Avances en la soldadura BIW: reducción de las expulsiones RSW y sistemas de visión 3D mejorados

1. Un enfoque integral y continuo para reducir las tasas de expulsión de la soldadura por puntos de resistencia.

2. Capacidades actuales de los sistemas de visión láser 3D para mejorar la calidad de la soldadura.

Aporte 1

Reducción de las tasas de expulsión de la soldadura por puntos de resistencia mediante el análisis de procesos y los datos inteligentes

El objetivo de un estudio en curso de BMW MINI UK y TWI Ltd(The WeldingInstitute, Reino Unido) es reducir la expulsión de la soldadura, un problema costoso causado cuando el metal líquido caliente de la soldadura por puntos cae en otra parte del coche. También conocidas como salpicaduras de soldadura o expulsión de metal líquido, las expulsiones provocan:

• Quemaduras de recubrimientos de zinc, lo que reduce la protección contra la corrosión
• Defectos visuales en las piezas visibles del vehículo

La identificación y el reprocesamiento de piezas dañadas por la expulsión de la soldadura lleva mucho tiempo.

Figura 1a: Expulsión de una soldadura por puntos de resistencia.

Figura 1b: Quemadura y daños en la superficie del panel como resultado de la expulsión de la soldadura. Imágenes por cortesía de TWI Ltd y BMW MINI UK.

Disminución de las tasas de expulsión ya bajas

La planta de MINI del Grupo BMW en Oxford ya tenía una baja tasa de expulsión del 3,7 %. Pero el objetivo del proyecto WeldZero del gobierno británico es cero defectos de soldadura. Con la financiación de WeldZero, la planta de MINI en Oxford y el Instituto de Soldadura trabajaron sistemáticamente para reducir aún más la tasa de expulsión de la planta para cada una de las 6000 soldaduras por puntos de resistencia (RSW) que se encuentran en cada modelo de MINI.

La planta de MINI en Oxford utiliza robots y pistolas de soldadura de última generación, con controles integrados/adaptativos para todas las soldaduras por puntos, por lo que no tiene problemas con la mala calidad, las soldaduras de menor tamaño o las soldaduras de baja resistencia. El único problema que queda es la salpicadura por soldadura.

En el estudio en curso, el análisis de datos se utiliza para identificar:

• Sucesos de expulsión de soldadura
• Sus causas principales
• Patrones de datos para cada causa principal

Informar a los ingenieros de producción de las acciones correctivas adecuadas.

Medidas correctivas iniciales para salpicaduras de soldadura

• Reducir la presión de aire de la pistola de soldar, que originalmente se «sobrepresurizó» intencionadamente con la creencia errónea de que la sobrepresión compensaría las diferencias en las distancias desde el suministro de aire a la pistola de soldar. Al reducir la presión del aire, se obtiene una mejor igualación del índice de presión de todas las pistolas de soldar, lo que reduce las expulsiones de soldadura y los costes energéticos del suministro de aire en un 25 %.
• Supervisión del flujo de agua de refrigeración hacia las pistolas de soldar para detectar bloqueos o caídas en los niveles de flujo. Las alteraciones en el flujo de agua de refrigeración provocaron que los electrodos de soldadura se sobrecalentaran y experimentaran un desgaste excesivo del electrodo, lo que provocó salpicaduras de soldadura.
• Análisis de los datos del proceso de soldadura de la tensión de soldadura, la corriente de soldadura, la fuerza de soldadura y la resistencia medida, que luego se correlacionó con los robots de soldadura que tienen la mayor incidencia de expulsión de soldadura.
  
  

Factores de expulsión de soldadura adicionales encontrados por el análisis de datos

A continuación, TWI y BMW realizaron un análisis de datos de las expulsiones de soldadura restantes para determinar sus factores principales:

• Desajuste del panel: incluye la forma deficiente de las piezas y la recuperación elástica, pero también problemas como que unas piezas empujen otras piezas fuera de su posición.
• Efecto de los huecos: para componentes más fuertes y gruesos, o con tres o cuatro pilas de chapas, los huecos entre los paneles pueden desestabilizar el proceso de soldadura, lo que provoca la expulsión de la soldadura.
• Distancia del borde del electrodo: el desajuste del panel puede hacer que el electrodo de soldadura esté demasiado cerca del borde de un panel, provocando que la zona de soldadura se rompa el borde del panel, con una fuerte expulsión como resultado.
• Mala orientación del punto de soldadura: causada por un defecto de forma o de desajuste del panel y que provoca que el electrodo no esté orientado en la posición ideal de 90 grados. Esta situación provoca la expulsión de la soldadura, así como el deterioro del electrodo, lo que, a su vez, puede causar más expulsión.
• Puntas de electrodos muy desgastadas: la cantidad de aleación de zinc en los electrodos influye en las tasas de expulsión.
• Refrigeración por agua mal diseñada de las pistolas de soldar: bloqueos o curvas cerradas en los canales de refrigeración que restringen el flujo de agua, lo que provoca que el electrodo se sobrecaliente y se desgaste demasiado rápido, lo que provoca expulsiones de soldadura.

Determinación de la importancia de cada factor en las salpicaduras de soldadura

A continuación, TWI instaló una célula de soldadura robótica para simular los procesos de producción de BMW en su propio laboratorio. A continuación, pudieron identificar las tolerancias de proceso para cada uno de los factores enumerados anteriormente con el fin de determinar la gravedad de cada factor requerido para provocar una expulsión de la soldadura.

También identificaron las firmas de datos del proceso de soldadura de los temporizadores del soldador para diagnosticar la causa de la expulsión para cada caso.

«Pistola de ahumado»: estado de la punta del electrodo

El estudio determinó que la sensibilidad de cada factor de expulsión dependía del estado actual del electrodo. El desgaste de la punta del electrodo también influyó en las firmas de datos de las explosiones.

Figura 2: Algunos de los datos del proceso analizan la relación entre el estado de desgaste del electrodo y la expulsión de la soldadura. Imagen por cortesía de TWI Ltd y BMW MINI UK.

Siguientes pasos para el estudio en curso

«Para lograr un sistema de análisis de datos en proceso que pueda diagnosticar la causa de la expulsión [de soldadura], se debe desarrollar un modelo que pueda tener en cuenta el número de soldaduras realizadas con un conjunto de puntas [de electrodo] desde la última operación de aplicación de apósitos... Se está desarrollando una herramienta para proporcionar una identificación en línea y en tiempo real de soldadores con niveles de expulsión inaceptables y diagnósticos de la causa de la expulsión, de modo que los problemas se puedan solucionar de forma eficiente.»

Aporte 2

Capacidades actuales de los sistemas de visión láser 3D para mejorar la calidad de la soldadura

La penalización por tener soldaduras menos que perfectas en piezas automotrices con altos requisitos de seguridad, como las cajas de baterías de vehículos eléctricos, es significativa. Sin embargo, tal y como informa Servo-Robot Corp., los sistemas de cámara de visión láser 3D pueden mejorar la productividad y la calidad de la soldadura por láser robótica, la soldadura por láser y la soldadura por arco para componentes de automóviles, incluidas estructuras protectoras de carrocería en blanco (BIW), chasis y batería de VE.

Las cámaras con velocidades de 2 kHz (2000 cuadros por segundo) o superiores se pueden integrar en cabezales láser de alta potencia (hasta 30 kW). Estas cámaras, ubicadas a menos de 20 mm del punto de enfoque del láser, pueden rastrear las costuras durante la soldadura de alta velocidad, incluso en formas curvas, al mismo tiempo que proporcionan una supervisión del proceso en tiempo real y una inspección posterior a la soldadura.

Figura 3: Soldadura en blanco soldada a medida con seguimiento e inspección de la costura de la cámara láser 3D. Imagen de cortesía de Servo-Robot Corp.

Piezas de automóviles grandes + robots de soldadura grandes = desviaciones mayores de la junta de soldadura

Las chapas soldadas a medida con láser (TWB) para piezas grandes, como los marcos laterales de la carrocería y los paneles interiores de la puerta, requieren robots de soldadura grandes. Debido a la gran escala, es posible que los robots no puedan mantener el punto láser a 100 micras de la junta de soldadura. Las cámaras de alta velocidad, visión láser y seguimiento de costuras con accionadores sin contragolpe pueden superar este desafío, proporcionando un seguimiento de precisión a velocidades de soldadura de hasta 15 metros/minuto.

La combinación de cámaras y software con un sensor de retrorreflexión, que forma parte de un sistema de control de procesos láser (LPCS), permite detectar defectos en la superficie y en la soldadura interna, y envía los resultados inmediatamente al robot de soldadura para evitar que se produzcan más soldaduras defectuosas.

El sensor de retrorreflexión del sistema de control de procesos láser mide la radiación térmica emitida desde el área del ojo de cerradura de la piscina fundida. Los cambios en la absorción de la potencia del láser por parte de la junta soldada y su piscina fundida indican defectos internos en la soldadura. En el caso de las piezas en bruto soldadas a medida, los defectos causados por condiciones como la variación del hueco, diferencias de bordes en blanco, contaminación o energía láser insuficiente se detectan en tiempo real.

Soldadura láser e híbrida por láser de BIW

Se pueden utilizar sistemas de visión láser 3D similares para la soldadura láser e híbrida láser de los componentes BIW, como en la unión del techo y la carrocería del vehículo. También se utilizan para la soldadura láser e híbrida con láser de cajas de baterías de vehículos eléctricos (también denominadas jaulas, marcos de protección), incluidas la soldadura por puntadas de aluminio y la soldadura de paneles de acero.

Figura 4: Soldadura por láser de la carcasa de la batería de acero utilizando el sistema de cámara 3D. Imagen de cortesía de Servo-Robot Corp.

Figura 5: Agujero de 0,22 mm detectado por cámaras 3D en la soldadura láser de chapas de acero. Imágenes de cortesía de Servo-Robot Corp.

Comprobación de la geometría del cordón de soldadura de las costuras del techo soldadas con láser

Las costuras soldadas con láser, como las juntas soldadas para tejados, también pueden beneficiarse de los sistemas de visión de dos cámaras. La primera cámara encuentra y sigue la articulación, localizando su línea central. La segunda cámara mide la geometría del talón y detecta defectos superficiales con una resolución de 0,1 mm. La comprobación de la solidez interna de las juntas soldadas requiere el uso de un sensor de retrorreflexión.

Colocación del alambre de soldadura donde se necesita

La principal causa de problemas de calidad y pérdida de productividad en la soldadura por arco no es el propio proceso, sino simplemente el hecho de que el cable de soldadura no esté colocado correctamente en la junta de soldadura. Las razones más comunes para una colocación incorrecta del cable son la variabilidad detallada de las piezas, el apilamiento de las tolerancias en un conjunto y la distorsión causada por la entrada de calor de la soldadura, lo que hace que la junta no esté donde el robot está programado para desplazarse.

La detección de costuras con sistemas de visión 3D localiza la posición real de la junta. A continuación, la posición del cable se modifica para adaptarse a la ubicación real de la junta y lograr una calidad de soldadura óptima. Además, si hay un hueco inaceptable, se puede utilizar un programa de soldadura adaptable para abrir la ventana de proceso de aceptabilidad cambiando la corriente de soldadura, la velocidad de desplazamiento o el patrón de tejido.

Figura 6: Cámaras 3D con seguimiento de costuras para soldar los raíles laterales del chasis. Imagen de cortesía de Servo-Robot Corp.

Inspección visual automatizada de la soldadura por arco para la industria 4.0

La inspección automatizada y robótica de soldadura por arco no solo es más rápida y fiable que la inspección manual, sino que también proporciona datos valiosos que pueden satisfacer los requisitos de la Industria 4.0. Estos datos pueden ayudar a predecir cuándo una soldadura por arco tiende a ser defectuosa, así como a indicar posiblemente lo que se necesita mejorar, como la calidad de la pieza, la repetibilidad del dispositivo de sujeción o el proceso de soldadura en sí.

La inspección de las soldaduras por arco es más difícil de realizar que las soldaduras por láser o la soldadura debido a las mayores variaciones en el tamaño de la soldadura por arco, la regularidad y la suavidad de la superficie.

Por esta razón, el enfoque más exitoso para la inspección de la soldadura por arco es utilizar un enfoque comparativo: se establece la calidad nominal de la soldadura en una "pieza dorada" y luego se comparan las soldaduras de producción reales con ella, buscando diferencias inaceptables. Las diferencias excesivas indicarán una operación de soldadura que no está bajo control y, por lo tanto, es más probable que produzca soldaduras defectuosas.