La soldadura láser se hace manual

Buscando liberar su restricción de GTAW, Food Warming Equipment Co. Inc. eligió la soldadura por láser, controlada no con un control remoto de robot 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 sorprendentes. Un componente de puerta complejo 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 puede tener una óptica de exploración que salta 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 correcta. ¿Por qué? Es probable que se deba a la combinación de productos. Los fabricantes de una mezcla de productos alta, ya sean talleres u OEM, encuentran estos sistemas fascinantes, aunque no muy prácticos. Sí, está el problema de la tolerancia a las brechas, pero los procesos de precisión anteriores 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 y no saber cuál será esa pieza: una pieza repetitiva, una pieza modificada de una configuración estándar o una pieza completamente nueva. Claro, la programación fuera de línea, la simulación y el desarrollo de accesorios han recorrido un largo camino. Pero en la soldadura láser mecanizada y robótica, alguien aún debe desarrollar y administrar esos programas.

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

El área de soldadura final de la empresa involucra varias soldaduras cosméticamente críticas en acero inoxidable y aluminio, y la mayoría de los empleados en el área manejan una antorcha de soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW). Pero una estación de trabajo se destaca. En lugar de empuñar una antorcha de tungsteno, el soldador observa a través de un microscopio estereoscópico y maneja un joystick para controlar la velocidad de avance de la soldadura. Está soldando con un rayo de un 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 impresionantes 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 con láser de la empresa no requieren accesorios especiales. Los trabajos típicos implican costuras finales o soldaduras de esquina para bandejas de agua o tapas de gabinetes. Pero el operador dedica tiempo a posicionar 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 material de calibre delgado de FWE, pero lo suficientemente bajo como para que la fuente de energía del láser no requiera un enfriador. De Alliance Specialties and Laser Sales, Wauconda, Ill., el sistema se puede encontrar en varios talleres en el negocio de reparación y fabricación de moldes, pero también puede funcionar bien para láminas de metal de calibre delgado. Algunos trabajos de soldadura láser en FWE involucran 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 particularmente rápido. Sin embargo, la velocidad de soldadura en sí misma es irrelevante, considerando el ahorro de tiempo en el esmerilado y pulido. Para estas soldaduras finales, estéticamente importantes, un empleado que recibe una pieza soldada con arco de tungsteno y 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 toma unos segundos.

FWE no rehuye la automatización. Su sistema de corte por láser, completo con almacenamiento y recuperación automatizados de materiales, levanta los paneles del nido de corte 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 a las prensas plegadoras ubicadas no en un departamento sino dispuestas estratégicamente en flujos de valor. La empresa tiene dos prensas plegadoras robóticas con cambio automático de herramientas, y cada plegadora manual tiene herramientas dedicadas estratégicamente organizadas para que los operadores puedan intercambiar punzones y matrices en minutos.

Pero siga esos flujos de valor aguas abajo y 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 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 soldadura de acabado en 2016, sabían que la restricción no era soldar, sino pulir. Otro desafío fue la habilidad del operador. Encontrar soldadores calificados 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 tienes un arco. Solo tienes un haz que funde ambos materiales a la vez".

Entonces se enfocaron 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 por láser es un mundo automatizado, particularmente en la fabricación de láminas de metal en EE. UU. Aunque ciertamente no es desconocido en todo el mundo, la soldadura láser manual es una rareza en los Estados Unidos. Pero existen sistemas de soldadura manual por láser, y algunos son de uso generalizado 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 con forma tal que si no toca el metal base, el láser no se enciende. El operador usa anteojos seguros para láser conectados a la máquina; si los vasos se deslizan, la máquina se detiene.

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

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

En última instancia, 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, lo que no sorprende, considerando que Alliance se lanzó como (y sigue siendo) un taller de mantenimiento y reparación 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.

La cabeza del láser está unida a un pequeño pórtico montado en un solo pedestal que le da a la cabeza 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 solo necesita una buena línea de visión", dijo Demakis. "Hablando en general, podría tener una junta interior en una cavidad a la que quizás no pueda acceder con soldadura manual. Pero si tiene una buena línea de visión, hay una buena posibilidad de que pueda soldarla 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 los residuos produjeron un poco de humo (que ahora se elimina 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, agregó que aunque los residuos pegajosos no causarán problemas, los recubrimientos sí pueden. La soldadura láser de metal galvanizado, material anodizado o cualquier otra cosa con un revestimiento producirá la desgasificación y la porosidad. FWE no utiliza dicho material, por lo que no es un factor.

"Pero en el pasado, [Alliance] ha trabajado en aplicaciones en las que un material revestido no se soldaba. Por ejemplo, una aplicación involucró un aluminio con un revestimiento muy grueso. Soldábamos unir las dos piezas y se resquebrajaban. a mano. Tenían muy poca fuerza. Probamos el arenado, probamos la limpieza y todo lo que pudimos para deshacernos del recubrimiento. 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 áreas que necesitaban ser soldadas. 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 10x, que actúa como las gafas de seguridad seguras para láser del 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.

"Ejecutamos argón puro", dijo Adams, "aunque descubrimos que en realidad suelda sin protección. La única diferencia es que la soldadura no es tan limpia. Se necesita un poco de pulido. Pero si suelda una pieza y usa protección gas, en muchos casos simplemente no se necesita pulir en absoluto. Está tan limpio que ni siquiera necesita tocarlo". Y ese beneficio, dijo Adams, es una de las principales razones por las que FWE invirtió en soldadura láser en primer lugar.

La empresa almacena programas que definen, entre otros parámetros, la frecuencia de pulso, que puede ir de 0 a 50 pulsos por segundo. "Tenemos una configuración básica de 10 pulsos por segundo", dijo Adams, y agregó que esto, junto con la configuración de temperatura estándar, actúa como referencia, 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.

En parte, esto ha acortado significativamente la capacitación, dijo Coddington, y agregó que, en la mayoría de los casos, la capacitación toma solo unas pocas horas. En general, dijo que un soldador puede aprender a ser competente con un rayo láser mucho más rápido que con una antorcha de tungsteno. "Al mismo tiempo, también es lo suficientemente flexible como para que podamos hacer una variedad de partes en él. Y no necesitamos depender de la programación, como lo haríamos si tuviéramos un sistema robótico".

Demakis en Alliance agregó una advertencia. "Por supuesto, si está soldando geometrías complejas, se convierte en una forma de arte como lo sería con cualquier otro proceso de soldadura. Pero si solo se está mojando los pies y está soldando geometrías simples, puede estar soldando en uno o dos días. "

La mayoría de las soldaduras láser en FWE se realizan en juntas de esquina a tope o de filete. Y para aproximadamente el 90 por ciento de su trabajo, los operadores sueldan con láser sin metal de aporte, una hazaña lograda gracias a los espacios consistentes creados por los procesos anteriores, especialmente las modernas prensas plegadoras y herramientas de la compañía. La máquina también permite a los soldadores ajustar el "ancho de pulso". Un pulso más amplio esencialmente introduce un bamboleo en el foco del láser, lo que puede ayudar a compensar la variación del espacio y otros desafíos e inconsistencias de geometría conjunta.

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.

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

Las tolerancias de separación típicas para la soldadura láser autógena pueden ser de ±1/32 pulg. Dicho esto, en ocasiones, la separación entre las piezas de acoplamiento 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 delgada, casi como 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 aporte y lo alimenta a través de la junta. La energía extremadamente concentrada del rayo láser mantiene la piscina; el relleno solo asegura la fusión completa a través del espacio de soldadura.

Con GTAW, el soldador trabaja para mantener un baño de soldadura uniforme. Si usa GTAW con una varilla de relleno, sumerge la varilla en el charco para mantener la consistencia y permitir que el metal base fundido fluya de manera uniforme, creando ese aspecto característico 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, estás empujando el metal a través [de la junta] y estás yendo contra la gravedad".

FWE está explorando la posibilidad de traer otro sistema de soldadura láser internamente, 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 alimentos pesados. productos de carritos de calentamiento diseñados para su uso en prisiones.

"Si pasa a un sistema [controlado por joystick] de 600 vatios, necesita un enfriador", dijo Niggemann. "Pero puede soldar con costura material de al menos 1/8 de pulgada".

FWE continúa analizando todas las formas de automatización de 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 todo un carro para calentar alimentos en un instante, pero de poca utilidad para FWE, un OEM que esencialmente actúa como un taller, produciendo todo a pedido.

Cuando un soldador mira a través del microscopio estereoscópico 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-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.