Geoff Lipnevicius, director de ingeniería, división de automatización
 
Desde 2004, la demanda estadounidense de acero estructural utilizado en la construcción de edificios, plantas de energía, instalaciones petroquímicas, puentes y otros proyectos ha crecido en un 25%, lo que brinda mayores oportunidades de mercado para la industria del acero estructural.

Mientras enfrentan otros desafíos, como la escasez de mano de obra calificada y el aumento de los costos de materiales y energía, los fabricantes están buscando tecnología y procesos que les brinden una ventaja competitiva para aprovechar este crecimiento. Esto incluye la búsqueda de mejoras en la productividad de la soldadura y el aprovechamiento de oportunidades que combinan equipos, consumibles, procesos de soldadura avanzados y automatización.

La automatización flexible (robots) ofrece numerosos beneficios a la industria del acero estructural: mejor calidad, productividad y flexibilidad de fabricación, y como resultado, se está volviendo cada vez más popular.

La automatización proporciona una previsibilidad mejorada de los costos de fabricación

Para la industria del acero estructural, la automatización robótica puede aumentar la previsibilidad de los costos reales. Los robots proporcionan los medios para asegurar precisión y repetibilidad y controlar estrictamente los procedimientos. En combinación con equipos de posicionamiento de alta resistencia, a menudo también proporcionan una mejor accesibilidad a las piezas.

Aunque la soldadura excesiva es común en los procesos manuales, un robot puede programarse y calificarse para brindar procedimientos rentables y repetibles que coincidan con el tamaño de soldadura correcto para la carga.

Cuando el tiempo de posicionamiento del proceso manual es un obstáculo para la fabricación grande, los diseñadores generalmente han proporcionado un bisel de un solo lado en lugar de un bisel doble para evitar una pérdida de tiempo de posicionamiento. En realidad, esto duplica la cantidad de metal de soldadura para obtener la misma garganta efectiva. La automatización robótica permite que las fabricaciones más grandes se coloquen automáticamente para facilitar el acceso y reducir el tiempo de soldadura, lo que resulta en una capacidad mejorada para reducir y controlar la tensión de contracción.

Proceso de rociado pulsado robótico para excelentes características de fusión de soldadura y depósitos de soldadura con bajo contenido de hidrógeno

Históricamente, la soldadura por arco metálico con gas (GMAW) se ha asociado con defectos de fusión incompletos en la industria del acero estructural. La transferencia de metal por pulverización pulsada (GMAW-P) aprovecha la alta energía de la transferencia de metal por pulverización axial y alterna esta corriente de alta energía (pico) con una corriente de menor energía (de fondo). Se pueden controlar muchos aspectos de la forma de onda GMAW-P, y el beneficio de la energía pulsada es que produce excelentes características de fusión de soldadura y reduce considerablemente la entrada de calor. La dinámica del pulso también permite el uso de GMAW-P para soldadura fuera de posición. La soldadura fuera de posición, junto con una menor entrada de calor, ayuda a lograr tasas de dilución más bajas, excelentes propiedades mecánicas del metal de soldadura y mejores valores de prueba de impacto Charpy.

Cuando el agrietamiento de la soldadura inducido por hidrógeno es un problema, el depósito de soldadura de hidrógeno más bajo de GMAW-P (<5 mL H (2) / 100 gramos) también es una excelente opción.

GMAW-P generalmente proporciona una transferencia de metal de mayor eficiencia (98%) para electrodos sólidos o con núcleo de metal. De manera similar, la menor entrada de calor del proceso GMAW-P puede resultar en una menor generación de humos de soldadura, lo que ayuda a cumplir con los estándares de la EPA y OSHA.

Proceso MIG en tándem sincronizado para una mayor productividad

El proceso MIG en tándem sincronizado de doble hilo sigue ganando popularidad como medio para aumentar la producción en aplicaciones de soldadura por arco automatizadas. El proceso sigue las primeras tendencias de la industria de reducir los costos de soldadura mediante el desarrollo de procesos de doble alambre para una mayor productividad. Los primeros desarrollos en soldadura de alambre múltiple se enfocaron en el proceso de arco sumergido. La disponibilidad de fuentes de energía de inversor de alta potencia ha permitido la soldadura de doble hilo utilizando los procesos GMAW y GMAW-P.

Desde la introducción del MIG en tándem a principios de la década de 1990, la base instalada estimada de sistemas de doble cable ha aumentado a más de 1.500 unidades en todo el mundo. La mayoría de los sistemas han reemplazado los procesos de un solo cable que se habían llevado al extremo superior del rango operativo utilizable en un intento por mejorar la productividad y reducir los costos al depositar la mayor cantidad de metal en el menor tiempo posible. El MIG en tándem sincronizado amplía el rango de productividad de soldadura más allá de lo que es posible con los procesos convencionales de un solo hilo.

El proceso MIG en tándem sincronizado emplea dos electrodos de alambre eléctricamente aislados colocados en línea, uno detrás del otro, en la dirección de soldadura. El primer electrodo se denomina electrodo de plomo y el segundo electrodo se denomina electrodo de pista. El espacio entre los dos alambres suele ser de menos de 3/4 ”para que ambos arcos de soldadura se entreguen a un charco de soldadura común. La función del cable conductor es generar la mayor parte de la penetración de la placa base, mientras que el cable de arrastre realiza la función de controlar el charco de soldadura para el contorno del cordón, humedecer los bordes y agregar a la tasa general de depósito de metal de soldadura.

El proceso MIG en tándem sincronizado puede, en promedio, representar un aumento del 30-80% en el potencial de deposición en comparación con los procesos convencionales de un solo cable.

GMAW en tándem sincronizado disfruta de un uso ampliado en la fabricación de vigas en el segmento de la industria costa afuera por varias razones rentables, incluidas tasas de deposición más altas, velocidades de desplazamiento más rápidas, menor entrada de calor y distorsión reducida. El depósito de hidrógeno inferior lo convierte en una opción principal para su uso en aceros de alta resistencia de baja aleación o de procesamiento controlado termomecánico (TMCP). Y su uso en soldaduras de penetración completa y la unión de la red a la brida elimina la necesidad de operaciones de desbaste.

Los componentes del sistema especificados dependen del nivel de automatización. La entrega automática de vigas laterales, los tractores, los sidecares y los bichos de soldadura están involucrados. En algunos casos, el uso de la automatización de soldadura robótica, que sigue y suelda la red a las conexiones de la brida para la fabricación de vigas, es bastante viable.

Ventajas de productividad de arco sumergido de CA / CC aplicadas a la robótica / automatización

La soldadura por arco sumergido (SAW) que combina las ventajas de la soldadura SAW de CA y CC no era posible hasta hace unos años. Esta tecnología ahora se aplica cada vez más a las aplicaciones de automatización de acero estructural.

La última tecnología proporciona control sobre la relación de amplitud positiva a negativa, así como la cantidad de tiempo empleado en cada polaridad. El factor limitante para la soldadura SAW AC es que lleva demasiado tiempo pasar del electrodo positivo (EP) al electrodo negativo (EN). Este retraso puede causar inestabilidad del arco, problemas de penetración y deposición en ciertas aplicaciones estructurales. AC / DC SAW resuelve este problema controlando la amplitud y la frecuencia, lo que permite que el proceso automatizado aproveche al máximo la reducción del soplo de arco experimentado con CA, mientras mantiene las ventajas de penetración de CC positiva y la ventajosa tasa de deposición de CC negativa. Con estos controles, se cambia la forma de la onda de salida y, a su vez, se controlan las características de soldadura. Con la soldadura por arco sumergido CA / CC, obtiene lo mejor de ambos mundos: la velocidad, la tasa de deposición y la penetración que ofrece DC SAW y la resistencia al arco eléctrico que ofrece AC SAW.

Tendencias de inspección / inteligencia de robots

La visión se está convirtiendo en un componente cada vez más importante de muchas oportunidades de automatización en la industria del acero estructural, y la integración de la visión a la robótica se ha hecho más fácil y rentable en los últimos años.

Los robots pueden usar un sensor de visión para "ver" la ubicación y orientación de las piezas, examinar y verificar el ajuste de las piezas, encontrar características antes de la soldadura, medir la posición de la junta, detectar lo que está sucediendo antes del arco, proporcionar información real. seguimiento de la costura en el tiempo y cambios de señal en los parámetros de proceso definidos por el usuario mediante el control de parámetros adaptativos. Los sistemas de visión láser también se utilizan comúnmente para la gestión de secuencias de soldadura de múltiples pasadas (algunas plataformas costa afuera requieren hasta 70 pasadas) y también se pueden usar para la prueba de errores.

La prueba de errores en la automatización se relaciona con la capacidad de un sistema para prevenir un error en un proceso o detectarlo antes de que se puedan realizar más operaciones. La prueba de errores se puede realizar en cada soldadura en un proceso o para monitorear soldaduras críticas de un proceso.

El equipo de tecnología avanzada proporciona monitoreo de producción

Los robots están integrando cada vez más la tecnología digital en equipos de soldadura en red y traen datos desde la fábrica al ámbito empresarial. El monitoreo de producción permite configurar cualquier fuente de energía en red para que los datos de soldadura se puedan monitorear, los archivos se puedan almacenar y compartir, las tareas de producción se puedan monitorear, los límites y tolerancias de soldadura se puedan establecer, el inventario de consumibles se pueda rastrear, las fallas de la máquina de soldar registrarse y enviarse por correo electrónico, y la resolución de problemas de diagnóstico se puede realizar de forma remota.

Conclusión

Hay muchas oportunidades nuevas para capitalizar la tecnología para identificar enfoques de ahorro de costos para el diseño y la construcción de proyectos. Si está soldando manualmente, considere la automatización para mejorar su proceso.

La soldadura robótica ayuda a ConXtech a automatizar la construcción de acero estructural

En el otoño de 2000, Robert J. Simmons, un veterano de 30 años en la industria del acero estructural, desarrolló un concepto para construir estructuras residenciales de mediana altura utilizando un sistema de marcos espaciales de momento de acero. A partir de este concepto, Simmons fundó ConXtech, una empresa que completa todo su trabajo de fabricación internamente y luego simplemente ensambla los componentes de la columna y la viga en el sitio de construcción atornillándolos en su lugar.

A diferencia de la construcción típica de acero estructural, que generalmente toma de siete a ocho meses usando métodos tradicionales, el sistema de marco de espacio de momento de acero permite a ConXtech reducir el tiempo de montaje de acero estructural a menos de dos semanas.

Los sistemas de soldadura robótica utilizados en el taller de ConXtech en Hayward, California, son un factor crítico para el éxito de la empresa. En comparación con las operaciones de soldadura semiautomáticas anteriores de ConXtech, el sistema robótico ofrece velocidades de desplazamiento más rápidas, altas tasas de deposición y soldaduras acabadas de calidad superior.

Cuando se suelda semiautomáticamente, se tarda 40 minutos en soldar una pieza de collar a una viga. Debido a que hay dos extremos para cada viga, esto equivale a una hora y veinte minutos de soldadura por viga. Con el sistema robótico, la celda puede soldar piezas de collar en ambos extremos en solo cinco minutos y treinta segundos.

Las vigas, compuestas de acero estructural A992, se unen a las piezas del collar A572 Grado 50. La placa requiere el uso de soldaduras de penetración total en las bridas superior e inferior y soldaduras de filete en el alma de la viga y la parte posterior de las bridas. Las 24 pulgadas de soldaduras de penetración total en cada viga se realizan en cuatro pasadas, mientras que las 64 pulgadas de soldaduras de filete se completan en una sola pasada. Los proyectos de soldadura anteriores incluyen soldadura según la disposición sísmica AISC, así como aplicaciones sujetas a las pautas de FEMA 353.

Contratista estructural galardonado con el trabajo de Grand Canyon Skywalk basado en tecnología de arco sumergido de CA / CC

Suspendida a 4000 pies sobre el río Colorado, una nueva pasarela en forma de herradura se extiende 65 pies desde el borde del acantilado del borde occidental del Gran Cañón. El piso de vidrio y las paredes laterales aseguran palpitaciones del corazón a cualquiera que esté vagamente preocupado por las alturas.

Antes de que comenzara el proyecto en 2004, Mark Steel Corp. de Salt Lake City presentó una oferta por el trabajo de fabricación sabiendo que la competencia sería feroz. Sin embargo, los ingenieros del taller de estructuras de acero y chapa gruesa necesitaban acelerar la productividad en su configuración de arco sumergido existente para cumplir con el apretado calendario del proyecto. Mark Steel había estado usando una configuración de arco sumergido de CC para trabajos de ese alcance con resultados típicos. Al descubrir la Power Wave® AC / DC 1000 de The Lincoln Electric Company, el fabricante más grande de Utah descubrió que una configuración de arco en tándem, una en CA y otra en CC, podría aumentar su productividad al soldar más de un millón de libras de acero para Skywalk.

La propia herradura principal se formó a partir de dos vigas de caja de acero al carbono A572 grado 50. La fabricación se realiza de acuerdo con el Código de soldadura estructural de AWS D1.1. Las secciones de la viga tienen 2 pulgadas de grosor, 6 pies de largo y 2,5 pies de ancho. Se enviaron en secciones de 40 pies y se ensamblaron en el sitio. Al soldar las vigas de caja, las ganancias de productividad fueron capturadas principalmente por los arcos sumergidos en tándem.

Las velocidades de deposición aumentaron de alrededor de 28 libras por hora con el DC solitario configurado a alrededor de 55 libras por hora, usando alambre de 3/16 en dos arcos. Esto resultó particularmente útil para algunas de las soldaduras más largas, que corrían de 38 a 40 pies consecutivos. Las pruebas ultrasónicas revelaron que la tasa de rechazo de soldadura del proyecto era inferior al dos por ciento.

Los fabricantes de talleres habían biselado típicamente material de este tamaño 30 grados en cada borde para formar un bisel combinado de 60 grados en la junta. Ahora, con una mayor capacidad de penetración, los biseles se han reducido a 22,5 grados en cada borde para formar una cuña total de 45 grados. Este espacio más estrecho permitió reducir el tiempo de preparación y esmerilado con menos metal de soldadura requerido por pulgada de soldadura. En general, Mark Steel experimentó un aumento de productividad del 25-30% y la correspondiente reducción en el costo de los consumibles. La compañía también logró una reducción del 10-15% en los costos eléctricos utilizando el equipo basado en inversores.

El Grand Canyon Skywalk es ahora la estructura artificial más alta del mundo, construida con más de un millón de libras de acero. Fue diseñado para resistir un terremoto de magnitud 8.0 a 50 millas de distancia. Está equipado con tres placas de acero oscilantes, cada una de 3.200 libras, dentro de las vigas huecas del puente que actúan como amortiguadores. Se mueven hacia arriba y hacia abajo para neutralizar las vibraciones del tráfico peatonal y las ráfagas de viento. Colocado sobre las vigas de la caja, la pasarela en sí está construida de vidrio reforzado con calor de 3 ”de espesor.