Une nouvelle technologie stimule la croissance du soudage robotisé

Est-ce le bon moment pour automatiser votre opération de soudage ? Vous vous demandez combien de temps vous pouvez garder vos soudeurs expérimentés ? Vous avez besoin d'augmenter votre débit mais vous ne voyez pas comment avec la main-d'œuvre disponible ? Défié par des matériaux plus résistants ? Diverses avancées techniques permettent de résoudre ces problèmes relativement facilement en automatisant votre opération de soudage, avec un retour sur investissement étonnamment rapide.

Trois fois plus rapide

Il existe deux grandes catégories de soudage automatisé, l'automatisation dite "fixe" et le soudage "flexible" (ou robotisé). L'automatisation fixe est souvent spécifique à l'application et est préférable lorsque la géométrie de la pièce et la soudure sont très simples. Par exemple, c'est généralement la meilleure solution pour souder des tuyaux. Mais pour la plupart des applications industrielles et tout ce qui est complexe, le soudage robotisé est idéal et fait l'objet de cet article.

Comme Jason Lange, directeur des ventes internes, Lincoln Electric Co. (Cleveland) l'a expliqué :« Le but principal d'un robot est d'aider à la répétabilité d'une soudure. Le numéro deux est de réduire les abus sur le soudeur. Déplacer des pièces toute la journée et ramper sous différents appareils est éprouvant pour un humain. Les robots contribuent à l'ergonomie.”

Il est doublement important de faciliter la tâche des soudeurs, car ils sont de plus en plus difficiles à trouver. "Il existe de nombreuses écoles techniques à travers le pays qui investissent dans des programmes de soudage pour tenter de combler cet écart", a poursuivi Lange. « Mais chaque jour, le nombre de départs à la retraite dépasse le nombre de remplaçants entrants, créant un vide. Le soudage robotisé aide à combler ce vide. »

Dans le même temps, "le retour sur investissement d'un système robotique est généralement bien meilleur que vous ne le pensez", a expliqué Erik Miller, responsable du développement commercial du groupe laser chez Miller Electric Mfg. Co. (Appleton, WI). « Un système de robot fabriquera autant de pièces que trois soudeurs. Vous économisez deux salaires par quart de travail et le coût moyen des cellules préfabriquées est de 100 000 $ à 120 000 $. Il s'amortit en un an environ. En règle générale, si vous pouvez automatiser un processus et obtenir un retour sur investissement en moins d'un an, c'est quelque chose que vous faites tout de suite. Si c'est deux ans, c'est quelque chose que vous devriez sérieusement envisager."

L'automatisation robotique est donc une aide considérable pour augmenter le débit. Mais les sources interrogées pour cet article ont souligné qu'il ne s'agit pas d'un substitut à la main-d'œuvre qualifiée. "Vous avez toujours besoin d'un soudeur de qualité pour faire fonctionner ce robot", comme l'a dit Lange.

Le changement de matériaux est une autre raison d'automatiser

L'évolution des matériaux de travail au cours des dix dernières années a entraîné des améliorations dans le soudage, dont beaucoup sont impossibles à appliquer manuellement, comme le soudage au laser, selon Erwin DiMalanta, directeur, secteur d'activité soudage et coupage, ABB Robotics (Auburn Hills, MI) . "Les fabricants de tout, des véhicules miniers aux automobiles, utilisent différents matériaux pour réduire les coûts et le poids et pour s'adapter à différentes solutions de groupe motopropulseur", a-t-il déclaré. "Les constructeurs automobiles sont passés à des aciers plus à haute et ultra-haute résistance, qui ont des propriétés métallurgiques qui les rendent plus solides, plus légers et plus résistants à la corrosion, mais avec une formabilité et une soudabilité élevées. Cela change radicalement la façon dont les structures métalliques sont conçues, formées et assemblées. Alors que les fabricants utilisaient peut-être des matrices d'emboutissage traditionnelles pour découper des éléments dans la pièce, ils utilisent désormais des procédés d'emboutissage à chaud et des technologies laser automatisées pour former et découper les pièces.

"Un autre exemple est le passage à l'aluminium pour plus d'applications", a déclaré DiMalanta. "Selon la voiture, jusqu'à 90% de la carrosserie peut être en aluminium maintenant. En raison de sa conductivité plus élevée, vous avez besoin de plus de courant électrique pour souder l'aluminium par points et le courant est synonyme de chaleur. Pourtant, nous allons utiliser des matériaux plus fins. Dans certains véhicules, les matériaux ont une épaisseur d'environ 1 mm. Alors, comment gérez-vous ces tendances qui vont dans des directions opposées ? »

La réponse est une technologie améliorée pour le contrôle électronique et mécanique du soudage à l'arc et une utilisation accrue du soudage au laser. Pour le soudage à l'arc, DiMalanta a déclaré que «les sources d'alimentation sont désormais extrêmement avancées et contrôlées électroniquement. Le dépôt de matériau dans un bain de soudure est soigneusement contrôlé, avec des formes d'onde personnalisées. » Miller a ajouté que ces formes d'onde spéciales "contrôlent l'apport de chaleur sur les pièces, ce qui peut réduire la distorsion, et également améliorer l'apparence esthétique des soudures".

Il a également souligné une méthode mécanique appelée Active Wire de Panasonic. "Il s'agit d'une alimentation en fil bidirectionnelle dans laquelle le fil avance pour créer le court-circuit puis s'inverse hors de la flaque d'eau, répétant cette action de type machine à coudre à 120 hertz. Cela réduit l'apport de chaleur et réduit également considérablement les éclaboussures. Il améliore également la cohérence de l'amorçage de l'arc sur chaque soudure. Il est très populaire pour le soudage de l'aluminium et pour le soudage de tôles fines. »

Plus le composant est léger, plus les matériaux doivent devenir avancés pour permettre des structures complexes tout en conservant leur résistance, a déclaré DiMalanta. "Les robots et leurs systèmes logiciels avancés aident à connecter les processus de manipulation de ces matériaux avec la trajectoire du robot."

Le soudage au laser est une option convaincante

Avec sa capacité ultra-rapide à souder une grande variété de matériaux (y compris des matériaux différents), le laser est probablement la plus grande chose qui soit arrivée au soudage depuis des décennies. Et comme l'explique Masoud Harooni, ingénieur senior en technologie avancée - soudage au laser chez Trumpf Inc. (Hoffman Estates, Illinois), "la plus grande nouvelle dans le domaine du soudage au laser ces dernières années est la baisse des prix du laser.

"Les systèmes de soudage au laser sont plus faciles à contrôler", a poursuivi Harooni. « Vous sélectionnez une puissance et une vitesse. Une fois ajusté, vous traitez toute la pièce avec peu d'éclaboussures. Dans le soudage à l'arc, vous devez maintenir l'arc et les paramètres de soudage sont sensibles à toute modification de la distance entre la torche et la pièce. Différentes parties de la [pièce] nécessitent plus de courant, ou moins de courant, ce qui réduit la stabilité du processus. Même si les boucles de rétroaction sur les systèmes de soudage à l'arc modernes sont très bonnes, ces systèmes ne sont jamais parfaitement ajustés. Les composants soudés au laser nécessitent beaucoup moins de post-traitement que les composants soudés à l'arc, qui doivent souvent être rectifiés. Vous avez également le problème de traiter les éclaboussures et de devoir nettoyer la buse dans les systèmes de soudage à l'arc. »

Peut-être plus important encore, le soudage au laser peut obtenir une soudure plus profonde sans dommage thermique, même dans des matériaux comme l'aluminium et le magnésium qui seraient sensibles à la fissuration ou à la porosité avec le soudage à l'arc. Harooni a expliqué que c'est parce que le laser peut atteindre une densité de puissance de 108 watts par centimètre carré. Cela génère un trou de serrure, une zone creuse profonde créée par la vaporisation du métal de la pièce. Au fur et à mesure que le faisceau laser se déplace le long de la pièce, il maintient ce minuscule trou de serrure entouré d'un bain de fusion, tandis que le matériau derrière se solidifie.

"Vous obtenez une soudure solide et profonde sans apport de chaleur extrême dans la pièce", a-t-il déclaré. "Le soudage à l'arc n'a pas la densité de puissance, donc la seule façon d'obtenir une soudure plus profonde est d'augmenter l'apport de chaleur. Les propriétés mécaniques des pièces soudées qui ont moins d'apport de chaleur et moins de distorsion sont bien meilleures que les pièces avec des apports de chaleur plus élevés."

Miller a déclaré que "l'impact initial du soudage au laser a été dans le soudage automobile, en raison du volume élevé et [des avantages techniques]. Les fabricants de tôles devraient également envisager le soudage au laser. Les véritables avantages résident dans le remplacement du soudage par points par résistance, qui peut être difficile pour la fabrication de volumes moyens à faibles. Le montage peut être difficile, car l'accès est requis à la fois sur le dessus et le dessous de la pièce, alors que le soudage au laser ne nécessite qu'un accès sur le dessus, il est donc plus facile à automatiser. Vous pouvez également utiliser un robot à charge utile inférieure pour le soudage au laser, ainsi qu'une simple optique fixe. »

Par rapport à un gros robot de charge utile avec un bras puissant portant un gros outil avec deux électrodes, les fabricants peuvent désormais utiliser un robot de huit kg plus sûr, y monter une tête de procédé et automatiser relativement facilement le soudage par points par résistance.

"L'autre domaine de la tôlerie où le soudage au laser est bénéfique est la fabrication de boîtes", a-t-il déclaré. "Les soudures d'angle extérieur qui nécessitent une apparence esthétique et qui nécessitent peu ou pas de finition métallique par la suite, sont un domaine qui suscite beaucoup d'intérêt."

Selon Miller, le laser offre une bonne solution sur les pièces où l'accès est limité. Un laser ne nécessite qu'une ligne de visée pour effectuer la soudure, alors que dans une application de soudage à l'arc, le robot doit déplacer une torche encombrante dans et autour des pièces, ce qui peut être très difficile. « En soudage laser, nous sommes souvent à 500 mm de la pièce. C'est comme tirer avec un pistolet à rayons. Le laser a également des vitesses de traitement beaucoup plus élevées et un apport de chaleur global plus faible dans la pièce, ce qui réduit la distorsion. C'est un outil parfait pour le soudage autogène."

L'inconvénient du soudage au laser, a expliqué Harooni, est que vous « devez soit vous assurer qu'il n'y a pratiquement aucun espace entre les composants, soit utiliser une ligne de fusion, qui combine le soudage au laser avec l'assistance du fil, dans laquelle vous faites fondre le fil dans la piscine afin que vous peut couvrir l'écart. Mais le soudage au laser est tellement plus rapide que cela vaut bien l'investissement supplémentaire dans le montage. Par exemple, si vous fabriquez 50 pièces par jour avec le soudage à l'arc robotisé, le soudage robotisé au laser pourrait produire 300, 500 ou même des milliers de la même pièce en une journée."

Se lancer dans l'automatisation du soudage

Se lancer dans l'automatisation du soudage est plus facile que jamais. Premièrement, les principaux acteurs proposent un logiciel de configuration hors ligne qui programme le travail suivant sur un PC avec un degré élevé de réalisme, transfère ce programme au robot et démarre la soudure. ABB utilise même des techniques de réalité virtuelle pour permettre aux utilisateurs de « collaborer » avec des équipements de soudage robotisés.

"Vous pouvez littéralement prendre le robot par le cou, pour ainsi dire, et le diriger comme vous le feriez avec un chien en laisse", a expliqué DiMalanta. "Cela peut être beaucoup plus intuitif que d'utiliser un pendentif d'apprentissage."
Deuxièmement, ces systèmes peuvent avoir des mécanismes qui s'adaptent automatiquement aux changements de position d'une pièce à l'autre et surveillent la qualité de la soudure.

Comme l'a expliqué David Schaefer, spécialiste des produits chez Miller Electric, « Il existe plusieurs types de capteurs qui traitent des changements d'emplacement des joints. L'un est simplement la détection tactile et l'autre est le suivi de couture à travers l'arc. Lors de l'utilisation de la détection tactile, le robot peut descendre et utiliser son fil de soudage à l'arc pour sonder la pièce. Il vérifie le delta entre l'emplacement programmé et l'emplacement réel pour se reprogrammer.

"Dans le suivi de couture à travers l'arc, lorsque vous tissez à travers un joint, comme avec une soudure d'angle ou une soudure par recouvrement s'il s'agit d'un matériau suffisamment épais, il détecte le changement d'ampérage et détermine quand il est dans le joint et quand il est hors de le joint, puis suit cette soudure pendant qu'elle soude », a poursuivi Schaefer. "Vous avez également la possibilité d'utiliser l'optique laser au lieu de la détection par fil, mais c'est la même idée de base."

Lange de Lincoln Electric a déclaré qu '«une autre façon de le faire consiste à utiliser une caméra qui prend une image 2D ou 3D de la pièce. Nous pouvons décaler les programmes et décaler les joints en fonction de l'emplacement physique des pièces. Les caméras plus récentes ne sont pas aussi affectées par l'éblouissement d'une pièce que les caméras auraient pu l'être il y a encore quelques années. Ils sont capables de voir plus de couleurs et de lire les définitions d'une pièce, en distinguant l'ombre et les reflets de la pièce. Harooni a ajouté que "l'optique d'aujourd'hui nous donne également la possibilité de vérifier la qualité de la soudure en temps réel sans avoir besoin de tests destructifs."

Troisièmement, les robots offrent tous une certaine forme de détection de collision. Miller de Miller Electric a déclaré que cela représente l'amélioration la plus significative du bras du robot lui-même. « Auparavant, un client créait son programme en fonction de la position X-Y-Z connue de la torche. Supposons que le robot a soudé la moitié du quart de travail et que l'opérateur laisse une pince ouverte. Le robot heurterait probablement la pince, pliant la torche. Cela entraînerait le désalignement de chaque soudure de ce programme car l'extrémité de la torche a été pliée et cette position a changé. Aujourd'hui, si le robot heurte un objet, même à grande vitesse, il lit la pointe de courant qui en résulte comme une obstruction. Cela amène le robot à passer immédiatement en mode servo flexible, ce qui retarde l'application du frein d'une certaine distance spécifiée pour chaque axe. Le robot devient « molle », en fait. Cela permet au robot de dissiper l'élan, minimisant ainsi les dommages à l'outil. Cela signifie que vous pouvez avoir une collision à grande vitesse sans plier le flambeau. »

Quatrièmement, tous les principaux acteurs proposent des cellules robotisées préfabriquées avec tout ce dont vous avez besoin sur une palette (ou plusieurs). "Une cellule de travail serait une unité entièrement conçue avec toutes les garanties en place", a déclaré Lange. "Vous verriez généralement des clôtures ou des murs en acier, généralement des scanners de sécurité, des lumières, des boutons-poussoirs pour permettre au robot de fonctionner, des verrouillages à clé et une sorte de dispositif de positionnement devant le robot, comme une plaque tournante ou une grande roue. Ces dispositifs amènent la pièce dans la zone de travail pendant que l'opérateur charge des pièces supplémentaires du côté opposé. Ou vous pourriez avoir juste une table fixe où le robot va traiter. Il y aurait également une source d'alimentation de soudage, la torche et des alésoirs pour nettoyer les mèches si nécessaire. Il vous suffit de le connecter à l'électricité et à une source de gaz. Et si l'une des solutions standard ne fonctionne pas, des solutions clés en main personnalisées sont disponibles.

Alors, de quoi s'inquiéter ?

"Lorsque nous consultons un client potentiel sur l'automatisation du soudage, nous examinons sa fabrication en amont", a expliqué Schaefer de Miller Electric. "S'ils utilisent des lasers et des équipements CNC pour plier, freiner et couper le matériau, ils réussiront bien mieux à le souder de manière robotisée que s'ils le coupaient à la main ou à l'aide d'une scie à découper. Ces ateliers peuvent s'en tirer maintenant car lorsqu'ils soudent les pièces à la main, les soudeurs peuvent s'ajuster en conséquence, mais pas le robot. Miller a ajouté que le soudage est généralement la dernière chose qui est automatisée dans une installation, car les processus en amont doivent d'abord être précis. « Les pièces doivent être coupées avec précision, puis pliées avec précision. Ensuite, vous pouvez les souder », a-t-il déclaré.

En plus d'assurer que les pièces sont reproductibles, un montage qui limite ou élimine les espaces est nécessaire, comme l'a expliqué Schaefer :« Vous ne pouvez pas souder à l'air. Un opérateur humain peut voir un espace et réagir en conséquence, généralement en augmentant le dépassement du fil afin de réduire l'ampérage, ce qui réduit la chaleur et la pénétration, puis commencer à tisser pour combler l'espace. Un robot ne fera pas ça. Il brûlera."

À l'inverse, Lange a déclaré que certains clients ont dépensé des milliers ou des centaines de milliers de dollars dans certains cas en outillage pour maintenir les pièces alors qu'ils pourraient réduire ce prix de moitié en améliorant les processus en amont. Cela fournit la répétabilité requise en aval, ce qui réduit en fin de compte le coût de l'outillage et diminue la quantité de retouches et de rebuts. pour se souder et souder à travers le dispositif automatisé », a déclaré Lange.

Alors, qui devez-vous former pour exécuter le soudage automatisé ? Soit un soudeur expérimenté, soit une personne désireuse d'apprendre le soudage (ce qui prend des semaines) ainsi que l'automatisation du soudage.
Schaefer a averti que "vous avez besoin de la bonne culture dans l'installation. Les personnes ayant un emploi peuvent se sentir menacées par l'automatisation qui entre dans l'installation. Je serais très franc avec mes employés sur les avantages, comment cela rendra l'entreprise plus efficace, l'aidera à se développer et à être plus compétitive et, en fin de compte, à embaucher plus de personnes."

Enfin, la taille des lots doit être suffisamment grande pour l'automatisation. Comme l'a dit Lange, "Le temps nécessaire pour effectuer une programmation hors ligne, installer le robot et effectuer une configuration rapide produit certainement un bon retour si vos tailles de lot durent environ un jour ou un jour et demi. Si vous modifiez une partie d'une heure à la fois, vous risquez de ne pas être aussi efficace en termes de retour sur investissement."