Optimización del proceso de soldadura por puntos

Kaizen, o mejora continua, es un principio básico de la fabricación ajustada. De hecho, dice que lo que no es óptimo nunca es aceptable. El concepto se puede aplicar a todos los procesos de montaje importantes, incluida la soldadura por puntos por resistencia.

La soldadura por puntos implica generar calor en la interfaz de las piezas a unir haciendo pasar una corriente eléctrica a través de las piezas durante un tiempo y presión determinados. Los ingenieros obtienen una soldadura fuerte determinando cuidadosamente la mejor combinación de tiempo, fuerza y ​​corriente.

La tecnología se utiliza ampliamente en las industrias automotriz, aeroespacial, de electrodomésticos y de baterías de vehículos eléctricos. Es lo suficientemente rápido, rentable y flexible para usarlo en uniones de aluminio con aluminio y de acero con acero.

“A pesar de ser la forma más rápida de unir chapa metálica y de producir las uniones más fuertes de este tipo de metal, la soldadura por puntos por resistencia presenta un desafío”, explica Tom Snow, presidente de la junta directiva de TJ Snow Co. “A diferencia de lo que ocurre con el arco soldadura, los operadores de máquinas no pueden simplemente mirar la pieza y saber con seguridad que tiene una buena unión soldada. Puede verse bien, pero solo usando la cantidad adecuada de calor, fuerza y ​​duración, y luego probando la unión, el usuario final puede estar seguro de que la soldadura tiene la resistencia requerida”.

TJ Snow fabrica y repara soldadoras por puntos de resistencia estándar y personalizadas desde 1963. Las máquinas SlimLine de tipo pedestal de la empresa vienen en estilos de bocina y platina, y utilizan uno o varios cabezales de soldadura. Las características estándar incluyen un marco rígido de alta resistencia, un transformador tipo accesorio y una separación de electrodos fácilmente ajustable.

El año pasado, TJ Snow suministró una máquina SlimLine personalizada a un fabricante aeroespacial de nivel 1 para soldar por puntos componentes de escape para motores a reacción. Las piezas están hechas de una aleación de alta temperatura. Un robot recoge cada pieza y la coloca dentro de la garganta de la máquina, donde la pieza se suelda en 1 segundo. Después de esto, el robot coloca el conjunto sobre un transportador.

En realidad, la soldadura por puntos está experimentando una especie de renacimiento. Después de ser inventada accidentalmente por el ingeniero Elihu Thomson en 1885, el uso de la soldadura por puntos creció lentamente hasta finales del siglo XX. Luego, tecnologías como la soldadura láser, la soldadura por fricción y agitación y la soldadura por arco avanzada se consideraron el futuro de la tecnología. Ahora, sin embargo, los controles avanzados de las máquinas están ayudando a que la soldadura por puntos recupere su lugar como tipo de soldadura líder, al optimizar completamente su proceso.

La soldadura por puntos es el tipo más común de soldadura por resistencia utilizada en el montaje. Otros tipos incluyen soldadura a tope, proyección, costura, percusión y recalcado. Estos métodos se diferencian principalmente por el tipo y la forma de los electrodos que aplican la presión y conducen la corriente.

Una configuración típica de soldadura por puntos por resistencia consta de una fuente de alimentación (también conocida como controlador de soldadura), un transformador, uno o más cabezales de soldadura, electrodos positivos y negativos y, opcionalmente, un monitor externo. La fuente de alimentación utiliza tecnología de circuito cerrado o de circuito abierto, según Marty Mewborne, gerente de ingeniería de ventas de Amada Weld Tech Inc.

Las tecnologías de circuito cerrado incluyen CC lineal y un inversor de alta frecuencia (HF). Ambos tipos responden bien al cambio de valores de resistencia cada 10 a 250 microsegundos, manteniendo así el parámetro programado (corriente, voltaje o potencia) constante para soldaduras más consistentes.

Mewborne dice que las tecnologías de bucle abierto existen desde hace más tiempo e incluyen descarga de condensadores (CD) y energía directa (CA). Ofrecen poca o ninguna retroalimentación y son más susceptibles al desgaste de los electrodos y a los desafíos de posicionamiento de las piezas.

“Hace años, los transformadores de tipo CA eran muy populares”, señala Don DeCorte, vicepresidente de productos de soldadura por resistencia de RoMan Manufacturing Inc. “Pero ahora, como la electricidad es mucho más cara, los fabricantes tienen una mayor necesidad de MFDC más eficientes ( transformadores de corriente continua de media frecuencia.”

RoMan es el mayor fabricante de transformadores estándar y personalizados para soldadores de resistencia del mundo, según DeCorte. Estima que el 85 por ciento de todos los soldadores de este tipo en los Estados Unidos trabajan con un transformador RoMan. El transformador pesa desde tan sólo 12 kilogramos hasta 5 toneladas, dependiendo de la máquina de soldar.

"Hace algún tiempo, un antiguo cliente que fabrica tractores cortacésped, cortadoras de césped y otros equipos para césped y jardín se puso en contacto con nosotros para cambiar su sistema de soldadura por puntos por resistencia de uno con un transformador de CA monofásico a nuestro modelo MFDC". dice DeCorte. "La planta de la empresa había añadido recientemente algunos equipos de CA nuevos a varias máquinas de soldadura de CA más antiguas".

Desafortunadamente, los ingenieros de la planta no habían tenido en cuenta las cargas adicionales y ahora estaban sobrecargando el sistema eléctrico tanto de su planta como de las plantas vecinas. La compañía eléctrica local se involucró y obligó al cliente de RoMan a operar solo durante su segundo y tercer turno para distribuir la demanda de energía. Esto provocó varios problemas de producción.

"Le mostramos a la empresa que cambiar al proceso MFDC reduciría el consumo general de energía a aproximadamente el 70 por ciento de lo que era", dice DeCorte. “Esto les permitió pasar a trabajar en el turno diurno y todavía tener algo de espacio para el crecimiento futuro. También les evitó tener que actualizar costosos transformadores primarios en el techo de la planta, alimentadores de alambre y otros equipos eléctricos relacionados”.

Los tipos de cabezales de soldadura por puntos incluyen manual, neumático, servomotorizado y electromagnético. La dinámica del cabezal de soldadura se refiere a la forma en que el cabezal se mueve e interactúa con las piezas durante cada fase de la soldadura por puntos: aproximación, fuerza de impacto, compresión, disparo (activando la fuente de alimentación para soldar), seguimiento y retención para solidificación.

Los electrodos se configuran directa, indirectamente, en paralelo o en serie. Los materiales de la punta incluyen aleación de cobre y cromo, óxido de aluminio, aleación de cobre, cobalto y berilio, molibdeno, tungsteno y aleación de cobre y tungsteno.

El proceso de soldadura por puntos puede ser semiautomático, totalmente automatizado o integrado en una línea de montaje. En una configuración de estación de trabajo semiautomática, un operador carga piezas en un dispositivo, presiona dos botones o usa un interruptor de pie para activar la soldadura y luego descarga las piezas terminadas.

Una estación totalmente automatizada suele tener un robot de seis ejes que recoge las piezas y las mueve a la máquina para soldarlas antes de colocarlas en un transportador. El enfoque en línea implica colocar automáticamente cada pieza en una máquina en una estación de trabajo dedicada, activar la soldadura y luego retirar la pieza.

Idealmente, la optimización de la soldadura por puntos comienza con la selección de la máquina. Snow dice que los fabricantes deben centrarse en algunos factores clave durante el proceso de selección.

La primera es encontrar una máquina que pueda realizar soldaduras de resistencia óptima con aproximadamente el 25 por ciento de su amperaje y rango de fuerza disponibles en reserva. Los ingenieros también deben ser conscientes de que una máquina demasiado grande puede causar tantos problemas como una demasiado pequeña.

Esto es especialmente importante cuando el diámetro del cilindro de aire es tan grande que debe funcionar con una presión de la línea de aire inferior a 40 libras para lograr la fuerza de soldadura deseada. Una resistencia de soldadura inaceptable puede resultar de un seguimiento inadecuado del cilindro de aire en el instante en que la lámina de metal alcanza el estado fundido, el punto en el que los metales deben forjarse adecuadamente.

"Todos los equipos de soldadura por puntos deben dimensionarse y especificarse desde la parte posterior de los electrodos, pero los usuarios finales sólo pueden hacerlo correctamente después de saber exactamente cuál es el trabajo y qué están soldando", explica DeCorte. “Tener un margen de seguridad es bueno, pero demasiado grande significa desperdicio y no optimización, así que no sobredimensiones. Y no compre equipos basándose estrictamente en su clasificación de KVA (kilovoltios-amperios)”.

Para los fabricantes que ya utilizan la soldadura por puntos, Snow recomienda que compren inmediatamente un amperímetro para soldadura por resistencia y un dinamómetro de lectura directa, si aún no los poseen. El medidor mide con precisión la corriente de soldadura media cuadrática (RMS) secundaria que se entrega a las puntas de los electrodos. Y el medidor mide la fuerza de soldadura real entre las puntas.

“Probar puntos de soldadura debería ser más científico que dejar caer piezas soldadas al suelo”, señala Snow. “La mejor herramienta para garantizar la calidad es un probador de tracción diseñado para extraer pequeñas muestras soldadas hasta que fallen. La resistencia al corte de un buen punto de soldadura debe exceder la del material base”.

A continuación, determine cuidadosamente la ventana (o lóbulo) de soldadura para la aplicación. Dentro de esta ventana se encuentran todas las combinaciones de ajustes de corriente, fuerza y ​​tiempo que producen resultados de soldadura aceptables.

Según Snow, comenzar en el medio de este rango, en lugar de en el borde irregular, permite que el proceso de soldadura por puntos sea el más estable y confiable. El operador debe confirmar la receta de soldadura óptima y utilizar esos parámetros como punto de partida para el proceso de producción.

Los materiales altamente conductores suelen requerir electrodos de alta resistencia. De manera similar, los materiales duros requieren electrodos a base de cobre más blandos. Si se utiliza energía almacenada o equipo de medio ciclo para soldar materiales diferentes, coloque el material más resistivo contra el electrodo negativo. Del mismo modo, si se sueldan materiales similares con relaciones de espesor superiores a cuatro a uno, coloque el material más delgado contra el electrodo negativo.

Los silenciadores de automóviles suelen estar soldados por puntos. Esta máquina radial de seis cañones fue hecha a medida para soldar silenciadores. Foto cortesía de TJ Snow Co.

DeCorte también recomienda que los ingenieros estudien la Ley de Joule para comprender mejor todos los elementos de entrada y variables relacionadas con el proceso de soldadura por puntos. Esta ley dice que el calor necesario para realizar la soldadura es proporcional a la resistencia del trabajo, al tiempo que se aplica la corriente y al cuadrado de la corriente de soldadura aplicada. DeCorte cita el tiempo de soldadura, la resistencia de trabajo y la corriente secundaria como los factores más importantes a comprender completamente en relación con esta ley.

Durante la producción, es necesario equilibrar el calor para formar la pepita de soldadura en el lugar correcto entre las piezas. Lograr esto puede ser un desafío, dice Mark L. Boyle, Ph.D., gerente de producto de Amada Weld Tech Inc., porque los materiales pueden tener una conductividad o espesor diferente, y el disipador de calor podría estar extrayendo calor, creando una soldadura. pepita en el lugar equivocado.

Las soluciones sugeridas incluyen aumentar la fuerza del electrodo o el tiempo de subida para alejar el calor de las áreas de contacto. Los fabricantes también pueden aumentar el tamaño de la cara del electrodo para alejar el calor del electrodo, o usar un electrodo más resistivo para atraer calor hacia él.

"La solución de problemas de soldadura por puntos siempre debe comenzar consultando la hoja de trabajo de auditoría de proceso (PAW) para verificar todas las configuraciones del proceso, como el programa de suministro de energía, el menú, la fuerza del cabezal y la velocidad", dice Boyle. "Los materiales que se van a soldar también deben coincidir con los que figuran en la PAW".

Mewborne cita soldaduras débiles, pepitas insuficientes y chispas como algunos de los síntomas más comunes de una soldadura por puntos que no es óptima. Este último problema puede ocurrir como resultado de una fuerza insuficiente, falta de compresión y un seguimiento deficiente.

Según Mewborne, la solución de problemas adicionales puede implicar verificar aspectos relacionados con los materiales, la máquina y el operador. Por ejemplo, si un nuevo lote de materiales está causando problemas, busque algunas piezas de un lote anterior para ver si aún se soldarán normalmente.

"Verifique la fuente de alimentación y asegúrese de que esté conectada al voltaje de línea correcto y que todos los conectores eléctricos estén seguros", sugiere Mewborne. "También revise las herramientas que mantienen las piezas alineadas con los electrodos para asegurarse de que no hayan sido modificadas ni dañadas".

En cuanto a los operadores veteranos, averigüe si están haciendo algo diferente, incluido el mantenimiento de los electrodos, el manejo de piezas y el procedimiento de iniciación. Si nuevos operadores están utilizando el equipo, asegúrese de que hayan recibido la capacitación adecuada sobre el funcionamiento completo de la soldadura por puntos.

“El noventa por ciento de los problemas de soldadura por puntos por resistencia ocurren al final del negocio”, dice Boyle. "Eso abarca el control de materiales, el posicionamiento de pieza a pieza y el posicionamiento de electrodo a pieza".

"La calidad de la soldadura siempre debe cumplir con los requisitos de aplicación específicos del usuario final", añade DeCorte. "La mejor manera de hacerlo es crear e implementar un proceso de verificación de soldadura para todos los equipos, junto con un proceso detallado para el mantenimiento preventivo del equipo".

También asegúrese de dimensionar adecuadamente el suministro de agua de la planta para cumplir con los requisitos del equipo. DeCorte dice que esta es una de las principales razones de las fallas en la soldadura por puntos. El mismo riesgo se aplica a los suministros de energía y aire de las centrales.

Finalmente, DeCorte enfatiza la necesidad de que cada operador reciba una capacitación completa, continua y de alta calidad en soldadura por puntos por resistencia. Recomienda la Resistance Welding Manufacturing Alliance como una gran fuente para este nivel de capacitación.

"La soldadura por puntos es el más sólido de todos los procesos de soldadura porque tiene la menor cantidad de variables con las que lidiar y la menor cantidad de intervención del operador", concluye DeCorte. “No entender el proceso puede resultar en una pérdida de tiempo y dinero. La formación adecuada es una forma económica de asegurar el éxito”.

Jim es editor senior de ASSEMBLY y tiene más de 30 años de experiencia editorial. Antes de unirse a ASSEMBLY, Camillo fue editor de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal y Milling Journal. Jim tiene un título en inglés de la Universidad DePaul.