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Magnetohydrodynamics and Gas Metal Arc Welding in ANSYS Fluent M. Trautmann, M. Hertel, U. Füssel TU Dresden Institut für Fertigungstechnik Professur für Fügetechnik und Montage A. Spille-Kohoff CFX Berlin Software GmbH Fakultät Maschinenwesen IOF Professur Fügetechnik und Montage

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Magnetohydrodynamics and Gas MetalArc Welding in ANSYS Fluent

M. Trautmann, M. Hertel, U. FüsselTU Dresden

Institut für FertigungstechnikProfessur für Fügetechnik und Montage

A. Spille-KohoffCFX Berlin Software GmbH

Fakultät Maschinenwesen IOF Professur Fügetechnik und Montage

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Motivation

• Numerical description ofelectromagnetics in ANSYS Fluent

• Simulation of welding processes− Extending process comprehension

• Multiphase simulation andelectromagnetics

− Welding processes considering material transition

04.07.2013 ANSYS Conference & 31ANSYS Conference & 31thth CADFEM Users' Meeting 2013CADFEM Users' Meeting 2013June 19June 19--21, 2013 21, 2013 –– Rosengarten MannheimRosengarten Mannheim

Folie 2

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Models needed for Gas Metal Arc Welding

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Folie 3

GMAW

Flow Calculation

Gas Flow

Multiphase Flow

Magneto-hydrodynamics

Electro-magnetics

Forces

Energy Sources

Arc Modelling

Plasma Properties

Vapourization

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Agenda

• Simulation of multiphase flow− Volume of Fluid− PLIC and Compressive

• Magnetohydrodynamics in ANSYS Fluent− MHD-Module provided by ANSYS Fluent− Improved model

• Simulation of Welding processes− Comparison to ANSYS CFX− Multiphase welding process

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Folie 4

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Multiphase Simulation

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Folie 5

Vof function in flow field

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Implicite and explicite multiphase calculation

• Explizite− Fast and precise− Geometric phase interface

reconstruction possible(Geo-Reconstruct / PLIC)

− Small timestep• Implizite

− Large timestep− Compressive phase

interface calculation• Compared to experiments of

D. H. Peregrine

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Folie 6

Original phase interface

Interface Geo-ReconstructInterface Compressive

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1.2 ms

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Folie 7

experiment explicite implicite

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Folie 8

experiment explicite implicite

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4.2 ms

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Folie 9

experiment explicite implicite

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Magnetohydrodynamics - Equations

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Folie 10

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Magnetohydrodynamics in Fluent

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Folie 11

Magnetohydrodynamics in Fluent

Magnetic InductionMethod

Equations formagnetic field

Boundaries:Magnetic boundary

condition

Electric Potential Method

Equation foreletric field

Boundaries:Electric boundary

condition

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Electric Potential Method

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Folie 12

MHD Motor with external magnetic field

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Magnetic Induction Method

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Folie 13

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New Approach

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Folie 14

Magnetic field due to current in conductor, „Right Hand Rule“

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Simulation of welding processes

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Folie 15

• Simplified GMAW process with solid geometry• Comparison to the MHD module in ANSYS CFX• Rotational symmetry

− 2D geometry in Fluent− 6° geometry in CFX

• Boundary conditions− Electric potential: 3 V− Gas flow rate: 12 l

OpeningNozzle

Inlet

Calculation area

CathodeAnode

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Simulation of welding processes

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Folie 16

CFX Fluent

Current [A] 94.57 93.05

Force Workpiece[N] 0.0017747 0.001822

Ohmic Loss [W] 283.1 279.8

Power[W]= U*I

283.71 279.15

Resistance [Ohm] 0.0317 0.326

radiation [W] 153.8 155.2

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Geometry multiphase GMAW

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Folie 17

opening

Inletshielding

gas

axis

cathode

InletWelding wire

20 mm

12 m

m

Wire electrode with temperature distributionCalculation area

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GMAW with multiphase

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Folie 18

Simulation of a multiphase GMAW model, arc after ignition (left), arc after melting (right)

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Influence of metal vapour

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Folie 19

Simulation of a multiphase GMAW model considering metal vapour, arc after ignition (left), arc after melting (right)

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Conclusion and lookout

• Implementation of a new module for MHD• Successfully calculated welding arc• Welding arc combined with multiphase simulation• Considering vapourization for realistic temperature

distribution and droplet formation• Future:

− Coupled model with workpiece− Predict the impact of the plasma gas on the seam quality− Predict the impact of the power source on the seam quality

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Folie 20

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Thank you for your attention

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