. Dieses Gesamtmodell der Entladung (die Anode läßt sich analog behandeln) führt dann zu einer quantitativen Berechnenbarkeit aller interessierenden Lichtbogenparameter.

Um daraus technologische Schlüsse zu ziehen bzw. Parameterstudien und Optimierungen durchführen zu können, ist allerdings zusätzlich eine Sensitivitätsanalyse bezüglich der Eingangsdaten notwendig. So sind insbesondere die thermophysikalischen Eigenschaften der Elektrodenwerkstoffe nur ungenau bekannt. Ferner sind auch nur solche Lichtbogenkonfigurationen technologisch interessant, die realistische Schwankungsbereiche bezüglich Geometrie- und Werkstoffeigenschaften bzw. Brennspannung zulassen.