Láseres para aligeramiento

May 15, 2023

Los OEM automotrices de todo el mundo están desesperados por reducir el peso de los vehículos en estos días. BMW no es una excepción.

Por ejemplo, la Serie 5 2017 del fabricante de automóviles es 137 libras más liviana que el modelo anterior. Esa pérdida de peso es aún más impresionante dado que el sedán 2017 es más largo, más ancho, más alto, más rígido y más resistente que el modelo 2016.

Reducir el peso del vehículo requirió una ingeniería inteligente y un mayor uso de acero de alta resistencia, aluminio y magnesio. La Serie 5 de 2016 ya contenía una buena cantidad de aluminio, incluidas las puertas, el capó y los guardabarros delanteros. El modelo 2017 usa aún más. Los ingenieros rediseñaron el larguero trasero, consolidando 18 partes en una sola pieza de aluminio fundido. Eso ahorró 24 libras. Una tapa del maletero de aluminio salvó 9 más. El maletero, el travesaño del motor y el techo también son de aluminio.

El uso estratégico de aceros de alta y ultra alta resistencia en el techo, los largueros y la parte trasera le dan a la carrocería una alta resistencia estructural al mismo tiempo que reducen el peso. Y BMW usó magnesio para fundir el panel de instrumentos, haciéndolo 4 libras más liviano que su predecesor de acero.

Para ensamblar estos materiales, los fabricantes de automóviles han tenido que adoptar una variedad de nuevas tecnologías de unión, incluidos los remaches autoperforantes, los tornillos de perforación por flujo, los adhesivos estructurales y, cada vez más, la soldadura por láser.

"Los láseres son otra herramienta en la caja de herramientas para la unión de materiales", dice Nathan Harris, gerente de la industria automotriz de TRUMPF Inc. "Soldado, sujetadores, adhesivos: todos tienen sus fortalezas y debilidades. No hay una 'bala mágica' que resuelva cada desafío de unión de materiales que enfrentan los fabricantes de automóviles hoy en día".

BMW no es el único fabricante de automóviles que aprovecha la soldadura láser. La tecnología se está utilizando en numerosos vehículos, incluidos el Ford F-150, el Cadillac CT6, el Honda Accord y el MINI Cooper.

Donde se aplican los láseres, en particular, es en el ensamblaje de puertas de aluminio, marcos de ventanas, capós, tapas de baúles y otras partes que requieren una superficie de acabado Clase A. Para la Serie 5, por ejemplo, BMW pasó de engarzar y unir las puertas completamente de aluminio del vehículo a soldar con láser los exteriores de aluminio a los interiores de acero, reduciendo al menos 13 libras del automóvil.

Los láseres son ventajosos en estas aplicaciones porque los ingenieros pueden controlar y enfocar cuidadosamente la energía dirigida al ensamblaje. Las uniones producidas por soldadura por arco o soldadura por puntos de resistencia pueden requerir un esmerilado de acabado; las uniones producidas por soldadura láser necesitan poca o ninguna.

Otra ventaja de la soldadura láser es su capacidad para producir soldaduras de costura continua, soldaduras paralelas y soldaduras en forma de C o S. Eso puede generar soldaduras más fuertes y permitir que los ingenieros usen materiales más delgados en sus diseños. Es especialmente útil para áreas de alta tensión donde tradicionalmente se ha utilizado la soldadura por puntos.

Por ejemplo, las puntadas láser pueden reemplazar la costura de soldadura por puntos de resistencia utilizada para unir el marco superior del techo y el panel inferior del balancín. Para los pilares A o B, las costuras continuas pueden reemplazar las puntadas y eliminar la necesidad de refuerzos adicionales.

"Para una soldadura de traslape, en lugar de solo una línea recta que atraviesa la junta, imagine hacer la soldadura con un patrón en zigzag o un patrón de remolino", explica Harris. "O imagina hacer una línea de soldaduras de puntada, cada una de 5 milímetros de largo, y espaciadas como quieras. Sucede muy rápido".

Debido a que el láser puede enfocarse con tanta fuerza, los ingenieros pueden diseñar bridas más estrechas o incluso eliminar la brida por completo. Para la soldadura por puntos de resistencia, una brida típica puede tener 20 milímetros de ancho o más. Para la soldadura láser, la brida puede tener menos de 10 milímetros, ya que el rayo láser es muy estrecho y el proceso solo necesita acceder a un lado de la junta.

Los láseres también permiten a los fabricantes de automóviles utilizar materiales más ligeros en otras partes del vehículo. Los láseres se utilizan para soldar filtros de combustible, barras de dirección, sensores, módulos de control y componentes del tren de potencia. Para los vehículos eléctricos, los láseres están soldando las cajas de las baterías individuales, así como los compartimentos donde se almacenan las baterías.

Los láseres producen soldaduras rápidas y limpias en aluminio. La zona afectada por el calor es mínima y la penetración de la soldadura puede ser de hasta 0,25 pulgadas. La soldadura láser se puede usar incluso con materiales sensibles a las grietas, como la serie 6000 de aleaciones de aluminio, cuando se combina con un material de relleno adecuado, como el aluminio 4032 o 4047.

Varios tipos de láser son adecuados para soldar aluminio: CO2, Nd:YAG, fibra y disco. Cuál usar depende del costo, la configuración de la junta y los materiales que se van a soldar.

El TruDisk de TRUMPF es un láser de estado sólido de alta potencia para soldar, cortar y procesar superficies de metales. Con un rango de potencia de 1 a 16 kilovatios, el láser TruDisk produce una calidad de haz tan baja como 2 milímetros·milirradianes. Este láser compacto y modular ahorra energía y proporciona una potencia constante para soldar.

Gracias a un diseño de resonador patentado, el TruDisk puede manejar incluso fuertes retrorreflexiones. Esto permite que el láser procese materiales altamente reflectantes, como el cobre y otros metales no ferrosos. El láser de disco no se ve afectado por condiciones ambientales adversas, como frío, calor, polvo, alta humedad o vibraciones.

El láser está disponible con dos opciones de enfriamiento: un intercambiador de calor integrado estándar o un enfriador de compresor integrado opcional, según la temperatura del suministro de agua de la planta.

Una tecnología habilitadora clave para la soldadura láser robótica de autopartes es la Óptica de enfoque programable (PFO) de TRUMPF, que posiciona el rayo láser dentro del campo de procesamiento usando dos espejos. Los espejos cambian de dirección de forma precisa y muy dinámica. La tecnología permite colocar el rayo láser en cualquier lugar dentro del campo de procesamiento. También puede guiar el rayo láser a lo largo de cualquier contorno deseado. Los sensores de proceso monitorean la superficie del material y dirigen el PFO para ajustar la trayectoria del haz.

Dado que ni la pieza de trabajo ni la óptica tienen que moverse, PFO permite un alto grado de productividad. Y, debido a la lente de campo plano, las condiciones de enfoque y, por lo tanto, la calidad del procesamiento, son idénticas en todos los puntos del campo de procesamiento.

La tecnología PFO es especialmente adecuada para soldar piezas de trabajo grandes, como puertas de vehículos.

"PFO le permite crear diferentes geometrías de soldadura y diferentes tipos de soldaduras", dice Harris. "Puede ser una soldadura de filete, una soldadura por puntos o un diseño tipo grapa. Permite mucha creatividad en el diseño de uniones soldadas, especialmente para recintos".

Gracias a los avances en la tecnología de imágenes y la potencia informática, el láser ahora se puede controlar con mayor precisión. El sistema puede hacer ajustes al proceso en tiempo real y verificar que la soldadura cumpla con los criterios preestablecidos. "Es un proceso de circuito cerrado. Recibe información de que la soldadura se está realizando correctamente", dice Harris.

El software Fastsuite Edition 2 de CENIT North America Inc. permite a los ingenieros programar y simular operaciones robóticas de soldadura por arco y soldadura por láser. El software crea programas de soldadura homogéneos, precisos y sin errores para todo, desde configuraciones de un solo robot hasta celdas de soldadura complejas, independientemente de la marca o el modelo del robot, incluidos múltiples entornos de robot con una multitud de componentes.

Los ingenieros pueden importar datos desde cualquier sistema CAD, incluidos STEP, IGES y JT, interfaces directas integradas a CATIA, NX y SolidWorks. Las definiciones de líneas de soldadura se pueden crear directamente a partir de datos CAD en 3D, incluidos los movimientos automáticos de aproximación y retracción. Los parámetros del proceso, como las compensaciones de la línea de soldadura y la distancia de la pistola a la pieza, se ajustan fácilmente a través de una interfaz fácil de usar. Los ingenieros pueden seleccionar una "especificación de procedimiento de soldadura" de una base de datos personalizable de parámetros de soldadura aprobados.

El software también permite el posicionamiento automático y la interpolación de ejes externos y posicionadores de piezas de trabajo.

Las actualizaciones recientes permiten a los ingenieros programar TruLaser Robot 5020 o TruLaser Weld 5000 de TRUMPF Inc., la soldadora láser FLW 4000 M3 de Amada America Inc. y otros sistemas.

Para obtener más información, llame a CENIT al 248-309-3251 o visite www.fastsuite.com.