1. No category

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
With respect to shielding gas
TIG svetsning
PAW
Marknadsandel i EU.
1%
M IG /M A G
22%
T IG
77%
With respect to deposited weld metal
MMA
26%
M IG /M A G
41%
O THERS
7%
SAW
9%
Juni 2015
T IG
FCW
10%
7%
© 2015 Stenbacka Consulting
ESAB - AGA
3
Termisk verkningsgrad ηa
Förhållandet mellan i svetsen införd energi och i ljusbågen förbrukad energi,
från Svetsteknisk Ordlista enl. SVK
Anomali
• Avvikelse
• Oregelmässighet
• Motsägelse
• Inkonsekvens
Juni 2015
• ηa ≈ 0,36 – 0,90 litteraturdata
• EN 1011-1:2009: TIG ηa = 0,6
• “the efficiency of the process is
relatively low”
• “ηa = 1,0 gav bra resultat vid
våra modelleringsstudier”
© 2015 Stenbacka Consulting
4
Calculation of heat processes in welding. N. N. Rykalin, Moscow,
1960.
”…the efficiency ɳu 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
ηa värden i några publikationer
•
•
•
•
Rykalin 1957
Schellhaase 1985
Radaj 1992
Lancaster 1993
•
•
•
•
0,50 – 0,70
0,45 – 0,75
0,20 – 0,50
0,36 – 0,48
Carbon arc
GTAW
GTAW
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
Trend
• Elektrisk parameter
• ηa minskar med ökande strömstyrka
• ηa minskar med ökande båglängd
• ηa minskar vid AC
• Skyddsgas
• ηa ökar ökar med ökande He-andel i
Argon
• ηa ökar med ökande gasflöde
ηa = 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”.
• ηa påverkar värdet av den beräknade sträckenergin.
• ηa påverkar de beräknade temperaturförloppen i HAZ. Särskilt
vid 2D-svalning (Δt8/5 ̃ η2), faktor ̃ 5.
• Kan vara viktigt vid processoptimering.
Inspecta
Juni 2015
© 2015 Stenbacka Consulting
10
Definition av ηa
Se även ovan
Hurtig
Termisk verkningsgrad [arc efficiency]:
ηa = qw/qn
HV
• qw effekt [J/s] som tillförs substratet (plåten)
• qn total effekt (nominellt) i ljusbågen
• [1 – ηa]; förluster pga av strålning, konvektion, värmeledning
osv
• ηa 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: Δηa/ɳa = Δqw/qw + Δqn/qn
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
[5]
[6]
[7]
[9]
[23]
[12]
[13]
[14]
[16]
[24]
[18]
[27]
Range
0,60 – 0,78
0,80 – 0,90
0,36 – 0,46
0,58 – 0,83
0,77 – 0,90
0,80 – 0,90
0,79 – 0,84
0,80 – 0,85
0,62 – 0,72
0,66 – 0,771
0,76 – 0,89
0,63 – 0,77
Substrate
Armco iron
Copper anode
Mild steel
Steel
Mild steel & Stainless
Copper anode
Stainless 304L
Stainless & Ni 200
A 36 steel
Spheroidal cast iron
Aluminum
Copper anode
Median
0,69
0,85
0,41
0,71
0,84
0,85
0,82
0,83
0,67
0,72
0,83
0,70
Span
0,18
0,10
0,10
0,25
0,13
0,10
0,05
0,05
0,10
0,11
0,13
0,14
Kusch reported ɳa = 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.
ηarc ≈ 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
Juni 2015
1960
1970
1980
© 2015 Stenbacka Consulting
1990
2000
2010
15
Arc efficiency range for GTAW DCEN.
Modeling and simulation studies. ½ Span = ± 0,12 (mean), only 3 values.
References
Year
Substrate
ɳa
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
Juni 2015
1975
1980
1985
1990
1995
© 2015 Stenbacka Consulting
2000
2005
2010
2015
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.
Hurtig
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Båglängd: 2 och 5 mm
Strömstyrka: 75 och 150 Amp
Skyddsgaser: Ar och Ar + 2% H2
Åtta kombinationer
Fem mätserier
40 mätningar
Fast TIG-brännare
Vattenkyld kopparanod
Ingen smälta
Juni 2015
© 2015 Stenbacka Consulting
Högskolan Väst
20
Resultat
Inkl. skattade effekter
•
•
•
•
ηa
= 0,80 – 0,87 (90 %)
ηamedel = 0,84
Varians (s/m) < 3%
Ökad strömstyrka och båglängd
reducerar ηa
• Strömstyrkan har ca 2 ggr större
effekt än båglängden
• Övergång från Ar till Ar+2%H2 ökar ηa,
effekten är ca 1/3 av strömstyrkan
• Kombinationseffekterna är
försumbara
Juni 2015
© 2015 Stenbacka Consulting
Förluster i brännaren
•
8 % (75 A)
• 12 % (150 A)
21
Inverkan av skyddsgas
Ar och Ar + 2% H2
0,850
0,800
Shielding gas Ar
0,900
0,750
0,750
Juni 2015
Shielding gas Ar + 2% H2
0,800
0,850
© 2015 Stenbacka Consulting
0,900
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% H2 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-207012/212-1229-12. 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