Guide complet du soudage robotisé

Dans l'industrie manufacturière, les entreprises s'efforcent constamment d'améliorer la qualité et la productivité tout en maintenant des coûts bas. Afin d'apporter ces améliorations, les entreprises manufacturières se tournent souvent vers la technologie, et cela est particulièrement vrai dans le cas du soudage.

Le soudage, dans sa forme la plus élémentaire, est le processus d'assemblage de deux matériaux par l'application de chaleur et de pression. Lorsque les gens pensent au soudage, le mot évoque souvent l'image d'un masque de protection et d'une paire de gants épais manipulant une torche. Alors que le soudage manuel a toujours sa place dans l'industrie, une pénurie croissante de soudeurs professionnels a laissé un vide important. L'American Welding Society estime que d'ici 2020, il y aura une pénurie de 290 000 professionnels du soudage. Un nombre croissant d'entreprises investissent dans des installations de soudage robotisées.

L'installation d'un appareil de soudage robotisé demande beaucoup de considération, de planification et d'importants investissements en temps et en argent. Cependant, les entreprises qui ont mis en œuvre le soudage robotisé dans leurs procédures ont découvert d'innombrables avantages à long terme.

Si votre entreprise envisage la possibilité d'utiliser le soudage robotisé dans le cadre de votre processus de fabrication de pièces, voici un guide complet de ce que vous devez savoir sur le processus, son histoire et ses avantages.

Qu'est-ce que le soudage robotisé ?

Le soudage robotisé, également appelé soudage automatisé, est le processus automatisé d'utilisation d'outils programmables mécanisés pour souder et manipuler une pièce. Cette application relativement nouvelle de la robotique a comblé le vide laissé par la pénurie croissante de professionnels du soudage, prenant en charge une grande partie des travaux de soudage dans l'industrie nord-américaine.

Depuis combien de temps existe-t-il le soudage robotisé ?

L'histoire du soudage robotisé est profondément enracinée dans l'histoire des robots industriels en général, remontant au milieu du 20 ^ème siècle.

Le premier robot programmable a été inventé en 1954 par George Devol, et Devol a rapidement suivi cette invention avec la création de la première société de robots au monde, Unimation. Avec cette nouvelle société, Devol et ses associés créent le premier robot industriel. Le modèle, appelé Unimate, a été utilisé dans une usine automobile de General Motors dans le New Jersey, effectuant des soudures par points et extrayant des pièces moulées sous pression. Après cette introduction positive, le concept du robot industriel s'est répandu aux quatre coins du globe en une décennie.

A partir de ce modèle initial, le robot industriel n'a cessé de s'améliorer. En 1978, Unimation, financé par General Motors, a créé la machine universelle programmable pour l'assemblage, appelée PUMA en abrégé. De nombreux laboratoires utilisent encore cette version aujourd'hui.

L'industrie a continué de croître, en plein essor au début des années 80. Au cours de ces années, l'industrie des robots industriels s'est développée si rapidement qu'un nouveau robot ou une nouvelle entreprise est entré sur le marché chaque mois, augmentant considérablement la concurrence et l'innovation. Au cours de cette décennie, les bras robotiques ont été améliorés pour avoir plus de mobilité et de contrôle.

Les processus ont continué à s'améliorer tout au long des années 90, les commandes électroniques s'améliorant à un point tel que plusieurs robots pouvaient être contrôlés et coordonnés simultanément. Les interfaces opérateur ont également été améliorées et les conceptions de robots ont été simplifiées et rationalisées pour permettre un meilleur accès pour la maintenance et la réparation.

Les progrès technologiques continuent d'améliorer la fonctionnalité des robots industriels à ce jour, uniquement limités par les coûts d'équipement et de recherche.

Comment fonctionne un robot de soudage ?

Une unité de soudage robotisée, également appelée cellule de soudage robotisée, se compose de plusieurs composants travaillant ensemble pour souder des pièces. Ces composants comprennent ceux qui participent activement au soudage, ainsi que des accessoires et des dispositifs de sécurité pour assurer le bon fonctionnement de la cellule.

Voici les composants les plus élémentaires d'une cellule de soudage robotisée, qui sont tous importants pour le processus de soudage robotisé :

• Chargeur de fil : Cela déplace le fil d'apport dans le robot à une vitesse programmée. Ce fil d'apport est souvent utilisé pour ajouter de la matière à une soudure afin de soutenir le joint.
• Robot de soudage : Cela comprend le robot et l'outil à l'extrémité du bras, généralement une torche ou un autre manipulateur. Ces robots sont de deux types :les robots articulés et les robots rectilignes. Les robots rectilignes peuvent déplacer leur bras principal dans trois directions et faire tourner un poignet à l'extrémité du bras. Les robots articulés ont des articulations rotatives, qui permettent une plus grande liberté de mouvement et une plus grande amplitude de mouvement en dehors des trois dimensions.
• Nettoyeur de fils : Le nettoyant est utilisé pour éliminer les éclaboussures de la torche entre les cycles de travail, prolongeant ainsi la durée de vie de l'équipement.
• Torche : La torche utilise l'énergie transmise à une électrode pour chauffer et assembler les métaux. Les unités de soudage à l'arc ont également un appareil de protection contre l'arc inclus dans la torche. En outre, une unité de refroidissement à air ou à eau est généralement incluse.
• Zone de travail : C'est là que les pièces sont placées et maintenues pour que le robot soude. Les fixations maintiennent les pièces en place pendant que le robot termine ses soudures.
• Contrôleur : Ce composant est en fait le "cerveau" de la cellule de soudage, fournissant de l'énergie et des instructions au robot à l'aide de programmes stockés.
• Pendentif d'enseignement : Ce système d'interface portable permet à l'opérateur de définir les paramètres de soudage, de déplacer manuellement le robot et de saisir de nouveaux programmes.
• Alimentation de soudage : Cela alimente la torche de soudage. Cela variera en taille et en performance en fonction des exigences des pièces à souder. L'alimentation électrique diffère légèrement selon que la cellule est une unité de soudage à l'arc ou une unité de soudage par points.
• Lumière de la pile : Cette lumière indique ce que fait la cellule à un moment donné. Généralement, un voyant rouge indique un arrêt d'urgence, un voyant orange signifie que le robot est en cours de programmation et un vert signifie que la cellule fonctionne automatiquement.
• Boîte d'opération : Cette boîte contient des commandes pour démarrer et arrêter une cellule, et elle contient des boutons pour chaque fonction, y compris un bouton de redémarrage pour réinitialiser la cellule après la résolution d'un dysfonctionnement.
• Caractéristiques de sécurité : La plupart des machines de soudage robotisées comprendront des dispositifs de sécurité pour éviter de blesser les travailleurs et les opérateurs. Il s'agit notamment de clôtures, de protection contre les arcs électriques, de portes d'accès et d'autres fonctionnalités pour réduire l'exposition des travailleurs à la lumière, aux fumées et aux mouvements dangereux pendant le fonctionnement d'une cellule.

Les programmes sont saisis via le pendentif d'apprentissage et enregistrés dans le contrôleur, qui indique au robot ce qu'il doit faire. Ces programmes déplacent le robot de soudage et manipulent la torche au bout de son bras, la plaçant exactement là où elle doit être à tout moment. La torche chauffe, en utilisant une alimentation électrique pour générer suffisamment de chaleur dans le métal pour fusionner les pièces ensemble de façon permanente. Le dévidoir alimente en matériau supplémentaire le bras du robot pour ce faire. Entre les pièces, le bras déplace la torche vers le nettoyeur de fil pour éliminer les éclaboussures.

Qu'est-ce que le processus de soudage robotisé ?

Le flux de travail d'une cellule de soudage robotisée se compose d'une série d'étapes étroitement surveillées. Ces étapes sont :

1. Placez la pièce dans le luminaire et serrez-la solidement en place.

2. Sélectionnez le programme approprié à partir du contrôleur. Sinon, si le programme approprié n'est pas disponible, programmez le contrôleur à l'aide du pendentif d'apprentissage.

3. Appuyez sur le bouton de démarrage du contrôleur pour commencer à travailler.

4. Au fur et à mesure que la première pièce est travaillée, déplacez la deuxième pièce dans la station de chargement appropriée.

5. Lorsque le soudage commence sur le premier poste de travail, commencez à configurer le deuxième poste de travail.

6. Une fois le soudage terminé, les travaux commenceront sur la deuxième station.

7. Récupérez la pièce finie du poste 1 et rechargez le poste de travail pour le cycle suivant.

Les fonctions et les complexités spécifiques varient en fonction de la cellule de soudage robotisée particulière utilisée, mais la plupart suivront cette procédure générale.

Comment les robots sont-ils utilisés dans l'industrie du soudage ?

Le soudage robotisé représente 29 % de toutes les applications robotiques dans l'industrie, surmonté uniquement par la manutention robotisée des matériaux. Le soudage automatique est le plus couramment utilisé dans les industries manufacturières et d'ingénierie pour accroître l'efficacité des entreprises et des laboratoires.

Le plus souvent, ils sont utilisés pour le soudage par points par résistance et le soudage à l'arc pour de grandes quantités de produit. Ces deux processus sont décrits en détail ci-dessous :

Soudage par points par résistance

Le soudage par résistance robotique est un moyen économique de souder deux pièces de tôle ensemble en un seul point ou point. Ce type de soudage est couramment utilisé dans l'industrie automobile, où il est utilisé pour souder des tôles sous la forme d'une voiture. De nombreux soudeurs par points de l'industrie automobile sont robotisés et peuvent être vus travailler sur des chaînes de montage de voitures.

Le processus de soudage par points fonctionne en appliquant deux électrodes en alliage de cuivre sur les pièces à fusionner et en faisant passer un courant à travers les matériaux. Le courant chauffe le métal et le fait fondre, formant une piscine entre les pièces à l'endroit appliqué. Lors du refroidissement, les pièces fusionnent.

Les robots soudeurs sont idéaux pour cette application car ils sont capables de placer plusieurs points de soudure avec une précision et une efficacité extrêmes.

Soudage à l'arc

Le soudage à l'arc robotisé ne s'est développé en tant qu'industrie que récemment, mais rattrape rapidement le soudage par points en tant que méthode de soudage robotique la plus populaire. Le processus utilise une alimentation électrique pour générer un arc électrique entre une électrode montée sur la torche et le métal. Cet arc produit une température d'environ 6 500 degrés Fahrenheit à la pointe de la torche. Cela chauffe le métal, produisant une piscine de métal fondu sous la torche qui se solidifie lors du refroidissement. Lors du refroidissement, les pièces fusionnent en permanence.

En raison des températures extrêmement élevées produites, les métaux impliqués dans ce processus réagissent souvent chimiquement avec l'oxygène et l'azote de l'air ambiant. Cela peut compromettre l'intégrité du joint de soudure. Pour cette raison, de nombreux processus de soudage à l'arc impliquent un processus appelé protection contre l'arc. Ce processus recouvre l'arc et le métal en fusion d'un écran protecteur de gaz ou de vapeur, minimisant le contact entre le métal en fusion et l'air ambiant.

La chaleur extrême et les réactions chimiques impliquées dans le soudage à l'arc en font une application parfaite pour la robotique, car cela réduit l'exposition des travailleurs et des opérateurs à ces risques.

Quels sont les avantages du soudage robotisé ?

La mise en œuvre d'une installation de soudage robotisé nécessite un investissement important en temps et en argent. Cependant, les avantages du système dépassent de loin les avantages du soudage traditionnel, et les coûts du système sont rapidement amortis en termes de productivité accrue, d'amélioration de la qualité et de réduction des déchets.

Les équipes de soudage à travers les États-Unis bénéficient du soudage robotisé en raison des avantages suivants :

Production accrue 

Les systèmes de soudage robotisés font le travail rapidement et efficacement, faisant moins d'erreurs que leurs homologues humains tout en augmentant considérablement la vitesse de production. De plus, les robots peuvent travailler 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, contrairement aux travailleurs humains qui ont besoin de sommeil, de pauses et de vacances. Les opérateurs humains ont généralement moins de 50 % de temps d'arc, et les pourcentages de temps de présence humaine diminuent à mesure que la fatigue s'installe plus tard dans le quart de travail. Les robots, en revanche, ont un temps d'arc de 75 à 80 %. Ce nombre passe à 95 % pour les pièces avec des coutures plus longues.

Amélioration de la qualité et de la cohérence

Le système automatisé crée des soudures cohérentes avec une précision extrêmement proche, plaçant les mêmes soudures de qualité au même endroit à plusieurs reprises sans fatigue. La précision de ces systèmes réduit également les éclaboussures, ce qui se traduit par des coutures plus nettes. Cependant, cela n'élimine pas les erreurs et les défauts - un équipement défectueux ou endommagé ou une programmation incorrecte peuvent tous deux entraîner des défauts du produit. Heureusement, ces deux problèmes peuvent être évités par des techniciens certifiés en soudage robotisé.

Économisez de l'énergie

Les systèmes de soudage automatisés conservent l'énergie en fonctionnant de manière constante, ce qui réduit les démarrages coûteux en énergie. De plus, les robots ne soudent pas trop et réduisent le besoin de soudage correctif, réduisant ainsi la dépense énergétique.

Diminution des rebuts

L'erreur humaine est toujours possible, même avec les soudeurs les plus qualifiés. Cependant, chaque mouvement effectué par un robot de soudage est planifié et automatisé, ce qui réduit les erreurs et, par conséquent, le nombre de pièces mises au rebut. Pour les travaux à plus forte valeur ajoutée, cela peut être un facteur crucial pour respecter le budget.

Réduction des déchets

Les consommables sont une autre source de déchets. Les consommables comprennent les buses et autres composants à durée de vie relativement courte qui sont remplacés après un certain nombre d'utilisations. Les unités de soudage robotisées augmentent la vitesse de soudage et minimisent la consommation d'énergie excessive, augmentant ainsi la durée de vie de chaque composant consommable. Cela signifie que les nouveaux consommables sont achetés moins fréquemment, ce qui réduit les coûts.

Retour sur investissement

La plupart des entreprises constateront que pour les projets plus importants, l'efficacité, la précision et les économies de coûts du soudage robotisé compensent largement le coût d'installation initial lorsqu'elles travaillent avec une entreprise de fabrication de métaux.

La combinaison de vitesses plus élevées, de soudures de meilleure qualité et d'une diminution des rebuts contribue à ce retour sur investissement rapide. Ce rendement augmente encore si l'on considère les coûts énergétiques réduits et les risques minimisés de sursoudage. Le passage à un processus de soudage robotisé peut aider l'entreprise à réaliser des économies importantes sur les coûts globaux.

Pour calculer un retour sur investissement approximatif, une entreprise peut évaluer les temps de cycle actuels des pièces et les comparer aux temps de cycle potentiels pour une configuration de soudage robotisé. D'autres économies de déchets, de main-d'œuvre et d'énergie peuvent également être liées à l'estimation pour un chiffre plus précis.

Comment choisir un fabricant sous contrat avec une configuration de soudage robotisé de haute qualité ?

Un bon sous-traitant investit non seulement dans des professionnels hautement qualifiés, mais également dans des installations de soudage robotisées qui offrent la meilleure qualité et la meilleure valeur en surveillant les pistolets MIG et les consommables et en recherchant les périphériques appropriés pour la machine :

Pistolets MIG

Les pistolets MIG doivent être sélectionnés avec soin pour répondre aux besoins du modèle particulier utilisé dans la configuration de soudage robotisé. Les entreprises doivent choisir des pistolets MIG avec l'ampérage et la capacité de refroidissement appropriés pour l'application. Un ampérage ou un refroidissement inadéquat peut entraîner une panne de la machine, tandis que l'achat d'un pistolet avec une capacité d'ampérage supérieure à ce qui est nécessaire est un gaspillage d'argent, car le prix d'un pistolet MIG robotisé est directement proportionnel à l'ampérage qu'il offre.

Consommables

Les consommables, tels que les tubes contact, les buses, les têtes de retenue et les revêtements, doivent également être sélectionnés et gérés avec soin. Différentes buses et pointes de contact doivent être sélectionnées pour différentes applications - les consommables à usage standard doivent être utilisés pour les applications à faible ampérage ou les applications avec des temps d'arc plus courts, tandis que les consommables à usage intensif, qui sont plus chers que les versions standard, doivent être utilisés pour applications à haute intensité ou à arc élevé pour réduire le temps d'arrêt nécessaire pour les changer.

Périphériques

Un périphérique est tout équipement supplémentaire pouvant être intégré au système de soudage robotisé. L'utilisation du bon type de périphériques peut optimiser les performances de la configuration. Bien que les périphériques aient un coût initial, ils peuvent augmenter le retour sur investissement du robot de soudage en améliorant les performances de la configuration, en augmentant la durée de vie des consommables et en réduisant la probabilité de défauts de soudage.

Certains périphériques potentiellement utiles incluent :

• Station de nettoyage des buses : Aussi appelé alésoir ou nettoyeur d'éclaboussures. Ce périphérique nettoie la buse de la saleté, des débris et des éclaboussures lors des passages de routine dans l'opération de soudage. Cela permet d'éviter une perte de couverture qui pourrait entraîner des défauts et des retouches de soudure. Cela augmente également la durée de vie des consommables, réduisant ainsi la fréquence des changements.
• Pulvérisateurs anti-éclaboussures : Ce périphérique augmente la durée de vie des consommables en ajoutant un composé anti-adhérent sur les consommables qui agit comme une barrière protectrice. Comme la station de nettoyage des buses, cela évite la perte de couverture et réduit la fréquence des changements de consommables.
• Coupe-fil : Pour les robots de soudage à l'arc, les unités nécessitent un fil pour sortir lorsqu'un arc s'amorce. Un coupe-fil coupe le fil de soudage à une longueur spécifiée, supprimant toute incohérence dans la longueur et la qualité du fil. Cela se traduit par des démarrages d'arc plus fiables et des soudures plus homogènes.
• Support de bras : Pour certaines configurations, la collision est un risque qui doit être pris en compte. Pour les robots équipés d'un logiciel de détection de collision, un support de bras solide est nécessaire pour protéger l'équipement en le maintenant en place lorsque le robot détecte la collision et s'arrête.
• Embrayage : Pour les robots sans détection de collision, un embrayage est nécessaire pour protéger l'équipement contre les collisions. L'embrayage reconnaît l'impact physique d'une collision et envoie un signal électrique au contrôleur du robot qui provoque l'arrêt du système, évitant ainsi tout dommage supplémentaire.

Tous ces périphériques peuvent contribuer à la protection et à l'augmentation de la productivité de l'équipement de soudage robotisé.

Qui doit faire fonctionner une unité de soudage robotisée ?

Le soudage robotisé nécessite une supervision et une maintenance constantes par un opérateur qualifié. Si personne dans le bassin de talents actuel de l'entreprise n'a d'expérience préalable en soudage robotisé, il est dans l'intérêt de l'entreprise d'embaucher une entreprise de fabrication de métaux avec des opérateurs d'unités de soudage robotisé certifiés.

Un technicien qualifié sera en mesure de maximiser la disponibilité du projet en planifiant et en effectuant une maintenance préventive régulière sur le système. Cela permet de minimiser les temps d'arrêt inutiles et garantit le bon fonctionnement du système - tous les avantages sont répercutés sur votre projet.

L'embauche d'un fabricant sous contrat avec des techniciens en soudage robotique certifiés peut être une méthode plus rentable. Très peu d'entreprises se spécialisent dans le soudage robotisé, en particulier aux États-Unis, avec un personnel hautement qualifié et professionnel qui sait exactement comment travailler avec des cellules de soudage robotisé pour produire les meilleurs résultats pour votre produit. Fairlawn Tool, Inc. est l'une de ces sociétés, fournissant un service de soudage robotisé de qualité à nos clients par une équipe de soudage certifiée AWS.

Chez Fairlawn Tool, Inc., nous considérons que le soudage robotisé fait partie intégrante de notre processus de production pour aider à réduire les coûts globaux pour nos clients, vous aidant ainsi à obtenir le produit de la plus haute qualité au moindre coût. De plus, nous sommes également fiers d'offrir des services de soudage manuel qui conviennent bien aux petites séries et aux commandes commerciales hautement personnalisées. Dans la plupart des cas, le soudage manuel peut être combiné avec le soudage robotisé pour tirer le meilleur parti des deux approches. Nous sommes fiers d'une qualité constante, quelle que soit l'ampleur du projet de fabrication, car nous voulons nous assurer que chaque unité dépasse vos attentes.

Fairlawn Tool est un fabricant de contrat de service complet pour tous vos besoins de fabrication de métal. En gérant chaque partie du processus en interne depuis notre usine du Maryland, nous sommes en mesure d'assurer le plus haut niveau de qualité à un prix compétitif. Nous sommes toujours heureux de vous aider à répondre à vos questions et de vous conseiller sur la meilleure approche pour votre entreprise.

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