Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8682
Main Title: Entwicklung und Validierung eines Diagnostikverfahrens zur Analyse von Lichtbogenfluktuationen beim Gleichstromplasmaspritzen
Translated Title: Development and validation of a diagnostic procedure for the analysis of arc fluctuations in DC plasma spraying
Author(s): Thomas, Georg
Advisor(s): Rupprecht, Christian
Referee(s): Rupprecht, Christian
Dzur, Birger
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Das Gleichstromplasmaspritzen (DC-Plasmaspritzen) mittels Plasmageneratoren in Einkathoden-Einanoden-Anordnung (F4/F6/MC60) ist gekennzeichnet durch eine permanente Instabilität des für die Plasmagenerierung genutzten Gleichstromlichtbogens, hervorgerufen durch dessen axiale und radiale Bewegungen. Dies äußert sich in massiven Fluktuationen der Lichtbogenspannung sowie der Plasmafreistrahlgeometrie mit einer daraus resultierenden schwankenden Leistung des Plasmafreistrahls während des Beschichtungsprozesses. Infolgedessen können verstärkt Inkonsistenzen des Beschichtungsergebnisses auftreten. Eine deutlich verbesserte Prozesscharakterisierung ließe sich durch eine qualitative und objektive Beurteilung der vollständigen Lichtbogenbewegung bzw. der Plasmagenerierung erreichen. Die Entwicklung einer präventiven Lichtbogen (LB)-basierten Analysemethode für das DC-Plasmaspritzen auf der Basis eines repräsentativen Datenvolumens ist demzufolge Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Dies wird realisiert durch die automatisierte Auswertung von Hochgeschwindigkeits (HV)-aufnahmen der Lichtbogendynamik im Gleichstromplasmagenerator und von synchron dazu aufgenommenen Lichtbogenspannungswerten. Über eine optische Strecke, bestehend aus Umlenkspiegel, Neutraldichtefilter und Kameraobjektiv, wird der Anodenausgang (inklusive DC-Lichtbogen) mit einer Auflösung von 365 dpi und einer Aufnahmerate von 100 000 fps aufgezeichnet. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Algorithmus (Software MATLAB, Fa. The MathWorks, Inc.) ermittelt für alle Bilder der HV-Sequenz (mindestens 3 200 Bilder) automatisiert Anodenmittelpunkt bzw. Anodenmittelachse, Lichtbogenorientierung und Anodenansatzposition auf der Anodenoberfläche bezogen auf den Anodenmittelpunkt, bei gleichzeitiger Kompensation von Abbildungsfehlern. Hierdurch wird eine objektive Beurteilung der vollständigen Lichtbogenbewegung ermöglicht. Die Reproduzierbarkeit der Analyseergebnisse konnte innerhalb eines Einzelversuchs, bei Prozessunterbrechung und für variable Versuchssetups (elektrische Leistung, Gasverteilerring- und Anodentyp) nachgewiesen werden. Die anschließende Validierung der Analyse-Software erfolgte anhand von statischen Beschichtungsversuchen (Spritzflecke) bei variierender Position der Kathodenspitze (Dezentrierung um 50 μm, 100 μm, 150 μm). So konnten sukzessive die Nachweisgrenzen des entwickelten Messsystems erfasst und die Auswirkungen auf das Lichtbogenverhalten und letztendlich den Beschichtungsprozess quantifiziert werden. Dabei wurde die Kathodenpositionierung bereits ab einer Abweichung von (50 ± 10) μm als eine der Hauptursachen für die Divergenz von Spritzfleckposition und Auftragsrate identifiziert, qualitativ charakterisierbar durch LB-Orientierung bzw. Anodenansatzposition. Eine Interpretation der Versuchsergebnisse ist durch die numerische Strömungssimulation der Kaltgasströmung (ohne Lichtbogengenerierung) gegeben (Ansys CFX, Fa. Ansys Inc.). So werden insbesondere die Auswirkungen von Anoden- und Gasverteilerringgeometrie sowie der Kathodenposition auf den axialen und radialen Richtungsvektor der Vortexströmung bestätigt, welche unter anderem die Dynamik des Lichtbogens nachweisbar (durch LB-Orientierung bzw. Anodenansatzposition) determinieren. Die entwickelte automatisierte Analyse der Lichtbogendynamik im DC-Plasmagenerator entspricht somit einer Lichtbogen- basierten Prozesscharakterisierung beim DCPlasmaspritzen und besitzt für Entwickler (z.B. Datengrundlage für Simulationen) und Endanwender (Prozesskontrolle) gleichermaßen Relevanz.
A typical effect in the DC plasma spraying process using single-cathode single-anode plasma generators (F4/F6/MC60) is the permanent instability of the DC arc as the source of energy for plasma generation. Resulting fluctuations of the arc voltage are caused by the axial and radial movements of the arc. In consequence the power of the plasma torch as well as the plasma free jet geometry are fluctuating during the coating process, which favors the inconsistency of the coating result. A qualitative and objective assessment of the complete arc movement and plasma generation would lead to an improved process characterization. Therefore the subject of present work is the development of a preventive arc-based analytical method for DC plasma spraying. The evaluation is based on a representative data volume and realized by the automatic analysis of high-velocity recordings of the arc dynamics in the plasma generator and corresponding arc voltage values. In this case, the anode output (including DC arc) is displayed with a resolution of 365 dpi and a frame rate of 100 000 fps on the CMOS sensor of the high-speed camera via an optical path consisting of deflecting mirror, neutral density filter and lens. The developed algorithm (software MATLAB, The MathWorks, Inc.) automatically detects for all images of the video sequence (at least 3 200 images) the anode center axis, the arc orientation and the position of anode attachment point on the anode surface referring to the anode center, with simultaneous compensation of aberrations. This allows an objective assessment of the complete arc movement. The reproducibility of the measurement results could be verified within individual tests, after process interruption and for variable experimental setups (electrical power, gas distributor ring and anode type). The subsequent validation of the analysis software was carried out by means of static coating experiments (spray spots) with varying position of the cathode tip (decentered by 50 μm, 100 μm, 150 μm). Thus, the detection limit of the developed measuring system was gradually determined and the effects on the arc behavior and finally the coating process could be quantified. In this case, the cathode positioning with a deviation of already (50 ± 10) μm has been identified as one of the main reasons for the divergence of spray spot position and deposition efficiency, qualitatively characterizable by arc orientation respectively position of anode attachment point. An interpretation of the test results is given by the numerical flow simulation of the cold gas flow (without arc generation), by software Ansys CFX (Ansys Inc.). In particular, the effects of anode geometry and gas distributor ring geometry as well as the effects of cathode position on the axial and radial direction vector of the vortex flow are confirmed, which among other things determine the dynamics of the arc (detectable by arc orientation and anode attachment position). Thus, the developed automated analysis of the arc dynamics in the DC plasma generator corresponds to an arc-based process characterization in DC plasma spraying process and is similarly relevant for developers (data basis for simulations) and end users (process control).
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9636
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8682
Exam Date: 30-Apr-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 15-Aug-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Beschichtungstechnik
DC-Plasmaspritzen
Lichtbogenbewegung
Lichtbogen-basierte Analysemethode
Kathodenposition
thermal spraying
DC plasma spraying
arc movement
arc-based analytical method
cathode position
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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