Simulation of heat transfer in TIG welding torch
Sivula, Paavo (2020)
Diplomityö
2020
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020113098675
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020113098675
Tiivistelmä
The purpose of this master’s thesis was to find out whether temperatures of TIG welding torch during welding could be simulated. Simulations were done with Ansys simulation software and simulations were compared to experimental laboratory measurements. One aspect of the research was to find out whether simulation tool could be used as everyday tool for product development in Kemppi.
Research consists a literature review were heat transfer mechanics are presented. Structure of typical gas cooled TIG welding torch is explained along with standards related to the TIG welding torches. Required modifications and simplifications to 3D model are covered together with simulation setup and meshing. Material models are presented and thermal dependent models were used for copper, brass and tungsten. Results from laboratory measurements are presented and discussion of them follows.
Verification of the simulation model was done in three steps. In the first case only current was passing through the torch. This enabled to measure the effect of joule heating separately. In the second case shielding gas was added. Shielding gas is known to have effect on cooling of welding torches. The third case contained temperature comparison during welding. All three cases were repeated with 50 A, 75 A and 100 A currents. In the first two cases match between simulation and laboratory measurements was quite good. Comparison during welding in the third case showed more deviation.
It was pointed out that getting correct temperatures during welding is really challenging and would require much more complex simulation model. However, in simpler cases Ansys could be powerful tool for everyday research and development work. With Ansys it would be possible to compare different designs much faster than with actual prototypes. It would enable laboratory to focus only on best designs. Tässä diplomityössä tutkittiin, voidaanko simuloimalla laskea TIG-hitsauspolttimen lämpötiloja hitsauksen aikana. Simulaatiot tehtiin Ansys-ohjelmistolla ja niiden tuloksia verrattiin laboratoriossa mitattuihin lämpötiloihin. Osana työtä selvitettiin, voidaanko vastaavaa työkalua käyttää apuna tuotekehitysprojekteissa.
Työ koostuu kirjallisuuskatsauksesta, jossa esitellään lämmönsiirtymisen mekanismit. Kirjallisuuskatsauksessa esitellään myös tyypillisen TIG-hitsauspolttimen rakenne sekä sen rakenteeseen vaikuttava standardi. Tarvitut muutokset ja yksinkertaistukset 3D malleihin on käyty läpi, jonka lisäksi vaaditut valmistelut simulointiin on esitelty. Käytetyt materiaalimallit on esitelty, lämpötilariippuvaisia malleja käytettiin messingille, kuparille ja volframille. Tulokset simuloinneista ja laboratoriomittauksista on esitelty niiden vertailun lisäksi. Pohdinta-osiossa esitetään mahdollisia syitä eroille mittauksien ja simulaatioiden välillä sekä arvioitiin simulointimallin toimivuutta ja realistisuutta.
Simulaatiomallin verifiointi tehtiin kolmessa osassa. Ensimmäisessä tapauksessa polttimen läpi kulki ainoastaan virta. Tällöin voitiin mitata sähköä johtavien materiaalien lämpenemisen vaikutus erillään muista tekijöistä. Toisessa tapauksessa simulaatiomalliin lisättiin suojakaasun virtaus, jolla tiedetään olevan jäähdyttävä vaikutus polttimeen. Viimeisessä tapauksessa lämpötiloja vertailtiin hitsauksen aikana.
Työ osoitti, että lämpötilojen simulointi hitsauksen aikana on hyvin haastavaa. Tarkkojen tulosten saavuttamiseksi simulaatiomallin pitäisi olla paljon laaja-alaisempi ja monimutkaisempi. Tarkkojen tuloksien replikointi ei kuitenkaan ole aina tarpeellista. Ansys osoittautui hyväksi työkaluksi erilaisten rakenteiden vertailuun. Vertailu yksinkertaisissa tapauksissa voitaisiin tehdä huomattavasti nopeammin kuin laboratoriossa mittaamalla. Simuloimalla tehty vertailu antaa mahdollisuuden testata ainoastaan parhaaksi havaitut ratkaisut laboratoriossa.
Research consists a literature review were heat transfer mechanics are presented. Structure of typical gas cooled TIG welding torch is explained along with standards related to the TIG welding torches. Required modifications and simplifications to 3D model are covered together with simulation setup and meshing. Material models are presented and thermal dependent models were used for copper, brass and tungsten. Results from laboratory measurements are presented and discussion of them follows.
Verification of the simulation model was done in three steps. In the first case only current was passing through the torch. This enabled to measure the effect of joule heating separately. In the second case shielding gas was added. Shielding gas is known to have effect on cooling of welding torches. The third case contained temperature comparison during welding. All three cases were repeated with 50 A, 75 A and 100 A currents. In the first two cases match between simulation and laboratory measurements was quite good. Comparison during welding in the third case showed more deviation.
It was pointed out that getting correct temperatures during welding is really challenging and would require much more complex simulation model. However, in simpler cases Ansys could be powerful tool for everyday research and development work. With Ansys it would be possible to compare different designs much faster than with actual prototypes. It would enable laboratory to focus only on best designs.
Työ koostuu kirjallisuuskatsauksesta, jossa esitellään lämmönsiirtymisen mekanismit. Kirjallisuuskatsauksessa esitellään myös tyypillisen TIG-hitsauspolttimen rakenne sekä sen rakenteeseen vaikuttava standardi. Tarvitut muutokset ja yksinkertaistukset 3D malleihin on käyty läpi, jonka lisäksi vaaditut valmistelut simulointiin on esitelty. Käytetyt materiaalimallit on esitelty, lämpötilariippuvaisia malleja käytettiin messingille, kuparille ja volframille. Tulokset simuloinneista ja laboratoriomittauksista on esitelty niiden vertailun lisäksi. Pohdinta-osiossa esitetään mahdollisia syitä eroille mittauksien ja simulaatioiden välillä sekä arvioitiin simulointimallin toimivuutta ja realistisuutta.
Simulaatiomallin verifiointi tehtiin kolmessa osassa. Ensimmäisessä tapauksessa polttimen läpi kulki ainoastaan virta. Tällöin voitiin mitata sähköä johtavien materiaalien lämpenemisen vaikutus erillään muista tekijöistä. Toisessa tapauksessa simulaatiomalliin lisättiin suojakaasun virtaus, jolla tiedetään olevan jäähdyttävä vaikutus polttimeen. Viimeisessä tapauksessa lämpötiloja vertailtiin hitsauksen aikana.
Työ osoitti, että lämpötilojen simulointi hitsauksen aikana on hyvin haastavaa. Tarkkojen tulosten saavuttamiseksi simulaatiomallin pitäisi olla paljon laaja-alaisempi ja monimutkaisempi. Tarkkojen tuloksien replikointi ei kuitenkaan ole aina tarpeellista. Ansys osoittautui hyväksi työkaluksi erilaisten rakenteiden vertailuun. Vertailu yksinkertaisissa tapauksissa voitaisiin tehdä huomattavasti nopeammin kuin laboratoriossa mittaamalla. Simuloimalla tehty vertailu antaa mahdollisuuden testata ainoastaan parhaaksi havaitut ratkaisut laboratoriossa.