INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO

AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE SOLDADURA PARA LA FABRICACIÓN DE MARCOS

TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN ROBÓTICA INDUSTRIAL P R E S E N T A:

RODRIGUEZ LOPEZ LUIS FERNANDO

DIRIGIDA POR: LIC. ABRIL ARACELI GÓMEZ HERNÁNDEZ ING. MÓNICA RAMÍREZ ORTEGA

MÉXICO, D.F. MARZO DEL 2015

Quiero dedicar este trabajo a:

Dios: Por permitirme conseguir una meta más, brindándome esa fuerza y paciencia necesaria para seguir adelante en los momentos de flaqueza.

Mis padres: Fernando y Francisca Con todo mi cariño y mi amor para las personas que hicieron todo en la vida para que yo pudiera lograr mis sueños, aunque sé que había veces que se sentían mal por no darme muchas cosas cuando era pequeño, me dieron lo más importante de todo, su fe en mí.

Mis hermanos: Fernando y Maribel Que aunque no les demuestro mi agradecimiento frecuentemente, siempre han confiado en mí, con sus pequeños y grandes detalles.

Mi sobrino: Mílan Aunque aún es muy pequeño, es una de las mayores motivaciones que tengo para seguir día a día superándome para así poder ser un buen ejemplo para él.

Mi novia: Gabriela Quién me ha brindado su apoyo y comprensión, por ser parte de mi inspiración y motivación para continuar superándome día a día, y por siempre estar apoyándome en los momentos buenos y los momentos malos.

De todo corazón, muchas gracias por todo Luis Fernando Rodríguez López

Quiero agradecer:

Al Instituto Politécnico Nacional:

Por toda la oportunidad de aprendizaje, y desarrollo, los cuales me permiten estar cumplimiento una meta más en este largo camino de la vida.

A la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Azcapotzalco:

Escuela que me brindo los conocimientos necesarios para poder afrontar la industria actual, permitiendo alcanzar diferentes metas y objetivos,

A mis asesores:

Quienes me apoyaron para realizar este trabajo, siempre apoyando con sus observaciones, comentarios y enseñanzas.

A mis amigos:

Quienes me apoyaron incondicionalmente durante todo mi etapa de estudiante, así como ahora en esta nueva etapa.

Índice General Introducción

6

Objetivo General.

7

Objetivos particulares

7

Justificación.

7

1. ANTECEDENTES. 1.1 ANTECEDENTES DEL PROCESO DE SOLDADURA

10 10

1.1.1 Historia

10

1.1.2 Concepto

13

1.2 TIPOLOGÍA

13

1.2.1 Soldadura por Arco Metálico.

14

1.2.2 Soldadura con un gas protector

14

1.2.3 Soldadura por Arco bajo gas Protector con electrodo de Tungsteno (GTAW) 15 1.2.4 Soldadura por Arco bajo gas Protector Metálico (GMAW)

16

1.2.5 Soldadura Láser (LBW)

17

1.2.6 Soldadura Robotizada

17

2. PROCESOS DE SOLDADURA. 2.1 SOLDADURA BAJO GAS PROTECTOR (GMAW)

19 19

2.1.1 Transferencia de metal

20

2.1.2 Transferencia de metal por rociado axial.

20

2.1.3 Transferencia Globular.

21

2.1.4 Transferencia de metal por arco pulsado.

22

2.1.5 Transferencia por cortocircuito GMAW-S

23

2.2 DERRETIDO DE ALAMBRE Y VELOCIDADES DE DEPÓSITO

23

2.3 FUENTES DE ALIMENTACIÓN DE LA SOLDADURA.

24

2.4 EQUIPO BÁSICO GMAW.

27

2.5 POSICIONES DE SOLDADURA.

28

3. DISEÑO DE LA CELDA DE SOLDADURA.

33

3.1 DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD QFD (QUALITY FUNCTION DEPLOYMENT)

34

3.2.Requerimientos de la optimización en el proceso.

35

3.3 METAS DE DISEÑO

36

3.4 ÁRBOL DE FUNCIONES

37

3.5 GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DE DISEÑO.

38

3.5.1 Marco a soldar.

38

3.5.2 Rotación de los marcos de manera automática.

39 1

3.5.2 Escantillón de sujeción rápida.

40

3.5.3 Soldadura bien parametrizada.

43

3.5.4 Automatización del movimiento de la antorcha.

46

4. EFICIENCIA ECONÓMICA DEL PROCESO. 4.1 PRODUCTIVIDAD

53 53

4.1.1 Capacidad de producción actual diaria de forma manual.

56

4.1.2 Capacidad de producción estimada diaria de forma automática.

57

4.1.3 Porcentaje de aumento de productividad.

57

4.2 COSTOS DE PRODUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE LA CELDA DE SOLDADURA. 4.2.1 Desglose Final

58 59

CONCLUSIONES

60

Bibliografía

62

Documentos en Línea

62

2

Índice de Figuras Fig. 1.1 Fundición Directa. (A) Placa Base, (B) Arena Moldeada, (C) Metal Fundido y (D) Pieza Final.

10

Fig. 1.2 Soldadura por Flujo. (A) Dos piezas de placa de metal, (B) Arena para retener el metal fundido, (C) Metal Fundido y (D) Pieza Final. 11 Fig. 1.3 Soldadura por arco bajo gas protector metálico.

13

Fig. 1.4 Clases de Soldadura.

13

Fig. 1.5 Soldadura por arco metálico.

14

Fig. 1.6 Tobera de gas y electrodo de Tungsteno.

15

Fig. 1.7 Contactos de corriente en el soplador y boquilla de gas

16

Fig. 1.8 Soldadura Láser

17

Fig. 1.9 Robot de soldadura.

17

Fig. 2.1 Transferencia de metal por rociado axial.

21

Fig. 2.2 Sistema Sinérgico de Soldadura de la marca Fronius.

22

Fig. 2.3 Cambio de Polaridad en la soldadura.

27

Fig. 2.4 Posición 1F

28

Fig. 2.5 Posición 2F

28

Fig. 2.6 Posición 4F

29

Fig. 2.7 Posición 1G

29

Fig. 2.8 Posición 5G

29

Fig. 2.9 Posición 6G

30

Fig. 2.10 Posición 2F

30

Fig. 2.11 Posición 2FR

30

Fig. 2.12 Posición 4F

30

Fig. 2.13 Posición 5F

31

Fig. 3.1 Estructura del QFD

33

Fig. 3.2 Árbol de Funciones.

37

Fig. 3.3 Sistema de rotación servo controlado.

39

Fig. 3.4 Centro de trabajo de tipo bastidor y dimensiones en mm.

39

Fig. 3.5 Escantillón para soldadura actual.

40

Fig. 3.6 Escantillón para centro de trabajo tipo bastidor.

40

Fig. 3.5 Equipo de Soldadura Fronius TPS.

45

Fig. 3.6 Robacta MTG 4000.

46

Fig. 3.7 Sistema de Soldadura Robotizado.

47

Fig. 3.8 Alcance máximo del robot.

48

Fig. 3.9 Volumen de trabajo del robot.

49 3

Fig. 3.8 Robot KUKA KR16-L8 ARC HW.

49

Fig. 3.9 Celda robotizada de soldadura.

50

Fig. 4.1 Marco a soldar.

53

Fig. 4.2 Simulación de Proceso.

54

Fig. 4.3 Posición de cordones de soldadura.

55

Fig. 4.4 Simulación de soldadura.

56

4

Índice de Tablas Tabla 2.1 Gases protectores GMAW.

25

Tabla 3.1 Clasificación de las fallas en el proceso.

35

Tabla 3.2 Requerimientos en términos de ingeniería.

36

Tabla 3.3 Metas de diseño.

36

Tabla 3.4 Factores para la selección de la fuente de soldadura.

44

Tabla 3.5 Factores para la selección de la antorcha.

46

Tabla 3.5 Factores para la selección de la antorcha.

48

Tabla 3.6 Volumen de trabajo.

49

Tabla 4.1 Desglose de cordones.

53

Tabla 4.2 Costo escantillón.

58

Tabla 4.3 Costo robot.

58

Tabla 4.4 Costo del sistema de seguridad de la celda.

58

Tabla 4.5 Costo de las horas de programación.

59

Tabla 4.6 Costo de las horas de ingeniería.

59

Tabla 4.7 Desglose final de la celda de soldadura.

59

5

Introducción Este trabajo contiene la información necesaria para poder optimizar el proceso de soldadura de marcos en acero al carbón, de forma que mejore, el tiempo de fabricación de estos y lograr estandarizar el aspecto del cordón de soldadura y de esta manera aumentar su calidad. Algunas de las técnicas usadas han sido difíciles y muy costosas de aplicar, ya que se realizan de forma manual, y es sumamente difícil poder controlar el proceso, para atender esta problemática, se diseñara un sistema de soldadura automático para atender así una posible solución.

El trabajo se conforma de cuatro capítulos, de los cuales se da una breve explicación a continuación: En el primer capítulo, titulado “Antecedentes”, se exponen las generalidades del proceso de soldadura, desde su primera concepción hasta la descripción de las soluciones automatizadas actuales. Así como también los antecedentes específicos que tienen que ver con la automatización del proceso de soldadura en sus diversos aspectos. En el segundo capítulo, llamado “Procesos de Soldadura”, se presentan los fundamentos para realizar la selección del proceso adecuado y su automatización. En este capítulo también se incluyen aspectos básicos de soldadura, y todos los dispositivos que con lleva una solución automatizada. En el tercer capítulo, denominado “Diseño del Sistema de Soldadura”, se toman las propiedades del proceso y se comienza con la selección de cada uno de los componentes de la solución planteada, para así poder diseñar la integración de cada uno de estos, optimizando de esta manera el proceso de soldadura. En el cuarto capítulo, nombrado “Eficiencia Económica del Proceso”,

se presenta una

breve investigación sobre los diversos factores que afectan al proyecto, así como

la

disponibilidad de los principales insumos que requiere el mismo , y la cuantificación de los requerimientos de inversión que plantea el proyecto.

6

Objetivo General. Diseñar un sistema que automatice el proceso de soldadura en marcos, para optimizar la calidad, el tiempo y estandarizar el proceso en la fabricación de marcos con tubo de acero al carbón.

Objetivos particulares 

Obtener cordones de soldadura uniformes.



Reducir el tiempo en el proceso.



Garantizar la repetibilidad en el proceso.



Diseñar un escantillón de perpendicularidad.



Disminución del costo de producción.

Justificación. El proceso de soldadura en la industria general es muy poco controlado ya que el 90% de las empresas lo lleva acabo de una manera manual, por lo cual se llegan a presentar fallas dentro del proceso de ensamblaje, o de soldadura, y esto se ve reflejado en trabajos adicionales o en su defecto en merma, provocando esto pérdidas para las empresas.

Las principales causas por las cuales no se lleva a cabo un correcto proceso son: 

Mal acomodo de las piezas.



Fracturas en la soldadura.



Descuidos del soldador.



Deformaciones en la pieza final.

Para lograr optimizar esto se requiere un proceso eficiente y controlado, es por eso que se recurre a la automatización a través de equipos y programas computacionales, con el objetivo de llegar a tener sistemas automáticos que trabajen requiriendo la mínima intervención del ser humano.

Actualmente la industria metal mecánica moderna enfrenta dos retos principales: 1. Mayor calidad a menor costo

2. Aumento en la productividad.

7

Es por eso que se requiere que los sistemas de manufactura sean flexibles y controlados en sus procesos, ya que las empresas necesitan responder a un mercado muy dinámico, razón por la cual la respuesta debe ser de una manera eficiente y manteniendo sus productos competitivos.

Actualmente las empresas prefieren invertir en sistemas de control automático para incrementar la seguridad de sus colaboradores, la calidad del producto y su velocidad de producción. Al lograr esto las empresas ven incrementado su nivel de utilidad.

8

ANTECEDENTES

En éste capítulo se presentan los antecedentes

del

proceso

de

soldadura, así como las principales técnicas y procesos actuales de manera manual y automática para este proceso.

9

1. ANTECEDENTES. Este capítulo contiene la información necesaria para poder conocer acerca del proceso de soldadura y las diferentes formas de poder automatizarlo, partiendo de sus antecedentes históricos, para de esta manera, poder optimizar dicho proceso.

1.1 ANTECEDENTES DEL PROCESO DE SOLDADURA A medida que las técnicas de unión han ido mejorando a través del tiempo, también lo han hecho el entorno y el modo de vida de los seres humanos. Los materiales, las herramientas y la maquinaria avanzaron conforme se desarrollaba la civilización. La unión de herramientas de trabajo comenzó cuando un individuo unió un palo a una piedra para hacer una lanza o un hacha. En los tiempos antiguos se utilizaban otros tipos de adhesivos para unir la madera y la piedra, sin embargo, pasó mucho tiempo antes de que nuestros ancestros descubrieran un método para unir metales.

1.1.1 Historia Los primeros métodos de unión de metales incluyeron procesos como el de formar un molde de arena encima de una pieza de metal y fundir la forma deseada directamente sobre el metal base, de manera que ambas partes se fundían juntas, formando una única pieza de metal. Véase figura 1.1

Fig. 1.1 Fundición Directa. (A) Placa Base, (B) Arena Moldeada, (C) Metal Fundido y (Jeffus, Soldadura : principios y aplicaciones, 2009)

(D) Pieza Final.

10

Otro método de unión de metales fue el colocar dos piezas de metal muy juntas y verter metal fundido entre ellas, cuando se fundían los bordes del metal base, se contenía el flujo de metal y se dejaba que se endureciera, como se ilustra en la Fig. 1.2

Fig. 1.2 Soldadura por Flujo. (A) Dos piezas de placa de metal, (B) Arena para retener el metal fundido, (C) Metal Fundido y (D) Pieza Final. (Jeffus, Soldadura : principios y aplicaciones, 2009)

La Revolución Industrial, de 1750 a 1850, introdujo un método para unir piezas de hierro conocido como Soldadura por Forja o Soldadura con Martillo, este proceso implicaba el uso de una forja para calentar el metal a una temperatura plástica y maleable. Los extremos del hierro se colocaban entonces juntos y se martilleaban hasta que se produjera la fusión.

La soldadura por forja fue el principal método de soldadura hasta que en el año 1886, Elihu Thomson desarrolló la técnica de Soldadura por Resistencia, esta técnica proporcionaba una manera más fiable y rápida para unir los metales que el método anterior.

En 1890, C.L. Coffin registro la primera patente Americana para un proceso de soldadura por arco usando un electrodo de metal. Alrededor de 1900, Strohmenger introdujo un electrodo revestido en Inglaterra, el revestimiento hecho de arcilla o cal, era bastante delgado pero lo suficiente para obtener un arco más estable. Mientras tanto, la soldadura por resistencia seguía mejorando incluyendo la soldadura por punto y la soldadura por proyección.

11

A medida que se fueron desarrollando las técnicas, el remache fue sustituido en Estados Unidos y en Europa por la Soldadura de Fusión para reparar los barcos a finales de la Primera Guerra Mundial, desde el final de la Primera Guerra Mundial, se han desarrollado métodos de soldadura para unir metales. Estos métodos variados de soldadura juegan un papel importante en la expansión y producción de la Industria de la soldadura. La soldadura se ha convertido en un método fiable, eficiente y económico para unir metales. (Jeffus, Soldadura : principios y aplicaciones, 2009)

En 1920, la soldadura automática fue inventada por el P.O. Nobel de la compañía General Electric. El cual fue usado para construir los ejes del motor y la carcasa de los ejes traseros en la industria automotriz. En 1948 la soldadura por arco bajo gas protector metálico (GMAW) fue desarrollada en su totalidad en el “Battelle Memorial Institute”, uno de los avances que hicieron el proceso más costeable fue el diámetro pequeño de los alambres de electrodo y el constante voltaje de las fuentes de poder.

En 1957 Robert F. Gage invento la soldadura por arco de plasma, este proceso usa un arco a través de un orificio, el cual crea un arco de plasma que tiene una temperatura mayor que a la soldadura GMAW, este tipo de arco es usado generalmente para arco spray o para corte.

La soldadura láser es uno de los procesos más nuevos, el láser originalmente fue desarrollado por los Laboratorios “Bell Telephone”, como un medio de comunicación. Debido a la tremenda concentración de energía en un pequeño espacio, probó ser una poderosa fuente de calor. Ha sido usada esta tecnología en corte de materiales metálicos y no metálicos. La soldadura por láser se utiliza principalmente en las operaciones metalmecánicas de la Industria Automotriz. (Pires, 2007)

La soldadura se utiliza extensivamente en la fabricación de automóviles, maquinaria agrícola, electrodomésticos, mobiliarios, aeronaves, artículos que van desde los aparatos dentales a los satélites de telecomunicaciones. Pocas cosas hay en nuestro mundo moderno que no se produzcan con algún tipo de este proceso tan versátil.

12

1.1.2 Concepto

La soldadura es una habilidad usada para manufacturar, producir, construir y reparar objetos metálicos, este proceso se encuentra en diferentes áreas en la industria, militar, aeroespacial,

naviera,

construcción,

consumidores diversos.

industria

metalmecánica,

y

productos

para

La AWS (Sociedad Americana de Soldadura por sus Siglas en

Ingles) define una soldadura como “una coalescencia localizada (la fusión o unión de la estructura de granos de los materiales que se están soldando) de metales o no metales producida mediante el calentamiento de los materiales a las temperaturas de soldadura requeridas, con o sin la aplicación de presión o mediante la aplicación de presión sola y con o sin el uso de material de aportación”. (Jeffus, Soldadura : principios y aplicaciones, 2009)

Fig. 1.3 Soldadura por arco bajo gas protector metálico. (Jeffus, Soldadura : principios y aplicaciones, 2009)

1.2 TIPOLOGÍA Las clases de soldadura han crecido en los últimos años, los cuales se diferencian principalmente en el modo en que se aplican el calor, la presión, o ambas cosas y en el tipo de equipo utilizado, como se describe en el diagrama siguiente: CLASES DE SOLDADURA

Soldadura mediante presión

Soldadura en la Fragua

Soldadura por resistencia

Soldadura por fusión

Soldadura por OxiAcetileno

Soldadura por arco eléctrico

Arco metálico

Soldadura mediante rayo láser

Gas de protección

TIG

MIG

Arco sumergido

MAG

Fig. 1.4 Clases de Soldadura. (Jeffus, Soldadura : principios y aplicaciones, 2009)

13

La mayoría de las aplicaciones robóticas de soldadura se realizan por arco eléctrico y mediante rayo láser, a continuación describiremos cada una de ellas:

1.2.1 Soldadura por Arco Metálico. La soldadura por arco metálico protegido es un proceso de soldadura que utiliza un fundente cubierto de electrodo de metal para transportar corriente eléctrica. La corriente forma un arco a través de la abertura entre el extremo del electrodo y la pieza, el arco eléctrico crea suficiente calor para derretir ambos.

El metal fundido del electrodo pasa por el arco hasta el baño fundido en el metal base, donde se mezclan. El extremo del electrodo y el baño fundido de metal están rodeados, la limitada cantidad de equipo necesario para el proceso facilita el movimiento. El proceso es versátil, y se utiliza para soldar casi cualquier metal o aleación, incluyendo hierro fundido, aluminio, acero inoxidable y níquel. (Jeffus, Soldadura : principios y aplicaciones, 2009)

Fig. 1.5 Soldadura por arco metálico. (Jeffus, Soldadura : principios y aplicaciones, 2009)

1.2.2 Soldadura con un gas protector La soldadura por arco bajo gas protector metálico es extremadamente rápida y económica. Este proceso se utiliza fácilmente para soldadura de metales de calibre delgado, así como de placas pesadas. La alta velocidad de soldadura y la reducida limpieza posterior están haciendo de la soldadura por arco bajo gas protector metálico un proceso de soldadura excepcional, en este proceso existen dos variantes, las cuales a continuación se describen:

14

1.2.3 Soldadura por Arco bajo gas Protector con electrodo de Tungsteno (GTAW) El núcleo de una boquilla de soldadura TIG, es un electrodo no consumible de tungsteno resistente a la temperatura. El arco que viene de él, calienta y derrite el material. Según se requiera, un alambre de relleno es alimentado manualmente o mediante una unidad de alimentación de alambre. En muchos casos, una ranura estrecha no requiere de material de relleno en absoluto mientras es soldada.

La ignición del electrodo normalmente ocurre sin que el electrodo de tungsteno toque la pieza de trabajo. Esto requiere de una fuente de alto voltaje que se enciende temporalmente durante la ignición. Para la mayoría de los metales, la soldadura en si se lleva a cabo usando corriente directa, el aluminio, sin embargo, se suelda utilizando corriente alterna.

La boquilla para el gas protector es colocada alrededor del electrodo de tungsteno, el gas que fluye hacia afuera, protege el material calentado de reacciones químicas con el aire circundante, asegurando por tanto la fuerza requerida y la durabilidad del material de soldadura. Gases inertes, tales como el argón, helio o sus compuestos son utilizados como gases protectores, hasta el hidrogeno se llega a utilizar. El gas más utilizado para protección es el argón, ya que optimiza las propiedades de ignición, así como la estabilidad del arco, y ayuda a obtener una mejor zona de limpieza que el helio.

Fig. 1.6 Tobera de gas y electrodo de Tungsteno. [FRONIUS, 2015]

15

1.2.4 Soldadura por Arco bajo gas Protector Metálico (GMAW) En la soldadura MIG/MAG, el electrodo de metal consumible es a la vez material de relleno y portador del arco. El alambre de relleno “sin fin” es alimentado por dos o cuatro rodillos de impulso hacia el soplete de soldadura, donde la corriente es transferida en el llamado “tubo de contacto”. La punta libre del alambre está rodeada concéntricamente por una boquilla de gas. El gas protector que fluye hacia afuera previene reacciones químicas entre la superficie caliente de la pieza de trabajo y el aire circundante. De esta manera se asegura la fuerza y durabilidad del metal soldado. Se pueden utilizar gases inertes y activos como gases protectores. Por esto es que nos referimos a soldadura bajo gas protector inerte (MIG) y soldadura con gas activo (MAG).

Los gases inertes más utilizados son el argón y el helio, además de sus compuestos, estos gases son compatibles con casi todos los metales, y en especial con el aluminio y el cobre, pero no para el acero. Los gases activos son principalmente compuestos basados en argón, pero también contienen un poco de oxigeno o dióxido de carbono, y son comparativamente reactivos, los gases activos son compatibles con aceros inoxidables, de alta aleación así como con aceros no aleados y de baja aleación. Con algunas limitaciones, aún el dióxido de carbono por sí solo es compatible con aceros no aleados o de baja aleación, y sirve como un gas activo. [FRONIUS, 2015]

Fig. 1.7 Contactos de corriente en el soplador y boquilla de gas [FRONIUS, 2015]

16

1.2.5 Soldadura Láser (LBW) Un láser consiste en un haz de luz monocromático de alto poder, el cual puede ser enfocado en un diminuto punto, produciendo una muy alta densidad de energía. Laser es el acrónimo de “Amplificación de luz estimulada por la emisión de radiación”. El láser es producido por la estimulación de radiación electromagnética en solidos específicos o materiales gaseosos. Los átomos de estos materiales son excitados a mayores niveles de energía a través de la absorción de la estimulación de la energía.

Fig. 1.8 Soldadura Láser [Robots de Soldadura, 2012]

1.2.6 Soldadura Robotizada La soldadura robotizada es el uso de robots con los que se lleva a cabo el proceso de soldadura de manera completamente automática, tanto en la operación de soldadura como en la de la sujeción de las piezas. Generalmente se utilizaban los robos para soldadura por puntos o por arco en la industria automotriz, actualmente la soldadura robotizada ha empezado a expandirse a otros sectores con rapidez, y ahora domina el 30% de las aplicaciones industriales con robots, los principales componentes de los robots de soldadura son: el manipulador, el controlador, la fuente de soldadura y la antorcha robótica. (Pires, 2007)

Fig. 1.9 Robot de soldadura. [KUKA, 2015]

17

PROCESOS DE SOLDADURA

Este capítulo aborda de manera general los conocimientos básicos para la correcta selección de los sistemas periféricos

de

soldadura

necesarios

y

los

para

su

automatización.

18

2. PROCESOS DE SOLDADURA. La industria de la soldadura presenta un continuo crecimiento y una interesante serie de oportunidades para soldadores hábiles. Incluso con las fluctuaciones económicas actuales, existe una perspectiva positiva de trabajo en el área de soldadura. Debido a un crecimiento constante de la demanda de objetos fabricados con ella, se necesitan nuevos procesos en todas las áreas, como pequeñas industrias, talleres especializados y la industria automotriz.

Los dos tipos más comunes de procesos de soldadura son, la soldadura por arco protegido por gas con electrodo de tungsteno (GTAW, por sus siglas en inglés), y la soldadura por arco protegida por gas, esta última es la soldadura más utilizada actualmente para los procesos de unión en calibres bajos y medios para aceros al carbón de una manera uniforme.

2.1 SOLDADURA BAJO GAS PROTECTOR (GMAW)

En los años veinte, para ensamblar las cubiertas de los ejes posteriores de los automóviles, se realizaba un proceso de soldadura por arco metálico,

que utilizaba un alambre no

protegido. La introducción del electrodo de soldadura por arco metálico protegido rápidamente reemplazo al alambre descubierto.

Al principio, el proceso GMAW se utilizaba para soldar aluminio, utilizando argón como gas protector. Como resultado, al proceso se le conocía como MIG, el cual significa soldadura de metal con gas inerte. La introducción, más tarde de CO2 y O2 al gas protector ha introducido el término preferido por la Sociedad Americana de Soldadura, (AWS por sus siglas en inglés) soldadura por arco metálico bajo gas protector. Aunque la AWS utiliza el término GMAW para describir este proceso, en el sector se lo conoce por muchos otros términos, como: 

MIG, abreviatura en inglés de soldadura metálica bajo gas protector inerte.



MAG, abreviatura en inglés de soldadura metálica bajo gas protector activo.

19

El proceso GMAW se puede realizar como soldadura semiautomático (SA), de máquina (ME), o automática (AU), este proceso se realiza comúnmente como un proceso semiautomático y frecuentemente es llamado, erróneamente, “soldadura semiautomática”. El equipo puede realizar la mayoría de los procesos de alimentación del alambre en forma semiautomática y el proceso GMAW puede ser automático por completo.

2.1.1 Transferencia de metal Al principio, cuando se introdujo, el proceso GMAW se utilizaba con argón como gas protector, para soldar aluminio. Aunque el argón (Ar) es un gas de costo elevado, el proceso fue aceptado inmediatamente debido a que era mucho más productivo que la soldadura GTAW y porque producía soldaduras de mayor calidad que la soldadura por arco con electrodo metálico revestido (SMAW, por sus siglas en inglés). Este nuevo proceso de soldadura con arco requería muy poca limpieza postsoldadura debido a que estaba libre de escoria y salpicadura. En este proceso de soldadura se tienen diferentes tipos de transferencias las cuales se describen a continuación. (Jeffus, Soldadura : principios y aplicaciones, 2009)

2.1.2 Transferencia de metal por rociado axial. Este proceso se identifica por la punta del alambre, la cual proyecta axialmente gotas muy pequeñas a través de la abertura del arco al baño de fusión de soldadura. Cientos de gotas por segundo cruzan del alambre al metal base. Estas gotas se expelen por fuerzas de arco a alta velocidad en la dirección en la que el alambre esté apuntando. Esta protección de las gotas permite realizar soldaduras en las posiciones “vertical” y “sobre-cabeza” sin perder el control de la transferencia, este proceso de transferencia requiere tres condiciones: protección de argón, polaridad positiva con corriente directa en el electrodo (DCEP, por sus siglas en ingles), y un nivel de corriente, por encima de una cantidad crítica llamada “corriente de transición”.

20

La corriente de transición depende de la aleación que se está soldando, es también proporcional al diámetro del alambre, lo cual significa que alambres de diámetros más grandes necesitan corrientes más altas. La necesidad de alta densidad de corriente impone algunas restricciones en el proceso, la alta corriente obstaculiza la soldadura de chapa metálica debido a que el calor corta la chapa metálica, también limita la utilización a las posiciones de soldadura plana, vertical hacia arriba y horizontal.

Fig. 2.1 Transferencia de metal por rociado axial. [Fronius, 2015]

2.1.3 Transferencia Globular. Este proceso rara vez se utiliza sólo porque transfiere el metal fundido a través del arco en gotas mucho más grandes. Se utiliza en combinación con la transferencia por rociado pulsada, la transferencia globular se puede utilizar con materiales delgados y a un rango de corriente muy bajo. Se puede utilizar con corriente más alta pero no es tan efectivo como otros modos de soldadura de transferencia de metal. (Jeffus, Soldadura : principios y aplicaciones, 2009)

21

2.1.4 Transferencia de metal por arco pulsado. Esta transferencia implica pulsar la corriente desde los niveles bajos de la corriente de transición a los superiores a ésta. El intervalo de tiempo bajo la transición de corriente es lo suficiente corto como para evitar que se desarrolle una gota. Se necesita alrededor de 0,1 segundo para formar un glóbulo, por lo que no se puede formar ninguno en la punta del electrodo, si el intervalo de tiempo con la corriente base baja esta alrededor de 0,01 segundo. Realmente, la energía producida durante este tiempo es muy baja, justo lo suficiente como para mantener el arco vivo. El nivel de control de entrada de calor y velocidad de depósito del metal en la soldadura, se logra cambiando las siguientes variables: 

Frecuencia. El número de veces que se eleva la corriente y se baja para formar un solo pulso; la frecuencia se mide en pulsos por segundo.



Amplitud. El amperaje o nivel de corriente de la potencia pico o máxima, expresado en amperaje.



Ancho de los pulsos. La cantidad de tiempo que se permite que el amperaje pico esté encendido.

La última generación de sistemas de arco pulsado sitúa la fuente de alimentación y el alimentador de alambre de forma que se obtengan las configuraciones adecuadas en cualquier trabajo ajustando un simple botón, tales sistemas han sido llamados sistemas sinérgicos.

Fig. 2.2 Sistema Sinérgico de Soldadura de la marca Fronius. [Fronius, 2015]

22

2.1.5 Transferencia por cortocircuito GMAW-S Las bajas corrientes permiten que el metal líquido de la punta del electrodo se transfiera por contacto directo con el baño de fusión de la soldadura. Este proceso requiere la interacción cercana entre el alimentador de alambre y la fuente de alimentación. El modo de transferencia por cortocircuito es el método más común que se utiliza con soldadura GMAW.

Los electrodos de alambre en diámetros de 0,023, 0,030, 0,035 y 0,045 son los recomendados para el modo de corto circuito. El gas protector utilizado con acero al carbono es el dióxido de carbono (CO2), o una combinación de 25% de CO2 y 75% de argón (Ar). El rango de amperaje puede ser tan bajo como de 35ª para materiales de calibre 24 y tan alto como de 225 para materiales de más de 1/8 de pulgada de espesor en juntas de soldadura de ranura cuadrada. La fuente de alimentación es la más crítica, debe tener una salida de potencial constante y suficiente inductancia como para controlar el rango de corriente durante el intervalo de cortocircuito. Una inductancia demasiado pequeña provoca salpicadura, debido a las altas oleadas de corriente, demasiada inductancia provoca que el sistema se vuelva inactivo. (Jeffus, Soldadura : principios y aplicaciones, 2009)

2.2 DERRETIDO DE ALAMBRE Y VELOCIDADES DE DEPÓSITO Las velocidades de derretido del alambre, las velocidades de depósito y velocidades de alimentación del alambre de los procesos de soldadura de alambre consumible se ven afectadas por las mismas variables. Sin embargo, antes de discutirlas, se deben definir estos términos. La velocidad de derretido de alambre, medida en mm por segundo (mm/s) o libras (lb/hr), es la velocidad a la que el arco consume el alambre.

La velocidad de depósito, es la medida en la que el metal se deposita, casi siempre un poco menor que la velocidad de derretido porque no todo el alambre se convierte en metal de

23

soldadura. La cantidad de metal de soldadura depositada en razón al alambre utilizado se llama eficiencia de depósito.

Los soldadores pueden controlar la velocidad de depósito cambiando la corriente, la extensión del electrodo y el diámetro del alambre, para obtener velocidades de derretido superiores, pueden aumentar la corriente o la extensión de alambre o disminuir el diámetro del alambre. Es importante saber que la corriente afecta bastante a la velocidad de derretido y que la extensión se debe controlar para que los resultados sean reproducibles.

2.3 FUENTES DE ALIMENTACIÓN DE LA SOLDADURA. Para una mejor comprensión de los términos que describen las diferentes fuentes de alimentación para soldar, es necesario conocer los siguientes términos eléctricos: 

Voltaje (V) es una medida de presión eléctrica, también se conoce como fuerza electromotriz (FEM). (Harper, 2003)



Amperaje (A) es la medida del número total de electrones que están fluyendo. (Jeffus, Soldadura : principios y aplicaciones, 2009)

Las fuentes de alimentación GMAW, son máquinas con tipo de voltaje y potencia constante (CV, CP), no como las fuentes de alimentación SMAW, que son máquinas de tipo de corriente constante (CC) y algunas veces son llamadas de reducción de potencia del voltaje de arco (DAV). Es imposible hacer soldaduras aceptables utilizando el tipo equivocado de fuente de alimentación. Las relaciones entre la corriente y el voltaje, con combinaciones diferentes de largo de arco o velocidades de alimentación del alambre, se llaman características voltio-amperio, estas características son arcos de argón y largos de arco o velocidades de alimentación del alambre constantes. El baño de fusión de la soldadura de GMAW se puede controlar, variando los siguientes factores:

Gas protector. El gas protector seleccionado para una soldadura tiene un efecto claro en la soldadura producida, las propiedades a las que afecta incluyen el método de transferencia del metal, la velocidad de soldadura, el contorno de soldadura, el efecto de limpieza del arco 24

y la fluidez del baño de fusión de la soldadura. Además de los efectos sobre la soldadura misma, se debe considerar el metal que va a soldarse en la selección de un gas protector, algunos metales deben soldarse con un gas inerte, tal como el argón o el helio o mezclas de argón y helio. Otros metales se sueldan mejor con gases reactivos, como el dióxido de carbono o con mezclas de gases inertes y gases reactivos, como el argón y el oxígeno o el argón y el dióxido de carbono.

Tabla 2.1 Gases protectores GMAW. Metal Aluminio, Cobre, Magnesio o Niquel Acero, al carbono

Acero Inoxidable T itanio

Gas Protector Argón

Reacción Química Inerte

Argón + Helio Argón + Oxígeno Argón + CO2 CO2 Argón + Oxígeno

Inerte Levemente oxidante Oxidante Oxidante Levemente oxidante

Argón + helio + C02 Argón

Levemente oxidante Inerte

Nota: Elaborada por el autor a partir de datos tomados en pruebas.

Configuraciones de potencia. A medida que se ajustan las configuraciones de potencia, voltaje y amperaje, se ve afectado el cordón de soldadura. Hacer una soldadura aceptable requiere un balance de voltaje y amperaje, si se configura cualquiera de los dos, o ambos, demasiado alto o demasiado bajo, la penetración de la soldadura puede disminuir. Aumentar y disminuir el voltaje cambia la longitud de arco pero puede que no aporte más calor a la soldadura. Como los cambios en el amperaje, estos cambios de voltaje pueden disminuir la penetración de la soldadura.

Patrón de Tejido. La posición de la punta del electrodo y del baño de fusión de la soldadura afecta en gran medida el proceso de soldadura GMAW. Durante el proceso de corto-circuito, si el arco se dirige al metal base y fuera del baño de fusión de la soldadura, el proceso de soldadura se puede detener. Sin la resistencia del metal fundido caliente, se producen altas oleadas de amperaje cada vez que la punta del electrodo toca el metal base, resultando una explosión fuerte y una lluvia de chispas. Es por esto que cuando se hace el patrón de tejido, se debe mantener el arco y la punta del electrodo dirigidos al baño de fusión de la soldadura.

25

Velocidad de desplazamiento. Debido a que la posición del arco dentro del baño de fusión de la soldadura es importante, la velocidad de desplazamiento no puede exceder la capacidad del arco al derretir el metal base. Una velocidad de desplazamiento demasiado alta puede provocar un sobrante de baño de fusión de la soldadura y un arco incontrolable.

Extensión del Electrodo. Es la distancia del tubo de contacto al arco medido a lo largo del alambre. Los ajustes en esta distancia producen un cambio en la resistencia del alambre y el cordón de soldadura resultante. Las corriente de soldadura GMAW son relativamente altas para los tamaños del alambre, aún para los valores de corriente bajos utilizados en la transferencia de metal de arco por cortocircuito.

Ángulo de la antorcha. La antorcha de soldadura se puede sostener para que el ángulo relativo entre la antorcha, la pieza y el cordón de soldadura que se está haciendo sea vertical o tenga un ángulo de arrastre o un ángulo de empuje. Los cambios en este ángulo afectarán el cordón de soldadura, el efecto se nota más claramente en los modos de arco por cortocircuito y de transferencia globular. La soldadura inversa es la técnica de soldadura que utiliza un ángulo de arrastre, la técnica que utiliza un ángulo de empuje se conoce como soldadura directa, las cuales a continuación se describen: 

Soldadura inversa. La técnica de ángulo de arrastre, o la soldadura inversa dirige la fuerza del arco hacia el baño de fusión de la soldadura de metal, esta acción, a la vez, fuerza el metal fundido de vuelta hacia el borde de arrastre del baño de fusión de la soldadura y expone más cantidad del metal base no derretido.



Soldadura directa. Utilizando un ángulo de empuje, o la técnica de soldadura directa, la fuerza del arco empuja el metal de soldadura sobre el metal más frio delante de la soldadura, el calor y el metal se dispersan en un área más amplia, el perfil de sección del cordón es amplio, mostrando una penetración poco profunda, con poca acumulación.

26

Fig. 2.3 Cambio de Polaridad en la soldadura. (Rowe, 2008)

2.4 EQUIPO BÁSICO GMAW. El equipo básico GMAW consiste en la antorcha, la unidad de alimentación del electrodo, la fuente de alimentación, la fuente de gas protector con regulador/medidor de flujo, el circuito de control y las mangueras, los forros y los cables relacionados, sistemas más grandes y más complejos pueden tener agua para el enfriamiento, solenoides para controlar el flujo de gas y carros para mover la pieza o a la antorcha, a continuación se describen más a detalle los elementos básicos de un sistema de soldadura. 

Fuente de alimentación. La fuente de alimentación puede ser de tipo transformador, generador o inversor, la máquina de soldadura produce una corriente de soldadura CC que varía de 40 a 600 amperios con 10 voltios a 40 voltios, dependiendo de la máquina.



Unidad de alimentación del electrodo. El propósito del alimentador del alambre es proporcionar una alimentación segura y fiable del alambre a la soldadura. Los cambios ligeros en la velocidad a la cual el alambre se alimenta tienen efectos distintos en la soldadura.



Sistema de alimentación del electrodo lineal. Los sistemas de alimentación del electrodo lineal utilizan un método distinto para mover el alambre y cambiar la velocidad de alimentación.



Antorcha. Se une al final del cable de corriente, el conducto del electrodo y la manguera del gas protector, para iniciar o detener el ciclo de soldadura se utiliza un interruptor de disparo.

27

2.5 POSICIONES DE SOLDADURA. En soldadura existen distintas posiciones de soldeo, tanto en ángulo o de rincón designada con la letra F y la soldadura a tope designada con la letra G según la normativa americana (A.W.S.) según la normativa europea (U.N.E.) siempre se denomina con la letra P.

2.5.1 Posiciones de soldeo plano 

Posición 1F (UNE = PA). Soldadura acunada o plana y una de las chapas inclinadas a 45º más o menos.

Fig. 2.4 Posición 1F (Rowe, 2008)



Posición 2F (UNE = PB). Soldadura horizontal y una de las chapas en vertical.

Fig. 2.5 Posición 2F (Rowe, 2008)

28



Posición 4F (UNE = PD). Soldadura bajo techo.

Fig. 2.6 Posición 4F (Rowe, 2008)

2.5.2 Posiciones de soldeo en tubería 

Posición 1G (UNE = PA). Tuberías horizontales, con movimiento de rotación o revolución; soladura "plana", el depósito del material de aporte se realiza en la parte superior del tubo o caño.

Fig. 2.7 Posición 1G (Rowe, 2008)



Posición 5G (UNE = PF). Tuberías horizontales e inmóviles; Esta posición abarca todas las posiciones, soldadura plana, vertical y bajo techo.

Fig. 2.8 Posición 5G (Rowe, 2008)



Posición 6G (UNE = H-L045). Tuberías inmóviles con sus ejes inclinados a 45º más o menos; Esta soldadura abarca: soldadura bajo techo, vertical y plana.

29

Fig. 2.9 Posición 6G (Rowe, 2008)

2.5.3 Posición de soldeo en tubería en ángulo con chapas 

Posición 2F (UNE = PB). Conjunto inmóvil durante el soldeo, tubo vertical; Soldadura horizontal.

Fig. 2.10 Posición 2F. (Rowe, 2008)



Posición 2FR. Conjunto con movimiento horizontal de rotación. Soldadura plana o sobremesa.

Fig. 2.11 Posición 2FR. (Rowe, 2008)



Posición 4F (UNE = PD). Conjunto inmóvil durante el soldeo, tubo vertical; Soldadura bajo techo.

Fig. 2.12 Posición 4F. (Rowe, 2008)

30



Posición 5F (UNE = PF,PG). Conjunto inmóvil durante el soldeo; Soldadura bajo techo, vertical ascendente y soldadura plana.

Fig. 2.13 Posición 5F. (Rowe, 2008)

Hacer una soldadura GMAW satisfactoria requiere más que habilidad manipulativa, la configuración, el voltaje, el amperaje, la extensión del electrodo y el ángulo de soldadura así como otros factores pueden afectar dramáticamente la soldadura producida, esto es poco controlable debido a que la mayoría son procesos manuales o semi-automáticos. El incremento de la productividad puede requerir sólo cambiar el sistema con el cual se suelda, y de esta manera hacer de manera más rentable el proceso.

31

DISEÑO DEL SISTEMA DE SOLDADURA En este capítulo se presenta el procedimiento

seguido

para

determinar la selección de cada uno de los elementos que conlleva el sistema de soldadura automático.

32

3. DISEÑO DE LA CELDA DE SOLDADURA. En el proceso que tiene para la elaboración de proyectos, es necesario implementar una metodología de diseño adecuada, que nos permita obtener con claridad los requerimientos del cliente, para de esta manera poder homogeneizar tales requerimientos con el diseño y la ingeniería que se aplicará. La metodología lineal de diseño, nos ayuda en la realización de proyectos, pues la estructura que sigue es la siguiente:

Identificación de la necesidad

Fase 1: Adquisición de Datos

Fase 2: Diseño conceptual

Fase 3: Presentación de Diseño a detalle

Análisis de Factibilidad

Fig. 3.1 Estructura del QFD (Cohen, 1995)

33

Esta metodología es muy útil por los pasos que se establecen para obtener la solución del problema, pero también se pude apoyar de otras herramientas de diseño como es el QFD, diagramas de flujo, diagrama causa – efecto, entre otras. La principal herramienta será QFD, la cual explicaremos brevemente a continuación:

3.1 DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD QFD (QUALITY FUNCTION DEPLOYMENT) QFD es una metodología para concebir, configurar y desarrollar un producto o servicio a partir de los deseos y necesidades del cliente, el QFD se enmarca dentro de la filosofía de calidad total, entendida como satisfacción de las necesidades del cliente. La respuesta del QFD a estas necesidades es global, es decir, considera el ciclo completo necesario para el lanzamiento de un nuevo producto al mercado: desde la concepción y el diseño hasta la distribución y el servicio técnico. [Moya, 1997]

Esta herramienta tiene muchos beneficios, sobre todo en las empresas interesadas en lograr la competitividad, el aumento de cuota en el mercado, mejorando la productividad. Las empresas que han adoptado el QFD han tenido reducciones de costos significativamente. [Madu, 2006]

Objetivos: 

Determinar características primordiales para el consumidor.



Identificar y optimizar requisitos en el diseño de un producto (o servicio).



Generar productos con las características indispensables para satisfacer las expectativas de los consumidores deseadas por el mercado.



Mejorar la calidad.



Incrementar competitividad de la empresa.



Permite identificar oportunidades de innovación.

Beneficios: 

Cambios oportunos.



Menor tiempo de desarrollo. 34



Menos problemas al iniciar la fabricación.



Reducción de costos de garantía.

3.2 APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA AL PROYECTO El problema que atiende al diseño, surge a partir de la necesidad de optimizar el proceso de soldadura y mejorar de esta manera la productividad y mantener la calidad en la soldadura de los marcos.

3.2.1 Requerimientos de la optimización en el proceso. Al evaluar el proceso actual de la soldadura de marcos, podemos obtener la información siguiente: 

Lentitud en la rotación de los marcos para poder realizar el cordón en las dos caras.



Incongruencias en los cortes del material.



No se tiene una separación mínima entre piezas para ser soldadas.



Exceso de soldadura para poder rellenar.



Distracción del soldador y el ensamblador.

Una vez que hemos obtenido las problemáticas en el proceso, debemos clasificarlos en fallas controlables y fallas no controlables, para de esta manera conceptualizar que fallas son primordiales a solucionar en nuestro diseño.

Tabla 3.1 Clasificación de las fallas en el proceso. Fallas controlables Fallas no controlables Reducir el tiempo en la rotación de los Incongruencias en el corte del material. marcos. Separación mínima entre piezas. Soldadura precisa. Cero distracciones. Nota: Elaborada por el autor a partir de datos adquiridos con el cliente.

35

Para poder reducir o eliminar las fallas del proceso, tenemos que traducir las fallas mencionadas, a términos de ingeniería.

Tabla 3.2 Requerimientos en términos de ingeniería. Fallas del Proceso Rotación muy tardada.

Términos de ingeniería Rotación manual y pesada

Separación mínima entre piezas. Soldadura precisa.

Exceso de soldadura

Cero distracciones.

Cordones poco uniformes

Incongruencias en el corte del material.

Corte irregular

Gap1 mayor a 3 mm

Nota: Elaborada por el autor a partir de datos adquiridos con el cliente.

3.3 METAS DE DISEÑO Una vez que tenemos nuestras fallas en términos de ingeniería, formulamos nuestras metas de diseño.

Tabla 3.3 Metas de diseño.

Términos de ingeniería

Metas de diseño

Rotación manual y pesada Gap mayor a 3 mm Exceso de soldadura Cordones poco uniformes Corte irregular

Rotación de los marcos de manera automática. Escantillón de sujeción rígida. Soldadura bien parametrizada. Automatización del movimiento de la antorcha. Maquinado de las piezas.

Nota: Elaborada por el autor a partir de datos adquiridos.

1

Gap. Término utilizado para definir la separación mínima entre piezas a ser soldadas.

36

3.4 ÁRBOL DE FUNCIONES

El análisis funcional de nuestro sistema tiene como objetivo conocer cada una de las acciones que se realizan en el proceso de soldadura. De acuerdo a las funciones principales con las que cuenta nuestro sistema planteamos el siguiente árbol de funciones, con el fin de utilizarlo como apoyo para la generación del sistema de soldadura.

Tomar tubo Sujetar tubos

Colocar en escantillón Golpear para sujetar a presión.

Soldar la primera cara del cuadro Soldadura de marco

Quitar la sujeción

Rotar el cuadro

Soldar la 2ª parte del cuadro

Levantar cuadro pre-soldado Colocar en escantillón

Fig. 3.2 Árbol de Funciones. (Rodríguez, 2015)

37

3.5 GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DE DISEÑO. Una vez analizadas las fallas y determinadas las metas de diseño, se procede a la selección de los elementos a integrar, obteniendo de esta manera las siguientes selecciones para cada meta.

3.5.1 Marco a soldar. El marco para andamio está fabricado con dos tipos de tubos estructurales cedula 30, uno de 1 ¼” de diámetro y otro de ¾” de diámetro con las siguientes especificaciones: 

Plano M-152:

38

3.5.2 Rotación de los marcos de manera automática. El objetivo de cada solución de automatización es mejorar la productividad y la calidad, es por eso que se recurre a sistemas de posicionamiento automáticos, ya que estos permiten el giro, la alineación de las piezas de una manera rápida y precisa, es por esto que recurrimos a la instalación de un sistema de posicionamiento, servo - controlado, el cual nos permitirá poder rotar los cuadros sin la necesidad de tener que quitarlos.

Fig. 3.3 Sistema de rotación servo controlado. (R.L., 2015)

Una vez que hemos seleccionado el sistema de rotación del posicionador, se realizar un centro de trabajo de tipo bastidor el cual ira soldado al plato del posicionador permitiendo así un montaje más eficiente de las piezas.

Fig. 3.4 Centro de trabajo de tipo bastidor y dimensiones en mm. (Rodríguez, 2015)

39

3.5.2 Escantillón de sujeción rápida. Estos dispositivos son un "patrón" o "guía" a seguir para la colocación de las piezas para poder ser soldadas y de esta manera garantizar la repetibilidad en el proceso, la función de los escantillones, es que dos o más productos similares, tengan las mismas medidas, y así poder decir que son realmente similares.

Fig. 3.5 Escantillón para soldadura actual. (USUARIO FINAL, 2014)

El diseño del escantillón es de suma importancia en el proceso de soldadura de los marcos, ya que con este garantizaremos la repetibilidad en el proceso, así como la reducción de las fallas en el mismo. Por esta razón y ya que tenemos diseñado el centro de trabajo, el escantillón debe de ser ajustable a este tipo de centro de trabajo, y para la colocación precisa de los tubos se diseñó un sistema de bloques de ¾” x ¾” x 2” para colocarse en los puntos de sujeción del marco y así colocarse a presión garantizando la perpendicularidad de los tubos y su correcta alineación para el proceso de soldadura

Fig. 3.6 Escantillón para centro de trabajo tipo bastidor. (Rodríguez, 2015)

40



Plano E-001:

41



Plano E-002

42

3.5.3 Soldadura bien parametrizada. El primer paso es entender las necesidades internas del proceso. Para determinar esto, es necesario examinar los procesos de soldadura utilizados más comúnmente y que materiales son los más adecuados. La soldadura GMAW utiliza una bobina de hilo en el interior de la fuente de corriente o desde el exterior con un devanador. Este hilo o relleno de material se alimenta a través de una pistola. La fuente de corriente es utilizada para iniciar y mantener el arco entre al hilo y el metal base.

La soldadura GMAW o MIG utiliza hilo macizo, el cual requiere gas de protección para proteger el baño de la soldadura de la atmósfera. De igual manera se requiere al menos la habilidad de un soldador, ya que el equipo se alimenta del hilo. El soldador tiene la pistola en una mano y al apretar el pulsador el gas de protección hace que un arco suave se mantenga estable. Dado que otros procesos requieren posición específica de los electrodos y manipulación, la soldadura GMAW es el proceso más rápido. Con unidades compactas con un costo accesible y la capacidad de soldar con facilidad material mucho más delgado que con el electrodo recubierto, este modelo de equipo está siendo muy popular.

Las velocidades de soldadura son elevadas debido a la alimentación continua del hilo, ausencia de escoria y tasas de deposición elevadas. Su factor de operación es típicamente del 30-50 por ciento sobre 3-5 minutos de cada 10 que se pueden utilizar creando un arco. GMAW puede utilizarse en la mayoría de los metales.

El uso incrementado de técnica digital y microelectrónica ha adelantado al proceso de soldadura MIG/MAG en años recientes. Los resultados son fuentes de corriente cada día más ligeras, movimientos rápidos controlados y mejoras en el proceso de ignición. Es por este motivo que seleccionamos un equipo de soldadura del cual su funcionamiento es a través de microelectrónica, el cual nos permite poder tener una línea sinérgica facilitando así las tareas del operador.

Para seleccionar adecuadamente la fuente de soldadura es necesario analizar las condiciones de trabajo en particular y luego determinar el tipo y diámetro de electrodo que 43

más se adapte a estas condiciones. Los factores básicos para una selección en la fuente son: 1. Tipo de metal base. 2. Dimensiones de la sección a soldar. 3. Gas de protección. 4. En qué posición o posiciones se soldará. 5. Material de aporte. 6. Espesor del metal base.

Después de considerar cuidadosamente los factores antes indicados, se selecciona el equipo de soldadura adecuado para este proceso, el cual le dará un arco estable, depósitos parejos, escoria fácil de remover y un mínimo de salpicaduras, que son las condiciones esenciales para obtener un trabajo óptimo.

Para el proceso de soldadura de marcos se tienen los siguientes datos:

Tabla 3.4 Factores para la selección de la fuente de soldadura. Factores para la selección de la Fuente de soldadura Metal base

Acero al carbón

Dimensiones

ᴓ =1.315”

Gas de protección

80% CO2 + 5% O2 + Ar2

Posición de soldeo

Tubería 2F

Material de aporte

ER70S-6

Espesor del metal base

0.075”

Nota: Elaborada por el autor a partir de datos adquiridos en prácticas.

Con base a estos factores se procede a la selección del equipo de soldadura adecuado para el proceso de soldadura de tubos, la cual será una fuente TPS 4000 de la marca Fronius.

44

La fuente FRONIUS TPS 4000 (por sus siglas en inglés Trans Puls Synergic), es la más apropiada, ya que se trata de una de las primeras fuentes con inversores totalmente digitalizados, de regulación digital y por microprocesador, de precisión inigualable. Con esta fuente tenemos diferentes variantes de ignición, arco voltaico hecho a medida, programas de arranque para aluminio, e incluye un regulador de fuente de energía integrado.

A continuación se enlistan algunas de las propiedades de la fuente TPS 4000 de la marca FRONIUS.

TransPuls Synergic 4000: 

Interfaz: Fieldbus AB.



Material de Aporte: Acero Ø 0.8mm.



Rango de Corriente: 3 – 400 A.



Gama de Tensión: 3 x 380 – 460 V.



Antorcha: Refrigerada por Gas.



Grado de Protección: IP 23

Fig. 3.5 Equipo de Soldadura Fronius TPS. (GmbH, 2006-2015)

Todo ello permite cumplir con las características que el proceso de soldadura requiere.

45

3.5.4 Automatización del movimiento de la antorcha. Para poder realizar la automatización del movimiento de la antorcha es necesario, utilizar una antorcha automática y un dispositivo capaz de moverla en las posiciones demandadas por el proceso de soldadura, para esta selección se toman en cuenta varios factores como son: 1. Tipo de antorcha 2. Ángulo de la antorcha. 3. Sistema de refrigeración. 4. Diámetro de la punta de contacto.

Una vez que tenemos claros los parámetros para la selección pasamos a realizarla, Tabla 3.5 Factores para la selección de la antorcha. Parámetros para antorcha de soldadura Tipo de antorcha

Robotizada

Ángulo de la antorcha

22°

Sistema de refrigeración

Por gas

Diámetro de la punta de contacto

1.0 mm

Nota: Elaborada por el autor a partir de datos adquiridos con el proveedor.

Con base a estos datos, seleccionamos la antorcha ROBACTA MTG 4000, de la marca FRONIUS, esta antorcha cuenta con sistema de enfriamiento en la tobera a través del gas de protección, tiene un sistema de comunicación para activar la ignición, el ángulo de 22° nos da la posibilidad de poder soldar en diferentes posiciones, inclusive aquellas de difícil acceso, para el diámetro de la punta de contacto se delimita el proceso de soldadura a un material de aporte de 0.035” por lo cual el diámetro de la punta de contacto es de 1.0 mm.

Fig. 3.6 Robacta MTG 4000. (GmbH, 2006-2015)

46

La soldadura robotizada puede considerarse como un sistema de fabricación flexible, al que se está adaptando un número creciente de procesos: no sólo aquellos que por su elevada velocidad de operación impidan su utilización humana, como el láser, sino también otros que fueron diseñados inicialmente para un soldador, como son GTAW (TIG) o GMAW (MIG/MAG). Factores como la alta reproducibilidad, el excelente control de posicionamiento, flujo de material y parámetros de proceso, junto con un perfecto seguimiento de las trayectorias, han introducido una sensible mejora de la calidad y disminución de los costos de fabricación al reducir, entre otros, los tiempos de reparación.

1. TPS 4000. 2. Controlador de la fuente. 3. Alimentador de Alambre automático. 4. Interfaz robótica. 5. Robacta MTG 4000. 6. Controlador del robot. 7. Carrete de alambre.

Fig. 3.7 Sistema de Soldadura Robotizado. (GmbH, 2006-2015)

Para una correcta selección del robot2 son necesarios dos parámetros fundamentales, la carga útil máxima y el alcance máximo del robot, términos de los cuales se dará una breve explicación a continuación: 

Carga útil máxima. Es la cantidad máxima que puede cargar un robot al centro de la brida del robot.



Alcance máximo. Es la región máxima en la que el robot puede trabajar.



2

Robot. Manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas. [Barrientos, 2007]

47

Con base a esta información comenzamos la selección para el robot, el cual debe de tener la capacidad de cargar y poder desplazar la antorcha a cada uno de los puntos a ser soldados.

Tabla 3.5 Factores para la selección de la antorcha. Parámetros para selección de Robot Carga útil máxima

78.48 N (8 kg).

Alcance máximo

2016 mm.

Nota: Elaborada por el autor a partir de datos adquiridos con el proveedor.

El Robot KUKA KR16 L8 ARC HW, es un robot industrial de seis ejes con cinemática de articulación, para todas las tareas de punto y de trayectoria. Este Robot puede ser montado sobre el piso, su carga nominal y cargas adicionales pueden moverse con el máximo alcance del brazo así como a velocidad máxima.

Todos los componentes principales del Robot están fabricados con fundición de metal liviano, este concepto fue optimizado teniendo en cuenta la eficiencia de una construcción liviana y de alta rigidez a la torsión y a la flexión.

Fig. 3.8 Alcance máximo del robot. (R.L., 2015)

48

De ello resulta una alta repetibilidad natural del robot presentando un buen desempeño dinámico con alta resistencia a las vibraciones.

Fig. 3.9 Volumen de trabajo del robot. (R.L., 2015)

Tabla 3.6 Volumen de trabajo. Medidas del volumen de trabajo (mm) A

B

C

D

E

F

G

Volumen

2430

3220

2016

1105

910

1431

1062

29.2 m3

Nota: Elaborada por el autor a partir de datos adquiridos con el proveedor.

Las articulaciones y los reductores se mueven prácticamente libres de juego mientras que los motores de accionamiento son servomotores sin escobillas, con tecnología adaptable, libres de mantenimientos y asegurados contra sobrecargas.

Fig. 3.8 Robot KUKA KR16-L8 ARC HW. (R.L., 2015)

49

El alcance versátil del brazo del robot permite el uso de instalaciones relativamente simples, y la capacidad del robot para ser reprogramado con nuevas configuraciones de las partes permite que esta forma de automatización se justifique para cantidades de producción relativamente bajas. Una celda robótica de soldadura GMAW consta de dos instalaciones o centros de trabajo, dispositivos de sujeción para las piezas a ser soldadas, equipo de soldadura robotizado, y un robot industrial.

Fig. 3.9 Celda robotizada de soldadura. (Rodríguez, 2015)



Plano: Layout

50

El cumplimiento de las normativas de seguridad en el trabajo, y la disminución de los riesgos inherentes en el área de soldadura, al incorporar una celda de robotizada de soldadura, hay que darse cuenta de que el trabajador a quien el robot pasa el trabajo sigue el ritmo de la máquina, esto puede resultar muy difícil, el diseñador y el instalador tienen que conocer los principios ergonómicos para que la fatiga y la tensión puedan mantener a un mínimo. Es por es que se recurren a espacios confinados o áreas controladas para el uso de robots industriales evitando así el contacto directo del ser humano con el robot, cuando este se encuentra realizando su proceso o algún movimiento. Esto hace necesario colocar elementos de protección, que a su vez delimiten el área de trabajo del robot.

51

EFICIENCIA ECONÓMICA DEL PROCESO En este capítulo se procede a realizar un análisis técnico-económico, para evaluar la factibilidad y costos del proyecto, para así poder tomar una decisión

para

su

correcta

implementación.

52

4. EFICIENCIA ECONÓMICA DEL PROCESO. La eficiencia económica es una breve investigación sobre el marco de factores que influyen en el proyecto. Esto se lleva a cabo con el objetivo de contar con la información sobre el proyecto a realizar, mostrando un estudio tecnológico-económico de las condiciones actuales de manufactura y analizar los resultados en manufactura del proyecto y calcular los indicadores que permitan evaluarlo en este documento.

4.1 PRODUCTIVIDAD La productividad es la relación entre la cantidad de productos obtenida por un sistema productivo y los recursos utilizados para obtener dicha producción. También puede ser definida como la relación entre los resultados y el tiempo utilizado para obtenerlos: cuanto menor sea el tiempo que lleve obtener el resultado deseado, más productivo es el sistema. En realidad la productividad debe ser definida como el indicador de eficiencia que relaciona la cantidad de recursos utilizados con la cantidad de producción obtenida. A continuación analizaremos el proceso actual en la fabricación de marcos: Tabla 4.1 Desglose de cordones. Cordones de Soldadura Longitud No. (pulg) 1 3.37722 2 1.80642 3 1.80642 4 3.37722 5 2.59182 6 2.59182 7 2.59182 8 2.59182 9 3.37722 10 1.80642 11 2.59182 12 2.59182 13 1.80642 14 3.37722

Total

Fig. 4.1 Marco a soldar.

36.28548 Nota: Elaborada por el autor a partir de datos adquiridos con el cliente.

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Actualmente se fabrican 70 marcos aproximadamente en una jornada laboral de 8 horas, teniendo un desglose de tiempo de la siguiente manera: T1 – Fijación del material – 1 minuto. T2 – Soldadura de lado A – 2 minutos. T3 – Liberación de marco pre soldado, rotación y fijación de piezas – 1.5 minutos. T4 – Soldadura de lado B – 2 minutos. T5 – Liberación de marco soldado – 0.5 minuto.

Con base a la información obtenida, se realizar un análisis de tiempo de ciclo para la soldadura de marcos, teniendo como resultado lo siguiente:

Tiempo de Trayectoria  Home + Centro 1 = 5 seg.  Giro de Posicionador = 5 seg.  28 cordones = 90 seg.

Fig. 4.2 Simulación de Proceso.

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Tabla 4.2 Desglose de tiempos de soldadura. Tiempo de Soldadura 1. 5 seg. + 5 seg. = 10 seg. 2. 1 seg. + 1 seg. = 2 seg. 3. 1 seg. + 1 seg. = 2 seg. 4. 5 seg. + 5 seg. = 10 seg. 5. 2 seg. + 2 seg. = 4 seg. 6. 2 seg. + 2 seg. = 4 seg. 7. 2 seg. + 2 seg. = 4 seg. 8. 2 seg. + 2 seg. = 4 seg. 9. 5 seg. + 5 seg. = 10 seg. 10. 1 seg. + 1 seg. = 2 seg. 11. 2 seg. + 2 seg. = 4 seg. 12. 2 seg. + 2 seg. = 4 seg. 13. 1 seg. + 1 seg. = 2 seg. 14. 5 seg. + 5 seg. = 10 seg.

1 2

5

9 10

6

3 4

11

7

12

8

13 14

Fig. 4.3 Posición de cordones de soldadura.

Con la sumatoria de estos tiempos se tendría un total de: 𝟓 + 𝟓 + 𝟗𝟎 + 𝟏𝟎 + 𝟐 + 𝟐 + 𝟏𝟎 + 𝟒 + 𝟒 + 𝟒 + 𝟒 + 𝟏𝟎 + 𝟐 + 𝟒 + 𝟒 + 𝟐 + 𝟏𝟎 = 𝟏𝟕𝟐 𝐬

Teniendo una tiempo estimado de 172 segundos por un marco, sin contemplar el tiempo de carga de tubos y descarga de marcos.

Con estos tiempos, tenemos un cuadro terminado cada 3 minutos aproximadamente, al optimizar el proceso de soldadura se proyectan los siguientes tiempos de ciclo: T1 – Fijación del material centro de trabajo A – 1 minutos. T2 – Soldadura de lado A – 1.46 minutos. T3 – Rotación de marco – 0.08 minutos T4 – Soldadura de lado B – 1.46 minutos. T5 – Liberación de marco soldado – 0.5 minutos.

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Con estos tiempos optimizados, se tiene un total de 4.5 minutos, por tiempo de soldeo de un marco.

Fig. 4.4 Simulación de soldadura.

4.1.1 Capacidad de producción actual diaria de forma manual.

PC = SHR P Donde:

PC = Capacidad de producción S= Número de turnos por Periodo H= Horas por turno Rp= Producción por hora de celda de soldadura.

PC = (1)(8)(8.75)

PC = 70 marcos

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4.1.2 Capacidad de producción estimada diaria de forma automática.

PC = SHR P Donde:

PC = Capacidad de producción S= Número de turnos por Periodo H= Horas por turno Rp= Producción por hora de celda de soldadura.

PC = (1)(8)(13.33)

PC = 106.64 marcos

PC = 107 marcos aproximadamente

4.1.3 Porcentaje de aumento de productividad.

Con este promedio de producción se estima que con esta automatización el usuario final tendra la posibilidad de aumentar su capacidad de producción en un 52%, adicionado a esto garantizará en sus operaciones de producción cordones estandarizados, repetitibidad en sus procesos, y reducción de costos directos de mano de obra.

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4.2 COSTOS DE PRODUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE LA CELDA DE SOLDADURA. La celda de soldadura esta compuesta por diferentes elementos, los cuales son necesarios integrar para poder definir un costo, a continuación se realiza un desglose de cada elemento a integrar: Tabla 4.2 Costo escantillón. Escantillón Descripción Cantidad P.U. Costo Marco 2 10000 20000 Total

20000

Nota: Elaborada por el autor a partir de datos adquiridos con el proveedor.

Tabla 4.3 Costo robot. Robot Cantidad P.U. Costo 1 61250 61250

Descripción KR16 L8 ARC HW Supervisión de Instalación Soporte de Programación Capacitación

2 2 2

700 700 950 Total

1400 1400 1900 65950

Nota: Elaboradas por el autor a partir de datos adquiridos con el proveedor.

Tabla 4.4 Costo del sistema de seguridad de la celda. Sistemas de seguridad Descripción Cantidad P.U. Costo Interlock 1 316 316 1 5269 5269 Escáner de Seguridad Controlador de 1 381 Seguridad 381 Módulo de Expansión 1 403 403 Total

6369

Nota: Elaborada por el autor a partir de datos adquiridos con el proveedor.

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Tabla 4.5 Costo de las horas de programación. Programación Descripción Cantidad P.U. Costo Horas de programador de robot 90 55 4950 Total

4950

Nota: Elaborada por el autor a partir de datos adquiridos con el proveedor.

Tabla 4.6 Costo de las horas de ingeniería. Ingeniería Descripción Cantidad P.U. Costo Diseño Previo 30 45 1350 Diseño a Detalle 40 65 2600 Total

3950

Nota: Elaborada por el autor a partir de datos adquiridos con el proveedor.

4.2.1 Desglose Final Tabla 4.7 Desglose final de la celda de soldadura. Partida 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Descripción Equipo de soldadura Perfil Pedestal Escantillón Robot Seguridad Programación Viáticos Ingeniería Sistema Neumático Sensores Mesas de Trabajo Instalación Transportación Capacitación Servicio Unidad de Limpieza robotizada

Costos $21,720.90 $3,180.00 $2,120.00 $21,200.00 $71,885.50 $6,751.14 $4,950.00 $2,000.00 $3,950.00 $2,120.00 $2,120.00 $10,600.00 $3,000.00 $5,300.00

SUB TOTAL

$171,301.54

$1,500.00 $3,604.00 $5,300.00

Nota: Elaborada por el autor a partir de datos adquiridos con el proveedor.

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Se estimaron los costos para la fabricación de una celda de soldadura utilizando una investigación del valor actual que tiene en dinero el material eléctrico, de control, robótico y de soldadura, además de añadir costos de diseño y proceso de realización en caso de empezar a realizar el proyecto realmente, con esto se estima un precio para el proceso de automatización. Puede parecer muy alto el costo de la inversión, pero los beneficios directos e indirectos permitirán una recuperación de la inversión en un mediano plazo.

CONCLUSIONES La importancia de la optimización del proceso de soldadura, como se muestra en este trabajo, radica en la correcta ejecución del proceso, desde que el material a soldar se encuentre perfectamente bien delimitado, el operador lo coloque de manera adecuada en el escantillón hasta que el sistema de soldadura se encuentre parametrizado correctamente.

Es por estos motivos que la implementación de un sistema de soldadura robotizado, permitirá que el proceso de soldadura se lleve a cabo de una manera correcta y con un menor tiempo de ciclo, y así sólo se tendría que garantizar que los tubos a ser soldados para formar el cuadro, se encuentren perfectamente bien cortados, y así garantizar una correcta aplicación del cordón.

La implementación de la propuesta proporciona una serie de beneficios: 

Incremento del 52% en la producción.



Reducción del tiempo de proceso



Incremento en la calidad del producto



Repetibilidad del proceso



Disminución de producto rechazado por concepto de soldadura mal aplicada.



Reducción de costos directos en mano de obra.

Además de otros beneficios indirectos como: menor desgaste del trabajador, al no manipular el marco pesado para voltearlo; disminución de riesgos de accidente por minimizar la manipulación, el retrabajo al tener que limpiar los errores de la soldadura entre otros.

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Existen diferentes procesos de soldadura, el más adecuado para este tipo de aplicación es el proceso GMAW, del cual existen diversas áreas de aplicación, es por eso que debe de existir una orientación y comprensión del proceso para facilitar el diseño de la aplicación.

El desarrollo de aplicaciones robotizadas de soldadura, es un proceso sumamente delicado y exigente ya que cualquier variante en la secuencia de soldadura, la posición de la antorcha, o una mala parametrización puede ocasionar un gran desperdicio de piezas, ya que una vez aplicada la soldadura, no hay forma de poder recuperarlas sin algún daño, aunado a esta parte del proceso, es vital el desarrollo de una celda robótica que cumpla con los estándares de calidad y seguridad para el trabajo con el ser humano.

No se puede determinar el tiempo exacto de recuperación de la inversión ya que los costos administrativos e indirectos, así como volumen y precio de venta del producto terminado no se tienen disponibles por ser información confidencial del fabricante.

Los beneficios de la automatización son tan perceptibles que la propuesta está en proceso de implementación.

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Bibliografía Barrientos, A. (2007). Fundamentos de Robótica (2a Edición ed.). Madrid: Mc Graw Hill. Cohen, L. (1995). Quality Function Deployment (1st. Edition ed.). California: Addison Wesley Longman. Harper, E. (2003). El ABC del control electrónico (1ra ed.). México, D.F.: Limusa. Jeffus, L. (2009). Soldadura : principios y aplicaciones (5a Edición ed.). Madrid, España: Paraninfo, S.A. Jeffus, L. (2009). Soldadura Principios y Aplicaciones (1a Edición ed.). Buenos Aires: Paraninfo, S.A. Pires, J. N. (2007). Industrial Robots Programming Building applications for the factories of the future (2a Edición ed.). Portugal: Springer. Rowe, R. (2008). Manual de Soldadura GMAW (1ra ed.). Madrid: Paraninfo.

Documentos en Línea KUKA (2015). KUKA Robots Industriales. Recuperado el 20 de 01 de 2015, de http://www.kukarobotics.com/mexico/es/ ESAB. (2015). ESAB México. Recuperado el 20 de 01 de 2015, de http://www.esab.com.mx/mx/sp/ GmbH, F. I. (2006-2015). Fronius Mexico. Recuperado el 20 de 01 de 2015, de http://www.fronius.mx/

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