Soudage traditionnel versus soudage au laser

Avec des vitesses de traitement beaucoup plus rapides et une qualité supérieure, vous pourriez penser que le soudage au laser prendrait rapidement le dessus sur le terrain. Mais le soudage traditionnel s'accroche. Et selon à qui vous demandez et quelles applications vous envisagez, cela peut ne jamais disparaître. Alors, quels sont les avantages et les inconvénients de chaque méthode qui continuent d'entraîner un marché mixte ?

Les méthodes traditionnelles de soudage restent populaires. D'une manière générale, trois types de soudage traditionnels utilisés dans l'industrie sont le MIG (gaz inerte métallique), le TIG (gaz inerte tungstène) et le point de résistance. Dans le soudage par points par résistance, deux électrodes pressent les pièces à assembler entre elles, un courant important est forcé à travers ce point et la résistance électrique du matériau de la pièce génère la chaleur qui soude les pièces ensemble. C'est une méthode rapide et selon Erik Miller, responsable du développement commercial du groupe laser de Miller Electric Mfg LLC à Appleton, Wisconsin, c'est la méthode dominante utilisée dans l'automobile, en particulier pour les carrosseries. Mais, a-t-il ajouté, le plus grand marché pour le soudage au laser a été le remplacement du soudage par points par résistance. À l'inverse, Miller n'a vu "aucune sorte d'avalanche" dans le remplacement du laser TIG ou MIG. Et même au sein du groupe d'automatisation de l'entreprise, environ 90 % des projets sont en MIG.

Qu'est-ce qui explique la popularité durable de MIG ? "Le consommable est un fil alimenté en continu", a déclaré Miller. "Il s'agit donc d'ajouter de la matière et de renforcer la soudure, ce qui la rend parfaite pour une soudure d'angle [dans laquelle les pièces sont perpendiculaires]." Le laser autogène fusionne les deux matériaux parents ensemble. Un laser peut réaliser une soudure d'angle, mais l'exactitude et la précision des pièces et de tout le reste doivent être d'un ordre de grandeur plus serré, selon Miller.

"Avec une soudure MIG sur un filet, la tolérance est d'au moins plus ou moins un demi-diamètre de fil, et généralement même plus", a-t-il déclaré. De même, la fenêtre de traitement MIG pour d'autres types de soudures est beaucoup plus grande que celle du laser. En d'autres termes, les pièces n'ont pas besoin d'être aussi précises et les fixations n'ont pas à assurer un ajustement presque parfait, comme c'est le cas avec le laser autogène.

Le soudage MIG est également plus facile à automatiser. Comme l'a dit Miller, les seuls facteurs que vous devez contrôler sont la vitesse de déplacement, la tension, l'ampérage, l'angle de la torche et l'angle de travail, et "si vous faites correctement cinq des dix choses, vous obtiendrez toujours une bonne soudure". L'automatisation du soudage au laser nécessite un robot avec une précision et une répétabilité de trajectoire excellentes, et il y a plus de facteurs à contrôler dans le processus de soudage. TIG est similaire à cet égard.

Cela ne veut pas dire que l'automatisation du soudage MIG est si simple que tout le monde peut le faire. Il faut toujours un expert pour faire la programmation et diagnostiquer les problèmes. Ed Hansen, directeur de la gestion globale des produits, de l'automatisation flexible, pour ESAB Welding & Cutting Products, Denton, Texas, a déclaré que c'était un autre avantage pour MIG.

"Après de nombreuses années de preuves empiriques et scientifiques, le soudage traditionnel est bien compris. Nous savons ce qu'il faut pour obtenir un résultat prévisible qui offre le joint requis par la structure. Et même si nous parlons de la rareté de la main-d'œuvre qualifiée, qui est un véritable problème pour l'industrie, il existe encore un grand nombre de soudeurs, de techniciens et d'ingénieurs expérimentés qui sont tous familiers avec la gestion de ces processus traditionnels." Pour la plupart des produits, il s'agit d'une solution simple et peu coûteuse qui donne des résultats acceptables.

Il est vrai que le coût initial d'un système MIG ou TIG est inférieur à celui d'un système laser. Cependant, le coût des lasers a baissé et continuera de le faire. "Le laser coûte entre le tiers et la moitié du coût d'un système de soudage au laser", a déclaré Hansen, "et le coût en fonction de la capacité de soudage chute de 10 à 15 % par an."

Miller a également noté que "la tête de traitement laser est plus chère que les têtes traditionnelles, la fibre de livraison est chère et la protection d'une cellule laser est également plus chère". Par exemple, une cellule laser doit être "étanche à la lumière", avec des parois de 4" (101,6 mm) d'épaisseur pour résister à un coup direct pendant 10 minutes sans brûler. (Le laser ne serait pas focalisé sur une profondeur de 4" [101,6 mm] d'épaisseur.) Les systèmes TIG et MIG peuvent être protégés par une tôle peu coûteuse qui permet des espaces.

D'un autre côté, lorsque l'on tient compte des différences de débit et de coût par pièce, le laser gagne souvent, comme nous le verrons. C'est particulièrement vrai pour le TIG, qui est un processus très lent nécessitant un haut degré de compétence, ce qui le rend coûteux à utiliser. Pour cette raison, Miller a déclaré que le TIG se limitait en grande partie à la fabrication d'équipements et d'appareils alimentaires industriels, ainsi qu'à certains composants de précision. "Les gens choisissent le TIG pour les applications d'équipement alimentaire parce que la soudure n'a pas de surface poreuse, elle est très lisse", a-t-il déclaré. Mais si ces pièces doivent être produites en volume, le retour sur investissement d'un système laser "fera sauter les portes" TIG, donc naturellement il prend le relais dans ces cas.

Masoud Harooni, chef de produit en soudage laser pour Trumpf Inc., Hoffman Estates, Illinois, a déclaré que même TIG ne peut pas produire une surface entièrement satisfaisante pour la transformation des aliments et d'autres applications où l'apparence est essentielle. "Ce n'est pas aussi mauvais que le MIG, mais une surface TIG nécessite définitivement un meulage post-traitement, ce qui n'est pas nécessaire avec le laser", a déclaré Harooni. "De plus, la vitesse de soudage au laser pour les soudures visibles est deux à trois fois plus rapide que le TIG. Si vous voyez un beau rayon sur un réfrigérateur ou une pièce similaire, il a été soit meulé, soit soudé au laser."

Un dernier vote pour le soudage traditionnel : À l'exception de quelques cas particuliers, le soudage au laser doit être automatisé, compte tenu des préoccupations de sécurité. Et cela laisse beaucoup de travail aux soudeurs humains, comme l'a expliqué Hansen. "Vous ne pouvez pas faire monter un robot sur un échafaudage ou monter dans la cale d'un navire. Nous pouvons rêver de tels super robots, mais en pratique, ils ne seront pas là dans un avenir proche."

Selon Miller, la fabrication aux États-Unis a tendance à être conservatrice, et "s'il n'y a pas de problème à résoudre, la solution la moins chère, la plus robuste et la plus approuvée sera choisie. Ainsi, les gens ne commencent à se tourner vers le laser que lorsque le soudage MIG ne fonctionne pas ou que le soudage TIG est trop lent".

Le soudage TIG en volume a déjà été déplacé à l'étranger ou a été repris par le laser, alors où le laser défie-t-il le MIG ?

L'une des principales préoccupations concerne les dommages, qu'ils soient métallurgiques ou structurels, potentiellement causés par le transfert de chaleur relativement long et étendu du MIG dans la pièce, suivi d'un long cycle de refroidissement. À l'inverse, le laser transmet l'énergie thermique dans un très petit faisceau, ne faisant fondre qu'une zone localisée. L'apport de chaleur total est bien inférieur au MIG et la pièce se refroidit très rapidement, minimisant la distorsion et les effets métallurgiques.

Harooni a proposé une analogie utile : "Imaginez une bouteille d'eau sur une plage de sable, comparée à une aiguille. Si vous mettez un poids de cinq livres sur la bouteille, il ne pénétrera pas dans le sable. Mais si vous mettez seulement quelques onces sur l'aiguille, ça le fera. Pensez au poids que vous appliquez comme chaleur, la bouteille comme MIG et l'aiguille comme laser."

Hansen d'ESAB a déclaré que le laser réduit l'apport de chaleur d'environ 85 % par rapport au MIG et que "la contrainte résiduelle dans une soudure est directement proportionnelle à l'apport de chaleur. Plus vous y mettez de chaleur, plus vous induisez de contrainte résiduelle. Et cela signifie flambage, distorsion et retrait et toutes ces choses qui causent un cauchemar lorsque vous prenez cette pièce et en faites un assemblage ou que vous l'installez dans une structure ou un véhicule".

Plus la pièce est grande, plus les petites contraintes résiduelles individuelles deviennent des macro-déviations très coûteuses et difficiles à corriger ultérieurement, a-t-il ajouté. Et c'est une considération majeure pour les clients qui essaient d'« alléger » leurs produits. De plus, a-t-il dit, "certains alliages se séparent ou changent de propriétés lorsque vous les chauffez, ou les structures granulaires se développent de manière indésirable. Dans bon nombre de ces matériaux, la structure granulaire et les microstructures sont différentes si vous fondez puis refroidissez la soudure".

Miller de Miller Electric a souligné que la dernière génération d'aciers à haute résistance "obtiennent une grande partie de leur résistance grâce à des processus de traitement thermique sophistiqués. Lorsque vous les fondez et les solidifiez sous un faible taux de refroidissement [comme dans le soudage MIG], toutes ces forces disparaissent. Le laser peut aider à maintenir la résistance d'origine du matériau. "

Dans un autre exemple, Miller a déclaré que le soudage MIG du titane est difficile en raison "d'un problème de cathode flottante. L'arc n'est pas stable. Le laser est donc un choix parfait". Avec l'aluminium de la série 6000, le problème est la fissuration à chaud. "La fissuration à chaud est fonction de la migration du siliciure de magnésium vers la limite des grains. Donc, si vous pouvez chauffer le matériau, le faire fondre et le refroidir avant que le siliciure de magnésium ne migre, vous pouvez créer une soudure sans fissure", a-t-il déclaré. "Le laser peut le faire en utilisant les dernières techniques de balayage, dans lesquelles nous déplaçons le faisceau d'avant en arrière avec un miroir."

Du point de vue de Miller, la majorité des applications laser concernent des matériaux difficiles à souder. Du point de vue de Harooni, le laser est tellement plus rapide que même les projets de tôlerie passent au laser. Combien plus rapide? Harooni de Trumpf a déclaré que le soudage MIG se déroule normalement à 20-30 "(508-762 mm) par minute - au plus 40" (1 016 mm) par minute. Le laser, selon Harooni, peut souder à près de 200" (508 cm) par minute, de sorte que le processus d'assemblage à lui seul est déjà beaucoup plus rapide. Le deuxième avantage est la réduction du post-traitement. Harooni a observé que si l'apparence de la soudure est importante, vous devriez suivre une soudure MIG avec un long cycle de meulage, ce qui ne serait pas nécessaire après le soudage au laser.

"C'est pourquoi", a-t-il ajouté, "il arrive généralement qu'une pièce construite avec le soudage MIG au coût de 25 $ ne coûte que 15 $ pour la soudure au laser, même en tenant compte de l'investissement initial plus élevé dans le soudage au laser." Par exemple, Harooni a raconté un projet récent dans lequel Trumpf a réduit le temps de cycle de soudage d'une grande porte de dix heures à 35 minutes. Un autre client a eu des difficultés à souder au MIG un boîtier électrique en aluminium. Les soufflures étaient un problème fréquent et la durée totale du cycle était de quatre heures. Harooni a déclaré que Trumpf avait réduit cela à 18 minutes avec le soudage au laser.

Hansen a ajouté que la capacité du laser à pénétrer profondément dans le matériau multiplie ses avantages par rapport au soudage traditionnel. Parce que non seulement le laser est trois à dix fois plus rapide que le MIG (et même plus rapide que le TIG), mais il peut souder des joints relativement épais qui nécessiteraient plusieurs passes avec le MIG ou le TIG.

"Les techniques traditionnelles nécessitent également un nettoyage et un meulage entre les passes, ce qui augmente encore le temps de cycle global", a expliqué Hansen. "Le laser peut effectuer un soudage en une seule passe jusqu'à environ un demi-pouce, contre environ cinq passes pour le soudage MIG, selon le processeur que vous utilisez. Au-dessus d'un demi-pouce, le soudage au laser nécessiterait de couper ou de meuler un biseau jusqu'au bord au préalable, mais c'est un biseau beaucoup plus petit que tous les biseaux de joint nécessaires pour le soudage MIG. "

Ainsi, pour un matériau d'un demi-pouce d'épaisseur, le soudage au laser serait 15 à 50 fois plus rapide que le MIG, juste en vitesse de soudage, et encore plus rapide si l'on considère également le post-traitement supplémentaire requis pour le MIG.

Bien sûr, avec des taux de production aussi élevés, vous avez besoin de beaucoup de travaux de soudure pour alimenter un système laser et maximiser votre retour sur investissement. Comme l'a dit Hansen, "généralement, le laser peut produire jusqu'à trois à cinq systèmes de soudage à l'arc subaquatique sur le soudage de plaques, par exemple. Il faut beaucoup de travail pour alimenter cinq systèmes à l'arc subaquatique".

Étant donné que le soudage au laser autogène nécessite un ajustement serré entre les pièces à assembler, dans de nombreux cas, il est préférable de reconcevoir les emplacements des joints pour présenter des surfaces qui se chevauchent au laser (pour utiliser sa capacité de perçage). De plus en plus de fabricants sont prêts à investir dans de meilleurs processus et outils en amont afin de tirer parti du débit plus élevé du laser.

Mais pour ceux qui résistent à de tels changements, ou dans des situations où les lacunes sont inévitables, il existe des systèmes hybrides qui combinent la technologie laser et d'alimentation en fil et d'autres nouveaux développements qui élargissent l'applicabilité du laser. Un concept simple (mentionné précédemment en référence à la résolution du problème de fissuration à chaud) consiste à faire osciller le spot laser. Miller a déclaré que c'est un vieux concept qui est récemment devenu beaucoup plus économique. Il a donné l'exemple du déplacement d'un point de 1,2 mm de diamètre d'avant en arrière sur une zone de 3 mm à grande vitesse, capturant efficacement la plus grande zone tout en réalisant une bonne soudure.

Hansen a déclaré que les systèmes hybrides combinent le procédé MIG et un faisceau laser. "Nous utilisons vraiment le laser pour obtenir la pénétration. Normalement, si vous voulez affecter la pénétration dans une soudure MIG, vous devez ajouter plus d'ampérage. En utilisant le laser pour faire la pénétration, nous pouvons réduire l'ampérage sur le MIG et utiliser la plus petite soudure que notre structure permettra à des fins d'ingénierie. Ainsi, le laser nous permet d'optimiser le MIG." Il existe également une synergie entre les procédés grâce au faisceau laser stabilisant l'arc. "Nous pouvons voyager avec l'arc beaucoup plus rapidement que si nous n'avions pas de faisceau laser. C'est ainsi que nous pouvons aller si vite avec le processus hybride", a-t-il déclaré.

La ligne Fusion de Trumpf, que Harooni a décrite comme "un procédé assisté par laser avec un fil pour introduire plus de masse dans les interstices", peut combler des interstices jusqu'à 1 mm de large.

Pour sa part, ESAB a développé une technologie de soudage adaptatif qui détecte les conditions des pièces et modifie les paramètres du processus en fonction de celles-ci. Le système utilise une caméra qui "peint une bande laser sur la pièce, puis la regarde sous un angle de parallaxe pour voir la forme du joint, environ 20 à 40 mm avant le processus", a déclaré Hansen. L'imagerie laser cohérente est utilisée pour mesurer le trou de serrure découpé dans le métal par le laser. "Nous pouvons mesurer la profondeur de pénétration et la forme du trou de serrure et utiliser ces informations soit comme mesure de qualité, soit en boucle fermée pour contrôler le processus", a-t-il déclaré.

Le système adapte automatiquement la pénétration du laser, la puissance du laser, les paramètres de l'arc de gaz métallique, la vitesse d'alimentation du fil, la tension, le débit de gaz et la vitesse de déplacement au fur et à mesure que la tête de soudage traverse la pièce. L'objectif, qui était motivé par les exigences de l'US Navy, est d'apporter les avantages du soudage laser à faible apport de chaleur aux "pièces préparées de manière conventionnelle" (c'est-à-dire les pièces qui n'ont pas été usinées selon des tolérances serrées pour le soudage laser standard). Hansen a indiqué que cela élargit la fenêtre de processus pour le soudage hybride d'un facteur cinq par rapport à ce qui aurait été possible avec des commandes en régime permanent.

Le soudage au laser reste relativement nouveau pour de nombreux utilisateurs, et Harooni a souligné l'engagement de Trumpf en matière de formation et d'assistance depuis le début, ainsi que les avantages de la programmation hors ligne de leurs systèmes une fois installés.

Trumpf propose également TeachLine, un nouveau système de détection par caméra qui détecte l'emplacement du joint à souder. "Les clients ne veulent pas interrompre la production pour programmer une nouvelle pièce ou apporter des modifications à leur programmation. Ils peuvent donc utiliser cette programmation hors ligne et télécharger la pièce, la programmer et l'apporter à la cellule. Avec TeachLine, ils n'ont pas besoin de la modifier. TeachLine verrait la pièce et ajusterait le programme que vous avez créé hors ligne. La combinaison de la programmation hors ligne et de TeachLine aide nos clients à apporter rapidement des modifications à la production."

ESAB déploie également une nouvelle suite de "solutions numériques" qui combine une énorme quantité d'informations couvrant l'ensemble du processus de soudage, y compris le matériau d'apport, le matériau de base et le gaz, pour rendre les systèmes plus faciles à utiliser. Comme l'a dit Hansen, "Il est facile de créer un système compliqué. Il est très difficile de rendre un système compliqué simple. Et c'est là que nous allons avec nos solutions numériques. Nous capitalisons sur notre connaissance du processus pour prendre des décisions intelligentes sur le contrôle du processus afin que l'opérateur n'ait pas besoin d'être aussi expérimenté ou aussi compétent qu'il l'était par le passé."

ESAB travaille également sur les moyens de rendre ses équipements capables d'évaluer la qualité de la soudure qu'ils réalisent, et idéalement de s'empêcher de créer un défaut ou une discontinuité.

Enfin, le soudage traditionnel a également connu des améliorations, telles que des formes d'onde avancées et le concept ActiveWire de Miller Electric, qui alimente le fil MIG en avant et en arrière en continu pour réduire les éclaboussures et l'apport de chaleur. L'approche élargit les applications MIG qui peuvent être automatisées et fait du MIG une solution viable même pour le soudage de certains matériaux ultra-fins.

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