Termisk verkningsgrad vid TIG-svetsning

Transkript

1 Termisk verkningsgrad vid TIG-svetsning Negativ elektrod. Med exempel på några anomalier Svetskommissionens Forskningsseminarium 8 juni 2015 Nils Stenbacka / nils@stenbacka-consulting.se / Vissa bilder som visas i presentationen kan vara upphovsrättsskyddade. Juni Stenbacka Consulting 1

2 TIG-svetsning (GTAW, WIG) Meredith 1941 De flesta material Många olika tillsatsmaterial och skyddsgaser Mekanisering & Robotisering Narrow Gap applikationer Hot wire system Pulsning (olika pulsformer) forcetig (EWM) Juni Stenbacka Consulting 2

3 TIG svetsning Marknadsandel i EU. With respect to shielding gas PAW M IG /M A G 1% 22% TIG 77% With respect to deposited weld metal MMA 26% M IG /M A G 41% O TH E R S 7% SAW 9% TIG 10% FC W 7% ESAB - AGA Juni Stenbacka Consulting 3

4 Termisk verkningsgrad η a Förhållandet mellan i svetsen införd energi och i ljusbågen förbrukad energi, från Svetsteknisk Ordlista enl. SVK Anomali Avvikelse Oregelmässighet Motsägelse Inkonsekvens η a 0,36 0,90 litteraturdata EN :2009: TIG η a = 0,6 the efficiency of the process is relatively low η a = 1,0 gav bra resultat vid våra modelleringsstudier Juni Stenbacka Consulting 4

5 Calculation of heat processes in welding. N. N. Rykalin, Moscow, the efficiency ɳ u varies from 70 to 85 % in open arc electrodes welding Berechnung der Wärmevorgänge beim Schweißen. N. N. Rykalin, VEB Verlag, Berlin, Juni Stenbacka Consulting 5

6 Elektrisk energi omvandlas till värme. Kalometri Kou TU Chemnitz Juni Stenbacka Consulting 6

7 Simulering & modellering Semi-empiriskt angreppssätt Kou & Le Juni Stenbacka Consulting 7

8 η a värden i några publikationer Rykalin 1957 Schellhaase 1985 Radaj 1992 Lancaster ,50 0,70 Carbon arc 0,45 0,75 GTAW 0,20 0,50 GTAW 0,36 0,48 GTA (0,21 * ) *) lägsta värde enl. grundreferensen Ofta gör man ingen skillnad mellan negativ (DCEN) och positiv (DCEP) polaritet, eller lik- och växelspänning. Juni Stenbacka Consulting 8

9 Inverkan av olika parametrar TIG Untersuchte Einflussgrössen am WIG-Prozess, TU Chemnitz, Parameter Elektrisk parameter Trend η a minskar med ökande strömstyrka η a minskar med ökande båglängd η a minskar vid AC Skyddsgas η a ökar ökar med ökande He-andel i Argon η a ökar med ökande gasflöde η a = 0,74 Juni Stenbacka Consulting 9

10 Finns det behov av ett noggrannare värde? Och vad skulle nyttan vara? Den största metoden när det gäller svetsning av rostfria stål är TIG-svetsning. I vissa fall har man varit tveksam till metodens effektivitet. η a påverkar värdet av den beräknade sträckenergin. η a påverkar de beräknade temperaturförloppen i HAZ. Särskilt vid 2D-svalning (Δt 8/5 η 2 ), faktor 5. Kan vara viktigt vid processoptimering. Inspecta Juni Stenbacka Consulting 10

11 Definition av η a Se även ovan Hurtig Termisk verkningsgrad [arc efficiency]: η a = q w /q n HV q w effekt [J/s] som tillförs substratet (plåten) q n total effekt (nominellt) i ljusbågen [1 η a ]; förluster pga av strålning, konvektion, värmeledning osv η a kan ev. påverkas av polaritet, typ av spänning, strömstyrka, båglängd, svetshastighet, typ av skyddsgas osv HV = Högskolan Väst Juni Stenbacka Consulting 11

12 Metodologi 1. Litteratur. Hand- and databassökning (30 referenser). Kalorimetri. Modellering och simulering. Rapporterade värden Repeterbarhet och reproducerbarhet? Mätnoggrannhet: Δη a /ɳ a = Δq w /q w + Δq n /q n 2. Två-nivåers faktorsförsök Inverkan av båglängd, strömstyrka och skyddsgas. Juni Stenbacka Consulting 12

13 Arc efficiency range for GTAW DCEN. Calorimetric experiments. ½ Span = ± 0,06 (mean) 12 values. References Range Substrate Median Span [5] 0,60 0,78 Armco iron 0,69 0,18 [6] 0,80 0,90 Copper anode 0,85 0,10 [7] 0,36 0,46 Mild steel 0,41 0,10 [9] 0,58 0,83 Steel 0,71 0,25 [23] 0,77 0,90 Mild steel & Stainless 0,84 0,13 [12] 0,80 0,90 Copper anode 0,85 0,10 [13] 0,79 0,84 Stainless 304L 0,82 0,05 [14] 0,80 0,85 Stainless & Ni 200 0,83 0,05 [16] 0,62 0,72 A 36 steel 0,67 0,10 [24] 0,66 0,77 1 Spheroidal cast iron 0,72 0,11 [18] 0,76 0,89 Aluminum 0,83 0,13 [27] 0,63 0,77 Copper anode 0,70 0,14 Kusch reported ɳ a = 0,74, TU Chemnitz. Juni Stenbacka Consulting 13

14 Transmitted power as a function of total power. GTAW DCEN. Water cooled copper anode ref [27]. y2007. η arc 0,7 ± 0,1 Juni Stenbacka Consulting 14

15 Arc efficiency as a function of year of publication. GTAW DCEN. Calorimetric experiments. 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Juni Stenbacka Consulting 15

16 Arc efficiency range for GTAW DCEN. Modeling and simulation studies. ½ Span = ± 0,12 (mean), only 3 values. References Year Substrate ɳ a Span [8] 1975 Steel 0,35 0,60 0,25 [13] 1989 Stainless 304L 0,57 - [15] 1994 HY-80 0,62 0,85 0,23 [25] 2005 Ti-6Al-4V 0,72 - [17] 2006 Stainless 304L 0,56 0,77 0,21 [28] 2010 Stainless 304 0,65 - [29] Steel 0,74 - Semi-empirical approach Juni Stenbacka Consulting 16

17 Arc efficiency as function of power (gross). GTAW DCEN. Modelling HY-80 steel ref [15]. y1994. MINITAB Juni Stenbacka Consulting 17

18 Arc efficiency as a function of year of publication. GTAW DCEN. Modeling & simulation studies. 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Juni Stenbacka Consulting 18

19 Conclusions for GTAW DCEN IIW Doc. XII / Published arc efficiency values show a wide range. Values between 0,36 to 0,90 has been found in the literature. [One outliner was omitted from the study.] When considering several reports, the total error when determining the arc efficiency with calorimetric methods was estimated to be about 12% for a good practice procedure. A plausible arc efficiency range (95% CI) was estimated from published values to be 0,73 0,82, with an average of 0,78. The arc efficiency is reduced when the arc length is increased. There are conflicting results in the literature as to the influence of arc current and travel speed. Juni Stenbacka Consulting 19

20 Ett två-nivåers faktorförsök H. Åström, N. Stenbacka & K. Hurtig. JOM-17 Conf., May Båglängd: 2 och 5 mm Strömstyrka: 75 och 150 Amp Skyddsgaser: Ar och Ar + 2% H 2 Åtta kombinationer Fem mätserier 40 mätningar Fast TIG-brännare Vattenkyld kopparanod Ingen smälta Högskolan Väst Hurtig Juni Stenbacka Consulting 20

21 Resultat Inkl. skattade effekter η a = 0,80 0,87 (90 %) η amedel = 0,84 Varians (s/m) < 3% Ökad strömstyrka och båglängd reducerar η a Strömstyrkan har ca 2 ggr större effekt än båglängden Övergång från Ar till Ar+2%H2 ökar η a, effekten är ca 1/3 av strömstyrkan Kombinationseffekterna är försumbara Förluster i brännaren 8 % (75 A) 12 % (150 A) Juni Stenbacka Consulting 21

22 Shielding gas Ar Inverkan av skyddsgas Ar och Ar + 2% H 2 0,900 0,850 0,800 Shielding gas Ar + 2% H 2 0,750 0,750 0,800 0,850 0,900 Juni Stenbacka Consulting 22

23 Slutsatser TIG svetsning (DCEN) är en effektiv metod. Den termiska verkningsgraden ligger i intervallet 0,80 0,87 (för den aktuella undersökningen). Ökad strömstyrka och båglängd reducerar verkningsgraden. Strömstyrkan har 2 ggr större effekt än båglängden. Skyddsgas. Argon med en tillsats av 2% H 2 medför att verkningsgraden ökar jämfört med Argon. Juni Stenbacka Consulting 23

24 Referenser Review of arc efficiency values for Gas Tungsten Arc welding. N. Stenbacka, I. Choquet & K. Hurtig. IIW Doc. XII / Intermidiate XII Meeting, Berlin April Arc efficiency for Gas Tungsten ARC welding DCEN-GTAW. H. Åström, N. Stenbacka & K. Hurtig. JOM-17 Conf., May Juni Stenbacka Consulting 24

25 Tack för er uppmärksamhet! Nils Stenbacka / nils@stenbacka-consulting.se / Vissa bilder som visas i presentationen kan vara upphovsrättsskyddade. Juni Stenbacka Consulting 25