Optimization of spray arc pulse parameters in gas metal arc welding of unalloyed steel

Abstract

The main objective of this research was to find best possible pulse parameters for Kemppi’s WiseSteel process, in order to obtain deep weld fusion. In addition to that, level of voltage, which leads to maximum fusion depth was also looked for. The aim of this research was to find the answer for the following research questions: Why and how pulse parameters of spray arc mode in GMAW affect on weld bead formation? What are the optimal spray arc pulse parameters in GMAW when aiming for deep fusion of weld? Why and how arc voltage affects weld bead formation in GMAW? What is the optimal arc voltage of GMAW spray arc mode when aiming for deep weld fusion?

This research was implemented as a combination of qualitative and quantitative research. Literature review, previously implemented test results and knowledge about the topic inside the company were used as a supportive part for welding tests. Based on them, the most promising parameters were selected under further investigation, which was done by welding tests. Wide variety of parameter set ups were welded, and the test specimen were macroscopic examined in order to get results to analyze.

Results of the research show, that all the analyzed parameters, pulse amplitude, pulse frequency and voltage, have effect on a weld bead formation. By adjusting them and keeping other parameters constant, narrower and deeper weld fusion can be obtained without having effect on throat thickness. Depth of fusion was increased 8 % comparing to WiseSteel spray arc’s default parameter settings and around 15 % comparing to conventional MIG/MAG. Based on the results, comprehensive analysis about pulse parameters and arc voltages effect on weld depth fusion was made and parameter recommendation for WiseSteel spray arc mode was given.

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli löytää parhaat mahdolliset pulssiparametrit Kempin WiseSteel-prosessiin, joilla saavutettaisiin hitsille syvä sulautumissyvyys. Tämän lisäksi etsittiin suurimpaan sulautumissyvyyteen johtava kaarijännitettä. Tutkimuksessa etsittiin vastauksia seuraaviin tutkimuskysymyksiin: Miksi ja miten kuumakaaripulssiparametrit MAG-hitsauksessa vaikuttavat hitsipalon muodostumiseen? Mitkä ovat optimaaliset kuumakaaripulssiparametrit MAG-hitsauksessa, kun tavoitellaan syvää hitsin sulautumissyvyyttä? Miksi ja miten kaarijännite kuumakaari-MAG-hitsauksessa vaikuttaa hitsipalon muodostumiseen? Mikä on optimaalinen kaarijännite kuumakaari-MAG-hitsauksessa, kun tavoitellaan syvää hitsin sulautumissyvyyttä?

Tämä tutkimus toteutettiin kvalitatiivisen ja kvantitatiivisen tutkimuksen yhdistelmänä. Kirjallisuuskatsaus, aiemmin suoritettujen testien tulokset ja tietämys kohdeyrityksen sisällä toimivat tutkimuksessa tukevana osana käytännön hitsauskokeille. Niiden tietojen perusteella valittiin lupaavimmat parametrit tarkempaan tutkimukseen, joka suoritettiin hitsauskokeilla. Laaja otos eri parametriyhdistelmiä testattiin hitsauskokeilla, jonka jälkeen testikappaleista otettiin makrohiekuvat tulosten analysointia varten.

Tulokset osoittivat, että kaikilla tutkituilla parametreillä, pulssiamplitudilla pulssitaajuudella ja kaarijännitteellä on vaikutusta hitsipalon muodostumiseen. Säätämällä parametrejä, saatiin aikaan kapeampi ja syvempi hitsin sulautuminen, a-mitan pysyessä samana. Hitsin sulautumissyvyys kasvoi 8 % verrattuna WiseSteelin oletusarvoparametreillä hitsattuna, ja verrattuna normaaliin MIG/MIG-hitsausprosessiin syvyys kasvoi noin 15 %. Tutkimuksen perusteella annettiin kattava analyysi pulssiparametrien ja kaarijännitteen vaikutuksesta hitsin sulautumissyvyyteen ja suositusarvot WiseSteel-prosessille.