¿Cuándo merece la pena la soldadura láser con robot o cobot?

Un robot puede repetir una trayectoria programada de forma muy uniforme. Una desviación que traiga la pieza concreta no la compensa sin sensores. En la soldadura manual, esta corrección la asume la persona que trabaja sobre la pieza.

Este artículo sitúa los requisitos y los límites de la automatización. No sustituye ni la evaluación de riesgos del fabricante de la instalación ni la evaluación de riesgos del explotador, y no constituye asesoramiento jurídico.

Qué cambia al automatizar

En la soldadura láser manual, la persona que maneja el equipo ve el punto de unión. Puede corregir la posición, el avance y el ángulo de incidencia si una holgura se ensancha o un borde queda desplazado.

Un robot, en cambio, recorre la trayectoria programada. Si la junta de la siguiente pieza está situada de forma algo distinta, sin detección de la junta el haz incide igualmente en el punto programado. El Fraunhofer IWS identificó pronto este conflicto de objetivos: por un lado, las tolerancias de forma y dimensión inevitables de cada pieza; por otro, la precisión limitada de los sistemas de máquina.

Lo que en la soldadura manual se compensa durante la ejecución del cordón debería estar aclarado de antemano en la célula:

• con qué precisión se fabrican y se suministran las piezas
• cómo quedan colocadas en el utillaje
• si se detecta la junta y cómo
• cómo se apantalla de forma fiable la radiación láser

Tolerancias de las piezas y holgura de unión

Sin material de relleno, la soldadura láser es sensible a las holguras. El instituto británico de investigación en soldadura TWI indica como valor orientativo que, en la unión a tope, deben respetarse holguras inferiores a aproximadamente el 10 por ciento del espesor del material para evitar defectos en el cordón. Con chapa de 2 mm, serían menos de 0,2 mm.

TWI describe también formas de ampliar esta tolerancia:

• Hilo de aportación: en aceros de hasta 6 mm de espesor, según TWI, hasta aproximadamente el espesor completo de la chapa
• Oscilación del haz: aproximadamente del 20 al 30 por ciento del espesor
• Soldadura híbrida láser-arco con menores exigencias en la preparación de los bordes
• dos haces láser dispuestos uno junto a otro

Cada una de estas ampliaciones conlleva sus propios componentes y parámetros. Harald Keller, de Keller Blechtechnik GmbH, afirma al respecto en un artículo de TRUMPF: quien quiera aprovechar el potencial de la soldadura láser debe remontarse hasta el diseño, porque la precisión se necesita desde el principio. El corte, el conformado y el mecanizado previo determinan, por tanto, en parte si una célula puede funcionar sin retrabajos constantes.

Los utillajes de sujeción forman parte del proceso

En TRUMPF se afirma que la «holgura cero» es la medida de todas las cosas en la soldadura láser, y que para ello se necesita conocimiento práctico sobre utillajes de sujeción adecuados.

En la soldadura láser automatizada, un utillaje de sujeción cumple varias funciones:

• posicionar las piezas de forma reproducible, de modo que la junta esté donde el programa la espera
• presionar las piezas a unir de modo que la holgura se mantenga dentro del rango admisible
• mantener la posición durante la soldadura
• dejar accesibilidad para el cabezal de soldadura y, en su caso, el sensor
• permitir una carga y descarga seguras

Para cada variante de pieza puede ser necesario un utillaje propio o, al menos, un inserto propio. El diseño, la fabricación y las pruebas deben entrar en el cálculo antes de decidir sobre el robot. Si cambia la pieza, por lo general cambia también el utillaje.

Guiado del cordón y sensores

Los sensores pueden absorber parte de las tolerancias. El fabricante Precitec divide la supervisión del proceso en la soldadura láser en tres fases:

1. Antes del proceso: un guiado óptico del cordón detecta la posición real de la junta. Según el fabricante, esto ayuda a gestionar las tolerancias de las piezas, las desviaciones de sujeción y las geometrías de cordón cambiantes.
2. Durante el proceso: las señales del proceso se registran de forma continua para hacer visibles las desviaciones.
3. Después del proceso: una inspección óptica del cordón comprueba el cordón terminado en busca de defectos geométricos y próximos a la superficie.

Un posible principio de medición es la triangulación por línea láser. El Fraunhofer IWS describió un sensor de seguimiento de juntas cuya cámara registra la holgura mediante triangulación por línea láser y proporciona datos sobre la posición, el recorrido y la anchura de la holgura de soldadura.

El límite: los sensores detectan dónde está la junta. Una holgura demasiado grande no la cierran. Sí pueden, en cambio, aportar la base para ajustar parámetros, aportar material de relleno de forma controlada o descartar una pieza — y cuestan dinero, espacio en el cabezal de soldadura y esfuerzo de puesta a punto.

Encapsulado y paredes de protección láser

La TROS Laserstrahlung Parte 3 sigue el orden de prioridad de la OStrV: evitar o minimizar los riesgos primero mediante otros procedimientos o equipos de trabajo, después con medidas técnicas, a continuación organizativas y, por último, con equipo de protección individual. Entre las medidas técnicas incluye los encapsulados, en su caso con enclavamiento, y los dispositivos de desconexión automática. Para los apantallamientos menciona las paredes de protección láser según DIN EN 60825-4.

Para las instalaciones láser robotizadas, una información técnica de BG ETEM y DGUV Test formula la exigencia con claridad: la radiación láser peligrosa no debe salir del encapsulado de protección láser. El concepto de seguridad puede consistir, entre otras cosas, en:

• paredes de protección láser pasivas con puertas con enclavamiento de seguridad
• zonas de trabajo del robot restringidas o supervisadas
• supervisión del movimiento del robot y de la dirección del haz
• limitación del tiempo de emisión del láser
• paredes de protección láser activas, incluso solo en zonas parciales

La información técnica contempla expresamente también el caso de fallo, por ejemplo un robot que abandona su trayectoria programada. Las paredes de protección láser pasivas solo resisten la radiación que incide directamente sobre ellas durante un tiempo limitado.

Clase láser, servicio técnico y modo de ajuste

La clase láser la determina el fabricante. La DGUV Information 203-093 cita como ejemplo de clase láser 1 los equipos de marcado con apantallamiento completo. Un encapsulado puede, por tanto, decidir qué riesgo permanece fuera de la instalación.

La misma DGUV Information señala un punto que se pasa por alto con facilidad: también las instalaciones encapsuladas pueden requerir un funcionamiento abierto en modos de funcionamiento especiales como mantenimiento, servicio técnico o trabajos de ajuste. En ese caso se aplican los requisitos del funcionamiento abierto. Además, se indica allí:

• Las aberturas se supervisan, por lo general, mediante un interruptor de posición de seguridad.
• Con el encapsulado abierto no debe ser posible ninguna emisión láser peligrosa.
• Las ventanas de observación se diseñan, por lo general, según DIN EN 207 o DIN EN 60825-4; como alternativa, una cámara puede transmitir la imagen al exterior.

Para instalaciones láser de las clases 3R, 3B y 4, el § 5 OStrV prevé un responsable de seguridad láser, salvo que el propio empleador disponga de los conocimientos técnicos necesarios. El tamaño de la zona láser — también en el servicio técnico y el modo de ajuste con la instalación abierta — y las medidas de protección necesarias deben aclararse en la evaluación de riesgos.

Un cobot también necesita protección láser

La DGUV-Information FB HM-080 describe que los sistemas robóticos colaborativos con la función «limitación de potencia y fuerza» pueden utilizarse sin dispositivos de protección tradicionales como vallas y cortinas fotoeléctricas. Esta función se refiere a las fuerzas y presiones en el contacto entre persona y robot.

La radiación láser es un riesgo distinto. Según la DGUV-Information, al sistema robótico colaborativo pertenecen también las herramientas, las piezas y los utillajes; en la soldadura láser, por tanto, el cabezal láser. El IFA subraya que la evaluación de riesgos debe incluir el puesto de trabajo previsto.

El fabricante de láseres IPG Photonics señala que los cobots de soldadura láser deben instalarse en un encapsulado seguro frente al láser para proteger a las personas del entorno. La ventaja de un cobot en la soldadura láser reside, por tanto, más en una programación más sencilla y un cambio de tarea más rápido que en prescindir del apantallamiento.

Programación por teach-in u offline

En el teach-in, la trayectoria se programa sobre la pieza real. La revista especializada Maschine + Werkzeug señala que para ello la producción debe detenerse; en tareas sencillas, un técnico de ajuste experimentado puede aun así ser más rápido que la creación de un modelo digital. Según IPG Photonics, los cobots pueden guiarse a mano para la programación.

En la programación offline, la célula se reproduce como gemelo digital a partir de datos CAD, incluso antes de que exista la célula real. Como el modelo y la nave nunca coinciden del todo, es necesaria una calibración. Para contornos espaciales complejos, por ejemplo en la soldadura, el artículo considera ventajosa la programación offline.

Además de la trayectoria, los parámetros de proceso deben ser correctos: la potencia del láser, el avance y, en su caso, la oscilación del haz se determinan para el material, el espesor y el tipo de unión, y se prueban en piezas de muestra. Este esfuerzo se produce por cada variante de pieza.

Humo, aspiración y radiación secundaria

El encapsulado apantalla la radiación láser. Los demás riesgos del proceso permanecen.

La DGUV Information 203-093 cita, en la soldadura láser, la radiación UV, visible e infrarroja emitida por el plasma como ejemplo de radiación secundaria. Puede provocar deslumbramiento y fotoqueratitis, pero también daños irreversibles.

En el procesado de materiales por láser se liberan además sustancias peligrosas en forma de partículas y de gases. La DGUV Information remite, entre otras, a la TRGS 528 «Schweißtechnische Arbeiten» (trabajos de soldadura) y trata también los posibles riesgos de incendio en los sistemas de aspiración. Para una célula, esto significa que la captación y la aspiración se planifican desde el principio, no se añaden después.

Quién es responsable de la célula

La DGUV-Information FB HM-080 describe, para los sistemas robóticos colaborativos, lo siguiente: un robot por sí solo se considera una cuasi máquina y recibe una declaración de incorporación. Solo el sistema formado por robot, herramientas, piezas y utillajes constituye la máquina que se comercializa con declaración de conformidad y marcado CE.

La información técnica de BG ETEM y DGUV Test establece que la selección de las medidas de protección, la responsabilidad y la responsabilidad civil recaen en el fabricante de la máquina de procesado láser, y menciona a este respecto una evaluación de riesgos completa por parte del fabricante y una evaluación de riesgos completa por parte del explotador.

Según la IHK Halle-Dessau, el Reglamento de máquinas (UE) 2023/1230 se aplica, en principio, a partir del 20 de enero de 2027 y sustituye a la Directiva de máquinas 2006/42/CE. Quien realice una modificación sustancial pasa a ser considerado fabricante, con las obligaciones correspondientes. Quien combine por su cuenta robot, fuente láser y encapsulado o transforme una instalación debería aclarar de antemano quién asume ese papel.

Cuándo puede merecer la pena automatizar

IPG Photonics ve los robots industriales clásicos sobre todo allí donde se producen grandes cantidades de cordones iguales en piezas iguales, por ejemplo en una línea de fabricación. Según el fabricante, los cobots ofrecen más flexibilidad cuando se programan con frecuencia nuevas tareas de soldadura.

Pueden ser condiciones favorables:

• piezas recurrentes en cantidades suficientes
• tolerancias reducidas y estables procedentes de la fabricación previa
• cordones de fácil acceso
• una gama de piezas que se resuelve con pocos utillajes

En el lado de los costes hay más que el robot: encapsulado, utillajes, en su caso sensores, aspiración, programación, pruebas, formación del personal y evaluación de la conformidad. Frente a ello están el tiempo de soldadura actual, los retrabajos y el rechazo. El resultado depende de cada empresa y solo puede calcularse de forma fiable con sus propias cifras.

Cuándo sigue siendo más razonable la soldadura manual

La soldadura láser manual puede seguir siendo la mejor opción en el caso de:

• piezas únicas, reparaciones y prototipos
• piezas grandes o voluminosas que no caben en ninguna célula
• geometrías cambiantes y lotes pequeños, en los que la programación y el utillaje llevan más tiempo que la propia soldadura
• dimensiones de holgura variables que una persona experimentada todavía puede compensar dentro de los márgenes del procedimiento

No obstante, manual significa funcionamiento abierto. Según la DGUV Information 203-093, la mayoría de las instalaciones láser manuales son clasificadas por el fabricante en la clase 4, y la zona láser es, por lo general, accesible. El esfuerzo de protección se traslada así de la máquina al puesto de trabajo, el apantallamiento, la formación del personal y el equipo de protección individual.

Beamlux ofrece un equipo de soldadura láser sobre ruedas en niveles de potencia de 1500 a 6000 W. El catálogo de productos menciona como una de sus características la idoneidad para procesos automatizados. Si el equipo puede integrarse en una célula robotizada concreta, y de qué manera, depende de la pieza, el utillaje y el control, y debe aclararse en cada caso.

Fuentes

• TROS Laserstrahlung Parte 3 «Medidas de protección frente a los riesgos de la radiación láser» — Orden de prioridad de las medidas de protección, encapsulados con enclavamiento, desconexión automática, paredes de protección láser según DIN EN 60825-4.
• OStrV § 5 — Personas cualificadas, responsable de seguridad láser (gesetze-im-internet.de) — Designación de un responsable de seguridad láser para instalaciones láser de las clases 3R, 3B y 4.
• DGUV Information 203-093 «Handlungshilfe für die Gefährdungsbeurteilung beim Betrieb von offenen Laser-Einrichtungen zur Materialbearbeitung mit Handführung oder Handpositionierung (HLG)» — Edición de abril de 2019. Clasificación de la clase láser por el fabricante, zona láser, encapsulado, modos de funcionamiento especiales, ventanas de observación, radiación secundaria, sustancias peligrosas y aspiración.
• BG ETEM / DGUV Test — Información técnica «Hochleistungslaser in der Automobilbranche» — Versión del 2 de junio de 2014. Conceptos de seguridad para instalaciones láser robotizadas, paredes de protección láser pasivas y activas, análisis de fallos.
• DGUV-Information FB HM-080 «Kollaborierende Robotersysteme» — Edición 08/2017. Limitación de potencia y fuerza, sistema robótico como máquina, declaración de incorporación.
• IFA — Información técnica sobre robots colaborativos — Normas para robots colaborativos, efector final y evaluación de riesgos.
• IHK Halle-Dessau — Reglamento de máquinas (UE) 2023/1230 — Fecha de aplicación, sustitución de la Directiva de máquinas, modificación sustancial.
• TWI — FAQ sobre la tolerancia de la soldadura láser frente al ajuste de la holgura de unión — Valores orientativos para holguras en la unión a tope y posibilidades de ampliar la tolerancia.
• TRUMPF — «Laser trumps arc» — Holgura cero y utillajes de sujeción; declaración de Harald Keller (Keller Blechtechnik GmbH) sobre la precisión desde el diseño.
• Fraunhofer IWS — Nota de prensa «Sensor führt den Laser» — Seguimiento óptico de juntas mediante triangulación por línea láser, tolerancias de las piezas y precisión de la máquina.
• Precitec — Supervisión del proceso en la soldadura láser — Guiado del cordón antes del proceso, supervisión durante el proceso, inspección del cordón después.
• IPG Photonics — Laser Welding Cobots vs. Traditional Robots — Encapsulado en cobots de soldadura láser, programación, campos de aplicación de los robots clásicos.
• Maschine + Werkzeug — «Roboter-Programmierung: Teach-In vs. Offline» — Parada de producción con el teach-in, gemelo digital y calibración en la programación offline.

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