Reduzca el peso de los autos con soldadura láser

Al eliminar las sujeciones mecánicas y sustituirlas por uniones de soldadura en componentes como el tren de potencia, es posible reducir el peso de los vehículos y mejorar el torque de la transmisión. Pero esto no es fácil para metales de características diferentes como el hierro fundido y el acero; sin embargo, tal como se muestra en este artículo compartido por nuestro aliado editorial Today’s Motor Vehicle, las nuevas tecnologías de soldadura por láser representan una buena alternativa para cumplir con este objetivo.

Si bien, los métodos de aligeramiento de los automóviles se enfocan en el reemplazo de acero y hiero con aluminio y polímeros (composites), existen algunas partes de los autos que requieren materiales ferrosos debido a su fuerza y durabilidad. Pero esto no significa que los ingenieros no puedan recortar algunos gramos de componentes de hierro y acero.

Las cajas para los diferenciales (componentes cuya función es administrar y transferir la potencia del motor a las ruedas) por lo regular son de hierro fundido, pero los engranes en estos sistemas están fabricados con aceros endurecidos. Para unir estos dos materiales normalmente se han empleado sujeciones mecánicas; no obstante, el fabricante de máquinas herramienta Emag ahora promueve la soldadura por láser para hacer dichas conexiones. Un ejemplo es modelo ELC 250 DUO Laser Cell que es capaz de fusionar metales diferentes, lo que ha permitido reducir un poco el peso de los diferenciales.

Renald Schedewy, gerente de aplicaciones de sistemas de soldadura por láser (LBW por sus siglas en inglés) en Emag explica que al utilizar procesos LBW en los sistemas diferenciales se logran importantes mejoras de ahorro de combustibles, en la transmisión de potencia y en la reducción de ruido.

“Comparado con los métodos convencionales de soldadura, la soldadura por láser tiene una entrada de calor baja por unidad de longitud. El daño del material base es menor”, asegura el ejecutivo quien añade que este tipo de tecnología permite soldar acero fundido con las cajas de acero endurecido.

Requerimientos de limpieza

El aceite, pastas para ensamble y otros contaminantes que quedan de procesos de producción anteriores en las cajas de diferencial pueden afectar de manera negativa el proceso de soldadura, tal como sucede con los tratamientos superficiales con fosfatos en los anillos de engrane de acero.

Los contaminantes pueden causar problemas durante el proceso de soldadura y provocar porosidades y agrietamientos. Por lo tanto, la limpieza de la zona a soldar resulta crucial. Schedewy apunta que el incorporar una etapa de limpieza no ha hecho desistir a los fabricantes de automóviles en su búsqueda por soldar juegos de engranes con sistemas láser pues las reducciones de peso y en el proceso compensan ese paso adicional.

La soldadura por láser también permite una penetración mayor de las costuras de la soldadura, lo que posibilita generar conexiones más fuertes y continuas entre las partes. Este enlace más fuerte podría permitir alcanzar un mayor torque en la transmisión del eje a las ruedas. Además también reduce el ruido a lo largo de todo el proceso de transmisión.

¿Tecnología mejorada?

Los ahorros en peso son el principal indicador de la soldadura con láser de los juegos de engranes para los diferenciales. Los ingenieros de Emag consideran que estos ahorros podrían oscilar desde 0.6 Kg hasta 1.2 Kg por cada sistema. Pero, aún más importante, este peso se pierde en las partes giratorias del tren de potencia.

La reducción del peso de la transmisión puede ser más valioso que la reducción del peso del cuerpo estático debido a que los vehículos necesitarán menos potencia en el motor para hacer girar los componentes referidos.

De esta manera, al hacer más ligeras las partes de la transmisión, los fabricantes de automóviles pueden hacer motores menos potentes en los autos sin que esto signifique sacrificar torque o aceleración. Schedewy comenta que al retirar las sujeciones mecánicas también se pueden disminuir los costos de producción.

La soldadura por láser para los ensambles de los engranes anillados en los diferenciales elimina el uso de bridas y tornillos y reduce el peso de todo el componente.

“Además de la gran reducción de peso al eliminar los tornillos, bridas, tuercas, etcétera, también se hacen obsoletas una gran cantidad de operaciones de maquinado y de atornillado”, expresa el gerente de Emag.

Los beneficios de la soldadura de los juegos de engranes de diferenciales han sido obvios por muchos años, pero las limitaciones técnicas propias de los sistemas de soldadura por arco eran un obstáculo muy grande.

La soldadura por láser resuelve casi todos estos problemas al proveer una oferta precisa de control de temperatura. “La LBW tiene una salida de calor muy baja por unidad de longitud y una alta relación de aspecto, característica que produce costuras más estrechas y profundas. La única limitación es la temperatura. El material requiere algo así como “mézclame pero no me calientes”, explica Schedewy.

Los riesgos de las altas temperaturas en el proceso de soldadura son la formación de grietas frías y de estructuras quebradizas en los componentes debido a la poca elasticidad en la microestructura y construcción. El alto contenido de carbón en el acero produce una muy alta dureza, pero los elementos de aleación como el magnesio y el cromo reducen la velocidad crítica de enfriamiento.

“El molibdeno y el cromo son formadores de carbono y además incrementa la dureza”, asegura Schedewy.

“Cuando se sueldan las zonas de hierro fundido, especialmente las de hierro fundido con grafito esferoidal, se obtiene una gran cantidad de carbono. Particularmente se pone en riesgo la zona afectada por el calor junto al cordón de soldadura. Aquí, las frágiles zonas de ledeburite (una mezcla de cementita y austenita saturada de carbono) pueden fallar de manera crítica al ser cargadas”.

La soldadura por láser permite a la celda de maquinado soldar los dos materiales con una baja rigidez y sin dañar la microestructura de los materiales subyacentes. El equipo de Emag logra esto con el uso de fuentes brillantes de láser combinadas con un tratamiento de control de calor mediante inducción.

Proceso de soldadura

El ELC 250 DUO emplea sistemas de fijación de láser por enfoque a partir del movimiento de la pieza de trabajo en lugar de las cabezas del láser. Este diseño procesa piezas en rotación en una sola puesta y permite que se realicen cargas y descargas durante el tiempo de ciclo, lo que reduce tiempos muertos y protege los elementos ópticos sensibles.

“Las cabezas de soldadura con cable de fibra láser son la herramienta primaria de un LBW. Contiene elementos de una alta precisión, mismos que forman la figura del haz de luz. La forma del láser tiene gran influencia en la calidad de la costura de la soldadura y el proceso de soldado”, comenta Schedewy.

También agrega que el corazón de la fibra láser está dotada precisamente con 10kW o más de flujo de potencia a través de los lentes de silicio fusionados con diámetros de entre 100µm to 600µm.

“Las herramientas fijas protegen a los operadores de los vapores de soldadura o de choques mecánicos, mejoran la vida de la herramienta y garantizan mejores condiciones de calidad”, según palabras del ejecutivo. “Los usuarios pueden escoger entre mover el cable de la fibra láser o mantenerlo fijo en una posición. Seguro escogerán no moverlo”.

El proceso de láser tiene lugar en dos estaciones dentro del ELC 250 DUO, pero la celda requiere solo una fuente de láser. El deflector del haz cambia el láser entre los lentes de enfoque en las dos estaciones de soldadura, lo que permite mejorar la utilización del láser e incrementa la productividad del sistema.

Al actuar como un sistema integrador, la adición de componentes tales como la automatización, logística, elementos de sujeción, sistemas de limpieza de partes y equipo de pruebas por ultrasonido, pueden ser adecuados en la celda según los materiales exactos y los procesos determinados por cada uno de los fabricantes.