Gas Metal Arc Melt Pool Modelling : Effect of welding position and electromagnetic force mode

• Gas metal arc is a high-efficiency and widely used heat source for metal processing applied predominantly in welding and additive manufacturing. In this study, it was applied to welding. It offers high productivity, low production and investment cost, as well as suffers from some drawbacks such as humping or undercut when welding large parts that are curved and impose changing the orientation of the welding torch along the joint path. Deeper process understanding was therefore sought to mitigate these drawbacks. The difficulty is then the non-lineardependence of the process to the welding parameters and material properties. Besides, visual observation of this process is also difficult. For instance, the elevated temperature and the intense radiative emission from the electric arc, smoke, spatter, as well as the non-transparency of the processed alloy can hinder in-process observation or limit it. Process simulation provides a complementary means to reach process knowledge. It was thus the approach used in this study. For this, a thermo-fluid melt pool model that can predict melting and solidification, track free surface deformation, metal transfer, and coalescence with the melt pool was developed. Two main research questions were identified and addressed.The first one led to studying the effect of the substrate orientation during multilayer welding of a V-groove joint with INVAR and gas metal arc. It was foundthat the force balance in the melt pool changes significantly when the workpieceorientation is changed, resulting in distinct melt flow patterns, melt pool and bead geometries, and in some conditions defect initiation such as humping, undercut, and lack of fusion. As a result, multi-layer welding with flat substrate and downhill welding of a 20◦ inclined substrate are recommended with these process conditions. On the contrary, welding of a side inclined substrate and uphill welding of a 20◦ inclined substrate are not recommended. The second question gave rise to the comparative investigation of the three electromagnetic force models commonly used when modelling a melt pool produced by an electric arc. The underlying modelling assumptions were retrieved and investigated. It was found that each of these three models predicts a different melt flow pattern, different heat convection, melt pool shape, free surface oscillation, and interaction with the transferred metal drops, and thus result in different bead geometry. All these models can be adjusted to predict the penetration depth, however, only the most complete of them is recommended for developing a predictive melt pool model. For this, it is proposed as a future work to improve this model through predicting an electromagnetic force that takes also into account the local deformation of the free surface.

• Gasmetallbåge är en effektiv och allmänt använd värmekälla vid svetsning och additiv tillverkning. I denna studie tillämpas den på svetsning. Den erbjuder hög produktivitet, låg kostnad vid inköp och användning, såväl som vissa nackdelarsom ojämn "bucklig" svetssträng och smältdiken vid svetsning av stora komponenter som är krökta och medför att svetsbrännarens orientering ändras utmed fogen. Bättre processförståelse eftersträvas därför för att mildra dessa nackdelar. En utmaning är processens icke-linjära beroende av svetsparametrarna och materialegenskaperna. Dessutom är experimentell optisk övervakning svår. Till exempel kan den höga temperaturen och den intensiva elektromagnetiska strålningen från ljusbågen, rök, sprut, såväl som legeringens ogenomskinlighet, förhindra observation under processen eller begränsa den. Processimulering erbjuder en komplementär metod för att nå processkunskap. Det är alltså detta tillvägagångssätt som används i denna studie. För detta har en modell av värme och materialflödena i smältan utvecklats som kan prediktera smältning och stelning, spåra smältytans deformation, metallflöde och koalescens med smältan.Två huvudsakliga forskningsfrågor har identifierats och adresserats.Den första studerade gravitationens påverkan vid flersträngs-, gasmetallbågsvetsning av V-fogar i INVAR. Olika svetslägen har visat sig ha en betydande påverkan på kraftbalanserna i svetssmältan vilket resulterar i distinkta smältflöden, smält- och svetsförbandgeometrier, och under vissa förhållanden svetsdefekter såsom ojämn "bucklig" svetssträng, smältdiken och bindfel. Som ett resultat rekommenderas horisontellt och 20◦ fallande läge vid flersträngssvetsning, medan 20◦ stigande och sidolutande inte rekommenderas.Den andra frågan undersökte inverkan av de tre huvudsakliga modellerna för den elektromagnetiska kraften som idag används vid svetssimuleringar. För modelleringen har antaganden lagts fram och undersökts. Det visade sig att de tre modellerna predikterar olika flödesmönster i smältan, olika värmekonvektion, smältgeometri, ytvågor och interaktion med de överförda metalldropparna, och därmed också predikterar olika svetsstränggeometrier. Alla tre modeller kan justeras för att prediktera svetspenetrationen, men endast den mest kompletta av dessa rekommenderas för sant prediktiv modellering. Det föreslås också att ytterligare förbättra den mest kompletta modellen så att det elektromagnetiska kraftfältet följer deformationen av den fria smältytan.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Materialteknik -- Bearbetnings-, yt- och fogningsteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Materials Engineering -- Manufacturing, Surface and Joining Technology (hsv//eng)

Nyckelord

Gas metal arc welding

Gravitational force

Substrate orientation

Electromagnetic force modelling

Free surface deformation

Computational Fluid Dynamics

OpenFOAM

Gasmetallbågsvetsning

Gravitation

Svetsläge

Elektromagnetisk kraftmodellering

Smältytans rörelser

Computational Fluid Dynamics

OpenFOAM

Production Technology

Produktionsteknik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

lic (ämneskategori)