Soldadura tradicional versus soldadura láser

Con velocidades de procesamiento mucho más rápidas y mayor calidad, se podría pensar que la soldadura láser se apoderaría rápidamente del campo. Pero la soldadura tradicional persiste. Y dependiendo de a quién le preguntes y qué aplicaciones consideres, es posible que nunca desaparezca. Entonces, ¿cuáles son los pros y los contras de cada método que siguen dando lugar a un mercado mixto?

Los métodos tradicionales de soldadura siguen siendo populares. A grandes rasgos, tres tipos de soldadura tradicional 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 van a unir entre ellos, 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 comercial 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, añadió, el mayor mercado para la soldadura láser ha sido el de reemplazar la soldadura por puntos por resistencia. Por el contrario, Miller no ha visto “ningún tipo de avalancha” en el láser que reemplaza al TIG o al MIG. E incluso dentro del grupo de automatización de la empresa, aproximadamente el 90 por ciento de los proyectos se realizan en MIG.

¿A qué se debe la perdurable popularidad de MIG? "El consumible es un alambre alimentado continuamente", dijo Miller. "Por lo tanto, se agrega material y se refuerza la soldadura, lo que la hace perfecta para una soldadura de filete [en la que las piezas son perpendiculares]". El láser autógeno fusiona los dos materiales originales. Un láser puede realizar una soldadura de filete, pero la exactitud y precisión de las piezas y todo lo demás tienen que ser un orden de magnitud mayor, según Miller.

“Con una soldadura MIG en filete, la tolerancia es 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 necesita controlar son la velocidad de desplazamiento, el voltaje, el amperaje, el ángulo de la antorcha y el ángulo de trabajo, y "si hace bien cinco de las diez cosas, aún así obtendrá una buena soldadura". La automatización de la soldadura láser requiere un robot con una excelente precisión de trayectoria y repetibilidad, y hay más factores que controlar en el proceso de soldadura. TIG es similar a este respecto.

Eso no quiere decir que automatizar la soldadura MIG sea tan fácil que cualquiera pueda hacerlo. Todavía se requiere que un experto realice la programación y diagnostique los problemas. Ed Hansen, director de gestión global de productos y automatización flexible de 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 comprende bien. Sabemos lo que se necesita para lograr un resultado predecible que proporcione la unión que la estructura requiere. Y aunque hablamos de la escasez de mano de obra calificada, que es un problema real 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 sencilla y económica que proporciona resultados aceptables.

Se da el caso de que el costo inicial de un sistema MIG o TIG es menor que el de un sistema láser. Sin embargo, el coste de los láseres ha ido bajando y seguirá bajando. "El láser cuesta entre un tercio y la mitad del costo de un sistema de soldadura 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 caro que los cabezales tradicionales, la fibra de entrega es cara y la protección de una celda láser también es más cara”. Por ejemplo, una celda láser debe ser “hermética a la luz”, con paredes de 4" (101,6 mm) de espesor para resistir un impacto directo durante 10 minutos sin quemarse. (El láser no estaría enfocado en una celda de 4" [101,6 mm] de espesor.) Los sistemas TIG y MIG se pueden proteger con láminas de metal económicas que permitan espacios.

Por otro lado, cuando se tienen en cuenta las diferencias en el rendimiento y el coste por pieza, el láser suele ganar, como veremos. Esto 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 equipos y electrodomésticos industriales para alimentos, además de algunos componentes de precisión. "La gente elige TIG para aplicaciones en equipos alimentarios porque la soldadura no tiene una superficie porosa: es muy suave", dijo. Pero si esas piezas deben producirse en volumen, el retorno de la inversión en un sistema láser "derribará las puertas" del TIG, por lo que, naturalmente, asumirá el control en esos casos.

Masoud Harooni, gerente de producto de soldadura láser de 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 crítica. "No es tan malo como MIG, pero una superficie TIG definitivamente requiere un rectificado posterior al proceso, lo cual no es necesario con el láser", dijo Harooni. “Además, la velocidad de la soldadura láser para soldaduras visibles es dos o tres veces más rápida que la TIG. Si ve un buen radio en un refrigerador o pieza similar, fue rectificado o soldado con láser”.

Un último voto a favor de la soldadura tradicional: salvo en algunos casos especiales, la soldadura láser debe automatizarse por motivos 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 suba a la sentina de un barco. Podemos soñar con estos súper robots, pero en términos prácticos, no estarán aquí en el futuro cercano”.

Como lo ve Miller, la industria manufacturera estadounidense tiende a ser conservadora y “si no hay un problema que resolver, se elegirá la solución más barata, más sólida y más examinada. Por eso, la gente sólo empieza a mirar hacia el láser cuando la soldadura MIG no funciona o la soldadura TIG es demasiado lenta”.

La soldadura TIG por volumen ya se ha trasladado al extranjero o ha sido reemplazada 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 relativamente prolongada y generalizada 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 sólo un área localizada. El aporte total de calor es mucho menor que el MIG y la pieza se enfría muy rápido, minimizando la distorsión y los efectos metalúrgicos.

Harooni ofreció una analogía útil: “Imagínese una botella de agua en una playa de arena, comparada con una aguja. Si pones un peso de cinco libras en la botella, no penetrará la arena. Pero si pones sólo 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 el MIG y que “la tensión residual en una soldadura es directamente proporcional a la entrada de calor. Cuanto más calor le pongas, más estrés residual inducirás. Y eso significa pandeo, distorsión, contracción y todas esas cosas que causan una pesadilla cuando tomas esa pieza y haces un ensamblaje con ella o la encajas en una estructura o un vehículo”.

Cuanto más grande es la pieza, más pequeñas tensiones residuales individuales se convierten en macro deflexiones que son muy costosas y difíciles de solucionar más adelante, añadió. 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 se calientan, o las estructuras de los granos crecen de manera indeseable. En muchos de estos materiales, la estructura del 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 fundes y solidificas a una velocidad de enfriamiento baja [como en la soldadura MIG], todas esas fortalezas desaparecen. El láser puede ayudar a mantener la resistencia original 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 eso el láser es la elección perfecta”. Con el aluminio de la serie 6000, el problema es el agrietamiento en caliente. “El craqueo en caliente es una función de la migración del siliciuro de magnesio hacia el límite del grano. Entonces, si se puede calentar el material, fundirlo y enfriarlo antes de que migre el siliciuro de magnesio, entonces se puede crear una soldadura sin grietas”, dijo. "El láser puede hacerlo utilizando las últimas técnicas de escaneo, en las que movemos el rayo hacia adelante y hacia atrás con un espejo".

Desde la perspectiva de Miller, la mayoría de las aplicaciones láser se realizan en materiales difíciles de soldar. Desde la perspectiva de Harooni, el láser es mucho más rápido que incluso los proyectos de chapa metálica están pasando al láser. ¿Cuanto más rápido? Harooni de Trumpf dijo que la soldadura MIG normalmente se realiza 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 por sí solo ya es mucho más rápido. El segundo beneficio es la reducción del posprocesamiento. Harooni observó que si la apariencia de la soldadura es Importante, habría que seguir una soldadura MIG con un ciclo de rectificado largo, que no sería necesario después de la soldadura láser.

"Por eso", añadió, "normalmente ocurre que 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 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 para soldar con MIG un gabinete eléctrico de aluminio. Los soplamientos 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 añadió que la capacidad del láser para penetrar profundamente en el material multiplica su ventaja sobre la soldadura tradicional. Porque el láser no solo es de tres a diez veces más rápido que MIG (e incluso más rápido en comparación con TIG), sino que también puede soldar uniones relativamente gruesas que requerirían múltiples pasadas con MIG o TIG.

"Las técnicas tradicionales también requieren limpieza y pulido entre pasadas, lo que aumenta aún más el tiempo total del ciclo", explicó Hansen. “El láser puede soldar en 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 pulir 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 entre 15 y 50 veces más rápida que MIG, solo en velocidad de soldadura, e incluso más rápida si se considera también el posprocesamiento adicional requerido para MIG.

Por supuesto, con tasas de producción tan altas, se necesita mucho trabajo de soldadura para alimentar un sistema láser y maximizar el retorno de la inversión. Como dijo Hansen, “normalmente, el láser puede producir de tres a cinco sistemas de soldadura por arco en la soldadura de placas, por ejemplo. Se necesita mucho trabajo para alimentar cinco sistemas de subarco”.

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

Pero para aquellos que se resisten a ese 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 hacer oscilar el 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 hacia adelante y hacia atrás sobre un área de 3 mm a alta velocidad, capturando efectivamente el área más grande y aún así realizando 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 quieres afectar la penetración en una soldadura MIG, debes agregar más amperaje. Al usar el láser para realizar la penetración, 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 existe una sinergia entre los procesos debido a que el rayo láser estabiliza el arco. “Podemos viajar con el arco mucho más rápido que si no tuviéramos un rayo láser. Así es como podemos avanzar tan rápido con el proceso híbrido”, afirmó.

La línea Fusion de Trumpf, que Harooni describió como “un proceso láser asistido con alambre para introducir más masa en los espacios”, puede cerrar 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 mira desde un ángulo de paralaje para ver la forma de la junta, unos 20-40 mm por delante del proceso”, dijo Hansen. Se utilizan imágenes coherentes con láser para medir el ojo de la cerradura que el láser corta en el metal. "Podemos medir la profundidad de la penetración y la forma del ojo de la cerradura y utilizar esa información como 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, impulsado por los requisitos de la Marina de los EE. UU., es llevar los beneficios de la soldadura láser con bajo aporte de calor a las “piezas preparadas convencionalmente” (es decir, piezas que no fueron mecanizadas 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 con respecto a lo que hubiera sido posible con controles de estado estacionario.

La soldadura láser sigue siendo relativamente nueva para muchos usuarios, y Harooni destacó 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 cámara que detecta la ubicación de la costura a soldar. “Los clientes no quieren interrumpir la producción para programar una pieza nueva o realizar 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 necesitan modificarlo. TeachLine vería la pieza y ajustaría el programa que usted creó sin conexión. La combinación de programación fuera de línea y TeachLine ayuda a nuestros clientes a realizar cambios de producción rápidamente”.

ESAB también está lanzando un nuevo conjunto de “soluciones digitales” que combina una gran cantidad de información que cubre todo el proceso de soldadura, incluido el material de relleno, el material base y el gas, para facilitar el uso de los sistemas. Como dijo Hansen: “Es fácil crear un sistema complicado. Es muy difícil hacer que un sistema complicado parezca simple. Y hacia ahí es hacia donde vamos con nuestras soluciones digitales. Estamos aprovechando nuestro conocimiento del proceso para tomar decisiones inteligentes sobre el control del proceso, de modo que el operador no tenga que tener tanta experiencia ni tanto conocimiento como en el pasado”.

ESAB también está trabajando en formas de hacer que sus equipos sean capaces de evaluar la calidad de la soldadura que está produciendo e, idealmente, evitar crear un defecto o discontinuidad.

Finalmente, la soldadura tradicional también ha experimentado 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 pueden automatizarse y convierte a MIG en una solución viable incluso para la soldadura de algunos materiales ultrafinos.

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