La soldadura láser se une a la tendencia de peso ligero
La soldadura láser se une a la tendencia de peso ligero
Para devolver la marca Cadillac a la etapa de lujo de prestigio global, General Motors lanzó todo lo que pudo, 13 materiales en total, en el cuerpo del sedán para convertirlo en el vehículo más ligero de su clase. Y luego para unirse a esta "colcha loca de aluminio, acero, magnesio y plástico", como lo llamó un observador de la industria1, GM empleó las técnicas de fabricación de materiales mixtos más completos y avanzados de la industria automotriz, que son desplegadas por un ejército de 28 robots que soldan los marcos internos y externos del vehículo (Figura 1).
Figura 1.El techo de aluminio de Cadillac CT6 2016 de General Motors Co. está soldado con un láser a las articulaciones Bodyside del sedán. Cortesía de General Motors.
Principalmente manteniendo juntos el cuerpo de este elegante automóvil liviano, así como posiblemente la estrategia de unión futura de la industria automotriz de EE. UU., Son tornillos de perforación de flujo, remaches de auto-lesiones, soldaduras de manchas de resistencia de aluminio de primer tipo y soldados láser de aluminio (Figura 2). A través de este enfoque de material mixto, GM logró reducir el peso del Cadillac CT6 en 198 libras, en comparación con lo que habría pesado con un cuerpo de acero.
Figura 2.GM redujo el peso del Cadillac CT6 en 198 libras mediante el uso de una variedad de materiales, como el aluminio de acero y el magnesio, y uniéndolos con varias tecnologías, incluida la soldadura de puntos de resistencia de aluminio y soldadura con láser. Cortesía de General Motors.
El CT6, que comenzó la producción en la planta de Detroit-Hamtramck de GM en enero de 2015, está en lo que va del vehículo de mayor perfil de este año para subirse a la llamada tendencia de peso ligero. La luz liviana depende en gran medida de reemplazar el acero con aluminio y está impulsado en gran medida por regulaciones federales que requieren estándares de accidente más estrictos y que los vehículos alcancen 54.5 millas por galón para 2025.
El año pasado, la estrella ligera de la industria fue la camioneta F-150 de Ford Motor Co., que arrojó 700 libras en gran medida al reemplazar el acero por su cuerpo con aluminio (Figura 3). Los techos de aluminio del F-150 y CT6 están soldados en articulaciones del cuerpo con láseres. GM también usó láseres para soldar las puertas del sedán y sus articulaciones de tellón de tres piezas, lo que resultó en un tronco más curvado que una parte de dos piezas, según Elaine García, gerente de grupo de ingeniería de GM para tecnología avanzada y soldadura.
Figura 3.El camión F-150 de Ford Motor en 2015 se convirtió en el primer vehículo de alto volumen en América del Norte en tener un cuerpo de aluminio (recuadro). Ford usó soldadura con láser para el techo de aluminio del camión. Cortesía de Ford Motor Co.
"Láser solucionamos el techo de aluminio y la tapa de la cubierta porque permitió una cierta apariencia en el diseño del producto, y soldamos las puertas de aluminio porque permitía bridas de soldadura más cortas y una abertura de ventana de puerta más grande", dijo García.
El enfoque del cuerpo de todo aluminio de Ford para el F-150 es considerablemente diferente de la estrategia de materiales mixtos de GM (Figura 4). Y al igual que hay mucho debate sobre qué enfoque será adoptado por los competidores, también hay mucha deliberación sobre lo que los fabricantes de automóviles de unión de tecnologías favorecerán más para la fabricación de sus vehículos más ligeros y resistentes. Este es el momento para que los láseres industriales atraviesen la competencia o se queden atrás por alternativas como adhesivos y soldadura por manchas.
Figura 4.Para el Cadillac CT6, GM adoptó un enfoque de material mixto, en el que el cuerpo del sedán consiste en una variedad de acero, aluminio y otros materiales, en comparación con el enfoque de aluminio de Ford Motor Co. con el F-150. Cortesía de General Motors.
Aluminio sobre ruedas
El peso del aluminio es aproximadamente un tercio del acero, aunque ambos son similares en términos de resistencia. El Grupo de Transporte de Aluminio (ATG) de la Asociación de Aluminio estima que por cada 10 por ciento de la reducción de peso atribuible al reemplazo del acero con aluminio, los ahorros de combustible de un vehículo pueden aumentar hasta en un 7 por ciento.
A pesar del fuerte énfasis actual en el peso ligero, "el aluminio en el negocio del automóvil no es nada nuevo", dijo Jay Baron, presidente y CEO del Centro de Investigación Automotriz en Ann Arbor, Mich. A mediados de la década de 1970, los automóviles tenían menos de 100 libras de piezas de aluminio y para 2013 esa cifra había crecido a 350 libras. Se espera que los automóviles tengan 500 libras de aluminio para 2025, según un estudio de 2014 realizado por Drucker Worldwer con sede en Troy, Mich. Y en muchos aspectos, la industria automotriz de los Estados Unidos está comenzando a ponerse al día con su homólogo europeo.
"Mientras que Ford fue el primero en convertir un vehículo de alto volumen en aluminio en América del Norte [con el F-150], Audi y Jaguar Land Rover amplió el uso moderno de aluminio para disminuir el peso del vehículo, mejorar la economía de combustible y mejorar el rendimiento de más de 20 años", dijo Doug Richman, presidente técnico del ATG y el vicepresidente de ingeniería de Kaiser aluminum en Foothill Ran Rank.
Lo nuevo, dijo Baron, es el reemplazo acelerado de acero con aluminio. Y aquí se encuentra la oportunidad para los láseres. Durante el año pasado, por ejemplo, Valentin Gapontsev, presidente y CEO de IPG Photonics en Oxford, Massachusetts, ha dicho durante las llamadas trimestrales de conferencias que "las tendencias en la industria automotriz para usar aleaciones de acero y aluminio de alta resistencia hacia los automóviles de peso más ligero impulsan la mayor adopción de láser de fibra".
GM, que utiliza principalmente láseres de fibra en el aluminio del CT6, solo comenzó a usar láseres para la soldadura de aluminio en 2013 con su Chevrolet Corvette Stingray. El marco totalmente de aluminio de este vehículo era 57 por ciento más rígido y 99 libras más ligero que su modelo 2 anterior. Cadillac Escalade de GM, Suburban y Tahoe de Chevrolet, y Yukon de GMC ahora también presentan una articulación soldada con láser de aluminio, según García.
Tradicionalmente, el despliegue de los fabricantes de automóviles de soldadura por láser se había limitado en gran medida a "colgar" de piezas, como puertas y tapones, que se unen al cuerpo en blanco, otro nombre para la carcasa del vehículo que se soluciona. Sin embargo, los fabricantes de automóviles recientemente han comenzado a usar láseres para soldar componentes internos, como filtros de combustible de aluminio y barras de dirección (Figura 5), dijo David Havrilla, gerente de productos y aplicaciones para el Centro de Tecnología Láser Trumpf en Plymouth, Mich. Havrilla agregó que, para automóviles eléctricos, la soldadura por láser de la carcasa de aluminio de la batería y los contactos de aluminio o cobre dentro de la batería todavía están en las primeras etapas del desarrollo.
Figura 5.Si bien se usa tradicionalmente para el cuerpo en blanco, la soldadura por láser se usa cada vez más para componentes de aluminio interno, como columnas de dirección (izquierda) y filtros de combustible (bien). Cortesía de Trumpf Inc.
Photonics vs. no fotónica
Una porción significativa de los láseres de fibra de IPG se usa en aplicaciones de soldadura/soldadura de costura del cuerpo del automóvil. De hecho, la compañía cree que las oportunidades en el mercado de soldadura por láser de fibra son "potencialmente mucho más significativas" que el mercado de corte, según una presentación que dio a los inversores en mayo pasado. Con su stepper de costura láser (LSS), una herramienta de soldadura robótica que integra soldadura por láser y sujeción para mantener las piezas de trabajo bien, IPG está interesada en reemplazar la soldadura por puntos de resistencia en varias aplicaciones automotrices. En una conferencia telefónica trimestral reciente, Gapontsev dijo que el LSS "puede usarse para procesar varios metales diferentes, incluidos acero, aluminio, acero inoxidable, y la resistencia de la soldadura es aproximadamente el doble de la resistencia de una soldadura de puntos de resistencia tradicional".
Si bien los láseres están reemplazando principalmente a los soldadores de puntos de resistencia, "no ha habido un cambio mayorista en el uso de láser debido al cambio hacia el aluminio", dijo Tim Hurley, el gerente del segmento automotriz global de Lincoln Electric Co. en Euclid, Ohio. En cambio, "se está empleando la soldadura con láser donde se habría realizado soldadura en el punto de resistencia en una parte de acero". Agregó que la alta conductividad del aluminio y las marcas de que la soldadura de resistencia puede dejar atrás dar ventajas importantes de soldadura por láser. Sin embargo, la soldadura con láser a veces depende de las aleaciones, algunas de las cuales son propensas a agrietarse y requieren materiales de relleno.
"Con sus altas velocidades de procesamiento, baja entrada de calor y baja distorsión resultante, y la flexibilidad general de la aplicación, este proceso se ha convertido en una tecnología de ensamblaje clave en la industria automotriz durante las últimas dos décadas", dijo Richman. "Debido a que la soldadura con láser crea juntas de excelente calidad, generalmente se usa en aplicaciones donde la apariencia de soldadura es crítica".
Mientras que los remaches se han convertido en una tecnología de unión popular para piezas de aluminio, con el F-150 con más de 4,000 de ellas en lugar de 7,000 soldaduras puntuales3- Baron dijo que espera que los fabricantes de automóviles confíen menos en estos sujetadores mecánicos. GM, por ejemplo, logró usar aproximadamente 1.800 menos remaches y lograr una reducción de peso de cuatro libras4a través de su mayor dependencia de la soldadura en el CT6.
“Los remaches agregan peso. La soldadura con láser no agrega peso ”, dijo Baron.
Baron agregó que la mejor competencia de tecnología de unión de aluminio no fotónica de los láseres probablemente serán adhesivos, que se han vuelto más sofisticados y son mejores que las soldaduras manchas. Sin embargo, García dijo que GM aumentó su dependencia de la soldadura por láser, en parte, para reducir o reemplazar adhesivos y selladores.
Eric Stiles, el gerente de aplicaciones de IPG Photonics Midwest, dijo que la soldadura por láser también podría reemplazar la soldadura de arco de metal de gas, que es adecuado para unir materiales de calibre más pesado. Sin embargo, la entrada de calor de esta tecnología de unión es demasiado alta para soldar chapa más delgada. Según Stiles, Richman y Havrilla, pueden surgir otras oportunidades para los láseres, ya que los fabricantes de automóviles adoptan diseños de piezas que carecen de bridas o tienen bridas más pequeñas.
Abertura de puertas
“Algunos fabricantes de automóviles están explorando el potencial de la soldadura por láser para reducir o eliminar las bridas en las juntas de chapa para diseños de puerta, capucha y cubierta. En estas aplicaciones, la soldadura por láser se utiliza para reemplazar las costuras formadas tradicionales que unen paneles internos y externos en conjuntos de chapa. Si tiene éxito, esta puede ser una aplicación con un potencial más amplio para la implementación de soldadura por láser en el futuro ”, dijo Richman.
Piezas como las puertas generalmente tienen bridas de soldadura, sobre las cuales se aplica presión durante el proceso de vigilancia de manchas a medida que una corriente eléctrica se une a piezas de metal. Con soldadura con láser, por ejemplo, la brida de la ventana de la puerta del CT6 es de 6 mm, en comparación con 10 mm a 15 mm con una brida típica de la ventana de la puerta soldada en la mancha. Y tales pequeñas reducciones, cuando se repiten en todo el cuerpo, conducen a reducciones de peso significativas. García dijo que la forma lineal de la puntada de la soldadura por láser permite bridas más pequeñas, mientras que las soldaduras puntuales tienen una forma circular de 5 a 7 mm.
Ilustrativo de los ahorros de peso que ofrecen la combinación de piezas de aluminio y soldadura con láser, Shiloh Industries, con sede en Valley City, Ohio, en 2014, presentó los espacios de aluminio más ligeros y producidos en masa de la industria, que consisten en láminas de espesor y grado variables. Los espacios internos de puerta láser de aluminio de Shiloh pesaban 26.8 libras, en comparación con 35.5 libras para cuatro espacios de aluminio en la puerta monolítica de geometría similar. Y mientras los espacios en blanco de la puerta soldados por láser de aluminio arrojaron una reducción de peso de casi nueve libras por vehículo, los ahorros fueron aún mayores, 58 libras, en comparación con los espacios en blanco de la puerta monolítica de acero.
Superar costos
Los costos del aluminio y los láseres han obstaculizado durante mucho tiempo la adopción de soldadura con láser de aluminio en la industria automotriz. Si bien Havrilla señala que en los últimos 10 años el costo de un láser de 4 kW ha caído un 66.7 por ciento a $ 200,000, el Instituto de Desarrollo del Mercado del Acero, citando un estudio del Instituto de Tecnología de Massachusetts, señala que el acero es dos o tres veces más barato que el aluminio. Y el costo del aluminio no cae tan robusta como el de los láseres. Entre 2006 y 2015, el precio promedio anual por tonelada métrica de aluminio solo ha caído un 12 por ciento a $ 1,665, según la firma de estadísticas Statista.
“Si el aluminio realmente despega en [el] sector automotriz, reducirá el costo del aluminio y al mismo tiempo aumentará el conocimiento del proceso. Con una mayor comprensión del proceso y una mayor asequibilidad, es más probable que todos los fabricantes consideren el aluminio como un material más fácil y más deseable para trabajar ”, dijo Havrilla.
Baron dijo que, con modelos de negocios automotrices que tienen una tendencia hacia la adición de más tecnología, "los láseres se posicionan para un mayor crecimiento". García agregó que el uso de láseres de GM "también ha crecido a medida que nos volvemos más seguros con la tecnología". Y dada la forma en que las industrias automotrices y aeroespaciales son habitualmente como creadores de tendencias, los fabricantes de láser anticipan a algunos fabricantes generales a subirse al tren ligero. Mientras que pocas otras industrias son tan sensibles al peso como estas dos, muchas pueden beneficiarse del aluminio de alivio de envío que puede proporcionar.
Hurley en Lincoln Electric dijo que la industria agrícola está buscando aluminio para obtener "más bushels al galón de diesel". Havrilla dijo que el aluminio extruido también podría ser atractivo para los fabricantes de marco de ventanas porque podría ayudar a reducir los costos de envío, en comparación con los marcos de acero.
"El aluminio tiene muchos beneficios, desde la ligera resistencia a la corrosión, por lo que a medida que el uso de los aumentos de aluminio en la industria automotriz, ciertamente habrá cierta polinización cruzada con otras industrias", dijo Stiles de IPG.
