Nueva tecnología impulsa el crecimiento de la soldadura robótica

¿Es el momento adecuado para automatizar su operación de soldadura? ¿Le preocupa cuánto tiempo puede mantener a sus soldadores experimentados? ¿Necesita aumentar su rendimiento pero no ve cómo hacerlo con la mano de obra disponible? ¿Desafiado por materiales más duros? Una variedad de avances técnicos hacen que sea relativamente fácil resolver estos problemas al automatizar su operación de soldadura, con una recuperación de la inversión sorprendentemente rápida.

Tres veces más rápido

Hay dos amplias categorías de soldadura automatizada, la llamada automatización "fija" y la soldadura "flexible" (o robótica). La automatización fija suele ser específica de la aplicación y es mejor cuando la geometría de la pieza y la soldadura son muy simples. Por ejemplo, generalmente es la mejor solución para soldar tuberías. Pero para la mayoría de las aplicaciones industriales y cualquier cosa compleja, la soldadura robótica es ideal y es el tema central de este artículo.

Como explicó Jason Lange, gerente de ventas internas de Lincoln Electric Co. (Cleveland):“El propósito principal de un robot es ayudar con la repetibilidad de una soldadura. El número dos es reducir el abuso en el soldador. Mover piezas todo el día y gatear debajo de diferentes accesorios es agotador para un ser humano. Los robots ayudan a la ergonomía.”

Es doblemente importante facilitar las cosas a los soldadores porque cada vez son más difíciles de encontrar. “Hay muchas escuelas de tecnología en todo el país que invierten en programas de soldadura para tratar de ayudar a cerrar esa brecha”, continuó Lange. “Pero en un día cualquiera, el número de personas que se jubilan supera a los reemplazos que ingresan, creando un vacío. La soldadura robótica ayuda a llenar ese vacío”.

Al mismo tiempo, "la recuperación de la inversión en un sistema robótico suele ser mucho mejor de lo que piensa", explicó Erik Miller, gerente de desarrollo comercial del grupo láser en Miller Electric Mfg. Co. (Appleton, WI). “Un sistema de robot fabricará tantas piezas como tres soldadores. Está ahorrando dos salarios por turno y el costo promedio de la celda prediseñada es de $ 100,000 a $ 120,000. Se amortiza en aproximadamente un año. Por lo general, si puede automatizar un proceso y obtener un reembolso en menos de un año, eso es algo que hace de inmediato. Si son dos años, es algo que deberías considerar seriamente”.

Por lo tanto, la automatización robótica es de gran ayuda para aumentar el rendimiento. Pero las fuentes entrevistadas para este artículo enfatizaron que no es un sustituto de la mano de obra calificada. “Aún se necesita un soldador de calidad para hacer funcionar ese robot”, como dijo Lange.

El cambio de materiales es otro motivo para automatizar

Los cambios en los materiales de trabajo en los últimos diez años han impulsado mejoras en la soldadura, muchas de las cuales son imposibles de aplicar manualmente, como la soldadura por láser, según Erwin DiMalanta, director, línea de negocios de soldadura y corte, ABB Robotics (Auburn Hills, MI) . “Los fabricantes de todo, desde vehículos mineros hasta automóviles, están utilizando diferentes materiales para reducir el costo y el peso y adaptarse a diferentes soluciones de tren motriz”, dijo. “Los fabricantes de automóviles han cambiado a más aceros de alta y ultra alta resistencia, que tienen propiedades metalúrgicas que los hacen más fuertes, más livianos y más resistentes a la corrosión, pero con alta formabilidad y soldabilidad. Eso está cambiando drásticamente la forma en que se diseñan, forman y ensamblan las estructuras metálicas”. Mientras que los fabricantes pueden haber utilizado troqueles de estampado tradicionales para cortar las características de la pieza, ahora utilizan procesos de estampado en caliente y tecnologías láser automatizadas para formar y cortar las piezas.

“Otro ejemplo es el cambio al aluminio para más aplicaciones”, dijo DiMalanta. “Dependiendo del automóvil, hasta el 90% de la carrocería podría ser de aluminio ahora. Debido a su mayor conductividad, se necesita más corriente eléctrica para soldar aluminio por puntos y la corriente es sinónimo de calor. Sin embargo, vamos a usar materiales de calibre más delgado. En algunos vehículos, los materiales tienen un grosor de aproximadamente 1 mm. Entonces, ¿cómo lidias con estas tendencias que van en direcciones opuestas?”

La respuesta es una tecnología mejorada para el control electrónico y mecánico de la soldadura por arco y un mayor uso de la soldadura por láser. Para la soldadura por arco, DiMalanta dijo que “las fuentes de energía ahora son extremadamente avanzadas y están controladas electrónicamente. La deposición de material en un baño de soldadura se controla cuidadosamente, con formas de onda personalizadas”. Miller agregó que estas formas de onda especiales "controlan la entrada de calor en las piezas, lo que puede reducir la distorsión y también mejorar la apariencia estética de las soldaduras".

También señaló un método mecánico llamado Active Wire de Panasonic. “Es una alimentación de alambre bidireccional en la que el alambre avanza para crear el corto y luego retrocede para salir del charco, repitiendo esta acción tipo máquina de coser a 120 Hertz. Esto reduce la entrada de calor y también reduce en gran medida las salpicaduras. También mejora la consistencia del golpe de arco en cada soldadura. Es muy popular para la soldadura de aluminio y para la soldadura de chapa fina”.

Cuanto más ligero es el componente, más avanzados deben volverse los materiales para permitir estructuras complejas manteniendo la resistencia, dijo DiMalanta. “Los robots y sus sistemas de software avanzados ayudan a conectar los procesos para manipular estos materiales con la trayectoria del robot”.

La soldadura por láser es una opción atractiva

Con su capacidad ultrarrápida para soldar una amplia variedad de materiales (incluidos materiales diferentes), el láser es probablemente lo más importante que le ha pasado a la soldadura en décadas. Y como dice Masoud Harooni, ingeniero senior de tecnología avanzada, soldadura láser en Trumpf Inc. (Hoffman Estates, IL), “la noticia más importante en soldadura láser en los últimos años es la caída de los precios del láser.

“Los sistemas de soldadura láser son más fáciles de controlar”, continuó Harooni. “Selecciona una potencia y una velocidad. Una vez que está ajustado, procesa toda la pieza con pocas salpicaduras. En la soldadura por arco, debe mantener el arco y los parámetros de soldadura son sensibles a cualquier cambio en la distancia entre la antorcha y la pieza de trabajo. Diferentes partes de la [pieza de trabajo] requieren más corriente o menos corriente, y esto provoca una menor estabilidad del proceso. Aunque los bucles de retroalimentación en los sistemas de soldadura por arco modernos son muy buenos, estos sistemas nunca están perfectamente ajustados. Los componentes soldados con láser requieren mucho menos procesamiento posterior que los componentes soldados por arco, que a menudo tienen que rectificarse. También tiene el problema de lidiar con las salpicaduras y la necesidad de limpiar la boquilla en los sistemas de soldadura por arco”.

Quizás lo más importante es que la soldadura láser puede lograr una soldadura más profunda sin daño por calor, incluso en materiales como el aluminio y el magnesio que serían susceptibles de agrietarse o porosidad con la soldadura por arco. Harooni explicó que esto se debe a que el láser puede alcanzar una densidad de potencia de 108 vatios por centímetro cuadrado. Esto genera un ojo de cerradura, un área hueca profunda creada al vaporizar el metal de la pieza de trabajo. A medida que el rayo láser se mueve a lo largo de la pieza, mantiene este pequeño ojo de cerradura rodeado por un baño de fusión, mientras que el material detrás se solidifica.

“Se obtiene una soldadura fuerte y profunda sin aporte de calor extremo a la pieza”, dijo. “La soldadura por arco no tiene la densidad de potencia, por lo que la única forma de lograr una soldadura más profunda es aumentar la entrada de calor. Las propiedades mecánicas de las piezas soldadas que tienen menos entrada de calor y menos distorsión son mucho mejores que las piezas con mayor entrada de calor”.

Miller afirmó que “el impacto inicial de la soldadura por láser ha sido en la soldadura automotriz, debido al alto volumen y [ventajas técnicas]. Los fabricantes de láminas de metal también deberían considerar la soldadura por láser. Los beneficios reales están en reemplazar la soldadura por puntos de resistencia, que puede ser un desafío para la fabricación de volumen medio a bajo. La fijación puede ser difícil, ya que se requiere acceso tanto a la parte superior como a la inferior de la pieza, mientras que la soldadura láser solo requiere acceso a la parte superior, por lo que es más fácil de automatizar. También puede usar un robot de menor carga útil para la soldadura por láser, junto con una óptica fija simple”.

En comparación con un robot de gran carga útil con un brazo fuerte que lleva una herramienta grande con dos electrodos, los fabricantes ahora pueden usar un robot de ocho kg más seguro, montarle un cabezal de proceso y automatizar la soldadura por puntos de resistencia con relativa facilidad.

“La otra área de la chapa metálica donde la soldadura láser es beneficiosa es la fabricación de cajas”, dijo. "Las soldaduras de esquinas exteriores que requieren una apariencia cosmética y que requieren poco o ningún acabado de metal después, es un área en la que hemos visto mucho interés".

Según Miller, el láser brinda una buena solución en piezas donde el acceso es limitado. Un láser solo requiere una línea de visión para realizar la soldadura, mientras que en una aplicación de soldadura por arco, el robot tiene que mover una antorcha voluminosa dentro y alrededor de las piezas, lo que puede ser muy difícil. “En la soldadura por láser, a menudo estamos a 500 mm de la pieza de trabajo. Es como disparar una pistola de rayos. El láser también tiene velocidades de procesamiento mucho más altas y una entrada de calor general más baja en la pieza, lo que reduce la distorsión. Es una herramienta perfecta para la soldadura autógena”.

La desventaja de la soldadura por láser, explicó Harooni, es que "tiene que asegurarse de que prácticamente no haya espacio entre los componentes, o usar una línea de fusión, que combina la soldadura por láser con la asistencia de alambre, en la que funde el alambre en la piscina para que pueda puede cubrir el hueco. Pero la soldadura láser es mucho más rápida que vale la pena la inversión adicional en accesorios. Por ejemplo, si fabrica 50 piezas al día con soldadura por arco robótica, la soldadura por láser robótica podría producir 300, 500 o incluso miles de la misma pieza en un día”.

Introducción a la automatización de soldadura

Dar el paso hacia la automatización de la soldadura es más fácil que nunca. Primero, los principales actores ofrecen un software de configuración fuera de línea que programa el próximo trabajo en una PC con un alto grado de realismo, transfiere ese programa al robot e inicia la soldadura. ABB incluso utiliza técnicas de realidad virtual para permitir a los usuarios "colaborar" con equipos de soldadura robóticos.

“Literalmente, puede tomar el robot por el cuello, por así decirlo, y dirigirlo como lo haría con un perro con correa”, explicó DiMalanta. "Esto puede ser mucho más intuitivo que usar una consola portátil".
En segundo lugar, estos sistemas pueden tener mecanismos que se adaptan automáticamente a los cambios de posición de una pieza a la siguiente y monitorean la calidad de la soldadura.

Como explicó David Schaefer, especialista de productos de Miller Electric, “Existen varios tipos de sensores que se ocupan de los cambios en la ubicación de las juntas. Uno es simplemente detección táctil y el otro es seguimiento de costura a través del arco. Cuando se usa la detección táctil, el robot puede bajar y usar su alambre de soldadura por arco para sondear la pieza. Comprueba el delta entre la ubicación programada y la ubicación real para básicamente reprogramarse.

“En el seguimiento de la costura a través del arco, cuando teje a través de una junta, como con una soldadura de filete o una soldadura de traslape si es un material lo suficientemente grueso, detecta el cambio en el amperaje y determina cuándo está en la junta y cuándo está fuera de lugar. la junta, y luego sigue esa soldadura mientras se suelda”, continuó Schaefer. "También tiene la opción de usar óptica láser en lugar de detección de tipo de cable, pero es la misma idea básica".

Lange de Lincoln Electric dijo que “otra forma de hacerlo es a través de una cámara que toma una imagen 2D o 3D de la pieza. Podemos compensar programas y compensar juntas en función de la ubicación física de las piezas. Las cámaras más nuevas no se ven tan afectadas por el deslumbramiento de una parte como lo podrían haber estado las cámaras hace unos años. Pueden ver más colores y leer las definiciones de una parte, distinguiendo las sombras y los reflejos de la parte”. Harooni agregó que "la óptica de hoy también nos brinda la capacidad de verificar la calidad de la soldadura en tiempo real sin necesidad de realizar pruebas destructivas".

En tercer lugar, todos los robots ofrecen algún tipo de detección de colisiones. Miller de Miller Electric dijo que representa la mejora más significativa en el propio brazo robótico. “Anteriormente, un cliente creaba su programa basándose en la posición X-Y-Z conocida de la antorcha. Digamos que el robot ha estado soldando la mitad del turno y el operador deja una abrazadera abierta. El robot probablemente golpearía la abrazadera, doblando la antorcha. Eso haría que todas las soldaduras en ese programa estuvieran desalineadas porque el extremo de la antorcha se ha doblado y esa posición ha cambiado. Hoy, si el robot golpea un objeto, incluso a alta velocidad, lee el pico de corriente resultante como una obstrucción. Esto hace que el robot entre inmediatamente en el modo de servo flexible, lo que retrasa la aplicación del freno una cierta distancia que se especifica para cada eje. El robot se vuelve "flojo", en efecto. Esto permite que el robot disipe el impulso, minimizando el daño a la herramienta. Esto significa que puedes tener una colisión a alta velocidad sin doblar la antorcha”.

Cuatro, todos los jugadores principales ofrecen celdas robóticas prediseñadas con todo lo que necesita en una tarima (o varias). “Una celda de trabajo sería una unidad completamente diseñada con todas las medidas de seguridad implementadas”, dijo Lange. “Por lo general, vería cercas o paredes de acero, generalmente escáneres de seguridad, luces, botones para permitir que el robot se mueva, enclavamientos de llave y algún tipo de dispositivo de posicionamiento frente al robot, como una plataforma giratoria o una rueda de la fortuna. Estos dispositivos llevan la pieza a la zona de trabajo mientras el operador carga piezas adicionales en el lado opuesto. O podría tener solo una mesa fija donde el robot procesará. También habría una fuente de poder para soldar, la antorcha y algunos escariadores para limpiar las brocas si fuera necesario. Solo necesitas conectarlo a la electricidad y a una fuente de gas”. Y si una de las soluciones listas para usar no funciona, hay disponibles soluciones llave en mano personalizadas.

Entonces, ¿de qué preocuparse?

“Cuando consultamos con un cliente potencial sobre la automatización de soldadura, observamos su fabricación aguas arriba”, explicó Schaefer de Miller Electric. “Si usan láser y equipos CNC para doblar, frenar y cortar el material, tendrán mucho más éxito soldándolo robóticamente que si lo estuvieran cortando a mano o usando una sierra circular. Esos talleres pueden salirse con la suya ahora porque cuando sueldan las piezas a mano, los soldadores pueden ajustar en consecuencia, pero el robot no lo hará”. Miller agregó que la soldadura suele ser lo último que se automatiza en una instalación porque los procesos anteriores deben ser precisos primero. “Las piezas deben cortarse con precisión y luego doblarse con precisión. Luego puedes soldarlos”, dijo.

Además de garantizar que las piezas sean repetibles, se requieren accesorios que limiten o eliminen los espacios, como explicó Schaefer:“No se puede soldar aire. Un operador humano puede ver un espacio y reaccionar en consecuencia, generalmente aumentando la extensión del cable para reducir el amperaje, lo que reduce el calor y la penetración, y luego comienza a tejer para llenar el espacio. Un robot no hará esto. Se quemará.”

Por el contrario, Lange dijo que algunos clientes han estado gastando miles o cientos de miles de dólares en algunos casos en herramientas para sujetar piezas cuando podrían reducir ese precio a la mitad mejorando los procesos ascendentes. Eso proporciona la repetibilidad requerida aguas abajo, lo que finalmente reduce el costo de las herramientas y disminuye la cantidad de reelaboración y desechos.
Después de la calidad y la repetibilidad de las piezas, la siguiente preocupación más importante es "conocer y comprender el proceso de soldadura en lo que respecta a para soldarse a sí mismo y suelda a través del dispositivo automatizado”, dijo Lange.

Entonces, ¿a quién debe capacitar para ejecutar la soldadura automatizada? Ya sea un soldador experimentado o alguien ansioso por aprender a soldar (lo que lleva semanas) además de la automatización de la soldadura.
Schaefer advirtió que “se necesita la cultura adecuada en la instalación. Las personas con trabajo pueden sentirse amenazadas por la automatización que ingresa a las instalaciones. Sería muy sincero con mi gente sobre los beneficios, cómo hará que la empresa sea más eficiente, cómo la ayudará a crecer y a ser más competitiva y, en última instancia, a contratar a más personas”.

Finalmente, los tamaños de los lotes deben ser lo suficientemente grandes para la automatización. Como dijo Lange:“El tiempo que lleva hacer la programación fuera de línea, instalar el robot y hacer una configuración rápida definitivamente produce un buen rendimiento si los tamaños de lote duran aproximadamente un día o un día y medio. Si está cambiando una parte cada hora, es posible que no sea tan efectivo en el ROI".