Le soudage laser devient manuel

Cherchant à s'affranchir de sa contrainte GTAW, Food Warming Equipment Co. Inc. a choisi le soudage laser, piloté non pas avec un pendentif d'apprentissage du robot mais avec un joystick. Photo de Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

Visitez un équipementier automobile ou un fournisseur de niveau supérieur, en particulier en Europe et de plus en plus en Amérique du Nord, et il y a de fortes chances qu'il ait une cellule de soudage laser à présenter, dont beaucoup avec une vitesse et une productivité époustouflantes. Un composant de porte complexe qui subissait auparavant un soudage par points lent en plusieurs étapes est désormais réalisé dans une configuration de soudage au laser dans une cellule fermée. Un laser à longue distance focale peut avoir une optique de balayage qui fait passer le faisceau de soudage d'un point à un autre en quelques microsecondes. C'est comme si l'âge de "Star Trek" était arrivé.

Beaucoup dans l'industrie observent le soudage au laser depuis des années, voire des décennies, mais ils n'ont tout simplement pas trouvé la bonne application. Pourquoi? C'est probablement à cause de la gamme de produits. Les fabricants à forte gamme de produits, qu'il s'agisse d'ateliers de travail ou d'équipementiers, trouvent ces systèmes fascinants, mais pas très pratiques. Oui, il y a le problème de la tolérance des écarts, mais les processus en amont de précision ont surmonté bon nombre de ces défis.

Le problème est maintenant la flexibilité du flux de pièces : la nécessité d'exécuter une pièce complètement différente après l'autre, et de ne pas savoir ce que sera cette pièce : une pièce répétitive, une pièce modifiée à partir d'une configuration standard ou une nouvelle pièce. Bien sûr, la programmation hors ligne, la simulation et le développement d'appareils ont parcouru un long chemin. Mais dans le soudage laser mécanisé et robotisé, quelqu'un doit encore développer et gérer ces programmes.

Food Warming Equipment Co. Inc. (FWE) fait face aux mêmes défis que de nombreux fabricants à gamme de produits élevée. L'usine de la société à Portland, dans le Tennessee, est l'incarnation même de la fabrication flexible. Le fabricant d'équipements de restauration commerciale produit à la demande et les clients peuvent personnaliser les produits au nième degré.

La zone de soudage finale de l'entreprise implique diverses soudures critiques sur le plan esthétique dans l'acier inoxydable et l'aluminium, et la plupart des employés de la zone utilisent une torche de soudage à l'arc au tungstène (GTAW). Mais un poste de travail se démarque. Au lieu de manier une torche au tungstène, le soudeur regarde à travers un microscope stéréo et actionne un joystick pour gérer la vitesse de déplacement de la soudure. Il soude avec un faisceau d'un laser à fibre. C'est le résultat d'une histoire d'application montrant qu'en matière de soudage au laser, l'automatisation n'est pas la seule réponse.

Observez la cellule de soudage au laser, séparée des autres cellules GTAW par des rideaux et des barrières de sécurité laser, et vous ne serez pas témoin de ces vitesses de soudage époustouflantes. En fait, la configuration d'un travail dans la cellule de soudage laser prend un peu plus de temps que la configuration dans les cellules GTAW. La plupart des pièces soudées au laser de l'entreprise ne nécessitent pas de montage spécial. Les travaux typiques impliquent des soudures finales ou des soudures d'angle pour les bacs à eau ou les dessus d'armoires. Mais l'opérateur passe du temps à positionner précisément la pièce sous la tête de soudage laser.

Le système utilise un laser à fibre pulsé d'une puissance moyenne de 400 watts et d'une puissance de crête de 4,5 kilowatts. Il est suffisamment puissant pour souder le matériau de faible épaisseur de FWE mais suffisamment faible pour que la source d'alimentation laser ne nécessite pas de refroidisseur. D'Alliance Specialties and Laser Sales, Wauconda, Illinois, le système peut être trouvé dans divers ateliers de fabrication de moules et de réparation, mais il peut également bien fonctionner pour les tôles de faible épaisseur. Quelques travaux de soudage au laser chez FWE impliquent du 18-ga. tôle, mais la plupart des pièces sont de 20 à 23 ga. inoxydable (magnétique et amagnétique) et aluminium. Les nuances typiques incluent l'acier inoxydable 430, l'acier inoxydable 301 et l'aluminium 3003.

Le processus de soudage au laser de FWE n'est pas particulièrement rapide. Cependant, la vitesse de soudage elle-même n'a pas d'importance, compte tenu des gains de temps de meulage et de polissage. Pour ces soudures finales importantes sur le plan cosmétique, un employé recevant une pièce soudée à l'arc au tungstène gazeux peut passer au moins cinq minutes à meuler et à polir une seule soudure sur une surface ou un bord visible. La plupart des pièces soudées au laser ne nécessitent que peu ou pas d'étapes de finition. Au pire, un travailleur peut passer une fois sur la soudure avec un agent de polissage, un processus qui ne prend que quelques secondes.

FWE ne craint pas l'automatisation. Son système de découpe au laser, doté d'un stockage et d'une récupération automatisés des matériaux, soulève les panneaux hors du nid de découpe et utilise des convoyeurs pour les présenter aux manutentionnaires, qui placent les ébauches sur des chariots à châssis en A. Les ébauches sont acheminées vers des presses plieuses situées non pas dans un département mais disposées stratégiquement dans des flux de valeur. L'entreprise dispose de deux presses plieuses robotisées avec changement d'outil automatique, et chaque presse plieuse manuelle dispose d'outils dédiés stratégiquement organisés afin que les opérateurs puissent échanger les poinçons et les matrices en quelques minutes.

Mais suivez ces flux de valeur en aval et les changements de technologie de fabrication. FWE n'a pas de robots de soudage - laser, arc ou autre. Sa gamme de produits et son approche du flux, avec une pièce unique après l'autre, n'étaient tout simplement pas adaptées à l'automatisation du soudage. Cela comprend la zone de soudage au fil (pour les cadres d'équipement et d'autres composants structurels) ainsi que les soudures finales critiques sur le plan cosmétique.

Le soudeur FWE Brandon Justice tient un fil d'apport très fin stable pour effectuer une soudure au laser autour d'un coin. Photo de Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

Lorsque les responsables ont commencé à scruter leur finition de soudage en 2016, ils savaient que la contrainte n'était pas le soudage, mais le polissage. Un autre défi était la compétence de l'opérateur. Trouver des soudeurs qualifiés est déjà assez difficile ; trouver quelqu'un qui a des compétences et de la finesse avec une torche GTAW est encore plus difficile. Les soudeurs ne pouvaient pas non plus utiliser le GTAW à proximité des aimants sur les portes et autres composants de l'armoire.

"Si vous êtes à proximité d'un champ magnétique, un soudeur TIG ne laissera pas l'arc entrer en contact", a déclaré Mike Adams, superviseur de soudage de FWE. "Avec le soudage au laser, vous n'avez pas d'arc. Vous avez juste un faisceau qui fait fondre les deux matériaux en même temps."

Ils se sont donc concentrés sur des méthodes d'assemblage alternatives qui pourraient réduire ou éliminer le besoin de meulage et de polissage. Cela les a conduits au laser. Le problème est que le monde du soudage au laser est automatisé, en particulier dans la fabrication de tôles aux États-Unis. Bien qu'elle ne soit certainement pas inconnue dans le monde entier, la soudure au laser à la main est une rareté aux États-Unis. Mais des systèmes de soudage manuel au laser existent, et certains sont largement utilisés en Asie et en Europe.

En fait, Alliance Specialties and Laser Sales importe et intègre un système de soudage manuel au laser, et l'équipe Alliance l'a testé avec des matériaux jusqu'à 0,200 po d'épaisseur. En fait, quelques soudeurs de FWE ont essayé le soudage laser manuel. Le pistolet a une pointe façonnée de telle sorte que s'il ne touche pas le métal de base, le laser ne démarre pas. L'opérateur porte des lunettes de sécurité laser connectées à la machine ; si les verres glissent, la machine s'arrête.

Cependant, le système manuel n'était toujours pas assez flexible pour répondre aux besoins de FWE. La conception de la pointe de la torche la rendait un peu plus volumineuse qu'une pointe de torche GTAW conventionnelle, donc l'accès à certains joints pouvait être un défi.

"Il peut également être difficile de souder avec du métal d'apport [sur le système de soudage laser manuel]", a déclaré Tony Demakis, directeur des ventes et du marketing chez Alliance. "Si vous avez des écarts excessifs, il n'y a nulle part où le métal fusionnera avec lui-même. Et cela aurait obligé [FWE] à ajuster ses processus et systèmes actuels pour y parvenir." (Il a ajouté, bien sûr, que le soudage au laser à la main est toujours applicable à une variété d'applications, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles il a eu du succès au Japon et en Europe.)

En fin de compte, l'équipe FWE a opté pour le laser à fibre ID-1 d'Alliance, un système actionné par joystick qui est commercialisé principalement pour le secteur des moules - ce n'est pas une surprise, étant donné qu'Alliance a été lancée (et reste) un atelier d'entretien et de réparation de moules. Alliance s'est lancé dans le secteur du laser en construisant ses propres systèmes de réparation de moules, puis a finalement commencé à vendre ces systèmes à d'autres sociétés.

La tête laser est fixée à un petit portique monté sur un seul socle qui donne à la tête 6 pieds de déplacement vertical. "La tête peut se déplacer sur le côté selon un angle, ce qui nous permet de souder les virages et les courbes et de la maintenir en mouvement à un rythme agréable et régulier", a déclaré Derek Coddington, responsable de l'amélioration continue chez FWE.

"En ce qui concerne l'accès commun, le système a juste besoin d'une bonne ligne de mire", a déclaré Demakis. "En règle générale, vous pourriez avoir un joint intérieur dans une cavité auquel vous ne pourrez peut-être pas accéder avec le soudage manuel. Mais si vous avez une bonne ligne de mire, il y a de fortes chances que vous puissiez le souder au laser." La clé est de choisir la distance de sécurité correcte, dictée par la lentille focale, pour placer le point de mise au point là où il doit être pour la soudure.

Lors des tests, le système à FWE a semblé produire des soudures propres même à travers les résidus laissés par les films protecteurs récemment retirés, bien que les résidus aient produit un peu de fumée (maintenant éliminé avec un système d'aspiration local).

Une soudure au laser autogène terminée sur un joint d'angle ne nécessite ni meulage ni polissage. Photo de Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

Doug Niggemann, vice-président d'Alliance, a ajouté que bien que les résidus collants ne causent pas de problèmes, les revêtements le peuvent. Le soudage au laser du métal galvanisé, du matériau anodisé ou de tout autre matériau avec un revêtement produira le dégazage et la porosité. FWE n'utilise pas un tel matériel, donc ce n'est pas un facteur.

"Mais par le passé, [Alliance] a travaillé dans des applications où un matériau revêtu ne se souderait pas. Par exemple, une application impliquait un aluminium avec un revêtement très épais. Nous soudions les deux pièces ensemble et elles se fendaient à la main. Elles avaient très peu de résistance. Nous avons essayé le sablage, nous avons essayé le nettoyage et tout ce que nous pouvions pour éliminer le revêtement. Nous avons donc fini par créer un programme dans notre machine de gravure au laser."

Agissant comme un système de nettoyage au laser, le système de gravure a enlevé le revêtement dans les zones qui devaient être soudées. Avec cela, l'entreprise a pu souder les pièces ensemble.

Pour faire fonctionner le système laser chez FWE, le soudeur positionne la pièce sous la tête laser et le stéréomicroscope 10x, qui fait office de lunettes de protection laser pour l'opérateur. (Tout observateur à proximité dans la cellule doit porter des lunettes de sécurité adaptées aux lasers de classe 4.) Il positionne ensuite la buse pour le blindage à l'argon.

"Nous utilisons de l'argon pur", a déclaré Adams, "bien que nous ayons constaté qu'il soude en fait sans blindage. La seule différence est que la soudure n'est pas aussi propre. Il faut un peu de polissage. Mais si vous soudez une pièce et utilisez un gaz de protection, dans de nombreux cas, il n'y a tout simplement aucun polissage nécessaire. C'est si propre que vous n'avez même pas besoin de le toucher. " Et cet avantage, a déclaré Adams, est l'une des principales raisons pour lesquelles FWE a investi dans le soudage au laser en premier lieu.

L'entreprise stocke des programmes qui définissent, entre autres paramètres, la fréquence des impulsions, qui peut aller de 0 à 50 impulsions par seconde. "Nous avons une configuration de base de 10 impulsions par seconde", a déclaré Adams, ajoutant que cela, avec le réglage de température standard, agit comme une référence, ainsi que certains niveaux de pénétration. Les opérateurs peuvent les ajuster en fonction de la géométrie de la soudure et de la vitesse à laquelle elles se déplacent. Un voyage plus rapide nécessite plus d'impulsions, un voyage plus lent nécessite moins d'impulsions.

Cela a en partie considérablement raccourci la formation, a déclaré Coddington, ajoutant que dans la plupart des cas, la formation ne prend que quelques heures. En général, il a déclaré qu'un soudeur peut apprendre à maîtriser un faisceau laser beaucoup plus rapidement qu'une torche au tungstène. "En même temps, il est également suffisamment flexible pour que nous puissions y faire une variété de pièces. Et nous n'avons pas besoin de nous fier à la programmation, comme nous le ferions si nous avions un système robotique."

Demakis chez Alliance a ajouté une mise en garde. "Bien sûr, si vous soudez des géométries complexes, cela devient une forme d'art comme avec n'importe quel autre procédé de soudage. Mais si vous ne faites que vous mouiller les pieds et souder des géométries simples, vous pouvez souder en un jour ou deux."

La plupart des soudages au laser chez FWE se produisent sur des joints d'angle bout à bout ou d'angle. Et pour environ 90 % de leur travail, les opérateurs soudent au laser sans métal d'apport, un exploit réalisé grâce aux écarts constants créés par les processus en amont, en particulier les presses plieuses et l'outillage modernes de l'entreprise. La machine permet également aux soudeurs d'ajuster la "largeur d'impulsion". Une impulsion plus large introduit essentiellement une oscillation dans la focalisation du laser, ce qui peut aider à compenser la variation de l'écart et d'autres défis et incohérences de la géométrie des articulations.

Le superviseur de soudage Mike Adams effectue une soudure au laser autogène sur un joint d'angle. Photo de Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

"A l'aide d'un soudeur laser, nous devions éliminer complètement l'espace entre les joints", a déclaré Adams. "Vous soudez avec un peigne à dents fines. Vous regardez dans un microscope, et quelque chose qui ne semble pas plus gros qu'un cheveu est vraiment crucial."

Les tolérances d'écart typiques pour le soudage au laser autogène peuvent être de ± 1/32 po. Cela dit, à l'occasion, l'écart entre les pièces d'accouplement peut être plus grand, ou la nature de la géométrie du joint elle-même peut ne pas se prêter au soudage autogène.

"Parfois, vous n'avez tout simplement pas assez de matériau de base pour puiser", a déclaré Adams, expliquant que lorsque cela se produit, les matériaux de base ne s'écoulent tout simplement pas comme ils le devraient.

Dans ces cas, l'opérateur utilise une tige de remplissage très fine, presque semblable à un cheveu. Contrairement à GTAW, le soudeur laser ne plonge pas la tige dans le bain de soudure. En fait, la génération du bain de soudure est fondamentalement différente avec le laser, c'est pourquoi le procédé laser a une zone affectée par la chaleur si étroite. Au lieu de cela, le soudeur maintient le métal d'apport stable et le fait passer à travers le joint. L'énergie extrêmement concentrée du faisceau laser entretient la piscine ; la charge assure simplement une fusion complète à travers l'espace de soudure.

Avec GTAW, le soudeur travaille pour maintenir un bain de soudure constant. S'il utilise GTAW avec une tige de remplissage, il plonge la tige dans la flaque d'eau pour la maintenir cohérente et permettre au métal de base fondu de s'écouler uniformément, créant ainsi cet aspect caractéristique de pile de dix sous.

"Avec TIG, la gravité aide le métal en fusion à s'écouler dans la flaque d'eau", a déclaré Adams. "Mais avec le laser, vous poussez le métal à travers [le joint], et vous allez contre la gravité."

FWE étudie la possibilité d'apporter un autre système de soudage au laser en interne, un avec une puissance plus élevée (comme un courant moyen de 600 W) qui pourrait gérer des tôles plus épaisses, telles que 10 ou 12 ga., Pour certains de ses produits de chariots chauffants pour aliments lourds conçus pour être utilisés dans les prisons.

"Si vous passez à un système de 600 watts [commandé par joystick], vous avez besoin d'un refroidisseur", a déclaré Niggemann. "Mais vous pouvez souder au moins un matériau de 1/8 de pouce."

FWE continue d'examiner toutes les formes d'automatisation du soudage, y compris la programmation hors ligne, la simulation et tout ce qui pourrait maintenir ou augmenter la flexibilité du service de soudage.

Cela dit, l'automatisation ne peut pas sacrifier la flexibilité. Un système capable de souder tout un chariot chauffant en un instant serait amusant à observer mais de peu d'utilité pour FWE, un OEM qui agit essentiellement comme un atelier, produisant tout sur commande.

Lorsqu'un soudeur regarde à travers le microscope stéréo 10x, il voit une vue claire de la soudure au laser, y compris cet aspect propre de "pile de dix sous", juste à petite échelle. Photo de Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

Les responsables considèrent la configuration actuelle de l'entreprise comme un juste milieu entre une opération manuelle et une automatisation à part entière. La vitesse de soudage n'est pas spectaculaire, mais lorsque FWE a examiné la situation dans son ensemble et la durée totale du cycle de soudage-meulage-polissage, l'adoption du procédé de soudage au laser avait tout son sens.

Photos par Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

Photos par Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.