Mathematical modeling for prediction and optimization of TIG welding pool geometry

Modelización matemática para la predicción y optimización de la geometría del baño de soldadura TIG

En este trabajo se desarrollaron modelos matemáticos no lineales y multiobjetivo para determinar los parámetros del proceso correspondientes a la geometría óptima del baño de soldadura. Los objetivos de los modelos matemáticos desarrollados son maximizar la carga de tracción (TL), la penetración (P), el área de penetración (AP) y/o minimizar la zona afectada por el calor (HAZ), la anchura superior (UW) y la altura superior (UH) en función de los requisitos.

INTRODUCCIÓN

La soldadura TIG es un proceso de soldadura por arco que produce la coalescencia de metales calentándolos con un arco entre un electrodo de tungsteno no consumible y el metal base [1]. Muchos componentes delicados de aviones y reactores nucleares se sueldan con TIG debido a su fiabilidad. Básicamente, la calidad de la soldadura TIG se caracteriza en gran medida por la geometría del baño de soldadura, tal y como se muestra en la Figura 1. Esto se debe a que la geometría del baño de soldadura es muy similar a la de la soldadura TIG. Esto se debe a que la geometría del baño de soldadura desempeña un papel importante en la determinación de las propiedades mecánicas de la soldadura [2].

La soldadura TIG es un proceso altamente no lineal, fuertemente acoplado y multivariable [3, 4, 5]. La geometría del baño de soldadura y, por tanto, la calidad de las uniones soldadas con TIG dependen en gran medida de la selección de las variables de control de entrada, como la velocidad de soldadura (V), la corriente de soldadura (I), el caudal de gas de protección (F) y la distancia de separación (G). Por lo tanto, en la soldadura TIG, los ingenieros se enfrentan a menudo con el problema de la selección de combinaciones adecuadas y óptimas de las variables de control de entrada para la calidad requerida del baño de soldadura.

En este trabajo se desarrollan modelos matemáticos no lineales y multiobjetivo para la selección de los parámetros óptimos del proceso. En primer lugar, se obtienen los límites superior e inferior de las variables de control de entrada y se determina el efecto de las variables de control de entrada sobre los parámetros de calidad del baño de soldadura. A continuación, se obtienen las relaciones matemáticas entre las variables de control de entrada y los parámetros de calidad del baño de soldadura. Estas relaciones se consideran funciones objetivo en los modelos matemáticos.

Hasta donde sabemos, el problema de optimización de la soldadura TIG utilizando modelos matemáticos no lineales y multiobjetivo no ha sido investigado previamente y aplicado en un caso de estudio real como el de este trabajo.