Investigation of droplet formation and transfer in GMA welding

Zabirov, Alexander; Schein, Jochen; Reisgen, Uwe

doi:0943-9358

Investigation of droplet formation and transfer in GMA welding = Untersuchung der Tropfenbildung und -übertragung beim MSG-Schweißen

Zabirov, Alexander

2016

VerantwortlichkeitsangabeAlexander Zabirov

ImpressumAachen : Shaker Verlag 2016

Umfang1 Online-Ressource (XXIV, 152, A-52 Seiten) : Illustrationen

ISBN978-3-8440-4743-1

ReiheAachener Berichte Fügetechnik ; 2/2016

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Reisgen, Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Schein, Jochen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-04-12

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-057724
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/661183/files/661183.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/661183/files/661183.pdf?subformat=pdfa
URL: https://doi.org/10.2370/9783844047431

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (417610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
GMA welding (frei) ; metal transfer (frei) ; simulation (frei) ; experiment (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Metall-Schutzgasschweißen (MSG-Schweißen) ist eines der verbreitesten und ältesten Verfahren in der Schweißtechnik. Es wurde Anfang des XX.Jahrhundert erfunden und wird bis heute in vielen industriellen Bereichen eingesetzt. Für fast alle in der Industrie verwendeten Legierungen kann das MSG-Schweißen dank dessen Variationen (MIG/MAG einschließlich Fülldrahtelektrodenschweißen, Elektrogasschweißen, Plasma-Metall-Schutzgasschweißen), kostengünstigen Verbrauchsmaterialen und Ausrüstungen einsetzen. Trotz der langjährigen und weit verbreiteten Anwendung dieses Prozesses ist er aufgrund der komplexen physikalischen Phänomene und ihrer Wechselwirkungen bisher nicht vollständig erforscht. Dies führt dazu, dass sein Potenzial noch nicht vollkommen erschlossen und das Forschungsthema „physikalische Phänomene beim MSG-Schweißen“ immer noch aktuell ist.Zu den wichtigsten physikalischen Phänomenen beim MSG-Schweißen zählen die Tropfenbildung und der Tropfenübergang in das Schweißbad. Von ihnen sind die Prozessstabilität, die Schweißnahtgeometrie, die chemische Zusammensetzung und mechanischen Schweißnahteigenschaften und letztendlich die Schweißkonstruktion sowie die Schweißsicherheit abhängig. Somit sind diese beiden physikalischen Phänomene für die Qualität und die Wirtschaftlichkeit des Prozesses von großer Bedeutung. Der Tropfenübergang dient beim MSG-Schweißen als Energie- und Massentransport zwischen Schweißstromquelle, Elektrode und Schweißnaht. Durch dessen Beeinflussung kann man den MSG-Schweißprozess gezielt steuern, auch wenn die physikalischen Phänomene in einem komplexen Zusammenhang mit einander verbunden sind.Das Ziel dieser Arbeit ist die Erlangung neuer Kenntnisse bezüglich des MSG-Schweißprozesses in Bezug auf die physikalischen Phänomene der Tropfenablösung und des Tropfenübergangs. Dazu wird der Einflussgrad verschiedener Prozessparameter auf diese physikalischen Phänomene untersucht. Anschließend wird erforscht, wie sich Tropfenablösung und –übergang durch diese Prozessparameter steuern lassen. Diese Untersuchungen werden mithilfe moderner theoretischer und experimenteller Methoden durchgeführt. Die ermittelten Ergebnisse dienen nicht nur einem besseren Schweißprozessverständnis, sondern sind auch für die Industrie von Relevanz, um z. B. spritzerärmere, stabilere, energiesparendere Schweißprozesse einsetzen zu können. Die beiden methodischen Ansätze, der theoretische und der experimentelle, werden für verschiedene, sich teilweise überlappende Parameterbereiche verwendet. Der theoretische Ansatz wird dabei hauptsächlich für nicht direkt messbare Eigenschaften eingesetzt, wie z.B. Prozesse und Phänomene in der Anodenschicht, im Lichtbogenplasma, sowie für die Verdampfungsprozesse. Der experimentelle Ansatz ermöglicht die Beobachtung des allgemeinen Prozessbilds und wird für messbare Eigenschaften, wie z. B. Tropfendurchmesser, Tropfengeschwindigkeit, Lichtbogenlänge verwendet. Der theoretische Ansatz umfasst sowohl die physikalisch-mathematische Modellierung als auch die numerische Simulation von Tropfenablösung und Tropfenübergang. Die mithilfe der numerischen Untersuchungen gewonnenen Kenntnisse können dazu verwendet werden, um z.B. die chemische Zusammensetzung für Schweißwerkstoffe und Schweißzusätze zu optimieren, oder die chemische Zusammensetzung der Schweißnaht rechnerisch zu bestimmen und zu optimieren. Für die numerischen Untersuchungen wird ANSYS CFX eingesetzt, wobei die in dieser Simulationssoftware bereits implementierten Methoden mit vereinfachten numerischen Experimenten bestätigt und anschließend um Modelle ergänzt werden, die auf aktuellen Prozesskenntnissen beruhen.Im experimentellen Ansatz wird moderne Messtechnik verwendet, um den Schweißprozess zu beobachten und zu analysieren. Hierzu werden visuelle Aufnahmen des Schweißprozesses mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, synchronisiert mit Aufnahmen von Schweißstrom und -spannung, durchgeführt. Anschließend werden die Abhängigkeiten von Schweißprozessparametern in Bezug auf Tropfenbildung und Tropfenübergang festgestellt. Dazu werden die Prozessparameter breit variiert.In dieser Arbeit wurden neue Kenntnisse im Bereich von Tropfenbildung und Tropfenübergang erworben, die zu einem besseren Prozessverständnis bezüglich des MSG-Schweißens führen und es erlauben, das Potenzial dieses Schweißprozesses besser zu nutzen, was letztendlich Ressourcen und Kosten einspart. Die bei dieser Arbeit verwendeten Modelle für Tropfenbildung und Tropfenübergang berücksichtigen physikalische Phänomene, die in dieser Arbeit erstmalig in Form solcher Modelle formuliert, präsentiert und zusammengefasst worden sind. Der experimentelle Ansatz hat bei dieser Arbeit den theoretischen Ansatz ergänzt und ebenfalls das Prozessverständnis erweitert.

Gas Metal Arc (GMA) welding is one of the most common methods in welding technology. It was invented at the beginning of the XXth century and is applied in many fields of industry until now. For almost every alloy used in industry, the GMA welding can be applied thanks to its variations (MIG/MAG including cored wire electrode welding, electrogas welding, plasma gas metal arc welding), inexpensive consumables and equipment. Despite the long-standing and widely spread application of this process, it still has not been completely understood due to the complex physical phenomena involved and their interaction with each other. As a consequence of this, its potential is not completely revealed and the research topic “physical phenomena in GMA welding” is still relevant.The goal of this work is the attainment of new knowledge about the GMA welding process in relation to the physical phenomena of the droplet formation, detachment and its transfer. For this, the effect of different welding process parameters on these physical phenomena is studied. Finally, it is studied how the droplet detachment and droplet transfer can be controlled by these process parameters. These studies are performed with the help of modern theoretical and experimental methods. The obtained results can be used not only for a better understanding of the welding process, but also for helping to apply in the industry, for example, low-spatter, more stable and energy-saving welding processes.One of the most important physical phenomena in GMA welding include the droplet formation and its transfer to the weld pool. The process stability, the weld seam geometry, the chemical composition and mechanical properties of weld seam, as well as the safety of welding construction depend on these processes. Therefore, the mentioned phenomena are very important for the quality and profitability of the welding process. The droplet transfer serves the GMA welding as an energy and mass transporter between the welding power source and electrode and the weld pool. With it, the GMA welding process can be purposefully controlled, even though the physical phenomena are in a complex interaction with each another.Both methodical approaches, the theoretical and the experimental, are applied for different, partially overlapping parameter ranges. The theoretical approach is applied mainly for non-measurable properties, like properties of the anode boundary layer, arc plasma and evaporation processes. The experimental approach makes it possible to observe the general process pattern and is used for measurable properties like droplet diameter, droplet velocity and arc length. The theoretical approach incorporates both, the physical-mathematical modelling and the numerical simulation of the metal transfer in GMA welding. The knowledge acquired with the help of numerical studies can be used to optimize the chemical composition for welding materials or to calculate and optimize the chemical composition of the weld seam. For the numerical analysis, different approaches are applied whereby the models implemented in ANSYS CFX software were validated by the simplified numerical experiments and were afterwards complemented with models based on the current process knowledge. In the experimental approach, modern measuring techniques are used in order to observe and analyse the welding process. For this, visual recordings of the welding process were made with a high-speed camera, synchronized with recordings of the welding current and voltage. Finally, the dependencies of the welding process parameters in relation to the droplet formation and droplet transfer are determined. For this, the process parameters are widely varied. In this work, new knowledge in the topic concerning the droplet formation and droplet transfer was obtained which leads to a better understanding of GMA welding process and makes it possible to benefit more from its potential which finally saves resources and costs. The models used in this work for the droplet formation and droplet transfer consider physical phenomena that for the first time, have been formulated, presented and summarized in the form of such models. The experimental approach has both complemented the theoretical approach and extended the understanding of the process.

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