Soldadura de tuberías y el cobot.

Un operador monitorea un cobot de soldadura de tuberías en acción. En el monitor se muestra una señal de un sistema de visión basado en una cámara.

Encontrar un soldador de tuberías con experiencia no es algo frecuente hoy en día. La industria necesita más, pero no sabe dónde encontrarlos, por lo que recurre a la automatización siempre que es posible. Esto incluye la soldadura de carretes de tubería y configuraciones similares en las que la tubería se fija y gira.

El funcionamiento de la automatización, tanto desde el punto de vista empresarial como práctico, siempre ha dependido de una serie de variables, dos de las cuales son cómo se presenta la tubería a la automatización y qué tan adaptable es esa automatización a cambios inesperados. Cuanto mejor y más consistente sea la preparación de la soldadura de tuberías, menos sorpresas habrá y más fácil será automatizar la operación.

Un desafío con la automatización de la soldadura de tuberías, y con cualquier tipo de automatización, es que una vez que comienza un ciclo, un operador generalmente no puede tener en cuenta variaciones inesperadas en la apertura de la raíz, el ángulo de bisel o la redondez. Sin embargo, una nueva categoría de robots ha cambiado la ecuación: el robot colaborativo o cobot.

Nada impide que un robot convencional se mueva del punto A al punto B, de ahí la necesidad de salvaguardarlos. Interponerse en su camino puede provocar lesiones graves o incluso la muerte.

No es así con un cobot. Choque contra un cobot y el cobot no seguirá moviéndose sin cesar. Se detendrá. Esto permite que el operador y otras personas permanezcan cerca del robot durante la operación. En este sentido, un operador puede “colaborar” en un proyecto, ajustando el movimiento del robot en tiempo real.

Esto tiene todo tipo de implicaciones para el ensamblaje básico y el cuidado de las máquinas, áreas donde los cobots han recibido mucha atención de los medios. Pero también tiene algunas implicaciones importantes para tareas más complejas de fabricación, incluida la soldadura de tuberías.

Para ser claros, los cobots no se contorsionarán para soldar tuberías fuera de posición, al menos no en el corto plazo. En cambio, prosperarán en áreas que requieren rangos de movimiento menos extremos, incluida la soldadura de tuberías en el taller, donde la pieza de trabajo se fija a un mandril giratorio.

Los cobots diseñados para soldar tuberías se ven muy diferentes de otros cobots diseñados para el mantenimiento y montaje de máquinas. Suelen consistir en un solo brazo con una pistola de soldar en el extremo. El robot se mueve hacia arriba y hacia abajo (Y) y hacia adelante y hacia atrás (X) para seguir la pieza de trabajo. Durante la operación, realiza un movimiento de tejido, similar a los movimientos de tejido que se ven en otras configuraciones robóticas de soldadura de tuberías.

Cuando observa un cobot de soldadura de tuberías en acción, verá un robot soldando y un operador cercano observando, tal vez usando el control colgante para realizar ajustes leves (aunque poco comunes) cuando sea necesario. El cobot no se detiene durante toda la operación. Realiza soldadura continua, desde la raíz hasta el paso de la tapa.

En una situación de soldadura manual, la mayoría de las tuberías se presentan a los soldadores con tres o cuatro puntos de puente. Para preparar las uniones soldadas para soldar tuberías con ciertos cobots, los técnicos deben producir tachuelas emplumadas sobre las que el cobot pueda soldar. Entonces, en lugar de soldar tachuelas de puente convencionales, colocan tres o cuatro puntadas de 1 pulgada (dependiendo del tamaño de la tubería) y luego las pulen (o suavizan) para hacer una transición suave entre la puntada y la pared lateral de la junta.

Esta campana de arco evacúa humos y tiene filtros aptos para soldadura, por lo que el operador del cobot no necesita usar un casco de soldadura.

Al soldar sobre ellos, el operador del cobot presiona una opción en el control que cambia varios parámetros de soldadura sobre la marcha, lo que permite que el cobot suelde y logre una fusión completa sobre esos puntos. Después de recorrer los puntos, el operador presiona el mismo botón para devolver el sistema al proceso normal de soldadura de raíz.

La transición de la soldadura de tuberías manual a la robótica generalmente no requiere muchos cambios en la operación en sí, especialmente si los soldadores ya trabajan con preparaciones de soldadura consistentes. Quizás necesiten revisar sus prácticas de virada, pero eso es todo.

Y como los cobots no requieren protección perimetral, no necesitan mucho más espacio que una operación manual. Una celda de trabajo cobot para soldadura de tuberías puede ser tan pequeña como 4 por 4 pies. Por lo tanto, en la mayoría de los casos, la integración de este tipo de automatización colaborativa no requiere cambios significativos en el diseño del taller ni en el flujo general de piezas.

Hoy en día, los cobots se pueden integrar con una variedad de procesos, incluida la soldadura por arco metálico con gas (GMAW) y la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW). Y si bien es técnicamente posible usar cobots para ambos procesos de soldadura para diferentes pasadas (por ejemplo, tener una raíz GTAW con una tapa y relleno de GMAW pulsado), no es una aplicación común. Si un trabajo exige GTAW para la pasada de raíz, a menudo una empresa optará por GTAW manual y luego moverá la tubería al cobot, que realiza la tapa y el llenado con GMAW.

Por supuesto, es ideal seguir con un proceso, como GMAW pulsado o un proceso de alambre con núcleo metálico para altas tasas de deposición, para todas las pasadas de soldadura de tuberías. En muchos casos, debido a que los cobots ofrecen tanta eficiencia, cambiar y recalificar los requisitos del proceso de soldadura de tuberías son precios pequeños a pagar en comparación con las eficiencias que se pueden obtener.

Aunque tienen una corta historia, las aplicaciones de soldadura de tuberías cobot continúan evolucionando y rápidamente. Gran parte tiene que ver con la naturaleza del proceso, incluida la forma en que el operador interactúa con el sistema.

En las primeras instalaciones, los operadores cargaban tuberías preparadas y seleccionaban algunos parámetros básicos, incluido el diámetro de la tubería, el horario y la geometría de la junta. Una vez cargado el programa de soldadura, los operadores presionaron "iniciar" en el colgante. Durante el pase de raíz, observaron la operación cuidadosamente, asegurándose de que la pistola y la extensión del cable estuvieran exactamente en el lugar correcto. Cuando vieron que la pistola de soldar se acercaba a una puntada o una variación de una preparación de soldadura inconsistente, presionaron ciertos botones en el control.

Los operadores no necesitaban ajustar cada parámetro de soldadura manualmente sobre la marcha, pero sí debían iniciar el proceso de cambio de parámetros del cobot. Una vez completada la raíz, el cobot cambió para completar los parámetros de pasada y todo el proceso se volvió mucho más estable, con la ayuda del seguimiento de juntas basado en láser. Pero durante el paso crítico de la raíz, el seguimiento de las articulaciones basado en láser no fue tan efectivo como se requería y los operadores tuvieron que permanecer atentos.

Las instalaciones actuales todavía utilizan seguimiento basado en láser que incluye un láser de tres líneas para rastrear nuevas juntas y otro láser puntual para ajustes de altura en tiempo real. Y el seguimiento láser sigue funcionando muy bien a la hora de seguir distintas características geométricas de la articulación, como el borde superior de una ranura en V.

Dicho esto, rastrear más profundamente en la V puede ser un desafío, generalmente debido a los reflejos de la luz del arco e incluso a los cambios en las condiciones de luz causados ​​por las variaciones de la geometría del bisel. Todo esto causa importantes problemas de interferencia para los enfoques tradicionales de seguimiento de juntas basado en láser dentro de la geometría de la junta con ranura en V.

Un sistema de visión en tiempo real monitorea la soldadura, incluida la apertura de la raíz.

Ciertas instalaciones de cobots para soldadura de tuberías en el horizonte cercano admitirán una visión mejorada con sistemas basados ​​en cámaras. Estos permiten que el cobot realice ajustes automáticos durante la pasada de raíz para soldar por puntos. Y utilizando marcos como la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático, los sistemas de visión de soldadura de tuberías realizarán el seguimiento de la costura de la raíz, visualizarán la raíz y superarán los desafíos del seguimiento de la costura de la raíz. El seguimiento mide la distancia entre los dedos del bisel (parte superior del terreno) y puede detectar las puntadas aplicadas en las operaciones de hilvanado. También detecta cambios en la geometría del bisel, la apertura de la raíz e inconsistencias similares. Si esas variaciones están dentro de una determinada ventana de tolerancia, el sistema de visión realizará cambios en el proceso de soldadura sobre la marcha.

En el pasado, los operadores de cobots generalmente tenían que estar muy atentos durante la pasada de raíz, observando la soldadura y ajustando sobre la marcha. Cuando observaron cambios en las características del arco (debido a la soldadura sobre puntadas o cambios en la apertura de la raíz o la geometría del bisel), tuvieron que realizar ajustes en consecuencia, tal como lo tendría que hacer un soldador de tuberías manual.

Por ejemplo, al igual que un soldador de tuberías manual que realiza una pasada de raíz, el operador del cobot observó la soldadura y buscó señales de soplado. Si veía que uno era inminente, activaba una función de guardado de raíz en el control remoto y el cobot cambiaba alrededor de media docena de parámetros de soldadura para evitar que se produjera el escape. Una vez que pasó el peligro de fuga, el operador desactivó la función de guardado de raíces en el control y continuó la soldadura.

Sin embargo, es posible que los nuevos sistemas de visión para cobots de soldadura de tuberías no requieran tal vigilancia del operador. Un operador ya no necesitará monitorear el cobot tan de cerca durante el paso de raíz crítico. Por ejemplo, el sistema de visión podrá ajustar los parámetros de soldadura a medida que cambie la apertura de la raíz.

Los sistemas de visión podrían tener varios efectos en las aplicaciones de soldadura de tuberías cobot. En primer lugar, proporcionarán datos que, si se recopilan y analizan, podrían hacer que la soldadura de tuberías con cobot sea más inteligente y adaptable. Cada registro de soldadura incluirá voltaje, corriente, entrada de calor y otros parámetros de soldadura utilizados. Mientras más aplicaciones de soldadura de tuberías de cobot compartan sus datos, mejores serán los algoritmos y más inteligente podría volverse el sistema de visión del cobot.

Aquí es donde el aprendizaje automático jugará un papel cada vez más importante. En cierto sentido, los sistemas cobot aprenderán tal como aprende un soldador de tuberías humano: observando muchas soldaduras, analizando cambios en las características del arco y aprendiendo a adaptarse a un número cada vez mayor de situaciones. Pero a diferencia del soldador, un cobot aprenderá no sólo de cada aplicación de soldadura que tenga delante, sino también de la información compartida por otras aplicaciones de soldadura de cobot. Todo esto podría dar lugar a una reducción de los requisitos de mano de obra, con un cobot terminando una soldadura, desde la raíz hasta la tapa, sin ninguna supervisión. Una persona podría operar y monitorear más de un sistema de soldadura cobot, tal vez incluso realizar la preparación de la soldadura mientras un cobot cercano suelda.

Un operador novato podría recibir capacitación para operar el cobot y, al mismo tiempo, aprender los fundamentos de la soldadura de tuberías. Los técnicos pueden mirar una pantalla para ver y monitorear exactamente cómo el cobot establece una pasada de soldadura tras otra, desde la raíz hasta la tapa. Pueden ver cómo se ajusta el cobot durante la raíz, observar las variaciones comunes en la geometría de las juntas a tener en cuenta, observar los movimientos de tejido que funcionan para diferentes pasadas de soldadura y más.

Los operadores aún pueden realizar ajustes durante el proceso si lo consideran necesario. Por ejemplo, podrían realizar un ligero ajuste alto-bajo durante las pasadas de llenado. O podrían optar por cambiar la amplitud o frecuencia del tejido. El sistema de visión y el seguimiento láser deberían realizar estos ajustes sobre la marcha, pero si un operador observa un problema, puede corregirlo de inmediato.

La capacidad de intervenir manualmente puede ser crítica si, por ejemplo, el cobot recibe una preparación de soldadura descuidada. Para muchas aplicaciones, por ejemplo, el ángulo de bisel de la junta soldada debe ser de 37,5 grados. Si la preparación del bisel es de 35 grados, el cobot aún puede funcionar dentro de los parámetros establecidos. Si el ángulo de bisel está más fuera de la ventana de tolerancia, el cobot aún puede funcionar, pero lo más probable es que requiera la intervención del operador.

Tradicionalmente, la automatización ha requerido que los procesos ascendentes tengan un cierto nivel de repetibilidad. Si un fabricante no podía lograr tal repetibilidad, la automatización simplemente no era una opción. Los cobots todavía requieren cierto nivel de repetibilidad y tolerancias razonables, por supuesto, pero debido a los tipos de entrada que puede realizar un operador, la ventana de tolerancia puede ser mucho mayor. Entonces, incluso si una operación de soldadura de tuberías necesita lidiar con algunas tuberías defectuosas aquí y allá, el cobot, con la ayuda del operador, aún puede hacer que esas tuberías pasen a producción.

Esta campana de arco evacúa humos y tiene filtros aptos para soldadura, por lo que el operador del cobot no necesita usar un casco de soldadura.

Esta es una de las razones por las que, según muchos estándares de la industria, la soldadura con un cobot no se clasifica como soldadura robótica, donde la celda se configura y la máquina toma el control con poca o ninguna intervención del operador durante el proceso. Dependiendo del cobot exacto utilizado y de la naturaleza de la aplicación, un cobot se puede clasificar como “soldadura a máquina” o “soldadura mecanizada”.

Esto significa que si una operación se soldara a mano usando GMAW semiautomático, la adopción de un cobot se consideraría un cambio no esencial, por lo que es posible que no tenga que volver a calificar los procedimientos de soldadura, aunque aún necesitaría calificar a los soldadores en el nuevo proceso. (Tenga en cuenta que los requisitos de soldadura varían según el trabajo, el código, los documentos del contrato y la tecnología de soldadura específica utilizada; por lo tanto, como siempre, consulte el material original).

Hoy en día, un operador de cobot de soldadura de tuberías ni siquiera necesita ponerse un casco de soldadura. En cambio, un dispositivo local de recolección de humos cubre la soldadura y el operador puede ver la soldadura a través de filtros integrados en el extremo del colector de humos. El operador también ve la acción de soldadura en una pantalla adyacente que muestra la deposición de la soldadura a medida que se produce: una grabación realizada por una cámara que filtra todas las longitudes de onda de luz, excepto las más críticas, para que el técnico pueda ver el metal de soldadura que se deposita. Esa grabación de video también se puede guardar para respaldar inspecciones de soldadura posteriores.

Esta sería una posición de soldadura de nivel medio o incluso de nivel inicial que podría reemplazar la necesidad de soldadura manual repetitiva, donde los soldadores de tuberías pasan horas tratando de mantener un tejido constante para una soldadura de tubería horizontal en posición fija tras otra soldadura de tubería horizontal.

Los operadores de cobots podrían pasar parte de sus días virando y, en última instancia, aprendiendo cómo realizar una soldadura de tubería manualmente, no solo en la posición fija horizontal sino también en posiciones verticales e inclinadas. También podrían dedicar tiempo a observar el cobot, observar la pantalla y ver los efectos de varios cambios en el proceso con gran detalle, como resaltar los parámetros del arco, incluido el cono del arco y el nivel de penetración que logra el arco.

Esta visión clara del proceso ayuda a los soldadores a aprender. Cuando progresan como soldadores manuales de tuberías, piensan en la vista del arco en la pantalla de la celda de soldadura del cobot y utilizan esa referencia visual como guía. A medida que se vuelven más hábiles, ascienden en la escala profesional hasta alcanzar el estatus de gurú, cuando todos los días se les presenta un desafío de soldadura de tuberías fuera de posición o similar.

Una mayor experiencia otorga a los soldadores de tuberías una mayor habilidad, lo que los hace más confiables y productivos. Y con los sistemas de visión que alimentan datos a la nube, el análisis de datos sofisticado hace que el cobot sea más adaptable, confiable y productivo con el tiempo. Las personas aprenden, la automatización aprende y la soldadura de tuberías alcanza nuevos niveles de productividad.

Soroush Karimzadeh es director ejecutivo de Novarc Technologies.