Interdisciplinary Treatment to Arc Welding Power Sources

237 Pages·2019·12.27 MB·English

by  S. Arungalai Vendan

S. Arungalai Vendan · Liang Gao 
Akhil Garg · P. Kavitha · G. Dhivyasri 
Rahul SG
Interdisciplinary
Treatment to Arc
Welding Power
Sources
Interdisciplinary Treatment to Arc Welding Power
Sources
S. Arungalai Vendan Liang Gao
(cid:129)
Akhil Garg P. Kavitha G. Dhivyasri
(cid:129) (cid:129)
Rahul SG
Interdisciplinary Treatment
to Arc Welding Power
Sources
123
S. ArungalaiVendan P. Kavitha
Schoolof Electrical Engineering Schoolof Electrical Engineering
VIT University VIT University
Vellore, Tamil Nadu Vellore, Tamil Nadu
India India
LiangGao G.Dhivyasri
State Key Labof Digital Manufacturing Schoolof Electrical Engineering
EquipmentandTechnology VIT University
HuazhongUniversity of Science and Vellore, Tamil Nadu
Technology India
Wuhan, Hubei
China RahulSG
Schoolof Electrical Engineering
AkhilGarg VIT University
IntelligentManufacturingKeyLaboratoryof Vellore, Tamil Nadu
Ministry of Education India
ShantouUniversity
Shantou, Guangdong
China
ISBN978-981-13-0805-5 ISBN978-981-13-0806-2 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-981-13-0806-2
LibraryofCongressControlNumber:2018943712
©SpringerNatureSingaporePteLtd.2019
Thisworkissubjecttocopyright.AllrightsarereservedbythePublisher,whetherthewholeorpart
of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations,
recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission
orinformationstorageandretrieval,electronicadaptation,computersoftware,orbysimilarordissimilar
methodologynowknownorhereafterdeveloped.
The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this
publicationdoesnotimply,evenintheabsenceofaspecificstatement,thatsuchnamesareexemptfrom
therelevantprotectivelawsandregulationsandthereforefreeforgeneraluse.
The publisher, the authors and the editors are safe to assume that the advice and information in this
book are believed to be true and accurate at the date of publication. Neither the publisher nor the
authorsortheeditorsgiveawarranty,expressorimplied,withrespecttothematerialcontainedhereinor
for any errors or omissions that may have been made. The publisher remains neutral with regard to
jurisdictionalclaimsinpublishedmapsandinstitutionalaffiliations.
Printedonacid-freepaper
ThisSpringerimprintispublishedbytheregisteredcompanySpringerNatureSingaporePteLtd.
Theregisteredcompanyaddressis:152BeachRoad,#21-01/04GatewayEast,Singapore189721,
Singapore
Contents
1 Welding an Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Basics of Arc Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Electric Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Electric Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.4 Electrical Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.5 Heat Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.6 Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Equivalent Electrical Analogous Representation
of Arc Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Arc Welding as a Confluence of Several Disciplines. . . . . . . . . . 6
1.4 Applications of Arc Welding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Insight into Arc Welding Power Source Terminologies. . . . . . . . . . . 15
2.1 Critical Arc Power Source Terminologies for Welding . . . . . . . . 15
2.1.1 Arc Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.2 Arc Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.3 Arc Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.4 Arc Blow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.5 Pinch Effect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.6 Arc Shielding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Influence of Power Source Parameters on Weldment . . . . . . . . . 18
2.2.1 Open-Circuit Voltage (OCV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.2 Arc Voltage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.3 Welding Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.4 Electrode Polarity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.5 Power Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.6 Duty Cycle and Current Rating. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.7 Class of Insulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
v
vi Contents
2.3 Impact of Power Source Characteristics on Weldments. . . . . . . . 23
2.3.1 Static Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.2 Dynamic Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 Classification of Arc Welding Power Sources. . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.1 Static Types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.2 Rotating Types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5 Power Sources Components Briefing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.1 Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.2 BJT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.3 MOSFET. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5.4 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) . . . . . . . . . . . 36
2.5.5 Silicon-Controlled Rectifier (SCR) . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5.6 Pulse Width Modulators (PWM). . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5.7 Microprocessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5.8 Microcontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5.9 Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) . . . . . . . . . . 39
2.6 Evolution of Arc Welding Power Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.7 Switch-Based Techniques Adopted for Welding Power
Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.8 Literature Addressing Power Source Parameters . . . . . . . . . . . . . 61
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3 Control Terminologies and Schemes for Arc Welding Processes. . . . 71
3.1 Control System Terminologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1.1 Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1.2 System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.1.3 Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.1.4 Parameters/Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.1.5 Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.1.6 Disturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.1.7 Setpoint. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.1.8 Feedback. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.1.9 Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.1.10 Transfer Function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.1.11 Open Loop System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.1.12 Closed-Loop System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2 Control System Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.1 Order of the System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.2 Zeroth Order System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.3 First-Order System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.4 Second-Order System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.5 Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.6 Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Contents vii
3.3 Introduction to Fundamental Controllers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.4 Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.5 Significance of Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.6 Control System for Arc Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.6.1 Sensing System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.6.2 Control Strategy and Algorithms. . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.6.3 Desired Gating Signals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.7 Controller Schemes Adopted for Welding Power Sources . . . . . . 82
3.8 Process Parametric Influences on Weld Quality . . . . . . . . . . . . . 84
3.9 Real-Time Sample Reports on Formulating Adaptive Control
Scheme for Cold Metal Transfer for JoiningAA6061 . . . . . . . . . 119
3.9.1 Objective. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.9.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.9.3 Controller Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.9.4 MRAC Controller Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4 Power Sources and Challenges for Different Arc Welding
Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.1 Power Sources in Manual Metal Arc Welding (MMA) . . . . . . . . 127
4.2 Power Sources in Shielded Metal Arc Welding (SMAC). . . . . . . 127
4.3 Power Sources in Gas Tungsten Arc Welding
(GTAW)/Tungsten Inert Gas Arc Welding (TIG) . . . . . . . . . . . . 128
4.4 Power Sources in Gas Metal Arc Welding/Metal Inert
Gas Welding (GMAW/MIG). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.5 Power Sources in Submerged Arc Welding (SAW). . . . . . . . . . . 130
4.6 Major Challenges in Power Sources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.6.1 Harmonics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.6.2 Effects of Magnetic Field in Arc Welding . . . . . . . . . . . 132
4.6.3 Protection of Power Sources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.6.4 Cooling System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5 Sensors for Welding Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.1 Data Acquisition System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.1.1 What Are Sensors and Transducers? . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.1.2 Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.1.3 What Is a DAQ Hardware?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.2 Physical Principles of Sensing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.2.1 Characteristics of Different Sensor Types. . . . . . . . . . . . 145
5.2.2 Basic Terminologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.2.3 Choosing a Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.3 Key Measurement Components of a DAQ Device . . . . . . . . . . . 147
5.3.1 Signal Conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
viii Contents
5.3.2 Analog-to-Digital Converter (ADC). . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.3.3 Computer Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.4 Role of Computer in a DAQ System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.4.1 Application Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.4.2 Driver Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.5 Data Acquisition in Arc Welding Processes . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.5.1 Measuring Current and Voltage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.5.2 Wire Feed Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.5.3 Shielding Gas Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.5.4 Temperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.5.5 Sensors for Geometrical Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.5.6 Arc Sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.5.7 Typical Sensors and Their Outputs . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.6 Parameters of Arc Welding Sensors for Various
Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.7 Data Acquisition Using LabVIEW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.7.1 Physical Input/Output Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.7.2 DAQ Device/Hardware. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.7.3 Driver Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.7.4 Application Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.7.5 Measurement and Automation Explorer. . . . . . . . . . . . . 164
5.7.6 DAQ Assistant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.8 Case Study 1: Measurement of Temperature During Joining
of 316L Stainless Steel by CMT Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.8.1 Process Details. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.8.2 Description of DAQ Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.8.3 Experimental Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.8.4 Temperature Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.9 Case Study 2: Characterization of Gas Metal Arc Welding
System Using DAQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.9.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.9.2 Welding Procedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.10 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6 Optimization in Arc Welding Process. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.1 Introduction to Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.1.1 Constructing a Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.1.2 System Identification in Arc Welding . . . . . . . . . . . . . . 182
6.2 Significance of Optimization in Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Contents ix
6.3 ANN-Based Optimization Techniques to Arc Welding
Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.3.1 Introduction to ANN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.3.2 Backpropagation Neural Network (BP-NN) . . . . . . . . . . 186
6.4 Development of PSO-Based Backpropagation Neural
Network. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.4.1 Particle Swarm Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.4.2 Development of BP-NN Using PSO Algorithm . . . . . . . 189
6.5 Development of Levenberg–Marquardt (LM) Algorithm-Based
Backpropagation Neural Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.5.1 Introduction to LM Algorithm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.5.2 Computing the Jacobian Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.5.3 Steps in Levenberg–Marquardt Algorithm . . . . . . . . . . . 193
6.6 Genetic Algorithm for Tuning the Neural Network. . . . . . . . . . . 194
6.7 Case Study 1: Optimization of Flux Cored Arc Welding
Parameters Using GA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.7.1 Objective. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.7.2 Experimentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.7.3 Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
6.8 Case Study 2: Optimization and Prediction of Hardness
and Shear Strength Using PSO Based ANN in FSW
of AA6061 Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.8.1 Objective. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.8.2 Experimentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.8.3 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.9 Case Study 3: LM Algorithm-Based ANN Model to Predict
Strength and Joint Resistance of Al-Cu Alloys Joined
by Ultrasonic Welding Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.9.1 Objective. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.9.2 Experimentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.9.3 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7 Codes and Safety Standards During Welding. . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
7.1 Risk Management Process. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
7.1.1 Identifying the Potential Hazards. . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
7.1.2 Assessment of Risk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
7.1.3 Risk Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
7.2 Specific Hazards and Control Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.2.1 Airborne Contaminants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.2.2 Radiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.2.3 Electrical Risks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.2.4 Risks Due to Electromagnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . 215
x Contents
7.2.5 Exposure to Heat and Burns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.2.6 Compressed and Liquefied Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.2.7 Personal Protective Equipment (PPE) . . . . . . . . . . . . . . 216
7.2.8 Health Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.3 Standard Operating Procedures During Arc Welding. . . . . . . . . . 220
7.3.1 Engine Power Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7.3.2 In Presence of Electric and Magnetic Fields. . . . . . . . . . 221
7.3.3 During Handling Cylinders. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.3.4 While Handling Shielding Gases. . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.4 Welding Codes: American Welding Society (AWS) . . . . . . . . . . 222
7.5 Quality Assurance and Quality Management . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.5.1 En ISO 15609 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.5.2 En ISO 15614-1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.5.3 EN ISO 15614-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
7.5.4 EN ISO 15610. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
7.5.5 EN ISO 5817 and ISO 10042. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229