Soldadura Láser Híbrida

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1 La soldadura híbrida por láser promete incrementar dramáticamente las velocidades de soldadura y reducir el uso de alambre. Aplicaciones Prácticas para la Soldadura Láser Híbrida POR JEFF DEFALCO Esta tecnología tiene potencial de mejora en la calidad de las soldaduras y en la eficiencia de los procesos para aplicaciones de fabricación Debido a las nuevas demandas reglamentaras en los Estados Unidos y a las corrientes económicas mundiales recientes, el mundo de la fabricación enfrenta retos significativos para incrementar de manera continua la productividad y la calidad. Para competir exitosamente en este medio, las compañías deben estar dispuestas a abrir sus puertas a lo último en tecnologías, como por ejemplo la soldadura láser híbrida (HLAW, por sus siglas en inglés), con el potencial de colocar al fabricante años delante de sus competidores Fig. 1 Esta perturbadora tecnología nos presenta el reto de tomar un nuevo enfoque hacia la manera en que realizamos negocios, y al hacer esto, nos provee de intrigantes estrategias para servir mejor a los clientes existentes y ampliar nuestra base de clientes para el crecimiento futuro. Se espera que el mercado de la soldadura láser tenga el más grande crecimiento de todo el mercado de equipo para soldadura metálica en los Estados Unidos. Esta tecnología ofrece los beneficios de soldaduras rápidas y de alta calidad, lo que resulta en una gran demanda para este equipo. En 2007, este segmento será responsable del 9.9% de la participación de los excedentes. Antecedentes Las tecnología de soldadura láser híbrida combina los mejores atributos de JEFF DEFALCO es gerente de negocios, automatización de la soldadura, para ESAB Welding & Cutting Products de Florencia, S.C., en los Estados Unidos, 33

2 Fig. 1 La HLAW está disponible en configuración robótica y de pórtico. la soldadura láser con aquellos de la soldadura por arco metálico protegido con gas (GMAW) Fig 2. El componente láser de la soldadura ofrece penetración de soldadura profunda con muy baja entrada de calor y una zona afectada térmicamente (HAZ) muy pequeña. La suma del componente GMAW expande ampliamente la tolerancia de las aberturas de la raíz de la junta, las condiciones de la superficie, e impurezas; mejora el relleno de las aberturas de raíz y contorneo; y facilita el control de la metalurgia de la soldadura. Aunque el concepto se ha discutido por más de una década, está tecnología tiene poco de estar comercialmente disponible. La tecnología fue desarrollada originalmente para ofrecer un método de mejor costo-beneficio en la producción de vigas de placa de alta resistencia para usarse en las naves de la Naval Norteamericana. Una clave para la comercialización exitosa de esta tecnología la llegada de un control de proceso de bucle cerrado en tiempo real y un sistema de aseguramiento de calidad de la ESAB y sus socios estratégicos, Applied Termal Sciences y PLS Systems de Brunswidk, Main en los Estados Unidos. Este nuevo sistema incluye lo siguiente: Medición y rastreo activo de juntas; Monitoreo de la soldadura durante el proceso; Control de bucle cerrado en tiempo real de todos los parámetros críticos de soldadura; La inspección, medición y verificación de los atributos de calidad de la superficie de la soldadura automatizadas; La identificación, señalización, y/o reparación automáticas de fallas en la soldadura; y Documentación y reporteo completos del proceso y calidad de la soldadura. El sistema de control monitorea y adapta el proceso de soldadura más rápido de lo que lo podría hacer un operador humano, permitiendo velocidades de desplazamiento que no serían posibles con los sistemas de control convencionales. La ESAB introdujo tecnología en 2006 como la Serie HLx, un sistema mecanizado de soldadura por haz láser que utiliza solamente soldadura láser, con alambre de aporte en frío, o con arco láser híbrido. Esta tecnología está disponible en gantry 2D, robótica 3D, o soluciones mecanizadas a la medida. Este sistema tiene vigas soldadas de placa ordinaria y de alta resistencia a velocidades de cinco a diez veces mayores que el de los procesos convencionales de soldadura. Adicionalmente, las vigas acabadas se producen a tolerancias que son de entre ¼ a 1 10 de las tolerancias permitidas para las vigas redondas. Tests extensivos realizados por la Naval de los Estados Unidos y la Universidad de Main han demostrado que estas estructuras soldadas a láser se desempeñan tan bien como, o mejor que, las estructuras soldadas de manera convencional en todos los aspectos. Además, estos tests han demostrado que las soldaduras láser pueden lograr vidas a la fatiga que son de dos a tres veces más largas que las de los procesos convencionales de GMAW y SAW. En comparación a otros procesos de soldadura de alta producción, como tandem GMAW y soldadura rápida con arco, la soldadura híbrida con arco láser (HLAW por sus siglas en inglés) ha demostrado los siguientes beneficios: Velocidad de soldadura más alta; Penetración de soldadura más profunda y raíz de soldadura más amplia; Entrada de calor más baja, resultando en menos deformaciones producidas por el calor; Mejores propiedades mecánicas; Soldadura a tope de juntas sin respaldo cerámico; Muy suave transición entre la soldadura y el metal base en el lado de la raíz; Mayor estabilidad del proceso de soldadura; Mejor desempeño a la fatiga; y Mejor tenacidad de la soldadura. El mercado a mostrado gran interés en la tecnología de soldadura híbrida y numerosos estudios están en rumbo a determinar como la HLAW puede beneficiar a las industrias de fabricación pesada. Aquí tenemos unas cuantas aplicaciones que están bajo consideración. Paneles Muchas investigaciones se han llevado a cabo relacionadas al uso de técnicas de HLAW para la fabricación de paneles tipo sándwich de acero Fig. 3. Los paneles tipo sándwich pueden definirse como estructuras de tres capas consistentes de dos cáscaras exteriores delgadas de material de alta resistencia separadas por un núcleo de material de baja densidad y bajo peso. El concepto básico es que el material del núcleo o centro separa las hojas de las caras que dan la mayor parte de la resistencia a la estructura. Esto crea un panel con características de peso y rigidez. Hasta hace poco, la mayoría de los paneles tipo sándwich han sido diseñados con compuesto polímero reforzado con fibra o con cáscaras metálicas pegadas a esponja estructural, madera o centros elastoméricos. El desarrollo de las estructuras tipo sándwich totalmente de metal ha sido inhibido por las limitaciones de los procesos convencionales de soldadura. 34 ENERO 2008

3 Antorcha GMA Haz Láser Vapor Metal Abertura de Raíz Líquido Derretido Material Solidificado Fig. 2 La soldadura híbrida por láser combina los atributos de la Soldadura con Arco Metálico protegido con Gas (GMAW) y la soldadura con haz láser. Fig. 3 Con la HLAW, las soldaduras de junta en traslape pueden ser aplicadas rápidamente para la fabricación de paneles tipo sándwich. Las técnicas de soldadura híbrida con arco láser, sin embargo, han hecho que estas estructuras sean prácticas. Esta tecnología, desarrollada originalmente por la Naval de los Estados Unidos, se ha desarrollado en los últimos 15 años al punto que ahora es una tecnología comercial práctica. Las industrias constructoras de barcos de Europa y los Estados Unidos, en cooperación con varias universidades e institutos de investigación, han hecho avances significativos en la comprensión de las características de comportamiento de los paneles tipo sándwich soldadas con láser y sus propiedades llenas de ventajas. La mayoría de los paneles han sido desarrollados y prototipeados para componentes de los barcos, pero un fuerte interés ha surgido en un rango de aplicaciones mucho más amplio, particularmente en las industrias de la fabricación comercial y del transporte. La Unión Europea (UE) ha organizado y fundado el desarrollo de esta tecnología a través de un consorcio multi-industrial. Este esfuerzo de la Unión Europea ha determinado las siguientes ventajas de las estructuras de panel tipo sándwich: Hasta un 50% de reducción del peso en comparación con los métodos convencionales de construcción, Un 90% de reducción de peso comparado con la fabricación en concreto, Dos tercios de reducción en los requerimientos estructurales de espacio, Resistencia al fuego significativamente mejorada con los materiales de relleno del centro, y Tolerancia al daño y absorción energía mejoradas. La investigación local respalda los estudios Europeos. El programa de Estructuras para Barco Fabricadas con Láser de la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos encontró una cantidad adicional de beneficios de los paneles tipo sándwich hechos con soldadura híbrida láser: Resistencia y Rigidez/planaridad (distorsiones bajas); Reducción significativa de costos en la instalación; Instalación y acabados rápidos; Buena resistencia a la corrosión; Alta resistencia al impacto y absorción de explosión; Incremento en la seguridad; Ahorros significativos en el costo total; Reducción en los costos de manufactura y ensamble; Reducción en el consumo de material; y Fácil instalación y mantenimiento. La fabricación y la soldadura de acero son de una larga y exitosa tradición en el sector de infraestructura del transporte. Existen prácticas bien establecidas para el diseño, manufactura, reparación, mantenimiento, aseguramiento de la calidad, y la inspección de la seguridad. Las industrias del transporte son además altamente sensibles al peso y pueden realizar beneficios económicos importantes a través de la reducción del peso de naves, contenedores y vehículos. Estos hechos, junto con costos iniciales predecibles y ciclo de vida de durabilidad excelente, hacen del concepto de panel de acero tipo sándwich una atractiva alternativa para otros sistemas avanzados de fabricación. Vigas El programa de Estructuras de Barcos Fabricados con Láser además determinó la eficiencia de la soldadura híbrida con láser en la producción de vigas T de placa de alta resistencia para uso en barcos de la Naval de los Estados Unidos. Como resultados de estos esfuerzos de investigación y desarrollo (R&D), la tecnología HLAW se ha desarrollado para soldar vigas estructurales a altas velocidades con muy baja distorsión. La penetración profunda de soldadura que ofrece la HLAW disminuye el tamaño del filete y la baja distorsión reduce la necesidad del enderezado postsoldadura. Se determinó que esté método era un medio efectivo en costo para producir vigas T de alta calidad. Esta metodología puede ser empleada en otras aplicaciones además de la fabricación de barcos, incluyendo la fabricación con estructuras de acero. Muelles En las aplicaciones para barcos, la combinación de las capacidades de la soldadura láser y la GMAW ha hecho posible la reducción del peso de la estructura de la viga de entre un 20 y un 50% y se proyecta que reduzca substancialmente los costos de fabricación estructural y ensamble. Los muelles de los Estados Unidos comúnmente han establecido un límite de dos años para la recuperación para justificación económica de compras capitales. Basado en las estimaciones del costo preliminar y ahorros, La ESAB ha proyectado un rango en la tasa de recuperación de 0.8 y 1.9. Esto indica una gran probabilidad de lograr una tasa aceptable del regreso de la inversión dentro de un plazo de dos años. Adicionalmente, el efecto positivo en la calidad del producto, velocidad del proceso, y el rendimiento general de los 35

4 muelles deben hacer de ésta una tecnología atractiva para los muelles donde se fabrican y reparan barcos. Se proyecta que la velocidad de línea de paneles, un factor limitante en el rendimiento de los muelles, se pueda incrementar de un 38-49% aprovechando esta tecnología para la soldadura a tope de juntas de placa y soldadura de la placa de refuerzo a la cubierta. Por citar un ejemplo, un fabricante de barcazas identificó el área de ensamble del panel como el cuello de botella principal en su planta de fabricación. Él quería incrementar el rendimiento en un 800% y al mismo tiempo reducir el contenido de mano de obra en un 50% para reducir costos e incrementar lo principal, las ganancias. Adicionalmente, la distorsión causada por la soldadura y el resultante encorvamiento de los paneles eran un problema persistente. El fabricante quería: reducir la distorsión al mínimo, ya que esto contribuía significativamente a sacar de base el costo del ensamble; reducir al mínimo el repetir el trabajo posterior a la soldadura ya que esto se estimaba que constituía el 15% del costo total de mano de obra de la barcaza; y eliminar las soldaduras de traslape en el casco las cuales tienen un efecto negativo en el desempeño de la barcaza y la aceptación del cliente. Se examinó el potencial de remplazar el proceso existente de soldadura de juntas a tope SAW por un proceso de soldadura híbrida láser que permitiera que las juntas a tope de la placa fueran soldadas con una entrada de calor y distorsión significativamente menores y remplazar la operación de la soldadura de ojal o botón por arco sumergido por un proceso de soldadura híbrida de ojal o botón por láser para soldar las placas internas del fondo a las placas de refuerzo. Con la HLAW, las placas de hasta 1 2 pulgada de grosor pueden ser soldadas en un pase sencillo, sin límite en la capacidad para calibres delgados. Las placas con grosor superior a la media pulgada pueden soldarse en pases múltiples con un pase de raíz inicial de ½ pulgada. Evaluaciones preliminares sugieren que estos cambios podrían reducir tiempos Takt operacionales en un 93-96%, y al mismo tiempo mejorar la capacidad y calidad de la línea. (tiempo Takt se refiere al tiempo máximo permitido para producir un producto para satisfacer la demanda). Este sistema puede producir cuatro barcazas por semana versus el proceso actual con capacidad de 0.5 barcazas por semana. Esto resulta a los dos años en una ganancia de 350 barcazas de incremento total en el margen bruto de más de $20 millones. Adicionalmente, el fabricante se dio cuenta de un número de beneficios no cuantificables en la calidad mejorada del producto, satisfacción del cliente, y ahorros de las operaciones de ensamble posteriores Puentes Los constructores de puentes ya usan por lo regular vigas fabricadas con placa donde el tamaño hace imposible el uso de vigas redondas. Algunos ingenieros además especifican aceros de alta cedencia en estas vigas para reducir peso estructural. Los procesos de soldadura láser facilitan la producción de estas vigas a costos más bajos y rendimiento general más alto. Adicionalmente, al usar aceros nuevos, más accesibles, y de mayor resistencia para reducir peso, la soldadura láser permite que vigas fabricadas en placa más pequeñas sean fabricadas competitivamente con vigas redondas. Debido a que los precios del acero común continúan escalando, los procesos que pueden reducir el peso total del acero proporcionarán ventajas de costo a los productores y a los consumidores de acero estructural. Otra aplicación de HLAW en la fabricación de puentes es el uso de cubiertas o pisos de panel tipo sándwich. Los paneles de acero tipo sándwich tienen el potencial de ser altamente competitivos en costo y peso contra los sistemas convencionales de piso para puentes que actualmente existen en el mercado. El primer esfuerzo por investigar el uso de paneles de acero tipo sándwich de alto desempeño para puentes fue tomado recientemente por el Departamento de Transporte del Estado de Maine, la Universidad de Maine, y PLSystems bajo el auspicio de la Administración de Carreteras Federales. Este proyecto incluirá análisis numéricos, desarrollo de detalles de conexión estructural, pruebas de laboratorio, y demostraciones de campo de pisos o cubiertas de panel tipo sándwich de acero inoxidable. Lo encontrado por los análisis ha predicho que un panel tipo sándwich con 7.25 pulgadas de profundidad y un peso propio de 48 libras/pie2 puede soportar cargas completas de tráfico sobre un bloque relativamente largo de 15 pies. Este panel cumple con todas las provisiones apropiadas para el diseño de puentes de la AASHTO. Algunas de las aplicaciones y beneficios de los pisos o cubiertas de panel tipo sándwich de acero inoxidable en puentes incluyen lo siguiente: Una alternativa de peso ligero para red de acero abierta, concreto de peso ligero, piso ortotrópico, o compuesto de FRP en puentes de peso crítico, incluyendo rehabilitaciones de puentes históricos, bloques movibles, y puentes transportables o temporales; Instalación rápida en todo clima mínima afectación al tráfico; Aceros disponibles de alta cedencia y resistentes a la corrosión; Protege la estructura de soporte de desechos corrosivos; Precios competitivos; Métodos convencionales de reparación e inspección; y Tolerancia al daño salidas redundantes de carga presentes. Además existen varias alternativas del concepto de piso de puente de panel tipo sándwich que están actualmente en proceso de desarrollo. Por ejemplo, una cáscara superior de acero mejorado puede ser soldado al panel para permitir una acción conjunta entre el panel tipo sándwich y una superficie de uso de concreto vaciado en sitio. El centro de los paneles tipo sándwich también se pueden llenar de manera eficiente con espumas o esponja de celda cerrada para mejorar la resistencia a la corrosión, la absorción acústica, o la resistencia al fuego. Una estructura de sándwich para puente de bloque directo es otro concepto bajo consideración. Un estudio de caso preliminar muestra un bloque de 32 pies, con una profundidad del panel de 15.7 pulgadas, un peso del panel de 17.6 libras por pie2, y un sistema propuesto de lozas que incluye una capa superior de 4 pulgadas de concreto reforzado compuesto. Los beneficios de este sistema incluyen lo siguiente: Una alternativa a las lozas huecas prevaciadas de concreto, El potencial de reducir el perfil de superestructura, Reducción de peso propio a un décimo del peso del concreto, Permite la instalación con equipo de levantamiento más pequeño, Facilidad de transporte y manejo, y Fabricación rápida. Durante las exploraciones de los paneles tipo sándwich para pisos de puentes, mas y mas similitudes han surgido entre estos y los pisos para puente de acero ortotrópico. Una de estas áreas es la soldadura de la placa superior a una ranura en la placa de refuerzo. Estas deben estar soldadas de un lado y, de acuerdo al código de puentes actual, con una penetración del 80%. La soldadura automatizada híbrida con láser pudiera ser la respuesta para mejorar esta soldadura de ranura hacia una soldadura de un lado con penetración del 100% con tenacidad y dureza apropiadas. Carros de Ferrocarril La industria de carros de ferrocarril comparte muchos de los mismos retos que enfrentan los muelles. Los carros están principalmente construidos de una subarmadura de acero, un exoesqueleto de 36 ENERO 2008

5 acero, y paneles laterales de acero. El pandeo o encorvamiento de los paneles laterales es un problema notable y persistente en muchos diseños. Un fabricante de carros para ferrocarril estudió recientemente la posibilidad de usar HLAW en su área de ensamble de paneles laterales. Esperaba incrementar el rendimiento en esa área, eliminar el pandeo o encorvamiento de los paneles laterales, y reducir costos de mano de obra. El proceso de soldadura por arco sumergido (SAW por sus siglas en inglés) actual del manufacturero producía niveles inaceptables de distorsión. Las tasas de desperdicio en la línea de paneles eran muy bajas, ya que la mayoría de los productos pueden componerse o retrabajarse para llenar los criterios de aceptación, pero este procesamiento sin valor agregado constituía una porción significativa del contenido de la mano de obra de cada panel. Aproximadamente un tercio de la duración de cada estación se invierte en actividades de preparación. Mucho del contenido de mano de obra de ciertas estaciones se invierte en operaciones sin valor agregado como levantar la soldadura, lijado, enderezado de panel, y punteo. Además, la distorsión de los paneles complicaba las operaciones subsecuentes de ensamble. Se investigó el potencial de remplazar el proceso de soldadura a tope de juntas con arco sumergido por un proceso de soldadura híbrida láser. Se estimó que cambiar a la HLAW reduciría los tiempos Takt en más de 20%. La capacidad adicional posible con el nuevo sistema produciría 1000 carros de ferrocarril más al año. Aunado a los ahorros en mano de obra, esto permitiría una devolución de la inversión en poco más de un año. Tuberías En un intento por controlar el alto costo de la fabricación de tuberías y mejorar la fuerte implementación de tecnología innovadora, los propietarios y operadores de líneas de tubería han estado persiguiendo un número de tecnologías para líneas de tubería de next-generation incluyendo aceros para tubería y accesorios de mayor resistencia, soldadura mecanizada/automatizada multialambre, inspección ultrasónica, sistemas avanzados de revestimiento, y procesos alternativos de validación de integridad. Los procesos de soldadura en el estado del arte actual para tuberías en tierra involucran al proceso de soldadura por arco metálico protegido con gas (GMAW). Sin embargo, es altamente probable que la siguiente generación de equipo de soldadura automatizado para tubería gire alrededor de la soldadura híbrida por arco láser. Los costos de fabricación para una línea de tubería representan aproximadamente la mitad del costo total del proyecto. Los costos de soldadura son un componente muy importante de los costos generales de construcción, y la industria sigue buscando tecnologías de soldadura para tubería tipo futura generación para lograr mejoras adicionales en la productividad y lograr ahorros significativos en cuanto a costos. La economía de la fabricación de tubería está determinada principalmente por dos aspectos del método de soldadura para ello. La velocidad de soldadura del pase de raíz gobierna la productividad general de la extensión de la construcción de tubería, y la deposición de soldadura del pase de relleno rige el número de estaciones de soldadura que se necesitan para mantener el ritmo con el pase de raíz. La soldadura con arco metálico protegida por gas de tandem dual actualmente está considerada como el método más eficiente, ya que mejora la eficiencia de los procesos de relleno y tapado y disminuye los costos de soldadura al bajar el número de estaciones de relleno que se requieren en una extensión de soldadura de tubería. Los pases de relleno, sin embargo, no controlan el progreso de la fabricación de tubería, y se pueden hacer ahorros adicionales en los costos incrementando la velocidad del pase de raíz. El estudio inicial conducido por el Consejo Internacional de Investigación para Tuberías (PRCI por sus siglas en inglés) en 2000 se enfocó en la utilización de soldadura híbrida por arco láser Hd:YAG para el cordón de raíz apoyándose en la GMAW mecanizada para el relleno y tapado. Este enfoque mostró claras promesas ya que se podían depositar cordones de raíz de 3 mm de grosor a velocidades de desplazamiento de hasta 4 m/min, dos veces más rápido que la GMAW convencional. Un proyecto completado recientemente en el Reino Unido también ha demostrado la factibilidad de producir cordones de raíz en soldaduras de grosor en tubería a muy altas velocidades. Además, ya que el proceso de HLAW tiene un potencial muy bajo de hidrógeno y produce tensiones residuales más bajas en comparación con los métodos convencionales de soldadura, el riesgo de agrietamiento causado por hidrógeno se reduce significativamente. La inspección en soldaduras hechas con procesos de soldadura convencionales normalmente requiere de un retraso de 24 horas para asegurar que el agrietamiento por hidrógeno no ha ocurrido una vez concluida la soldadura. La HLAW reduce la susceptibilidad al agrietamiento causado por hidrógeno y pudiera no requerir del retraso típico de 24 horas, y en consecuencia, permitiendo que la inspección se realice inmediatamente después de la operación de soldadura. Adicionalmente, la reparación o retrabajo de las juntas de soldadura, por lo general hecha manualmente, se reduciría enormemente. Esto baja los costos y la necesidad de mano de obra calificada. Conclusión Aunque todavía está en pañales como tecnología comercial, la soldadura híbrida por láser promete mucho en un muy basto rango de industrias como medio para mejorar las cualidades de la soldadura, los tiempos en la velocidad de producción, y generar ahorros en los costos generales. Esta tecnología perturbadora tecnología (en el buen sentido de la palabra) tiene el potencial para cambiar dramáticamente los métodos de fabricación, los paradigmas aceptados en ese campo y la economía de los negocios. Los fabricantes que acojan esta tecnología están en posición para tener ganancias significativas por encima de su competencia, permitiendo, quizá que los fabricantes de los Estados Unidos vuelvan a imponer estándares en la competencia global. 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