Metodología para la minimización de la distorsión en soldaduras mediante técnicas de procesos híbridos empleando la simulación numérica e inteligencia artificial

Resumen

La soldadura convencional es un proceso de unión que se basa en el cambio de fase del material a altas temperaturas. Pese a los grandes beneficios de este tipo de uniones, existen problemas asociados a su uso que todavía no han sido resueltos. La soldadura, al ejecutarse, genera elevados gradientes térmicos locales que provocan tensiones residuales y contracciones que desembocan en distorsiones que hacen que la forma final del ensamblaje se aleje de la geometría nominal, inicialmente diseñada. Debido a la compleja naturaleza de la soldadura, la predicción de dicha distorsión y tensiones residuales es un problema que no ha sido resuelto de forma eficaz y genérica. Se han desarrollado numerosas técnicas para tratar de controlar y minimizar la aparición de tensiones residuales y de la distorsión, pero la mayoría de estas técnicas son experimentales y su funcionamiento no es predecible con exactitud, lo que las hace poco eficaces en producción. El modelado numérico de alguna de estas técnicas que se lleva a cabo en esta Tesis ayudará a un mejor entendimiento del concepto de distorsión y a como minimizar sus efectos en uniones soldadas. Para la minimización de la distorsión, como mejora del proceso de soldadura, se propone la aplicación de la técnica experimental denominada Tensionado Térmico Transitorio (TTT). Para ello se estudia la física que involucra y posteriormente se parametrizan sus variables buscando no solo la comprensión del proceso, si no, la optimización del mismo. Para la aplicación del Tensionado Térmico Transitorio se desarrolla un modelo numérico basado en la integración de varios procesos de fabricación. Desde el punto de vista de la simulación numérica se estudiará el proceso de unión de chapas mediante la técnica de FCAW (flux core arc welding). Posteriormente se estudia el conformado mediante líneas de calor, una técnica que se usa en la actualidad sobre todo con fines rectificativos o como apoyo al conformado mecánico. Los resultados obtenidos mediante simulación son contrastados con los obtenidos en procesos reales experimentales, para validar tanto los modelos numéricos escogidos, como la metodología aplicada. El estudio toma como referencia la unión de chapas de acero estructural con espesores entre 6-20mm y uniones a 90º, situación típica dentro del sector naval, de calderería y estructural. Además las conclusiones obtenidas son generalizadas, de tal forma que el conocimiento presentado a lo largo de esta Tesis pueda ser exportable a otros sectores, materiales y procesos. Por último, para el caso tipo de uniones en Te objetivo de esta investigación se desarrolla un modelo de predicción basada en inteligencia artificial que bajo una configuración geométrica dada, proporciona los parámetros óptimos de TTT que minimicen la distorsión final del ensamblaje.