Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University105510.18323/2782-4039-2025-2-72-1ArticlesСтатьиResearch ArticleThe influence of pulse current on drop transfer during double-electrode gas surfacingВлияние импульсного тока на каплеперенос при двухэлектродной наплавке в газахhttps://orcid.org/0000-0002-4965-8028ElsukovSergey K.ЕлсуковСергей Константинович
Russian Federation

PhD (Engineering), assistant professor of Chair “Welding Production Equipment and Technology”

кандидат технических наук, доцент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства»

serzh.elsukov@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9912-2598ZorinIlya V.ЗоринИлья Васильевич
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Associate Professor, professor of Chair “Welding Production Equipment and Technology”

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Оборудование и технология сварочного производства»

zorin.iv@vstu.ruNesinDmitry S.НесинДмитрий Сергеевич
Russian Federation

postgraduate student

аспирант

nesdmiser2000@mail.ruVolgograd State Technical UniversityВолгоградский государственный технический университет30062025291830062025Copyright ©; 2025, Elsukov S.K., Zorin I.V., Nesin D.S.Copyright ©; 2025, Елсуков С.К., Зорин И.В., Несин Д.С.2025Elsukov S.K., Zorin I.V., Nesin D.S.Елсуков С.К., Зорин И.В., Несин Д.С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/1055

The application of a circuit with a common pulse current source for surfacing with two electrode wires increases the energy efficiency of the arc process and the welding arc technological properties, but requires a more detailed study of the influence of the mode parameters on its stability. In this regard, this paper focuses on studying the dynamics of formation and transfer of metal drops under various modes of pulsed power supply of the welding arc. Using high-speed video filming of the welding arc and synchronized recording of current and voltage signals, a mode was set (average current value was 250 A, maximum current value in pulse was 600 A, arc voltage was ~30 V), which ensured a stable process of transfer of electrode metal by a drop common to two wires without short circuits. It was found that the common drop under the action of electrodynamic forces acquires centripetal acceleration, which contributes to its directed transfer to the weld pool and allows minimizing the amount of spatter on the surface of the base metal. Using mathematical modeling, the nature of the interaction of welding arcs on two wires was confirmed and it was found that even at the stage of the current pulse “hot” phase (600 A, t=0.8 s), the arc pressure on the plate surface is less than when welding with one wire at direct current. The identified effect is associated with a change in the direction of the plasma flow to perpendicular to the wire axis due to an increase in the electrodynamic attractive force of the magnetic fields around the two wire conductors. Together with a decrease in the arc temperature and pressure on the plate surface during the “heat input control” phase of the current pulse (180 A, t=1.4 s), this should help to reduce the heat input and the depth of penetration of the base metal, and, consequently, reduce the degree of dilution of the deposited alloy by the substrate metal. The latter is especially relevant when solving problems of creating a technology for surfacing of relatively thin layers of corrosion-resistant alloys, in particular, on the surface of petrochemical equipment products.

Применение для наплавки двумя электродными проволоками схемы с общим источником импульсного тока повышает энергоэффективность дугового процесса и технологические свойства сварочной дуги, но требует более детального изучения влияния параметров режима на ее стабильность. В связи с этим в данной работе основное внимание уделено изучению динамики формирования и переноса металлических капель при различных режимах импульсного питания сварочной дуги. С использованием скоростной видеосъемки сварочной дуги и синхронизированной записи сигналов тока и напряжения установлен режим (среднее значение тока 250 А, максимальное в импульсе 600 А, напряжение на дуге ~30 В), который обеспечивает стабильный процесс переноса электродного металла общей для двух проволок каплей без образования коротких замыканий. Обнаружено, что общая капля под действием электродинамических сил приобретает центростремительное ускорение, что способствует ее направленному переносу в сварочную ванну и позволяет максимально снизить количество брызг на поверхности основного металла. С использованием математического моделирования был подтвержден характер взаимодействия сварочных дуг на двух проволоках и установлено, что даже на стадии «горячей» фазы импульса тока (600 А, t=0,8 с) давление дуги на поверхность пластины меньше, чем при сварке одной проволокой на постоянном токе. Выявленный эффект связан с изменением направления плазменного потока на перпендикулярное к оси проволоки вследствие увеличения электродинамической силы притяжения магнитных полей вокруг двух проволочных проводников. В совокупности со снижением температуры дуги и давления на поверхность пластины в фазе «контроля тепловложения» импульса тока (180 А, t=1,4 с) это должно способствовать уменьшению тепловложения и глубины проплавления основного металла, а следовательно, уменьшить степень разбавления наплавляемого сплава металлом подложки. Последнее особенно востребовано при решении задач по созданию технологии наплавки относительно тонких слоев из коррозионностойких сплавов, в частности, на поверхности изделий нефтехимического оборудования.

double-electrode surfacingpulse-arc processwelding arcdrop transfernumerical simulationдвухэлектродная наплавкаимпульсно-дуговой процесссварочная дугакаплепереносчисленное моделированиеИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-23-20068 (https://rscf.ru/project/24-23-20068/) и гранта Администрации Волгоградской области по соглашению № 7 от 31.05.2024.The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 24-23-20068 (https://rscf.ru/project/24-23-20068/) and the Volgograd Region Administration grant under agreement No. 7 dated May 31, 2024.The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 24-23-20068 (https://rscf.ru/project/24-23-20068/) and the Volgograd Region Administration grant under agreement No. 7 dated May 31, 2024.Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-23-20068 (https://rscf.ru/project/24-23-20068/) и гранта Администрации Волгоградской области по соглашению № 7 от 31.05.2024.Malinovska E., Pavelka V. Characteristics of welded joints produced by two wire submerged-arc welding. Welding International, 1990, vol. 4, no. 2, pp. 157–163. DOI: 10.1080/09507119009447698.Malinovska E., Pavelka V. Characteristics of welded joints produced by two wire submerged-arc welding // Welding International. 1990. Vol. 4. № 2. P. 157–163. DOI: 10.1080/09507119009447698.Zorin I.V., Elsukov S.K., Sokolov G.N., Dubtsov Yu.N., Lysak V.I., Kharlamov V.O. Investigation of the alloy Inconel 625 deposition process by a split electrode. Svarochnoe proizvodstvo, 2018, no. 11, pp. 9–15. EDN: YULCSL.Зорин И.В., Елсуков С.К., Соколов Г.Н., Дубцов Ю.Н., Лысак В.И., Харламов В.О. Исследование процесса наплавки расщепленным электродом сплава Inconel 625 // Сварочное производство. 2018. № 11. С. 9–15. EDN: YULCSL.Maydanchuk T.B., Ilyushenko V.M., Bondarenko A.N. Improving the quality of bimetallic compounds during submerged deposition of high-lead bronze on steel. Avtomaticheskaya svarka, 2015, no. 5-6, pp. 42–45. EDN: TVOTMJ.Майданчук Т.Б., Илюшенко В.М., Бондаренко А.Н. Улучшение качества биметаллического соединения при наплавке под флюсом высокооловянной бронзы на сталь // Автоматическая сварка. 2015. № 5-6. С. 42–45. EDN: TVOTMJ.Mastenko V.Yu. Method of automatic two-electrode surfacing with submerged wires. Remont. Vosstanovlenie. Modernizatsiya, 2006, no. 8, pp. 8–10. EDN: HVBRIP.Мастенко В.Ю. Способ автоматической двухэлектродной наплавки проволоками под флюсом // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2006. № 8. С. 8–10. EDN: HVBRIP.Wang Xiaoli, Zhang Qi, Liu Yangsen, Luo Chengfu, Hu Qingxian. Impact of welding current on arc physical characteristics in single-power, double-wire, single-arc gas metal arc welding. Welding in the World, 2025, no. 2, pp. 1–12. DOI: 10.1007/s40194-025-01982-y.Wang Xiaoli, Zhang Qi, Liu Yangsen, Luo Chengfu, Hu Qingxian. Impact of welding current on arc physical characteristics in single-power, double-wire, single-arc gas metal arc welding // Welding in the World. 2025. № 2. P. 1–12. DOI: 10.1007/s40194-025-01982-y.Jie Xu, Yiming Ma, Lin Wang, Xu Lu. Numerical simulation of arc and metal transfer behaviors in double-wire gas metal arc welding. Welding in the World, 2022, vol. 66, no. 12, pp. 2521–2531. DOI: 10.1007/s40194-022-01381-7.Xu Jie, Ma Yiming, Wang Lin, Lu Xu. Numerical simulation of arc and metal transfer behaviors in double-wire gas metal arc welding // Welding in the World. 2022. Vol. 66. № 12. P. 2521–2531. DOI: 10.1007/s40194-022-01381-7.Ding Xueping, Li Huan, Wei Huiliang, Liu Jiquan. Numerical analysis of arc plasma behavior in double-wire GMAW. Vacuum, 2016, vol. 124, pp. 46–54. DOI: 10.1016/j.vacuum.2015.11.006.Ding Xueping, Li Huan, Wei Huiliang, Liu Jiquan. Numerical analysis of arc plasma behavior in double-wire GMAW // Vacuum. 2016. Vol. 124. P. 46–54. DOI: 10.1016/j.vacuum.2015.11.006.Krampit A.G., Zernin E.A., Krampit M.A. Modern methods of pulsed-arc MIG/MAG welding. Tekhnologii i materialy, 2015, no. 1, pp. 4–11. EDN: TUHYSL.Крампит А.Г., Зернин Е.А., Крампит М.А. Современные способы импульсно-дуговой MIG/MAG сварки // Технологии и материалы. 2015. № 1. С. 4–11. EDN: TUHYSL.Rezende R.F., Arias A.R., Lima II E.J., Coelho F.G.F. Pulsed GMAW-based WAAM – Influence of droplet detachment mode on the geometry and mechanical properties of 308 L stainless steel. Journal of Advanced Joining Processes, 2025, vol. 11, article number 100286. DOI: 10.1016/j.jajp.2025.100286.Rezende R.F., Arias A.R., Lima II E.J., Coelho F.G.F. Pulsed GMAW-based WAAM – Influence of droplet detachment mode on the geometry and mechanical properties of 308 L stainless steel // Journal of Advanced Joining Processes. 2025. Vol. 11. Article number 100286. DOI: 10.1016/j.jajp.2025.100286.Zhao Yangyang, Lee Phill-Seung, Chung Hyun. Effect of pulsing parameters on drop transfer dynamics and heat transfer behavior in pulsed gas metal arc welding. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, vol. 129, pp. 1110–1122. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.10.037.Zhao Yangyang, Lee Phill-Seung, Chung Hyun. Effect of pulsing parameters on drop transfer dynamics and heat transfer behavior in pulsed gas metal arc welding // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 129. P. 1110–1122. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.10.037.Liu Guonqiang, Han Siyuan, Tang Xinhua, Cui Haichao. Effects of torch configuration on arc interaction behaviors and weld defect formation mechanism in tandem pulsed GMAW. Journal of Manufacturing Processes, 2021, vol. 62, pp. 729–742. DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.01.007.Liu Guonqiang, Han Siyuan, Tang Xinhua, Cui Haichao. Effects of torch configuration on arc interaction behaviors and weld defect formation mechanism in tandem pulsed GMAW // Journal of Manufacturing Processes. 2021. Vol. 62. P. 729–742. DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.01.007.Ueyama T., Ohnawa T., Nakata K., Tanaka M. Occurrence of arc interaction in tandem pulsed gas metal arc welding. Science and Technology of Welding and Joining, 2007, vol. 12, no. 6, pp. 523–529. DOI: 10.1179/174329307X173715.Ueyama T., Ohnawa T., Nakata K., Tanaka M. Occurrence of arc interaction in tandem pulsed gas metal arc welding // Science and Technology of Welding and Joining. 2007. Vol. 12. № 6. P. 523–529. DOI: 10.1179/174329307X173715.Wu Kaiyuan, Wang Jiajia, Yin Tong, He Zuwei, Liang Zhuoyong. Double arc interference and dynamic behavior characteristics of double wire double-pulsed GMAW. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018, vol. 95, pp. 991–1002. DOI: 10.1007/s00170-017-1269-y.Wu Kaiyuan, Wang Jiajia, Yin Tong, He Zuwei, Liang Zhuoyong. Double arc interference and dynamic behavior characteristics of double wire double-pulsed GMAW // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. Vol. 95. P. 991–1002. DOI: 10.1007/s00170-017-1269-y.Motta M.F., Dutra J.C. Effects of the variables of the double wire MIG/MAG process with insulated potentials on the weld bead geometry. Welding international, 2006, vol. 20, no. 10, pp. 785–793. DOI: 10.1533/weli.2006.20.10.785.Motta M.F., Dutra J.C. Effects of the variables of the double wire MIG/MAG process with insulated potentials on the weld bead geometry // Welding international. 2006. Vol. 20. № 10. P. 785–793. DOI: 10.1533/weli.2006.20.10.785.Elsukov S.K., Zorin I.V, Fastov S.A., Lysak V.I. Applications of split electrode for surfacing in argon-carbonacid mixtures of corrosion-resistant steel. Svarka i diagnostika, 2023, no. 2, pp. 37–40. EDN: CYLBIS.Елсуков С.К., Зорин И.В, Фастов С.А., Лысак В.И. Применение расщепленного электрода для наплавки в аргоноуглекислотных смесях коррозионностойкой стали // Сварка и диагностика. 2023. № 2. С. 37–40. EDN: CYLBIS.Potapevskiy A.G., Saraev Yu.N., Chinakhov D.A. Svarka staley v zashchitnykh gazakh plavyashchimsya elektrodom. Tekhnika i tekhnologiya budushchego [Welding of steels in protective gases with a melting electrode. Engineering and technology of the future]. Tomsk, Izdatelstvo Tomskogo politekhnicheskogo universiteta Publ., 2012. 208 p.Потапьевский А.Г., Сараев Ю.Н., Чинахов Д.А. Сварка сталей в защитных газах плавящимся электродом. Техника и технология будущего. Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2012. 208 с.Spitsyn V.V. Metal transfer and arc gorenje during welding with a split electrode in CO2. Svarochnoe proizvodstvo, 1969, no. 4, pp. 5–7.Спицын В.В. Перенос металла и горение дуги при сварке расщепленным электродом в CO2 // Сварочное производство. 1969. № 4. С. 5–7.Yao Ping, Zhou Kang, Huang Shuwei. Process and parameter optimization of the double-pulsed GMAW process. Metals, 2019, vol. 9, no. 9, article number 1009. DOI: 10.3390/met9091009.Yao Ping, Zhou Kang, Huang Shuwei. Process and parameter optimization of the double-pulsed GMAW process // Metals. 2019. Vol. 9. № 9. Article number 1009. DOI: 10.3390/met9091009.