Investigating of the influence of non-stationary processes in arc plasma on the depth penetration in high frequency TIG welding

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Uwe Reisgen
• Subject Area: Production Automation and Assembly Technology ; Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas ; Fluid Mechanics
• Term: from 2018 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 390246097

• Final Report Year: 2024

Final Report Abstract

In dieser Arbeit wurde ein instationärer Prozess beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) mit hochfrequent gepulstem Strom (HFPC) mithilfe numerischer Simulation untersucht. Optimale Parameter der HF-Pulse wurden mathematisch analysiert. Ein mathematisches Modell wurde vorgeschlagen, das die instationären elektromagnetischen sowie Wärme- und Stoffübertragungsprozesse im flüssigen Metall während des HFPC-WIG-Punktschweißens beschreibt. Zunächst wurden die Prozesse im Lichtbogen und anschließend im Schmelzbad simulativ untersucht. Für das Modell des Schmelzbades wurden verschiedene Berechnungsalgorithmen und unterschiedliche Simulationsansätze (FEM- und SPH-Methode) für die numerischen Lösungen implementiert. Es wurde eine vergleichende Analyse durchgeführt, bei der die hydrodynamischen und Wärmeübertragungsprozesse in Stahlproben S235JR während des HFPC-WIG-Schweißens mit Rechteckwellen-Pulsstrommodulation (10 kHz) und des konventionellen WIG-Gleichstromschweißens mit einem Schweißstrom entsprechend dem mittleren Strom des HFPC-Modus untersucht wurden. Die Simulationen zeigen, dass die HFPC-Modulation im Vergleich zum Gleichstromschweißverfahren zu einer signifikanten Erhöhung der Einbrandtiefe mit geringem Einfluss auf den Radius des aufgeschmolzenen Bereichs führen kann. Allerdings konnte diese signifikante Erhöhung der Einbrandtiefe experimentell bislang nicht bestätigt werden.

Publications

• Characteristics of high-frequency pulsed current arc with refractory cathode. The Paton Welding Journal, 2022(3), 9-18.
  Krivtsun, I.; Demchenko, V.; Krikent, I.; Reisgen, U.; Mokrov, O. & Sharma, R.
  
• Modeling of heat transfer and fluid flow in the metal being welded during DC and HFPC TIG spot welding. Int. Conf. Welding and technical diagnostics for recovery of economics of Ukraine Kyiv - 2022.
  O. Semenov, I.Krivtsun, V. Demchenko, U.Reisgen, O. Mokrov, R. Sharma & V. Sydoruk
  
• WIG-Schweißen - Simulationsunterstützte Untersuchung hochfrequenter Schweißstrommodulation. DVS CONGRESS 2022, Koblenz 2022
  O. Mokrov, R. Sharma, U. Reisgen, I. Krivtsun, V. Demchenko, I. Krikent & O. Semenov
  
• Quantitative evaluation of SPH in TIG spot welding. Computational Particle Mechanics, 10(1), 1-18.
  Jeske, Stefan Rhys; Simon, Marek Sebastian; Semenov, Oleksii; Kruska, Jan; Mokrov, Oleg; Sharma, Rahul; Reisgen, Uwe & Bender, Jan
  
• Comparative numerical analysis of electromagnetic forces in DC and HFPC TIG welding. Applied Mathematical Modelling, 127, 366-378.
  Krivtsun, Igor; Demchenko, Volodymyr; Krikent, Igor; Semenov, Oleksii; Reisgen, Uwe; Mokrov, Oleg & Sharma, Rahul
  
• Modeling of heat transfer and fluid flow in the metal being welded during DC and HFPC TIG spot welding. Numerical Heat Transfer, Part B: Fundamentals, 86(4), 1095-1110.
  Semenov, Oleksii; Krivtsun, Igor; Demchenko, Volodymyr; Reisgen, Uwe; Mokrov, Oleg; Sharma, Rahul & Sydoruk, Volodymyr