ES2314048T3 - Un metodo de soldadura por arco. - Google Patents
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Abstract
Un método para controlar el equipo de soldadura por arco usado en una operación de soldadura y ajustable variando al menos un valor del parámetro de soldadura que comprende: - determinar (30) dicho al menos un valor del parámetro de soldadura mientras se usa (31) un modelo teórico del proceso de soldadura asociado con la operación de soldadura, - dividir (33) el proceso de soldadura en al menos dos partes separadas de las cuales al menos una parte representa el arco o una parte del mismo, en el modelo teórico, - representar (34) cada una de dichas al menos dos partes del proceso de soldadura y el parámetro/parámetros de soldadura asociados con el mismo mediante un componente del modelo, - poner (35) los componentes del modelo y la fuente de energía del modelo en un modelo de circuito eléctrico y - calcular (36) al menos un valor del parámetro del modelo de circuito eléctrico relacionado con dicho al menos un parámetro de soldadura a partir del modelo de circuito eléctrico.
Description
Un método de soldadura por arco.
La presente invención se refiere a un método
para controlar un equipo de soldadura por arco usado en una
operación de soldadura y ajustable variando al menos el valor de un
parámetro de soldadura, comprendiendo dicho método las etapas de:
determinar dicho al menos un valor del parámetro de soldadura
mientras que se usa un modelo teórico del proceso de soldadura
asociado con la operación de soldadura y controlando la operación
del equipo de soldadura y el proceso de soldadura asociado con el
mismo usando dicho al menos un valor del parámetro de soldadura
para ajustar el equipo de soldadura, a un método para simular un
proceso de soldadura por arco, comprendiendo dicho método las
etapas de: introducir datos en un modelo teórico que representa el
proceso de soldadura y determinar al menos un valor del parámetro
de soldadura mientras que se usa el modelo teórico y los datos
introducidos con el fin de simular el proceso de soldadura y a un
método para predecir la calidad de una soldadura obtenida a partir
de una operación de soldadura por arco comprendiendo dicho método
las etapas de: introducir datos en un modelo teórico que representa
el proceso de soldadura asociado con la operación de soldadura y
determinar al menos una propiedad de la soldadura relacionada con al
menos un parámetro de soldadura del proceso de soldadura mientras
que se usa el modelo teórico y los datos introducidos.
La invención se refiere también a un dispositivo
que comprende un equipo de soldadura por arco usado en una
operación de soldadura y que puede ajustarse variando al menos un
parámetro de soldadura y una disposición para controlar la
operación del equipo de soldadura por arco, incluyendo dicha
disposición un medio adaptado para determinar el valor de dicho al
menos un parámetro de soldadura mientras que se usa el parámetro
teórico del proceso de soldadura y un miembro adaptado para
controlar el funcionamiento del equipo de soldadura y el proceso de
soldadura asociado con el mismo usando dicho al menos un parámetro
de soldadura para ajustar el equipo de soldadura.
Adicionalmente, la invención se refiere a usos
de los métodos y a los productos de un programa de ordenador de
acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.
Cuando las piezas de trabajo se unen por
soldadura por arco la calidad de las juntas soldadas depende en gran
medida de los parámetros ajustados durante la operación de
soldadura por arco. Los ejemplos de estos parámetros de soldadura
son la corriente de soldadura, la tensión de suministro, el tipo de
gas de protección, el caudal de gas de protección, la velocidad de
soldadura, el ángulo de la antorcha, la extensión del electrodo
(cable), la velocidad de suministro de cable y otras propiedades
del cable y de la pieza de trabajo, tales como dimensiones y
materiales. Estos parámetros de soldadura interaccionan entre sí en
el proceso de soldadura de una manera compleja e influyen en las
propiedades, es decir, en la geometría o tipo de soldadura,
metalurgia y resistencia mecánica de la soldadura resultante de la
operación de soldadura. Más precisamente, la calidad de una junta
de soldadura depende en gran medida del modo de transferencia de
metal presente durante la soldadura. En otras palabras, la manera
en la que el metal se transfiere desde la punta del cable (por
ejemplo, el ánodo) a la pieza de trabajo (por ejemplo, el cátodo)
durante la soldadura tiene un efecto muy fuerte sobre las
propiedades finales y la calidad de la junta soldada.
Por supuesto, hay una necesidad de conocer
diferentes conjuntos de parámetros ajustables que afectarán a las
propiedades de la junta soldada de manera que los parámetros pueden
ajustarse de manera que da como resultado la soldadura deseada. Una
manera es intentar predecir el modo de transferencia de metal basado
en el conocimiento sobre la influencia de los diferentes
parámetros. Sin embargo, de acuerdo con el estado de la técnica el
modo de transferencia de metal se determina principalmente por
métodos empíricos. Las personas con gran experiencia en soldadura
por arco pueden identificarse el modo de transferencia de metal por
el ruido generado por el proceso de soldadura. La inspección de la
junta soldada después de acabada de la operación de soldadura puede
dar pistas también de qué tipo de transferencia de metal estuvo
presente durante la operación de soldadura. De esta manera,
actualmente, los ajustes de los parámetros del proceso de soldadura
importantes usados en soldadura por arco robótica se encuentran
experimentalmente por ensayo y error de cada tarea de soldadura o
condición de soldadura individual, que consume y tiempo y es
costosa. Por ejemplo, en el caso de usar parámetros resultantes que
dan como resultado un modo de transferencia de metal no deseado la
junta soldada puede ser de una mala calidad y la pieza de trabajo
puede destruirse.
Una razón para la ausencia de conocimiento sobre
cómo los parámetros de soldadura afectan al proceso de soldadura en
general y particularmente al arco y sobre las relaciones entre los
parámetros de soldadura usados en la calidad de la junta soldada es
la dificultad de realizar medidas del arco o en las proximidades del
arco y en las regiones cerca del arco próximas al cable y la pieza
de trabajo. De esta manera, como una consecuencia no deseada, es
muy difícil diseñar un sistema de control basado en medidas directas
de los parámetros de arco para controlar el equipo de soldadura por
arco. El hecho es que la soldadura por arco automatizada o robótica
se usa en bastantes pocas de las aplicaciones de soldadura por arco
realizadas en el mundo actualmente, ya que es difícil predecir el
resultado de la operación de soldadura y las propiedades del proceso
de soldadura asociado con la misma para un conjunto dado de
parámetros de soldadura junto con pequeñas series proporcionales de
piezas de trabajo, hace más eficaz respecto a costes que los
trabajadores especializados en soldadura realicen el trabajo
manualmente.
El documento EP 0930125 muestra un método y
aparato proporcionado para determinar el coeficiente de utilización,
el amperaje medio y/o el número de inicios de arco durante una
operación de soldadura. El aparato comprende primer y segundos
circuitos, siendo el primer circuito un circuito de control de CPU y
siendo el segundo circuito un circuito detector de tiempo de arco
que se programa para medir el amperaje, la velocidad de suministro
de cable de soldadura y, preferiblemente, caudales de gas durante la
soldadura. Una proporción del tiempo de soldadura acumulativo
durante la revisión al total en el tiempo proporciona una medida de
la eficacia del arco de soldadura. La eficacia de deposición de la
soldadura puede calcularse entonces usando un amperaje medio y un
coeficiente de utilización de soldadura medido y calculado por el
aparato. El número de inicios de arco cuando el arco en tiempo
supera un segundo puede proporcionar también una medida utilizable
para dar información secundaria sobre la eficacia global de la
operación de soldadura.
El documento WO0102125 muestra un aparato (10)
para determinar la calidad de una soldadura producida por un
dispositivo de soldadura (12) de acuerdo con la presente invención
que puede comprender un detector (16, 18 o 20) asociado
operativamente con el dispositivo de soldadura (12) para detectar al
menos un parámetro del proceso de soldadura para producir una señal
del parámetro del proceso de soldadura relacionada con el parámetro
del proceso de soldadura. Un ordenador (26) conectado con el
detector (16, 18 o 20) y sensible a la señal del parámetro del
proceso de soldadura producida por el detector (16, 18 o 20) compara
la señal del parámetro del proceso de soldadura con un parámetro
inicial y produce una señal de salida (40) indicativa de si la señal
del parámetro de soldadura es conforme al parámetro inicial.
El documento US 6133545 muestra un suceso de
soldadura medido reproducido por un robot de soldadura. Los sucesos
de soldadura se organizan en una base de datos mediante un
dispositivo de medida tridimensional y un dispositivo de cálculo
logarítmico de datos y los sucesos de soldadura se someten a
procesos estadísticos y analíticos, produciendo de esta manera
datos operativos de un robot.
Un primer objeto de la invención es proporcionar
un método para controlar un equipo de soldadura por arco,
permitiendo dicho método que el equipo de soldadura por arco pueda
controlarse durante una operación de soldadura ajustando al menos
un parámetro de soldadura determinado sin necesidad de medidas del
proceso de soldadura o repetición de experimentos de soldadura
antes de la soldadura.
El primer objeto se obtiene de acuerdo con la
invención proporcionando un método tal, como al que se ha hecho
referencia en la introducción, que comprende las etapas de:
- dividir el proceso de soldadura en al menos
dos partes separadas, de las cuales al menos una parte representa
el arco o una parte del mismo, en el modelo teórico,
- representar cada una de dichas al menos dos
partes del proceso de soldadura y el parámetro/parámetros de
soldadura asociados con el mismo mediante un componente del
modelo,
- poner los componentes del modelo y una fuente
de energía del modelo en un modelo de circuito eléctrico, y
- calcular al menos un parámetro del modelo de
circuito eléctrico relacionado con dicho al menos un parámetro de
soldadura a partir del modelo de circuito eléctrico.
Mediante dicho método es posible determinar al
menos un valor del parámetro de soldadura tal como la corriente de
soldadura o el suministro de tensión, la velocidad de suministro de
cable, la extensión del cable, etc, y usar este valor del parámetro
de soldadura para controlar el equipo de soldadura por arco de
acuerdo con las presentes condiciones para obtener una soldadura
con las propiedades deseadas.
Un segundo objeto de la invención es
proporcionar un método para simular un proceso de soldadura por arco
sin necesidad de medidas del proceso de soldadura real
correspondiente o experimentos de soldadura repetidos.
El segundo objeto se obtiene de acuerdo con la
invención proporcionando dicho método, al que se ha hecho referencia
en la introducción, que comprende las etapas de:
- dividir el proceso de soldadura en al menos
dos partes diferentes, de las cuales al menos una parte representa
el arco o una parte del mismo, en el modelo teórico,
- representar cada una de dichas al menos dos
partes del proceso de soldadura y el parámetro/parámetros de
soldadura asociados con el mismo mediante un componente del
modelo,
- poner los componentes del modelo y una fuente
de energía del modelo en un modelo de circuito eléctrico, y
- calcular al menos un parámetro del modelo de
circuito eléctrico relacionado con dicho al menos un parámetro de
soldadura a partir del modelo de circuito eléctrico.
Mediante este método de simulación es posible
obtener al menos un valor del parámetro de soldadura y/o el
presente modo de transferencia en metales para un conjunto dado de
otros parámetros de soldadura en la simulación y, por ejemplo, este
método de simulación puede usarse para entender y diseñar procesos
de soldadura reales y para ajustar por defecto parámetros de
soldadura del equipo de soldadura por arco en diferentes operaciones
de soldadura por arco.
Un tercer objeto de la invención es proporcionar
un método para predecir la calidad de una soldadura obtenida a
partir de una operación de soldadura por arco sin necesidad de
experimentos de soldadura repetidos.
El tercer objeto se obtiene de acuerdo con la
invención proporcionando dicho método, al que se ha hecho referencia
en la introducción, que comprende las etapas de:
- dividir el proceso de soldadura en al menos
dos partes diferentes, de las cuales al menos una parte representa
el arco o una parte del mismo, en el modelo teórico,
- representar cada una de dichas al menos dos
partes del proceso de soldadura y el parámetro/parámetros de
soldadura asociados con el mismo mediante un componente del
modelo,
- poner los componentes del modelo y una fuente
de energía del modelo en un modelo de circuito eléctrico, y
- calcular al menos un parámetro del modelo de
circuito eléctrico relacionado con dicho al menos un parámetro de
soldadura y relacionado con dicha al menos una propiedad de la
soldadura, a partir del modelo de circuito eléctrico.
Mediante dicho método es posible predecir una o
más propiedades mecánicas de una soldadura resultante de una
operación de soldadura por arco determinando uno o más parámetros de
soldadura requeridos para la calidad deseada y uso de esta
información en operaciones de soldadura por arco reales. Es posible
usar el método para predecir la calidad de una soldadura para un
conjunto dado de parámetros de soldadura así como para determinar
uno o más parámetros de soldadura requeridos para obtener ciertas
propiedades mecánicas de la soldadura.
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De acuerdo con una realización preferida de la
invención uno o más de dichos métodos comprenden la etapa de:
- dividir el proceso de soldadura de manera que
la parte de la región de interacción de arco-cable
del proceso de soldadura está representada por separado por uno de
dichos componentes del modelo en el modelo de circuito eléctrico.
Mediante dicho método, junto con un modelo físico adecuado, se
obtiene información importante porque es posible tener en cuenta
factores importantes en el proceso de soldadura tales como la caída
de tensión en la zona cerca del ánodo y el flujo térmico desde el
arco al ánodo, para determinar dicho al menos un valor del
parámetro de soldadura. En la región de interacción
arco-cable del proceso de soldadura están presentes
altos gradientes de diferentes cantidades tales como temperatura y
concentración de partículas y la caída de tensión en esta zona es
muy alta. De esta manera, esta zona da una importante contribución a
las características del proceso de soldadura.
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con otra realización preferida de la
invención uno o más de dichos métodos comprenden la etapa de:
- dividir el proceso de soldadura de manera que
la parte de la región de interacción de arco-pieza
de trabajo del proceso de soldadura está representada por separado
por uno de dichos componentes del modelo en el modelo de circuito
eléctrico. Mediante dicho método, junto con un modelo físico
adecuado, se obtiene información importante porque es posible tener
en cuenta factores importantes en el proceso de soldadura tales como
la caída de tensión en la zona cerca del cátodo y el flujo térmico
desde el arco al cátodo, para determinar dicho al menos un valor
del parámetro de soldadura. En la región de interacción
arco-pieza de trabajo del proceso de soldadura
están presentes altos gradientes de diferentes cantidades tales como
temperatura y concentración de partículas y la caída de tensión en
esta zona es muy alta. De esta manera, esta zona da una importante
contribución a las características del proceso de soldadura.
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con otra realización preferida de la
invención uno o más de dichos métodos comprenden las etapas de:
- dividir el proceso de soldadura de manera que
la parte de la región de arco del proceso de soldadura se
representa por separado por uno de dichos componentes del modelo en
el modelo del circuito eléctrico. Mediante dicho método y
particularmente junto con una realización que comprende la etapa
de:
- -
- determinar dicho componente del modelo que representa la parte de la región de arco mediante la información obtenida por cálculos a partir de un modelo físico de la parte de la región de la columna del arco del proceso de soldadura, se obtiene información importante tal como la temperatura media del arco, la temperatura cerca del cable, la temperatura cerca de la pieza de trabajo, el radio del arco y las características de corriente-tensión del arco, también es posible tener en cuenta las propiedades termofísicas de un gas de protección presente en la región de arco para determinar dicho al menos un valor del parámetro de soldadura.
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con otra realización preferida de la
invención, uno o más de dichos métodos comprenden la etapa de:
- determinar dicho componente del modelo que
representa la parte de la región de arco mediante la información
obtenida a través de cálculos a partir de un modelo físico de la
parte de la región de interacción arco-cable y/o de
la parte de la región de interacción arco-pieza de
trabajo de un proceso de soldadura, se obtiene información
importante porque es posible tener en cuenta factores importantes en
el proceso de soldadura tales como la caída de tensión en la zona
cerca del ánodo/cátodo y el flujo térmico desde el arco al
ánodo/cátodo, para determinar dicho al menos un valor del parámetro
de soldadura. En la región de interacción arco-cable
y en la región de interacción arco-pieza de trabajo
del proceso de soldadura, están presentes altos gradientes de
diferentes cantidades tales como temperatura y concentración de
partículas y la caída de tensión en estas regiones es muy alta. Por
lo tanto, estas regiones dan una importante contribución a las
características del proceso de soldadura.
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con otra realización preferida de la
invención uno o más de dichos métodos comprende la etapa de:
- determinar dicho componente del modelo que
representa la parte de la región de arco mediante dicho modelo
físico que describe el arco con al menos una ecuación independiente
de la extensión en el espacio del arco. Mediante dicho método y
particularmente junto con una realización que comprende la etapa
de:
- -
- determinar dicho componente del modelo que representa la parte de la región de arco mediante dicho modelo físico descrito mediante al menos una ecuación que únicamente depende del tiempo, el componente del modelo y de esta manera dicho al menos un valor del parámetro de soldadura puede determinarse rápidamente y con un tiempo computacional proporcionalmente corto que hace al método adecuado para usarlo por ejemplo para controlar un equipo de soldadura por arco en línea.
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con otra realización preferida de la
invención uno o más de dichos métodos comprende la etapa de:
- dividir el proceso de soldadura de manera que
la parte de la región de la columna del arco del proceso de
soldadura se representa por separado por uno de dichos componentes
de modelo en el modelo de circuito eléctrico. Mediante dicho
método, junto con un modelo físico adecuado, se obtiene información
importante tal como la temperatura media del arco, la temperatura
cerca del cable, la temperatura cerca de la pieza de trabajo, el
radio del arco y las características de
corriente-tensión del arco y también es posible
tener en cuenta propiedades termofísicas de un gas de protección
presente en la zona de la columna del arco para determinar dicho al
menos un parámetro de soldadura.
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con otra realización preferida de la
invención dichos métodos comprenden la etapa de:
- dividir el proceso de soldadura de manera que
la parte de cable del proceso de soldadura se representa por
separado por uno de dichos componentes del modelo en el modelo del
circuito eléctrico. Mediante dicho método, junto con un modelo
físico adecuado, se obtiene información importante tal como el modo
de transferencia de metal, la frecuencia de inmersión, etc. y
también es posible tener en cuenta propiedades materiales del cable
para determinar el valor de dicho al menos un parámetro de
soldadura.
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con otra realización preferida de la
invención dichos métodos comprenden la etapa de:
- dividir el proceso de soldadura de manera que
la parte de la pieza de trabajo del proceso de soldadura se
representa por separado por uno de dichos componentes del modelo en
el modelo de circuito eléctrico. Mediante dicho método, junto con
un modelo físico adecuado, se obtiene información importante sobre
las características de calidad tales como perfil de junta de
soldada, perfil de penetración, etc. y también es posible tener en
cuenta propiedades de la pieza de trabajo para determinar el valor
de dicho al menos un parámetro de soldadura.
Un cuarto objeto de la invención es proporcionar
un dispositivo que tiene una disposición para controlar el equipo
de soldadura por arco durante una operación de soldadura ajustando
al menos un parámetro de soldadura determinado sin necesidad de
medir el proceso de soldadura o experimentos de soldadura repetidos
antes de la soldadura.
El cuarto objeto se obtiene de acuerdo con la
invención es proporcionar dicho dispositivo, al que se ha hecho
referencia en la introducción, en el que el medio incluido en la
disposición de control se adapta para usar dicho modelo teórico que
comprende al dos partes diferentes, de las cuales al menos una parte
representa el arco o una parte del mismo, correspondiente a
diferentes partes del proceso de soldadura, estando representada
cada parte del modelo por un componente del modelo, incluyéndose
dichos componentes del modelo junto con una fuente de energía del
modelo en un modelo de circuito eléctrico y están adaptados para
calcular al menos un parámetro del modelo eléctrico relacionado con
dicho al menos un parámetro de soldadura a partir del modelo de
circuito eléctrico para dicho control mediante dicho miembro. De
esta manera, mediante el medio de acuerdo con la invención es
posible determinar cómo ajustar al menos un valor del parámetro de
soldadura tal como la corriente de soldadura o la tensión de
suministro, la velocidad de suministro de cable, la extensión del
cable, etc. con el fin de optimizar el proceso de soldadura en las
presentes condiciones y usar este valor del parámetro de soldadura
por dicho miembro para ajustar el equipo de soldadura por arco de
acuerdo con las presentes condiciones para obtener una soldadura
con las propiedades
deseadas.
deseadas.
De acuerdo con una realización preferida de la
invención dicho medio está adaptado para usar dicho modelo teórico
que tiene la parte de la región de interacción
arco-cable del proceso de soldadura representada por
separado por uno de dichos componentes del modelo en el modelo de
circuito eléctrico. Mediante dicho dispositivo, junto con un modelo
físico adecuado, se obtiene información importante porque es posible
tener en cuenta factores en el proceso de soldadura tales como la
caída de tensión en la zona cerca del ánodo y el flujo térmico del
arco al ánodo, para determinar dicho al menos un valor del parámetro
de soldadura. En la región de interacción
arco-cable del proceso de soldadura, están presentes
altos gradientes de diferentes cantidades tales como temperatura de
concentración y partículas y la caída de tensión en esta zona es muy
alta. De esta manera, esta zona da una importante contribución a
las características del proceso de soldadura.
De acuerdo con otra realización preferida de la
invención dicho medio está adaptado para usar dicho modelo teórico
que tiene una parte de región de interacción
arco-pieza de trabajo del proceso de soldadura
representada por separado mediante uno de dichos componentes del
modelo en el modelo de circuito eléctrico. Mediante dicho
dispositivo, junto con un modelo físico adecuado, se obtiene
información importante porque es posible tener en cuenta factores
importantes en el proceso de soldadura tales como la caída de
tensión en la zona cerca del cátodo y el flujo térmico del arco al
cátodo, para determinar dicho al menos un valor del parámetro de
soldadura. En la región de interacción arco-pieza de
trabajo del proceso de soldadura, están presentes altos gradientes
de diferentes cantidades tales como temperatura y concentración de
partículas y la caída de tensión en esta zona es muy alta. De esta
manera, esta zona da una importante contribución a las
características del proceso de soldadura.
De acuerdo con otra realización preferida de la
invención dicho medio está adaptado para usar dicho modelo teórico
que tiene la parte de la región de arco del proceso de soldadura
representada por separado por uno de dichos componentes del modelo
en el modelo de circuito eléctrico. Mediante dicho dispositivo y
particularmente junto con una realización de la invención en la que
el medio se adapta para usar dicho modelo teórico que tiene
información obtenida a través de cálculos a partir de un modelo
físico de la parte de la región de columna del arco del proceso de
soldadura a usar para determinar dicho componente del modelo que
representa la parte de la región de arco, se obtiene información
importante tal como la temperatura media del arco, la temperatura
cerca del cable, la temperatura cerca de la pieza de trabajo, el
radio del arco y características de
corriente-tensión del arco también es posible tener
en cuenta las propiedades termofísicas de un gas de protección
presente en la región de arco para determinar dicho al menos un
parámetro de soldadura. De acuerdo con otra realización preferida
de la invención, dicho medio está adaptado para usar dicho modelo
teórico que tiene información obtenida a través de cálculos a
partir del modelo físico de la parte de la región de interacción
arco-cable y/o de la parte de la región de
interacción arco-pieza de trabajo del proceso de
soldadura que se usa para determinar dicho componente del modelo
que representa la parte de la región de arco, obteniendo información
importante porque es posible tener en cuenta factores importantes
en el proceso de soldadura tales como la caída de tensión en la
zona cerca del ánodo/cátodo y el flujo térmico del arco al
ánodo/cátodo para determinar dicho al menos un valor del parámetro
de soldadura. En la región de interacción arco-cable
y en la región de interacción arco-pieza de trabajo
del proceso de soldadura, están presentes altos gradientes de
diferentes cantidades tales como temperatura y concentración de
partículas y la caída de tensión en estas regiones es muy alta. De
esta manera, estas regiones dan una contribución importante a las
características del proceso de soldadura.
De acuerdo con otra realización preferida de la
invención en la que dichos medios se adaptan para usar dicho
componente del modelo determinado mediante dicho modelo físico que
describe el arco mediante al menos una ecuación independiente de la
extensión en el espacio del arco y particularmente junto con una
realización de la invención en la que dicho medio está adaptado
para usar dicho componente del modelo determinado mediante dicho
modelo físico que describe el arco por dicha al menos una ecuación
únicamente dependiente en el tiempo, el componente del modelo y de
esta manera dicho al menos un valor del parámetro de soldadura puede
determinarse rápidamente y con un tiempo computacional
proporcionalmente corto que hace al dispositivo muy adecuado para
usarlo en el control del equipo de soldadura por arco en línea.
De acuerdo con otra realización preferida de la
invención dicho medio está adaptado para usar dicho modelo teórico
que tiene una parte de la zona de la columna del arco del proceso de
soldadura representada por separado por uno de dichos componentes
del modelo en el modelo del circuito eléctrico. Mediante dicho
dispositivo, junto con un modelo físico adecuado, se obtiene
información importante tal como la temperatura media del arco, la
temperatura cerca del cable, la temperatura cerca de la pieza de
trabajo, el radio del arco y las características de
corriente/tensión del arco, y también es posible, teniendo en cuenta
propiedades termofísicas de un gas de protección presente en la
zona de la columna del arco, determinar dicho al menos un parámetro
de soldadura.
De acuerdo con otra realización preferida de la
invención dicho medio está adaptado para usar dicho modelo teórico
que tiene la parte de cable del proceso de soldadura representada
por separado por uno de dichos componentes del modelo. Mediante
dicho dispositivo junto con un modelo físico adecuado, se obtiene
información importante tal como el modo de transferencia de metal,
la frecuencia de inmersión, etc. y también es posible tener en
cuenta las propiedades del material del cable para determinar el
valor de dicho al menos un parámetro de soldadura.
De acuerdo con otra realización preferida de la
invención dicho medio está adaptado para usar dicho modelo teórico
que tiene la parte de la pieza de trabajo del proceso de soldadura
representada por separado por uno de dichos componentes del modelo.
Mediante dicho dispositivo junto con un modelo físico adecuado, se
obtiene información importante sobre las características de calidad
tales como el perfil de la junta soldada, el perfil de penetración,
etc. y también es posible tener un cuenta propiedades materiales de
la pieza de trabajo para determinar el valor de dicho al menos un
parámetro de soldadura.
La invención se refiere también a productos de
programa de ordenador de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.
Es obvio que los métodos de acuerdo con la invención definidos en el
conjunto de reivindicaciones del método incluido son muy adecuados
para realizar mediante instrucciones de programa desde un procesador
que puede realizarse por un programa de ordenador.
Ventajas adicionales y características de los
métodos y los dispositivos, los productos del programa del ordenador
y los usos de los métodos resultan evidentes a partir de la
siguiente descripción detallada y las otras reivindicaciones
adjuntas en este documento.
Con referencia a los dibujos adjuntos, a
continuación se da una descripción de las realizaciones preferidas
de la invención citadas como ejemplos.
En los dibujos:
La Figura 1 es una ilustración esquemática de un
proceso de soldadura por arco,
La Figura 2 es una ilustración esquemática de la
distribución de tensión en el hueco entre un cable y una pieza de
trabajo en una operación de soldadura por arco,
La Figura 3 es una ilustración de un modelo de
circuito eléctrico que representa un proceso de soldadura por
arco,
La Figura 4 es una ilustración esquemática de un
dispositivo de acuerdo con la invención y de aplicaciones de la
invención.
La Figura 5 es un diagrama de bloques de un
método de acuerdo con la invención.
La Figura 6 es un diagrama de bloques de otro
método de acuerdo con la invención,
La Figura 7 es un diagrama de bloques de otro
método de acuerdo con la invención,
La Figura 8 es una ilustración esquemática de un
modelo físico del arco,
La Figura 9 es una ilustración de la geométrica
de un arco definido en un modelo físico,
La Figura 10 es una ilustración de un modelo
físico de una región de interacción de cable-arco en
un proceso de soldadura por arco,
La Figura 11 es una ilustración de un modelo
físico de la región de interacción arco-pieza de
trabajo en un proceso de soldadura por arco,
La Figura 12 es una ilustración del equilibrio
de energía en la zona de ionización,
La Figura 13 muestra diferentes clases de
parámetros de soldadura,
La Figura 14 es una definición esquemática para
modelar una pieza de trabajo de una junta de filete
horizontal-vertical por soldadura por arco con
metal gaseoso,
La Figura 15 muestra un ejemplo de un modelo de
regresión no lineal y
Las Figuras 16 y 17 son modelos analíticos de la
pieza de trabajo.
En esta solicitud, la expresión "proceso de
soldadura" se usa como un término genérico de las partes
principales incluidas en una operación de soldadura por arco y de
los procesos físicos asociados con el mismo que tiene lugar cuando
se genera un arco eléctrico entre un cable (ánodo) y una pieza de
trabajo (cátodo).
En la Figura 1 se ilustra esquemáticamente un
proceso de soldadura por arco. La fuente de energía 1 se conecta a
un cable 2 y una pieza de trabajo 3 para crear un circuito eléctrico
cerrado mediante un arco 4 generado en el hueco entre el cable 2 y
la pieza de trabajo 3 con el fin de transferir material desde el
cable 2 a la pieza de trabajo 3.
El proceso de soldadura puede dividirse en las
siguientes partes principales: parte de cable 5, parte de la región
de arco 6 y parte de la pieza de trabajo 7. Adicionalmente, la parte
de la región de arco 6 puede dividirse en subpartes, en concreto la
parte de la región de interacción arco-cable 8, una
parte de la zona de columna del arco 9 y una parte de la región de
interacción arco-pieza de trabajo 10. Todas estas
partes contribuyen a las características del proceso de soldadura y
a una cierta caída de tensión en el circuito eléctrico.
Sin embargo, en las zonas del electrodo, es
decir, en la parte de la región de interacción
arco-cable 8 y la parte de la región de interacción
arco-pieza de trabajo 10 del proceso de soldadura,
la caída de tensión es muy alta comparada con la caída de tensión
en la parte central del arco, es decir, en la parte de la región de
columna del arco 9. En la Figura 2 se ilustra esquemáticamente la
distribución de tensión a lo largo del arco o, en otras palabras,
en el hueco entre el cable 2 y la pieza de trabajo 3. Se indica que
la tensión cae mucho en las zonas cerca del cable y cerca de la
pieza de trabajo. Esto significa que las zonas situadas cerca del
cable y cerca de la pieza de trabajo son partes importantes en el
proceso de soldadura y tienen una fuerte influencia sobre la junta
soldada resultante de la operación de soldadura.
Adicionalmente, la distribución de tensión en el
hueco es muy difícil de determinar midiendo directamente el arco
mientras que la tensión cae debido a las resistencias e inductancias
de los conductos 1 en el circuito y la propia fuente de energía 1
se determina fácilmente por medidas convencionales. De esta manera,
hay necesidad de un modelo físico para describir los fenómenos del
arco para predecir el comportamiento del proceso de soldadura. Sin
embargo, como ya se ha indicado, el cable 2 y la pieza de trabajo 3
interaccionan fuertemente con el arco 4 e influyen en el proceso de
soldadura. De esta manera, se necesitan también buenos modelos
físicos de estas partes para describir el proceso de soldadura en
su totalidad.
La idea principal de la invención es obtener el
valor de al menos un parámetro de soldadura mediante un modelo
teórico y usar dicho al menos un parámetro de soldadura en una
operación de un equipo de soldadura por arco y/o para estimular un
proceso de soldadura por arco y/o para predecir la calidad de una
soldadura obtenida a partir de una operación de soldadura. Esto se
realiza dividiendo el proceso de soldadura en partes en un modelo
teórico y dejando que cada una de estas partes del proceso de
soldadura y los parámetros de soldadura asociados con las mismas se
representen por un componente del modelo. Los componentes se ponen
después en un modelo de circuito eléctrico junto con una fuente de
energía del modelo con el fin de calcular al menos un parámetro del
modelo de circuito eléctrico relacionado con dicho al menos un
parámetro de soldadura del modelo de circuito eléctrico. Los
componentes pueden ser componentes resistivos y/o inductivos, aunque
pueden incluirse también otros elementos eléctricos distintos de
resistores e inductores puros en el modelo de circuito eléctrico.
Adicionalmente, los componentes del modelo pueden conectarse en
serie y/o en paralelo.
En la Figura 3 se ilustra un ejemplo de un
modelo de circuito eléctrico 12 que incluye componentes del modelo
13 y una fuente de energía del modelo 14. En este modelo de circuito
eléctrico 12, la parte de cable 5 se representa por un resistor
R_{w}, la parte de la pieza de trabajo 7 mediante un resistor
R_{wp} y la parte de arco 6 se representa por un resistor
R_{a}. Además de estas resistencias, es necesario definir una
resistencia del modelo R_{0} y una inductancia del modelo L_{0}
correspondiente a la resistencia e inductancia de la propia fuente
de energía 1 y los cables 11 en el circuito de soldadura real. La
resistencia del modelo de circuito R_{0} y la inductancia L_{0}
son propiedades bien conocidos, o pueden elegirse, y para
simplificación a continuación éstas se tratan como un solo
componente (RL)_{rest}. (En este componente pueden
incluirse también otras resistencias tales como resistencia de
contacto entre el cable y la boquilla que sostiene el cable).
Aunque el modelo de circuito eléctrico 12
ilustrado en la Figura 3 comprende cuatro componentes diferentes:
R_{w}, R_{wp}, R_{a} y (RL)_{rest}, de acuerdo con la
invención el proceso de soldadura puede dividirse en dos o más
partes, aunque al menos dos partes diferentes, de las cuales al
menos una parte representa el arco o una parte del mismo presente
en el proceso de soldadura. En el caso de los dos componentes de
modelo separados 13 todas las resistencias en el circuito, con
excepción de la resistencia R_{a} de la parte de la región de
arco 6, se incluyen adecuadamente en (RL)_{rest}. Por
supuesto, una mayor disolución, es decir más componentes del modelo
13 que representan diferentes partes en el proceso de soldadura, da
una descripción más precisa del proceso de soldadura por arco y
también la posibilidad de obtener información sobre más parámetros
de soldadura y tener más características del proceso de soldadura en
cuenta.
Sin embargo, también es posible usar dichos
modelos físicos que representan subpartes de una parte del proceso
de soldadura, la parte de la región de arco 6, por ejemplo que se
basan en diferentes características de la parte en diferentes
zonas, por ejemplo la región de interacción
arco-cable 8, la zona de columna del arco 9 y/o la
región de interacción de arco-pieza de trabajo 10
que da como resultado un componente del modelo común tal como la
resistencia R_{a}. De esta manera diferentes partes del proceso de
soldadura pueden describirse sin usar un componente del modelo
diferente 13 para cada parte. Además es posible usar valores de
entrada de otras partes del proceso de soldadura cuando se calcula
el componente del modelo.
Usando las Leyes de Tensión de Kirchoff al menos
un parámetro del modelo de circuito eléctrico puede calcularse a
partir del modelo de circuito eléctrico 12. Por ejemplo si el
suministro de tensión 14 y los otros componentes 13, la corriente
puede calcularse o viceversa para una corriente dada puede
calcularse un componente del modelo desconocido. Los componentes
del modelo R_{w}, R_{a} y R_{wp} en la Figura 3 y otros de
estos componentes pueden calcularse a partir de uno o más de los
modelos físicos del cable, el arco y la pieza de trabajo y de su
interacción entre sí. A continuación, se dan ejemplos de modelos
físicos.
En la Figura 4 se ilustran esquemáticamente la
invención y algunas de sus aplicaciones. El dispositivo de acuerdo
con la invención comprende un equipo de soldadura por arco 21 para
usar en una operación de soldadura para crear una junta soldada. El
equipo de soldadura 21 se automatiza adecuadamente o es un equipo de
soldadura de por arco robótico que puede ajustarse variando al
menos un parámetro de soldadura, tal como la tensión de suministro,
el caudal de gas de protección la velocidad de soldadura el ángulo
del par de torsión, la extensión del cable, la velocidad de
suministro del cable etc. Adicionalmente, el dispositivo incluye una
disposición 22 para controlar el funcionamiento del equipo de
soldadura por arco 21. La disposición de control 22 comprende un
medio 23, por ejemplo, un procesador y programas de ordenador y
componentes eléctricos/circuitos del mismo adaptados para
determinar el valor de dicho al menos un parámetro de soldadura
mientras que se usa un modelo teórico 24 del proceso de soldadura y
un miembro 25 por ejemplo cualquier clase de equipo de control que
sea capaz de comunicar con el equipo de soldadura a dicho medio y
de esta manera transferir una señal que representa el valor del
parámetro de soldadura al equipo de soldadura, para ajustar el
equipo de soldadura 21. El ajuste puede realizarse antes de la
soldadura y/o en línea durante la soldadura. El medio 23 se adapta
para usar dicho modelo teórico 24 que comprende al menos dos partes
separadas 26, 27 de las cuales al menos una parte representa la
parte de arco del mismo correspondiente a diferentes partes del
proceso de soldadura. Cada parte del modelo 26, 27 está
representada por un componente del modelo 13, véase también la
Figura 3 y estos componentes de modelo 13 junto con la fuente de
energía del modelo 14 se incluyen en el modelo de circuito eléctrico
12. El medio 23 está adaptado para calcular al menos un parámetro
del modelo del circuito eléctrico 13 a partir del modelo de
circuito eléctrico 12, y para usar el valor de este parámetro
relacionado con dicho al menos un parámetro de soldadura, para
dicho control del equipo de soldadura 21 mediante el ajuste de dicho
al menos un parámetro de soldadura del proceso de soldadura
mediante dicho miembro 25.
Como se indica en la Figura 4 el medio 23 puede
usarse sin el miembro 25 y el equipo de soldadura por arco 21 para
otros fines distintos de controlar directamente un equipo de
soldadura por arco. De esta manera dicho medio puede usarse para
simulación 28 de cualquier proceso de soldadura por arco y/o para
predicción de la calidad 29 de una soldadura resultante de una
operación de soldadura por arco.
Adicionalmente, dicho medio 23 y/o la
disposición de control 22 pueden usarse para realizar cualquiera de
los métodos descritos en este documento.
En la Figura 5 se ilustra un diagrama de bloques
del método para controlar un equipo de soldadura por arco usado en
una operación de soldadura y ajustable variando al menos un valor
del parámetro de soldadura. El método comprende las etapas de
determinar 30 dicho al menos un valor del parámetro de soldadura
mientras que se usa 31 un modelo teórico del proceso de soldadura
asociado con la operación de soldadura, controlar 32 la operación
del equipo de soldadura y el proceso de soldadura asociado con el
mismo usando dicho al menos un valor del parámetro de soldadura
para ajustar el equipo de soldadura, cuando la determinación
comprende las etapas de dividir 33 el proceso de soldadura en al
menos dos partes diferentes de las cuales al menos una parte
representa el arco o una parte del mismo, en el modelo teórico,
representado 34 cada una de dichas al menos dos partes del proceso
de soldadura y el parámetro/parámetros de soldadura asociados con el
mismo mediante un componente del modelo, poniendo 25 los
componentes del modelo y la fuente de energía del modelo en un
modelo de circuito eléctrico y calculando 36 al menos un parámetro
de modelo de circuito eléctrico relacionado con dicho al menos un
parámetro de soldadura a partir del modelo de circuito
eléctrico.
En la Figura 6 se ilustra un diagrama de bloque
es el modelo para simular un proceso de soldadura por arco. El
método comprende las etapas de introducir 40 datos en un modelo
teórico que representa el proceso de soldadura, determinar 41 al
menos un valor del parámetro de soldadura del proceso de soldadura
mientras se usa 42 en el modelo teórico y los datos introducidos,
con el fin de simular 43 el proceso de soldadura, donde la
determinación comprende las etapas de dividir 44 el proceso de
soldadura en al menos partes diferentes, de las cuales al menos una
parte representa el arco o una parte del mismo en el modelo teórico
que representando 45 cada uno de dichos términos dos partes del
proceso de soldadura y el parámetro/parámetros de soldadura
asociados con el mismo mediante un componente del modelo, poniendo
46 los componentes del modelo y una fuente de energía del modelo en
un modelo de circuito eléctrico y calculando 47 al menos un
parámetro del modelo de circuito eléctrico relacionado con dicho al
menos un parámetro de soldadura del modelo de circuito
eléctrico.
En la Figura 7 se ilustra un diagrama de bloques
del método para predecir la calidad de una soldadura obtenida a
partir de una operación de soldadura por arco. El método comprende
las etapas de introducir 50 datos en un modelo teórico que
representa el proceso de soldadura asociado con la operación de
soldadura, determinar 51 al menos una propiedad de la soldadura
relacionada con al menos un valor del parámetro de soldadura del
proceso de soldadura mientras que se usa 52 el modelo teórico y los
datos introducidos, donde la determinación comprende las etapas de
dividir 53 el proceso de soldadura en al menos dos partes diferentes
de las cuales al menos una parte representa el arco o una parte del
mismo, en el modelo teórico, representando 54 cada una de dichas al
menos dos partes del proceso de soldadura y el parámetro/parámetros
de soldadura asociados con el mismo se representa mediante un
componente del modelo, introducir 55 los componentes del modelo y la
fuente de energía del modelo en un modelo de circuito eléctrico, y
calculando 56 al menos un parámetro del modelo de circuito
eléctrico relacionado con dicho al menos un parámetro de soldadura y
relacionado con dicha al menos una propiedad de la soldadura, a
partir del modelo de circuito eléctrico.
Los métodos pueden usarse para diferentes
objetos tales como para predecir la formación de gota de metal en
una operación de soldadura por arco para un conjunto dado de
parámetros de soldadura, para predecir el modo de transferencia de
metal en una operación de soldadura por arco para un conjunto dado
de parámetros de soldadura, para calcular al menos un valor del
parámetro de soldadura requerido para obtener un modo de
transferencia de metal particular en una operación de soldadura y/o
para calcular al menos un valor de ajuste de defecto para usar para
ajustar un equipo de soldadura por arco automático antes de la
soldadura. La predicción de la calidad puede usarse por ejemplo
para predecir cualquier propiedad mecánica de una junta soldada para
entradas dadas, es decir, ajuste de parámetros de soldadura, o en
la dirección contraria para determinar uno o más valores del
parámetro de soldadura para una entrada dada, es decir cualquier
propiedad mecánica de una junta soldada. Una aplicación importante
de los métodos y el dispositivo de acuerdo con la invención es la
predicción de las características de un cierto proceso de soldadura
como se ha mencionado anteriormente la predicción del modo de
transferencia de metal presente durante la operación de soldadura
por arco que hace posible predecir el modo de transferencia, la
función de un cierto parámetro de soldadura tal como velocidad de
suministro de cable o corriente y de esta manera predecir la zona
de transición entre los denominados modos de arco corto y arco de
pulverización.
En diferentes realizaciones de los métodos la
etapa de dividir el proceso de soldadura puede incluir dividir el
proceso de soldadura de manera que la parte de la región de
interacción arco-cable y/o la parte de la región de
arco y/o la parte de la región de columna del arco y/o la parte de
cable y/o la parte de pieza de trabajo se representa por separado
por uno de los componentes del modelo 13 en el modelo de circuito
eléctrico 12. En las realizaciones de los métodos que usan un
modelo de circuito eléctrico 12 de acuerdo con la Figura 3 dichos
métodos comprenden las etapas de dividir el proceso de soldadura de
manera que la parte de la región de arco 6, la parte de cable 5, la
parte de pieza de trabajo 7 (y la parte correspondiente a
(RL)_{rest}) se representa cada una por separado por uno
de dichos componentes del modelo 13 en el modelo del circuito
eléctrico 12.
Adicionalmente, en una realización preferida
descrita con más detalle a continuación, dicho componente del
modelo R_{a} que representa la parte de la región de arco se
determina mediante la información obtenida por el cálculo a partir
de modelos físicos de la parte de la región de columna 9, la parte
de la región de interacción arco-cable 8 y la parte
de la región de interacción arco-pieza de trabajo
10.
En las Figuras 8, 9, 10 y 11 se ilustra
esquemáticamente un ejemplo de modelo físico, incluyendo submodelos,
basados en ecuaciones de energía, masa y momento. Como se indica en
la Figura 8 el cable, el arco, la pieza de trabajo la interacción
arco-cable y la interacción
arco-pieza de trabajo se tienen en cuenta.
En la Figura 9 la columna del arco 60F se supone
que es un conector cilíndrico con un diámetro medio 61 y una zona
de transición de expansión 62 cerca del cable 63. En la Figura 10 la
parte de la región de interacción arco-cable del
proceso de soldadura se divide en una primera zona 64 más cerca del
cable, denominada la zona de carga espacial y una zona 65 cerca de
la columna del arco denominado la zona de ionización para describir
las propiedades de las zonas a través de diferentes submodelos
físicos. También la parte de la región de interacción
arco-pieza de trabajo del proceso de soldadura en la
Figura 11 se divide en una primera zona 66 más cerca de la pieza de
trabajo, denominada zona de carga espacial y una segunda zona 67 más
cerca de la columna del arco denominada zona de ionización para
describir las propiedades de las zonas a través de diferentes
submodelos físicos. A continuación sigue una descripción más
detallada de los posibles modelos físicos que pueden usarse en
relación con la invención.
Como ya se ha mencionado el proceso de soldadura
puede dividirse en partes diferentes y la parte de la región de
arco puede dividirse en subpartes, en concreto la parte de la región
de interacción arco-cable y la parte de la región
de columna del arco y una parte de región de interacción de
arco-pieza de trabajo. La columna del arco,
descrita en este capítulo ocupa la mayor parte del espacio entre el
cable y la pieza de trabajo. En esta zona, los gradientes de
variables termodinámicas tales como temperatura y presión no son
demasiado altos y el sistema está en equilibrio termodinámico
local.
El modelo de arco sugerido aquí se basa en
ecuaciones de energía masa y momento. La corriente de arco genera
fuerzas de Lorentz que tienen un papel importante en el proceso de
soldadura. El arco normalmente se contrae hacia la punta del cable.
Esto hace subir el componente axial de la fuerza de Lorentz. El
plasma por lo tanto se acelera hacia la pieza de trabajo. Las
fuerzas electromagnéticas en el proceso de soldadura son importantes
tanto para la estabilización del arco como para transferencia de
material a la pieza de trabajo. Para poder predecir algunos
fenómenos de los arcos de soldadura, se requieren las propiedades
termo-físicas del gas de protección en el intervalo
de temperatura 300-30000 Kelvin. Debido a las
interacciones arco-cable y
arco-pieza de trabajo, el gas de protección
normalmente se contamina con vapores metálicos, lo que influye
notablemente en las propiedades físicas del arco.
La estructura del modelo de arco propuesta en
este documento se muestra en la Figura 8. Esta estructura da la
posibilidad de considerar los efectos del gas de protección, el
material de cable y el material de pieza de trabajo.
De acuerdo con el estado de la técnica, hoy en
día se conoce una simulación bidimensional detallada del arco. Sin
embargo, dicha simulación requiere un largo tiempo computacional. Se
hace difícil usar dicha herramienta para controlar y monitorizar el
proceso de soldadura por arco.
En esta solicitud se propone, en lugar de ello,
un modelo de arco rápido con la estructura ilustrada en la Figura 8
y 9. El modelo se basa en las siguientes consideraciones:
- el arco está en equilibrio termodinámico
local,
- el arco se supone que es un conductor
cilíndrico con una temperatura uniforme y un diámetro medio,
- se considera una zona de transición de
expansión de arco entre el cable y la columna del arco,
- la temperatura media del arco y el diámetro se
obtiene a partir del equilibrio de energía del arco y el principio
mínimo de Steenbeck. Este principio se basa en la minimización de la
pérdida de energía del arco,
- las propiedades termo-físicas
se calculan en módulos diferentes y se acoplan al modelo de arco,
y
- se tienen en cuenta la interacción
arco-cable y la interacción
arco-pieza de trabajo.
El equilibrio de energía del arco se da a
continuación:
donde L es la longitud de arco, I
denota la corriente eléctrica, \sigma se refiere a la
conductividad eléctrica, A es el área de la sección transversal de
la columna del arco, V_{an} y V_{ca} son las caídas de tensión
en la zona cerca del ánodo (cable) y en la zona cerca del cátodo
(pieza de trabajo) respectivamente. \rho es la densidad de gas, h
y h_{0} son las entalpías específicas del arco y los alrededores y
U_{rad} es la densidad de radicación media todas las cuales son
funciones de la temperatura del arco. \nu denota la velocidad
media del gas. Los términos de transferencia de calor para
arco-ánodo Q_{A-A} y arco-cátodo
Q_{A-C} se obtienen a partir de modelos físicos
detallados de las interacciones arco-cátodo y
arco-ánodo.
Usando la ley de Ampere y la integración de las
ecuaciones de Navier-Stokes para un flujo
incompresible en la zona de expansión puede deducirse una ecuación
sencilla para la velocidad media como
donde R_{arco} y R_{cable} son
los radios de la columna del arco y cable respectivamente y
\mu_{0} es la constante de campo magnético. Las constantes
c_{a} y c_{b} dependen de los perfiles de densidad de corriente
en el cable del ánodo y se derivará con la ayuda de simulación CFD y
experimentos
sencillos.
Las ecuaciones anteriores junto con la
minimización de la pérdida de energía proporcionan toda la
información necesaria tal como la temperatura media del arco, el
radio del arco y las características de
corriente-tensión del arco.
Los beneficios del modelo de arco propuestos
son:
- el modelo de arco puede ejecutarse muy
rápidamente y de esta manera puede usarse como parte de un programa
informático para realizar la invención y por ejemplo puede usarse
junto con un modelo para la interacción arco-cable
de manera que la formación de gota y el transporte pueden
predecirse.
Cerca de los electrodos, están presentes altos
gradientes de temperatura y concentración de partículas. Esto
conduce a desviaciones del equilibrio térmico y químico. Se sabe
bien que las caídas de tensión en la zona cerca del cable y en la
zona cerca de la pieza de trabajo son muy altas y dependen de los
materiales de electrodo y las propiedades de plasma de la columna
del arco. Por lo tanto, es importante tener en cuenta las
propiedades físicas de los fenómenos cerca de los electrodos para
predecir un proceso de soldadura por arco. En esta sección, se
presenta el modelo para la interacción entre el arco y la pieza de
trabajo. El modelo se basa en lo siguiente:
- la zona cerca de la pieza de trabajo se divide
en dos zonas: la zona de ionización y la zona de espacio de
carga,
- las colisiones entre partícula son
insignificantes en la zona de espacio de carga,
- los electrones y partículas pesadas se
consideran como dos fluidos con dos temperaturas diferentes,
- las densidades de iones y electrodos son
iguales en la zona de ionización,
- las densidades de iones y electrones no son
iguales en la zona del espacio de carga,
- el mecanismo de emisión de electrones es
emisión de termo-campo, y
- las ecuaciones que describen las dos zonas se
integran sobre las zonas.
Las entradas al modelo de la región de
interacción de arco-pieza de trabajo son material de
la pieza de trabajo y las propiedades de plasma en la zona de
columna del arco (por ejemplo, temperatura y presión). Las salidas
del modelo son la caída de tensión en la región de interacción
arco-pieza de trabajo y el flujo térmico desde la
pieza de trabajo al arco debido a las partículas cargadas.
Adicionalmente, hay un flujo térmico conductivo debido a partículas
neutras. Estos datos son necesarios en el equilibrio de energía
global de la columna del arco. El modelo se adapta de manera que
puede acoplarse fácilmente al modelo de arco descrito
anteriormente.
Los beneficios del modelo de interacción de
arco-pieza de trabajo propuesto son:
- el modelo puede acoplarse al modelo de columna
del arco y/o al modelo de la zona e interacción
arco-cable y permite una descripción más completa
del arco,
- el modelo da predicciones precisas del flujo
térmico hacia la pieza de trabajo que es un factor importante que
afecta a la calidad de la soldadura,
- el modelo predice la velocidad de vapores
metálicos desde la pieza de trabajo
- el modelo puede ejecutarse muy rápidamente y
de esta manera, puede no disminuir necesariamente la velocidad de
una operación de soldadura cuando se usa el modelo para controlar
una operación de soldadura por arco, y
- el modelo considera explícitamente las
propiedades del material de la pieza de trabajo, como por ejemplo
la función de trabajo y la conductividad térmica.
Para ilustrar la influencia del material de la
pieza de trabajo sobre el proceso de soldadura por arco, se
presenta a continuación un resumen de las características
físicas.
El flujo de energía desde el plasma a la pieza
de trabajo se da mediante:
Donde J_{e}, J_{em} y J_{i} son la
densidad de corriente de los electrones difundidos de vuelta al
plasma, la densidad de corriente de electrones emitidos y la
densidad de corriente de iones, respectivamente. T_{w}, T_{e} y
T_{i} indica la temperatura de la pared del cátodo, de los
electrones e iones. \varphi_{c} y E_{i} son la caída de
tensión en la zona de espacio de carga y la densidad de ionización
de gas. \phi_{ef} es la función de trabajo eficaz que se define
como la diferencia entre la energía media de los electrones dentro
del metal y la energía media de los electrones emitidos justo fuera
del metal. q_{vap} es el flujo de energía sacador por
vaporización.
El equilibrio de energía en la zona de
ionización puede resumirse como se muestra en la Figura 12. Esta
figura muestra que una parte de la densidad de energía total, el
efecto Joule, recibido por el gas de electrones se transfiere a las
partículas pesadas mediante colisiones elásticas e inelásticas. La
otra parte de la energía se pierde por radiación y por el flujo
térmico a las paredes frías. De acuerdo con investigaciones
anteriores de la zona de ionización las pérdidas principales de
energía electrónica se deben a ionización. Basándose en estos
resultados, las pérdidas de energía debida a las colisiones
elásticas pueden hacerse insignificantes. El equilibrio de energía
se simplifica por integración sobre la zona:
El primer término en el lado izquierdo es el
flujo de los electrones que se lleva a la zona de ionización por
los electrones emitidos acelerados en la zona del espacio de carga.
El segundo término en el lado izquierdo presenta el trabajo del
campo eléctrico sobre los electrones dentro de la zona de
ionización. El primer término en el lado derecho es el flujo de
energía llevado por los electrones que dejan la ionización para la
zona de espacio de carga. eJ_{i}E son las pérdidas de energía de
electrones debido a ionización. Finalmente, el último término en el
lado derecho es el flujo de energía llevado por los electrones que
salen de la zona de ionización para la columna del arco.
Para poder predecir el comportamiento de la zona
del cátodo, se requieren las densidades de corriente J_{e},
J_{em} y J_{i}. Estas densidades de corriente se obtienen
mediante la cinética detallada de partículas en la zona del espacio
de carga. Aquí únicamente se dan los resultados.
La densidad de corriente de iones y la densidad
de corriente de electrones contra-difundidos se dan
mediante
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con el mecanismo de emisión de campo
termiónico, la densidad de corriente de electrones transmitidos se
da mediante la ecuación de Richardson-Dushuman con
la corrección de Schottky
\vskip1.000000\baselineskip
En la ecuación anterior, h y m_{e} son las
constantes de Planck y la masa de electrón, respectivamente. La
función de trabajo eficaz está relacionada con el campo eléctrico de
acuerdo con:
\vskip1.000000\baselineskip
donde \phi_{0}, \varepsilon y
E_{C} son la función de trabajo del material de la pieza de
trabajo, la constante dieléctrica y la resistencia del campo
eléctrico en la pared del
cátodo.
Las densidades de electrón e ión en el borde de
la zona del espacio de carga pueden calcularse con buena
aproximación como:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
donde
D_{i0} y K_{r} son el coeficiente de
difusión ión-neutro en la parte superior del límite
del equilibrio y la velocidad de recombinación.
El conjunto de ecuaciones presentado es cerrado
y puede resolverse fácilmente para predecir las propiedades de la
zona de cátodo o las propiedades de la región de interacción
arco-pieza de trabajo en el proceso de soldadura
por arco.
En esta sección se presenta el modelo para la
interacción entre el arco y el cable (zona del ánodo). El modelo se
basa en lo siguiente:
- la zona cerca del cable se divide en dos
zonas: la zona de ionización y la zona de espacio de carga,
- las colisiones entre las partículas son
insignificantes en la zona del espacio de carga,
- los electrones y partículas pesadas se
consideran como dos fluidos con dos temperaturas diferentes,
- las densidades de iones son mucho menores que
las densidades de electrones en la zona del espacio de carga,
- la temperatura de los electrones permanece
constante a través de la zona del ánodo,
- la caída de tensión en la zona de ionización
es insignificante, y
- se supone que no hay emisión de electrones
desde el cable.
Las entradas al modelo de la región de
interacción arco-cable son las propiedades del
material de cable y del plasma en la zona de la columna del arco
(por ejemplo, temperatura y presión). Las salidas del modelo son la
caída de tensión en la región de interacción
arco-cable y el flujo térmico desde el arco al cable
debido a partículas cargadas. Estos datos son necesarios en el
balance de energía global de la columna del arco. El modelo se
adapta de manera que puede acoplarse fácilmente al modelo de arco
descrito anteriormente.
Los beneficios del modelo de interacción
arco-cable propuestos son:
- el modelo puede acoplarse al modelo de columna
del arco y/o el modelo de la región de interacción
arco-pieza de trabajo permite una descripción más
completa del arco,
- el modelo da predicciones precisas del flujo
térmico hacia el cable que es un factor importante para describir
el proceso de soldadura,
- el modelo puede ejecutarse muy rápidamente y
de esta manera por ejemplo no es necesario disminuir la velocidad
de una operación de soldadura cuando se usa el modelo para controlar
una operación de soldadura por arco, y
- el modelo considera explícitamente las
propiedades del material de cable, por ejemplo en la función de
trabajo.
Para ilustrar la influencia del cable sobre el
proceso de soldadura por arco, a continuación se presenta un
resumen de las propiedades físicas.
El flujo de energía total desde el plasma al
cable será mediante las pérdidas desde el arco debido a partículas
cargadas, conducción térmica y radiación menos la energía térmica
utilizada para evaporación y radiación de la superficie de la punta
del cable.
Para el flujo de energía de partículas cargadas,
se consideran únicamente electrones ya que el flujo de la densidad
de corriente de iones en la región de interacción
arco-cable es baja comparada con el flujo de
densidad de corriente de electrones
Hay un flujo de energía debido a la energía
térmica de electrones, energía cinética de electrones resultante de
la aceleración en el campo eléctrico y energía potencial de
electrones después de la transformación de fase en la superficie
del cable (sin unión). j_{e} es la densidad de corriente de los
electrones y T_{e} es la temperatura del electrón en la región de
interacción arco-cable. La temperatura del electrón
se toma como la temperatura media del núcleo de arco proporcionada
por el modelo de arco. \phi es la función de trabajo nominal de
la superficie de cable (conocida) y V_{an} es la caída de tensión
en la zona de ánodo que consiste principalmente en la caída de
tensión en la zona del espacio de carga.
donde j_{e} se obtiene a partir
de la
cinética
donde n_{e} es la densidad de
electrones en la zona del ánodo y se calcula usando la ecuación de
estado, leyes de equilibrio termodinámico y las propiedades
termodinámicas del arco (temperatura,
presión).
Para obtener la caída de tensión en la región de
interacción arco-cable se tiene en cuenta la
densidad de corriente ión j_{i}. La siguiente relación puede
derivarse de la cinética
donde n_{i} es la densidad de
iones en la zona de ionización que equivalente a la densidad de
electrones n_{e}. Conociendo la densidad de corriente total
j
puede obtenerse la caída de tensión
en la región de interacción
arco-cable.
La conducción térmica a partir del arco resulta
del gradiente de temperatura en la zona de ánodo que actúa sobre
iones y los flujos de calor debido a la energía cinética de iones y
electrones en la región de interacción
arco-cable.
donde v_{i} y v_{e} son las
velocidades de iones y electrones respectivamente que se dan
mediante la cinética en el equilibrio
termodinámico.
La energía de radiación desde el arco es la
fracción de la energía radiada totalmente por el arco que alcanza
la superficie de la punta del cable.
Donde \varepsilon_{ef} es un coeficiente de
emisión eficaz del arco que puede estimarse a partir del coeficiente
de emisión de la columna del arco suponiendo un cilindro, los
tiempos de la fracción de la superficie del cilindro dirigidos
hacia el cable.
El flujo de energía debido a evaporación de la
superficie de la punta del cable será mediante el producto de la
velocidad de evaporación y el calor latente del material de
cable
donde la velocidad de evaporación
puede expresarse como una función de la presión de la columna del
arco y la temperatura de la superficie de la punta del
cable.
El flujo de energía debido a radiación desde la
superficie de la punta del cable será mediante
La única incógnita restante es la temperatura de
la superficie de la punta del cable T_{ans}. Esta temperatura
puede obtenerse a partir del modelo de cable. Una estimación
sencilla es que es igual a la temperatura de fusión del material de
cable.
El conjunto de ecuaciones presentado
anteriormente es cerrado y puede resolverse para predecir las
propiedades de la zona del ánodo o las propiedades de la región de
interacción arco-cable en el proceso de soldadura
por arco.
En el proceso de soldadura por arco, la
transferencia de calor desde el arco al cable provoca la formación
rápida de gotas en la punta del cable. El impacto de las gotas
separadas y transferidas a través del arco a la pieza de trabajo
puede dar como resultado deformaciones de volumen y la alteración de
las propiedades mecánicas de la soldadura. A continuación, se
sugiere un modelo para predecir la transferencia de masa, calor y
momento desde las gotas que gotean hacia la pieza de trabajo.
La forma del metal fundido en la punta del cable
está influida por fuerzas dependientes del tiempo tales como
gravedad, inercia, tensión superficial, fuerza electromagnética, el
efecto de la presión del arco, el empuje viscoso por el flujo de
gas. Una descripción extensiva de los fenómenos
termo-físicos implicados en los mecanismos de
formación de gotas puede formularse con precisión con herramientas
informáticas 2D en un análisis detallado de las interacciones
plasma-electrodo en condiciones de equilibrio
termodinámico local del plasma y flujo laminar en el dominio de
cálculo. Sin embargo, los cálculos requeridos para estas operaciones
pueden consumir tiempo y no ser aceptables en un programa de
interfaz de usuario para usar para controlar y/o monitorizar la
calidad de una soldadura en una operación de soldadura.
Un enfoque simplificado del problema puede ser
considerar el equilibrio de energía unidimensional de un cable
dominado por los efectos de evaporación, transferencia de metales
del cable, calentamiento óhmico en el cable mediante la corriente
del arco y la transferencia de corriente del plasma. En un modo de
estado casi estacionario, el balance de energía total del cable
puede escribirse como:
donde los procesos de transferencia
de calor para valores integrados sobre el volumen total del cable
que sobresale se definen
como:
debido a la evaporación desde la
superficie de la punta del
cable;
las pérdidas de calor debido a
transferencia de metal en forma de gotas que se separan de las
puntas del
cable;
\vskip1.000000\baselineskip
el calentamiento en el cable por la
corriente de arco,
y
\vskip1.000000\baselineskip
el calor transferido desde el
plasma a la gota en la punta del cable. En las relaciones
anteriores, V_{w} es el volumen total de cable que sobresale, S
es la superficie externa total de cable y S_{c} = \pir2 es el
área de la sección transversal del cable en el extremo del cable en
z=0 (T=300-K) y r es su radio. Las cantidades
C_{p}, \kappa y \rho son el calor específico, la conductividad
térmica y la densidad del material de cable en la temperatura de
cable local, respectivamente. T_{media} es la temperatura media de
la gota en el momento de la separación y v_{0} es la velocidad de
suministro de cable. La velocidad de evaporación en gramos/segundo
en la punta del cable se denota como
q_{ev}=P_{ev}m_{a}/4(m_{a}k_{b}T_{a}/3)^{0,5}
donde P_{ev} y m_{a} son la presión de vapor y la masa atómica
del cable respectivamente mientras que k_{b} es la constante de
Boltzmann y T_{a} la temperatura de la superficie del cable. Otros
símbolos son los siguientes: L, el calor latente de evaporación del
material de cable, e la carga elemental, j_{i} la densidad de
corriente de iones del plasma, j_{e} la densidad de corriente de
electrones del plasma; la densidad de corriente total se denota j;
T_{p} es la temperatura inmediatamente delante del cable, \phi
es la función de trabajo nominal de la superficie del cable;
\sigma representa la conductividad eléctrica, V_{i} es el
primer potencial de ionización del gas de plasma y V_{s} es la
caída de tensión a través de la protección en la región del
cable.
cable.
En esta aproximación, la conducción de calor
convencional desde el plasma a través de las partículas neutras, la
conducción a través del extremo del cable y la radiación de cuerpo
negro se hacen insignificantes debido a que puede demostrarse
teóricamente que su efecto es pequeño comparado con E_{v},
E_{m}, E_{oh} y E_{e}.
El calor transferido desde el plasma al cable
puede expresarse en la ecuación
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Resolviendo la ecuación de conservación de
energía dependiente del tiempo en pequeñas etapas temporales,
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
donde F es un término que se
refiere a la entrada de calor S_{a}; desde el plasma el perfil de
temperatura del cable puede obtenerse, y por lo tanto la longitud
fundida en la punta del cable puede estimarse como una función del
tiempo.
La transferencia de metal en forma de gota
ocurrirá cuando el cable fundido alcanza una longitud crítica
L_{crit} para un conjunto dado de parámetros de soldadura. La
estimación del volumen de gota puede deducirse de un tratamiento
dinámico en la región del cable usando expresiones simplificadas de
las tensiones superficiales, fuerzas electromagnéticas, gravedad,
presión de arco y fuerza de empuje viscoso alrededor del metal
fundido en la punta del cable en cada etapa del tiempo.
La forma inicial del electrodo en el momento t=0
puede tomarse como cilíndrica con un diámetro igual al del cable
cubierto por aproximadamente una capa de 0,1 cm de espesor de
líquido fundido en la punta del cable. Las condiciones iniciales
deben corresponder con un arco que funciona con un cable que se
mueve continuamente de forma cilíndrica no deformada.
Las entradas requeridas para el modelo de cable
son la corriente de arco, la velocidad de suministro de cable, el
diámetro de cable, la distancia de separación del electrodo inicial,
el ángulo de antorcha y las características del arco. Esto último
puede suministrarse al modelo mediante las salidas desde el modelo
de arco.
Las salidas incluyen la frecuencia de
separación, el volumen de una gota separada del metal fundido, la
temperatura media en la gota y la aceleración soportada por la gota
en el eje de columna del arco en la separación. Este resultado
proporciona la información para la evaluación del refuerzo de la
junta para un proceso de soldadura por arco con gas dada y una
geometría de pieza de trabajo. También está disponible a partir del
modelo la longitud de lo que sobresale del cable y la resistencia,
que permite un cálculo más preciso de la longitud de arco que desde
el modelo simplificado descrito a continuación.
Como una primera etapa un modelo simplificado
para el cable se ha usado. La longitud de arco se obtiene a partir
de un equilibrio entre la velocidad de suministro de cable w_{fr}
y la velocidad de fusión de cable
\vskip1.000000\baselineskip
donde \tau es una constante de
tiempo que retrasa el cambio de la longitud de arco respecto al
cable de la entrada de calor. La resistencia del cable que
sobresale R_{an} se calcula suponiendo una temperatura constante
de la parte que
sobresale
donde \zeta es la resistividad
eléctrica del cable, Razz el área de la sección transversal del
cable de la distancia entre la boquilla y la pieza de trabajo. L es
la longitud de arco que es la salida de este
modelo.
La entrada de la energía considera tanto el
calentamiento óhmico del cable que sobresale como la transferencia
de energía del arco al cable. La velocidad de fusión del cable se
obtiene relacionando la entrada de energía con la entalpía del
cable por unidad de longitud \deltaH. Esto último tiene en cuenta
la energía liberada debido a la absorción de electrones en ánodo y
energía térmica soportada por los electrones
\vskip1.000000\baselineskip
donde \phi_{an} es la función
de trabajo de un material de ánodo, k_{B} es la constante de
Boltzmann, T_{e} es la temperatura del electrón y e es la carga
de
electrón.
\vskip1.000000\baselineskip
Como parte del proceso multivariable, la
soldadura por arco automatizada puede definirse por los denominados
parámetros de soldadura indirectos (IWP), que actúan sobre un
conjunto de parámetros de material (MP) con un conjunto resultante
de parámetros de soldadura directos (DWP). Los IWP deben elegirse
apropiadamente para los MP dados. Los DWP deben fijarse
explícitamente por especificaciones de por ejemplo anchura de perla
de soldadura óptima penetración y apariencia.
Un aspecto básico a considerar respecto al
control para soldadura por arco es determinar lo que se debe
controlar y qué parámetros son accesibles para acciones de control
en el proceso. Véase las Figuras 13 y 14.
Las funcionalidades de control de calidad a
implementar en el programa informático propuesto podrían consistir
en:
- control de la estabilidad de proceso, es
decir, seguimiento a alta velocidad por ejemplo análisis estadístico
de dominio temporal basado en IWP medios medidos y predichos por
ejemplo tensión de arco o intensidad de corriente. Puede permitir
la detección de entradas de alteración (anomalías en la distancia de
pistola a pieza de trabajo, envoltura insuficiente con gas de
protección, etc.). Ventajosamente, los detectores de visión y las
sondas de sonido pueden usarse también,
- aseguramiento de calidad de la geometría y
propiedades mecánicas de las juntas soldadas (DWP) por parámetros
de proceso que se ajustan desde modelos físicos avanzados rápidos
sobre MP e IWP. Los modelos pueden incluir interacciones detalladas
arco-pieza de trabajo desde los fenómenos de
agrupación de soldadura (eficacia de arco, goteo de gota, difusión
de gas e impurezas, etc.) y criterios microestructurales
(microfases, tensiones residuales, dislocaciones, etc.).
En la Figura 17 se ilustra un modelo de pieza de
trabajo. En la práctica, el modelado de las propiedades de
soldadura a menudo se basa en redes neurales entrenadas para una
geometría particular de juntas. Las redes neurales son modelos de
regresión no lineal parametrizadas, véase la Figura 14. Pueden
proporcionar soluciones adaptadas para el tratamiento de sistemas
multivariables intrincados cuando los modelos físicos son difíciles
de establecer o no existen. También un programa que usa redes
neurales debe incluir transferencia de masa, calor y momento desde
el arco y goteo de gotas hacia la pieza de trabajo. De hecho, estas
cantidades pueden tener consecuencias considerables sobre la
geometría global de la soldadura y su calidad intrínseca. Un
componente importante en la elaboración de una red neural es el
control de las magnitudes características de los pesos (obsérvese
w_{j}^{(i)} en la Figura 15) de los parámetros de entrada. Esta
operación requiere que la red se entrene preliminarmente a partir
de un conjunto de salidas conocidas cuando los pesos se cambian
sistemáticamente hasta que se obtiene una descripción de la red
como una función de las entradas. Entre otras posibilidades para
modelar la pieza de trabajo, un programa de red neural puede
entrenarse sobre las juntas de gravedad obtenidas en las
condiciones especificadas (acero de bajo contenido en carbono, gas
de protección, velocidad de cable, velocidad de suministro de
cable, espesor de la placa, etc.) mediante un robot de soldadura por
arco.
La solidificación del fundido durante el proceso
de soldadura GMA depende de las condiciones o transferencia de
calor en la agrupación de soldadura, véase la Figura 16. El
mecanismo de fusión y las características de la soldadura
resultantes son complejas para modelar analíticamente. Las redes
neurales pueden representar una alternativa adecuada para un modelo
de una pieza de trabajo.
La forma y propiedades mecánicas de las
soldaduras pueden verse afectadas fuertemente por las fuerzas
electromagnéticas, fuerzas de flotación y fuerzas de tensión
superficial que inducen el flujo de metal fundido en la agrupación
de soldadura posiblemente afectada por impactos de gotas,
vaporización, presión de arco y contaminación molecular. Las
predicciones suficientemente precisas de la calidad de la soldadura
por el modelo analítico de estos fenómenos pueden ser difíciles de
proporcionar puesto que exigen el cálculo detallado y rutinas de
cálculo optimizadas incluyendo métodos numéricos apropiados para
mover los sistemas de límite.
Las redes neurales son modelos de regresión no
lineal parametrizados potentes para los que no se requiere un
conocimiento fundamental del sistema a modelar. Pueden describirse
generalmente como una serie de variables ponderadas (parámetros de
entrada x_{i})
a partir de argumentos de funciones
de transferencia de regresión no lineal (variables
ocultas).
\vskip1.000000\baselineskip
Como un modelo de una unidad oculta (h_{j} =
h, y = w^{(2)}H+\theta^{(2)} parámetro oculto) puede que no
sea suficientemente flexible, pueden introducirse grados adicionales
de no linealidad combinando diversas funciones de transferencia de
regresión no lineal (parámetro de salida y)
permitiendo de esta manera que las
redes neurales capturen relaciones no lineales casi arbitrariamente.
La capacidad de las redes neurales para manipular la complejidad
está relacionada en gran medida con el número de funciones de
transferencia de regresión, es decir, el número de capas ocultas. Un
componente importante en la elaboración de una red neural es el
control de las magnitudes características de los pesos
(w_{i}^{(j)}) de las cantidades introducidas. Esta operación
requiere que la red se entrene preliminarmente a partir de un
conjunto de salidas cuando los pesos se cambian sistemáticamente
hasta que se tiene una descripción del mejor ajuste de la red en
función de las entradas. Los procedimientos numéricos pueden
desarrollarse para evitar dificultades de sobreajuste. En algunos
casos, las estimaciones de error pueden calcularse también para
definir la incertidumbre de ajuste considerando distribuciones de
probabilidad de conjuntos de pesos en lugar de usar uno
solo.
Puede producirse una red neural para modelos que
afectan a las transferencias de calor y masa sobre la geometría de
la soldadura como parte de un programa informático de usuario final
de soldadura por arco. Sin embargo, como ya se ha mencionado,
muchos parámetros experimentales pueden influir en un proceso de
soldadura por arco (por ejemplo, propiedades de cable, propiedades
del gas de protección, suministro de energía, velocidad de
suministro de cable, velocidad de soldadura, extensión del
electrodo, etc. véase la figura). Una investigación sistemática de
simplemente 10 parámetros solo a 3 niveles de variación daría como
resultado 3^{10}, es decir, aproximadamente 59\cdot10^{3}
posibles combinaciones que explorar. El conocimiento teórico del
arco sugiere que la corriente de arco, la velocidad de soldadura y
las propiedades del material son principalmente responsables de la
transferencia de calor y masa hacia la pieza de trabajo. Un proceso
GMAW puede descomponerse en módulos interdependientes en diferentes
para respectivamente el circuito eléctrico, el cable (ánodo), el
arco, para las interacciones entre el arco y el cable (es decir, la
formación de gotas), las interacciones entre el arco y la pieza de
trabajo y la propia pieza de trabajo (cátodo). La cantidad de
soldaduras a producir para hacer un modelo de red neural de la
pieza de trabajo por lo tanto puede reducirse a un número
razonablemente pequeño comparando sucesivamente los resultados del
modelo para los diversos módulos con unos pocos casos de ensayo
experimental característicos de la funcionalidad del módulo
ensayado, fijándose todos los parámetros críticos de otros módulos
en otros aspectos. Para este fin, resistencias internas,
inductancias y resistencias sobre el equipo de soldadura a usar
para los experimentos deben medirse de antemano y registrarse las
señales de proceso durante la soldadura (por ejemplo, corriente y
tensión de arco, señal de codificación del sistema de suministro
del cable, etc.) deben realizarse con una unidad de adquisición. La
validación en el módulo para el circuito eléctrico puede
conseguirse comparando la corriente de arco medida y la tensión con
los valores predichos de estas cantidades a diferentes velocidades
de suministro de cables y tensiones de suministro para diferentes
modos de soldadura (arco corto, pulverización, arco rápido),
manteniéndose constantes todos los demás parámetros entre los
modelos y experimentos en otros aspectos. La validación del modelo
de cable para simulación del modo de transferencia de masa (goteo
de gota) puede conseguirse de una manera similar midiendo
adicionalmente la velocidad de transferencia de masa adicional para
diversas dimensiones del diámetro de cable. La validación del
modelo de arco puede conseguirse variando la tensión de suministro y
la extensión del electrodo para diferentes gases de protección y
diámetros de cable, manteniéndose todos los demás parámetros
constantes. Los ajustes de cada modelo pueden implementarse por
etapas durante la validación de cada módulo. Finalmente los
experimentos pueden realizarse para modelar los efectos completos de
la transferencia de masa y calor hacia la pieza de trabajo
simplemente están afectados por la influencia de los ángulos de la
antorcha y de empuje/arrastre, velocidad de soldadura, espesor de
la placa, material de placa y configuración de la junta, todos los
demás aspectos estando incluidos supuestamente en las otras rutinas
validadas previamente. Para una aplicabilidad máxima del programa
informático, los experimentos deben realizarse en diferentes juntas
(por ejemplo, solapamiento, junta en T) hechas por ejemplo en una
configuración horizontal-vertical de configuración
de gravedad u otra dependiendo del mercado final del programa
informático.
Introducido desde los modelos dependientes de
arco a un modelo de red neural de la pieza de trabajo, las
distribuciones de temperatura de electrones e iones, intensidad de
corriente debida a más especies y velocidad de evaporación en la
superficie de la pieza de trabajo serán accesibles a partir de una
matriz precalculada establecida con los modelos validados. Se hará
referencia también a la masa, calor y velocidad de transferencia de
gotas como entradas de la red neural a partir de predicciones
obtenidas con el modelo validado para el cable.
La salida de la red neural debe permitir una
determinación de la calidad de la soldadura como se define por la
geometría y las propiedades mecánicas. Una versión completa del
programa informático es incluir todos los posibles aspectos de
calidad. Cuando la calidad se asocia con la forma de la soldadura,
las salidas consistirán en dimensiones geométricas de las
soldaduras. Un croquis de la geometría predicha de la soldadura se
presentará o las dimensiones de acuerdo con la norma
EN-25817 se mostrarán en la interfaz del usuario
final. Cuando la calidad está asociada con las propiedades
mecánicas, la salidas consistirán en valores predichos de, por
ejemplo, resistencia a deformación, resistencia a tracción final,
tenacidad Charpy y fragilidad.
Claims (41)
1. Un método para controlar el equipo de
soldadura por arco usado en una operación de soldadura y ajustable
variando al menos un valor del parámetro de soldadura que
comprende:
- determinar (30) dicho al menos un valor del
parámetro de soldadura mientras se usa (31) un modelo teórico del
proceso de soldadura asociado con la operación de soldadura,
- dividir (33) el proceso de soldadura en al
menos dos partes separadas de las cuales al menos una parte
representa el arco o una parte del mismo, en el modelo teórico,
- representar (34) cada una de dichas al menos
dos partes del proceso de soldadura y el parámetro/parámetros de
soldadura asociados con el mismo mediante un componente del
modelo,
- poner (35) los componentes del modelo y la
fuente de energía del modelo en un modelo de circuito eléctrico
y
- calcular (36) al menos un valor del parámetro
del modelo de circuito eléctrico relacionado con dicho al menos un
parámetro de soldadura a partir del modelo de circuito
eléctrico.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1
que comprende controlar (32) la operación del equipo de soldadura y
el proceso de soldadura asociado con el mismo usando dicho al menos
un valor del parámetro de soldadura para ajustar el equipo de
soldadura.
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1
o 2 que comprende:
- introducir (40) datos en un modelo teórico que
representa el proceso de soldadura,
- determinar (41) al menos un valor del
parámetro de soldadura del proceso de soldadura mientras que se usa
(42) el modelo teórico y los datos introducidos con el fin de
simular (43) el proceso de soldadura.
4. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-3 que comprende:
- introducir (50) datos en un modelo teórico que
representa el proceso de soldadura asociado con la operación de
soldadura,
- determinar (51) al menos una propiedad de la
soldadura relacionada con al menos un parámetro de soldadura del
proceso de soldadura mientras que se usa un modelo teórico y los
datos introducidos con el fin de predecir la calidad de una
soldadura obtenida a partir de la operación de soldadura por
arco.
5. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-4 que comprende:
- dividir el proceso de soldadura de manera que
la parte de la región de interacción arco-cable (18)
del proceso de soldadura está representada por separado por uno de
dichos componentes del modelo (13) en el modelo del circuito
eléctrico (12).
6. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-5 que comprende:
- dividir el proceso de soldadura de manera que
la parte de la región de interacción arco-pieza de
trabajo (10) del proceso de soldadura se representa por separado
por uno de dichos componentes del modelo (13) en el modelo del
circuito eléctrico (12).
7. Un método con cualquiera de las
reivindicaciones 1-4 que comprende:
- dividir el proceso de soldadura de manera que
la parte de la región de interacción arco-cable (8)
del proceso de soldadura se representa por separado por uno de
dichos componentes del modelo (13) en el modelo de circuito
eléctrico (12) y/o
- dividir el proceso de soldadura de manera que
la parte de la región de interacción arco-pieza de
trabajo (10) del proceso de soldadura se representa por separado
por uno de dichos componentes del modelo (13) en el modelo de
circuito eléctrico (12).
8. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-7 que comprende:
- dividir el proceso de soldadura de manera que
la parte de la región de arco (6) del proceso de soldadura se
representa por separado por uno de dichos componentes del modelo
(13) en el modelo de circuito eléctrico (12).
\newpage
\global\parskip0.900000\baselineskip
9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8
que comprende:
- determinar dicho componente del modelo que
representa la parte de la región de arco (6) mediante la información
obtenida por cálculos a partir del modelo físico de la parte de la
región de columna del arco (9) del proceso de soldadura.
10. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 8-9 que comprende:
- determinar dicho componente del modelo que
representa la parte de la región de arco (6) mediante la información
obtenida por mediante cálculos a partir de un modelo físico de la
parte de la región de interacción arco-cable (8)
del proceso de soldadura.
11. Un método de acuerdo con la reivindicación 5
o 10 que comprende:
- dividir la parte de la región de interacción
arco-cable (8) del proceso de soldadura en una
primera zona (64) cerca del cable y una segunda zona (65) cerca de
la columna del arco para describir las propiedades de las zonas a
través de diferentes submodelos físicos.
12. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 8-10 que comprende:
- determinar dicho componente del modelo que
representa la parte de la región de arco (6) mediante la información
obtenida a través de cálculos a partir de un modelo físico de la
parte de la región de interacción arco-pieza de
trabajo (10) del proceso de soldadura.
13. Un método de acuerdo con cualquiera de la
reivindicación 6 o 12 que comprende:
- dividir la parte de la región de interacción
del arco-pieza de trabajo (10) del proceso de
soldadura en una primera zona (66) cerca de la pieza de trabajo y
una segunda zona (67) cerca de la columna del arco para describir
las propiedades de las zonas a través de diferentes submodelos
físicos.
14. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 8, 9, 10 o 12 que comprende:
- determinar dicho componente del modelo que
representa la parte de la región de arco (6) mediante dicho modelo
físico que describe el arco mediante al menos una ecuación
independiente de la extensión en el espacio del arco.
15. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 14 que comprende:
- determinar dicho componente del modelo que
representa la parte de la región de arco (6) mediante dicho modelo
físico que describe el arco mediante al menos una ecuación que
depende únicamente del tiempo.
16. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-15 que comprende:
- dividir el proceso de soldadura de manera que
la parte de la región de columna del arco (9) del proceso de
soldadura se representa por separado por uno de dichos componentes
del modelo (13) en el modelo de circuito eléctrico (12).
17. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-16 que comprende:
- dividir el proceso de soldadura de manera que
la parte del cable (5) del proceso de soldadura se representa por
separado por uno de dichos componentes del modelo (13) en el modelo
de circuito eléctrico (12).
18. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-17 caracterizado porque
comprende la etapa de:
- dividir el proceso de soldadura de manera que
la parte de la pieza de trabajo (7) del proceso de soldadura se
representa por separado por uno de dichos componentes del modelo
(13) en el modelo del circuito eléctrico (12).
19. Un dispositivo que comprende un equipo de
soldadura por arco (21) usado en una operación de soldadura y
ajustable variando al menos un parámetro de soldadura y una
disposición (22) para controlar el funcionamiento del equipo de
soldadura por arco, incluyendo dicha disposición de control un medio
(23) adaptado para determinar el valor de dicho al menos un
parámetro de soldadura mientras que usa un modelo teórico (24) del
proceso de soldadura y un miembro (25) adaptado para controlar el
funcionamiento del equipo de soldadura y el proceso de soldadura
asociado con el mismo usando dicho al menos un valor del parámetro
de soldadura para ajustar el equipo de soldadura,
caracterizado porque el medio (23) está adaptado para usar
dicho modelo teórico (24) que comprende al menos dos partes
diferentes (26, 27) de las cuales al menos una parte representa el
arco o una parte del mismo, correspondiendo a diferentes partes del
proceso de soldadura, estando representada cada parte del modelo
por un componente del modelo (13), dichos componentes del modelo
junto con una fuente de energía del modelo (14) se incluyen en un
modelo de circuito eléctrico (12) y dicho medio (23) está adaptado
para calcular al menos un valor del parámetro del modelo de circuito
eléctrico relacionado con dicho al menos un parámetro de soldadura
a partir del modelo de circuito eléctrico para dicho control
mediante dicho miembro (25).
\global\parskip1.000000\baselineskip
20. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 19, en el que el medio (23) está adaptado para usar
dicho modelo teórico (24) que tiene la parte de la región de
interacción arco-cable (8) del proceso de soldadura
representada por separado por uno de dichos componentes del modelo
(13) en el modelo de circuito eléctrico (12).
21. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 18-20 en el que el medio (23)
está adaptado para usar dicho modelo teórico (24) que tiene la
parte de la región de interacción arco-pieza de
trabajo (10) del proceso de soldadura representada por separado por
uno de dichos componentes del modelo (13) en el modelo de circuito
eléctrico (12).
22. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 19, en el que el medio (23) está adaptado para usar
dicho modelo teórico (24) que tiene la parte de la región de
interacción arco-cable (18) del proceso de soldadura
representada por separado por uno de dichos componentes del modelo
(13) en el modelo del circuito eléctrico (12) y/o la parte de la
región de interacción arco-pieza de trabajo (10) del
proceso de soldadura representada por separado por uno de dichos
componentes del modelo (13) en el modelo del circuito eléctrico
(12).
23. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 19-22 en el que el medio (23)
está adaptado para usar en dicho modelo teórico (24) que tiene la
parte de la región de arco (6) del proceso de soldadura
representada por separado por uno de dichos componentes del modelo
(13) en el modelo de circuito eléctrico (12).
24. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 23 en el que el medio (23) está adaptado para usar
dicho modelo teórico (24) que tiene información obtenida mediante
cálculos a partir de un modelo físico de la parte de la región de
la columna del arco (9) del proceso de soldadura para usar en la
determinación de dicho componente del modelo (13) que representa la
parte de la región de arco (6).
25. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 23-24, en el que el medio (23)
está adaptado para usar dicho modelo teórico (24) que tiene
información obtenida mediante el cálculo a partir de un modelo
físico de la parte de la región e interacción
arco-cable (8) del proceso de soldadura para usar
para determinar dicho componente del modelo (13) que representa la
parte de la región de arco (6).
26. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 20 o 25 en el que el medio (23) está adaptado para
usar dicho modelo teórico (24) que tiene la parte de la región de
interacción arco-cable (8) del proceso de soldadura
dividida en una primera zona (64) más cerca del cable y una segunda
zona (65) más cerca de la columna del arco para describir las
propiedades de las zonas a través de diferentes submodelos
físicos.
27. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 23-25 en el que el medio (23)
está adaptado para usar dicho modelo teórico (24) que tiene
información obtenida mediante cálculos a partir de un modelo físico
de la parte de la región de interacción arco-pieza
de trabajo (10) del proceso de soldadura para usar para determinar
dicho componente del modelo (13) que representa la parte de la
región de arco (6).
28. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 21 o 27 en el que el medio (23) está adaptado para
usar dicho modelo teórico (24) que tiene la parte de la región de
interacción arco-pieza de trabajo (10) del proceso
de soldadura dividido en una primera zona (66) más cerca de la pieza
de trabajo y una segunda zona (67) más cerca de la columna del arco
para describir las propiedades de las zonas a través de los
diferentes submodelos físicos.
29. Un dispositivo con cualquiera de las
reivindicaciones 23, 24, 25 o 27, en el que el medio (23) está
adaptado para usar dicho componente del modelo determinado mediante
dicho modelo físico que describe el arco por al menos una ecuación
independiente de la extensión en el espacio del arco.
30. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 29 en el que el medio (23) está adaptado para usar
dicho componente determinado mediante dicho modelo físico que
describe el arco mediante dicho al menos una ecuación que depende
únicamente del tiempo.
31. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 19-30, en el que el medio (23)
está adaptado para usar dicho modelo teórico (24) que tiene la
parte de la zona de columna del arco (29) del proceso de soldadura
representada por separado por uno de dichos componentes del modelo
(13) en el modelo de circuito eléctrico
(12).
(12).
32. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 19-31 en el que el medio (23)
está adaptado para usar dicho modelo teórico (24) que tiene la
parte de cable (5) del proceso de soldadura representada por
separado por uno de dichos componentes del modelo (13) en el modelo
del circuito eléctrico (12).
33. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 19-32, en el que el medio (23)
está adaptado para usar dicho modelo teórico (24) que tiene la
parte de la pieza de trabajo (7) del proceso de soldadura
representada por separado por uno de dichos componentes del modelo
(13) en el modelo de circuito eléctrico (12).
34. Uso de un método de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 1-18 para predecir la
formación de gota de metal en una operación de soldadura por arco
para un conjunto dado de parámetros de soldadura.
35. Uso de un método de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 1-18 para predecir el modo
de transferencia de metal en una operación de soldadura por arco
para un conjunto dado de parámetros de soldadura.
36. Uso de un método de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 1-18 para calcular al menos
un valor del parámetro de soldadura requerido para obtener un modo
de transferencia de metal particular en una operación de
soldadura.
37. Uso de un método de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 1-18 para calcular al menos
un valor de ajuste por defecto que se usa para ajustar un equipo
automático de soldadura por arco antes de la soldadura.
38. Un producto de programa de ordenador que
comprende un medio de código y/o partes de código de programa
informático que permiten a un procesador realizar las etapas de
cualquiera de las reivindicaciones 1-18.
39. Un producto de programa de ordenador de
acuerdo con la reivindicación 38 que hace funcionar un dispositivo
de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
19-33.
40. Un producto de programa de ordenador de
acuerdo con la reivindicación 38 o 39 proporcionado al menos
parcialmente a través de una red tal como Internet.
41. Un medio legible por ordenador que contiene
un producto de programa de ordenador de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 37-39.
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