UNA NUEVA CONCEPCIÓN DE LOS MÉTODOS DE APLICACIÓN PARA LA CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA SOLDADURA BASADO EN LOS CONCEPTOS DE DE AUTOMATIZACIÓN AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL Ivanilza Felizardo1, Alexandre Queiroz Bracarense2 (1)
[email protected]; CEFET-MG/DEMAT – Departamento de Engenharia de Materiais; Centro
[email protected]; CEFET-MG/DEMAT Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil.
(2)
[email protected]; UFMG/DEMEC/LRSS – Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Engenharia Mecânica, Laboratório de Soldagem, Robótica e Simulação, Belo Horizonte, MG, Brasil.
Resumen Ese trabajo propone una reformulación de los conceptos y métodos de aplicación que clasifican los procesos de soldadura, debido a que de acuerdo con la clasificación actual, una soldadura semi-automática posee un número de tareas de responsabilidades humanas mayores que la soldadura mecanizada. Con el perfeccionamiento de la tecnología y de los conceptos de automatización y control, los cuales buscan minimizar la interferencia humana durante la realización del proceso, no es coherente que un proceso clasificado como mecanizado tenga un número mayor de variables controladas por la máquina que un proceso semi-automático.
1. Introducción La clasificación de los procesos de soldadura, de acuerdo con a American National Standard [1], se basa en la variación del grado de control de las actividades relacionadas a la soldadura que dependen de la interferencia humana y son clasificados en manual, semi-automática, mecanizada, automática, robotizada y con control adaptativo. Esa clasificación puede ser mejor comprendida cuándo se establece el agente ejecutor de las actividades involucradas al realizar una soldadura ha arco eléctrico [2], Tabla 1. Soldadura manual: soldadura con porta-electrodo sujetada y manipulada por las manos del humano – todas las tareas hechas por y bajo la responsabilidad del soldador. Soldadura semi-automatizada: soldadura manual con equipo que controla automáticamente una o más condiciones de soldadura – soldador manipula la antorcha para realizar una soldadura mientras el alambre es automáticamente alimentado por la máquina. Soldadura mecanizada: soldadura con equipo que requiere ajustes manuales en su control, como respuesta a la observación visual de la soldadura, con antorcha/portaelectrodo sujetada por un dispositivo mecánico – la intervención del soldador consiste en ajustar los controles del equipo en función de la observación visual de la operación. Soldadura automatizada: soldadura con equipo que requiere solamente observación ocasional o ninguna observación del proceso y ningún ajuste manual en los controles
del equipo – el envolvimiento del soldador es limitado a activar la máquina para iniciar el ciclo y observar la soldadura bajo una base intermitente. Soldadura robotizada: soldadura que es ejecutada y controlada por un equipo robótico – tanto en la soldadura robotizada cuanto en la automatizada, el operador tiene un papel activo en el control de la cualidad de la soldadura por medio de identificación de discontinuidades en la soldadura. Cuando ésas son encontradas, acciones de mantenimiento y programación son tomas para corregir tales problemas. Soldadura con control adaptativo: equipo que posee un sistema de control que automáticamente determina cambios en las condiciones de soldadura y actúa sobre el equipo para que la acción apropiada sea ejecutada – sensores son utilizados para detectar problemas y el control realiza los cambios necesarios en los parámetros de soldadura en tiempo real, para producir soldaduras de calidad. Así, la soldadura es ejecutada y controlada sin la intervención o supervisión del operador. Tabla 1. Método de aplicación de los procesos de soldadura [3]. Método de Aplicación
Actividades Abertura e mantenimiento do arco eléctrico Alimentación del alambre electrodo Control del calor para obtener penetración Movimiento del arco a lo largo de la junta Guiar el arco a lo largo de la junta nipular la antorcha para direccionar o arco Corregir o arco p/ compensar desvíos
Manual
Semiautomático
Mecanizado
Automático
Robotizado
Controle Adaptativo
Humano
Máquina
Máquina
Máquina
Máquina (sensor)
Máquina (Robó)
Humano
Máquina
Máquina
Máquina
Máquina
Máquina Máquina (Robó con sensor)
Humano
Humano
Máquina
Máquina
Máquina (sensor)
Humano
Humano
Máquina
Máquina
Máquina (sensor)
Máquina (Robó)
Máquina (sensor)
Máquina (Robó con sensor)
Humano
Humano
Humano
Máquina (vía riel pré programada)
Humano
Humano
Humano
Máquina
Máquina (sensor)
Máquina (Robó)
No ocurre
Máquina (sensor)
Máquina (Robó con sensor)
Humano
Humano
Humano
De acuerdo con la clasificación presentada, el proceso de soldadura con electrodo revestido es manual, visto que el soldador es responsable por la ejecución de todas las actividades. Ya el proceso de soldadura con protección gaseosa y electrodo
consumible, comúnmente conocido por MIG/MAG o GMAW, es semi-automático. Esa clasificación se basa en que la apertura y estabilidad del arco eléctrico y la alimentación del alambre son ejecutadas por las máquinas, mientras que el desplazamiento de la antorcha queda bajo la responsabilidad del soldador. Cuando ese desplazamiento es realizado por un dispositivo mecánico, el proceso pasa a ser clasificado como mecanizado. En manufactura, el término automatización significa que algunas o todas las funciones o pasos de una operación son ejecutados y controlados, en secuencia, por medios mecánicos e electrónicos. La automatización involucra más que equipos o control por computadora y puede o no incluir la carga y descarga del componente de la operación. La automatización puede ser parcial, con ciertas funciones o pasos ejecutados manualmente (automatización parcial), o puede ser total, significando que todas las funciones o pasos son ejecutados por el equipo, en una cierta secuencia, sin cualquier ajuste hecho por el operador (automatización total) [4]. Un equipo automatizado puede ser proyectado y programado para realizar una única tarea (automatización fija), o puede ser flexible que, mediante reprogramación, permite la realización de tareas distintas de acuerdo con el producto a ser manufacturado (automatización flexible) [3,4]. Por definición, automatización significa: “operación de
control automático de un equipo, proceso o de un sistema, por medios mecánicos o electrónicos, sustituyendo la observación, los esfue rzos y la decisión humana” [3,4]. En base en los conceptos de automatización y control, al clasificar un proceso como semi-automatizado, se piensa inmediatamente que éste está próximo de ser automático y no mecanizado, como pasa con la actual clasificación de los procesos de soldadura. Se propone en ese trabajo, una nueva concepción para clasificar los procesos de soldadura, de acuerdo con los métodos de aplicación.
2. Análisis preliminar Sin duda, la primera etapa a ser realizada para establecer el grado de automatización de un proceso, es definir las actividades relacionadas a él, visto que es en función de éstas, que el responsable por la ejecución (agente ejecutor), por el control (agente controlador) y el responsable a dar secuencia a las actividades (agente secuencial) son definidos. Además, se deben definir cuales actividades deben ser tratadas como separadas y cuáles deben ser incluidas en el ciclo de operación del proceso. Esas definiciones se deben al hecho que, según lo descrito anteriormente, el término automatización significa que algunas o todas las funciones o pasos de una operación son ejecutados y controlados, en secuencia, por medios mecánicos o electrónicos. En los procesos de soldadura por arco eléctrico, la primera actividad a realizar para ejecutar una soldadura es especificar cual el procedimiento de soldadura, también conocido por EPS – Elaboración del Procedimiento de soldadura. El agente ejecutor, controlador y secuencial de una EPS, es el humano. Entre a EPS y el inicio de la soldadura, propiamente dicho, es necesario un intervalo de tiempo para que el procedimiento sea preparado. Actualmente, esa preparación ocurre independiente del método de aplicación a utilizar y las interferencias directas del ser humano que sean necesarias. Se destaca que aún no existe un sistema de soldadura que tenga acoplado
un sistema que pueda realizar una EPS, y a partir de ésta, empezar inmediatamente la soldadura. Por tanto es conveniente que la EPS y la preparación para empezar la soldadura sean tratadas por separadas, viendo el grado de interferencia humana involucrada. Las actividades relacionadas al ciclo de soldadura, que deben definir el grado de automatización del proceso, deben ser las que permiten una secuencia instantánea del proceso. Por el hecho de que la automatización puede ser parcial, parte de la operación es ejecutada y controlada, en secuencia, por la máquina y parte manualmente, clasificar el método de aplicación convencional del proceso GMAW, según descrito arriba, como semi-automático es lo mismo que decir que su grado de automatización es parcial, visto que las palabras semi y parcial son sinónimos. Esa clasificación fue adoptada en función de que la alimentación del alambre es ejecutada por la máquina, diferente al proceso con electrodo revestido donde el soldador es quien lo hace. Sin embargo, ninguna de las actividades, relacionadas al ciclo de soldadura del proceso GMAW convencional, son ejecutadas y controladas, en secuencia, por la máquina. Por tanto, dentro de los conceptos de automatización y control, clasificar el método de aplicación convencional del proceso GMAW como semi-automático está equivocado. Un cambio gradual en la clasificación de los procesos de soldadura entre manual y automatizado puede ser: manual, semi-mecanizada, mecanizada, semi-automatizada y automatizada. Es decir que si un proceso es semi-automatizado, significa que algo está faltando para que el proceso se vuelva automatizado y no mecanizado. Como es conocido, desde el surgimiento de los procesos de soldadura, su ejecución depende mucho de la habilidad del soldador. Con el desarrollo tecnológico adquirido en las últimas décadas, se observa un cambio gradual, no solamente en la soldadura, como en todo y cualquier proceso fabril, de la operación manual para la mecanizada y de esa para la automatizada, agregando ganancias cualitativos y cuantitativos al proceso. Sin embargo, en las operaciones de soldadura aún no está bien definida la frontera entre manual, mecanizado y automatizado.
2.1 Manual versus Mecanizado versus Automatizado De las actividades relacionadas al ciclo de soldadura, se puede citar: apertura, estabilidad e interrupción del arco eléctrico; alimentación del alambre y desplazamiento del porta electrodo. Esa última engloba el control del calor para lograr penetración; movimiento del arco a lo largo de la junta; guiar el arco a lo largo de la junta y manipular la antorcha para dirigir el arco, conforme actividades descritas en la Tabla 1, además de influenciar en el mantenimiento constante del tamaño del arco eléctrico. Hay una diferencia muy significativa cuando el desplazamiento del porta-electrodo es ejecutado por el soldador y cuando ese desplazamiento es ejecutado por un dispositivo mecánico. Incluso, se puede establecer que la frontera entre la soldadura manual y la mecanizada está dada por el desplazamiento del porta-electrodo durante el proceso. Independientemente del nivel de modernización del equipo de soldadura utilizado, si ese desplazamiento es ejecutado por el soldador, el método de aplicación de ese proceso es manual: durante la soldadura, el porta-electrodo es sujetada y manipulada por el humano. Mientras, cuando el desplazamiento es hecho por un dispositivo mecánico, condiciones extras deben ser consideradas para determinar si el método de aplicación del proceso es mecanizado o automatizado. Además, el método de
aplicación aún puede ser semi-mecanizado o semi-automatizado, considerando un cambio gradual entre manual y automatizado. En la soldadura con electrodo revestido, el dispositivo mecánico utilizado para desplazar el porta-electrodo, propicia la realización del método conocido como soldadura por gravedad, Figura 1. El porta-electrodo (a) se desplaza por una barra-guía (b), debido a la acción de la gravedad, en la medida que el electrodo (c) es consumido. Para realizar esa soldadura, después de la etapa de preparación, interferencia humana ocurre solamente para empezar y finalizar el ciclo de soldadura.
Figura 1. Dispositivo de soldadura por gravedad .
Es importante resaltar, que por el hecho de que la temperatura del electrodo revestido aumenta durante la soldadura, incrementando así su tasa de fusión, es necesario aumentar la velocidad de alimentación del electrodo durante el proceso, y es en función de la variación de esas velocidades es que la velocidad de soldadura se determina. Son varios los factores que afectan el aumento de la temperatura del electrodo. Fue mostrado que cualquier parámetro de soldadura que causa una variación en la temperatura del electrodo causa, consecuentemente, una variación en su tasa de fusión [5]. En la soldadura por gravedad con electrodo revestido, el agente controlador de la velocidad de desplazamiento del porta-electrodo es la propia gravedad, no hay ningún dispositivo mecánico responsable de ese control. Con el proceso GMAW, dos concepciones de dispositivos mecánicos pueden ser utilizadas para desplazar la antorcha de soldadura: con control manual o con control mecánico de la velocidad de desplazamiento del dispositivo. En la primera concepción es necesario que el operador empuje el dispositivo para que el desplazamiento de la antorcha. En ese caso, el agente ejecutor del desplazamiento de la antorcha es la máquina, sin embargo el controlador de la velocidad de soldadura es el humano. En la segunda concepción, considerando que la velocidad de desplazamiento del dispositivo es determinada mecánicamente, tanto el agente ejecutor del desplazamiento y el controlador de la velocidad de soldadura es la máquina. De acuerdo con el expuesto anteriormente, el hecho que el desplazamiento de la antorcha sea ejecutado por el dispositivo mecánico, no es suficiente para clasificar un proceso como mecanizado. Se debe considerar quien sea el agente controlador de la velocidad de desplazamiento de ese dispositivo, que en verdad consiste en la velocidad
de soldadura: control manual o por la gravedad (proceso semi-mecanizado) o control mecánico e/o electrónico (proceso mecanizado). De manera análoga, el hecho del desplazamiento de la antorcha ser ejecutado por dispositivo mecánico y poseer control mecánico e/o electrónico de la velocidad de soldadura son condiciones necesarias para definir que la soldadura debe ser considerada automatizada, sin embargo no suficiente. En ese caso, la manera más fácil de diferenciar un sistema de soldadura mecanizado o automatizado es basarse en el concepto de equipo automatizado, según presentado anteriormente. Se trata de un equipo proyectado y programado para realizar una única tarea (automatización fija), o de un equipo flexible que, mediante reprogramaciones, permite la realización de tareas distintas de acuerdo con el producto a ser manufacturado (automatización flexible) [3,4]. En otras palabras, para el proceso ser automatizado, la soldadura debe ser ejecutada por un equipo que permita ser programado una única vez (automatización fija) o varias veces (automatización flexible) por medios mecánicos e/o electrónicos. Un robot industrial es un ejemplo típico de un sistema automático flexible. Según RÍA (Robotic Industries Association), “un robot es un manipulador reprogramable, multifuncional, proyectado para mover materiales, piezas, herramientas y dispositivos especializados a través de movimientos programables variables a fin de desempeñar una variedad de tareas” [6]. La condición primordial para un equipo de soldadura ser robótico ser robótico es que él sea reprogramable. Los robots industriales más utilizados en la soldadura son los antropomórficos de seis grados de libertad. Ésos son reprogramables y multifuncionales. Esto significa que esos robots pueden ser utilizados para soldaduras de diversas piezas, necesitando apenas que el usuario trabaje en su programación en función de las piezas a ser soldada. Sin embargo, se destaca que existen robots definidos como “robots para tareas específicas” [4] que no son
multifuncionales. Un caso típico de ese tipo de robot utilizado en la soldadura, es el proyectado para ejecutar un único tipo de soldadura. Por ejemplo, proyecto de robots para soldadura orbital de tuberías, donde el desplazamiento del robot es limitado a movimientos alrededor del tubo. En ese caso, el sistema de control del robot, puede ser reprogramado en función del diámetro del tubo, sin embargo solamente pueden ser soldados tuberías. Cualquier sistema robotizado es automático, sin embargo no todo sistema automático es robótico. Según comentado para el sistema ser robótico él necesita ser reprogramable. Un sistema automático no es robótico cuando ése es proyectado para la realización de una única tarea y programado una única vez. Por ejemplo, un sistema automático especialmente proyectado para la soldadura de una determinada pieza (o una familia de piezas). Con ese sistema, no es posible soldar piezas diferentes de las especificadas. Las modificaciones necesarias al sistema, no se limitan al simple cambio de herramientas, además de ese sistema no aceptar reprogramaciones. Se trata de un “equipo dedicado”.
Se destaca que diferenciar un sistema automático de un semi-automático es una tarea ardua, visto que la automatización puede ser parcial o total, todavía no se tiene ningún proceso fabril que sea totalmente automatizado, esto es, que sea 100% autónomo. En el caso de sistemas de soldadura automáticos qué se puede diferenciar es, si a soldadura será realizada por un sistema flexible o fijo.
3. Nueva Concepción de los Métodos de Aplicación de los Procesos de Soldadura La Tabla 2 presenta las actividades relacionadas al ciclo de soldadura, que deben definir el grado de automatización del proceso, y el agente controlador de esas actividades en función de la clasificación de los métodos de aplicación de los procesos de soldadura. Tabla 2. Nueva concepción de los métodos de aplicación de los procesos de soldadura Método de Aplicación Semi Automatizado Actividades Manual mecanizado Mecanizado Fijo Flexible (sin robot) (con robot) Desplazamiento de la manual mecánico e/o mecánico mecánico mecánico antorcha porta-electrodo electrónico e/o e/o e/o electrónico electrónico electrónico velocidad de manual manual o mecánico mecánico mecánico soldadura gravedad e/o e/ou e/o electrónico electrónico electrónico Programación del No hay No hay No hay mecánico mecánico ciclo de soldadura e/o e/o electrónico electrónico
De acuerdo con el propuesto en este trabajo, la clasificación de los procesos de soldadura, de acuerdo con los métodos de aplicación es: a) MANUAL: cuando el desplazamiento de la antorcha porta-electrodo sobre a junta a ser soldada es realizado manualmente por el soldador/operador; b) SEMI-MECANIZADO: cuando el desplazamiento de la antorcha porta-electrodo sobre a junta a ser soldada es realizado por un dispositivo mecánico con control manual o gravitacional de la velocidad de soldadura; c) MECANIZADO: cuando el desplazamiento de la antorcha porta-electrodo sobre la junta a ser soldada es realizado por un dispositivo mecánico con control mecánico e/o electrónico de la velocidad de soldadura y no programable; d) AUTOMATIZADO: cuando el desplazamiento de la antorcha porta-electrodo es realizado por un dispositivo mecánico e/o electrónico programable (automatización fija), o reprogramable (robótico).
4. Comentarios Finales Sin duda, soldaduras de alta calidad pueden ser obtenidas por el método manual, siempre que éstas sean realizadas por soldadores calificados. El gran problema de las soldaduras manuales es la no repetitividad de los resultados. Ese mismo problema es observado en el método mecanizado, visto que los equipos no son programables y todos los ajustes necesarios para iniciarse el ciclo de soldadura son hechos en función de la observación humana. En ese sentido, una de las principales ventajas del método de ejecución de ser automatizado, robotizado o no, con relación a los demás es a repetitividad de los resultados.
Soldaduras de calidad son obtenidas independientes del método de aplicación del proceso. Sin embargo, si una soldadura ejecutada por un sistema automatizado es de calidad, esto implica que todas las otras serán también, debido la garantía de la repetitividad. Como regla general, un proceso automatizado es más productivo que un mecanizado, que, a su vez, es más productivo que el manual. En la soldadura, la ganancia en la productividad, muchas veces, se refleja debido a las reducciones de los tiempos de trabajo, de arco cerrado y de preparación para iniciar el ciclo de soldadura que debido al aumento de la velocidad de soldadura del proceso. Por otro lado, también como regla general, el costo inicial de un proceso automatizado es mayor que el mecanizado que es mayor que el manual. Pudiéndose afirmar incluso, que la gran desventaja de los sistemas automatizados es su costo inicial. Sin embargo, estudios detallados sobre la viabilidad económica de esos sistemas, vienen mostrando que su costo-beneficio es bastante satisfactorio. Independientemente del grado de automatización involucrado en la ejecución de un proceso, es que se busca siempre la reducción del costo de manufactura. En sistemas automatizados, esto puede ser obtenido a través de la reducción del número de personas involucradas directamente en la producción, del aumento de la productividad y del aumento de la calidad del producto final, a través del control más racional de los parámetros del proceso. Con sistemas automatizados, también es posible el almacenamiento de todas las variantes de soldadura realizadas. Este hecho, sumado al de la repetitividad de los resultados están abriendo el campo para a rastreabilidad de las piezas soldadas.
5. Agradecimientos Autores agradecen à FAPEMIG por el costeo financiero.
6. Referencias Bibliográficas [1] AWS A3.0:2001,Committee on Definitions, Standard Welding Terms and Definitions, American Welding Society (AWS), Miami, USA, 2001, pp. 11-67. [2] CARY, H.B., 1994, Modern Welding Technology, 3 o Edition, Englewood Cliffs, New Jersey: Regents/Prentice Hall, Figure 12-1. [3] WELDING HANDBOOK, Welding Science & Technology, Volume 1, 9 o Edition, American Welding Society (AWS), Miami, USA, 2001, pp 452-482. [4] ROMANO, V. F., Robótica Industrial: Aplicação na Indústria de Manufatura e de Processos, 1ª Edição, Edgard Blucher Ltda, Manet, São Paulo, SP, 2002, pp. 256. [5] FELIZARDO, I, Estudo Experimental e Numérico do Aquecimento do Eletrodo Revestido durante a Soldagem, UFMG, Belo Horizonte, Brasil, Tese, 2003, pp.167. [6] RIVIN, E, Mecahnical Design of Robots, Mcgraw-Hill Inc., First Edition, New York, 1988.
