Soldadura tradicional versus láser

Con velocidades de procesamiento mucho más rápidas y una mayor calidad, podría pensar que la soldadura láser se haría cargo rápidamente del campo. Pero la soldadura tradicional se mantiene. Y dependiendo de a quién le pregunte y qué aplicaciones considere, es posible que nunca desaparezca. Entonces, ¿cuáles son los pros y los contras de cada método que continúan dando como resultado un mercado mixto?

Los métodos tradicionales de soldadura siguen siendo populares. En términos generales, los tres tipos de soldadura tradicionales utilizados en la industria son MIG (gas inerte de metal), TIG (gas inerte de tungsteno) y punto de resistencia. En la soldadura por puntos de resistencia, dos electrodos presionan las piezas que se unirán entre sí, se fuerza una gran corriente a través de ese punto y la resistencia eléctrica del material de la pieza genera el calor que suelda las piezas. Es un método rápido y, según Erik Miller, gerente de desarrollo de negocios del grupo láser de Miller Electric Mfg LLC en Appleton, Wisconsin, ha sido el método dominante utilizado en la industria automotriz, especialmente para carrocerías. Pero, agregó, el mayor mercado para la soldadura láser ha sido el reemplazo de la soldadura por puntos de resistencia. Por el contrario, Miller no ha visto "ningún tipo de avalancha" en el reemplazo del láser TIG o MIG. E incluso dentro del grupo de automatización de la empresa, aproximadamente el 90 por ciento de los proyectos están en MIG.

¿Qué explica la perdurable popularidad de MIG? "El consumible es un cable de alimentación continua", dijo Miller. "Así que está agregando material y reforzando la soldadura, haciéndola perfecta para una soldadura de filete [en la que las piezas son perpendiculares]". El láser autógeno fusiona los dos materiales originales. Un láser puede hacer una soldadura de filete, pero la exactitud y precisión de las piezas y todo lo demás tiene que ser un orden de magnitud más ajustado, según Miller.

"Con una soldadura MIG en un filete, la tolerancia es de al menos más o menos la mitad del diámetro del alambre y, en general, incluso más", dijo. Asimismo, la ventana de proceso de MIG para otros tipos de soldaduras es mucho mayor que la del láser. En otras palabras, las piezas no tienen que ser tan precisas y los accesorios no tienen que garantizar un ajuste casi perfecto, como ocurre con el láser autógeno.

La soldadura MIG también es más fácil de automatizar. Como dijo Miller, los únicos factores que debe controlar son la velocidad de desplazamiento, el voltaje, el amperaje, el ángulo de la antorcha y el ángulo de trabajo, y "si hace cinco de las diez cosas bien, obtendrá una buena soldadura". La automatización de la soldadura por láser requiere un robot con excelente precisión de trayectoria y repetibilidad, y hay más factores que controlar en el proceso de soldadura. TIG es similar en este sentido.

Eso no quiere decir que automatizar la soldadura MIG sea tan fácil que cualquiera pueda hacerlo. Todavía requiere un experto para hacer la programación y diagnosticar problemas. Ed Hansen, director de gestión global de productos, automatización flexible, para ESAB Welding & Cutting Products, Denton, Texas, dijo que esa es otra ventaja para MIG.

"Después de muchos años de evidencia empírica y científica, la soldadura tradicional se entiende bien. Sabemos lo que se necesita para hacer un resultado predecible que entregue la unión que requiere la estructura. Y aunque hablamos de la escasez de mano de obra calificada, que es una verdadera problema para la industria, todavía hay una gran cantidad de soldadores, técnicos e ingenieros experimentados que están familiarizados con la gestión de esos procesos tradicionales". Para la mayoría de los productos, es una solución simple y económica que brinda resultados aceptables.

Es el caso de que el costo inicial de un sistema MIG o TIG es menor que un sistema láser. Sin embargo, el costo de los láseres se ha reducido y seguirá haciéndolo. "El láser cuesta entre un tercio y la mitad del costo de un sistema de soldadura por láser", dijo Hansen, "y el costo en función de la capacidad de soldadura está cayendo entre un 10 y un 15 por ciento por año".

Miller también señaló que "el cabezal de proceso láser es más costoso que los cabezales tradicionales, la fibra de entrega es costosa y la protección de una celda láser también es más costosa". Por ejemplo, una celda láser debe ser "hermética a la luz", con paredes de 4" (101,6 mm) de espesor para soportar un impacto directo durante 10 minutos sin quemarse. (El láser no estaría enfocado en una superficie de 4" [101,6 mm] profundidad de espesor.) Los sistemas TIG y MIG se pueden proteger con láminas de metal económicas que permiten espacios.

Por otro lado, cuando se toman en cuenta las diferencias en el rendimiento y el costo por pieza, el láser a menudo gana, como veremos. Eso es particularmente cierto para TIG, que es un proceso muy lento que requiere un alto grado de habilidad, lo que hace que su uso sea costoso. Por esa razón, Miller dijo que TIG se limita en gran medida a la fabricación de electrodomésticos y equipos de alimentos industriales, además de algunos componentes de precisión. "La gente elige TIG para aplicaciones de equipos de alimentos porque la soldadura no tiene una superficie porosa, es muy suave", dijo. Pero si esas partes necesitan ser producidas en volumen, el retorno de la inversión en un sistema láser "volará las puertas" TIG, por lo que, naturalmente, se está haciendo cargo en esos casos.

Masoud Harooni, gerente de producto en soldadura láser para Trumpf Inc., Hoffman Estates, Illinois, dijo que ni siquiera TIG puede producir una superficie completamente satisfactoria para el procesamiento de alimentos y otras aplicaciones donde la apariencia es fundamental. "No es tan malo como MIG, pero una superficie TIG definitivamente requiere un pulido posterior al proceso, que no es necesario con el láser", dijo Harooni. "Además, la velocidad de la soldadura láser para soldaduras visibles es de dos a tres veces más rápida que la TIG. Si ve un buen radio en un refrigerador o una pieza similar, es tierra o soldadura láser".

Un último voto para la soldadura tradicional: con la excepción de algunos casos especializados, la soldadura láser debe automatizarse, dadas las preocupaciones de seguridad. Y eso deja mucho trabajo para los soldadores humanos, como explicó Hansen. "No se puede hacer que un robot suba a un andamio o se suba a la sentina de un barco. Podemos soñar con estos súper robots, pero en términos prácticos, no estarán aquí en el futuro cercano".

Tal como lo ve Miller, la fabricación en EE. UU. tiende a ser conservadora y "si no hay un problema que resolver, se elegirá la solución de menor costo, más robusta y más examinada. Por lo tanto, las personas solo comienzan a mirar hacia el láser cuando la soldadura MIG no funciona". o la soldadura TIG es demasiado lenta".

La soldadura TIG de volumen ya se ha trasladado al extranjero o ha sido absorbida por el láser, entonces, ¿dónde está el láser desafiando a la MIG?

Una preocupación clave es el daño, ya sea metalúrgico o estructural, potencialmente causado por la transferencia de calor generalizada y relativamente prolongada del MIG a la pieza, seguida de un largo ciclo de enfriamiento. Por el contrario, el láser transmite energía térmica en un haz muy pequeño, derritiendo solo un área localizada. La entrada de calor total es mucho menor que MIG y la pieza se enfría muy rápido, lo que minimiza la distorsión y los efectos metalúrgicos.

Harooni ofreció una analogía útil: "Imagínese una botella de agua en una playa de arena, en comparación con una aguja. Si pone un peso de cinco libras en la botella, no penetrará en la arena. Pero si pone solo unas pocas onzas en la aguja, lo hará. Piense en el peso que aplica como calor, la botella como MIG y la aguja como láser".

Hansen de ESAB dijo que el láser reduce la entrada de calor en aproximadamente un 85 por ciento en comparación con MIG y que "la tensión residual en una soldadura es directamente proporcional a la entrada de calor. Cuanto más calor le pones, más tensión residual induces. Y eso significa pandeo y la distorsión y el encogimiento y todas esas cosas que causan una pesadilla cuando tomas esa pieza y la ensamblas o la encajas en una estructura o un vehículo".

Cuanto más grande es la pieza, más pequeñas son las tensiones residuales individuales que se convierten en macrodesviaciones que son muy costosas y difíciles de corregir posteriormente, agregó. Y esa es una consideración importante para los clientes que intentan "aligerar" sus productos. Es más, dijo, "algunas aleaciones se segregan o cambian de propiedades cuando las calientas, o las estructuras de grano crecen de manera no deseada. En muchos de estos materiales, la estructura de grano y las microestructuras son diferentes si se funde y luego se enfría la soldadura".

Miller, de Miller Electric, señaló que la última generación de aceros de alta resistencia "obtiene gran parte de su resistencia mediante sofisticados procesos de tratamiento térmico. Cuando los derrite y solidifica con una velocidad de enfriamiento baja [como en la soldadura MIG], todas esas fortalezas desaparecer. El láser puede ayudar a mantener la fuerza principal del material".

En otro ejemplo, Miller dijo que la soldadura MIG de titanio es difícil debido a "un problema de cátodo flotante. El arco no es estable. Por lo tanto, el láser es una opción perfecta". Con el aluminio de la serie 6000, el problema es el agrietamiento en caliente. "El agrietamiento en caliente es una función de la migración del siliciuro de magnesio al límite del grano. Entonces, si puede calentar el material, derretirlo y enfriarlo antes de que migre el siliciuro de magnesio, entonces puede crear una soldadura sin grietas", dijo. "El láser puede hacer eso utilizando las últimas técnicas de escaneo, en las que movemos el haz de un lado a otro con un espejo".

Desde la perspectiva de Miller, la mayoría de las aplicaciones de láser se encuentran en materiales difíciles de soldar. Desde la perspectiva de Harooni, el láser es mucho más rápido que incluso los proyectos de chapa metálica se están pasando al láser. ¿Cuanto más rápido? Harooni de Trumpf dijo que la soldadura MIG normalmente avanza a 20-30" (508-762 mm) por minuto, como máximo 40" (1016 mm) por minuto. El láser, según Harooni, puede soldar a casi 200" (508 cm) por minuto, por lo que el proceso de unión ya es mucho más rápido. El segundo beneficio es la reducción del procesamiento posterior. Harooni observó que si la apariencia de la soldadura es importante, tendría que seguir una soldadura MIG con un largo ciclo de esmerilado, lo que no sería necesario después de la soldadura por láser.

"Es por eso que", agregó, "por lo general, una pieza construida con soldadura MIG a un costo de $25 costaría solo $15 para soldar con láser, incluso considerando la mayor inversión inicial en soldadura con láser". Por ejemplo, Harooni relató un proyecto reciente en el que Trumpf redujo el tiempo del ciclo de soldadura de una puerta grande de diez horas a 35 minutos. Otro cliente tuvo dificultades con la soldadura MIG de un gabinete eléctrico de aluminio. Los orificios nasales eran un problema frecuente y el tiempo total del ciclo fue de cuatro horas. Harooni dijo que Trumpf redujo eso a 18 minutos con soldadura láser.

Hansen agregó que la capacidad del láser para penetrar profundamente en el material multiplica su ventaja sobre la soldadura tradicional. Debido a que el láser no solo es de tres a diez veces más rápido que MIG (e incluso más rápido en comparación con TIG), también puede soldar juntas relativamente gruesas que requerirían varias pasadas con MIG o TIG.

"Las técnicas tradicionales también requieren limpieza y esmerilado entre pasadas, lo que aumenta aún más el tiempo total del ciclo", explicó Hansen. "El láser puede soldar una sola pasada hasta aproximadamente media pulgada, en comparación con las cinco pasadas de la soldadura MIG, según el procesador que utilice. Por encima de media pulgada, la soldadura láser requeriría cortar o esmerilar un bisel hasta el borde de antemano, pero es un bisel mucho más pequeño que todos los biseles de unión necesarios para la soldadura MIG".

Entonces, para material de media pulgada de espesor, la soldadura láser sería de 15 a 50 veces más rápida que la MIG, solo en velocidad de soldadura, e incluso más rápida si se considera el posprocesamiento adicional requerido para la MIG.

Por supuesto, con tasas de producción tan altas, necesita mucho trabajo de soldadura para alimentar un sistema láser y maximizar su ROI. Como dijo Hansen, "por lo general, el láser puede producir de tres a cinco sistemas de soldadura por arco sumergido en soldadura de placa, por ejemplo. Se necesita mucho trabajo para alimentar cinco sistemas de arco sumergido".

Debido a que la soldadura láser autógena requiere un ajuste perfecto entre las partes que se van a unir, en muchos casos es mejor rediseñar las ubicaciones de las juntas para presentar superficies superpuestas al láser (para usar su capacidad de perforación). Más fabricantes están dispuestos a invertir en mejores procesos y herramientas upstream para aprovechar el mayor rendimiento del láser.

Pero para aquellos que son resistentes a dicho cambio, o en situaciones donde las brechas son inevitables, existen sistemas híbridos que combinan tecnología láser y de alimentación de alambre y otros nuevos desarrollos que amplían la aplicabilidad del láser. Un concepto simple (mencionado anteriormente con referencia a la solución del problema del agrietamiento en caliente) es la oscilación del punto láser. Miller dijo que es un concepto antiguo que recientemente se ha vuelto mucho más económico. Ofreció el ejemplo de mover un punto de 1,2 mm de diámetro de un lado a otro sobre un área de 3 mm a alta velocidad, capturando de manera efectiva el área más grande y aun así logrando una buena soldadura.

Hansen dijo que los sistemas híbridos combinan el proceso MIG y un rayo láser. "Realmente estamos usando el láser para lograr la penetración. Normalmente, si desea afectar la penetración en una soldadura MIG, debe agregar más amperaje. Al usar el láser para penetrar, podemos reducir el amperaje en el MIG y usar la soldadura más pequeña que nuestra estructura permita para fines de ingeniería. Entonces, el láser nos permite optimizar el MIG". También hay sinergia entre los procesos debido a que el rayo láser estabiliza el arco. "Podemos viajar con el arco mucho más rápido de lo que podríamos si no tuviéramos un rayo láser. Así es como podemos ir tan rápido con el proceso híbrido", dijo.

La línea Fusion de Trumpf, que Harooni describió como "un proceso asistido por láser con alambre para introducir más masa en los espacios", puede salvar espacios de hasta 1 mm de ancho.

Por su parte, ESAB desarrolló una tecnología de soldadura adaptativa que detecta las condiciones de las piezas y cambia los parámetros del proceso para adaptarse a ellas. El sistema utiliza una cámara que "pinta una franja láser en la pieza y luego la observa desde un ángulo de paralaje para ver la forma de la junta, unos 20-40 mm por delante del proceso", dijo Hansen. Las imágenes láser coherentes se utilizan para medir el ojo de la cerradura que el láser corta en el metal. "Podemos medir la profundidad de penetración y la forma del ojo de la cerradura y usar esa información como una medida de calidad o en un circuito cerrado para controlar el proceso", dijo.

El sistema adapta automáticamente la penetración del láser, la potencia del láser, los parámetros del arco metálico con gas, la velocidad de alimentación del alambre, el voltaje, el flujo de gas y la velocidad de desplazamiento a medida que el cabezal de soldadura procesa la pieza. El objetivo, que fue impulsado por los requisitos de la Marina de los EE. UU., es llevar los beneficios de la soldadura láser de baja entrada de calor a las "piezas preparadas de forma convencional" (es decir, piezas que no se mecanizaron con tolerancias estrictas para la soldadura láser estándar). Hansen informó que esto amplía la ventana del proceso para la soldadura híbrida en un factor de cinco sobre lo que hubiera sido posible con controles de estado estable.

La soldadura láser sigue siendo relativamente nueva para muchos usuarios, y Harooni enfatizó el compromiso de Trumpf con la capacitación y el soporte desde el principio, además de los beneficios de la programación fuera de línea de sus sistemas una vez instalados.

Trumpf también ofrece TeachLine, un nuevo sistema de detección basado en cámaras que detecta la ubicación de la costura que se va a soldar. "Los clientes no quieren interrumpir la producción para programar una nueva pieza o hacer cambios en su programación, por lo que pueden usar esta programación fuera de línea y cargar la pieza, programarla y llevarla a la celda. Con TeachLine no necesita ajustarlo. TeachLine vería la pieza y ajustaría el programa que hizo fuera de línea. La combinación de programación fuera de línea y TeachLine ayuda a nuestros clientes a realizar cambios de producción rápidamente".

ESAB también está implementando una nueva suite de "solución digital" que combina una gran cantidad de información que cubre todo el proceso de soldadura, para incluir el material de relleno, el material base y el gas, para que los sistemas sean más fáciles de usar. Como dijo Hansen: "Es fácil hacer un sistema complicado. Es muy difícil hacer que un sistema complicado parezca simple. Y ahí es donde vamos con nuestras soluciones digitales. Estamos capitalizando nuestro conocimiento del proceso para hacer decisiones sobre el control de procesos para que el operador no tenga que tener tanta experiencia o conocimientos como en el pasado".

ESAB también está trabajando en formas de hacer que su equipo sea capaz de evaluar la calidad de la soldadura que está produciendo e, idealmente, evitar que se cree un defecto o una discontinuidad.

Finalmente, la soldadura tradicional también ha visto mejoras, como formas de onda avanzadas y el concepto ActiveWire de Miller Electric, que alimenta el alambre MIG hacia adelante y hacia atrás continuamente para reducir las salpicaduras y la entrada de calor. El enfoque amplía las aplicaciones MIG que se pueden automatizar y hace que MIG sea una solución viable incluso para algunos materiales de soldadura ultrafinos.

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