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En el laboratorio, se han informado fuentes de energía de soldadura láser de hasta 100 kW, que pueden soldar más de 50 mm de acero en una sola pasada. En esta foto vemos un láser de fibra de alta velocidad soldando aceros de ultra alta resistencia para aplicaciones automotrices.

La mayoría de los expertos considerarían que la soldadura es una tecnología madura. Sin embargo, durante las últimas dos décadas, se han logrado avances considerables en el desarrollo de nuevas tecnologías para unir nuevos materiales de alta resistencia, integrar la automatización inteligente y aplicar diversos procesos de soldadura a la fabricación aditiva (AM) de componentes. Un estudio de las tendencias en los sectores industrial y de investigación proporciona una perspectiva sobre dónde pueden existir crecientes lagunas de conocimiento para la innovación y posibles lagunas de habilidades para futuros soldadores e ingenieros.

Temas de actualidad

En 2012, el Instituto Internacional de Soldadura (IIW) llevó a cabo una encuesta entre más de 60 expertos de todo el mundo para identificar las innovaciones que estaban teniendo el mayor impacto en la soldadura [1]. Abordó los desafíos actuales relacionados con los nuevos materiales y su soldabilidad. Algunas de las nuevas tecnologías indicadas como áreas de crecimiento fueron la robótica, el haz de electrones, el láser, el láser híbrido, la fricción, la agitación y la soldadura por pulso magnético. La literatura publicada desde 2013 hasta 2018 sugiere que estos siguen siendo temas candentes en la investigación científica. Por ejemplo, durante este período, de los 10 artículos más citados que muestran la “soldadura” como tema [2-11], todos involucran procesos de láser, haz de electrones o agitación por fricción; sin embargo, ocho de estos artículos aplican estos procesos a la AM o la impresión 3D de componentes metálicos. Esto no es muy sorprendente, ya que ha habido una asombrosa tasa de inversión tanto en el sector público como en el privado dirigida a la investigación de FA para permitir la impresión de grandes componentes y estructuras metálicas.

Aunque los sistemas comerciales basados ​​en el calentamiento por láser de un lecho de polvo se utilizan en una variedad de industrias, la AM por arco de alambre [12] apenas está comenzando a ganar aceptación en la fabricación. Una de las aplicaciones más notables del proceso es el puente peatonal fabricado por MX3D [13] utilizando soldadura robótica por arco metálico con gas. Aunque este ejemplo es una impresionante muestra única, esta tecnología está siendo reconocida como económicamente viable para otros componentes grandes, como las hélices de barcos navales; de hecho, se ha impreso en 3D una hélice de 1,35 m de diámetro y una masa de 400 kg [14]. Se espera que lleguen al mercado otras aplicaciones que requieran trabajadores calificados con la capacidad de combinar conocimientos de soldadura con automatización robótica y controles de retroalimentación. Sistemas más avanzados utilizan fuentes de calor por haz de electrones para depositar metal con control de geometría de circuito cerrado [15], y algunos de ellos se están instalando ahora en proveedores de servicios de AM en Canadá [16].

Recientemente, la soldadura por fricción y agitación se ha adaptado para facilitar la deposición de material para AM [17]; esto ofrece algunas ventajas únicas en términos de tasa de construcción y propiedades del material. Honda y Mazda han adoptado comercialmente la soldadura por fricción-agitación en la industria automotriz para aplicaciones como la unión de aluminio y acero diferentes [18]. Es probable que la aplicación de la soldadura por fricción-agitación se expanda en el sector automotriz para la construcción de vehículos eléctricos [19], donde la soldadura de la bandeja de la batería generalmente implica varios componentes de aluminio extruidos y formados que deben sellarse herméticamente durante la soldadura.

Uno de los materiales más exóticos a los que se ha unido recientemente mediante soldadura por fricción y agitación es el CoCrFeNiMn, que es una aleación de alta entropía que puede alcanzar resistencias de más de 600 MPa junto con deformaciones de fractura superiores al 60 por ciento [20]. Estas aleaciones de alta entropía han atraído una considerable atención en los últimos años debido a su combinación de propiedades y potencial para reemplazar aceros de alta calidad y aleaciones de titanio en aplicaciones aeroespaciales o en aplicaciones energéticas donde se necesitan materiales de recubrimiento duro.

Impulsando el alcance de la soldadura láser

En términos de aplicaciones de unión más tradicionales, los avances en la tecnología de fabricación han seguido reduciendo el coste de las fuentes láser de alta potencia, al tiempo que han aumentado su calidad. En el laboratorio, se han informado fuentes de energía de soldadura láser de hasta 100 kW, que pueden soldar más de 50 mm de acero en una sola pasada [21]. Sin embargo, cada vez resulta más difícil conseguir grandes profundidades de penetración con fuentes láser de alta potencia. Normalmente se puede lograr aproximadamente 1 mm de penetración por kilovatio, mientras que por encima de 20 kW esto disminuye a aproximadamente 0,5 mm por kilovatio debido a pérdidas en la eficiencia energética. El control de la penetración de estos láseres de alta potencia es fundamental, y la tecnología ha desarrollado un sistema de retroalimentación de alta velocidad para monitorear y controlar la profundidad de penetración de un ojo de cerradura láser durante la soldadura [22].

Para soldar secciones gruesas con potencias más bajas, se han demostrado técnicas como la soldadura híbrida [23] y el escaneo láser o la oscilación de alta velocidad [24] como enfoques para disminuir la potencia requerida para muchas aplicaciones especializadas. El uso de la soldadura híbrida por arco láser ha aumentado la capacidad de la soldadura láser para materiales más gruesos, pero la complejidad del proceso aumenta considerablemente debido a las variables agregadas, como la velocidad de alimentación del alambre y la corriente del arco, la distancia de separación del arco, el ángulo de la antorcha y la selección del gas de protección [25].

Los beneficios de la soldadura híbrida por arco láser para reducir el aporte de calor y disminuir la distorsión térmica se han materializado en la industria de la construcción naval [26], y esto ha llevado al despliegue de esta tecnología en muchos astilleros de toda Europa durante las últimas dos décadas. Esta es una aplicación de nicho lógica, ya que la unión de estructuras en aplicaciones navales normalmente consiste en paneles grandes que son propensos a distorsionarse, y la corrección de estas distorsiones ha representado tradicionalmente un porcentaje significativo de los costos de mano de obra.

Aquí, la soldadura híbrida por arco metálico con gas utilizando adiciones de alambre frío aumenta la tasa de deposición del metal y cambia la química del metal de soldadura en tiempo real.

La reducción de la distorsión también es un requisito importante para la industria automotriz, y esto ha hecho que la soldadura híbrida por arco láser sea una opción popular para unir láminas delgadas de alta resistencia en estructuras de carrocerías de automóviles y soldar paneles de techo. El uso de láseres en automoción se remonta al Ford Torino de 1976, en el que se utilizaban láseres de CO2 para unir paneles de carrocería; sin embargo, la producción a gran escala no se produjo hasta el uso de la soldadura láser para el techo del BMW Serie 3 en 1985 [27]. La industria automotriz ha adoptado ampliamente la soldadura láser remota desde 2007 [28], en la que el láser se escanea mucho más rápido que el recorrido del brazo robótico. Esta tecnología ha comenzado a desplazar los métodos tradicionales de soldadura por puntos por resistencia para situaciones en las que se requieren tasas de producción más altas [29], ya que una pequeña soldadura láser circular o en forma de C puede proporcionar una resistencia comparable. Estas estrategias de escaneo también se han utilizado en la soldadura de costura láser, en la que la oscilación en un perfil circular o tejido puede reducir los defectos en la unión de aluminio o facilitar la unión de materiales diferentes [30].

Teniendo en cuenta que muchos de los aceros utilizados en la industria automotriz tienen actualmente una resistencia de 980 a 1500 MPa, la alta energía y las rápidas velocidades de soldadura que ofrecen los láseres pueden evitar el deterioro de la zona afectada por el calor en estos materiales. Sin embargo, en otras industrias que utilizan materiales de calibre más grueso, evitar este ablandamiento y al mismo tiempo cumplir con los requisitos de tenacidad en nuevos aceros de alta resistencia con límites elásticos superiores a 1200 MPa sigue siendo un desafío [31]. Ha habido un impulso considerable hacia la aplicación de láseres autógenos y procesos asistidos por alambre caliente con láser para aplicaciones estructurales a gran escala en Japón, con el despliegue de estos métodos para paneles de tableros de puentes desde 2014 [32]. Estas aplicaciones tienen demandas de fatiga considerables, y la soldadura asistida por alambre caliente con láser ofrece nuevas capacidades para controlar la geometría de la punta del filete [33], lo cual es una gran ventaja ya que esta forma tiene una influencia directa en la iniciación de grietas por fatiga.

Comentarios y monitoreo en tiempo real

Otras reducciones de costos en robótica, detección y procesamiento de señales han permitido funciones como el seguimiento automatizado de la costura (ya sea a través del arco o usando un láser externo) en la automatización durante más de dos décadas [34, 35]. La miniaturización de los sensores y la potencia de procesamiento ha permitido nuevas capacidades, como sistemas de capacitación que utilizan realidad aumentada [36] y monitoreo en tiempo real para proporcionar a los soldadores información sobre su velocidad de desplazamiento o la posible formación de defectos [37].

Algunos avances recientes en cámaras térmicas también han reducido el costo de los sensores, al tiempo que han aumentado su robustez para aplicaciones industriales. Se han desarrollado sistemas comerciales que permiten tanto el monitoreo térmico [38, 39] como incluso el control adaptativo de la soldadura utilizando retroalimentación térmica basada en tecnología de detección de pirómetros [40, 41]. Paralelamente a las imágenes térmicas, los avances en imágenes de alto rango dinámico para el monitoreo de imágenes tradicionales de la soldadura han permitido observaciones mucho más confiables y claras del proceso de soldadura y permiten monitorear áreas desafiantes a las que los operadores no pueden acceder directamente. [42].

Con todas estas innovaciones en detección, el procesamiento y almacenamiento de datos se convierte en un desafío. El almacenamiento se vuelve importante para monitorear aplicaciones; aquí es donde las oportunidades para el control de calidad se vuelven bastante atractivas. Por ejemplo, en el caso de monitorear firmas térmicas, se pueden coordinar equipos de prueba no destructivos utilizados posteriormente en la producción para inspeccionar áreas solo donde el perfil térmico se desvió de un punto de ajuste. Con el monitoreo combinado de señales visuales, térmicas y eléctricas, surgirán nuevas capacidades para detectar defectos, a medida que todos los sistemas involucrados se interconecten progresivamente a medida que nos embarcamos en la revolución de la Industria 4.0.

Sin embargo, no espere que toda la soldadura manual quede obsoleta; Todavía estamos lejos de poder sustituir la mayoría de las operaciones de soldadura no repetitivas por la automatización. Sin embargo, estos avances en la detección aún pueden tener un impacto en esta área. Por ejemplo, un espectrómetro miniaturizado en el casco de un soldador puede indicar que la composición del metal de soldadura o del gas protector ha cambiado. Esa señal puede ser transmitida a ellos a través de una pantalla de realidad aumentada que monitorea la posición de su antorcha [43]. Es evidente que existe un campo sustancial de innovación abierto por las nuevas tecnologías de soldadura que se están desarrollando actualmente o que ya se están implementando en la industria.

Adrian Gerlich es profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica de la Universidad de Waterloo ([email protected]).

Referencias: