Welding Journal en Espanol

Los fabricantes especifican requisitos de manera rutinaria tales como corriente, fuerza, profundidad de garganta y carrera del electrodo para sus máquinas de soldadura por resistencia. Sin embargo, los requisitos de rendimiento dinámico que se necesitan para producir soldaduras consistentes y de alta calidad de manera repetida a menudo se descuidan. La fricción estática y cinética del cilindro hidráulico son algunos de estos parámetros críticos. Los valores excesivos expresados como un porcentaje de la fuerza operativa del proceso de soldadura pueden dejar a un fabricante con expulsiones elevadas y variabilidad de la soldadura durante la vida útil de la instalación. 

Un examen de la física que rige el proceso de soldadura revela cómo la fricción estática alta, que da como resultado una fuerza de arranque excesiva de la cortina, y las variaciones en la fricción cinética a medida que la cortina mueve, son responsables de una respuesta de movimiento inconsistente y errática de la cortina durante cada soldadura y de una soldadura a otra. Esta respuesta inconsistente de la cortina da como resultado, por lo tanto, un rendimiento de soldadura inconsistente.

Obtener la densidad de corriente adecuada

La concentración de corriente (es decir, la densidad de corriente) a través del material que se está soldando, no la corriente real programada por el control de soldadura, es responsable de elevar la temperatura del material soldado.

La transferencia de calor es proporcional a la diferencia de temperatura. La diferencia entre la temperatura de la soldadura que se está formando y el entorno circundante aumenta a medida que la temperatura del material aumenta durante la formación de la pepita. Esto hace que un porcentaje cada vez mayor del calor generado por la corriente que fluye a través del material se conduzca a través del material circundante y a través de los electrodos, que normalmente están refrigerados por agua, lo que deja menos calor restante en el sitio real de la pepita que se está formando. Debido a que hay menos calor neto restante en el sitio de la soldadura, la concentración de calor, que es responsable de la tasa de aumento de la temperatura, también se reduce. El resultado es que la tasa de aumento de la temperatura del material se hace más lenta a medida que aumenta la temperatura. Una vez que la diferencia de temperatura entre el material y el entorno circundante hace que el 100% del calor generado por el control se conduzca a través de los electrodos y el material circundante, la soldadura que se está formando no aumentará su temperatura, sin importar cuánto tiempo adicional se aplique el mismo calor.

Definimos la formación de la soldadura como un estado de equilibrio térmico dinámico una vez que se alcanza esta condición. Se debe aplicar la densidad de corriente correcta para lograr el tamaño de soldadura deseado en o antes de alcanzar este estado de equilibrio térmico dinámico.

Dado que el control generalmente programa la corriente (amperios), no la densidad de corriente (unidades MKS de amperios por m2), la entrega de la densidad de corriente correcta depende de la coordinación adecuada de la corriente programada con el área de contacto de la cara del electrodo contra la superficie de la pieza.

Una vez que se establecen dichos parámetros, cualquier cambio en el área de contacto del electrodo cambiará el equilibrio térmico de toda la soldadura. Si el área de contacto aumenta, la densidad de corriente disminuye, lo que da como resultado una temperatura final más baja para la soldadura. Por el contrario, si el área de contacto disminuye, la densidad de corriente aumenta. Esto puede aumentar la tasa de aumento de temperatura en una cantidad demasiado grande para mantener la estabilidad mecánica y provocar la expulsión.

A continuación, es importante reconocer una relación coordinada entre el área de contacto del electrodo contra la superficie de la pieza y la fuerza aplicada al electrodo. Un aumento en la fuerza del electrodo aumenta el área de contacto efectiva del electrodo contra la superficie de la pieza, y una disminución en la fuerza del electrodo la disminuye. Si se producen cambios inconsistentes y repentinos en la fuerza del electrodo durante la soldadura y de una soldadura a la siguiente, habrá cambios inconsistentes y repentinos en el área de contacto efectiva de los electrodos contra las superficies de la pieza. Esto provoca cambios inconsistentes y repentinos en la densidad de corriente, lo que provoca cambios inconsistentes y repentinos en la tasa de aumento de temperatura del material, lo que resulta en variabilidad de la soldadura.

Explicación de la expansión térmica

Para comprender por qué es importante que una máquina tenga una cortina de movimiento suave, es necesario conocer la expansión térmica. El material que se calienta se expande instantáneamente en relación con el aumento de su temperatura (es decir, la pieza se vuelve más gruesa). A medida que la pieza se enfría y la temperatura disminuye, se contrae (se vuelve más delgada). Este cambio en el espesor del material se produce instantáneamente en relación con la distribución instantánea de la temperatura a través del eje del material que se está soldando. La pieza que se está soldando se vuelve más gruesa durante la formación de la pepita a medida que aumenta la temperatura y se vuelve más delgada durante el enfriamiento a medida que la temperatura disminuye.

Durante una soldadura típica, el espesor combinado del material puede crecer más del 10 % a medida que aumenta la temperatura y se forma una pepita. La figura 1 muestra los datos registrados durante la producción de una soldadura por puntos en un material con un espesor de pieza de trabajo combinado de 34,53 milésimas de pulgada. La curva naranja documenta que la soldadura se realizó con 6000 A de corriente programada aplicada durante 60 ms. La curva verde representa el cambio de espesor del material que se produjo durante la formación de la soldadura, tanto durante el calentamiento cuando la corriente estaba encendida como durante el enfriamiento cuando la corriente estaba apagada. Esta medida se conoce comúnmente como expansión térmica. Es una medida que responde a la temperatura promedio instantánea a través del eje del material que se está soldando.

El espesor del material aumenta durante la aplicación de la corriente. La tasa de aumento es mayor al principio de la formación de la soldadura y se vuelve menor a medida que avanza la soldadura. A los 60 ms de calor aplicado, la pieza había crecido en espesor (se había expandido) en 4,606 milésimas de pulgada. Por lo tanto, el material que tenía un espesor de 34,53 milésimas de pulgada antes del primer milisegundo de calor aplicado pasó a tener un espesor de 39,136 milésimas de pulgada 60 ms después, una vez completada la formación de la pepita. Durante un período de 60 ms, el espesor de la pieza aumentó en más del 13 %. Luego, al finalizar el calor, el espesor del material se redujo a medida que la pieza se enfrió.

Cómo evitar expulsiones con una cortina de baja fricción y una fuerza de arranque adecuada

La producción de una soldadura sin expulsión depende de la capacidad de la fuerza aplicada por los electrodos para evitar que el material fundido se escape del lugar de la formación de la pepita. La distribución de la fuerza de la parte de los electrodos en contacto con las superficies de la pieza forma un campo de fuerza generado mecánicamente alrededor del perímetro del lugar de la soldadura. Este es responsable de contener la pepita fundida a medida que se forma la soldadura. Cualquier perturbación mecánica durante este tiempo reduce la integridad del campo de contención de la fuerza. Una ruptura completa en cualquier parte del campo de contención durante la formación de la pepita, incluso por un momento, provocará la expulsión. Cuanto más grave sea la ruptura, más grave será la expulsión.

Por lo tanto, para minimizar las perturbaciones externas en las superficies de los electrodos contra la pieza, es necesario tener una cortina de baja fricción que no varíe con las distancias o la velocidad que debe recorrer para adaptarse al material que se expande y contrae térmicamente. La rigidez del brazo inferior debe ser tal que la deflexión correspondiente a la fuerza necesaria para mover la cortina (fuerza de arranque) sea un pequeño porcentaje de la cantidad total que el material se expande térmicamente durante la soldadura. Cualquier cambio repentino en la fricción de la cortina mientras la soldadura está en progreso se traducirá en una perturbación física de los electrodos contra las superficies de la pieza, poniendo en riesgo su capacidad para contener la pepita fundida. Para minimizar las perturbaciones es necesario una fuerza de arranque baja. Un cambio de fuerza de arranque que sea un porcentaje demasiado alto de la fuerza operativa del proceso de soldadura puede excitar resonancias en la máquina e interferir con la capacidad de los electrodos para contener la pepita fundida, lo que resulta en expulsiones frecuentes.

Cuando el conjunto cilindro/cortina de la máquina tiene una fuerza de arranque excesiva, a medida que la pieza comienza a expandirse térmicamente, la cortina permanece estacionaria. En cambio, el brazo inferior fijo de la máquina de soldar se desvía. Esto hace que la fuerza del electrodo aumente, lo que aumenta el área de contacto efectiva del electrodo contra la pieza, reduciendo así la densidad de corriente y la velocidad de aumento de la temperatura de la soldadura.

Cuanto más rígido sea el brazo inferior, mayor será la velocidad de aumento de la fuerza. Por otro lado, un brazo inferior menos rígido hace que el electrodo sea más susceptible a perturbaciones mecánicas, que pueden variar el área de superficie del electrodo en contacto con la pieza y posiblemente hacer que patine sobre la superficie de la pieza. Ambos son perjudiciales para la estabilidad del proceso de soldadura. A medida que la pieza continúa expandiéndose térmicamente y la fuerza continúa aumentando, se acumula un exceso de energía potencial en el brazo inferior deflector. La cortina comienza a moverse una vez que la fuerza aumenta lo suficiente como para superar su fuerza de ruptura. Como se requiere menos fuerza para mantener a la cortina en movimiento, la rápida disminución de la fuerza se traduce en una rápida reducción de la desviación del brazo inferior. Cuando esto sucede, la energía potencial liberada del brazo inferior se convierte en energía cinética que contribuye a acelerar a la cortina hacia arriba. Esto crea una perturbación en los electrodos contra la pieza que reduce la estabilidad del proceso y aumenta la susceptibilidad de la soldadura a expulsarse. La perturbación de este cambio de paso en la fuerza también puede vibrar y excitar las resonancias naturales de la máquina, reduciendo aún más la estabilidad del proceso.

Se sabe por la teoría de transferencia de calor que, cuando se presentan parámetros eléctricos y mecánicos uniformes, la tasa de aumento de temperatura, y por lo tanto la tasa de expansión térmica, siempre se reducirá progresivamente más adelante en la formación de la soldadura a medida que aumenta la temperatura general. Por lo tanto, cuando la respuesta de la cortina coincide con el patrón de aumento de temperatura de la soldadura, como se muestra en la Figura 1, proporciona una confirmación documentada de que la cortina se está moviendo con suavidad constante a lo largo de la formación de la soldadura. A medida que se forma la pepita, cualquier desviación que resulte en una mayor tasa de movimiento de la cortina más adelante en la soldadura, que la que ocurre al principio de la soldadura, es una indicación inmediata de que la fuerza requerida para mantener a la cortina en movimiento carece de uniformidad.

Las trazas de soldadura en la Figura 2 documentan que el movimiento de esta cortina tiene una fuerza inconsistente a lo largo de la duración de una soldadura y carece de uniformidad de una soldadura a otra. Comparar las formas anormales de las curvas de la Fig. 2 con la forma que se muestra en la Fig. 1 proporciona una manera fácil de identificar la respuesta inconsistente de la cortina.

Conclusión

Las fuentes mecánicas de un rendimiento de soldadura inconsistente se pueden reducir utilizando una máquina de soldadura por resistencia que tenga una respuesta mecánica de la cortina consistente. La mejor cortina tendrá baja fricción para minimizar la deflexión del brazo inferior y la posible acumulación de energía necesaria para hacer que la cortina se mueva en relación con la parte que se expande y contrae térmicamente. Y no requiere más fuerza para ponerlo en movimiento que para mantenerlo en movimiento. Como beneficio adicional, comparar el patrón de movimiento real de la cortina con el patrón de aumento de temperatura esperado del material proporciona un método eficaz para garantizar la consistencia de la cortina y también se puede utilizar para evaluar el tamaño y la resistencia de las soldaduras reales producidas.

Trabajos consultados

1. Nied, H. A. 1984. The Finite Element Modeling of the Resistance Welding Process. Welding Journal 63(4): 123-s to 132-s.
2. Cohen, R. K. 2024. WeldComputer Masterclass in Resistance Welding.

ROBERT COHEN (info@weldcomputer.com) es director ejecutivo de WeldComputer Corp., Troy, N.Y. También es miembro del Comité C1 de AWS sobre soldadura por resistencia, del Comité J1 sobre equipos de soldadura por resistencia y del Subcomité D17D sobre soldadura por resistencia en aeronaves y Industrias aeroespaciales.