Perfeccionando una soldadura de proyección en acero de ultra-alta resistencia

Figura 1. El enlace más débil falla durante las pruebas destructivas, y para estas tuercas soldadas por proyección a acero estampado en caliente, ese enlace es el material del sujetador. Sin embargo, esto no significa que sea una soldadura mala. Tener pruebas destructivas que resultan en metal de la chapa arrastrado ya no es posible para ciertas aplicaciones.

Mientras las nuevas tecnologías de materiales allanan el camino en el diseño y la manufactura de carrocerías, los avances en uniones ayudan a hacer una realidad estos diseños. Considere los avances en aceros de ultra-alta resistencia (UHSS, por sus siglas en inglés), que incluyen aceros estampados en caliente. Las propiedades de sus materiales han hecho a los vehículos más ligeros y más seguros, pero son difíciles de soldar con equipo convencional. Las diferencias en las composiciones de los materiales, las resistencias, las durezas y los nuevos recubrimientos pueden aumentar la demanda de equipo y contribuir a resultados deficientes.

Comparado con material de baja aleación más fácil de soldar y de alta resistencia, el UHSS introduce infinidad de retos para la soldadura de proyección por resistencia (RPW). Las variaciones en la lisura de la parte, la consistencia de la altura de proyección y el espesor del recubrimiento, todas tienen un impacto mucho mayor.

Estos materiales requieren la consideración de los fundamentos de la soldadura por resistencia, y las aplicaciones modernas requieren de ingenieros que vean cada aspecto del proceso. Todo esto funciona como una llamada de atención para quienes están en los círculos de la soldadura por resistencia. La industria necesita alternativas para unir estos nuevos materiales de alta resistencia.

Retos principales

Soldar sujetadores a UHSS y aceros estampados en caliente usando un equipo de RPW convencional frecuentemente muestra un comportamiento diferente comparado con sujetadores soldados a aceros de menor resistencia. El cambio más notable es el desplazamiento del modo de falla, de fractura en el material de chapa base a falla en la unión de soldadura o material del sujetador.

En muchos casos, puede ser difícil desarrollar un enlace más fuerte que el material base de resistencia ultra-alta que se está soldando, siendo el resultado que la soldadura frecuentemente se fractura antes de que lo haga el material base. Esto es una evidencia de la extraordinaria resistencia de los aceros modernos, pero no es un problema con la resistencia de la soldadura.

Si la soldadura por resistencia falla pero el material base no, los inspectores deben examinar la superficie de fractura para determinar si la soldadura falló debido a la alta resistencia del material base o debido a que la soldadura realmente estaba fría. Estas dos situaciones tienen indicadores muy sutiles pero importantes que no siempre son obvios para el personal de calidad que espera ver material base arrastrado con la soldadura durante la prueba destructiva. Puede que asuman automáticamente que la soldadura está fría cuando, de hecho, el material base simplemente es demasiado fuerte para romperse (vea la Figura 1).

El recubrimiento duro menos conductivo de los aceros estampados en caliente puede implicar un reto para los sistemas RPW convencionales. Junto con las variaciones en la dureza del material, un espesor de recubrimiento que varía sólo unos cuantos micrómetros puede causar que una configuración aprobada previamente falle las pruebas destructivas, incluso ante la ausencia de una diferencia visual aparente en la parte.

Un poco de trasfondo

Sencillas en diseño y operación, las primeras máquinas RPW usaban corriente alterna para soldar sujetadores en el material base. Cuando la automatización robótica se volvió más popular, un esfuerzo para una soldadura por resistencia más eficiente llevó a la industria hacia máquinas de corriente directa de frecuencia media (MFDC, por sus siglas en inglés). Siendo la opción preferida de la actualidad, las máquinas MFDC usan transformadores más pequeños y más ligeros, tienen costos eléctricos menores, y permiten un control más fino sobre los parámetros de soldadura.

Otro tipo de sistema de soldadura por resistencia es la máquina de descarga capacitiva (CD, por sus siglas en inglés). Las máquinas CD usan capacitores que se cargan gradualmente en el tiempo entre soldaduras, reduciendo la carga pico en la infraestructura, pero limitando el tiempo mínimo entre soldaduras. Al soldar aceros estampados en caliente, las máquinas CD no parecen mostrar los mismos comportamientos irregulares observados en algunas aplicaciones estampadas en caliente de soldadura MFDC. Al alcanzar corrientes de pico altas en unos cuantos milisegundos, las soldadoras de CD generan calor significativo aun cuando sigue habiendo altas resistencias de contacto entre las piezas de trabajo.

Note que hay muchas aplicaciones exitosas de UHSS que usan máquinas MFDC convencionales. Como siempre, qué tan exitosa es una aplicación depende de los requerimientos exactos, incluyendo los materiales involucrados. De todas formas, conforme el contenido de acero estructural estampado en caliente en vehículos sigue aumentando, se ha vuelto más crítica que nunca la necesidad de soldar sujetadores al material de manera económica y confiable.

Figura 2. Esta gráfica muestra perfiles diferentes de soldadura en dos máquinas de soldadura diferentes. El perfil CPRW (azul) y el convencional MFDC (verde) se hicieron en la misma máquina CPRW.

La industria necesita opciones—y actualmente, los fabricantes tienen una opción adicional que usa equipo MFDC reconocido y aceptado industrialmente. Las máquinas deben ser algo familiar para toda aquella persona que haya usado sistemas MFDC convencionales, debido a que las interfaces, la operación del equipo y el mantenimiento son iguales. Denominada soldadura por resistencia de pulsos controlados (CPRW), este nuevo método de soldadura de proyección se crea sobre los fundamentos de la soldadura por resistencia y las máquinas MFCD, pero aprovecha los avances tecnológicos para refinar aún más el proceso y reducir la variabilidad.

Desarrollar la CPRW requirió comparativa de mercado y pruebas extenuantes, con una mejora como base de la siguiente. Esto implicó modificar el transformador, el control de soldadura, el actuador, los electrodos y más.

Refinando el proceso

Con el uso de inversores MFDC de alto amperaje, transformadores de baja impedancia y parámetros de control de soldadura optimizados, la CPRW actualmente puede emplear los mismos ritmos de aumento de corriente de soldadura que los sistemas CD. Y como los sistemas MFDC convencionales, la CPRW permite que el perfil de corriente sea formado y ajustado con base en la aplicación. De hecho, los perfiles de MFDC convencional y los perfiles de la nueva CPRW pueden hacerse en la misma máquina CPRW (vea la Figura 2).

La CPRW no solo tiene que ver con modificar el perfil de corriente. Con el mayor ritmo de aumento de corriente, el tiempo de soldadura se reduce. Las soldaduras ahora pueden ocurrir hasta en 4 milisegundos. Esto aumenta la demanda en el actuador de soldadura y su capacidad de seguimiento y mantenimiento de la fuerza pues las proyecciones se colapsan rápidamente. Un actuador neumático de alta presión y peso bajo construido especialmente resuelve este problema para las aplicaciones más difíciles que requieren un seguimiento rápido de la fuerza (vea la Figura 3). De hecho, los ingenieros descubrieron que la CPRW no requería dispositivo mecánico adicional de seguimiento rápido.

Conforme aumentó la conductividad del electrodo, aumentó el desempeño del proceso. La forma del electrodo también afectó los resultados de la soldadura. El minimizar el área de contacto entre electrodo y pieza de trabajo redujo la influencia de las imperfecciones de la superficie, que de lo contrario habrían afectado negativamente los resultados de la soldadura o introducido escenarios de inicio inconsistentes.

Como todo proceso de manufactura, por supuesto, la CPRW funciona bien cuando los parámetros de entrada están bajo control. Después de todo, controlar de manera rigurosa los parámetros de entrada a cualquier sistema RPW es clave para desarrollar un proceso estable. Muchos parámetros están fuera del control de la máquina de soldadura, por lo que los parámetros bajo el control de la máquina necesitan ser analizados y regulados cuidadosamente.

Para desarrollar este nuevo proceso, los ingenieros interpretaron cómo diversos retos afectaban el desempeño del sistema. Desarrollaron histogramas—que mostraban datos de pruebas destructivas del sujetador—con indicadores estadísticos para comparar configuraciones diferentes e identificar las mejoras. Una gama reducida de resultados de pruebas destructivas significa la configuración de un sistema que es más probable que produzca resultados consistentes en la producción (aunque, por supuesto, los resultados consistentes en la producción nunca están garantizados, considerando todas las variables de entrada fuera del proceso de soldadura en sí).

De todas formas, la consistencia es especialmente importante al soldar por proyección materiales con comportamiento inconsistente ante la soldadura, como el acero estampado en caliente. La Figura 4 muestra los resultados de todas las mejoras graduales al soldar la misma aplicación de acero estampado en caliente, tanto con soldadura CD como con CPRW.

En una aplicación diferente con acero estampado en caliente recubierto con zinc-hierro, un proceso de soldadura de proyección convencional tenía problemas en cumplir las pruebas requeridas de resistencia a la destrucción del sujetador. Las pruebas de destrucción del sujetador fallaban en el material base—repito, históricamente un signo de resistencia máxima a la soldadura. Sin embargo, de nuevo, la aplicación implicaba material de alta resistencia, el cual permitía a los diseñadores usar material base más delgado con relación al tamaño del sujetador.

El usar la CPRW introdujo algunos cambios significativos. El modo de falla siguió siendo igual, con ocurrencia de la fractura en el material base, pero la resistencia a la destrucción del sujetador aumentó significativamente. Los tiempos de soldadura más cortos característicos de la CPRW bajaron la entrada de calor y redujeron la suavización del material base. Sin embargo, la soldadura mantuvo su integridad y siguió siendo capaz de fracturar el material base no suavizado. Esto produjo consistentemente una soldadura más fuerte con el mismo modo de falla deseable (vea la Figura 5).

Figura 3. Esta gráfica muestra dos perfiles de seguimiento de fuerza, un cilindro neumático construido especialmente y un actuador de soldadura tradicional, para una soldadura de 6 ms.

Nuevo pero familiar

Sepa que no hay una sola respuesta que creará la soldadura de proyección óptima en UHSS y aceros estampados en caliente. La solución empieza con una revisión consciente de los fundamentos de la soldadura por resistencia y todas las variables diferentes que afectan el proceso. A partir de ahí, necesitan aplicarse cuidadosamente los avances tecnológicos para crear un nivel de control más preciso de los parámetros de la máquina.

Repito, los sistemas MFDC convencionales funcionan bien para muchas aplicaciones de UHSS, pero no para todas; la CPRW simplemente les da a los fabricantes otra opción. Aplicando cuidadosamente los avances de la CPRW y respetando los principios fundamentales de la soldadura de proyección, es posible soldar por proyección sujetadores, con la misma consistencia y resultados que los fabricantes esperan del equipo de MFDC convencional—justo como cuando están soldando materiales convencionales.

Sean Hubberstey es Supervisor de Ingeniería de Soldadura de CenterLine (Windsor) Ltd., 415 Morton Drive, Windsor, ON N9J 3T8, 519-734-8868, www.cntrline.com.

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