TIG KAYNAK YÖNTEMİNDE (GTAW) ARK PLAZMASININ SICAKLIK VE HIZ DAĞILIMININ COMSOL İLE SAYISAL ANALİZİNİN YAPILMASI

Transkript

1 TIG KAYNAK YÖNTEMİNDE (GTAW) ARK PLAZMASININ SICAKLIK VE HIZ DAĞILIMININ COMSOL İLE SAYISAL ANALİZİNİN YAPILMASI Vural CEYHUN, Prof.Dr. Ege Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Bornova-İZMİR Tel: Fax: vceyhun@gmail.com Atilla SAVAŞ,Y.Müh. Ege Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Bornova-İZMİR Tel: Fax: @ogrenci.ege.edu.tr

2 ÖZET Bu çalışmanın amacı TIG kaynağı arkındaki magnetohidrodinamik (MHD) probleminin COMSOL yaılımı kullanılarak sayısal analiinin yapılmasıdır. COMSOL yaılımı bir takım doğrulamalardan sonra TIG kaynağı arkındaki hı ve sıcaklık dağılımlarının sayısal simülasyonunun yapılmasında kullanılabilir. Bu yöntemin kullanılmasıyla külfetli deneysel çalışmalardan kaçınılabilecektir. Bu çalışmada, argon arkındaki sayısal olarak hesaplanmış sıcaklık ve hı dağılımı literatürdeki sayısal ve deneysel yöntemlerle karşılaştırılmış ve elde edilen sonuçların deneylerle ve diğer sayısal sonuçlarla uyumlu olduğu görülmüştür. Bu doğrulama işleminden sonra ark akımı ark boyu ve koruyucu ga parametreleri değiştirilerek elde edilen sonuçlar sunulmuştur. Anahtar Kelimeler: TIG kaynağı arkı, sayısal simülasyon, sonlu elemanlar metodu (FEM). ABSTRACT The aim of this work is to use COMSOL software as a tool for solving the 2-D magnetohydrodynamics (MHD) problem in the Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) arc. COMSOL software can be utilied to simulate the temperature and velocity profile in the GTAW arc after some validation procedures. Cumbersome experimental work can be avoided by using this numerical instrument. In this study, the numerically calculated temperature profile and velocity profile under argon shielding gas were compared with experimental and other numerical results found in the literature. Comparisons showed good agreement. After this validation procedure the welding parameters arc current, arc length and the shielding gas have been changed and the obtained results have been presented. Keywords: GTAW arc, numerical simulation, finite element method (FEM). 1

3 1. GİRİŞ TIG kaynağı arkı kaynak, kesme ve spreyleme süreçlerinde çok kullanılmaktadır. Bu nedenle ark plamasının davranışlarını anlamak önem ar etmektedir. Arkın sıcaklık ve hı dağılımı çok karmaşık olabileceğinden arkın fiiksel öelliklerinin deneysel olarak elde edilmesi çok güç olacaktır (Lu vd.,2009). TIG kaynağı arkını bütün fiiksel olayları içerecek şekilde sayısal olarak çöme girişimi Hsu vd. tarafından yapılmıştır (1983). Hsu vd. nin (1983) sayısal çalışmalarını doğrulamak için yaptığı deneylerden sonra Mckelliget vd. (1986) sayısal modeli anot ve katot sınır tabakalarını da içerecek şekilde geliştirmişlerdir. Mckelliget vd. (1986) aynı amanda sabit bir katot akım yoğunluğu değeri (6.5 x 10 7 A/m 2 ) kullanmıştır, bu değeri bi de çalışmamıda kullandık. Goodari vd. (1997) katot uç açısını hesaba katarak ucu sivriltilmiş katodun plama hıını arttırdığı ve böylece taşınım yoluyla iletilen ısının arttırıldığını tespit etmiştir. Ramire vd. (2004) iki değişik metot kullanarak TIG kaynağı arkını simüle etmiş ve potansiyel yöntemin manyetik yöntemden daha iyi sonuçlar verdiğini tespit etmiştir. Wu vd.(1997) ark plaması ile anot arasındaki etkileşimi iki yönlü olarak hesaba katmıştır. Murphy vd. (2009) arkı değişik koruyucu galar altında ve metal buharıyla beraber incelemiştir. Argon arkı ile nitrojen arkı karşılaştırması Lu vd. (2009) tarafından yapılmıştır. Freton vd. (2000) 3 boyutlu çalışma alanında çöüm elde etmiş ve 2 boyutlu çalışma alanının argon arkının öelliklerini tespit etmek için yeterli olduğunu belirlemiştir. TIG kaynağı arkının sayısal analiinin yapılmasında daha çok Sonlu Hacimler Yöntemi (FVM) kullanılagelmiştir (Hsu vd., 1983; Fan vd., 1997;Goodari vd., 1997; Kim vd., 1997; Freton vd., 2000; Chen vd., 2001;Lago vd., 2004; Ramire vd., 2004;Tanaka vd., 2004; Tanaka vd., 2005; Du vd., 2008; Lu vd., 2009; Murphy vd., 2009; Dong vd., 2011). Son yıllarda literatürde Sonlu Elemanlar Yöntemiyle çöülmüş örnekler de görülmektedir (Lu vd., 2004; Chu vd., 2004; Lu vd., 2006; Bauchire vd., 2009; Traidia ve Roger, 2010; Traidia ve Roger, 2011). 2. MATEMATİKSEL MODELLEME TIG kaynağı ark plamasının sayısal analiinin yapılabilmesi için kullanılan çalışma alanı Şekil 2.1 de verilmiştir. Kaynak arkı bir tungsten elektrotla bir çelik parça arasında oluşturulur. DC elektrot negatif (DCEN) metodu kullanıldığından tungsten elektrot katot çelik iş parçası da anodu oluşturmaktadır. 2.1 Kabuller Çalışma alanı 2 boyutlu ve eksenel simetrik olarak seçilmiştir. Problem kararlı halde çöülmüştür, çünkü TIG kaynağı arkı ark tutuşturulduktan hemen sonra kararlı hale geçmektedir. Torç hareket etmemekte ve kaynak işlemi atmosfer basıncı altında gerçekleştirilmektedir. Ark plama akışı laminer akıştır ve sıkıştırılama olarak kabul edilmiştir. Ark plaması içinde ga iyonları ve elektronların aynı sıcaklıkta olduğu kabul edilmiştir. Ark plamasının içinde soğurma meydana gelmediği kabul edilmiştir. Metal buharı hesaba katılmamıştır. Elektrot kılıflarında meydana gelen fiiksel olaylar hesaba katılmamıştır. Radyasyon kayıplarını simüle etmek için Net Emisyon Katsayısı metodu kullanılmıştır. 2.2 Problemi Tanımlayan Denklemler Yukarıdaki kabuller hesaba katıldıktan sonra aşağıdaki denklemler yaılabilir: 2

4 Kütle korunumu denklemi: Şekil 2.1 TIG Kaynağı Arkı için Hesaplama Alanı (ölçüler mm dir) 1 r r v ru 0 (1) Burada ρ yoğunluğu u ve v de radyal ve eksenel yöndeki hı bileşenlerini temsil etmektedir. Radyal momentum korunumu denklemi: 1 P u v 1 u vu ruu 2r J B r r r r r r r (2) Eksenel momentum korunumu denklemi: 1 P v 1 v u vv ruv 2 r r JrB r r r r r (3) Burada P basıncı, μ viskoiteyi, J r ve J radyal ve eksenel akım yoğunluğu bileşenlerini ve B θ da çevresel yöndeki manyetik akı yoğunluğunu göstermektedir. Enerji korunumu denklemi: 1 T 1 T vc pt rucpt k rk r r r r r 2 2 J Jr 5 kb T T SR J J r 2 e r (4) 3

5 Burada C p sabit basınç altındaki ısıl kapasiteyi, k ısıl iletkenliği, σ elektriksel iletkenliği, k b Boltman s sabitini ve e de elektronik yükü temsil etmektedir. Enerji denklemindeki son üç terim sırasıyla Joule ısınmasını, radyasyon kaybını ve elektron akışı ile ortaya çıkan enerjiyi göstermektedir. Akımın korunumu denklemi: 1 r 0 r r r (5) Ohm kanunu: J J r r (6) (7) Manyetik alanın çevresel bileşeni B θ manyetik potansiyel bileşenleri olan A r ve A den aşağıdaki gibi elde edilir: 2 2 A 1 r A r r r (8) 0 J 0 2 r 2 A 1 r Ar r r r A r 2 (9) 0 J r 0 ve B Ar A r (10) Burada φ elektrik potansiyelini, μ 0 boşluğun manyetik geçirgenliğini temsil eder Sınır Koşulları Şekil 2.1 de belirtilen çalışma alanıyla ilgili sınır koşulları Tablo 2.1 de verilmiştir. Koruyucu ga hıı 1 m/s olarak alınmıştır. En önemli sınır koşulu olan Şekil 2.1 de AB hattında tanımlanan sınır koşuludur ve bu hat katot spot olarak tanımlanır. Bu bölge en yoğun elektron akışının olduğu bölgedir. Bu hat üerindeki akım yoğunluğu akımın değerine bakılmaksıın J c =6.5x 10 7 A/m 2 olarak alınmıştır. (J c katot akım yoğunluğunu gösterir) Literatürdeki öteki örneklerde de aynı şekilde akım yoğunluğu J c =6.5x 10 7 A/m 2 olarak alınmıştır (McKelliget vd., 1986; Wu vd., 1997; Ramire vd., 2004; Dong vd., 2011;). Değişik akım değerleri aşağıda verilen denklemlerde gösterildiği gibi katot spot yarıçapının değiştirilmesi ile elde edilebilmektedir. J Jc c r R (11) J 0 r Rc (12) R c I J (13) c Burada I uygulanan akım değerini vermektedir. 4

6 Tablo 2.1. Sınır Koşulları Hı ve Basınç Isı Transferi Manyetik ve Elektrik Alan AB BC CD DD Duvar Sınır Koşulu u=0, v=0 m/s Duvar Sınır Koşulu u=0, v=0 m/s Duvar Sınır Koşulu u=0, v=0 m/s u=0, v=- Koruyucu Ga Hıı 3000 K Manyetik Yalıtım ve J c= - 6.5x10 7 A/m K Manyetik ve Elektrik Yalıtım 3000 K Manyetik ve Elektrik Yalıtım 500 K Manyetik ve Elektrik Yalıtım D E Atmosfer Basıncı 10 5 Pa 500 K Manyetik ve Elektrik Yalıtım EF Atmosfer Basıncı 10 5 Pa 500 K Manyetik ve Elektrik Yalıtım FG Duvar Sınır Koşulu u=0, v=0 m/s Isıl Yalıtım a Manyetik Yalıtım ve Topraklama GA Eksenel Simetri Eksenel Simetri Eksenel Simetri a Anot yüeyindeki sıcaklık sınır koşulu Neumann sınır koşulu olarak verilmiştir. Bauchire vd. ne (2009) göre Dirichlet sınır koşulu verildiğinde sayısal çöüm yakınsamamaktadır. Bu tedeki çalışmada da aynı sorunla karşılaşılmış ve anot yüeyinde ısıl yalıtım sınır koşulu tanımlanmıştır. Anottaki sınır koşullarının katottaki sınır koşulları kadar ark davranışını etkilemediği bilinmektedir (Lowke vd., 1997) Plama Galarının Öellikleri Argon, nitrojen ve helyum gaının ısıl öellikleri ve taşınım katsayıları Boulos vd. nden (1994) alınmıştır. Argon gaının net emisyon katsayısı Evans ve Tankin den (1967) alınmıştır. Diğer gaların net emisyon katsayısı veri yokluğundan argon ile aynı kabul edilmiştir. 3. SAYISAL MODELİN DOĞRULANMASI Sayısal model Hsu vd. nin (1983) deneysel ve sayısal çalışmalarının sonuçlarıyla karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Aynı koşullardaki Hsu vd. nin (1983) elde ettiği sıcaklık dağılımıyla bu tede elde edilen sıcaklık dağılımı birbiriyle örtüşmektedir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlarla (sağ taraf) Hsu vd. nin (1983) sonuçları (sol taraf) Şekil 3.1 de verilmiştir. İki taraf arasındaki farklar daha çok yerel ısıl dengenin geçerli olmadığı arkın kenarlarında görülmektedir. Arkın merkeinde sonuçların birbiriyle örtüşmesi dikkate değerdir. Anoda yakın bölgedeki farklar ise anot yüeyinde tanımlı yalıtım sınır koşulundan kaynaklanmış olabileceği değerlendirilmektedir. Hsu vd. nin (1983) sayısal olarak elde ettiği plama hıının bu çalışmadaki sonuçlarla 5

7 karşılaştırılması Şekil 3.2 de verilmiştir. Argon arkında elde edilen hı dağılımı bu çalışmada aynı koşullarda elde edilen dağılımla karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar Hsu vd. (1983) tarafından bulunan sonuçlardan bir miktar düşük çıkmıştır, fakat karakteristik eğriler birbiriyle örtüşmektedir. Şekil 3.1 Argon arkı (200 A ark akımı, 10 mm ark boyu) için deneysel ve hesaplanmış eş sıcaklık eğrilerinin karşılaştırılması. Deneysel sonuçlar Hsu vd. nin (1983) çalışmasından alınmıştır. Şekil 3.2 Simetri ekseni boyunca oluşan hı dağılımının literatürdeki sayısal bir çöümle karşılaştırılması. Sayısal sonuçlar Hsu vd. nin (1983) çalışmasından alınmıştır. 6

8 Bu çalışmada kullanılan sayısal modelin argon arkı plama hıı ve sıcaklık dağılımlarının gerçeğe yakın bir şekilde tahmin edilmesi için uygun bir model olduğu kanıtlanmıştır. Bundan sonraki bölümlerde değişik koruyucu galar için ve değişik ark akımı ile ark boyu değerleri için TIG kaynağı arkının öellikleri incelenecektir. Koruyucu ga akış oranı bir değişken olarak alınmamıştır, çünkü bu değer sıcaklık ve hı dağılımını çok a oranda etkilemektedir (Du vd., 2008). 4. KAYNAK PARAMETRELERİNİN DEĞİŞTİRİLMESİYLE ELDE EDİLEN ARK ÖZELLİKLERİ Koruyucu ga olarak argondan başka nitrojen ve helyum kullanılmıştır. Argon arkı daha çok çelik parçalar için kullanılmaktadır. Helyum arkı nüfuiyetin fala olması istenen kalın parçalarda, alüminyum alaşımları ve bakırın kaynağında kullanabilmektedir. Nitrojen arkı baı ülkelerde bakırın kaynak edilmesinde kullanılır. Nitrojen koruyucu gaı altındaki yüksek sıcaklıktaki kaynak arkı yüksek ısıl iletkenliğe sahip bakırın kaynağını kolaylaştırır (Howard, 1998). Kaynak akımı olarak üç değişik akım kullanılmıştır: 100 A, 150 A ve 200 A; ark boyu olarak da üç değişik değer alınmıştır: 2mm, 6mm ve 10mm.. Bu parametrelerin uygulanmasıyla elde edilen en yüksek plama sıcaklığı, plama hıı, ve ark voltajı değerleri Tablo 4.1, 4.2 ve 4.3 te sunulmuştur. Tablo 4.1. Değişen Proses Koşullarında Argon Arkının Öellikleri Ark Boyu mm Ark Akımı A Maks. Hı a Maks. Sıcaklık Maks. Voltaj Maks. Hı Maks. Sıcaklık Maks. Voltaj Maks. Hı Maks. Sıcaklık Maks. Voltaj a Hı birimi m/s dir, sıcaklık birimi K dir. 7

9 Tablo 4.2. Değişen Proses Koşullarında Nitrojen Arkının Öellikleri Ark Boyu mm Ark Akımı A Maks. Hı a Maks. Sıcaklık Maks. Voltaj Maks. Hı Maks. Sıcaklık Maks. Voltaj Maks. Hı Maks. Sıcaklık Maks. Voltaj a Hı birimi m/s dir, sıcaklık birimi K dir. Tablo 4.3. Değişen Proses Koşullarında Helyum Arkının Öellikleri Ark Boyu mm Ark Akımı A Maks. Hı a Maks. Sıcaklık Maks. Voltaj Maks. Hı Maks. Sıcaklık Maks. Voltaj Maks. Hı Maks. Sıcaklık Maks. Voltaj a Hı birimi m/s dir, sıcaklık birimi K dir. 8

10 5. SONUÇLARIN GÖRSEL OLARAK SUNULMASI Şekil A ark akımı ve 10 mm ark boyu için argon arkının sıcaklık ve hı dağılımı Şekil A ark akımı ve 6 mm ark boyu için nitrojen arkının sıcaklık ve hı dağılımı 9

11 Şekil A ark akımı ve 2 mm ark boyu için helyum arkının sıcaklık ve hı dağılımı 6. SONUÇ 6.1. TIG kaynağı arkındaki değişik koruyucu galar altındaki sıcaklık ve hı dağılımlarını simüle etmek maksadıyla COMSOL paket programı kullanılarak 2 boyutlu eksenel simetrik bir sayısal model oluşturulmuştur En yüksek sıcaklık değeri nitrojen arkında elde edilmiştir. Bu sonucun elde edilmesinde yüksek ısıl iletkenlik ve yüksek ögül ısının önemli rol oynadığı değerlendirilmektedir En yüksek voltaj değeri helyum arkında elde edilmiştir. Bu sonucun elde edilmesinde helyumun iyoniasyon potansiyelinin yüksek olmasının önemli rol oynadığı değerlendirilmektedir Nitrojen arkının voltaj değeri yaklaşık olarak argon arkının iki katı çıkmaktadır En yüksek plama hıı değerleri nitrojen ve helyum arklarında tespit edilmiştir. 7. KAYNAKLAR (1) Bauchire, J.M. Bertrand, E.M., Iara, C., 2009, Numerical modeling of a free-burning arc in argon. A tool for understanding the optical mirage effect in a TIG welding device, Excerpt from the proceedings of the COMSOL Multiphysics User Conference, Milan (2) Boulos, M.I., Fauchais, P., Pfender, E., 1994, Thermal Plasmas- Fundamentals and Applications, vol.1, Plenum, New York, 447p. (3) Chen, X., Lee, H.P., 2001, Heat transfer and fluid flow in a high-intensity free-burning arc an improved modeling approach, International Journal of Heat and Mass Transfer, 44, p. (4) Chu, S.C., Lian, S.S., 2004, Numerical analysis of temperature distribution of plasma arc with molten pool in plasma arc melting, Computational Materials Science, 30, p. 10

12 (5) Dong, W., Lu, S., Li, D., Li, Y., 2011, GTAW liquid pool convections and the weld shape variations under helium gas shielding, International Journal of Heat and Mass Transfer, 54, p. (6) Du, H., Wei, Y., Wang, W., Lin, W., Fang, D., 2008, Numerical simulation of temperature and fluid in GTAW-arc under changing process conditions, Journal of Materials Processing Technology, 1-14p. (7) Evans, D.L., Tankin, R.S., 1967, Measurement of emission and absorption of radiation by an argon plasma, Phys. Fluids 10 (6), p (8) Fan, H.G., Shi,Y.W., Na, S.J., 1997, Numerical analysis of the arc in pulsed current gas tungsten arc welding using a boundary-fitted coordinate, Journal of Materials Processing Technology, 72, p. (9) Freton, P., Gonale, J. J., Gleies, A., 2000, Comparison between a two- and a three-dimensional arc plasma configuration, J. Phys. D: Appl. Phys., 33, p. (10) Goodari, M., Choo, R., Toguri, J.M., 1997, The effect of the cathode tip angle on the GTAW arc and weld pool I. mathematical model of the arc J. Phys. D: Appl. Phys., p. (11) Howard, B.C., 1998, Modern Welding Technology, Fourth Edition, Prentice Hall, Ohio, 780p (12) Hsu, K.C., Etemadi, K., Pfender, E., 1983, Study of the free burning high intensity argon arc, J. Phys. D: Appl. Phys., 54 (3) p. (13) Kim, W.H., Na, S.J., 1997, A mathematical model of Gas Tungsten Arc Welding considering the cathode and the free surface of the weld pool, Metallurgical And Materials Transactions B, Volume 28b, p. (14) Lago, F., Gonale, J.J., Freton, P. Gleies, A., 2004, A numerical modeling of an electric arc and its interaction with the anode Part I, J. Phys. D: Appl. Phys., 37, p. (15) Lowke, J.J., Morrow, R., Haidar, J., 1997, A simplified unified theory of arcs and their electrodes, J. Phys. D: Appl. Phys., 30, p. (16) Lu, F., Yao, S., Lou, S., Li, Y., 2004, Modeling and finite element analysis on GTAW arc and weld pool, Computational Materials Science, 29, p. (17) Lu, F., Tang, X., Yu, H., Yao, S., 2006, Numerical simulation on interaction between TIG welding arc and weld pool, Computational Materials Science, 35, p. (18) Lu, S., Dong, W., Li, D., Li, Y., 2009, Numerical study and comparisons of gas tungsten arc properties between argon and nitrogen, Computational Materials Science, 45, p. (19) McKelliget, J., Sekely, J., 1986, Heat transfer and fluid flow in the welding arc, Metallurgical Transactions A, Volume 17A p. (20) Murphy, A.B., Tanaka, M., Yamamoto, K., Tashiro, S., Sato, T. Lowke, J.J., 2009, Modeling of thermal plasmas for arc welding: the role of the shielding gas properties and of metal vapor, J. Phys. D: Appl. Phys., 42, , 20p. (21) Ramire, M.A., Trapaga, G., McKelliget, J., 2004, A comparison between different numerical formulations for welding arc representations, Journal of Material Processing Technology, , p. (22) Tanaka, M., Lowke, J.J., 2004, Predictions of weld pool profiles using plasma physics, J. Phys. D: Appl. Phys., 40, 1-23p. (23) Tanaka, M., Ushio,M., Lowke, J.J., 2005, Numerical analysis of weld formation using helium arc, JSME International Series B, Vol. 48 No.3, p. 11

13 (24) Traidia, A., Roger, F., 2010, A transient unified model of arc-weld pool couplings during pulsed spot gas tungsten arc welding, Excerpt from the proceedings of the COMSOL Conference, Boston (25) Traidia, A., Roger, F., 2011, Numerical and experimental study of arc and weld pool behavior for pulsed current GTA welding, International Journal of Heat and Mass Transfer, doi: /j.ijheatmasstransfer (26) Wu, C.S., Ushio, M., Tanaka, M., 1997, Analysis of the TIG welding arc behavior, Computational Materials Science, 7, p. 12