Nouvelle technologie pour le soudage robotisé

Aug 07, 2023

Poussé par la demande de l'industrie automobile, le soudage au laser est l'une des applications les plus dynamiques pour les robots à six axes. Photo publiée avec l'aimable autorisation d'ABB Robotique

L'ensemble de vêtements pour le soudage au laser nécessite un certain soin à mettre en place. Les restrictions de rayon de courbure doivent être respectées et les câbles ne peuvent pas subir de chocs. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Comau LLC

Que le robot soit utilisé pour GTAW ou GMAW, les experts recommandent une machine spécialement conçue pour la tâche. Photo publiée avec l'aimable autorisation de FANUC America Corp.

ABB a récemment ajouté le procédé TIP TIG à sa plate-forme de technologies de soudage robotisé. Au lieu de fournir le fil d'apport dans le bain de soudure à un rythme continu, le dévidoir agite le fil d'avant en arrière. Le courant électrique, fourni par une source d'alimentation secondaire, est également appliqué au fil d'apport. Photo publiée avec l'aimable autorisation d'ABB Robotique

Avec le soudage sans montage, la pièce de base est située dans un montage simple. Ensuite, un robot de manutention guidé par la vision saisit la pièce à souder, la met en place sur la pièce de base et l'y maintient pendant qu'un robot de soudage à l'arc effectue sa tâche. Photo publiée avec l'aimable autorisation de FANUC America Corp.

Le soudage d'un type ou d'un autre a été l'application n° 1 des robots industriels presque depuis l'invention de la technologie.

Selon la Fédération internationale de robotique, 50 % de tous les robots du monde sont utilisés pour le soudage. Plus précisément, 33 % sont employés pour le soudage par points, 16 % font du soudage à l'arc et 1 % effectuent un autre type d'opération de soudage.

Avec des robots à six axes, les assembleurs peuvent souder les pièces mieux, plus rapidement, de manière plus cohérente et plus sûre. Et les capacités des robots de soudage se sont considérablement améliorées ces dernières années, alors même qu'ils sont devenus plus faciles à utiliser et moins coûteux à déployer. Une technologie qui était autrefois réservée aux équipementiers automobiles et autres grands fabricants est désormais à la portée des petites et moyennes entreprises.

Il n'est donc pas étonnant que le marché mondial des robots de soudage devrait croître de 6,09 % par an jusqu'en 2019, selon le cabinet d'études de marché Technavio.

Poussé par la demande de l'industrie automobile, le soudage au laser est l'une des applications les plus dynamiques pour les robots à six axes. Les constructeurs automobiles sont sous pression pour réduire le poids des véhicules, et le soudage au laser résout ce problème sur plusieurs fronts, déclare Mark Anderson, directeur des matériaux et de la technologie chez Comau LLC.

Par exemple, pour gagner du poids, les constructeurs automobiles utilisent de plus en plus des tubes hydroformés pour divers composants de châssis. L'assemblage de tôles sur de tels tubes pose un problème pour le soudage par points par résistance, qui nécessite l'accès aux deux côtés de l'assemblage. Le soudage au laser ne partage pas cette limitation. Il ne nécessite l'accès qu'à un seul côté de l'assemblage.

De plus, comme le point focal du faisceau laser est si petit, les brides des pièces pour les joints à recouvrement peuvent être plus étroites que celles conçues pour le soudage par résistance par points, explique Anderson. Moins de métal signifie moins de poids et moins de coûts.

"Les embouts d'un pistolet de soudage par points peuvent avoir un diamètre de 0,25 pouce", explique-t-il. "Cela signifie que la bride doit avoir au moins 10 ou 12 millimètres de large. Avec le soudage au laser, vous pouvez avoir une taille de point de 1 millimètre de diamètre. Désormais, votre bride ne peut avoir que 3 ou 4 millimètres de large. C'est une économie de 50 %. en matière."

La nécessité de réduire le poids des véhicules amène également les constructeurs automobiles à assembler des carrosseries de voitures avec une variété de matériaux dans une variété d'épaisseurs. À un moment donné, toutes les pièces d'un panneau de porte peuvent avoir été embouties à partir du même rouleau de tôle d'acier. Aujourd'hui, ce même panneau de porte peut être composé de cinq matériaux différents d'épaisseurs variables.

Le soudage au laser peut également aider à relever ce défi. « Un faisceau laser peut produire beaucoup plus de chaleur que le GMAW [soudage à l'arc sous gaz et métal] », déclare Mark X. Oxlade, responsable du développement du marché pour le soudage et le coupage chez ABB Robotics. "Des matériaux différents peuvent être assemblés plus facilement à ces températures plus élevées."

En raison de la taille de l'outillage en bout de bras (EOAT), le soudage par résistance nécessite un robot assez lourd avec une capacité de charge utile élevée, d'environ 100 à 250 livres. D'autre part, l'outillage pour GMAW est plus petit et plus léger, donc un robot avec une capacité de charge utile de 20 à 40 livres pourrait être suffisant.

Le soudage au laser se situe quelque part au milieu, dit Anderson. De nos jours, la source de lumière laser elle-même - une fibre, une diode ou un disque laser - ne fait pas partie de l'EAOT. Au lieu de cela, le laser est situé bien loin du robot et le faisceau est transmis à l'EAOT via un câble à fibre optique. Ainsi, le robot n'a besoin de transporter que diverses optiques (la tête laser), des câbles et des outils auxiliaires, comme une roue de pression pour aider à serrer les pièces ensemble pendant le soudage. Par conséquent, les assembleurs peuvent n'avoir besoin que d'un robot d'une capacité de charge utile de 60 à 90 livres.

D'un autre côté, les robots avec une capacité de charge utile inférieure ont généralement une portée plus courte également. Ainsi, si une enveloppe de travail plus importante est souhaitée, les assembleurs peuvent souhaiter passer à un robot de plus grande capacité.

L'habillage d'un robot de soudage au laser est similaire à celui des autres types de robots de soudage, sauf que les câbles à fibres optiques remplacent les câbles électriques.

"L'ensemble de vêtements pour le soudage au laser nécessite un certain soin à mettre en place, probablement plus qu'avec le soudage par points par résistance", prévient Anderson. "Les restrictions de rayon de courbure doivent être respectées et les câbles ne peuvent pas subir de chocs."

Les fournisseurs de laser comme Trumpf Inc. et IPG Photonics Corp. travaillent en étroite collaboration avec les équipementiers de robotique afin que les deux technologies fonctionnent harmonieusement. Par exemple, ABB a développé une interface qui permet de contrôler la tête laser à optique de focalisation programmable (PFO) de Trumpf via le contrôleur de robot d'ABB plutôt qu'un PC externe.

"Cela produit d'énormes améliorations du temps de cycle", déclare Oxlade. "Un tiers à deux tiers du temps de cycle typique peut être érodé uniquement par cette capacité. Historiquement, vous deviez vous déplacer vers un point, le souder, passer à un autre, etc. Désormais, le logiciel vous permet simplement de faites-le d'un seul coup, et c'est une grande économie de temps de cycle."

Le PFO positionne le faisceau laser avec deux miroirs rotatifs pour maximiser les vitesses de traitement et de positionnement et réduire le temps de cycle global. Le faisceau laser peut être placé à n'importe quelle position prédéfinie dans l'espace de traitement, ou il peut être guidé sur n'importe quel contour. Le soudage par points, le soudage par points, le soudage continu et la découpe sont possibles sans déplacer la pièce ou l'optique de focalisation.

Le PFO est disponible pour les lasers à semi-conducteurs pulsés et continus. Différentes focales allant de 90 à 1 200 millimètres permettent différentes tailles de champ de traitement.

Le traitement peut être effectué "à la volée" pour minimiser les temps de positionnement dus au chevauchement des mouvements du robot et du scanner. Selon la distance focale, des zones de travail de 56 par 56 millimètres à 406 par 630 millimètres peuvent être atteintes.

Avec le PFO, le mouvement d'oscillation du spot laser est réglable individuellement pour une qualité optimale du cordon de soudure aussi bien pour le soudage par conduction thermique que pour le soudage par pénétration profonde.

"Un faisceau laser est très fin", explique Oxlade. "Donc, s'il n'atteint pas exactement la marque, la qualité peut se dégrader. Avec le PFO, vous pouvez diffuser le faisceau. Vous pouvez trembler et faire osciller le faisceau, un peu comme le tissage dans le soudage à l'arc."

Ainsi, une soudure de haute qualité peut toujours être produite même si le positionnement des pièces est un peu décalé.

Bien que le soudage robotisé au laser ait suscité beaucoup d'attention ces derniers temps, la technologie de soudage robotisé à l'arc s'est également considérablement améliorée ces dernières années.

Par exemple, ABB a récemment ajouté le procédé TIP TIG à sa plate-forme de technologies de soudage robotisé. Développé par TIP TIG International AG, le procédé est une variante du soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW). Au lieu de fournir le fil d'apport dans le bain de soudure à un rythme continu, le dévidoir agite le fil d'avant en arrière. Le courant électrique, fourni par une source d'alimentation secondaire, est également appliqué au fil d'apport.

GTAW a été notoirement difficile à réaliser avec des robots à six axes, car l'ajustement des pièces avant le soudage devait être précis et reproductible, explique Oxlade.

"La vibration du fil d'apport rend le processus plus indulgent pour l'ajustement des pièces et facilite le mouillage des côtés du joint", dit-il. "Il y a aussi d'autres avantages, comme un apport de chaleur plus faible et des vitesses de déplacement plus élevées. Habituellement, le GTAW est extrêmement lent, mais avec le robot TIP TIG, vous pouvez vous approcher des vitesses GMAW."

Que le robot soit utilisé pour GTAW ou GMAW, les experts recommandent une machine spécialement conçue pour la tâche.

Un bon exemple est l'ARC Mate 100iC/8L de FANUC America Corp. Introduit l'automne dernier, le robot a une portée de 2 028 millimètres et une charge utile de 8 kilogrammes.

Comme tous les robots FANUC, l'ARC Mate 100iC/8L fonctionne avec le dernier contrôleur R-30iB de la société avec des fonctions intelligentes intégrées, telles que la vision et le contrôle secondaire intégré, la simulation Roboguide et le logiciel de contrôle de vitesse et de position DCS.

En plus du modèle 8L, la série ARC Mate 100iC comprend le modèle 12 avec une portée de 1 420 millimètres et une charge utile de 12 kilogrammes, et le modèle 7L avec une portée de 1 632 millimètres et une charge utile de 7 kilogrammes. Les robots peuvent être montés au sol, au-dessus de la tête ou inclinés, et l'articulation 3 peut être retournée.

"L'un de nos principaux objectifs lors de la conception de la série 100iC était de créer un robot avec une empreinte compacte, mais une portée et une course maximales pour atteindre n'importe quelle pièce et orienter la torche vers différentes zones de la pièce", explique Mark Scherler, directeur général. pour l'assemblage de matériaux chez FANUC America Corp.

Tous les robots 100iC ont un poignet creux, ce qui simplifie le routage des câbles et des tubes, éliminant les problèmes de gestion des câbles, explique Scherler. Par rapport aux ensembles de robe traditionnels, qui sont montés à l'extérieur sur le bras du robot, le routage interne de l'ARC Mate 100iC permet à l'ensemble de robe de suivre la plage de mouvement du robot, simplifiant la programmation et éliminant les soucis de plier, d'accrocher ou de casser les câbles.

Les robots ARC Mate 100iC et le contrôleur R-30iB peuvent être intégrés dans un système de soudage comprenant le câble de la torche de soudage, le dévidoir et l'alimentation de soudage. FANUC a travaillé en étroite collaboration avec le fournisseur d'équipements de soudage Lincoln Electric Co. pour développer une interface basée sur Ethernet, ArcLink XT, entre le contrôleur du robot et l'alimentation électrique de soudage.

"En conséquence, tout le travail de configuration d'une application de soudage à l'arc robotisé peut être effectué via le pendentif d'apprentissage du robot", explique Scherler. "Aucune programmation supplémentaire n'est nécessaire avec l'alimentation."

Une autre nouvelle technologie pour le soudage à l'arc robotisé est le "soudage sans montage". Habituellement, le soudage à l'arc robotisé nécessite que les pièces soient positionnées de manière rigide et précise dans un appareil coûteux qui est généralement conçu uniquement pour cette application. Avec le soudage sans fixation, la pièce de base est placée en toute sécurité dans une fixation plus simple. Ensuite, un robot à six axes guidé par la vision conçu pour la manutention des matériaux saisit la pièce à souder, la met en place sur la pièce de base et la maintient pendant que le robot de soudage à l'arc 100iC effectue sa tâche.

"Avec le soudage sans montage, vos coûts d'investissement diminuent. Vous ne construisez pas de montages spéciaux pour chaque travail. Cela vous donne plus de flexibilité", explique Scherler.