Qu'est-ce que le soudage robotisé ? - Processus et application

Le soudage est un processus dans lequel deux matériaux sont fusionnés par chauffage, mélange, puis refroidissement des matériaux et/ou d'une charge pour former un joint solide. Du soudage à l'arc au soudage par points, les robots de soudage neufs et d'occasion sont généralement utilisés dans les processus de soudage où la soudure requise est répétitive et où la qualité et la vitesse sont cruciales. Le soudage robotisé est un processus automatisé qui augmente l'efficacité, la cohérence et le retour sur investissement.

Qu'est-ce que le soudage robotisé ?

Le soudage robotisé est l'utilisation d'outils programmables mécanisés (robots), qui automatisent complètement un processus de soudage en effectuant à la fois la soudure et la manipulation de la pièce. Des processus tels que le soudage à l'arc sous gaz, bien que souvent automatisés, ne sont pas nécessairement équivalents au soudage robotisé, car un opérateur humain prépare parfois les matériaux à souder.

Le soudage robotisé est couramment utilisé pour le soudage par résistance par points et le soudage à l'arc dans les applications à production élevée, telles que l'industrie automobile.

Le soudage robotisé est une application relativement nouvelle de la robotique, même si les robots ont été introduits pour la première fois dans l'industrie américaine dans les années 1960. L'utilisation de robots dans le soudage n'a pas décollé avant les années 1980, lorsque l'industrie automobile a commencé à utiliser largement des robots pour le soudage par points.

Depuis lors, le nombre de robots utilisés dans l'industrie et le nombre de leurs applications ont considérablement augmenté. En 2005, plus de 120 000 robots étaient utilisés dans l'industrie nord-américaine, dont environ la moitié pour le soudage. La croissance est principalement limitée par les coûts d'équipement élevés et la restriction qui en résulte pour les applications à production élevée.

Le soudage à l'arc robotisé a commencé à se développer rapidement tout récemment, et il commande déjà environ 20 % des applications de robots industriels. Les principaux composants des robots de soudage à l'arc sont le manipulateur ou l'unité mécanique et le contrôleur, qui agit comme le "cerveau" du robot.

Le manipulateur est ce qui fait bouger le robot, et la conception de ces systèmes peut être classée en plusieurs types courants, tels que SCARA et le robot à coordonnées cartésiennes, qui utilisent différents systèmes de coordonnées pour diriger les bras de la machine.

Le robot peut souder une position préprogrammée, être guidé par vision industrielle ou par une combinaison des deux méthodes. Cependant, les nombreux avantages du soudage robotisé se sont avérés en faire une technologie qui aide de nombreux fabricants d'équipement d'origine à augmenter la précision, la répétabilité et le débit

La technologie de traitement d'image de signature a été développée depuis la fin des années 1990 pour analyser en temps réel les données électriques collectées à partir du soudage automatisé et robotisé, permettant ainsi l'optimisation des soudures.

Équipement de soudage robotisé

Le soudage robotisé combine le soudage, la robotique, la technologie des capteurs, les systèmes de contrôle et l'intelligence artificielle. Les composants comprennent le logiciel avec une programmation spécifique, l'équipement de soudage délivrant l'énergie de la source d'alimentation de soudage à la pièce et le robot utilisant l'équipement pour effectuer le soudage.

Les capteurs de processus du robot mesurent les paramètres du processus de soudage et ses capteurs géométriques les paramètres géométriques des soudures. En acquérant et en analysant les informations d'entrée des capteurs, le système de contrôle adapte la sortie du processus de soudage robotisé en fonction des spécifications de la procédure de soudage définies dans le programme.

Selon l'utilisation prévue, les robots peuvent être des bras robotiques ou des portails de robots. Normalement, on utilise des robots industriels six axes comprenant un bras inférieur trois axes et un poignet trois axes car ils permettent de monter la torche de soudage au poignet pour réaliser toutes les positions nécessaires au soudage tridimensionnel.

Le système doit être intégré au robot et l'équipement de soudage doit être compatible et de préférence spécifiquement conçu pour le soudage robotisé car alors, tous les processus peuvent être contrôlés par le robot.

Comment fonctionne le soudage robotisé ?

Lors de l'utilisation de robots pour n'importe quel processus, la méthode doit être modifiée pour s'adapter à l'automatisation. Il en va de même pour la soudure qui utilise plusieurs outils introuvables dans son équivalent manuel. Les gens n'ont pas besoin de programmer comme le font les robots soudeurs.

Le robot lui-même a un bras qui peut se déplacer en trois dimensions pour les types rectilignes et à travers plusieurs plans avec les versions articulées. Un dévidoir envoie le fil d'apport au robot au fur et à mesure qu'il en a besoin pour un travail de soudage. Une torche à haute température à l'extrémité du bras fait fondre le métal pour permettre le processus de soudage. Étant donné que les températures atteignent des milliers de degrés, l'utilisation de robots pour ce processus assure la sécurité des personnes.

Les opérateurs humains certifiés doivent toujours rester à proximité des robots. Ces travailleurs doivent détenir une certification de l'American Welding Society, AWS, qui certifie non seulement les soudeurs manuels, mais également les opérateurs de bras de soudage robotisés. Les opérateurs programment le contrôleur à l'aide d'un pendentif d'apprentissage. Cet appareil définit de nouveaux programmes, déplace le bras et modifie les paramètres du processus. Pour démarrer le soudage, l'opérateur utilise les boutons du boîtier de commande.

L'outil dans le bras robotisé chauffe pour faire fondre le métal afin d'assembler les pièces souhaitées. Au besoin, un dévidoir délivre plus de fil métallique au bras et à la torche. En attendant les prochaines pièces à souder, le bras déplace la torche vers le nettoyeur pour nettoyer les éclaboussures de métal du bras, qui pourraient se solidifier en place sans ce processus.

Étant donné que l'une des principales raisons d'avoir des soudeurs robotisés est la protection des travailleurs humains, ces systèmes automatisés sont dotés de plusieurs fonctions de sécurité. Les écrans anti-arc empêchent l'arc à haute température de se mélanger à l'oxygène. Les zones fermées protègent les opérateurs des températures et de la lumière vive.

Avantages du soudage robotisé

L'automatisation d'une usine avec des robots de soudage présente plusieurs avantages, notamment des temps de cycle plus rapides et constants, aucune interruption de la production et une meilleure qualité de soudure. Fondamentalement, en utilisant l'automatisation robotique du soudage, le processus prend moins de temps, et les fabricants peuvent réduire le coût de la main-d'œuvre directe et de la sécurité et conserver les matériaux.

Les cellules de soudage robotisées offrent un environnement de travail encore plus sûr, réduisant considérablement l'éblouissement de l'arc, la surpulvérisation et le contact direct avec le robot et la pièce. Un robot soudeur est plus cohérent et peut passer rapidement d'une soudure à l'autre, ce qui accélère l'ensemble du processus.

• Prendre moins de temps :Les systèmes de soudage robotisés feront le travail rapidement. Que vous ayez des robots de soudage neufs ou d'occasion, ils font moins d'erreurs que le soudage manuel. Contrairement aux ouvriers, les robots n'ont pas besoin de pauses, de vacances, etc. Votre travail peut continuer sans interruption, 24h/24 et 7j/7. Cela augmentera votre débit et votre productivité.
• Réduire le coût de la main-d'œuvre directe et de la sécurité : Le coût du soudage manuel peut être élevé. Cela demande du temps, de l'habileté et de la concentration. C'est aussi dangereux. Les éclairs, les fumées, les étincelles et la chaleur font du soudage manuel un travail éprouvant et dangereux. Avec le soudage robotisé, vous protégerez les travailleurs et réduirez les coûts. Ces systèmes endurent les aléas et augmentent souvent la production. Les frais d'assurance et les frais liés aux accidents sont également considérablement réduits.
• Conserver les matériaux : Même les soudeurs les plus qualifiés font des erreurs. Cependant, avec la robotique de soudage neuve et d'occasion, tout est réglementé, y compris l'alimentation et le fil. Les systèmes robotiques de soudage automatisés d'occasion conservent l'énergie en fonctionnant de manière constante (moins de démarrages). De plus, les soudures créées sont plus cohérentes. La précision des systèmes robotisés signifie qu'il y a moins de perte de matériel et de temps. Conservez votre matériel et augmentez la qualité de vos produits en même temps !

Certaines entreprises passent progressivement aux applications de soudage robotisé, en commençant par une seule cellule de soudage et en se convertissant lentement à un processus de soudage entièrement automatisé. Les robots peuvent être utiles lorsque l'accès à une pièce est limité ou difficile à atteindre. Les fabricants ont créé des conceptions qui permettent à un bras robotique mince d'atteindre des zones plus petites.

Limites

Un problème lors du soudage avec des robots est que les câbles et les tuyaux utilisés pour le courant et l'air, etc. ont tendance à limiter la capacité de mouvement du poignet du robot.

Une solution à ce problème est le pivot, qui permet le passage de l'air comprimé, de l'eau de refroidissement, du courant électrique et des signaux dans une seule unité rotative.

L'unité pivotante permet également une programmation hors ligne car tous les câbles et tuyaux peuvent être acheminés le long de trajectoires définies du bras du robot.

Autres limites du soudage robotisé :

• Programmation complexe pour l'utilisateur final, peu conviviale, réservée aux spécialistes
• API limitées, compliquant une simple modification
• L'interface homme-machine (IHM) ne fonctionne pas vraiment. Les systèmes nécessitent une personnalisation et une formation. Difficile de personnaliser les systèmes de soudage robotisés.
• Défis de connectivité, manque de normes interconnectables
• Remplace le travail humain
• La technologie devient obsolète

Procédés de soudage robotisé

Le soudage nécessite un haut niveau d'éducation et de compétence. Cependant, le nombre de soudeurs professionnels ne répond pas aux besoins de l'industrie. Selon l'American Welding Society, d'ici 2022, l'industrie connaîtra une pénurie de 450 000 soudeurs. Au lieu de laisser des projets critiques, ces travailleurs prendraient du retard, les robots pourraient prendre le relais.

Les robots automatisent le processus, ce qui garantit une plus grande précision, moins de déchets et un fonctionnement plus rapide. Grâce à la gamme de machines disponibles, les robots s'adaptent à une grande variété de procédés de soudage, notamment à l'arc, par résistance, par points, TIG, etc.

1. Soudage à l'arc

L'un des types les plus courants de soudage robotisé est le procédé à l'arc. Dans cette méthode, un arc électrique génère une chaleur extrême, jusqu'à 6 500 degrés Fahrenheit, qui fait fondre le métal. Le métal fondu relie les pièces ensemble, se solidifiant en une connexion stable après refroidissement. Lorsqu'un projet nécessite un grand volume de métaux assemblés avec précision, le soudage à l'arc constitue une application idéale.

2. Soudage par résistance

Lorsque les projets nécessitent un traitement thermique ou un moyen de réduire les coûts, les robots peuvent utiliser le soudage par résistance. Au cours de ce processus, un courant électrique crée un bassin de métal en fusion lors de son passage entre les deux bases métalliques. Ce métal fondu relie les morceaux de métal ensemble.

3. Soudage par points

Certains matériaux résistent aux courants électriques, les empêchant d'autres formes de soudage. Cette situation se produit fréquemment dans l'industrie automobile pour assembler des pièces d'une carrosserie automobile. Pour résoudre ce problème, les robots soudeurs utilisent une variante du soudage par résistance pour connecter une paire de tôles minces en un seul point.

4. Soudage Tig

Les applications de soudage robotisé nécessitant des niveaux élevés de précision peuvent nécessiter un soudage TIG. Cette méthode est également connue sous le nom de soudage à l'arc au tungstène au gaz ou GTAW. Un arc électrique passe entre une électrode de tungstène et la base métallique.

5. Soudage Mig

Le soudage à l'arc sous gaz, également connu sous le nom de GMAW ou MIG, est une méthode rapide et simple qui utilise un haut niveau de dépôt. Un fil se déplace en continu vers la pointe chauffée de la soudeuse, ce qui fait fondre le fil, permettant à une grande quantité de métal en fusion de s'égoutter sur la base pour joindre la base à une autre pièce.

6. Soudage au laser

Lorsque les projets de soudage nécessitent de la précision pour un volume élevé de pièces, le soudage au laser est la méthode préférée d'assemblage des métaux. Les petites pièces, telles que les bijoux ou les composants médicaux, utilisent souvent le soudage au laser.

7. Soudage Plasma

Le soudage au plasma offre le degré de flexibilité le plus important car l'opérateur peut facilement modifier à la fois la vitesse du gaz traversant la buse et la température.

Applications de soudage robotisé

En raison de ses gains de temps et de sa productivité élevée, le soudage robotisé est devenu important dans les industries métallurgiques et lourdes, et en particulier dans l'industrie automobile qui utilise le soudage par points et au laser.

Il convient mieux aux soudures courtes avec des surfaces courbes et des actions reproductibles et prévisibles qui ne nécessitent pas de changements continus et de changements dans le processus de soudage. À l'aide d'axes externes, le robot convient également aux soudures longues, par exemple dans l'industrie de la construction navale.

Bien que le soudage robotisé soit principalement utilisé dans la production de masse, dans laquelle l'efficacité et la quantité sont essentielles, des programmes peuvent être conçus pour répondre à tous les besoins, et la robotique peut être utilisée pour des productions plus petites et même ponctuelles tout en maintenant une rentabilité élevée.

Robotique Vs. Soudage manuel

Le soudage manuel a toujours sa place dans la fabrication moderne. Pour les projets dans lesquels vous avez besoin d'un expert pour changer rapidement les styles de soudage utilisés, le soudage manuel sera votre meilleur choix. Un soudeur professionnel peut changer rapidement ce qu'il fait, mais les robots ne s'adaptent pas aussi rapidement aux situations incertaines.

Parce que le soudage manuel reste un procédé dont de nombreuses entreprises ont encore besoin, les soudeurs professionnels ne vont pas disparaître de si tôt. En fait, avec la pénurie de soudeurs experts mentionnée ci-dessus, ceux qui détiennent la certification trouveront facilement du travail, même si plusieurs entreprises investissent dans des robots.

Remplacer les soudeurs manuels par des robots n'exclura pas AWS de son activité de certification. La plupart des opérateurs de robots soudeurs doivent détenir une certification dans le domaine de la robotique de ce domaine, pour lequel l'AWS propose également des certifications. Le fait d'avoir des experts en robotique qui connaissent le soudage garantit que les projets sont correctement programmés pour se terminer aussi rapidement et à moindre coût que possible.

Vidéo sur le soudage robotisé