Controladores para máquinas de soldadura automáticas en régimen de cortocircuito

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(1)FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA. Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Controladores para máquinas de soldadura automáticas en régimen de cortocircuito.. Autor: Damir Molina Lorenzo. Tutor: M.Sc. Alejandro García Rodríguez. Santa Clara Curso 2005-2006 “Año de la Revolución Energética en Cuba”. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica.

(2) Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA. Controladores para máquinas de soldadura automáticas en régimen de cortocircuito. Autor: Damir Molina Lorenzo [email protected]. Tutor: M.Sc. Alejandro García Rodríguez [email protected]. Santa Clara 2006.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i PENSAMIENTO. LOS BUENOS LIBROS REEMPLAZAN A LA MEJOR UNIVERSIDAD. EMERSON..

(5) ii DEDICATORIA Este Trabajo está dedicado especialmente a mi compañero de estudios, Maikel Corso Frajela, quien supo guiar en sus cortos 17 años, todas las fuerzas de su corazón hacia las más acrecentadas aspiraciones de su vida. A mis padres, mi hermana, mis familiares y amigos por el apoyo brindado en estos años de esfuerzos y sacrificios para todos. A la Universidad, por haberme regalado los mejores momentos de mi vida..

(6) iii AGRADECIMIENTOS Agradezco en este trabajo a mis padres Miguel Molina y Leonor Lorenzo, a mi hermana Dayamí Molina por estar siempre a mi lado, a Hery por brindarme su amistad, a mis familiares y amigos más allegados, a la colaboración de mi tutor Alejandro García Rodríguez, a Mileidys, a Yandro, a Lisney; por existir..

(7) iv TAREAS TÉCNICAS Los contenidos derivados de este estudio permitirán disponer de una gran cantidad de información válida para diseño, puesta a punto y prueba de controladores para fuentes de potencia de diversos procesos de soldadura. Información muy importante a utilizar en la docencia de Equipos para Soldar y tecnología de soldadura. Nos hemos propuesto realizar una búsqueda de información sobre los principales controladores utilizados, sus características, usos industriales, demostrando su importancia y aplicación. Realizar una descripción detallada de los principales principios de funcionamiento, circuitos electrónicos, interfases, etc. Concluyendo con una valoración de los equipos más factibles a utilizar en Cuba.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v RESUMEN Este trabajo se centra fundamentalmente en el estudio de los dispositivos controladores empleados en los procesos de soldadura con transferencia por cortocircuito. Se realizó una búsqueda bibliográfica de información sobre estos dispositivos; funcionamiento, características generales, facilidades y ventajas que brindan. La búsqueda estuvo basada en artículos recientes publicados en Internet, fundamentalmente patentes que exponen informaciones de gran actualidad. Se describe, el funcionamiento de los sistemas de hardware y software de estos dispositivos y las principales funciones realizadas en cada instante del proceso de soldadura. Se realiza además una búsqueda bibliográfica sobre la tecnología implementada hoy en nuestro país y la empleada en la industria mundial, destacando diferencias y similitudes y se exponen variantes a explotar en Cuba. Los contenidos derivados de este estudio permitirán disponer de gran cantidad de información válida para diseño, puesta a punto y prueba de controladores para fuentes de potencia de diversos procesos de soldadura Los objetivos a lograr con el trabajo son: •. Hacer una búsqueda bibliográfica sobre los dispositivos controladores, su funcionamiento, características, usos industriales, etc.. •. Realizar una descripción detallada del software y hardware de los mismos.. •. Analizar estas modernas tecnologías para valorar las variantes más factibles a utilizar en nuestro país..

(9) vi TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREAS TÉCNICAS ...........................................................................................................iv RESUMEN .............................................................................................................................v INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................1 CAPÍTULO 1: CARACTERIZACIÓN DE LOS CONTROLADORES Y ESTUDIO COMPARATIVO DE TECNOLOGÍAS QUE SE USAN EN LA ACTUALIDAD .............4 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................4 1.1 PRINCIPIOS DE CONTROL EN LA SOLDADURA AUTOMÁTICA ........................4 1.2 ESTUDIOS DE PATENTES DE CONTROLADORES..................................................7 1.2.1 Características generales del controlador .............................................................7 1.2.2 Descripción detallada de una aplicación de esta invención ................................9 1.3 ESTUDIO COMPARATIVO DE ALGUNAS PATENTES MÁS EMPLEADAS EN LA ACTUALIDAD..............................................................................................................15 1.4 CONCLUSIONES ..........................................................................................................22 CAPĺTULO. 2:. CARACTERĺSTICAS. DEL. HARDWARE. Y. EL. SOFTWARE. EMPLEADO EN ESTOS EQUIPOS ...................................................................................25 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................25 2.1 CARACTERĺSTICAS Y FUNCIONAMIENTO DEL HARDWARE Y SOFTWARE DE LOS CONTROLADORES.............................................................................................25 2.1.1 Comparación de Sistemas de hardware y software ............................................25 2.1.2 Descripción detallada del funcionamiento del software implementado.............27.

(10) vii 2.1.3 Descripción del funcionamiento del hardware implementado ...........................31 2.1.4 Implementación de estabilizadores de salida en los soldadores.........................35 2.2. MICROPROCESADORES. MÁS. UTILIZADOS. EN. CONTROLADORES. MODERNOS ........................................................................................................................36 2.3 CONCLUSIONES ..........................................................................................................38 CAPĺTULO 3: PRESENTACIÓN DE LAS VARIANTES MÁS FACTIBLES PARA SU USO EN EL PAĺS.................................................................................................................40 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................40 3.1 COMPARACIÓN DE LAS TECNOLOGĺAS IMPLEMENTADAS EN CUBA Y LAS EMPLEADAS EN LA INDUSTRIA MUNDIAL ...............................................................40 3.2 CONTROLADORES COMERCIALIZADOS EN EL MERCADO MUNDIAL QUE PUEDEN SER EMPLEADOS EN CUBA...........................................................................44 3.3 CONCLUSIONES ..........................................................................................................50 CONCLUSIONES ................................................................................................................52 RECOMENDACIONES.......................................................................................................53 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................54.

(11) Introducción. 1. Introducción La tecnología de soldadura automática por arco eléctrico, ha evolucionado desde la década de los 80 ante las crecientes necesidades de automatización de la industria a nivel mundial, alcanzando con la ayuda de la electrónica y la informática un estadio superior. En la búsqueda de la calidad, se hizo necesario perfeccionar métodos de control, registro y procesamiento de datos, así como de procesamiento de las señales de voltaje y corriente de arco sensadas, apareciendo controladores específicos para procesos y procedimientos de soldadura en diferentes regímenes de trabajo. La tecnología de soldadura automática por arco eléctrico en Cuba, se utiliza fundamentalmente en procesos de soldadura con protección gaseosa (GMAW), en procesos de soldadura por arco sumergido (SAW), y en la soldadura automática con electrodo de tungsteno protegido por gases (TIG); en las mismas no se utilizan controladores por ser esta una tecnología de última generación, desconocida en el ambiente industrial actual, dados sus altos precios que no justifican su adquisición para producciones pequeñas en parte, y por otra parte por un gran desconocimiento de las implicaciones que puede tener una producción sin considerar los beneficios que esta tecnología permite. La necesidad de controlar en tiempo real la calidad de la soldadura eléctrica automática, durante la ejecución del un procedimiento de soldadura, surge ante la presencia de eventos que pueden desestabilizar el punto de operación del procedimiento. Las patentes más referenciadas en los últimos años refieren controladores basados en el procesamiento electrónico analógico y digital, de las señales de voltaje y corriente del arco eléctrico de soldadura. En Cuba, se carece de información sobre este tipo de controladores, así como de los problemas que puede traer su no utilización; es muy importante especificar sus condiciones de funcionamiento, tipos de controladores, ventajas y desventajas, etc. Con este trabajo, se realiza una búsqueda de información sobre los principales controladores utilizados, sus características, precios, usos industriales, demostrando su importancia y aplicación. Así como una descripción detallada de los principales principios.

(12) Introducción. 2. de funcionamiento, circuitos electrónicos, interfases, etc.; concluyendo con una valoración de los equipos más factibles a utilizar en Cuba. Los contenidos derivados de este estudio permitirán disponer de una gran cantidad de información válida para diseño de controladores para fuentes de potencia de diversos procesos de soldadura. Información necesaria para su utilización en procesos industriales. Esto permite optimizar la calidad y eficiencia de una producción y su relación costobeneficio. Esta investigación es de importancia en la investigación sobre procesos de la ingeniería mecánica, eléctrica y las telecomunicaciones, no presenta ningún tipo de limitación y si muchas ventajas, ya que amplía un nuevo campo de estudio dentro de línea de equipos para soldar. Con este proyecto se pretende contribuir al desarrollo de la investigación y la docencia en temas relacionados a los equipos para soldar, que contribuya al análisis de las causas de inestabilidades en la calidad de la unión soldada y ofrecer una respuesta a la constante demanda de alternativas para mejorar la eficiencia de nuestras producciones con soluciones económicamente factibles. La utilización de estos equipos permitirá a los especialistas e investigadores realizar estudios y análisis comparativos, que en función de la disponibilidad de los recursos, logren ajustar el equipamiento para su mejor utilización y así continuar desarrollando nuevos procedimientos de soldadura, teniendo en cuenta los resultados prácticos alcanzados y la confrontación con otros métodos y herramientas. Se dan soluciones a problemáticas modernas vinculadas con la obtención de información actualizada sobre equipos de gran complejidad y valor, cuya adquisición no se produce actualmente en nuestro país. Los resultados de la investigación poseen una. aplicación práctica y teórica de gran. trascendencia. Tiene además un profundo alcance metodológico y docente al contribuir a una mejor vinculación de los temas pertenecientes a la disciplina Electricidad y Automatización que se imparte en la facultad de ingeniería Mecánica, así como para otras asignaturas de las carreras de la facultad de Eléctrica. En este proyecto, expondremos, como tema esencial en su primer capítulo, la caracterización de los controladores y el estudio comparativo de las tecnologías que se usan.

(13) Introducción. 3. en la actualidad, apoyándonos en las patentes publicadas en los últimos años que comentan los principios de los controladores más actuales. En un segundo capítulo, nos referiremos, a la exposición de las principales características y funcionamiento del hardware y el software empleado en estos equipos. Para cerrar este trabajo investigativo, un tercer capítulo que se dedicará a la presentación de las variantes más factibles para su uso en el país, tomando en cuenta parámetros que serán definidos una vez que se haya estudiado tal tecnología en los capítulos anteriores..

(14) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 4 de tecnologías que se usan en la actualidad. Capitulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo de tecnologías que se usan en la actualidad. Introducción Controlar un proceso de soldadura es un elemento fundamental para mantener la estabilidad en el punto de operación del procedimiento. En los últimos años, la tendencia ha sido a mejorar el control de la soldadura de arco. La mayor parte de este esfuerzo ha implicado el diseño de circuitos más sofisticados. La soldadura automática por arco eléctrico ha evolucionado mucho ante las exigencias de la automatización en la industria, logrando un nivel mayor de desarrollo tecnológico. Se han implementado controladores que permiten obtener una adecuada calidad en el proceso de soldadura. Para ello se hizo necesario perfeccionar métodos de control, registro y procesamiento de datos, así como de procesamiento de las señales de voltaje y corriente de arco sensadas, apareciendo controladores específicos para procesos y procedimientos de soldadura en diferentes regímenes de trabajo. La necesidad de realizar una soldadura de forma más rápida, eficiente y de mejor calidad, llevó a un desarrollo y perfeccionamiento de técnicas y sistemas para el control y la monitorización de la soldadura. Un sistema automatizado para soldadura puede necesitar un controlador que permita ajustar los parámetros del proceso en tiempo real, cuando se detectan alteraciones relativas a los parámetros y al procedimiento predefinido. En el estudio de estos controladores se enfoca este trabajo. Se caracterizan y se realiza un estudio comparativo de las tecnologías más usadas en la actualidad.. 1.1 Principios de control en la soldadura automática El proceso de soldadura en régimen de transferencia de metal a cortocircuitos se basa en el establecimiento de un arco estable interrumpido por un período de extinción del arco, llamado período de cortocircuito..

(15) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 5 de tecnologías que se usan en la actualidad. Durante el estado de arco el electrodo se funde y durante el período de cortocircuito, el metal fundido del electrodo se transfiere desde el extremo del electrodo al charco de metal fundido. El metal transferido en un ciclo es considerado como una gota. La obtención de uniones soldadas de alta calidad en régimen de transferencia a cortocircuito resulta un tema profundamente estudiado en la actualidad. Se observa una tendencia al control electrónico automático de la relación entre los voltajes y corrientes del arco eléctrico de soldadura sustentado en estudios relativos a la física del arco y a los requerimientos que impone la tecnología de soldadura. La automatización de la soldadura por arco eléctrico, específicamente en el régimen de transferencia por cortocircuitos, enfrenta el reto de la optimización de la calidad de la unión soldada basado en diferentes esquemas de control de los parámetros eléctricos del arco. El control debe tener en cuenta tres condiciones: ¾ Primero, debe controlarse debidamente la longitud del arco. ¾ Segundo, el burn-off o el depósito de maza, debe ser controlado apropiadamente. ¾ Tercero, la corriente debe ser controlada también cuando se restablece el arco, ya que la salpicadura es también causada cuando hay demasiada potencia en el momento en que el cortocircuito se recupera, es decir durante la transición de un cortocircuito a un arco, se hace necesario detectar el punto en que el cortocircuito está a punto de desaparecer. Este control debe actuar en cada ciclo de cortocircuito permitiendo un control más preciso del proceso, así como una mejor reducción de la salpicadura. El Control de la longitud del arco se basa en la medición del voltaje de arco atendiendo a la relación directa que existe entre ambos. Típicamente, si el voltaje de arco es menor que un voltaje predefinido, se actúa para que la longitud de arco sea mayor. El control del depósito de masa, tradicionalmente, se realiza a través del control de la potencia de soldadura mediante la totalización de la energía liberada del arco. Esta potencia del arco de soldadura es una función de la corriente y el voltaje del arco. Sin embargo el.

(16) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 6 de tecnologías que se usan en la actualidad. ritmo de depósito o burn-off en un ciclo de transferencia a cortocircuito, es independiente del voltaje de arco, y predominantemente dependiente de la corriente de arco. Por esto los sistemas de control previos que usan la potencia del arco o su energía para controlar el burn off son complejos e imprecisos. Estos generalmente comparan el voltaje de arco o su primera derivada con un umbral, esfuerzos que resultaron en omisión o falta de predicciones positivas del cortocircuito. Es preferible una fuente de potencia para cortocircuitos que controle el ritmo de deposición en cada período de cortocircuito. Preferiblemente el proceso debe ser controlado de forma tal que la potencia se reduzca cuando el cortocircuito va a terminar. Por esto la fuente de potencia utilizada debe ser lo suficientemente rápida como para responder al control, pero no excesivamente cara o limitada en la corriente de salida pico Otro parámetro a tener en cuenta en el proceso de soldadura es la estabilidad. Una de las causas de inestabilidad en un proceso de soldadura con transferencia por cortocircuito se relaciona con el grado de calentamiento del alambre. El precalentamiento excesivo, conlleva a que la masa fundida crezca muy rápidamente y se deposite en la transición de un cortocircuito a un arco y requiere un tiempo grande de arco. Este ritmo de fundido rápido, se conoce como flare-up, (explosión). También puede ocurrir el caso opuesto, en el que la frecuencia de cortocircuito puede aumentar y los tiempos de arcos se hacen más cortos. Si la energía no se suministra lo suficientemente rápido, el cable puede entrar en el baño (stub). El resultado final de esto es un cortocircuito explosivo o sostenido sin arco (noodle welding). Por esto, es necesario tener un proceso de soldadura a cortocircuitos que compense precisamente el calentamiento del alambre. Se ha tratado en muchas patentes previas de controlar la terminación del proceso de soldadura. Algunos sistemas han tratado de establecer un cráter predeterminado para la parada, sin embargo, no presentan una respuesta rápida ni un esquema de control adecuado para producir un tamaño consistente de BALL (gota prendida a la punta del electrodo) deseado para la transferencia a cortocircuito. Otros como el Millar 60M.RTM, para proceso de spray pulsado, usan un algoritmo que reduce la frecuencia de los pulsos de salida para sincronizarlos a la frecuencia del motor. Se envía un pulso final que elimina el BALL del.

(17) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 7 de tecnologías que se usan en la actualidad. alambre y extingue el arco. Este método pudiera no funcionar para procesos tales como la soldadura a cortocircuito, que no controlan fuertemente la frecuencia de la salida de la fuente de potencia. Estas patentes previas no compensan efectivamente las irregularidades del proceso, tales como cortocircuitos no deseados. Se requiere una fuente de potencia y un controlador que provean un algoritmo de parada que reduzca el tamaño del BALL aproximadamente al diámetro del alambre, o a un tamaño adecuado, garantizando que el alambre no quede atrapado en la unión soldada. Por esto el algoritmo debe ser robusto, capaz de funcionar aún durante irregularidades del proceso y adaptable para variedad de procesos, tales como MIG, procesos spray, procesos pulsados y procesos de transferencia a cortocircuito. La fuente puede utilizar una topología a base de un conmutador en el secundario para controlar la salida. Esto permite un rápido control, que puede ser relativamente caro o tener insuficiente capacidad de corriente pico.. 1.2 Estudios de patentes de controladores Existen muchas patentes que describen las características de estos dispositivos controladores. En realidad, estableceremos un estudio de varias de ellas, las más actuales, definiendo sus características más importantes y diferencias.. 1.2.1 Características generales del controlador Este aparato permite un proceso de soldadura en el que se pueden depositar gotas de metal fundido del extremo del electrodo de soldadura, dentro de la charca de metal fundido de soldadura. La fuente de potencia tiene su circuito de corriente de salida a través del electrodo. Un circuito de realimentación proporciona una señal en tiempo real indicativa del calor de entrada de cada gota, (heat-input)..

(18) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 8 de tecnologías que se usan en la actualidad. El controlador acoplado a la fuente de potencia, tiene una entrada de realimentación acoplada al circuito de realimentación controlando la magnitud de la corriente proporcionada al alambre de soldadura en relación al calor de cada gota. La realimentación incluye una señal de corriente representativa de la salida y el controlador determina la potencia entregada al alambre así como cuando el corto es evidente según la potencia entregada, pudiendo determinar el ritmo de cambio de la potencia de salida. El. ⎛ dP ⎞ controlador determina también, un valor V.sub.c definido por, V.sub.c = k * ⎜ ⎟ , donde ⎝ dt ⎠ ⎛ dP ⎞ V.sub.c es un valor calculado, k es un escalar y ⎜ ⎟ , es la derivada de la potencia ⎝ dt ⎠. respecto al tiempo. El controlador compara V.sub.c con un voltaje umbral predefinido. di ⎞ dP ⎛ d ⎜ k1 ∗ − k2 − ⎟ dt dt ⎠ Puede además, determinar el valor V.sub.c definido por: V .sub.c = ⎝ . dt ⎛ dP ⎞ Donde k1 es un escalar, ⎜ ⎟ es la derivada de la potencia de salida, k2 es un escalar, y ⎝ dt ⎠ ⎛ di ⎞ ⎜ ⎟ es la derivada de la corriente de salida. ⎝ dt ⎠ Provee una variante que garantiza un ritmo de depósito de masa apropiado sensible a la velocidad de alimentación del alambre y a la distancia desde la punta del alambre a la pieza de trabajo. Y compara un valor sensible a la energía necesitada para depositar una cantidad de alambre dada a un valor representativo de la cantidad de energía entregada en al menos una porción de un ciclo de soldadura. Determina la energía necesaria acorde a la ecuación:. Q.sub.req = k 3 ∗ (R. sup .dep ∗ (H . sup .m + (T .sub.drop − T .sub.amb) ∗ (C.sub. p) ∗ (t.sub.tot ))) Donde, Q.sub.req es la energía necesitada, k3 es un escalar. R.sub.dep es el ritmo de depósito de masa, H.sub.m es el calor latente de fundición del alambre, T.sub.drop es la temperatura de la gota fundida, T.sub.amb es la temperatura ambiente del alambre, C.sub.p, es la capacidad de calor del alambre, y t.sub.tot es la longitud del ciclo. El controlador obtiene la energía entregada de acuerdo con:.

(19) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 9 de tecnologías que se usan en la actualidad. ⎛⎛ 3kt ⎞ rho ⎞ Q.sub.wire = ⎜⎜ ⎜⎜V .sub.anode+ WF + ⎟ ∗ I − + I .sup.2 ∗ l ∗ ⎟. 2e ⎠ A ⎠ ⎝⎝ Dónde Q.sub.wire es la energía entregada, V.sub.anode es la caída de voltaje en el ánodo, ⎛ 3kT ⎞ WF es la Work Function del metal del alambre, ⎜ ⎟ es la energía térmica de los ⎝ 2e ⎠. electrones generados en el alambre, I es la corriente de salida, l es la distancia de la boquilla de contacto (tip) al arco, rho es la resistividad del alambre, y A es el área de sección transversal del alambre. El controlador determina la longitud del alambre que va desde la boquilla de contacto a la punta (stick out). Este se determina mediante el establecimiento de un valor predefinido al voltaje de arco (set point), y su comparación con el voltaje de arco. Esta comparación se integra en el tiempo, el integrando es sumado con un error de ritmo de depósito integrado, y la suma es comparada con valores conocidos. Incluye además la parada del proceso de soldadura. El estado del arco se monitorea y la corriente es incrementada en respuesta a la formación del cortocircuito. Entonces, la corriente es disminuida a un nivel bajo cuando el corto va a restablecerse (cleared). Tal que no se forme una gran BALL en la punta del electrodo. Esto se repite hasta que el corto no ocurra y el alambre se detenga. Permite que la velocidad de alimentación del alambre sea monitoreada y la parada del proceso comienza cuando la velocidad de alimentación del alambre cae bajo un umbral. Se ajusta a procesos de soldadura MIG, spray, pulse spray, globular o transferencia a cortocircuito. Puede también actuar de forma que el arco es monitoreado mediante el monitoreo del voltaje de arco. 1.2.2 Descripción detallada de una aplicación de esta invención. La siguiente aplicación, comprende, además, un esbozo general de lo que implementan las patentes más actualizadas, y aunque ella se ilustra referida a un determinado esquema de control, un circuito de control, una determinada fuente de potencia, y ciertas formas de.

(20) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 10 de tecnologías que se usan en la actualidad. onda ilustrativas, debe comprenderse, que no se limita a los componentes descritos. Otros circuitos y esquemas de control pueden emplearse. Esta aplicación describe un método y aparato para controlar un proceso de soldadura (MIG), en régimen de cortocircuito. Un alambre electrodo, se introduce mecánicamente hacia el área a soldar a un ritmo relativamente constante mediante un alimentador de alambre. El alambre es consumido en la unión soldada mediante la repetición de ciclos de cortocircuito alternados con períodos de arco. Este proceso se refiere generalmente a la soldadura con transferencia por cortocircuitos. Generalmente una máquina de soldadura usada para soldadura a cortocircuito incluye al menos una fuente de potencia, un controlador y un alimentador de alambre. El proceso de soldadura con transferencia a cortocircuitos es un proceso cíclico. Un ciclo del proceso, comienza con un período de arco estable seguido de un cortocircuito y es completado con el comienzo de otro período de arco estable. La longitud típica del ciclo es 10 msec. El electrodo, y una porción del metal base, es fundida durante el proceso debido al flujo de corriente a través del electrodo hacia el depósito de soldadura. Generalmente, una porción del material del alambre se funde durante la condición de arco, y se transfiere durante la condición de cortocircuito. El esquema de control utilizado, usa una señal de corriente para manejar la corriente de salida. La señal de mando está compuesta por múltiples componentes. Uno de esos componentes fija el nivel del comando de corriente (long-term current command). Otro componente ajusta el nivel del comando de corriente en tiempo real durante cada cortocircuito (short-by-short) (short-by-short current command). La realimentación del voltaje de arco es usada para determinar si la longitud deseada de arco es la adecuada y para ajustar el comando (long-term). El comando de corriente shortby-short, o corto por corto, se deriva de la realimentación de corriente en tiempo real mejor que de la potencia, y es usado para controlar la razón de depósito instantánea (burnoff), y el ajuste del comando de corriente short-by-short..

(21) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 11 de tecnologías que se usan en la actualidad. El esquema de control solo utiliza una función de la derivada en el tiempo de la potencia del arco (en lugar de la derivada de la corriente del arco), para detectar en tiempo real cuando el cortocircuito está apunto de terminar. (to be clear). Se utiliza un algoritmo de parada que monitorea el arco en base short-by-short. Cuando el proceso está finalizando se suministra un nivel de corriente muy bajo para evitar la formación del BALL. Cuando un cortocircuito ocurre, (indicado por una caída del voltaje de arco) después de un nivel bajo de corriente, se suministra un incremento de la energía para fundir la gota. Después que el corto es limpiado, nuevamente se suministra una corriente baja que evite la formación de un BALL grande. Esto se repite mientras el alambre no pare y el proceso culmine. La fuente de potencia tiene la capacidad de cambiar su corriente de salida muy rápidamente. Esta fuente puede ser un sistema de fuente inversora con una muy baja impedancia de salida, o un conmutador (switcher), en el secundario. Siempre teniendo en cuenta que conmutar grandes corrientes puede incrementar los problemas de fiabilidad y las pérdidas en la conmutación, un ejemplo de ello se pone de manifiesto en la patente U.S Pat. No. 4, 469,933. La presente invención usa un controlador que controla al proceso de soldadura y coopera con la fuente de potencia. El controlador provee una orden a la fuente indicando la magnitud de corriente necesaria. La fuente de potencia incluye su propio controlador que controla la corriente necesaria. La fuente es controlada también por un controlador externo. El convertidor de resonancia serie tiene una velocidad de respuesta muy rápida, algunos arreglos utilizan fuentes inversoras, de fase controlada y de conmutador secundario. Como podremos ver más adelante, la invención descrita incluye un algoritmo implementado por el microprocesador y un circuito analógico. Los algoritmos controlan el proceso de soldadura mediante el control de la razón de depósito de masa cortocircuito a cortocircuito, este control se realiza mediante el control de la corriente en cada período. Este control en cada ciclo se combina con el control de corriente basado en el control del voltaje de arco (para obtener una longitud de arco deseada). La fuente de potencia y el.

(22) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 12 de tecnologías que se usan en la actualidad. controlador de este esquema son suficientemente rápidos como para suministrar la corriente necesaria en mucho menos tiempo que el requerido por un ciclo de soldadura. El control de la razón de depósito en cada ciclo, como hemos comentado, se controla basado en una muestra de la corriente de arco realimentada. El voltaje de arco no es usado aquí, para controlar la razón de depósito ciclo por ciclo ya que la razón de depósito depende mucho más de la corriente que del voltaje de arco. En esta topología, se usan dos lazos de control simultáneos, un lazo de longitud del arco usando el voltaje de arco como realimentación para determinar el comando de corriente (long-term) y el ritmo de depósito, usa la corriente de arco como realimentación para definir el comando short-by-short, o ciclo por ciclo. Los dos lazos son sopesados de diferente forma. Ambos, el voltaje de arco y la corriente son usadas en tiempo real para detectar, en tiempo real, la evidencia inequívoca del cortocircuito (short-clearing), para terminar el proceso como se describe más adelante. Por ejecución del algoritmo se definen cambios en la forma de onda de corriente durante algunos instantes de tiempo. Se controla el nivel de corriente en los intervalos de arco y cortocircuito entregando un valor elevado de corriente durante la condición de arco por un tiempo suficientemente largo para fundir el electrodo final. Después, dentro de esta propia condición de arco la corriente está a un nivel predefinido para sostener el arco en una magnitud suficiente para continuar fundiendo el alambre no más rápido que el ritmo al cual está siendo alimentado dentro del depósito. Esta condición finaliza cuando la punta del electrodo hace contacto con el charco de metal fundido, y se restablece la condición de cortocircuito. El final de la condición de arco es por tanto el comienzo de la condición de cortocircuito. Esta transición causa una caída abrupta en el voltaje de salida. El algoritmo de esta aplicación, define el comienzo del corto como el tiempo al cual el voltaje de salida atraviesa un umbral, V.sub.sht. El umbral es determinado por un comparador que recibe una señal de realimentación de voltaje y entrega su salida al controlador. El umbral pudiera variar en dependencia de la velocidad de alimentación del alambre, tipo y tamaño del alambre, y/o otros parámetros de soldadura..

(23) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 13 de tecnologías que se usan en la actualidad. Se ha descubierto que un nivel alto de corriente en el inicio de un cortocircuito puede causar un batimiento del corto “whister short”. Este tipo de cortocircuito es de duración anormal a causa del punto de contacto inicial entre el alambre y el depósito, siendo este intervalo poco suficiente para manipular la magnitud de corriente. (Actúa como un fusible que se funde). Por esto, la corriente es decrementada al comienzo de cada cortocircuito. Esto no se usa en todas las aplicaciones. El decrecimiento está dirigido por el cambio de la orden de corriente desde el microprocesador. El nivel reducido de corriente, es mantenido por un período de tiempo para asegurar que el material fundido en la punta del electrodo se transfiera dentro del depósito. La duración de este período de tiempo es dependiente del tamaño del extremo fundido del electrodo y es además dependiente la velocidad de alimentación del alambre. Además, los cambios producidos por el operador en la distancia de la boquilla de contacto a la pieza de trabajo en el modo semiautomático pueden causar variaciones en el tamaño de la bola de metal fundido al extremo del electrodo (ball), de una secuencia de cortocircuito a la otra. Por esto, la duración de este tiempo es sensible a la velocidad de alimentación del alambre y al movimiento del operador. Los inventores han aprendido que generalmente, el tamaño del ball puede ser correlacionado a la duración de tiempo de arco anterior. Para un tiempo de arco más largo, una mayor cantidad de alambre se funde, el cual debe ser transferido durante el próximo cortocircuito. El microprocesador, monitorea el tiempo de cada arco y lo compara contra un tiempo nominal preestablecido. La diferencia entre los dos valores es usada para efectuar un cambio en la longitud del tiempo de baja corriente una vez que el arco ha espirado. Más específicamente en esta aplicación, si una secuencia de arco excede el valor predeterminado, entonces, este tiempo es incrementado en una cantidad proporcional a la diferencia entre ellos. Cuando este se completa, se ordena un incremento de corriente. El ritmo de subida se selecciona de manera que asegure que el nivel de corriente alcance el valor necesario para iniciar el cuello (necking) de la interfase fundida entre el alambre y el.

(24) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 14 de tecnologías que se usan en la actualidad. depósito en el tiempo requerido para la transferencia de la gota de metal fundido, teniendo en cuenta el efecto de la tensión superficial. El cuello de la interfase, se refiere a que la columna fundida alcanza un área de la sección transversal más pequeña que el área de la sección nominal del alambre sólido. Este ritmo de subida de corriente se mantiene hasta que el controlador determina que el corto va a terminar. El evento que evidencia el restablecimiento del cortocircuito, por ejemplo, la transición de un cortocircuito a un arco, puede ser la porción más violenta del proceso y puede producir la mayor cantidad de salpicadura. La naturaleza explosiva del evento se reduce en este caso, disminuyendo la magnitud de corriente antes o durante el restablecimiento del corto. El ⎛ dP ⎞ controlador emplea en otras versiones, la primera derivada de la potencia, ⎜ ⎟ , para ⎝ dt ⎠. detectar el evento de restablecimiento del cortocircuito en tiempo real. Sin embargo el aumento de la corriente durante el tiempo previo al cortocircuito puede causar que el circuito derivativo de potencia alcance un máximo valor de voltaje de salida y se mantenga así por un período de tiempo. Esta lenta recuperación del valor máximo de voltaje mantenido durante cierto período de tiempo en el circuito derivativo, es interpretado por el sistema de control como una dificultad en la ejecución del evento “necking”, al no ser detectada variación alguna en los parámetros indicativos del restablecimiento de un cortocircuito. Este problema es resuelto en otras versiones, mediante la resta de una cantidad adecuadamente escalada relativa al ritmo de cambio de la corriente. La señal usada para detectar la acción necking, es un voltaje de control V.sub.c implementado por hardware. V.sub.c es un valor calculado y puede derivarse usando un circuito digital. Esta señal es: V .sub.c = Ksub .1 *. dP di − Ksub .2 * dt dt. Dónde k.sub.l y k.sub.2 son escalares. El controlador determina que el necking había comenzado cuando V.sub.c aumenta sobre un nivel V.sub.threshold; umbral que puede.

(25) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 15 de tecnologías que se usan en la actualidad. variar con las condiciones de soldadura, por ejemplo, velocidad de alimentación del alambre, tipo y dimensiones del alambre. Usar la sustracción escalar reduce el rango en V.sub.c por eso, V.sub.c no satura el hardware. El microprocesador está capacitado para aceptar la señal de comparación indicando que V.sub.threshold ha sido alcanzada en esta versión. Sin embargo, V.sub.c es aún mayor que V.sub.threshold durante un tiempo. Esta aplicación funciona mucho mejor que la de las patentes anteriores, respecto a nuestra aplicación, se muestra una detección de la limpieza del cortocircuito (cleaning), aún más rápida. El controlador, en esta aplicación, determina la derivada de una cantidad entera definida arriba. Por esto, en nuestra versión:. di ⎞ ⎛ dP d⎜ − a* ⎟ dt dt ⎠ V .sub.c = ⎝ . dt Esta aplicación se ejecuta mediante hardware. Otras alternativas incluyen el uso de otras ⎛ dP ⎞ ⎛ dV .sub.c ⎞ ⎛ dP ⎞ ⎛ dR ⎞ funciones de ⎜ ⎟ , usan funciones de ⎜ ⎟ en lugar de ⎜ ⎟ , así como ⎜ ⎟ , o dt ⎠ ⎝ dt ⎠ ⎝ ⎝ dt ⎠ ⎝ dt ⎠ derivadas de mayor orden de estos parámetros, o de otras funciones de esos parámetros, y combinaciones de ambos. Las señales de realimentación de voltaje y corriente son usadas para obtener una realimentación de la señal de potencia. La realimentación de voltaje se obtiene del cabezal de soldadura al terminal de tierra conectado eléctricamente a la pieza de trabajo. El lazo de realimentación de corriente es sensado preferiblemente usando un transductor de corriente en serie con la salida de corriente, pero localizado en la fuente de potencia. Se pueden usar otras posiciones del sensor.. 1.3 Estudio comparativo de algunas patentes más empleadas en la actualidad. Muchas de las patentes más empleadas en la actualidad reincorporan en sus antiguas aplicaciones otras nuevas que permiten un mejor comportamiento del sistema..

(26) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 16 de tecnologías que se usan en la actualidad. Ahora estableceremos una comparación de las patentes más recientes que fueron encontradas, dejando esclarecidas sus diferencias en cuanto a sus características más relevantes y funcionamiento. Patente No 6,995,338. (7 de febrero del 2006): Esta patente asegura que la tarifa del burn-. off sobre una base corto-por-corto, (la más empleada en las patentes más modernas) es en gran parte independiente del voltaje del arco, y es predominantemente una función de la corriente del arco. Así, los esquemas del control de las patentes menos recientes, que utilizan energía del arco para controlar la tarifa del burn-off son complejos e inexactos, aspecto que es totalmente diferente en nuevos controladores. Este control actual corto-porcorto es combinado con el sistema actual del control por voltaje del arco para obtener una longitud deseada del arco. La fuente de energía y el regulador para esta forma de trabajo, son suficientemente rápidos en proporcionar la corriente deseada en menos tiempo que el requerido por un ciclo de soldadura. La patente describe un método y un aparato para la soldadura con transferencia por cortocircuito que incluye la determinación de cuando el corto está por concluir , y se ⎛ dP ⎞ calcula un valor Vc definido por V .sub.c = k ∗ ⎜ ⎟ , y compara Vc a un Vthreshold, ⎝ dt ⎠ diferente a otras patentes modernas, que como habíamos comentado utilizan di ⎞ ⎛ dP d⎜ − a* ⎟ dt dt ⎠ ⎛ dP ⎞ ⎛ dR ⎞ V .sub.c = ⎝ , ⎜ ⎟ ,así como ⎜ ⎟ . Aquí el regulador dt ⎝ dt ⎠ ⎝ dt ⎠. indica que un. cortocircuito está por concluir cuando se cruza Vthreshold, la corriente se reduce ⎛ dV ⎞ precipitadamente, y además cuando ⎜ ⎟ no es negativo, es decir cuando existe un ⎝ dt ⎠ aumento del voltaje. Patente No 6, 987,243 (17 de enero de 2006): Un tipo de topología común de la fuente de. energía de patentes anteriores utilizan los switchers secundarios para controlar la salida. Mientras que éstos pueden proporcionar control rápido, pueden ser relativamente costosos o tener capacidad escasa de la corriente máxima. También, pueden causar problemas de fiabilidad y pérdidas en la conmutación..

(27) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 17 de tecnologías que se usan en la actualidad. Algunos ejemplos de las patentes que incluyen los switchers secundarios son: U.S.Pat. No. 4.469.933 (septiembre de 1984); 4.485.293 (noviembre de 1984); 4.544.826 (octubre de 1985); 4.717.807 (enero de 1988). Muchas de estas antiguas patentes utilizan el control de la longitud del arco comparando el voltaje de arco con un valor predefinido. Sin embargo, el control de la tasa del burn-off o tasa de deposición, es realizado mediante la totalización de la energía liberada del arco. Como conocemos de antemano que esta velocidad de depósito es independiente del voltaje de arco, y predominantemente dependiente de la corriente de arco, podemos asegurar que los esquemas del control de estas patentes que utilizan la energía del arco son complejos, e inexactos. En el grupo de antiguas patentes que utilizan tales de métodos de control podemos mencionar: U.S.-Pat. No. 4.866.247 (septiembre de 1989), 4.897.523 (enero de 1990); 4.954.691 (septiembre de 1990); 5.003.154 (marzo de 1991). Algunas de estas antiguas patentes enseñan el control de la energía cuando un cortocircuito está concluyendo prediciendo el término del cortocircuito. Comparan generalmente voltaje del arco a un umbral. Por consiguiente, se hace necesaria una fuente de alimentación de soldadura de transferencia por cortocircuito que controle adecuadamente la tasa del burnoff, preferiblemente sobre una base corto-por-corto. El proceso debe ser controlado de tal manera que la energía esté reducida cuando el cortocircuito está concluyendo. También, la fuente de energía usada debe ser suficientemente rápida, responder al control, pero no indebidamente costoso o limitado en corriente de salida máxima. Como habíamos comentado anteriormente, una de las causas de la inestabilidad se relaciona con el hecho de entregar mucho o poco calor al alambre, por ello, se debe tener en cuenta el nivel de calor suministrado. El calentamiento excesivo del alambre puede ocasionar un rápido crecimiento de la gota del metal fundido, siguiendo la transición de un cortocircuito a un arco. Este fenómeno da lugar a un aumento rápido en la longitud del arco con un aumento correspondiente del voltaje. En el calentamiento escaso del alambre, la frecuencia del cortocircuito aumenta, los tiempos del arco llegan a ser más cortos, y al entrar el alambre en el baño de metal fundido, se produce un cortocircuito sostenido sin el arco..

(28) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 18 de tecnologías que se usan en la actualidad. La mayoría de los controladores de patentes anteriores ajustan después de que haya ocurrido un calentamiento excesivo del alambre. Como habíamos visto anteriormente, se hace necesario un proceso en el que se compense este calentamiento. El tamaño del BALL puede variar desde 1 a 3 veces el diámetro del alambre después de un proceso de soldadura con transferencia por cortocircuito. Previamente un operador corta la punta del alambre, lo cual elimina el BALL, o en algunos sistemas robóticos con transferencia spray, se hace un paso adicional de cierre del arco para acondicionar el extremo del alambre al final de cada soldadura y para asegurar que el alambre no quede fundido al depósito. U.S.-Pat. No. 5.412.175 (mayo 1995). Esto puede producir un diámetro uniforme del alambre al comienzo de la próxima soldadura, y esta pérdida de tiempo, y el procedimiento extra, pueden no necesitarse si el alambre tiene un diámetro consistente cuando se detiene cada proceso. Esta patente comenta el uso de una fuente de energía que tiene la capacidad de cambiar su corriente de salida muy rápidamente (en la orden de 1000 amps/msec). Un ejemplo de este tipo de fuente de energía sería una fuente de potencia con un switcher secundario. Patente No 6, 969,823. (29 de noviembre del 2005): Esta patente expone lo referente al. control empleado en el proceso de soldadura. Este tipo de soldadura con transferencia por cortocircuito tiene desventajas, relacionadas con las transiciones de arco a cortocircuito y de cortocircuito a arco respectivamente, la inestabilidad del proceso y las salpicaduras que pueden resultar cuando hay demasiada potencia en el momento en que el cortocircuito se recupera, es decir durante la transición de un cortocircuito a un arco. Muchas tentativas de patentes anteriores fueron hechas para crear una fuente de alimentación estable de la soldadura con transferencia por cortocircuito, entre ellas podemos encontrar, U.S.-pat. No. 4.717.807 (enero de 1988), 4.835.360 (mayo de 1989), 4.866.24 (septiembre de 1989), 4.897.523 (enero de 1990), 4.954.691 (septiembre de 1990), 4.972.064 (noviembre 1990), 5.001.326 (marzo de 1991), 5.003.154 (marzo de 1991), 5.148.001(septiembre de 1992), 5.742.029 ( abril de 1998), 5.961.863 (octubre de 1999 ), 6.051.8109 (abril del 2000) y 6.160.241( diciembre del 2000)..

(29) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 19 de tecnologías que se usan en la actualidad. Estas patentes divulgan generalmente los esquemas complicados del control que no pueden controlar el proceso ni proporcionar un intervalo de gases de protección (sin transferencia metálica) estable y eficaz. Incluyen los esquemas del control que intentan controlar la deposición del material, predecir, o causar una transición al estado siguiente basado en la energía total, voltajes totales, duración del estado precedente o seguimiento de otros parámetros que pueden aportar al chequeo de los cambios de cortocircuito a arco o viceversa. Estos esquemas comparten una falta común: intentan controlar la energía utilizada en la soldadura con gases de protección y las transiciones entre los intervalos de arco y cortocircuito simultáneamente, usando la corriente o la energía de salida. Esto exige necesariamente sacrificar de un fenómeno a controlar (energía a la transición de los gases empleados o del estado) para ocuparse del otro, por lo que controlar ambos procesos a la vez, posibilita que se ejecute un mal control en alguno de ellos. Otro sistema de control de la soldadura con transferencia por cortocircuito se divulga en U.S.-Pat. No. 6.326.591 (diciembre del 2001). Esta patente comenta el control adecuado de la energía empleada en la soldadura con protección gaseosa pero no proporciona el control independiente de las transiciones entre los estados de arco y cortocircuito. Los actuales inventores han publicado descripciones de un proceso controlado de la soldadura con transferencia por cortocircuito donde el movimiento mecánico del alambre (que avanza y retrocede) se utiliza para controlar la transición entre los estados de la soldadura. Separando el control de las transiciones del control de la energía, el sistema permite un mejor control de cada uno. Por tanto, el sistema controlado de la soldadura con transferencia por cortocircuito requiere la capacidad de emplear un movimiento mecánico adecuado el alambre (avance y retroceso). Las patentes anteriores no han tratado adecuadamente las necesidades de la soldadura con transferencia por cortocircuito en corrientes más bajas con alambres más gruesos, pues es difícil soldar utilizando protección gaseosa con un alambre más grueso de diámetro en las corrientes bajas, ello se obtiene conjugando la velocidad en el movimiento mecánico del alambre con la de su alimentación..

(30) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 20 de tecnologías que se usan en la actualidad. Esta patente refiere además, una entrada adicional seleccionable del usuario para manipular los tiempos de transiciones y diferentes estados (cortocircuito y arco). Queda totalmente predefinido un intervalo de tiempo específico para cada estado de arco y cortocircuito cambiando la forma actual de las ondas para cada intervalo, controlando el valor de la corriente en cada transición. Patente 6, 794,608 (Septiembre 2004): Esta patente expone sobre los sistemas y métodos. actuales de control que emplea la soldadura con protección gaseosa. En los últimos años, se ha mejorado el control de las corrientes de la soldadura con protección gaseosa en sistemas de soldadura de arco, el cual viene dado por los cambios de corrientes o voltajes medidos entre el electrodo y el objeto. Con el desarrollo de microprocesadores se han hecho las tentativas de convertir muchas de las funciones de control de la soldadura a digital, incluyendo el control de la corriente de la soldadura de arco. Estas funciones implementadas en software permiten en los dispositivos una mayor variedad de procesos de la soldadura, y no tener que diseñar circuitos específicos para cada función. La patente No 5.278.390 (enero 1994), por otra parte, divulga una versión del regulador comentado en la patente No 4.973.814, en el cual la servo función hardware implementada del lazo cerrado, se transfiere a un procesador de la señal numérica capaz de modificar la “forma de onda” de referencia expresada en una “tabla del estado”. En el sistema divulgado en esta patente, el perfil o contexto actual se almacena en las tablas del estado que se pueden seleccionar para un proceso particular de la soldadura con gases de protección. En la soldadura con protección gaseosa, la regeneración de los gases utilizados es ejecutada teniendo en cuenta los valores actuales de la amplitud contenidos en la tabla activa del estado, obteniéndose una forma de onda que es aplicada a la salida de la fuente de energía. Este circuito de control posee la desventaja de tener que rescribir la tabla del estado durante cada ciclo..

(31) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 21 de tecnologías que se usan en la actualidad. La actual patente, en cambio, no procura modificar instantáneamente una forma de onda para conformarse con los cambios en voltaje detectado del arco, sino toma un acercamiento más simple pero más universal, adaptable, en el cual la forma de onda se divide en segmentos predeterminados de la amplitud, y solamente la sincronización de los segmentos se varía de tal modo, eliminando la necesidad de ajustar continuamente los valores de la amplitud para que en cada ciclo de la soldadura sean utilizados los gases de protección antes mencionados. El sistema y el método de esta patente, pueden responder al establecimiento del cortocircuito simplemente accionando un segmento del cortocircuito del perfil actual, sin tener que cambiar los valores actuales de la amplitud, que se presumen para ser iguales a partir de un ciclo del cortocircuito al siguiente. Un perfil actual de un cortocircuito más complejo que tiene seis o más segmentos, sería muy difícil de poner en ejecución con el ajuste de los valores actuales de la amplitud de la tabla del estado, mientras que un programador que utiliza la actual invención necesitaría simplemente seleccionar un perfil actual apropiado de la amplitud, y programar los disparadores apropiados para cualquier segmento variable de la duración en el perfil. Resumiendo, ninguna de las patentes discutidas anteriormente divulga el concepto de controlar una soldadura con protección gaseosa aplicando a la fuente de alimentación un perfil o contexto actual, en el que no se modifique una forma de onda para conformarse con los cambios en voltaje detectado del arco, sino en el cual la forma de onda se divide en intervalos predeterminados de la amplitud, y solamente la sincronización de los segmentos se varía, eliminando la necesidad de ajustar continuamente los valores de la amplitud para cada ciclo de la soldadura. Patente 6, 512,200 (28 de enero del 2003): Esta patente revela las especificaciones para. controlar el tamaño de la gota fundida como un proceso para reducir las salpicaduras. Conocemos que durante el período de arco se forma una gota fundida en el extremo del electrodo que se transfiere al objeto en la fase de cortocircuito. Se debe tener en cuenta que el tamaño de la gota no debe ser muy grande porque contribuiría con la inestabilidad pues la fase de formación de arcos, puede verse alterada debido a la extremidad del electrodo al.

(32) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 22 de tecnologías que se usan en la actualidad. área de contacto del objeto. El tamaño de la gota fundida formada durante la fase de formación de arcos determinará la cantidad de corriente que se requiera. Un método de valoración del tamaño de la gota requiere que en primer lugar esté estimada la extremidad del contacto a la distancia del objeto (CTWD), el tiempo del tránsito en que el material del electrodo demora en llegar al objeto, el nivel de calor entregado del electrodo, la razón de fusión. Esta manera de estimar el tamaño de la gota permite que el sistema de control maneje los valores de corriente suministrados al metal durante su fusión. Un método alternativo de valoración del tamaño de la gota es medir simplemente el tiempo transcurrido de cada ciclo de los gases de protección utilizados en la soldadura, es decir el tiempo de fundido del metal, y estimar el tamaño de la gota si se asume que el nivel de entrada del alambre sigue siendo exactamente constante. Una vez que el tamaño de la gota sea estimado por cualquier método, el regulador puede valorar el tamaño escaso de la gota cambiando los parámetros de condicionamiento tales como aumento de la corriente de formación de arcos de estado estacionario en el ciclo siguiente, para asegurarse de que un tamaño conveniente está alcanzado antes del cortocircuito siguiente. Los parámetros del sistema de control variarán en dependencia de los parámetros del sistema de la soldadura, tales como, el grueso del alambre y las características de la fuente de energía.. 1.4 Conclusiones. Un proceso de soldadura con transferencia por cortocircuito requiere de un control en tiempo real de los parámetros de soldadura que permitan disponer de los acontecimientos físicos del evento. Sensar los valores de voltaje y corriente en cada uno de los ciclos de la soldadura garantiza que estos se ejecuten cumpliendo las normas requeridas por el usuario o el trabajo a realizar. Con el control de los parámetros físicos se puede dominar el proceso en conjunto, garantizando la calidad de la unión soldada..

(33) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 23 de tecnologías que se usan en la actualidad. Sensando los valores de corriente podemos tener una medida de la potencia de soldadura entregada al metal a fundir y chequear el ritmo de depósito del metal. La realimentación del voltaje de arco es usada para determinar si la longitud de arco es la adecuada y para ajustar el comando (long-term). El comando de corriente corto por corto, se deriva de la realimentación de corriente en tiempo real mejor que de la potencia, y es usado para controlar la razón de depósito instantánea (burn-off), y el ajuste del comando de corriente short-by-short. Es preferible una fuente de potencia para cortocircuitos que controle el ritmo de deposición en cada período de cortocircuito, reduciendo la potencia cuando el cortocircuito está por terminar. Por esto la fuente de potencia utilizada debe ser lo suficientemente rápida como para responder al control. Esta fuente puede ser un sistema de fuente inversora con una muy baja impedancia de salida, o un conmutador (switcher), en el secundario. Siempre teniendo en cuenta que conmutar grandes corrientes puede incrementar los problemas de fiabilidad y las pérdidas en la conmutación. Otro parámetro a tener en cuenta en el proceso de soldadura es la estabilidad. Una de las causas de la inestabilidad en un proceso de la soldadura con transferencia por cortocircuito se relaciona con el grado de calentamiento del alambre, dependiendo de este calentamiento, si es grande o escaso, se pueden obtener arcos o cortocircuitos estables respectivamente que pueden afectar la estabilidad del proceso. Mediante un conjunto de operaciones matemáticas el controlador puede valorar el nivel de calor entregado al alambre, y puede determinar la fase terminar del cortocircuito tomando como patrón un valor de voltaje que es comparado con otro obtenido de la derivada de la potencia, algunos dispositivos implementan la derivada del voltaje o resistencia teniendo en cuenta lo que esta última representa físicamente dentro del propio proceso. Se hace necesario controlar el tamaño de la gota de metal fundido teniendo en cuenta que este puede influir en la ocurrencia de salpicaduras que afectarían la calidad del acabado en la unión soldada. El tamaño de esta bola de metal fundido puede ser valorado por diferentes métodos a partir de parámetros físicos de la soldadura como el calentamiento del alambre, el tiempo de demora en la transferencia del metal desde el electrodo al objeto,.

(34) Capítulo 1: Caracterización de los controladores y estudio comparativo 24 de tecnologías que se usan en la actualidad. considerando que el valor de la corriente de alimentación del alambre juega un papel fundamental en el tamaño de la misma. Se ha divulgado además el concepto de controlar una soldadura con protección gaseosa aplicando a la fuente de alimentación un perfil o contexto actual, en el que no se modifique una forma de onda para conformarse con los cambios en voltaje detectado del arco, sino en el cual la forma de onda se divide en intervalos predeterminados de la amplitud, y solamente la sincronización de los segmentos se varía, eliminando la necesidad de ajustar continuamente los valores de la amplitud para cada ciclo de la soldadura. Es necesario destacar el papel que realiza el software en el control de este proceso, los algoritmos que emplea para mantener adecuadamente el evento, valorando las características de un conjunto de parámetros físicos tomados en tiempo real para garantizar la calidad. El hardware utilizado es un instrumento del propio sistema de control para realizar cálculos matemáticos que no son implementados por software..

(35) Capítulo 2: Características del harware y software empleado en estos 25 equipos Capítulo 2: Características del hardware y el software empleado en estos equipos. Introducción. Con el desarrollo de los microprocesadores se han convertido a digital muchas de las funciones de control del proceso de soldadura. La transferencia de funciones hardware implementadas al software tiene la ventaja de permitir a cualquier dispositivo en particular, ser adaptado para una mayor variedad de procesos, sin la necesidad de diseñar los circuitos específicos para cada cambio en la secuencia de la soldadura. Esta implementación de microprocesadores en conjunto con todo un sistema de hardware proporciona un método automatizado de trabajo que permite una mayor eficiencia en el proceso y calidad en los resultados obtenidos. Nos adentraremos en las características y el funcionamiento del hardware y software de estos equipos, destacando el desarrollo alcanzado en todo un período de evolución.. 2.1 Características y funcionamiento del hardware y software de los controladores. Estos dispositivos emplean un control mediante un proceso de software implementado con el apoyo de hardware para realizar ciertas especificaciones que luego son utilizadas por el propio software. Nos centraremos principalmente en la descripción del software y hardware empleado, sus características, funcionamiento y dispositivos que son utilizados durante el proceso de soldadura.. 2.1.1 Comparación de Sistemas de hardware y software Sistemas de hardware: Los ejemplos de mayor interés de sistemas de hardware dedicados. a la captación de información para soldadura incluyen el TWI QA Weldcheck, el TWI AMV Weldcheck, el Data Harvest Monarc y el OIS PA. Típicamente, estos sistemas comprenden una sola unidad de hardware unida a un equipo de soldadura que establece los.

(36) Capítulo 2: Características del harware y software empleado en estos 26 equipos parámetros de soldadura requeridos (corriente, voltaje, velocidad de alimentación.) y presenta la información recogida. La ventaja principal para el empleo de estos sistemas de hardware es la eliminación del tiempo de desarrollo y sus costes, ya que es un sistema que, una vez comprado, está listo para usar. Estos sistemas son más robustos y propios para ambientes industriales. Pueden protegerse con facilidad de las elevadas frecuencias, lo que permite su uso en procesos de soldadura que tengan un procedimiento de cebado por alta frecuencia. Su principal desventaja es su falta de flexibilidad, ya que fueron proyectados específicamente para grabar valores medios de los parámetros del proceso y no señales en forma de onda. De un modo general, cada sistema está proyectado para una aplicación específica, por lo que no se adaptan fácilmente a procesos alternativos, como por ejemplo, un muestreo de un gran número de parámetros simultáneamente, o incorporar un procesamiento de información extensivo o un control en feedback. Una vez escogido un sistema específico es difícil de modificar o mejorar y en caso de ser posible, acarrearía un gran coste. Como desventajas adicionales, está el coste inicial y los costes de manutención del sistema, ya que ambos serán más elevados que en un sistema de software. Dos de los sistemas presentados están comercialmente disponibles en el mercado (QA Welcheck y el AMV Weldcheck). El primero es portátil, compacto y una máquina robusta para la monitorización de la corriente y el voltaje eléctrico. La información relativa a la soldadura se presenta en una pantalla digital. Esta unidad proporciona protección contra las frecuencias y tensiones elevadas y es compatible con el software Weld Validator, empleado para el control de los parámetros en soldadura. El AMV Weldcheck es un modelo portátil, compacto y una máquina robusta para la monitorización de corriente, tensión, velocidad de alimentación, velocidad transversal, temperatura y flujo de gas de la soldadura por arco eléctrico. La información relativa a la soldadura se presenta en una pantalla de cristal líquido. Esta unidad se autocalibra y proporciona protección de las tensiones y frecuencias elevadas y es también compatible con el software Weld Validator..

(37) Capítulo 2: Características del harware y software empleado en estos 27 equipos Sistemas de software: Los sistemas de software integran los sistemas de hardware. comercialmente disponibles en que las capacidades del sistema de software dependen de las capacidades del sistema de hardware escogido, así que dependen de la capacidad que tiene el software de aprovechar el potencial completo del hardware. La ventaja principal de un sistema de software es su flexibilidad, ya que a medida que los parámetros en forma de onda puedan llegar a una tasa suficientemente elevada pueden ser grabadas y analizadas pequeñas fluctuaciones. Asumiendo que el hardware escogido es completamente programable por software, el software puede ser tan caro como necesario. Puede ser ajustado para iniciar el hardware, configurar los parámetros de entrada y controlar el proceso de captación. Otra de sus ventajas es la de poder utilizar el potencial del ordenador (procesador, disco...) para procesar extensivamente la información y utilizar la alta resolución del monitor para exponer la información en forma gráfica o en texto. La flexibilidad del sistema depende de la facilidad con que éste puede ser mantenido y mejorado. La mayoría de las placas de captación son compatibles con numerosas aplicaciones de software, lo que permite que una misma placa pueda emplearse en diversas aplicaciones de software. De forma similar, la mayor parte del software disponible está proyectado de modo que una misma aplicación pueda emplearse con la mayor gama disponible de placas de hardware siguiendo criterios de implementación específicos. La desventaja principal de estos sistemas es el tiempo y mano de obra necesarios en desarrollarlo. Una aplicación de software en si, necesitaría ser físicamente mantenida y perfeccionada de acuerdo con los nuevos sistemas operativos que van apareciendo. En función de la complejidad de aplicación y de su uso puede ser necesaria la producción de un manual de empleo (para minimizar el tiempo de manutención).. 2.1.2 Descripción detallada del funcionamiento del software implementado. El régimen de trabajo empleado por la mayoría de las patentes, usa un controlador que regula el proceso de soldadura y coopera con la fuente de potencia. Este controlador, provee una orden a la fuente indicando la magnitud de corriente necesaria. (Como se puede ver en la figura 2.1.).

(38) Capítulo 2: Características del harware y software empleado en estos 28 equipos. Figura 2.1 Diagrama en bloques de un sistema de soldadura MIG con transferencia por cortocircuitos Se incluye un algoritmo implementado por el microprocesador 808 y un circuito analógico 809. Estos algoritmos controlan el proceso de soldadura mediante el control del ritmo de depósito de masa cortocircuito a cortocircuito mediante el control de la corriente en cada período (la corriente de arco realimentada), el que se combina con el control de corriente basado en el control del voltaje de arco (usando el voltaje de arco como realimentación) para obtener una longitud de arco deseada. La fuente de potencia y el controlador de este esquema son suficientemente rápidos como para suministrar la corriente necesaria en mucho menos tiempo que el requerido por un ciclo de soldadura. Ambos, son usados en tiempo real para detectar la evidencia inequívoca del cortocircuito. Es más fácil entender el circuito y el algoritmo usado para implementar esta aplicación, si nos referimos primero a las formas de onda del voltaje y la corriente de salida, las que se exponen en la figura. 2.2..

(39) Capítulo 2: Características del harware y software empleado en estos 29 equipos. Figura 2.2 Formas de onda del voltaje y la corriente de salida Las líneas discontinuas expresan segmentos de tiempo referidos (T.sub.wet, T.sub.rise1, T.sub.rise2, T.sub.dpdt, y T.sub.hld), que indican cuando en la forma de onda de la corriente, los cambios los realiza el algoritmo. T.sub.hld es una condición de arco que comienza al final de la limpieza del cortocircuito. En ella se ordena mantener la corriente a un nivel alto lo suficiente para fundir el final del electrodo y se mantiene por una duración suficientemente larga como para que se entregue al alambre la cantidad de calor necesaria. Cuando T.sub.hld finaliza, T.sub.back comienza. T.sub.back es una condición de estado estable del arco. Durante este tiempo la corriente está en un nivel de background, suficiente para sostener el arco y no para continuar fundiendo el alambre más rápido que el ritmo al cual está siendo alimentado dentro del depósito y finaliza cuando la punta del electrodo hace contacto con el charco de metal fundido, lo cual constituye el final de T.sub.back y el comienzo de T.sub,wet. Como la corriente tiene que ser decrementada al comienzo de cada cortocircuito, este proceso es dirigido por el cambio de la orden de corriente desde el microprocesador 808, afectado por un factor Dip% al comienzo del cortocircuito. (En el comienzo de T.sub.wet). El comando de corriente durante T.sub.wet (llamado A.sub.wet) se define como.