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Tratar de reducir un atraso de pedidos abiertos en una era de escasez de talento de soldadura puede hacer que un ingeniero de soldadura se sienta como un hombre ahogándose que usa botas de cemento. Afortunadamente, los cobots pueden ser un salvavidas, incluso en aplicaciones donde ya se había descartado la automatización.

“Las fundiciones son un reto totalmente diferente en comparación con partes maquinadas o cortadas con precisión, dijo Austin Horner, ingeniero en jefe de PDU Inc., Spokane, Washington, una subsidiaria local de Travis Pattern & Foundry. “La naturaleza inherente del proceso de fundición y la remoción de compuertas y elevadores crea inconsistencias dimensionales de una parte a otra. Debido a esto, anteriormente no habíamos considerado la automatización de la soldadura. Ahora, con nuestro nuevo cobot y fijaciones asociadas, podemos soldar ocho partes en más o menos el mismo tiempo que tardábamos en soldar una parte a mano”.

El cuello de botella de la soldadura

Travis Pattern & Foundry y PDU Inc. son conocidas en todo Estados Unidos como proveedores de conectores de subestaciones eléctricas. Fundada en 1922 por Paul N. Travis, la fundición propiedad de la familia y PDU operan desde un campus de 170,000 pies cuadrados (casi 15,800 metros cuadrados) en Spokane. Las líneas de productos adicionales incluyen interruptores de desconexión, equipo de puesta a tierra portátil y sistemas de irrigación. Durante la pandemia, PDU tuvo un aumento de pedidos debido a que era una de las pocas compañías que podía entregar productos puntualmente. Sin embargo, el éxito trajo consigo problemas por el crecimiento, y la soldadura creó un cuello de botella.

Un soporte de barra típico para la línea de productos estándar de la compañía (230 KV y menos) se hace de aluminio fundido A356 que va de 3/8 a 5/8 de pulgada de espesor. El soporte tiene una base circular con un diámetro de 3–5 pulgadas, ocho agujeros para rotación y ajuste angular, y dos juegos de ganchos de aluminio o anillos para asegurar un aislante a una barra rígida.

Los ganchos o anillos se conectan a la base con un arreglo de lengüeta y ranura. Hay un espacio de ¼ de pulgada (6 mm) que llenar (parecido a una soldadura de enchufe), y la mayoría de las soldaduras van de 3 a 4 pulgadas (7.6 a 10 cm) de largo. Antes del cobot, un operador sujetaría manualmente las partes, verificaría la cuadratura, puntearía las partes, verificaría por segunda ocasión, y luego haría dos pasadas de soldadura usando un alambre de soldadura de aluminio 4043 de 3/64 de pulgada. El tiempo total de ciclo era de tres a cinco minutos por parte. Sin embargo, a ese ritmo, el atraso de pedidos abiertos seguiría creciendo.

Use sus manos

Afortunadamente para PDU, el equipo de soporte de su distribuidor en la ubicación de Spokane de OXARC estaba en el proceso de convertir a los cobots en parte de su inventario estándar. Tom Trotter, un técnico de inventario gestionado por el vendedor en OXARC, proveedor de componentes industriales y soldadura, y ex-empleado de Travis Pattern, confiaba tanto en que una nueva línea de cobots funcionaría para fundiciones que invitó a Horner para una demo inmediatamente después de haber visto una.

“La facilidad de operación simplemente hizo que se esfumara toda noción preconcebida”, dijo Trotter.

El representante de ventas independiente de OXARC Kyle James explicó que “en lugar de un control colgante para programar el cobot, los operadores usan una app intuitiva de teléfono inteligente junto con lo que se denomina un smart puck”.

Ubicado arriba de la antorcha, el smart puck tiene dos botones. Presionar el botón “move” (mover) le permite al operador mover manualmente la antorcha a su posición. Presionar el botón “teach” (enseñar) registra un punto de soldadura, el cual luego se transmite por internet y es registrado por la app.

Después de la demostración inicial, OXARC pactó una segunda demo en PDU, donde el gerente de automatización del proveedor dio un día de capacitación y soldó en las partes reales implicadas. Dos semanas después, Horner hizo un pedido.

“Los dos puntos clave de venta para el cobot fueron el tener la capacidad de usar las manos para hacer ajustes rápidos de antorcha y la facilidad de hacer cambios de programa sobre la marcha”, dijo Horner.

La solución de PDU, el Cobot de ESAB, consta de una fuente de poder de 500 A para soldadura por arco pulsado con electrodo metálico protegida con gas (GMAW), un alimentador de alambre con líneas sinérgicas programadas en fábrica, una antorcha enfriada con agua, un brazo de cobot Universal Robots UR10e, una mesa de soldadura y la app de software.

Austin Mauget es el jefe de soldadores de Travis Pattern y tiene más de 18 años de experiencia en soldadura. Dijo que “la soldadura robótica ha avanzado un largo camino con la creación del soldador cobot. El procedimiento de configuración amigable con el usuario es clave para el éxito del cobot en la producción de Travis Pattern.

Una interacción más rápida

Para crear una trayectoria de soldadura, el operador toca un icono “add new part” (agregar nueva parte) en la app y crea un nombre de parte. Luego la app despliega menús para seleccionar y establecer las variables del proceso y de la aplicación, las cuales incluyen las siguientes:

Tipo de soldadura (linear, radial, por puntos, por tramos, rotatoria)

Información requerida para establecer una línea sinérgica: proceso de soldadura (GMAW pulsado o estándar), tipo y espesor del material, tipo y diámetro del metal de relleno, y gas de protección.

Velocidad de viaje de la antorcha, compensación de proyección, tiempo de inicio de arco, tiempo de permanencia, y un patrón de hilvanado o entretejido triangular.

Después de introducir esta información, el operador usa el smart puck para registrar puntos y crear una trayectoria de soldadura.

Pueden guardarse variables sólo para una parte, o éstas pueden usarse para crear una biblioteca para especificaciones de procedimientos de soldadura usados frecuentemente. Ajustar variables es tan fácil como tocar la función “edit this part” (editar esta parte), seleccionar el punto o puntos de soldadura que se van a editar y hacer el cambio.

“Ejecutamos infinidad de pruebas para encontrar la combinación óptima de parámetros”, dijo Horner. “No podría imaginar hacer todas las interacciones que hicimos en algo más”.

Patrick Frome, ingeniero en diseño mecánico de PDU, observó que hay 48 variaciones sólo para los dos soportes de barra de mayor venta de PDU. “Sabíamos que iba a haber interacciones constantes de nuestros programas”, dijo. “Hicimos alrededor de 200 interacciones en el curso de tres meses, algo sumamente rápido en el mundo de la manufactura. Probando diferentes combinaciones de variables de cobot y soldadura, obtuvimos el mejor balance de calidad de la soldadura, consistencia y velocidad”.

Una rapidez de locura

El programa de soldadura “base” para los soportes de barra usa el proceso de GMAW pulsada, un electrodo 4043 de 1/16 de pulgada (un diámetro más grande que el que se usó anteriormente), y un patrón de entretejido para crear una soldadura de ¾ de pulgada de ancho. La velocidad de viaje es de 15 pulgadas (38 cm)/minuto.

“El tiempo total para soldar dos pasadas es de alrededor de 25 segundos, lo que es una rapidez de locura comparado con tiempos de 3 a 5 minutos por parte”, dijo Horner. “Agregar un cobot además nos da la oportunidad de revisar las fijaciones, lo cual mejora aún más nuestro proceso”.

Travis Pattern tiene un taller de máquinas completo en sitio, y Frome trabajó con ellas para crear una fijación para sujetar una sola parte. “El diseño de la fijación necesitaba ser modular para aceptar todas las configuraciones de parte sin necesidad de herramental separado para cada tamaño de gancho o anillo para el soporte de barra”, dijo Frome. “La fijación también necesitaba adaptarse al movimiento natural del operador para facilidad de uso y menor tiempo de cambio”.

Los cobots son sumamente capaces de producir movimientos de manera repetida y exacta virtualmente sin alteraciones de la tolerancia. En cuanto a las partes fundidas, se sacrifica un poco de consistencia y tolerancia de una parte a otra.

“No puede haber inconsistencias en cómo se presenta la parte al cobot”, observó Frome. “Con las funciones, cada parte tiene una tolerancia ligeramente diferente en comparación con la pieza maestra. Sin embargo, tenemos una tolerancia constante en la sujeción en sí. Entonces, diseñé la fijación para sujetar la parte del soporte de barra que ofrece las dimensiones más consistentes.

Con una fijación que sujeta una sola parte, el cobot redujo el tiempo de ciclo a 90 segundos, con respecto a un tiempo entre tres y cinco minutos.

“En los primeros cuatro meses desde que el cobot fue entregado, PDU recortó 16% su tasa de pedidos abiertos y está ganando terreno cada día”, dijo Horner. “En noviembre de 2023, instalamos dos juegos de fijaciones que sujetaban ocho partes. Tenemos una segunda mesa, por lo que el operador puede descargar partes en un lado mientras que el cobot suelda en el otro. El tiempo de producción para ocho partes en la nueva fijación es 5 minutos continuos y sin tiempo improductivo”.

Con un aumento en la productividad de la soldadura de 500% o más, la tasa de pedidos abiertos en los soportes de barra más vendidos pronto será un problema del pasado. Para una mayor mejora, PDU cambió de carretes de 12 pulgadas de diámetro de alambre de 3/64 de pulgada a tambos de 311 libras (141 kilogramos).

“Los operadores anteriormente se acababan un carrete al día”, dijo Horner. “Cambiar a tambos ha estado funcionando muy bien, ahorrándonos 15-20 minutos de cambio al día”.

El tiempo productivo agregado equivale a producir 24-30 soportes de barra más por día. Además, el alambre de 1/16 de pulgada de diámetro mejora la facilidad de alimentación y llena la unión más rápido (una característica que ayuda a mitigar los problemas por entrada de calor), y cuesta menos por libra.

Selección de un operador

Para operar el cobot, Horner y Frome seleccionaron a Ernest Hayward. Aun cuando él no tenía experiencia en soldadura, es un empleado de mucho tiempo de la compañía que trabajó en empacado y anteriormente tenía experiencia en verter fundiciones para el departamento de moldes permanentes. Debido a que sabe cómo evaluar fundiciones y soportes de barra terminados, actúa como una compuerta importante de control de calidad.

“Al principio tuve mis dudas, pero estaba equivocado”, dijo Hayward. “Quedé sorprendido por la facilidad de uso al operar el cobot. Desde que acepté el puesto de operador, he avanzado más en mi comprensión y en mi relación con la soldadura, lo que agrega una importante ventaja a mi conjunto de destrezas”.

“Cuando contemplamos la automatización, nuestra meta principal era acelerar la producción, pero también queríamos quitar esta parte sencilla y repetitiva de las placas de nuestros soldadores, dijo Horner. “Nuestros productos de voltaje más alto son más intrincados y requieren más tiempo”, dijo Mauget. Agregar un cobot dejó libres a nuestros tres operadores de soldadura para trabajar en proyectos de más valor, y creó una nueva oportunidad de trabajo para Ernest”.

“Concluyo que el cobot de ESAB puede ser sumamente eficiente en un ambiente de producción”, dijo Mauget. Su configuración amigable con el usuario le permite ser operado por un trabajador que nunca ha soldado antes. Puede ser configurado en minutos con poca capacitación y ponerlo a producir soldaduras satisfactorias”.

DAN COLVIN (dan.colvin@esab.com) es vicepresidente de soluciones digitales y robóticas de ESAB, North Bethesda, Maryland.