El ojo robótico vela por la soldadura en la fabricación

Tome nota de estas consideraciones antes de instalar una celda

September 11, 2012

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Figura 1: Las innovaciones en soldadura robótica han dado como resultado sistemas que son lo suficientemente flexibles para afrontar el trabajo de fabricación pesada.

Dar los primeros pasos para automatizar el proceso de soldadura de fabricaciones pesadas puede ser una tarea faraónica si no tiene una profunda experiencia en esta área. Usted sabe que tiene la necesidad, pero no está seguro de cómo atacar el problema, o incluso a quién pedirle apoyo. Es frecuente que la misión se complique todavía más si su operación produce muchos tipos de partes y variantes, la mayoría en lotes pequeños.

La buena noticia es que un fabricante puede seguir un conjunto básico de pasos para asegurar una operación exitosa en el mundo de la soldadura robótica de fabricaciones pesadas. Ya sea que usted asuma esta actividad con recursos internos o que recurra a un socio externo con experiencia, los pasos son básicamente los mismos.

Por supuesto, todo proceso empieza con la gente. Seleccionar un equipo efectivo aumentará significativamente la probabilidad de un resultado exitoso. La selección de su equipo es escalable al tamaño de su organización. Los rasgos necesarios pueden recaer en un individuo o en varias personas. Todos deben compartir un sentido de propiedad del proyecto, entusiasmo y dinamismo. Además, deben estar abiertos a nuevas ideas, especialmente la persona que será responsable de la operación día a día del nuevo sistema de automatización. Otro rasgo del carácter que debe buscarse es la previsión—que es la capacidad de entender, a nivel tanto macro como micro, las implicaciones y ramificaciones de lo que pueden aportar al proceso nuevas metodologías.

Con el equipo listo, usted puede darse a la tarea de calificar y cuantificar lo que debe considerarse para la automatización. En este punto, usted debe seguir un enfoque holístico. Revise todo el proceso de fabricación con relación a sus productos. Usted está buscando hacer una lista de todos los productos posibles que vale la pena automatizar. Conforme la lista toma forma, usted puede empezar a agrupar los componentes en familias o grupos—por tipo de unión, tipo de material, familia de los productos, o quizás restricciones de proceso. Usted está buscando patrones, no necesariamente partes de un tipo común, sino quizás la repetición del mismo tipo de unión en un grupo de componentes.

Es crucial mantener una mente abier-ta. La forma en que lo hace hoy puede no ser la forma en que lo haga en el futuro con automatización. Deben considerarse nuevos procesos, secuencias de operaciones o metodología completa de fabricación. Con frecuencia se piensa que la soldadura por arco de tungsteno con gas es la única forma en que puede hacerse un producto. La automatización robótica puede traer a escena nuevos procesos de unión, como la soldadura avanzada por arco metálico con gas (GMAW) con baja entrada de calor.

Generalmente, a los robots les gusta la repetición, algo que típicamente no es aplicable a fabricaciones pesadas grandes con soldadura. Por lo tanto, se requieren dispositivos y procesos compensatorios. En esta fase de consideración, el ojo detallado entra en escena. Cada uno de los componentes seleccionados en la lista propuesta de productos que se van a soldar mediante la automatización debe revisarse a nivel de unión. Aquí deben tomarse en cuenta consideraciones de tipo de unión, material, tamaño y longitud de la soldadura, número de pasos, apilamiento total de manufactura y tolerancias del proceso.

¿Cómo pueden los robots satisfacer las demandas de fabricaciones pesadas con soldadura?

Lo que empezará a surgir es una tabla de componentes y uniones describiendo el nivel de facilidad o complejidad requerido para la automatización. En este punto, usted debe considerar las herramientas disponibles para satisfacer las demandas típicas de fabricaciones pesadas con soldadura (vea la Figura 1). Éstas se revisan luego en el orden de costo y complejidad, yendo de lo más bajo a lo más alto.

Detección Táctil. El mayor impedimento para establecer la soldadura robótica de fabricaciones pesadas es que la unión no puede colocarse de forma asequible en la misma posición para cada producto. Esto normalmente se soluciona usando un sistema sensor táctil (vea la Figura 2).

En este tipo de sistema, se aplica voltaje al alambre, a la envoltura protectora de gas o incluso a una punta retráctil, que se convierte en el medio sensor táctil para el robot. Luego el robot lleva a cabo un patrón de búsqueda en todos los planos que se requiera para deducir la rela-ción entre el punto original programado y la posición actual de la soldadura.

Los sistemas sensores táctiles se usan ampliamente y son una tecnología confiable para localizar uniones de forma asequible en piezas soldadas pesadas. El inconveniente es que la calidad de la búsqueda a veces puede verse afectada por el escamado y por otros defectos del material.

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Figura 2: Las antorchas para soldadura robótica que se basan en la detección táctil típicamente necesitan sólo de uno a tres segundos para localizar una unión.

Con la reciente introducción de un sensor láser, el enfoque táctil para buscar ha tenido una gran mejora. El láser sensor tiene una precisión medida en micrones y reacciona a la velocidad de la luz. Como un rayo de luz, puede apuntarse hacia áreas restringidas que podrían representar un reto para una combinación de antorcha/alambre. En manos de un programador experimentado, una secuencia de búsquedas puede dar datos de posición rápidos y precisos para que el robot actúe en consecuencia. Gracias a los avances tecnológicos, la condición de los materiales y las superficies brillantes no representan un problema para esta tecnología.

Rastreo a través del arco (through-the-Arc). Después de que se ha determinado cómo va a encontrar la unión el robot, la pregunta es, ¿el robot puede llegar al final de forma confiable sin más información? Si la trayectoria del robot es obstruida, pueden requerirse más búsquedas. Si la sección transversal de la unión de soldadura o garganta varía a lo largo de su longitud, entonces se requieren niveles adicionales de detección.

Un sistema sensor adaptativo ofrece dos niveles de rastreo a través del arco. Usando impedancia, el sistema puede medir el voltaje y la corriente mientras ocurre el ondeo de la unión; como resultado se logra una trayectoria óptima. Si la unión además cambia en volumen a lo largo de la trayectoria, los sistemas sensores adaptativos pueden variar el proceso para compensar el requerimiento de relleno. Si se requieren soldaduras multipasos, la misma tecnología de detección registrará y desplazará los cordones subsecuentes en los desplazamientos requeridos para lograr la fusión, la penetración y las características de relleno correctas.

También puede usarse detección táctil o un sensor láser para crear estos tipos de técnicas de relleno adaptativo.

Guía láser/de visión. Típicamente se requiere un sistema de guía basado en visión o en láser para tipos de uniones más exigentes, donde el rastreo a través del arco puede no dar suficientes datos para guiar al robot.

En años recientes años, estos sistemas de guía han seguido mejorando en valor y funcionalidad. Los integradores de tecnología, que incorporan sus propios productos de guía láser/de visión en equipo de soldadura de OEM (fabricante de equipo original), proporcionan sistemas que dan datos precisos y confiables para soldar las uniones más exigentes. Estos sistemas pueden determinar la posición y capturar todas las variables críticas para asegurar que el robot sea capaz de producir una soldadura adecuada para esa unión específica.

¿Qué procesos de soldadura se usan con fabricaciones pesadas?

Muchos procesos de soldadura pueden trabajar en combinación con los sensores para resolver cualquier reto para la soldadura.

La GMAW convencional de un solo alambre es lo más común, pero la introducción de un segundo alambre puede satisfacer sus necesidades especiales. Combinaciones de plasma, láser, polvo, alambres y gases también pueden entrar en escena, cada uno aportando una ca-racterística única para lograr un resultado exitoso.

Se está volviendo más común tener cambiadores robóticos de herramientas que permiten al robot hacer procesos múltiples. Por ejemplo, un robot podría estar equipado con capacidad para GMAW de un solo alambre para soldar ciertas partes estratégicas del ensamble con una mala accesibilidad, y, después de un cambio de herramienta, tener una antorcha con alambre gemelo para brindar alta deposición para otras soldaduras (vea la Figura 3).

Las fuentes de poder para soldadura de diversos fabricantes tienen todas diferentes capacidades. Éstas también siguen superando las barreras para obtener la soldadura perfecta en circunstancias difíciles. Un desarrollo de ese tipo es la capacidad de invertir la polaridad de CD, permitiendo una entrada de calor muy bajo y permitiendo a los robots hacer cordones de raíz efectivos.

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Figura 3: Un proceso de GMAW con alambre gemelo es una excelente forma de llenar espacios de soldadura grandes frecuentemente asociados con fabricaciones pesadas.

Puntear los componentes es siempre un tema candente y otra cosa a tener en mente. ¿Cuántos puntos se necesitan? ¿Dónde se necesitan? ¿De qué tamaño deben ser? ¿Se requiere un aditamento para la pieza soldada pesada? ¿Se requiere herramental pesado? Llegar a la respuesta correcta puede tomar algo de tiempo. Es difícil que una respuesta funcione para todas las situaciones, pero si usted analiza su enfoque, usualmente puede encontrar una solución viable.

Por ejemplo, considere un conjunto de componentes que necesitan ponerse en una relación controlada entre sí, de forma que una vez que concluya el proceso de soldadura, el elemento esté listo para el siguiente paso de producción. El escenario ideal, por supuesto, sería que la fabricación no requiriera otros procesos secundarios, como enderezamiento o limpieza, antes de su siguiente secuencia de manufactura, ni necesitara retrabajo o reparación para satisfacer las especificaciones de producción adecuadas.

Si los componentes pueden diseñarse para auto-posicionado, entonces todo lo que se requiere es la simple colocación en el ambiente de trabajo del robot y algún punteo estratégico. La meta es tener el menor número de puntos posible para que el producto permanezca estable durante el proceso de soldadura, evitando la apertura o el cierre de espacios y logrando las tolerancias de manufactura requeridas. Los puntos deben ser uniformes y deben estar colocados consistentemente para minimizar el impacto en el proceso. El desarrollo del proceso de soldadura con frecuencia mueve o varía el número de puntos en una operación para alcanzar esta meta.

¿Cómo protejo la pieza soldada contra calor fuerte?

El impacto térmico de la soldadura es otra consideración. Como parte del diseño de un producto, se selecciona cierta aleación para dar características muy específicas que le permitan funcionar como se requiere. El proceso de unión no debe diluir ni degradar el producto, y, en las circunstancias correctas, incluso podría brindar una mejora.

La soldadura robótica secuencial simple puede controlar la entrada de calor alimentada a fabricaciones grandes. La automatización se presta muy bien para introducir la cantidad óptima de soldadura y calor en el lugar correcto y en el momento correcto, día a día.

Puede haber más mejoras al usar termopares conectados de forma lógica al controlador del robot. Estos sensores pueden proteger la fabricación, de forma que el robot sólo suelde cuando las condiciones de operación estén dentro de los parámetros predeterminados. Por ejem-plo, cuando se trata de soldar una aleación

de acero particular, un robot soldador podría estar limitado a soldar dentro de una ventana definida de temperatura. Unos cuantos termopares puestos estratégicamente en serie, monitoreados por el controlador del robot, asegurarán que la soldadura ocurra sólo en las condiciones óptimas.

Debe notarse que la capacidad del robot de procesar grandes cantidades de datos es muy útil. Ésta se aprovecha cuando se están monitoreando los atributos de la soldadura. En algunos casos, el fabricante puede estar interesado simplemente en tener datos históricos para fines de rastreabilidad.

Sin embargo, es más importante que la capacidad de procesamiento de información del robot interactúe con el proceso de soldadura en sí. Una vez que se establece un proceso óptimo, el operador del robot soldador puede introducir los límites superior e inferior usables de las características del arco. Entonces, la lógica del programa del robot asegura que el proceso de soldadura no se salga del intervalo definido. Esta característica elimina el riesgo de producir desechos o retrabajo no deseado, mientras que al mismo tiempo asegura la aplicación de entrada de calor uniforme.

¿Cómo me aseguro de que las uniones estén rellenas por completo?

Lo bueno de los robots es que siempre saben dónde están en el espacio. Esto es particularmente útil para asegurar que se deposite la cantidad correcta de soldadura dentro de una unión que es inconsistente.

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Figura 4: La fabricación manual de esta placa de refuerzo para un chasis de vehículo todo terreno alguna vez le tomó a un soldador varios minutos. Ahora, una celda de soldadura robótica puede hacer estas piezas pesadas en una fracción del tiempo.

Algunos robots se programan usando el punto central de la herramienta (TCP, por sus siglas en inglés), que se refiere a la posición del robot así como al punto focal de la herramienta. La capacidad de hacer este tipo de programación es particularmente útil porque, conociendo dónde está el TCP viajante en el espacio, el operador puede tomar decisiones importantes durante el proceso de soldadura. Si una unión, por ejemplo, requiere 10 pasos para dar el relleno correcto, cada cordón o camada de cordones puede definirse y ser llamada en virtud de su posición.

El cordón A se usaría hasta que se alcanzara una cierta altura, y luego se seleccionaría el cordón B. El robot soldador podría continuar con el cordón B o moverse a otro tipo de cordón hasta completar el capuchón. Esta estrategia da un relleno uniforme con realimentación, evitando exceso de relleno o falta de relleno en las uniones de soldadura.

Las fabricaciones pesadas con soldadura mediante robots (vea la Figura 4) no tienen que ser un proceso lleno de misterio—especialmente si tiene un ojo robótico que vea por usted.n



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