La soldadura láser se vuelve manual

Buscando liberarse de su restricción GTAW, Food Warming Equipment Co. Inc. optó por la soldadura láser, controlada no con un robot colgante sino con un joystick. Foto de Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

Visite un OEM automotriz o un proveedor de nivel superior (especialmente en Europa y cada vez más en América del Norte) y es muy probable que tenga una celda de soldadura láser para exhibir, muchas de ellas con una velocidad y productividad asombrosas. Un componente complejo de la puerta que anteriormente se sometía a una soldadura por puntos lenta y de varios pasos, ahora se realiza en una configuración de soldadura láser en una celda cerrada. Un láser con una distancia focal larga podría tener una óptica de escaneo que haga saltar el haz de soldadura de un punto a otro en microsegundos. Es como si hubiera llegado la era de “Star Trek”.

Muchos en la industria han estado observando la soldadura láser durante años, incluso décadas, pero simplemente no han encontrado la aplicación adecuada. ¿Por qué? Probablemente se deba a la combinación de productos. Los fabricantes con una gran variedad de productos, ya sean talleres u OEM, encuentran estos sistemas fascinantes, aunque no muy prácticos. Sí, existe la cuestión de la tolerancia a las brechas, pero los procesos ascendentes de precisión han superado muchos de esos desafíos.

El problema ahora es la flexibilidad del flujo de piezas: la necesidad de ejecutar una pieza completamente diferente tras otra, sin saber cuál será esa pieza: una pieza repetida, una pieza alterada de una configuración estándar o una pieza completamente nueva. Claro, la programación, la simulación y el desarrollo de dispositivos fuera de línea han recorrido un largo camino. Pero en la soldadura láser mecanizada y robótica, alguien todavía debe desarrollar y gestionar esos programas.

Food Warming Equipment Co. Inc. (FWE) enfrenta los mismos desafíos que muchos fabricantes de alta combinación de productos. La planta de la empresa en Portland, Tennessee, es el epítome de la fabricación flexible. El fabricante de equipos comerciales para servicios de alimentos produce bajo demanda y los clientes pueden personalizar los productos hasta el enésimo grado.

El área de soldadura final de la compañía involucra varias soldaduras cosméticamente críticas en acero inoxidable y aluminio, y la mayoría de los empleados en el área manejan un soplete de soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW). Pero una estación de trabajo se destaca. En lugar de empuñar un soplete de tungsteno, el soldador mira a través de un microscopio estereoscópico y acciona una palanca de mando para controlar la velocidad de desplazamiento de la soldadura. Está soldando con un rayo de láser de fibra. Es el resultado de una historia de aplicación que muestra que, cuando se trata de soldadura láser, la automatización no es la única respuesta.

Observe la celda de soldadura láser, separada de otras celdas GTAW por cortinas y barreras seguras para láser, y no será testigo de esas sorprendentes velocidades de soldadura. De hecho, configurar un trabajo en la celda de soldadura láser lleva un poco más de tiempo que configurarlo en las celdas GTAW. La mayoría de las piezas soldadas por láser de la empresa no requieren fijaciones especiales. Los trabajos típicos implican soldaduras finales de costuras o esquinas para recipientes de agua o tapas de gabinetes. Pero el operador dedica tiempo a colocar la pieza con precisión debajo del cabezal de soldadura láser.

El sistema utiliza un láser de fibra pulsada con una potencia media de 400 vatios y una potencia máxima de 4,5 kilovatios. Es lo suficientemente potente como para soldar el material de calibre delgado de FWE, pero lo suficientemente bajo como para que la fuente de energía del láser no requiera un enfriador. El sistema, de Alliance Specialties and Laser Sales, Wauconda, Illinois, se puede encontrar en varios talleres del sector de fabricación y reparación de moldes, pero también puede funcionar bien con láminas de metal de calibre delgado. Algunos trabajos de soldadura láser en FWE implican calibre 18. chapa, pero la mayoría de las piezas de trabajo son de calibre 20 a 23. inoxidable (magnético y no magnético) y aluminio. Los grados típicos incluyen acero inoxidable 430, acero inoxidable 301 y aluminio 3003.

El proceso de soldadura láser de FWE no es especialmente rápido. Sin embargo, la velocidad de soldadura en sí es irrelevante, considerando el ahorro de tiempo en el esmerilado y pulido. Para estas soldaduras finales, cosméticamente importantes, un empleado que recibe una pieza soldada con arco de tungsteno con gas podría pasar al menos cinco minutos esmerilando y puliendo una sola soldadura en una superficie o borde visible. La mayoría de las piezas soldadas con láser requieren pocos o ningún paso de acabado. En el peor de los casos, un trabajador podría repasar la soldadura una vez con medios de pulido, un proceso que lleva unos segundos.

FWE no rehuye la automatización. Su sistema de corte por láser, completo con almacenamiento y recuperación automatizados de material, levanta los paneles del nido cortado y utiliza transportadores para presentarlos a los manipuladores de materiales, quienes colocan los espacios en blanco en carros con estructura en A. Los espacios en blanco viajan hasta prensas plegadoras ubicadas no en un departamento sino dispuestas estratégicamente en flujos de valor. La empresa cuenta con dos plegadoras robóticas con cambio automático de herramientas, y cada freno manual tiene herramientas dedicadas ubicadas estratégicamente para que los operadores puedan intercambiar punzones y matrices en minutos.

Pero si seguimos esos flujos de valor en sentido descendente, la tecnología de fabricación cambiará. FWE no tiene robots de soldadura (láser, arco o de otro tipo). Su combinación de productos y su enfoque del flujo, con una pieza única tras otra, simplemente no se han adaptado a la automatización de la soldadura. Esto incluye el área de soldadura de alambre (para marcos de equipos y otros componentes estructurales), así como las soldaduras finales, cosméticamente críticas.

El soldador de FWE Brandon Justice sostiene firmemente un alambre de relleno muy delgado para realizar una soldadura láser alrededor de una esquina. Foto de Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

Cuando los gerentes comenzaron a examinar su acabado de soldadura en 2016, sabían que la restricción no era la soldadura, sino el pulido. Otro desafío fue la habilidad del operador. Encontrar soldadores cualificados ya es bastante difícil; encontrar uno que tenga habilidad y delicadeza con una antorcha GTAW es aún más difícil. Los soldadores tampoco podían usar GTAW cerca de imanes en puertas y otros componentes del gabinete.

"Si está cerca de un campo magnético, un soldador TIG no permitirá que el arco haga contacto", dijo Mike Adams, supervisor de soldadura de FWE. “Con la soldadura láser no se produce arco. Simplemente tienes un rayo que funde ambos materiales a la vez”.

Por eso se centraron en métodos de unión alternativos que pudieran reducir o eliminar la necesidad de esmerilar y pulir. Esto los llevó al láser. El problema es que el mundo de la soldadura láser es automatizado, particularmente en la fabricación de chapa metálica en Estados Unidos. Aunque ciertamente no es desconocida en todo el mundo, la soldadura láser manual es una rareza en Estados Unidos. Pero existen sistemas de soldadura láser manual, y algunos se utilizan ampliamente en Asia y Europa.

De hecho, Alliance Specialties and Laser Sales importa e integra un sistema de soldadura láser manual, y el equipo de Alliance lo ha probado con material de hasta 0,200 pulgadas de espesor. De hecho, algunos soldadores de FWE probaron la soldadura láser manual. La pistola tiene una punta formada de tal manera que si no toca el metal base, el láser no se activa. El operador lleva gafas protectoras contra láser conectadas a la máquina; si los vasos resbalan, la máquina se detiene.

Sin embargo, el sistema manual todavía no era lo suficientemente flexible para satisfacer las necesidades de FWE. El diseño de la punta de la antorcha la hacía un poco más voluminosa que la punta de una antorcha GTAW convencional, por lo que acceder a algunas juntas podría ser un desafío.

"También puede resultar difícil soldar con metal de aportación [en el sistema de soldadura láser manual]", dijo Tony Demakis, director de ventas y marketing de Alliance. “Si hay espacios excesivos, no hay ningún lugar donde el metal se fusione consigo mismo. Y eso habría requerido que [FWE] ajustara sus procesos y sistemas actuales para lograrlo”. (Añadió, por supuesto, que la soldadura láser manual todavía tiene aplicabilidad en una variedad de aplicaciones, lo cual es una de las razones por las que ha tenido éxito tanto en Japón como en Europa).

Al final, el equipo de FWE se decidió por el láser de fibra ID-1 de Alliance, un sistema operado por joystick que se comercializa principalmente para el negocio de moldes; no es de extrañar, considerando que Alliance se lanzó como (y sigue siendo) un taller de reparación y mantenimiento de moldes. Alliance entró en el negocio del láser construyendo sus propios sistemas para la reparación de moldes y, finalmente, comenzó a vender esos sistemas a otras empresas.

El cabezal láser está unido a un pequeño pórtico montado en un solo pedestal que le da al cabezal 6 pies de recorrido vertical. "El cabezal puede moverse hacia un lado en ángulo, lo que nos permite soldar esquinas y curvas y mantenerlo en movimiento a un ritmo agradable y constante", dijo Derek Coddington, gerente de mejora continua de FWE.

"Cuando se trata de acceso conjunto, el sistema sólo necesita una buena línea de visión", afirmó Demakis. “En términos generales, es posible que tenga una junta interior en una cavidad a la que quizás no pueda acceder con soldadura manual. Pero si tienes una buena línea de visión, es muy probable que puedas soldarlo con láser”. La clave es elegir la distancia de separación correcta, dictada por la lente focal, para colocar el punto de enfoque donde debe estar para la soldadura.

Durante las pruebas, el sistema en FWE pareció producir soldaduras limpias incluso a través de los residuos dejados por las películas protectoras recién retiradas, aunque el residuo produjo un poco de humo (ahora eliminado con un sistema de vacío local).

Una soldadura láser autógena completa en una junta de esquina no requiere esmerilado ni pulido. Foto de Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

Doug Niggemann, vicepresidente de Alliance, añadió que aunque los residuos pegajosos no causan problemas, los recubrimientos sí pueden. La soldadura láser de metal galvanizado, material anodizado o cualquier otra cosa con un recubrimiento producirá desgasificación y porosidad. FWE no utiliza dicho material, por lo que no es un factor.

“Pero en el pasado, [Alliance] trabajó en aplicaciones donde un material recubierto no soldaba. Por ejemplo, una aplicación involucraba un aluminio con una capa muy gruesa. Soldaríamos las dos piezas y se separarían a mano. Tenían muy poca fuerza. Probamos con chorro de arena, intentamos limpiar y todo lo que pudimos para deshacernos del revestimiento. Así que terminamos creando un programa en nuestra máquina de grabado láser”.

Actuando como un sistema de limpieza láser, el sistema de grabado eliminó el recubrimiento en las áreas que necesitaban soldarse. Con eso la empresa pudo soldar las piezas.

Para operar el sistema láser en FWE, el soldador coloca la pieza de trabajo debajo del cabezal láser y el microscopio estereoscópico de 10x, que actúa como gafas de seguridad para el operador. (Cualquier observador cercano dentro de la celda debe usar gafas de seguridad adecuadas para láseres de Clase 4). Luego coloca la boquilla para el blindaje de argón.

“Utilizamos argón puro”, dijo Adams, “aunque hemos descubierto que en realidad suelda sin protección. La única diferencia es que la soldadura no está tan limpia. Se necesita un poco de pulido. Pero si sueldas una pieza y utilizas gas protector, en muchos casos simplemente no es necesario pulirla. Está tan limpio que ni siquiera necesitas tocarlo”. Y ese beneficio, dijo Adams, es una gran razón por la que FWE invirtió en soldadura láser en primer lugar.

La empresa almacena programas que definen, entre otros parámetros, la frecuencia de pulso, que puede oscilar entre 0 y 50 pulsos por segundo. "Tenemos una configuración básica de 10 pulsos por segundo", dijo Adams, y agregó que esto, junto con el ajuste de temperatura estándar, actúa como base, junto con ciertos niveles de penetración. Los operadores pueden ajustarlos según la geometría de la soldadura y la rapidez con la que se desplazan. Un viaje más rápido requiere más pulsos, un viaje más lento requiere menos pulsos.

Esto, en parte, ha acortado significativamente el entrenamiento, dijo Coddington, añadiendo que en la mayoría de los casos, el entrenamiento dura sólo unas pocas horas. En general, dijo, un soldador puede aprender a dominar un rayo láser mucho más rápido que un soplete de tungsteno. “Al mismo tiempo, también es lo suficientemente flexible como para que podamos fabricarle una variedad de piezas. Y no necesitamos depender de la programación, como lo haríamos si tuviéramos un sistema robótico”.

Demakis de Alliance añadió una advertencia. “Por supuesto, si se sueldan geometrías complejas, se convierte en una forma de arte, como lo sería con cualquier otro proceso de soldadura. Pero si simplemente te mojas los pies y sueldas geometrías simples, puedes soldar en uno o dos días”.

La mayor parte de la soldadura láser en FWE se realiza en juntas de esquina a tope o en ángulo. Y durante aproximadamente el 90 por ciento de su trabajo, los operadores sueldan con láser sin metal de aportación, una hazaña lograda gracias a las constantes brechas creadas por los procesos upstream, especialmente las modernas plegadoras y herramientas de la empresa. La máquina también permite a los soldadores ajustar el "ancho de pulso". Un pulso más amplio esencialmente introduce una oscilación en el enfoque del láser, lo que puede ayudar a compensar la variación del espacio y otros desafíos e inconsistencias de la geometría de las articulaciones.

El supervisor de soldadura Mike Adams realiza una soldadura láser autógena en una junta de esquina. Foto de Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

"Al utilizar un soldador láser, necesitábamos eliminar por completo el espacio de la junta", dijo Adams. “Estás soldando con un peine de dientes finos. Miras por un microscopio y algo que no parece más grande que un cabello es realmente crucial”.

Las tolerancias de espacio típicas para la soldadura láser autógena pueden ser de ±1/32 pulg. Dicho esto, en ocasiones el espacio entre las piezas coincidentes puede ser mayor o la naturaleza de la geometría de la junta en sí misma puede no prestarse a la soldadura autógena.

"A veces simplemente no tienes suficiente material base para extraer", dijo Adams, explicando que cuando esto sucede, los materiales base simplemente no fluyen juntos como deberían.

En estos casos, el operador utiliza una varilla de relleno muy fina, casi parecida a un cabello. A diferencia de GTAW, el soldador láser no sumerge la varilla en el baño de soldadura. De hecho, la generación del baño de soldadura es fundamentalmente diferente con el láser, razón por la cual el proceso láser tiene una zona afectada por el calor tan estrecha. En cambio, el soldador mantiene estable el metal de aportación y lo alimenta a través de la junta. La energía extremadamente concentrada del rayo láser mantiene la piscina; el relleno solo asegura una fusión completa a través del espacio de soldadura.

Con GTAW, el soldador trabaja para mantener un baño de soldadura consistente. Si usa GTAW con una varilla de relleno, sumerge la varilla en el charco para mantenerla consistente y permitir que el metal base fundido fluya uniformemente, creando esa apariencia característica de pila de monedas de diez centavos.

"Con TIG, la gravedad ayuda a que el metal fundido fluya hacia el charco", dijo Adams. "Pero con el láser, empujas el metal a través [de la articulación] y vas en contra de la gravedad".

FWE está explorando la posibilidad de incorporar otro sistema de soldadura láser interno, uno con mayor potencia (como una corriente promedio de 600 W) que podría manejar láminas de metal más gruesas, como calibre 10 o 12, para algunos de sus productos de alimentos de uso pesado. Productos de carro calentador diseñados para su uso en prisiones.

"Si se pasa a un sistema de 600 vatios [controlado por palanca de mando], se necesita un enfriador", dijo Niggemann. “Pero puedes soldar al menos 1/8 de pulgada. material."

FWE continúa analizando todas las formas de automatización de la soldadura, incluida la programación fuera de línea, la simulación y cualquier otra cosa que pueda mantener o aumentar la flexibilidad del departamento de soldadura.

Dicho esto, la automatización no puede sacrificar la flexibilidad. Sería divertido observar un sistema que pueda soldar un carrito calentador de alimentos completo en un instante, pero de poca utilidad para FWE, un OEM que esencialmente actúa como un taller de trabajo, produciendo todo a pedido.

Cuando un soldador mira a través del microscopio estereoscópico de 10x, ve una vista clara de la soldadura láser, incluida esa apariencia limpia de “pila de monedas de diez centavos”, solo que a pequeña escala. Foto de Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

Los gerentes ven la configuración actual de la empresa como un término medio entre una operación manual y una automatización completa. La velocidad de soldadura no es espectacular, pero cuando FWE analizó el panorama general y el tiempo total del ciclo de soldadura, esmerilado y pulido, adoptar el proceso de soldadura láser tuvo mucho sentido.

Fotos de Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

Fotos de Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.