Soldadura Robótica Explicada: Procesos, Beneficios y Aplicaciones

La soldadura es un proceso donde dos materiales se fusionan mediante calentamiento, mezcla y posterior enfriamiento de los materiales y/o un material de aporte para formar una unión fuerte. Desde soldadura por arco hasta soldadura por puntos, robots de soldadura nuevos y usados se utilizan típicamente en procesos de soldadura donde la soldadura requerida es repetitiva y la calidad y velocidad son cruciales. La soldadura robótica es un proceso automatizado que aumenta la eficiencia, consistencia y ROI.

¿Qué es la Soldadura Robótica?

La soldadura robotizada es el uso de herramientas mecanizadas programables (robots), que automatizan completamente un proceso de soldadura tanto realizando la soldadura como manipulando la pieza. Procesos como la soldadura por arco con gas metálico, aunque a menudo automatizados, no son necesariamente equivalentes a la soldadura robotizada, ya que a veces un operador humano prepara los materiales a soldar.

La soldadura robotizada se usa comúnmente para soldadura por puntos por resistencia y soldadura por arco en aplicaciones de alta producción, como la industria automotriz.

La soldadura robotizada es una aplicación relativamente nueva de la robótica, aunque los robots se introdujeron por primera vez en la industria estadounidense durante los años 1960. El uso de robots en soldadura no despegó hasta los años 1980 cuando la industria automotriz comenzó a usar robots extensivamente para soldadura por puntos.

Desde entonces, tanto el número de robots usados en la industria como el número de sus aplicaciones han crecido enormemente. En 2005, más de 120,000 robots estaban en uso en la industria norteamericana, aproximadamente la mitad de ellos para soldadura. El crecimiento está limitado principalmente por los altos costos de equipo y la restricción resultante a aplicaciones de alta producción.

La soldadura por arco robotizada ha comenzado a crecer rápidamente recientemente, y ya representa alrededor del 20% de las aplicaciones de robots industriales. Los componentes principales de los robots de soldadura por arco son el manipulador o unidad mecánica y el controlador, que actúa como el "cerebro" del robot.

El manipulador es lo que hace mover al robot, y el diseño de estos sistemas se puede categorizar en varios tipos comunes, como SCARA y robot de coordenadas cartesianas, que usan diferentes sistemas de coordenadas para dirigir los brazos de la máquina.

El robot puede soldar una posición preprogramada, ser guiado por visión artificial, o por una combinación de ambos métodos. Sin embargo, los muchos beneficios de la soldadura robótica han demostrado hacerla una tecnología que ayuda a muchos fabricantes de equipos originales a aumentar precisión, repetibilidad y rendimiento.

La tecnología de procesamiento de imágenes de firma se ha desarrollado desde finales de los años 1990 para analizar datos eléctricos en tiempo real recopilados de soldadura robótica automatizada, permitiendo así la optimización de soldaduras.

Equipo de Soldadura Robótica

La soldadura robótica combina soldadura, robótica, tecnología de sensores, sistemas de control e inteligencia artificial. Los componentes incluyen el software con programación específica, el equipo de soldadura que entrega la energía desde la fuente de poder de soldadura a la pieza de trabajo, y el robot que usa el equipo para realizar la soldadura.

Los sensores de proceso del robot miden los parámetros del proceso de soldadura y sus sensores geométricos los parámetros geométricos de las soldaduras. Al adquirir y analizar la información de entrada de los sensores, el sistema de control adapta la salida del proceso de soldadura robotizado basado en las especificaciones del procedimiento de soldadura definidas en el programa.

Dependiendo del uso previsto, los robots pueden ser brazos robóticos o portales robóticos. Normalmente, se usan robots industriales de seis ejes que comprenden un brazo inferior de tres ejes y una muñeca de tres ejes, ya que permiten montar la antorcha de soldadura en la muñeca para lograr todas las posiciones necesarias para soldadura tridimensional.

El sistema necesita integrarse con el robot, y el equipo de soldadura necesita ser compatible y preferiblemente diseñado específicamente para soldadura robótica porque entonces todos los procesos pueden ser controlados por el robot.

¿Cómo Funciona la Soldadura Robótica?

Cuando se usan robots para cualquier proceso, el método requiere enmiendas para acomodar la automatización. Lo mismo es cierto para la soldadura, que usa varias herramientas no encontradas en su equivalente manual. Las personas no necesitan programación de la forma en que lo hacen los soldadores robóticos.

El robot en sí tiene un brazo que puede moverse en tres dimensiones para tipos rectilíneos y a través de más planos con versiones articuladas. Un alimentador de alambre envía el alambre de aporte al robot cuando lo necesita para un trabajo de soldadura. Una antorcha de alto calor al final del brazo funde el metal para permitir el proceso de soldadura. Debido a que las temperaturas alcanzan miles de grados, usar robots para este proceso mantiene a las personas más seguras.

Operadores humanos certificados aún necesitan permanecer cerca de los robots. Estos trabajadores deben tener certificación de la American Welding Society (AWS), que certifica no solo soldadores manuales sino también operadores de brazos de soldadura robótica. Los operadores programan el controlador usando un colgante de enseñanza. Este dispositivo establece nuevos programas, mueve el brazo y cambia parámetros para el proceso. Para iniciar la soldadura, el operador usa los botones en la caja de operaciones.

La herramienta en el brazo robótico calienta para fundir metal y unir las piezas deseadas. Según se necesite, un alimentador de alambre entrega más alambre de metal al brazo y la antorcha. Cuando espera las próximas piezas para soldar, el brazo mueve la antorcha al limpiador para limpiar cualquier salpicadura de metal del brazo, que podría solidificarse en su lugar sin este proceso.

Debido a que una de las razones principales para tener soldadores robóticos es proteger a los trabajadores humanos, estos sistemas automatizados vienen con múltiples características de seguridad. Los protectores de arco evitan que el arco de alto calor se mezcle con oxígeno. Áreas cerradas protegen a los operadores de las temperaturas y luz brillante.

Beneficios de la Soldadura Robótica

Hay varias ventajas al automatizar una fábrica con robots de soldadura, incluyendo tiempos de ciclo más rápidos y consistentes, sin interrupción en la producción y mejor calidad de soldadura. Básicamente, al usar automatización de soldadura robótica, el proceso toma menos tiempo, y los fabricantes pueden reducir el costo de mano de obra directa y seguridad y conservar materiales.

Las celdas de soldadura robótica proporcionan un entorno de trabajo aún más seguro, reduciendo drásticamente el deslumbramiento del arco, salpicaduras y contacto directo con el robot y la pieza. Un soldador robótico es más consistente y puede moverse de una soldadura a la siguiente rápidamente, acelerando todo el proceso.

• Toma Menos Tiempo: Los sistemas de soldadura robótica harán el trabajo rápidamente. Ya sea que tengas robots de soldadura nuevos o usados, tienen menos errores que la soldadura manual. A diferencia de los trabajadores, los robots no requieren descansos, vacaciones, etc. Tu trabajo puede continuar sin interrupción, 24/7. Esto a su vez aumentará tu rendimiento y productividad.
• Reduce el Costo de Mano de Obra Directa y Seguridad: El costo de la soldadura manual puede ser alto. Requiere tiempo, habilidad y concentración. También es peligroso. Destellos, humos, chispas y calor hacen de la soldadura manual un trabajo agotador y peligroso. Con soldadura robótica, protegerás a los trabajadores y reducirás costos. Estos sistemas soportan los peligros y a menudo aumentan la producción. Los costos de seguros y relacionados con accidentes también se reducen considerablemente.
• Conserva Materiales: Incluso los soldadores más hábiles cometen errores. Sin embargo, con robótica de soldadura nueva y usada, todo está regulado, incluyendo potencia y alambre. Los sistemas robóticos de soldadura usados automatizados conservan energía al funcionar consistentemente (menos arranques). Además, las soldaduras creadas son más consistentes. La precisión de los sistemas robotizados significa que hay menos material y tiempo desperdiciado. ¡Conserva tu material y aumenta la calidad de tu producto al mismo tiempo!

Algunas empresas cambian a aplicaciones de soldadura robótica gradualmente, comenzando con una sola celda de soldadura y convirtiéndose lentamente en un proceso de soldadura totalmente automatizado. Los robots pueden ser útiles cuando el acceso a una pieza es limitado o difícil de alcanzar. Los fabricantes han creado diseños que permiten un brazo robótico delgado para alcanzar áreas más pequeñas.

Limitaciones

Un problema al soldar con robots es que los cables y mangueras usados para corriente y aire etc. tienden a limitar la capacidad de movimiento de la muñeca del robot.

Una solución a este problema es el giratorio, que permite el paso de aire comprimido, agua de refrigeración, corriente eléctrica y señales dentro de una sola unidad giratoria.

La unidad giratoria también permite la programación fuera de línea ya que todos los cables y mangueras pueden ser enrutados a lo largo de caminos definidos del brazo del robot.

Otras limitaciones de la soldadura robótica:

• Programación compleja para el usuario final, no amigable, solo para especialistas.
• APIs limitadas, haciendo un cambio simple complicado.
• La interfaz hombre-máquina (HMI) no funciona realmente. Los sistemas requieren personalización y entrenamiento. Difícil personalizar sistemas de soldadura robótica.
• Desafíos de conectividad, falta de estándares interconectables.
• Reemplaza mano de obra humana.
• La tecnología se vuelve obsoleta.

Procesos de Soldadura Robótica

La soldadura requiere un alto nivel de educación y habilidad. Sin embargo, el número de soldadores profesionales no satisface las necesidades de la industria. Según la American Welding Society, para 2022, la industria experimentará una escasez de 450,000 soldadores. En lugar de dejar que proyectos críticos que estos trabajadores completarían se retrasen, los robots pueden cubrir la brecha.

Los robots automatizan el proceso, lo que garantiza mayor precisión, menos desperdicio y operación más rápida. Con la gama de maquinaria disponible, los robots se adaptan a una amplia variedad de procesos de soldadura incluyendo arco, resistencia, puntos, TIG y más.

1. Soldadura por Arco

Uno de los tipos más comunes de soldadura robótica es el proceso de arco. En este método, un arco eléctrico genera calor extremo, hasta 6500 °F, que funde el metal. El metal fundido une las piezas, solidificándose en una conexión estable después del enfriamiento. Cuando un proyecto requiere un gran volumen de metales unidos con precisión, la soldadura por arco sirve como una aplicación ideal.

2. Soldadura por Resistencia

Cuando los proyectos necesitan tratamiento térmico o una forma de reducir costos, los robots pueden usar soldadura por resistencia. Durante este proceso, una corriente de electricidad crea un charco de metal fundido al pasar entre las dos bases metálicas. Este metal fundido une las piezas de metal.

3. Soldadura por Puntos

Algunos materiales resisten corrientes eléctricas, excluyéndolos de otras formas de soldadura. Esta situación ocurre frecuentemente en la industria automotriz para ensamblar partes de una carrocería de automóvil. Para superar el problema, los soldadores robóticos usan una variación de soldadura por resistencia para conectar un par de láminas delgadas de metal en un solo punto.

4. Soldadura TIG

Las aplicaciones de soldadura robotizada que requieren altos niveles de precisión pueden requerir soldadura TIG. Este método también se conoce como soldadura por arco de tungsteno con gas o GTAW. Un arco eléctrico pasa entre un electrodo de tungsteno y la base metálica.

5. Soldadura MIG

La soldadura por arco con gas metálico, también conocida como GMAW o MIG, es un método rápido y sencillo que usa un alto nivel de deposición. Un alambre se mueve continuamente hacia la punta calentada del soldador, que funde el alambre, permitiendo que una gran cantidad de metal fundido gotee sobre la base para unir la base a otra pieza.

6. Soldadura Láser

Cuando los proyectos de soldadura requieren precisión para un alto volumen de piezas, la soldadura láser es el método preferido de unión de metales. Piezas pequeñas, como joyas o componentes médicos a menudo usan soldadura láser.

7. Soldadura por Plasma

La soldadura por plasma ofrece el grado más significativo de flexibilidad porque el operador puede cambiar fácilmente tanto la velocidad del gas que pasa por la boquilla como la temperatura.

Aplicaciones de la Soldadura Robótica

Debido a sus beneficios de ahorro de tiempo y alta productividad, la soldadura robótica se ha vuelto importante en industrias metalúrgicas y pesadas, y especialmente en la industria automotriz que emplea soldadura por puntos y láser.

Es más adecuada para soldaduras cortas con superficies curvas y acciones repetibles y predecibles que no requieren cambios continuos en el proceso de soldadura. Con la ayuda de ejes externos, el robot también es adecuado para soldaduras largas, por ejemplo en la industria naval.

Aunque la soldadura robótica se usa principalmente en producción en masa, donde la eficiencia y la cantidad son esenciales, los programas pueden hacerse para adaptarse a cualquier necesidad, y la robótica puede utilizarse para producciones más pequeñas e incluso únicas manteniendo alta rentabilidad.

Soldadura Robótica vs. Soldadura Manual

La soldadura manual todavía tiene un lugar en la manufactura moderna. Para proyectos en los que necesitas un experto para cambiar rápidamente los estilos de soldadura usados, la soldadura manual será tu mejor opción. Un soldador profesional puede cambiar rápidamente lo que está haciendo, pero los robots no se adaptan tan rápido a situaciones inciertas.

Como la soldadura manual sigue siendo un proceso que muchas empresas aún necesitan, los soldadores profesionales no desaparecerán pronto. De hecho, con la escasez de soldadores expertos mencionada arriba, aquellos que tienen certificación encontrarán trabajo fácilmente, incluso con múltiples empresas invirtiendo en robots.

Reemplazar soldadores manuales con robots no pondrá a AWS fuera de su negocio de certificación. La mayoría de operadores de soldadores robóticos necesitan tener certificación en el lado de robótica de este campo, para lo cual AWS también ofrece certificaciones. Tener expertos en robótica que sepan de soldadura asegura que los proyectos se programen correctamente para terminar lo más rápido y rentable posible.

Video de Soldadura Robótica