La GTAW o la GMAW robótica: ya no es una opción bien definida

La soldadura por arco de tungsteno se ha vuelto más fácil de automatizar, mientras que los robots de soldadura por arco de metal con gas están empezando a producir resultados de calidad en GTAW

February 9, 2010

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Figure 1 Los avances tecnológicos han hecho a la GTAW más fácil de automatizar. Foto cortesía de The Lincoln Electric Co.

Los fabricantes e integradores de sistemas robóticos tienen una confesión cuando se trata de soldadura TIG o por arco de tungsteno con gas: algunas veces han ahuyentado de esto a la gente.

"He trabajado con robots de soldadura por arco desde 1982, y durante la mayor parte de mi carrera, si alguien me decía que quería comprar un robot que soldara con TIG, lo primero que hacía era tratar de di­suadirlo", dijo Brian Doyle, gerente de grupo de soldadura y robots en Panasonic Factory Solutions Co. of America, Buffalo Grove, Illinois.

Agregó que ya no ahuyenta a los clientes como antes—y hay una razón para ello. La automatización de la GTAW ha mejorado.

Históricamente algo difícil de automatizar, la GTAW requiere un ajuste preciso de las juntas y una alta repetibilidad de partes. Si una parte considerablemente fuera de tolerancia entra en la celda de soldadura, y el tungsteno inesperadamente toca el metal base o entra en el pozo de soldadura, aumentan los problemas. Una parte desechada es una cosa; pero una soldadura de tungsteno contaminada (y quizás arruinada) 50 partes antes de ser detectada, eso es otra cosa.

En parte gracias a los procesos precisos aguas arriba, la GTAW robótica ha evolucionado como una opción práctica. Un diseño de junta de lengüeta y ranura hecho posible por el corte láser, por ejemplo, contribuye a una junta con la que un robot de GTAW podría trabajar fácilmente. Pero elegir un proceso robótico de soldadura por arco no es sencillo, considerando las opciones actuales en el mercado. La GTAW robótica es más práctica en más lugares (vea la Figura 1). Al mismo tiempo, algunas variantes de soldadura por arco de metal con gas pueden producir una calidad de soldadura cercana a la ofrecida por la GTAW.

Superando los retos de la GTAW

La gente elige la GTAW cuando una junta requiere propiedades estéticas o estructurales superiores (vea la Figura 2). Un robot de GTAW imita a un buen soldador, al menos idealmente. El operador ajusta el preflujo de gas, usualmente argón puro, a un ritmo bajo de flujo. Inicia el arco y luego aumenta la corriente usando el pedal; cerca del final reduce la corriente hacia el cráter (fin de la soldadura) y continúa el gas de postflujo para asegurar que ni el electrodo de tungsteno caliente ni la soldadura se contamine.

Ponga una antorcha GTAW en un brazo robot y abundarán los retos. Considere la vida del tungsteno. Conforme la punta de tungsteno empieza a corroerse, las características de calor de la soldadura cambian la entrada. La vida del tungsteno varía enormemente. Un tungsteno haciendo la soldadura ocasional autógena de esquina exterior o de tapón durará más que uno haciendo soldaduras de ranura continuas que requieren metal de aportación. El cambio automático del tungsteno evita problemas, dijo Doyle, usando un sistema de mordazas que permite al robot quitar el tungsteno y colocar otro tungsteno prerrectificado en su sitio.

"Con GTAW, el cambiar la distancia de contacto con la pieza de trabajo también cambia el calor", explicó Jarrod Bichon, vicepresidente del integrador RobotWorx, Marion, Ohio. Por esta razón el proceso requiere una distancia estable de la punta a la pieza de trabajo. Es un rasgo distintivo de un buen soldador de tungsteno con gas el poder ajustar sobre la marcha cambios de la junta. Sin sensores especializados ni cámaras, un robot de GTAW convencional permanecerá en su trayectoria preprogramada.

Otro reto son los encendidos del arco de alta frecuencia en los cuales un golpe de energía inicia el arco entre el tungsteno y la pieza de trabajo. Esto elimina el tocar el electrodo con la pieza de trabajo, como lo requiere un encendido lift (con impulso). Pero la alta frecuencia también puede causar estragos en equipo eléctrico cercano.

"El problema con la alta frecuencia es que si otra electrónica está en serie con esa alta frecuencia, el ruido causará problemas, aun cuando usted tenga la celda robótica aterrizada directamente", dijo Bichon.

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Figure 2 En la aplicación correcta, la GTAW robótica crea soldaduras sumamente consistentes. Foto cortesía de The Lincoln Electric Co.

Por lo tanto los componentes deben tener un blindaje apropiado. Algunos sistemas ofrecen brazos de robot con caja templada, y la mayoría tienen cables blindados, los cuales deben estar bien organizados y separados con charolas para evitar todo problema de alta frecuencia.

Algunos sistemas robóticos evitan la alta frecuencia y realmente ofrecen encendidos lift. Un sistema de robot, diseñado tanto para GMAW como para GTAW, tiene un sistema en el cual "el electrodo [alambre para GMAW, tungs­teno para GTAW] toca la pieza de trabajo, haciendo que el brazo robot retroceda una distancia preestablecida, estirando el arco e iniciando la rampa de corriente", dijo Doyle.

La rampa empieza la forma de onda de forma integral con la GTAW, y pequeñas alteraciones a ésta han hecho el proceso un poco más indulgente en ambientes automatizados. Esto incluye sincronizar los parámetros de soldadura con la tecnología de pulsado. Como lo describió Doyle, ciertos sistemas tienen servo-alimentadores de metal de aportación que—de manera similar a algunas configuraciones de GMAW—sincronizan la velocidad del metal de aportación con el pulso, por lo que el alambre se alimenta más rápido durante el pico del pulso y más lento (o nada) durante el valle del pulso. Este movimiento emula los movimientos de un soldador de TIG experimentado dando toquecitos con su varilla de aportación al pozo.

El pulso tiene otra ventaja. "El pulso en sí es tan caliente que puede quemar muchas impurezas", dijo Matt Brooks, un ingeniero de soldadura de OTC Daihen Inc., Tipp City, Ohio.

La GTAW robótica de CA está disponible como una opción, también, así como la GTAW de CA/CD. Debido a que la soldadura de CA alterna entre electrodo positivo (para limpieza de óxido) y negativo (para penetración), es el proceso de elección para soldar aluminio inclinado para acumulación de óxido. Pero los aspectos de CA también tienden a desgastar más el electrodo, arruinándolo y creando características perjudiciales del arco. De ahí la necesidad de cambios más frecuentes del tungsteno, dijo Brooks, lo cual puede obstaculizar la productividad de una configuración automatizada.

El modo GTAW de CA/CD agrega DCEN a la mezcla para aumentar la pene­tración mediante la concentración de calor en la pieza de trabajo y lejos del tungsteno, y comúnmente se usa para materiales como aleaciones basadas en níquel, cromo-molibdeno, acero, acero inoxidable.

"Usted usa CA por un corto tiempo, luego CD (electrodo negativo)", dijo Brooks. "Esto no ayuda con acero o acero inoxidable, pero realmente ayuda en aluminio. La gran ventaja es que su tungsteno dura de dos a tres veces más, dependiendo de la aplicación".

Los manufactureros también han hecho pequeñas alteraciones a la posición de la alimentación del metal de aportación. Un artesano de GTAW pone su cuerpo en la posición justa para poder alimentar el metal de aportación al ángulo deseado bajo la antorcha. Un robot no puede hacer esto, y debido a que el alambre de aportación debe alimentarse a través de un tubo alimentador separado del electrodo de tungsteno, una antorcha robótica de GTAW es voluminosa. Las recientes mejoras en el diseño evitan problemas, dijo Doyle. Por ejemplo, ciertos modelos integran un séptimo eje en el tubo de aportación, para que éste pueda rotar alrededor del punto central de la herramienta para esas soldaduras de difícil acceso (vea la Figura 3).

Otros modelos introducen el alambre de aportación a un ángulo pronunciado en la antorcha, con el alambre un poco más cerca para estar paralelo al electrodo de tungsteno. Esto hace el ensamble del extremo de brazo menos voluminoso de forma que la antorcha pueda llegar a espacios reducidos (vea la Figura 4).

Esta configuración tiene un beneficio extra. "Nosotros lo llamamos [informalmente] ‘alambre tibio", dijo Doyle.

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Figure 3 En esta configuración de GTAW, el mecanismo del metal de aportación gira alrededor de un séptimo eje alrededor de la antorcha de tungsteno. Foto cortesía de Panasonic Factory Solutions Co. of America.

La GTAW de alambre frío es la configuración convencional; el alambre de aportación se alimenta a un ángulo hacia el pozo de soldadura. La GTAW de alambre caliente incluye una fuente de calor separada que precalienta el metal de aportación antes de que entre en el pozo. En la configuración de "alambre tibio" de Doyle, el metal de aportación se alimenta a un ángulo pronunciado y entra en el arco por un periodo más largo, precalentando el alambre antes de que se funda en el pozo de soldadura. La configuración agrega flexibilidad también, dijo, debido a que el ángulo pronunciado permite objetivos más precisos del alambre. El alambre de aportación no tiene que "guiar" al pozo de soldadura. Si se está soldando alrededor, por decir, de una esquina, el metal de aportación puede entrar ligeramente detrás del borde delantero del pozo, o hacia el lado.

El precalentamiento del alambre de aportación permite velocidades de viaje mucho más rápidas. La tecnología ha sido probada en soldaduras traslapadas en acero inoxidable hasta 30 pulgadas (76.2cm) por minuto, dijo Doyle, "la cual es una velocidad de viaje bastante buena para MIG, y casi inaudita para TIG. Pero usted tiene que elegir cuidadosamente el diseño de su junta. Para usar la misma tecnología en un cordón, usted regresará a velocidades normales de TIG, aproximadamente de 10 a 15 pulgadas (25.4 a 38.1cm) por minuto".

Esto trae algunos retos en la GTAW que son difíciles de sortear. Salvo algunas circunstancias, la GTAW es lenta, aunque la automatización es más rápida que la alternativa manual. Además, los diseños de juntas de raíz abierta y cordón siguen siendo difíciles, incluso con todos los avances. En los cordones, el arco tiende a moverse erráticamente de un lado al otro, dando resultados inconsistentes. Los diseños de juntas a traslape, en esquina exterior y similares son ideales, aunque la repetibilidad de una buena junta sigue siendo de primordial importancia.

La GMAW, similar a la TIG

La gente elige la GTAW por varias razones. Si el código de soldadura lo requiere o si el diseño requiere una soldadura autógena o de una calidad sumamente alta (la soldadura de un tubo a alta presión, por ejemplo), es muy probable que la aplicación siga el camino de la antorcha de tungsteno. Pero con frecuencia, la gente elige la GTAW porque está manejando juntas ya sea muy delgadas o en las que la estética es importante, muchas de las cuales requieren esa apariencia de moneditas apiladas (stacked-dime).

Gracias a avances recientes, algunas variaciones en el proceso de la GMAW ahora pueden producir juntas que son idénticas, o al menos muy cercanas a las producidas con GTAW.

La simplicidad y la velocidad de la GMAW están impulsando desarrollos.

Una soladura vertical descendente [usando GMAW] en chapa delgada podría viajar a 70 pulgadas por minuto (1.8metros por minuto)", dijo Geoff Lipnevicius, gerente de desarrollo de productos de la división de automatización de The Lincoln Electric Co. en Cleveland.

"[En la GMAW] todo el electrodo se consume", dijo Bichon, de RobotWorx. "Hay menos actividad al final de la antorcha, por lo que todo se vuelve un poco más fácil".

La industria está incorporando avances de la GMAW que hacen pequeñas alteraciones al pulso, la alimentación del alambre y los controles eléctricos. Las mejoras en el proceso de la GMAW alteran la transferencia de corto circuito, la cual opera a menores corrientes y voltajes y, por lo tanto, funciona bien con material delgado. Cada desarrollador de equipo de soldadura ofrece sus propias soluciones, todas con una meta común: controlar el calor para llenar la junta con salpicadura mínima y una apariencia atractiva, ya sea una apariencia sin costura o de moneditas apiladas, y evitar la fusión total.

OTC Daihen ofrece su Control Bridge Transfer, el cual controla los parámetros de una soldadura por arco metálico con gas de corto circuito tanto eléctrica como físicamente, dijo Brooks. "El método electrónico controla los parámetros de soldadura durante toda la duración del periodo del arco y corta los parámetros durante secciones donde las fuerzas son las mayores y que causan salpicadura", explicó. "El método físico implica el controlar la alimentación del alambre, o en el caso de aplicaciones robóticas, la manipulación del brazo del robot". Aquí, el sistema crea un jalón físico en el alambre durante los periodos que causan salpicadura, reduciendo así las fuerzas del arco. "Para lograr una apariencia de moneditas apiladas en aluminio, OTC Daihen ofrece su GMAW Wave Pulse, una forma de onda de baja frecuencia superpuesta.

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Figure 4 En este diseño de antorcha de GTAW robótica, el metal de aportación es alimentado a un ángulo pronunciado, haciendo a la unidad del extremo del brazo menos voluminosa. Foto cortesía de Panasonic Factory Solutions Co. of America.

Lincoln Electric ofrece su Surface Tension Transfer®, o STT®, variante de la GMAW pulsada. "En términos simples, la corriente pico controla la altura del arco y la de base controla el ancho del arco y la entrada de calor total", explicó Lipnevicius. Y lo más importante, la tecnología STT separa la alimentación de alambre y la corriente, permitiendo que cada parámetro sea ajustado por separado.

Para esa apariencia de moneditas apiladas, FANUC Robotics odrece HeatWave (vea la Figura 5), que le permite hacer oscilar los procedimientos como hace oscilar la antorcha", dijo Lipnevicius. "Esa capacidad de coordinar la técnica de ondeo (weaving) con sus procesos de soldadura ha ayudado a expandir el número de aplicaciones que pueden soldarse con acero, acero inoxidable y aluminio".

Esta tecnología de GMAW emula al soldador de TIG pegando la varilla al charco. El robot cambia los parámetros de soldadura en tiempo real. En materia­les más delgados con un espacio, el robot se balancea hacia atrás y hacia adelante a lo largo de la junta, suturando el espacio como una máquina de cocer, sumergiendo el alambre en la junta con cada oscilación. En materia­les más gruesos, el robot se puede mover en un patrón de ondas a través de la junta, ajustando los parámetros mientas se mueve.

Lipnevicius agregó que la tecnología puede ayudar en la soldadura de espesores dispares, con el proceso produciendo más amperaje y penetración en el lado grueso para evitar el traslape en frío, luego reduciendo inmediatamente el amperaje y la penetración en el lado delgado para evitar perforación por quemadura.

Panasonic ofrece beneficios similares en su sistema robótico TAWERS™, el cual puede controlar los parámetros de la GMAW en diferentes áreas de la junta. "Conforme ondea, puede cambiar no sólo el amperaje, sino también el voltaje y la velocidad de alimentación del alambre para asegurar que usted entre en [el material más grueso] y luego enfriarlo para [el material más delgado], dijo Doyle.

Otros también ofrecen alternativas. Fronius USA tiene su proceso de transferencia de metal en frío (CMT, por sus siglas en inglés), una variante de la GMAW que altera la forma en que ocurre la transferencia de metal. La CMT hace oscilar la alimentación del alambre hacia atrás y hacia adelante para controlar el calor y la salpicadura, entre otras cosas, sincronizando el movimiento del alambre con el corto circuito de la GMAW. Como Gerald Obritzberger, director de ventas y mercadeo de la compañía Brighton, Michigan, lo expuso durante su presentación en la expo 2008 FABTECH® Intl. & AWS Welding, "El alambre se mueve hacia la pieza de trabajo hasta que ocurre un corto circuito. En ese momento la velocidad del alambre es invertida y el alambre es jalado hacia atrás. Cuando el corto circuito se abre de nuevo, la velocidad del alambre se vuelve a invertir, con movimientos del alambre hacia la pieza de trabajo, y el proceso empieza de nuevo", permitiendo al proceso soldar varios materiales sensibles, incluyendo aluminio extremadamente delgado.

Miller Electric, Appleton, Wisconsin, tiene su Regulated Metal Deposition Process (RMD™), un proceso de transferencia de corto circuito modificado, que, de nuevo, puede reemplazar a la GMAW en algunos ambientes manua­les y robóticos. Como explicó Kevin Summers, gerente de Miller de desa­rrollo de negocios de automatización, "La predicción anticipada de la desaparición del corto permite una rápida reducción de la corriente disponible, minimizando la fuerza del arco y reduciendo la cantidad y el tamaño de la salpicadura. El charco fundido es calmado, reduciendo el chapoteo y los efectos del traslape en frío normalmente asociados con la transferencia de corto circuito".

ESAB Welding & Cutting Products ubicada en Florence, South Carolina. ofrece su Aristo SuperPulse™, el cual de nuevo permite una GMAW controlada con baja entrada de calor que puede reemplazar a la GTAW en ciertas aplicaciones. Actualmente está integrado en el FlexPendant para robots ABB. Su opción de "process pulse/short-arc" está diseñada para soldar chapa delgada.

Evaluando las opciones

La lista de variantes de GMAW crece cada vez más. La mayoría de los desa­rrolladores de equipo de soldadura las ofrecen, y muchos pueden abordar aplica­ciones que antes sólo la GTAW podía manejar de manera rentable.

Sin embargo, ciertas aplicaciones seguramente usarán la automatización de la GTAW en el futuro inmediato, particularmente para juntas de alta calidad en las cuales la alta velocidad no siempre es tan deseable.

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Figure 5 Esta soldadura por arco metálico con gas obtiene su apariencia de moneditas apiladas de controles especiales de parámetros robóticos y de soldadura. Foto cortesía de The Lincoln Electric Co.

"La GMAW tiene un alto efecto de enfriamiento, con alto calor aplicado durante un corto tiempo", dijo Lipnevicius. "Así que aun cuando la velocidad de viaje es envidiable, a veces no siempre es tan buena. La GTAW hace más lento este proceso, reduciendo el efecto de enfriamiento, lo cual asegura que ciertas propiedades mecánicas permanezcan en el material base y en la mezcla de soldadura".

En el horizonte la industria puede ver más robots multiprocesos, dijo Doyle, ofreciendo tanto GTAW como GMAW. "Los manufactureros, particularmente los fabricantes por contrato, tendrán la GTAW como otra herramienta en su cinturón de herramientas".

Aun así, dijo, nada en el futuro inmediato cambiará la necesidad que tiene la GTAW de la repetibilidad de las juntas. Pero si se eligen las aplicaciones correctas, y los procesos aguas arriba son repetibles, la GTAW robótica tiene sentido desde el punto de vista comercial".

"Si usted puede extraer suficiente variación de la parte", dijo Doyle, "entonces puede valer la pena alcanzar esas enormes ganancias en la productividad cambiando a la GTAW robótica".



FMA Communications Inc.

Tim Heston

Senior Editor
FMA Communications Inc.
833 Featherstone Road
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Phone: 815-381-1314

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