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Dec 29, 2023

Nuevas tecnologías para la soldadura de pernos

La nueva soldadora de espárragos de descarga de capacitor CD110 de Image Industries suelda espárragos

La nueva soldadora de espárragos de descarga de capacitor CD110 de Image Industries suelda espárragos en tan solo 0,01 segundos. El tiempo de carga es inferior a 3 segundos. Foto cortesía de Image Industries Inc.

La nueva soldadora de descarga de capacitores NCD+ 3200 de Nelson Stud Welding está controlada por un microprocesador. Puede soldar espárragos de hasta 3/8 de pulgada de diámetro en acero, acero inoxidable, aluminio, cobre y latón. Foto cortesía de Nelson Stud Welding Inc.

Los espárragos roscados son los sujetadores más comunes para la soldadura de espárragos, pero la tecnología también se puede usar para unir pasadores, lengüetas, ganchos, bucles, soportes y accesorios hidráulicos. Foto cortesía de Image Industries Inc.

El nuevo KSE 1000s de Nelson Stud Welding es un cabezal de soldadura servoaccionado para aplicaciones automatizadas de soldadura de pernos con arco estirado. Foto cortesía de Nelson Stud Welding Inc.

Un robot puede soldar múltiples espárragos por minuto, según el tamaño y los materiales del sujetador. Nelson Stud Welding está trabajando en una nueva tecnología que podría soldar 20 pernos por minuto. Foto cortesía de Nelson Stud Welding Inc.

La soldadura de espárragos tiene numerosas aplicaciones en la industria automotriz. Foto cortesía de Boehm Pressed Steel

La soldadura de espárragos se automatiza fácilmente. En esta celda, los robots presentan las piezas a los soldadores estacionarios. Sin embargo, las pistolas de soldar también se pueden montar en un robot. Foto cortesía de The Roueche Co. LLC

Para aplicaciones automatizadas, los espárragos se pueden alimentar desde un recipiente vibratorio y soplar a la pistola de soldadura a través de una manguera neumática. Foto cortesía de Solysol.

En estos días, los fabricantes de todo tipo se están acercando a su consumo de energía como una fuente potencial de ahorro de costos, incluso los fabricantes de los productos más grandes y caros del mundo.

El Bath Iron Works de General Dynamics en Bath, Maine, construye destructores y otros buques de guerra para la Marina de los EE. UU. Aunque un destructor puede costar más de $ 640 millones, eso no impidió que el gigante de la defensa examinara el costo de instalar una de las piezas más pequeñas y de menor tecnología en el barco: los pernos, pasadores, soportes y otros sujetadores soldados a marcos, paredes y mamparas.

Un barco de la Armada puede contener millones de estos sujetadores soldados. Por lo tanto, hace algunos años, General Dynamics y su compañero constructor naval Huntington Ingalls Industries Inc. se asociaron con Nelson Stud Welding Inc. para cuantificar cuánta energía podrían ahorrar al cambiar su viejo equipo de soldadura de pernos por modelos más nuevos y más eficientes energéticamente. Sus resultados, publicados en mayo de 2012, fueron sorprendentes.

Específicamente, el estudio comparó modelos más nuevos de soldadoras de espárragos de arco estirado (equipadas con fuentes de energía inversoras) con modelos más antiguos (equipadas con cajas de temporizador o tecnología de transformador-rectificador). El estudio también comparó los modelos más nuevos de soldadoras de espárragos de descarga de capacitores (equipadas con fuentes de alimentación conmutadas) con modelos más antiguos (equipadas con tecnología de transformador-rectificador). El equipo fue probado tanto en un ambiente de laboratorio controlado como en varios astilleros.

Los investigadores descubrieron que, debido a su bajo ciclo de trabajo, las soldadoras de pernos consumen la mayor cantidad de energía cuando están inactivas. Por el contrario, los equipos más nuevos consumen de 20 a 24 veces menos energía en reposo. Los investigadores estimaron que se podrían ahorrar de $842 a $1013 por fuente de energía por año, o de $0,128 a $0,154 por espárrago, si se reemplazara su antigua tecnología de soldadura de espárragos. Al actualizar 700 soldadores de pernos antiguos con modelos más nuevos, los constructores navales podrían ahorrar, en conjunto, entre $589 000 y $708 000 al año. (Para descargar el informe, haga clic aquí: http://bit.ly/1nCqtSp.)

La soldadura de espárragos es un proceso mediante el cual un espárrago de metal se une a una pieza de trabajo de metal calentando ambas partes con un arco eléctrico. La pieza de trabajo solo debe ser accesible desde un lado.

Se puede soldar una variedad de sujetadores con este método, incluidos espárragos roscados, pasadores, lengüetas, casquillos roscados, ganchos, bucles, soportes, accesorios hidráulicos y herrajes especiales adaptados a una tarea específica, como asegurar mangueras o arneses de cables.

La tecnología se utiliza en innumerables industrias y aplicaciones. En la industria automotriz, por ejemplo, se usa en escudos térmicos, conjuntos de dirección asistida, sistemas de escape y otros componentes. También se usa en ensamblajes aeroespaciales, tractores, lavavajillas comerciales, muebles de oficina, acondicionadores de aire, parrillas para barbacoa y utensilios de cocina.

Hay dos tecnologías básicas para la soldadura de espárragos: arco estirado y descarga de capacitor.

La técnica de arco dibujado requiere una fuente de alimentación de CC para crear el arco, una pistola de soldadura y una férula de cerámica desechable, que concentra el calor y contiene el charco de metal fundido. El espárrago se carga en el mandril de la pistola y se coloca una férula sobre el extremo. Luego se coloca la pistola contra la pieza de trabajo.

Cuando se aprieta el gatillo, la fuente de alimentación envía una señal que energiza el mecanismo de elevación interno de la pistola, levantando el perno y dibujando un arco piloto. Este arco establece un camino para la corriente de soldadura, que sigue inmediatamente después.

Después de suficiente tiempo de arco, se forma un baño de soldadura y el mecanismo de elevación se desactiva. Esto hace que el espárrago se sumerja en el metal fundido. A medida que se unen el espárrago y el metal base, el metal se enfría y se forma la soldadura. El fundente incrustado en el espárrago se vaporiza durante la operación para mantener limpia la zona de soldadura.

La técnica de descarga de condensadores requiere una pistola de soldar y un sistema de almacenamiento de condensadores para producir una descarga eléctrica rápida. No se necesitan casquillos ni fundente, pero el espárrago debe tener una proyección especial en el extremo a soldar.

Existen dos técnicas para la soldadura por descarga de condensadores: contacto y separación. En la soldadura por contacto, el espárrago se carga en la pistola y se coloca en contacto con la pieza de trabajo. Luego, la energía se descarga instantáneamente de los capacitores a través de la proyección del espárrago. La proyección se vaporiza, creando un espacio que permite formar un arco. A medida que el espárrago y la pieza de trabajo comienzan a derretirse, se unen y se produce la soldadura. En la soldadura por separación, el espárrago se coloca sobre la pieza de trabajo en lugar de sobre ella.

"La descarga del capacitor es un proceso muy rápido", explica Blake Hobson, copropietario de Image Industries Inc. "Los tiempos de soldadura oscilan entre 2 y 12 milisegundos y la profundidad de penetración en el material base es baja: 0,002 a 0,004 pulgadas.

"Con la soldadura por arco, puede tener tiempos de soldadura de 50 milisegundos a 1,5 segundos. La penetración en el material base podría ser de hasta 0,125 pulgadas.

"La descarga del capacitor es mejor para aplicaciones que requieren una apariencia cosmética. La soldadura por arco estirado es más para aplicaciones estructurales".

Tecnológicamente, los mayores cambios en la tecnología de soldadura de pernos se han producido en las fuentes de alimentación.

"Tradicionalmente, las unidades de arco dibujado han sido alimentadas por transformadores rectificadores con transformadores realmente grandes", dice Doug Phillips, director de administración de productos en Nelson Stud Welding. “Mientras la unidad está encendida, consume electricidad a un ritmo muy alto solo para mantener el transformador en funcionamiento. Y, por supuesto, consume electricidad adicional cuando está soldando.

"Ahora, las unidades de arco dibujado están disponibles con fuentes de alimentación inversoras. Estas soldadoras tienen transformadores mucho más pequeños. Conmutan la energía primaria en el transformador a una velocidad muy alta, por lo que las pérdidas del transformador solo se ven cuando la unidad está realmente soldando. Cuando la unidad no está soldando, usa muy poca energía".

Sin embargo, la tecnología inverter es más costosa. "La mayoría de los fabricantes todavía utilizan transformadores rectificadores para la soldadura de espárragos con arco estirado", reconoce Hobson. "Los inversores siguen siendo muy caros".

Además de mejores fuentes de alimentación, las mejoras en la tecnología de soldadura de pernos han sido en su mayoría incrementales. Los cabezales de soldadura servoaccionados y más livianos están facilitando las aplicaciones de soldadura automatizadas. El control por microprocesador permite a los ingenieros establecer y monitorear variables de proceso como corriente, voltaje y tiempo. Los cambios en la cantidad de energía consumida durante una soldadura podrían indicar un mal montaje.

Algunos proveedores ahora ofrecen equipos que pueden funcionar con más de una pistola de soldadura. Eso permite que una fuente de alimentación sirva a más de una estación de soldadura, o permite que una estación esté equipada con varias pistolas. Por ejemplo, una pistola podría reservarse para sujetadores de 1/4 de pulgada mientras que otra podría configurarse para sujetadores de 5/8 de pulgada. Eso ahorra tiempo de configuración.

"Cambiar un mandril es una tarea de solo 5 minutos, pero si lo hace de 10 a 15 veces al día, puede perder más de una hora de producción", señala Hobson. A

Para reducir el peso del vehículo, los fabricantes de automóviles utilizan cada vez más acero de alta aleación en los componentes de la carrocería. Debido a que el material es tan fuerte, los fabricantes de automóviles pueden salirse con la suya usando láminas muy delgadas.

Pero, lo que es bueno para reducir el peso no es tan óptimo para la soldadura de pernos. Incluso la soldadura de espárragos por descarga de condensadores alcanza sus límites con un espesor de pared de 0,5 milímetros. Incluso cuando la soldadura es viable, a menudo no es deseable por razones estéticas.

Para resolver este problema, DELO Industrial Adhesives LLC y el fabricante de sujetadores Böllhoff Inc. han desarrollado una alternativa a la soldadura para unir montantes a láminas delgadas: la unión con un adhesivo de curado UV.

Llamada ONSERT, la nueva tecnología combina un adhesivo de curado UV (un acrilato o epoxi) con un sujetador bimaterial especial. El sujetador consta de un espárrago o inserto de metal con un reborde moldeado de plástico translúcido o transparente. El plástico permite que la luz ultravioleta llegue a la línea de unión y cure el adhesivo en menos de 5 segundos.

La técnica se puede utilizar en sustratos metálicos y no metálicos, incluidos vidrio, plástico y polímero reforzado con fibra de carbono. Incluso se puede usar en metales que han recibido un tratamiento de superficie, como un recubrimiento por inmersión catódica.

Un beneficio secundario de la unión de pernos es que requiere significativamente menos energía que la soldadura. Para soldar un espárrago de 6 milímetros de diámetro a una lámina de acero zincado de 1 milímetro de espesor, un soldador puede necesitar aplicar 18 kiloamperios de corriente durante 100 milisegundos. Eso consume 3,6 kilojulios de energía.

Por el contrario, es posible que un LED necesite emitir luz ultravioleta a una longitud de onda de 400 nanómetros en la articulación durante 5 segundos. Eso consume sólo 0,6 kilojulios.

Para obtener más información, visite www.boellhoff.com/en/de/assembly_systems/adhesion_of_fasteners.php.