Nueva tecnología para soldadura robótica

Aug 07, 2023

Impulsada por la demanda de la industria automotriz, la soldadura láser es una de las aplicaciones de más rápido crecimiento para los robots de seis ejes. Foto cortesía de ABB Robotics

El paquete de preparación para la soldadura por láser requiere cierto cuidado para su instalación. Deben respetarse las restricciones del radio de curvatura y los cables no pueden recibir golpes. Foto cortesía de Comau LLC

Ya sea que el robot se utilice para GTAW o GMAW, los expertos recomiendan una máquina diseñada específicamente para la tarea. Foto cortesía de FANUC America Corp.

ABB ha añadido recientemente el proceso TIP TIG a su plataforma de tecnologías de soldadura robótica. En lugar de suministrar el alambre de relleno al baño de soldadura a una velocidad continua, el alimentador agita el alambre de un lado a otro. La corriente eléctrica, suministrada por una fuente de energía secundaria, también se aplica al alambre de relleno. Foto cortesía de ABB Robotics

Con la soldadura sin accesorios, la parte base se ubica en un accesorio simple. Luego, un robot de manipulación de materiales guiado por visión toma la pieza que se va a soldar, la coloca en su lugar en la pieza base y la mantiene allí mientras un robot de soldadura por arco realiza su tarea. Foto cortesía de FANUC America Corp.

La soldadura de un tipo u otro ha sido la aplicación número uno para los robots industriales casi desde que se inventó la tecnología.

Según la Federación Internacional de Robótica, el 50 por ciento de todos los robots del mundo se utilizan para soldar. Específicamente, el 33 por ciento se emplea para soldadura por puntos, el 16 por ciento realiza soldadura por arco y el 1 por ciento realiza algún otro tipo de operación de soldadura.

Con los robots de seis ejes, los ensambladores pueden soldar piezas mejor, más rápido, de manera más uniforme y segura. Y, las capacidades de los robots de soldadura han mejorado dramáticamente en los últimos años, incluso cuando se han vuelto más fáciles de usar y menos costosos de implementar. Una tecnología que alguna vez fue competencia exclusiva de los OEM de automóviles y otros grandes fabricantes ahora está al alcance de las pequeñas y medianas empresas.

No es de extrañar, entonces, que se espere que el mercado mundial de robots de soldadura crezca un 6,09 % anual hasta 2019, según la firma de investigación de mercado Technavio.

Impulsada por la demanda de la industria automotriz, la soldadura láser es una de las aplicaciones de más rápido crecimiento para los robots de seis ejes. Los fabricantes de automóviles están bajo presión para reducir el peso del vehículo, y la soldadura láser aborda ese problema en varios frentes, dice Mark Anderson, director de materiales y tecnología de Comau LLC.

Por ejemplo, para ahorrar peso, los fabricantes de automóviles utilizan cada vez más tubos hidroformados para varios componentes del chasis. La unión de láminas de metal a dichos tubos plantea un problema para la soldadura por puntos de resistencia, que requiere acceso a ambos lados del conjunto. La soldadura láser no comparte esa limitación. Solo requiere acceso a un lado del conjunto.

Además, debido a que el punto focal del rayo láser es tan pequeño, las bridas de las piezas para las juntas traslapadas pueden ser más estrechas que las diseñadas para la soldadura por puntos de resistencia, dice Anderson. Menos metal significa menos peso y costos más bajos.

"Las tapas de los extremos de una pistola de soldadura por puntos pueden tener un diámetro de 0,25 pulgadas", explica. "Eso significa que la brida debe tener al menos 10 o 12 milímetros de ancho. Con la soldadura láser, puede tener un tamaño de punto de 1 milímetro de diámetro. Ahora, su brida puede tener solo 3 o 4 milímetros de ancho. Eso es un ahorro del 50 por ciento en materia".

La necesidad de reducir el peso de los vehículos también hace que los fabricantes de automóviles ensamblen carrocerías con una variedad de materiales en una variedad de espesores. En algún momento, todas las partes del panel de una puerta podrían haber sido estampadas a partir del mismo rollo de chapa de acero. Hoy en día, ese mismo panel de puerta puede constar de cinco materiales diferentes de distintos grosores.

La soldadura láser también puede ayudar con ese desafío. "Un rayo láser puede producir mucho más calor que GMAW [soldadura por arco metálico con gas]", dice Mark X. Oxlade, gerente de desarrollo de mercado para soldadura y corte en ABB Robotics. "Los materiales diferentes se pueden unir más fácilmente a estas temperaturas más altas".

Debido al tamaño de las herramientas del extremo del brazo (EOAT), la soldadura por resistencia requiere un robot bastante fuerte con una alta capacidad de carga útil, alrededor de 100 a 250 libras. Por otro lado, las herramientas para GMAW son más pequeñas y livianas, por lo que un robot con una capacidad de carga útil de 20 a 40 libras podría ser suficiente.

La soldadura láser está en algún lugar en el medio, dice Anderson. En estos días, la fuente de luz láser en sí misma (un láser de fibra, diodo o disco) no forma parte de la EAOT. Más bien, el láser está ubicado lejos del robot y el haz se envía al EAOT a través de un cable de fibra óptica. Por lo tanto, el robot solo necesita transportar varias ópticas (el cabezal láser), cables y herramientas auxiliares, como una rueda de presión para ayudar a sujetar las piezas durante la soldadura. Como resultado, es posible que los ensambladores solo necesiten un robot con una capacidad de carga útil de 60 a 90 libras.

Por otro lado, los robots con una capacidad de carga útil más baja generalmente también tienen un alcance más corto. Por lo tanto, si se desea un entorno de trabajo más grande, es posible que los ensambladores deseen actualizar a un robot de mayor capacidad.

El paquete de vestimenta para un robot de soldadura por láser es similar al de otros tipos de robots de soldadura, excepto que los cables de fibra óptica sustituyen a los cables eléctricos.

"El paquete de revestimiento para la soldadura por láser requiere cierto cuidado para configurarlo, probablemente más que con la soldadura por puntos de resistencia", advierte Anderson. "Se deben cumplir las restricciones del radio de curvatura y los cables no pueden recibir golpes".

Los proveedores de láser como Trumpf Inc. e IPG Photonics Corp. están trabajando en estrecha colaboración con los OEM de robótica para que las dos tecnologías funcionen en armonía. Por ejemplo, ABB ha desarrollado una interfaz que permite controlar el cabezal láser de óptica de enfoque programable (PFO) de Trumpf a través del controlador de robot de ABB en lugar de una PC externa.

"Eso produce enormes mejoras en el tiempo de ciclo", dice Oxlade. "De un tercio a dos tercios del tiempo de ciclo típico puede reducirse simplemente por esa capacidad. Históricamente, solía tener que moverse a un punto, soldarlo, moverse a otro, etc. Ahora, el software simplemente le permite hágalo como un movimiento radical, y eso es un gran ahorro de tiempo de ciclo".

El PFO posiciona el rayo láser con dos espejos giratorios para maximizar las velocidades de procesamiento y posicionamiento y reducir el tiempo total del ciclo. El rayo láser se puede colocar en cualquier posición predefinida dentro del espacio del proceso o se puede guiar sobre cualquier contorno. La soldadura por puntos, la soldadura por puntadas, la soldadura por costura continua y el corte son posibles sin mover la pieza de trabajo o la óptica de enfoque.

El PFO está disponible para láseres de estado sólido de onda continua y pulsada. Diferentes distancias focales que van desde 90 a 1200 milímetros permiten diferentes tamaños de campo de procesamiento.

El procesamiento se puede realizar "sobre la marcha" para minimizar los tiempos de posicionamiento debido a la superposición del movimiento del robot y del escáner. Dependiendo de la distancia focal, se pueden lograr áreas de trabajo desde 56 por 56 milímetros hasta 406 por 630 milímetros.

Con el PFO, el movimiento de oscilación del punto láser se puede ajustar individualmente para una calidad óptima de la costura de soldadura tanto con soldadura por conducción de calor como con soldadura de penetración profunda.

"Un rayo láser es muy delgado", explica Oxlade. "Entonces, si no da en el blanco exactamente, la calidad puede degradarse. Con el PFO, puede difundir el haz. Puede oscilar y oscilar el haz, un poco como tejer en la soldadura por arco".

Por lo tanto, aún se puede producir una soldadura de alta calidad incluso si la posición de las piezas está un poco desviada.

Aunque la soldadura láser robótica ha llamado mucho la atención últimamente, la tecnología de soldadura por arco robótica también ha mejorado significativamente en los últimos años.

Por ejemplo, ABB ha añadido recientemente el proceso TIP TIG a su plataforma de tecnologías de soldadura robótica. Desarrollado por TIP TIG International AG, el proceso es una variación de la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW). En lugar de suministrar el alambre de relleno al baño de soldadura a una velocidad continua, el alimentador agita el alambre de un lado a otro. La corriente eléctrica, suministrada por una fuente de energía secundaria, también se aplica al alambre de relleno.

GTAW ha sido notoriamente difícil de realizar con robots de seis ejes, porque el ajuste de la pieza antes de la soldadura tenía que ser preciso y repetible, explica Oxlade.

"La vibración del alambre de relleno hace que el proceso sea más indulgente con el ajuste de las piezas y facilita la humectación de los lados de la junta", dice. "También hay otros beneficios, como una menor entrada de calor y velocidades de desplazamiento más altas. Por lo general, GTAW es extremadamente lento, pero con TIP TIG robótico, puede acercarse a las velocidades de GMAW".

Ya sea que el robot se utilice para GTAW o GMAW, los expertos recomiendan una máquina diseñada específicamente para la tarea.

Un buen ejemplo es el ARC Mate 100iC/8L de FANUC America Corp. Presentado el otoño pasado, el robot tiene un alcance de 2028 milímetros y una carga útil de 8 kilogramos.

Como todos los robots FANUC, el ARC Mate 100iC/8L funciona con el controlador R-30iB más reciente de la empresa con funciones inteligentes integradas, como visión y control secundario integrado, simulación Roboguide y software DCS Speed ​​and Position Check.

Además del Modelo 8L, la serie ARC Mate 100iC incluye el Modelo 12 con un alcance de 1420 milímetros y una carga útil de 12 kilogramos, y el Modelo 7L con un alcance de 1632 milímetros y una carga útil de 7 kilogramos. Los robots se pueden montar en el suelo, por encima de la cabeza o en ángulo, y la articulación 3 se puede voltear.

"Uno de nuestros principales objetivos al diseñar la serie 100iC era crear un robot con un tamaño compacto, pero con un alcance y una carrera máximos para llegar alrededor de cualquier pieza y orientar la antorcha a diferentes áreas de la pieza", dice Mark Scherler, gerente general. para unión de materiales en FANUC America Corp.

Todos los robots 100iC tienen una muñeca hueca, lo que simplifica el enrutamiento de cables y tubos, lo que elimina los problemas de gestión de cables, dice Scherler. En comparación con los paquetes de vestimenta tradicionales, que se montan externamente en el brazo del robot, el enrutamiento interno del ARC Mate 100iC permite que el paquete de vestimenta siga el rango de movimiento del robot, simplificando la programación y eliminando las preocupaciones de doblar, enganchar o romper cables.

Los robots ARC Mate 100iC y el controlador R-30iB se pueden integrar en un sistema de soldadura que incluye el cable de la antorcha de soldadura, el alimentador de alambre y la fuente de alimentación de soldadura. FANUC ha trabajado en estrecha colaboración con el proveedor de equipos de soldadura Lincoln Electric Co. para desarrollar una interfaz basada en Ethernet, ArcLink XT, entre el controlador del robot y la fuente de alimentación de soldadura.

"Como resultado, todo el trabajo de configuración para una aplicación de soldadura por arco robótica se puede realizar a través de la consola portátil del robot", explica Scherler. "No es necesario realizar ninguna programación adicional con la fuente de alimentación".

Otra tecnología nueva para la soldadura por arco robótica es la "soldadura sin accesorios". Por lo general, la soldadura por arco robótica requiere que las piezas se posicionen de manera rígida y precisa en un accesorio costoso que generalmente está diseñado solo para esa aplicación. Con la soldadura sin accesorios, la parte base se ubica de manera segura en un accesorio más simple. Luego, un robot de seis ejes guiado por visión diseñado para el manejo de materiales toma la pieza que se va a soldar, la coloca en su lugar en la pieza base y la mantiene allí mientras el robot de soldadura por arco 100iC realiza su tarea.

"Con la soldadura sin accesorios, sus costos de capital se reducen. No está construyendo accesorios especiales para cada trabajo. Le brinda más flexibilidad", dice Scherler.