El láser y su uso estratégico en la industria

El láser en las cadenas de producción de automóviles

Christoph Olaineck - Michels GmbH Anlagenbau, Lebach15/06/2007
Hoy en día, el láser está muy implantado en la industria automovilística de todo el mundo. Si miramos hacia el pasado, podemos situar su irrupción en la industria hace unos 30 años. Una fecha importante de la soldadura láser en las cadenas de producción está vinculada al Audi 100, que salió al mercado a mediados de los ochenta y que fue el primer Audi con carrocería revestida de cinc.
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Fig. 1: Aplicaciones del láser en automoción (fuente: Rofin-Sinar)
Por aquel entonces, las bobinas de chapa de acero cincadas no eran lo suficientemente anchas como para fabricar un panel de suelo completo en una sola pieza. Así que se colocó una bobina junto a otra y se soldaron a testa, con láser, las planchas desenrolladas. Posteriormente, en la prensa, las planchas se transformaban en el panel del suelo.

Una vez llevado a término con éxito este proyecto, se fueron introduciendo cada vez más aplicaciones láser en la fabricación de automóviles. Hoy en día, el láser se emplea en diferentes procesos de corte, soldadura y marcado en las cadenas de producción de automóviles. En la siguiente imagen se señalan las zonas de los vehículos sobre las que se emplea el láser.

A continuación nos centramos en algunas de las aplicaciones del láser.

Soldadura del techo del automóvil

Para soldar el techo, el bastidor de la carrocería se coloca, típicamente, sobre un patín y se desplaza mediante un transportador a lo largo de la cadena de montaje. Frente a la célula láser, un robot coloca el techo en el bastidor del coche. Otros robots equipados con pistolas soldadoras fijan el techo al batidor aplicando algunos puntos de soldadura, normalmente dos sobre el marco del parabrisas y dos sobre el de luna trasera.

Habitualmente, se producen diferentes modelos en una misma cadena de producción, por ejemplo distintas limusinas o versiones de station wagon. En este tipo de producción mixta, los patines incorporan una unas unidades de almacenamiento con la información sobre cada tipo de vehículo. La célula láser lee esta información y la transfiere al controlador del sistema para ejecutar el programa correspondiente.

La Figura 2 muestra el diseño básico de un sistema láser para soldar techos.

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Fig. 2: Sistema de soldadura láser de CO2 para techos de automóvil
Para garantizar un posicionamiento preciso de la célula láser, la carrocería del coche se coloca sobre unas barras de ajuste.

Un escáner láser mide la posición real del techo y la compara con los datos CAD, ya que a lo largo del proceso de carga no se puede asegurar una posición constante. Se puede producir una desviación de hasta 1 mm. El factor de corrección se calcula a partir de la diferencia entre la posición real del techo y los datos CAD. El controlador del sistema envía este valor al controlador del robot, que reajusta inmediatamente la trayectoria del robot de soldadura según la nueva posición del techo.

La soldadura láser de chapas cincadas de carrocería requiere dejar un pequeño espacio que permita la salida de los vapores de zinc. No obstante, cuando el techo se fija al bastidor del coche como acabamos de describir, la anchura de este espacio suele variar considerablemente a lo largo del techo. En las proximidades de los puntos de soldadura que fijan el techo, el espacio es casi nulo. En el centro del coche, junto al pilar B, este espacio presenta su anchura máxima. En el peor de los casos, puede ser de varios milímetros.

Para que la soldadura con solapamiento de las chapas cincadas sea de buena calidad, debe existir un espacio de anchura constante, de entre 0,1 y 0,2 mm.

Se han desarrollado cabezales de soldadura láser específicos para esta aplicación, caracterizados por un rodillo que se encarga de presionar la chapa superior sobre la inferior. El rodillo se combina con un elemento neumático que permite ajustar la presión según las necesidades de cada operación concreta.

La Figura 3 muestra el diseño básico de un cabezal de soldadura.

Como ya se ha dicho, el espacio entre el bastidor de la carrocería y el techo varía a lo largo del coche. Estas diferencias se han de compensar con una presión variable del rodillo sobre el techo.

El tiempo de respuesta del sistema de control encargado de regular la presión debe ser capaz de efectuar cambios muy rápidos, para acomodarse a los requisitos de la soldadura a alta velocidad. Las velocidades habituales son del orden de 5 m/min, es decir 83 mm/s. Si un ciclo de regulación tarda en desarrollarse 250 ms, el cabezal de soldadura se habrá desplazado 20 mm en ese tiempo, lo que podría ser demasiado para garantizar una buena calidad constante del cordón de soldadura. Por lo tanto, hay dos opciones: o bien se utiliza un sistema de control con ciclos muy cortos o bien se programa el software para que envíe la orden con cierta antelación. En realidad, la segunda opción no es una solución práctica ya que el retardo siempre dependería de las variaciones en la velocidad de soldadura.

En resumen, los parámetros que hay que optimizar son: la potencia del láser, la velocidad de soldadura, el gas protector y la presión del rodillo. La posición del foco se mantiene constante gracias al rodillo.

En general, el techo se puede soldar tanto con láseres de Nd:YAG como de CO2. No hay uno que presente ventajas sustanciales frente al otro. De hecho, en las cadenas de producción de automóviles se pueden encontrar los dos tipos. La única diferencia notable es que el láser de Nd:YAG ofrece más flexibilidad debido a sus fibras más ligeras, lo que permite el acceso del robot a más zonas de la carrocería, por ejemplo el pilar B o la sección trasera del vehículo. A cambio, los sistemas de láser de Nd:YAG permiten realizar operaciones adicionales de soldadura. Por otro lado, la protección contra la dispersión de luz del láser de Nd:YAG requiere una célula de proceso completamente cerrada, en la que el operario sólo puede observar la producción a través de unas ventanas de seguridad relativamente pequeñas. Por lo tanto, la decisión de emplear un tipo de láser u otro depende de las especificaciones del cliente.

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Figura 3: Cabezal de soldadura láser de Nd:YAG con rodillo

Aplicaciones láser avanzadas

La soldadura láser a baja temperatura

Hace algunos años se introdujo la técnica de la soldadura a baja temperatura como complemento a la soldadura a alta temperatura. Volkswagen fue el primero en aplicar esta técnica y lo hizo en la puerta del maletero del modelo Bora. Desde entonces, se ha extendido su uso a otros componentes.

La principal ventaja de la soldadura a baja temperatura es que produce un cordón de soldadura con de superficie muy uniforme. De hecho, el objetivo principal de todo proceso de optimización pasa por conseguir un cordón de tal calidad que no requiera ningún tratamiento posterior antes de entrar en el taller de pintura.

La soldadura láser a baja temperatura requiere mucho más control del proceso si se compara con la soldadura a alta temperatura. Además de los parámetros ya conocidos también se debe controlar el diámetro del cable de soldadura, su colocación y la velocidad de avance. El posicionamiento del cable de soldadura es muy delicado, sobre todo en los bordes de piezas tridimensionales. Para que el proceso resulte estable en las condiciones de producción se requieren grandes dosis de control en línea del proceso.

El sistema de soldadura láser a baja temperatura se desarrolló inicialmente con láseres de Nd:YAG. Posteriormente, resultó que los láseres de diodos eran muy adecuados para este tipo de operaciones. La poca calidad del haz de este tipo de láser, que supone una desventaja en la soldadura a alta temperatura, es una virtud cuando se trata de soldar a baja. Gracias al desarrollo de láseres de diodos de alta potencia, el foco presenta una forma geométrica ovalada de algunos milímetros de anchura y longitud. De ahí que la densidad de potencia no sea suficiente para una soldadura en profundidad, pero sí suficiente para los procesos a baja temperatura. Si el láser se desplaza sobre la pieza de trabajo en sentido longitudinal con respecto al foco ovalado, el baño de material fundido tiene tiempo suficiente para recristalizar formando una superficie pulida. Además, la colocación del cable de soldadura es menos compleja que con un láser de Nd:YAG con un foco “normal”.

Soldadura por solapamiento de múltiples chapas

Uno de los objetivos de todo fabricante de automóviles consiste en aumentar la estabilidad de la carrocería disminuyendo a la vez su peso. Esto condujo al desarrollo de espacios vacíos a medida y chapa de acero de resistencia ultra alta.

Otro enfoque es la soldadura por solapamiento de más de dos chapas, sistema sobre el que se han llevado a cabo varias investigaciones empleando pistolas de soldar por puntos convencionales aunque no se han obtenido grandes resultados. Sin embargo, existen estudios de viabilidad para realizar esta labor con láser que sí han dado resultados muy prometedores. Es posible soldar hasta cuatro chapas mediante soldadura con solapamiento a una velocidad de 4 m/min, según pruebas realizadas con un láser de CO2 de 6 kW. El material tratado fue acero de alta resistencia para carrocerías de automóvil. Algunas de las chapas estaban revestidas de cinc y otras de aluminio.

Esta técnica todavía se está desarrollando y aún no se ha introducido en las cadenas de producción. No obstante, para los diseñadores del sector abre una nueva puerta para el desarrollo de nuevos conceptos de automóvil.

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