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Mejora de la calidad mediante la soldadura láser en una atmósfera controlada digitalmente

 

Como los fabricantes de componentes y subsistemas en el sector militar y aeroespacial confían más en la precisión de la soldadura con láser sobre otras técnicas de soldadura, como la soldadura de Gas de Tungsteno Inerte (TIG, por sus siglas en inglés) o soldadura por arco, también están bajo una presión continua para mejorar sus niveles de calidad y la trazabilidad de lote a lote. Aunque los procedimientos de soldadura con láser se han realizado durante mucho tiempo “bajo el capó” en cajas de guantes o recintos no presurizados y presurizados negativamente, los sistemas de soldadura por láser de última generación ahora se están diseñando en cajas de guantes con presión positiva y atmósferas controladas. Con estos sistemas, el gas purificador (típicamente argón) se introduce y monitorea para crear un ambiente óptimo en el cual se pueda realizar la soldadura con láser.

 

Aunque los procedimientos de soldadura con láser se han realizado durante mucho tiempo “bajo el capó” en cajas de guantes o recintos no presurizados y presurizados negativamente, los sistemas de soldadura por láser de última generación ahora se están diseñando en cajas de guantes con presión positiva y atmósferas controladas. Con estos sistemas, el gas purificador (típicamente argón) se introduce y monitorea para crear un ambiente óptimo en el cual se pueda realizar la soldadura con láser.

 

¿Qué es lo que impulsa la necesidad de maquinado por láser similar a una sala limpia?

Si bien la soldadura láser es un proceso bien conocido que ofrece alta precisión con zonas afectadas por poco calor y una mínima generación de escombros, menos entendidas han sido las ramificaciones de las variaciones en las condiciones atmosféricas en un recinto, y especialmente en el punto de contacto. Se ha descubierto que los materiales de alto rendimiento y muy costosos que suelen utilizar los fabricantes de equipos militares y médicos, como el titanio y el magnesio, por ejemplo, producen óxidos de forma rutinaria. Estos óxidos se producen químicamente a través de la reacción natural de estos materiales al láser, así como a las variables relacionadas con los tipos y niveles de gases introducidos. Los gases naturales producidos a partir de diversos procesos de soldadura por láser también pueden ser peligrosos para los operadores si se inhalan. Los gases comprimidos, los plasmas expuestos y las superficies calientes descubiertas también pueden ser extremadamente volátiles. Por estas razones, y por razones de gestión de calidad total y cumplimiento de los requisitos de ISO y OEM para la documentación de lote a lote, los principales fabricantes están avanzando hacia el manejo óptimo de las condiciones atmosféricas de sus procedimientos de soldadura láser.

 

Entendiendo los dos niveles de monitoreo y control atmosférico

Una solución comprobada que puede prevenir muchos de los problemas mencionados anteriormente, e incluso mejorar el flujo de trabajo de fabricación en general, es la integración de su proceso de soldadura láser en una caja de guantes o caja herméticamente sellada que está conectada a una línea de gas argón. En los sistemas de menor costo de esta naturaleza, el operador introduce manualmente el argón, lo monitorea visualmente el operador que lee un manómetro y luego el operador lo purga a intervalos diseñados. El operador detiene cualquier procesamiento durante la etapa de purga y reintroducción hasta que se reestablecen los niveles atmosféricos óptimos.

 

A un costo más alto, pero con un retorno de la inversión más rápido, los sistemas más robustos incluyen sistemas digitales de control y monitoreo de gas (o gestión de gas). Especialmente para la fabricación de dispositivos médicos, militares y aeroespaciales, los beneficios adicionales de elegir un sistema con administración avanzada de gases son extremadamente altos. Proporcionan un eficiente control, monitoreo y regeneración del gas argón (a través de filtración de circuito cerrado), mientras se ajustan continuamente para mantener un ambiente óptimo. Como resultado de detener y purgar con menos frecuencia, estos sistemas también ofrecen los niveles más altos de rendimiento.

 

Los fabricantes avanzados también ahorran en desperdicio de material, procesamiento de gas, mantenimiento de la máquina y tiempo de inactividad

 

Dado que la eficiencia de una caja de guantes manejada por gas es aproximadamente equivalente a una sala limpia de clase 10, a los fabricantes se les brinda el beneficio adicional de operar sus máquinas láser en las condiciones más limpias y seguras posibles. Como resultado, se ejecutan sin mantenimiento durante largos períodos de tiempo. Esto crea ahorros en el resultado final tanto en la reparación y restauración de la máquina láser como en la reducción del tiempo de inactividad y los accidentes. Como la atmósfera pura también mejora la calidad de las piezas en proceso y reduce los rechazos, los costos de la materia prima y la reparación también disminuyen. El filtrado y la regeneración del gas también permiten que los fabricantes obtengan una fuente de gas original de menor pureza y menor costo, y luego lo utilicen varias veces antes de purgarlo y volver a llenar la guantera.

 

Conclusión

Para las aplicaciones más recientes que emplean materiales de alto rendimiento, y donde el costo, la confiabilidad, la repetibilidad y la trazabilidad son los impulsores clave del negocio, la soldadura por láser en una atmósfera de gas controlada se convierte en una consideración seria. Si se utiliza un sistema de gestión de gas controlado digitalmente, el gasto de dicho sistema se recupera más fácilmente que un recinto hermético que utiliza solo el control manual de gas.

 

Acerca del argón:

El argón es reconocido por reducir o eliminar los óxidos que se forman en las superficies metálicas, incluso bajo calor y presión extremos. También es un conocido gas de protección y/o procesamiento. En sistemas de soldadura láser no herméticos, no presurizados, se entrega en el punto de la soldadura, esencialmente desplazando la atmósfera ambiente y los residuos a medida que se realiza la soldadura láser. En un recinto hermético a presión, el argón se utiliza para acondicionar todo el espacio de trabajo dentro del recinto y es en gran medida innecesario como un gas de proceso definido.

 

Otros gases comúnmente utilizados para la protección y el acabado durante los procesos con láser son el helio y, en menor medida, el dióxido de carbono. El nitrógeno también se utiliza con otras técnicas de soldadura. Estos gases a menudo también se vuelven innecesarios por soldadura con láser en una atmósfera inerte creada por argón. En general, se entiende que la pureza del gas argón puede variar de proveedor a proveedor y de entrega a entrega.

Cuando los sensores de soldadura tienen sentido

 

Desde el lanzamiento revolucionario de robots de soldadura hace más de 40 años, la innovación y las mejoras en los procesos han continuado impregnando el desarrollo de productos centrados en las necesidades del cliente. En el pasado, era fácil programar un robot para encender un arco y soldar una costura simple, incluso cortar muchos tipos diferentes de uniones metálicas. Sin embargo, no todos los componentes son creados de la misma forma.

 

Con el tiempo, surgió la necesidad de máquinas más inteligentes capaces de ofrecer una mayor eficiencia, menos errores y menores tiempos de ciclo. Como resultado, los procesos de soldadura y los robots han mejorado mucho, y las industrias manufactureras están implementando robots industriales a un ritmo exponencial para reducir los costos operativos y aumentar los márgenes de ganancias.

 

La naturaleza competitiva del panorama industrial continúa demandando avances en tecnología. Para la soldadura, esta nueva inteligencia se logra más comúnmente a través de una variedad de tecnologías de sensores que han llevado la automatización de la soldadura a una nueva altura.

 

Diferentes tipos de sensores

Los sensores, como los robots, vienen en una variedad de formas, tamaños y precios. De manera similar, los sensores no funcionan bien por sí solos y requieren un software intuitivo para funcionar. Cuando un sensor está vinculado con un buen software y un robot se combina con una buena programación, se puede lograr la automatización. La siguiente información ayudará a los usuarios de robots de soldadura a explorar una variedad de sensores para obtener una comprensión de lo que puede ser factible con su nueva o existente celda de trabajo de soldadura.

 

Los sensores que se utilizan específicamente para aplicaciones de robots de soldadura, generalmente se dividen en cuatro categorías: tacto, arco pasante, láser y visión. Del mismo modo, tienen tres funciones principales: búsqueda de costura, seguimiento de costura y/o escaneo de piezas, que también se pueden utilizar para la inspección.

 

Cada función tiene ventajas únicas en función de la parte y, en última instancia, del objetivo final, que a menudo depende en gran medida del presupuesto establecido. La mayoría de estas tecnologías pueden combinarse, donde el uso no sea redundante, y la comprensión de estas tecnologías de sensores, por orden de costo y complejidad (comenzando con soluciones sencillas y de bajo costo), suele ser útil para los usuarios de robots que buscan mejorar operaciones

 

Sensor de tacto a través del alambre

Este tipo de sensor es el toque físico de un cable de soldadura desde el extremo de la antorcha para detectar la superficie conductora de una parte a punto de ser soldada. El sistema utiliza un circuito de bajo voltaje durante una búsqueda de baja velocidad para detectar la unión soldada. Aunque no hay ningún hardware montado en el robot, se requiere un cortador de alambre y un freno de alambre para una detección consistente y precisa.

 

La detección táctil se puede completar a través de las características integradas en una fuente de alimentación de soldadura diseñada para la automatización, pero se ha demostrado que tiene la mejor velocidad y precisión con un circuito separado, como el paquete Touch Sense de la marca Yaskawa. Este proceso es más lento que el de las tecnologías láser, ya que se debe esperar a que el robot se mueva físicamente a la ubicación de detección y luego se acerque lentamente al lugar para obtener la mejor precisión (hasta 3 metros por minuto).

 

Eficiente para: Encontrar orientación de piezas con juntas y geometrías simples.

No recomendado para: Materiales delgados con un espesor de junta pequeño. Juntas a tope cuadradas. Ciclos de alta demanda.

Complejidad: Baja. Comandos colgantes incorporados

Costo: bajo.

 

Seguimiento de la costura a través del arco

La tecnología innovadora, como el rastreador de costura a través del arco ComArc de la marca Yaskawa, utiliza un sensor de estado sólido montado cerca de la fuente de alimentación de soldadura para medir activamente las características del arco durante una soldadura para determinar las variaciones entre la trayectoria enseñada del robot y la trayectoria real de la costura. La función aplica correcciones menores para modificar la ruta programada para seguir la costura física durante la soldadura. La velocidad de soldadura se regula a un moderado de 127 centímetros (cm) por minuto. El retorno de la inversión con esta tecnología es generalmente mucho más bajo que la modificación y reingeniería de herramientas y accesorios de tal manera que elimina toda la variación potencial de la costura.

 

Mejor para: Partes con costuras largas o curvas con alguna variación de parte a parte.

No recomienda para: Material delgado de menos de 3 mm o soldaduras sin tejido. Grandes huecos. Soldaduras de menos de 15 cm o que requieren más de 127 cm por minuto de velocidad de viaje.

Complejidad: Baja. Los programas y algoritmos preescritos proporcionan un funcionamiento suave y fácil

Costo: bajo

 

Detección láser

El uso más básico de un sensor láser es una opción sin contacto, es de 2 a 5 veces más rápida que la detección táctil, ya que la mayoría del movimiento del robot se elimina para adquirir la ubicación de la pieza. En lugar de un toque físico a una parte, un punto láser y un sensor capturan la ubicación y la orientación de una parte tan rápido como se dispara el láser. Aunque todavía es fácil de programar, requiere un sensor montado en la antorcha. Y, al igual que el sensor de tacto, no puede encontrar uniones de tope cuadradas y puede tener problemas con superficies altamente reflectantes. Sin embargo, elimina la necesidad de un cortador de alambre y una rotura de alambre, y puede detectar juntas de solape de hasta 1/16” de espesor.

 

Este sistema también requiere un láser montado en la antorcha que podría limitar el acceso en algunas áreas estrechas de la soldadura. La solución de detección por láser AccuFast™ de Yaskawa también funciona con cualquier fuente de alimentación de soldadura. La inversión de una empresa al actualizarse a esta tecnología equivaldría a aproximadamente 20 dolares por día de trabajo durante un año, pero se debe hacer un subsidio para 26 ciclos adicionales por turno (basado en un ciclo de 90 segundos), en comparación con las tecnologías de sensores táctiles. Las instalaciones de alto rendimiento comúnmente obtienen un retorno de la inversión en menos de un mes.

 

Mejor para: Ciclos más rápidos sin romper el presupuesto.

No recomienda para: Juntas a tope cuadradas. Brechas mayores o inconsistentes. Materiales altamente reflectantes de corte o pulido. Soldaduras con acceso limitado a las juntas.

Complejidad: Bajo-Medio. Se requiere cierta capacitación básica del usuario con comandos integrados

Costo: Medio.

 

Cámara 2D

Los sistemas MotoSight2DCamera, como Cognex, permiten que un usuario capture la ubicación de una parte en un segundo con un sensor de cámara montado en el brazo del robot. Este sistema no sólo encuentra la ubicación de la pieza, sino que también confirma rápidamente la orientación sin agregar muchos puntos de prueba adicionales según sea necesario con la detección táctil o láser.

 

Debido a que la unidad está tomando una imagen más amplia, también se puede usar para identificar el dispositivo que se está utilizando y evitar los errores de trabajo. Como inconveniente, es más sensible a la iluminación y las condiciones de la superficie. Tampoco proporciona profundidad de campo, por lo que las partes apiladas pueden ser más difíciles de programar. Como beneficio adicional, esta cámara incluso se puede utilizar para verificar el Punto de Centro de Herramientas para una realineación rápida. El retorno de la inversión aumenta un poco en el tiempo debido a la programación personalizada requerida, pero el uso adecuado a menudo permitirá la automatización que antes hubiera sido imposible o más costosa.

 

Mejor para: Piezas con mayor variabilidad en la colocación y tiempos de ciclo muy exigentes.

No se recomienda para: Aplicaciones con grandes variaciones de profundidad, iluminación o condiciones de superficie del material.

Complejidad: Alta. Se requiere entrenamiento adicional del usuario.

Costo: Medio-alto.

 

Seguimiento de costura láser

Cuando la última tecnología de sensores láser se combina con controladores de alta velocidad, las ubicaciones de costura y pieza pueden procesarse en tiempo real. Al igual que las soluciones de arco pasante, un programa dedicado compensa la trayectoria e incluso adapta los parámetros de soldadura para la ubicación y la variación de la costura. Yaskawa MotoEye LT, Servo-Robot o los productos DIGI-I/Power-Cam rastrean de manera confiable los metales de calibre delgado y permiten la soldadura simultánea dos veces más rápido que el seguimiento de arco continuo de hasta 254 cm por minuto. Esto permite la automatización en piezas que tienen cambios de brechas, como la soldadura alrededor de cilindros más grandes. Al igual que los equipos de detección láser, esto también requiere una caja que pueda limitar el acceso de la antorcha a áreas estrechas de la soldadura.

 

Este sensor también se utiliza para la inspección de soldaduras cuando se combina con un sistema de seguimiento de datos adecuado. La inspección y trazabilidad de las soldaduras se está convirtiendo rápidamente en un estándar de la industria para las soldaduras críticas para la automoción y la automoción. Los datos de arco de la fuente de alimentación se combinan con exploraciones individuales de la soldadura para rastrear cada parte que llega a través de la producción. El retorno de la inversión aquí se presenta como una póliza de seguro figurativa que puede reducir los retiros de partes de amplio alcance y la gran responsabilidad que conlleva cualquier falla potencial de la parte.

 

Mejor para: Materiales delgados con costuras variables que demandan el tiempo de ciclo potencial más rápido.

No recomienda para: Brechas o partes extremadamente anchas con acceso limitado a las juntas, piezas y herramientas con acceso limitado.

Complejidad: Alta. Se requiere entrenamiento adicional de usuario avanzado.

Costo: Alto.

 

Cámara 3D

MotoSight 3D BinPick de Yaskawa utiliza una solución de imágenes 3D de Canon para la automatización compleja de la recolección de contenedores. Éste no es un sensor típico para aplicaciones que simplemente sueldan la misma parte y en la misma orientación. Esta solución permite el uso de un robot de manejo de materiales para recoger una pieza, colocarla en el herramental, soldar con un robot de soldadura y luego quitar la pieza para un proceso completamente automatizado. Con este tipo de tecnología, todos los factores de complejidad y costo aumentan a partir de las otras soluciones.

 

Mejor para: Automatización de partes colocadas al azar y luces apagadas cuando se colocan en un accesorio.

No recomienda para: Trabajos más simples que pueden ser realizados más económicamente.

Complejidad: Muy Alta. Se requiere entrenamiento adicional de usuario avanzado.

Costo: Muy alto.

 

¿Cuándo los sensores tienen sentido?

La tecnología de sensores ha recorrido un largo camino en el pasado reciente, proporcionando ventajas innovadoras para los usuarios finales que abarcan diversas industrias. Desde robots de soldadura industrial hasta robots de colaboración humana (cobots), las mejoras en la tecnología de sensores ayudan a las empresas a manejar la diversidad de aplicaciones requeridas, especialmente en lo que respecta a la soldadura robótica. Incluso los sensores de escaneo y modelado 3D que se han desarrollado para la inspección se están investigando para la programación automatizada de soldadura única para abrir otra generación de soluciones innovadoras.

 

Entonces, ¿cuándo tienen sentido los sensores? Si uno tiene una parte redundante con variaciones que las herramientas y la consistencia de la pieza, o el diseño, no pueden resolver, habrá un sensor que sí podrá. Teniendo esto en cuenta, las expectativas de recuperación de la inversión deben establecerse con objetivos claros asociados con la inversión (reducción de desperdicios, calidad mejorada, menos tiempo de inactividad, producción mejorada, etc.). Si bien el costo inicial de la implementación robótica puede parecer abrumador para algunos fabricantes, comprender el ahorro de costos asociado con un enfoque a largo plazo de la automatización, y las tecnologías posteriores, como los sensores, es esencial.

 

El retorno de la inversión generalmente se realiza rápidamente, aparte del impacto de la etiqueta, y se debe analizar con más detalle con un integrador de automatización. Además, la información sobre los diferentes tipos de sensores (y sus capacidades) disponibles para soluciones avanzadas de soldadura robótica facilitará a los fabricantes abordar las tareas más difíciles, peligrosas y sucias.

Accesorios para Sistemas Inflables de Purga de Soldadura

 

Al soldar metales como el acero inoxidable, el titanio y el zirconio, es importante que la zona de soldadura se purgue de oxígeno hasta a unas 10 partes por millón (ppm), antes, durante e inmediatamente después de la soldadura, con el fin de lograr una soldadura limpia, libre de óxido y sin decoloración.

 

Huntingdon Fusion Techniques HFT® tiene disponible accesorios para la gama de sistemas inflables para purga de soldadura, los cuales incluyen una manguera para gas argón con una conexión hermética, el PurgeGate® para asegurar que las presas inflables no se estallen por sobre inflación y también Forros resistentes al calor para las bolsas inflables en todos los tamaños y contra toda temperatura.

 

Los conjuntos de mangueras para gas Argón hechas a la medida y con conexiones herméticas, se conectan en un extremo, a la gama de sistemas inflables para purga de tubos, y a la fuente de gas en el otro. Estas mangueras especiales para el flujo de gas Argón de alta calidad, que también se pueden utilizar para transportar nitrógeno, vienen equipadas con conectores herméticos a cada extremo, los cuales proporcionan un método garantizado anti fugas de introducir gas argón no contaminado a su zona de soldadura.

 

Las mangueras de gas argón también se pueden suministrar a todos los soldadores TIG / GTAW, con su propio conector especial según sea necesario. Las mangueras vienen disponibles en un rango de longitudes estándar: 30 m, 25 m, 20 m, 15 m, 10 m y 5 m. Conforme a la Norma Británica BS EWN 599 Estándar de Calidad, las mangueras para gas Argón soportan temperaturas desde -30º a 80º C y tiene un factor de seguridad de tres veces la presión de trabajo, 20 bar (300 psi).

 

Para evitar que se suministre demasiada presión a los sistemas inflables para purga de soldadura, se dispone de un sistema de válvulas llamado PurgeGate®. Estos innovadores dispositivos que vienen instalados como estándar en los Sistemas HotPurge® y QuickPurge®, se ofrecen como accesorios para las versiones PurgElite®, PurgExtra® y cualquier otra versión de Sistema Inflable para la purga de tubos.

 

Las Válvulas PurgeGate® son fáciles de conectar, son simplemente del estilo plug and play. Se adaptan a todos los tamaños de sistemas desde 1” a 88” y se pueden cambiar de un sistema a otro.

 

Los forros resistentes al calor están disponibles para los sistemas de purga PurgElite® y PurgExtra®, con una resistencia a temperaturas de hasta 300º C, disponibles de 1 a 24 pulgadas.

 

Los forros resistentes al calor se ajustan al sistema de purga de soldadura por medio de tiras y se le perforan agujeros para conectores de entrada, escape y de extremos engarzados. Los forros se pueden adquirir individualmente en caso de daños o pérdida, o en pares para nuevos requerimientos.

 

Muchas empresas todavía fabrican presas caseras hechas de esponja, cartón, cinta adhesiva, madera, etc. Al igual que el papel, estos materiales contienen un alto porcentaje de agua, el cual es indeseable tener en la presencia de una soldadura. A medida que estas presas y materiales de mala calidad se van calentando por la operación de la soldadura, también comienzan a soltar gases, el cual, al combinarse con la piscina de la soldadura, puede causar porosidad y oxidación.

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