Termisk verkningsgrad vid TIG-svetsning Negativ elektrod. Med exempel på några anomalier Svetskommissionens Forskningsseminarium 8 juni 2015 Nils Stenbacka www.stenbacka-consulting.se / nils@stenbacka-consulting.se / 070 341 66 59 Vissa bilder som visas i presentationen kan vara upphovsrättsskyddade. Juni 2015 2015 Stenbacka Consulting 1
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 2015 2015 Stenbacka Consulting 2
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 2015 2015 Stenbacka Consulting 3
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 1011-1:2009: TIG η a = 0,6 the efficiency of the process is relatively low η a = 1,0 gav bra resultat vid våra modelleringsstudier Juni 2015 2015 Stenbacka Consulting 4
Calculation of heat processes in welding. N. N. Rykalin, Moscow, 1960. 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, 1957. Juni 2015 2015 Stenbacka Consulting 5
Elektrisk energi omvandlas till värme. Kalometri Kou TU Chemnitz Juni 2015 2015 Stenbacka Consulting 6
Simulering & modellering Semi-empiriskt angreppssätt Kou & Le Juni 2015 2015 Stenbacka Consulting 7
η a värden i några publikationer Rykalin 1957 Schellhaase 1985 Radaj 1992 Lancaster 1993 0,50 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 2015 2015 Stenbacka Consulting 8
Inverkan av olika parametrar TIG Untersuchte Einflussgrössen am WIG-Prozess, TU Chemnitz, 2010. 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 2015 2015 Stenbacka Consulting 9
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 2015 2015 Stenbacka Consulting 10
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 2015 2015 Stenbacka Consulting 11
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 2015 2015 Stenbacka Consulting 12
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 2015 2015 Stenbacka Consulting 13
Transmitted power as a function of total power. GTAW DCEN. Water cooled copper anode ref [27]. y2007. η arc 0,7 ± 0,1 Juni 2015 2015 Stenbacka Consulting 14
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 0,00 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Juni 2015 2015 Stenbacka Consulting 15
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] 2011 1005 Steel 0,74 - Semi-empirical approach Juni 2015 2015 Stenbacka Consulting 16
Arc efficiency as function of power (gross). GTAW DCEN. Modelling HY-80 steel ref [15]. y1994. MINITAB Juni 2015 2015 Stenbacka Consulting 17
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 0,00 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Juni 2015 2015 Stenbacka Consulting 18
Conclusions for GTAW DCEN IIW Doc. XII-2070-12/212-1229-12. 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 2015 2015 Stenbacka Consulting 19
Ett två-nivåers faktorförsök H. Åström, N. Stenbacka & K. Hurtig. JOM-17 Conf., May 2013. 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 2015 2015 Stenbacka Consulting 20
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 2015 2015 Stenbacka Consulting 21
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 2015 2015 Stenbacka Consulting 22
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 2015 2015 Stenbacka Consulting 23
Referenser Review of arc efficiency values for Gas Tungsten Arc welding. N. Stenbacka, I. Choquet & K. Hurtig. IIW Doc. XII-2070-12/212-1229-12. Intermidiate XII Meeting, Berlin April 2012. Arc efficiency for Gas Tungsten ARC welding DCEN-GTAW. H. Åström, N. Stenbacka & K. Hurtig. JOM-17 Conf., May 2013. Juni 2015 2015 Stenbacka Consulting 24
Tack för er uppmärksamhet! Nils Stenbacka www.stenbacka-consulting.se / nils@stenbacka-consulting.se / 070 341 66 59 Vissa bilder som visas i presentationen kan vara upphovsrättsskyddade. Juni 2015 2015 Stenbacka Consulting 25