Experimental and numerical investigation of hybrid laser arc welding process and the influence of welding sequence on the manufacture of stiffened flat panels

Abstract

La soldadura por arco láser híbrido (HLAW) ha atraído cada vez más atención tanto de la industria como de los laboratorios académicos por su alta eficiencia y calidad de soldadura. El objetivo del presente artículo es desarrollar un método de elementos finitos no lineal para predecir la deflexión inducida por la soldadura y la tensión residual de un panel rígido a escala semiindustrial, utilizando un nuevo modelo de fuente de calor. La nueva fuente de calor híbrida consiste en un modelo matemático de doble elipsoide de Goldak que representa la fuente del arco, combinado con un modelo matemático gaussiano de cono truncado para simular la fuente láser. Para ello, se ha desarrollado un modelo de elementos finitos termoelástico-plástico acoplado tridimensional con ABAQUS utilizando una subrutina numérica adicional de DFLUX escrita en el lenguaje de programación Fortran para simular las distribuciones volumétricas de flujo de calor del proceso HLAW. El método de elementos finitos (FEM) se verifica mediante comparación con mediciones experimentales de muestras de acero naval EH36 de pequeña escala con uniones en T, en configuración a tope en posición de soldadura 2F, soldadas en posición horizontal con penetración total mediante un proceso híbrido de soldadura por arco láser (HLAW). Se observa una buena concordancia entre los resultados numéricos y las mediciones experimentales, lo que confirma que el modelo desarrollado en el presente artículo se puede utilizar eficazmente para predecir el comportamiento de deformación de las estructuras de rigidizadores durante la construcción naval. También se ha estudiado el efecto del cambio de secuencia de soldadura en el panel rígido a escala semiindustrial. Se han investigado cuatro secuencias de soldadura diferentes (SEQ 1,2,3 y 4), para elegir la mejor secuencia de soldadura en cuanto a la magnitud y distribución de las imperfecciones de soldadura (deflexión y tensión residual). Cambiar la secuencia de soldadura tiene un efecto significativo en la distribución y magnitud de la deflexión vertical. Se concluye que la secuencia de soldadura juega un papel importante en la deformación de las estructuras. Un cambio de dirección en la sección media, en combinación con la alternancia de las trayectorias de soldadura entre dos refuerzos consecutivos, conduce a una disminución significativa de la distorsión. El modelo FEM desarrollado ha proporcionado resultados precisos, lo que demuestra que es aplicable para estimar la deformación y la tensión residual inducida por el proceso HLAW en estructuras de construcción naval más grandes. También se puede emplear para optimizar la secuencia de soldadura.

La presente contribución forma parte de un proyecto de colaboración entre la Universidad de Cádiz y la Universidad de Alejandría, Egipto, coordinado por el solicitante (J.M. Sánchez Amaya), cuyo principal objetivo es profundizar en el conocimiento y aplicación de las simulaciones FEM a procesos de soldadura. Este proyecto ha sido posible gracias a la financiación, por parte de la Comisión de la Unión Europea, de la beca de programa Erasmus + KA107, que ha permitido cubrir los gastos del viaje de Ahmed Hammad a la UCA. El solicitante (J.M. Sánchez Amaya) ha realizado las siguientes actividades del manuscrito: responsable y coordinador del conjunto de actividades de la colaboración; comparativa y análisis de resultados de las soldaduras HLAW; análisis y discusión de resultados del artículo; y revisión inicial y final del manuscrito.