Como a Robótica Avançada Está Revolucionando Operações de Soldagem

É hora de automatizar sua operação de soldagem? Preocupado com quanto tempo manterá soldadores experientes? Precisa aumentar produtividade mas não vê como com força de trabalho disponível? Desafiado por materiais mais duros? Diversos avanços técnicos tornam relativamente fácil resolver estes problemas automatizando soldagem, com retorno surpreendentemente rápido.

Três Vezes Mais Rápido

[Imagem: Robô de soldagem em operação]

Existem duas categorias amplas de soldagem automatizada: automação "fixa" e soldagem "flexível" (ou robótica). Automação fixa é específica à aplicação, ideal quando geometria da peça e solda são muito simples. Ex: melhor solução para soldar tubos. Mas para maioria das aplicações industriais e complexas, soldagem robótica é ideal e foco deste artigo.

Como explicou Jason Lange, gerente de vendas internas, Lincoln Electric Co. (Cleveland): "Principal propósito do robô é ajudar com repetibilidade da solda. Número dois: reduzir abuso no soldador. Mover peças o dia todo e rastejar sob diferentes fixações é cansativo. Robôs ajudam ergonomia."

É duplamente importante facilitar para soldadores pois estão ficando mais difíceis de encontrar. "Há muitas escolas técnicas investindo em programas de soldagem para tentar fechar essa lacuna," continuou Lange. "Mas em qualquer dia, números de aposentados excedem substitutos, criando vazio. Soldagem robótica ajuda preencher esse vazio."

[Imagem: Célula de soldagem robótica]

Ao mesmo tempo, "retorno de sistema robótico é tipicamente muito melhor que você imagina," explicou Erik Miller, gerente desenvolvimento negócios - grupo laser, Miller Electric Mfg. Co. (Appleton, WI). "Um sistema robótico faz tantas peças quanto três soldadores. Economiza dois salários por turno e célula pré-engenheirada custa $100.000 a $120.000. Paga-se em cerca de um ano. Tipicamente, se automatiza processo e tem retorno <1 ano, faz imediatamente. Se 2 anos, deve considerar seriamente."

Automação robótica ajuda enormemente aumentar vazão. Mas fontes enfatizaram: não substitui mão de obra qualificada. "Ainda precisa pessoa de soldagem de qualidade para operar robô," como Lange colocou.

Materiais em Mudança: Outra Razão para Automatizar

[Imagem: Soldagem a laser em materiais avançados]

Mudanças em materiais de trabalho nos últimos 10 anos impulsionaram melhorias na soldagem, muitas impossíveis manualmente, como soldagem a laser, segundo Erwin DiMalanta, diretor linha negócios soldagem/corte, ABB Robotics (Auburn Hills, MI). "Fabricantes de veículos de mineração a automóveis usam materiais diferentes para reduzir custo/peso e acomodar diferentes soluções de trem de força," disse. "Fabricantes automotivos mudaram para aços de alta e ultra-alta resistência, com propriedades metalúrgicas mais fortes, leves, resistentes à corrosão, mas com alta conformabilidade e soldabilidade. Isso muda drasticamente como estruturas metálicas são projetadas, formadas e montadas." Fabricantes usavam matrizes de estampagem tradicionais; agora usam processos de estampagem a quente e tecnologias laser automatizadas para formar e cortar peças.

"Outro exemplo: mudança para alumínio em mais aplicações," disse DiMalanta. "Dependendo do carro, até 90% da carroceria pode ser alumínio. Devido à maior condutividade, precisa mais corrente para solda ponto em alumínio e corrente é sinônimo de calor. Mas estamos indo para materiais de calibre mais fino. Em alguns veículos, ~1mm. Como lidar com tendências opostas?"

Resposta: tecnologia melhorada para controle eletrônico e mecânico de soldagem a arco, e uso aumentado de soldagem a laser. Para soldagem a arco, DiMalanta disse: "Fontes de potência agora extremamente avançadas e controladas eletronicamente. Deposição de material em poça de solda cuidadosamente controlada, com formas de onda customizadas." Miller adicionou que formas de onda especiais "controlam entrada de calor nas peças, reduzem distorção e melhoram aparência cosmética das soldas."

Apontou método mecânico Active Wire da Panasonic. "Alimentação de fio bidirecional: fio avança para criar curto e depois recua da poça, repetindo ação tipo máquina de costura a 120 Hz. Reduz entrada de calor e drasticamente reduz respingos. Melhora consistência do arco em cada solda. Popular para alumínio e chapas finas."

Quanto mais leve o componente, mais avançados materiais precisam ser para permitir estruturas complexas mantendo resistência, disse DiMalanta. "Robôs e seus sistemas avançados de software ajudam conectar processos para manusear estes materiais com caminho do robô."

Soldagem a Laser: Opção Atraente

Com capacidade relâmpago de soldar ampla variedade de materiais (incluindo dissimilar), laser é provavelmente maior avanço na soldagem em décadas. Como Masoud Harooni, engenheiro sênior tecnologia avançada - soldagem laser, Trumpf Inc. (Hoffman Estates, IL): "Maior notícia em soldagem laser nos últimos anos é queda nos preços do laser."

"Sistemas soldagem laser são mais fáceis de controlar," continuou Harooni. "Seleciona uma potência e uma velocidade. Ajustado, processa peça toda com poucos respingos. Em soldagem a arco, mantém arco e parâmetros sensíveis a mudanças na distância tocha-peça. Diferentes partes requerem mais/menos corrente, causando menos estabilidade. Mesmo com loops de feedback bons em sistemas arco modernos, nunca perfeitamente ajustados. Componentes laser-soldados requerem muito menos pós-processamento que arco-soldados, que frequentemente precisam ser retificados. Também problema de respingos e limpeza bico em sistemas arco."

Talvez mais importante: soldagem laser atinge solda profunda sem dano térmico, mesmo em alumínio/magnésio suscetíveis a trinca/porosidade com arco. Harooni explicou: laser atinge densidade de potência 10⁸ W/cm². Gera keyhole (buraco-chave), área oca profunda por vaporizar metal da peça. Feixe laser move-se mantendo keyhole minúsculo cercado por poça fundida, enquanto material atrás solidifica.

"Obtém solda forte e profunda sem entrada extrema de calor na peça," disse. "Soldagem a arco não tem densidade de potência; única forma solda mais profunda é aumentar entrada de calor. Propriedades mecânicas de peças soldadas com menos calor e menos distorção são muito melhores que com maiores entradas de calor."

Miller afirmou: "Impacto inicial soldagem laser em soldagem automotiva, devido alto volume e vantagens técnicas. Fabricantes chapas metálicas também devem olhar soldagem laser. Benefícios reais em substituir soldagem ponto por resistência, desafiadora para manufatura médio/baixo volume. Fixação difícil: acesso requerido ambos lados da peça; laser requer apenas lado superior, mais fácil automatizar. Pode usar robô menor payload com ótica fixa simples."

Comparado a robô grande payload com braço forte carregando ferramenta grande com dois eletrodos, fabricantes agora usam robô 8kg mais seguro, montam cabeça de processo, automatizam soldagem ponto resistência relativamente fácil.

"Outra área em chapas onde laser benéfico: fabricação de caixas," disse. "Soldas de canto externo requerendo aparência cosmética, pouco ou nenhum acabamento metálico depois, área com muito interesse."

Segundo Miller, laser boa solução onde acesso limitado. Laser requer apenas linha de visão; arco robô move tocha volumosa dentro/fora peças, difícil. "Em soldagem laser, frequentemente 500mm da peça. Como atirar raio laser. Velocidades processamento muito maiores e menor entrada calor total, reduz distorção. Ferramenta perfeita para soldagem autogena."

Desvantagem soldagem laser, explicou Harooni: "Precisa garantir virtualmente zero gap entre componentes, ou usar linha de fusão, combinando laser com assistência de fio, derretendo fio na poça para cobrir gap. Mas laser tão mais rápido que vale investimento extra em fixação. Ex: se faz 50 peças/dia com arco robótico, laser robótico produz 300, 500 ou milhares da mesma peça/dia."

Entrando na Automação de Soldagem

Dar o salto é mais fácil que nunca. Principais players oferecem software setup off-line que programa próximo job no PC com alto realismo, transfere ao robô, inicia solda. ABB usa realidade virtual para usuários "colaborarem" com equipamento soldagem robótica.

"Pode literalmente pegar robô pelo pescoço, por assim dizer, e direcioná-lo como cão na coleira," explicou DiMalanta. "Mais intuitivo que teach pendant."

Segundo, sistemas têm mecanismos que adaptam automaticamente a mudanças posicionais de peça para peça e monitoram qualidade solda.

Como David Schaefer, especialista produto Miller Electric: "Vários tipos sensores lidam com mudanças localização junta. Um: touch sensing; outro: through-the-arc seam tracking. Touch sensing: robô desce e usa fio solda arco para sondar peça. Verifica delta entre localização programada e real para basicamente reprogramar-se."

"Through-the-arc seam tracking: ao tecer junta, como solda filete ou sobreposição se material grosso, detecta mudança amperagem e determina quando na junta/fora, seguindo solda enquanto solda." Opção usar óptica laser em vez de sensor fio, mesma ideia básica.

Lange (Lincoln Electric): "Outra forma: câmera tirando foto 2D ou 3D da peça. Offset programas e juntas baseado na localização física. Câmeras novas menos afetadas por brilho. Conseguem ver mais cor e ler definições, distinguindo sombra/reflexos da peça." Harooni: "Óticas atuais dão capacidade verificar qualidade solda em tempo real sem teste destrutivo."

Terceiro: robôs oferecem detecção de colisão. Miller: "Representa maior melhoria no braço robô. Antes: cliente criava programa baseado em posição X-Y-Z conhecida da tocha. Se operador deixa grampo aberto, robô bate, entorta tocha. Toda solda do programa fora de alinhamento. Hoje: se robô atinge objeto, mesmo alta velocidade, lê pico de corrente como obstrução. Vai para modo flex servo, atrasa freio por distância especificada por eixo. Robô fica 'frouxo', dissipa momento, minimiza dano à ferramenta. Colisão alta velocidade sem entortar tocha."

Quarto: todos grandes players oferecem células robóticas pré-engenheiradas com tudo em pallet(s). "Célula trabalho: unidade totalmente projetada com salvaguardas," disse Lange. "Cerca/paredes aço, scanners segurança, luzes, botões para habilitar robô, chaves intertravadas, dispositivo posicionamento frente ao robô: mesa giratória ou roda-gigante. Trazem peça à zona trabalho enquanto operador carrega peças lado oposto. Ou mesa fixa onde robô processa. Também fonte soldagem, tocha, reamers para limpar bits. Só conecta eletricidade e gás." Soluções turnkey customizadas disponíveis.

Então, O que Preocupar?

"Quando consultamos cliente potencial sobre automação soldagem, olhamos fabricação upstream," explicou Schaefer (Miller Electric). "Se usam lasers e CNC para dobrar, frear, cortar material, terão muito mais sucesso soldando roboticamente que se cortavam manualmente ou serra. Essas oficinas escapam agora porque soldadores ajustam manualmente, mas robô não." Miller: "Soldagem geralmente última coisa automatizada porque processos upstream devem ser precisos primeiro. Peças cortadas precisamente, depois dobradas precisamente. Então solda."

Além de garantir peças repetíveis, fixação que limite/elimine gaps necessária: "Não pode soldar ar. Operador humano vê gap e reage: aumenta protrusão fio para reduzir amperagem, reduz calor/penetração, tece para preencher gap. Robô não faz. Vai queimar através."

Por outro lado, Lange: alguns clientes gastam milhares/centenas de milhares em ferramentas para segurar peças quando poderiam cortar preço pela metade melhorando processos upstream. Isso fornece repetibilidade downstream, baixando custo ferramentas e diminuindo retrabalho/sucata.

Após qualidade/repetibilidade peças, próxima preocupação: "conhecer e entender processo soldagem relacionado à soldas em si e soldas através dispositivo automatizado," disse Lange.

Quem treinar para operar soldagem automatizada? Soldador experiente ou alguém ávido para aprender soldagem (semanas) + automação soldagem.

Schaefer alertou: "Precisa cultura certa na instalação. Pessoas com empregos sentem-se ameaçadas por automação. Seja transparente sobre benefícios: tornará empresa mais eficiente, ajudará crescer, ser mais competitiva e contratar mais pessoas."

Finalmente, lotes devem ser grandes o suficiente para automação. Lange: "Tempo para programação off-line, colocar no robô, setup rápido produz bom retorno se lotes rodam ~1 dia ou 1,5 dias. Se troca peça a cada hora, ROI não tão efetivo."