Soudage au laser

Au fur et à mesure que de plus en plus de fabricants d'équipement d'origine (OEM) et d'ateliers de travail se «réchauffent» à l'idée du soudage au laser, beaucoup ont tourné leur attention vers quatre technologies spécifiques :

De plus en plus d'ateliers de travail franchissent le pas et acquièrent des systèmes de soudage au laser, généralement lorsque des applications appropriées se présentent à eux ou lorsqu'ils cherchent à remplacer le soudage MIG et TIG.

"Les gens se lancent vraiment tête première dans le laser ces jours-ci", a déclaré Wes Wheeler, directeur des ventes d'Alpha Laser, Meadville, Pennsylvanie. "Le soudage au laser a toujours été motivé par des processus de réparation, tels que la réparation d'outillage et les réparations de grande valeur. À mesure que les lasers deviennent plus efficaces, les gens commencent à les utiliser pour le soudage de production."

Mais avec tous les choix sur le marché, cela peut potentiellement être "plus déroutant maintenant qu'il y a trois ans", a déclaré Tracey Ryba, chef de produit senior des lasers OEM haute puissance pour Trumpf Inc., Farmington, Connecticut. Cela dit, il a noté une multitude de projets OEM en développement et sur le point de se lancer, ce qui témoigne des percées de la technologie de soudage au laser. "Je pense que nous commençons tout juste à effleurer la surface du potentiel."

Un avantage majeur du soudage au laser est la possibilité d'éliminer les étapes de post-traitement telles que le meulage et la finition.

Selon Dan Belz, chef de produit FLW pour Amada America Inc., Buena Park, Californie, « si vous prenez le temps de comprendre ce qu'il fait et ce qu'il peut faire, c'est phénoménal. Il y a certaines pièces que vous pouvez regarder et ne pas être sûr si elles ont été formées ou soudées.

En adaptant la bibliothèque de routines préprogrammées de ses systèmes de découpe laser ENSIS, Amada America utilise désormais cette technologie pour le soudage.

Au cours des six dernières années, une équipe de trois techniciens, dont Belz, a perfectionné le système de soudage de tôles de l'entreprise, idéal pour assembler des épaisseurs allant jusqu'à ¼" (6,35 mm). La plate-forme est disponible en deux options de 3 kW : M3, avec table de 15' (4,57 m), et M5, avec deux tables navettes de 18' (5,49 m).

Sur ces systèmes, la technologie ENSIS d'Amada propose aux utilisateurs cinq conditions de soudage de base qui ajustent le faisceau d'une forme ultra-mince pour un acier plus épais et une pénétration profonde à une forme de beignet plus plat pour combler des espaces plus larges. L'utilisation de la forme plus plate facilite également le soudage oscillant.

"Nous avons pas mal de clients qui soudent jusqu'à ¼" d'acier", a noté Belz. "C'est juste dans la timonerie de l'unité - et avec notre technologie, 3 000 W de puissance sont plus que suffisants. Nous sommes adaptés aux tôles, même aussi fines que 0,020" [0,51 mm], et pouvons également appliquer du fil d'apport si nécessaire."

La plate-forme d'Amada excelle également dans l'assemblage de matériaux dissemblables : le cuivre à l'acier inoxydable, le cuivre à l'acier doux, le cuivre à l'Inconel et l'Inconel à l'acier inoxydable. Belz et son équipe ont également perfectionné des joints avec une alimentation en fil de titane pour un projet spécialisé.

"Nous continuons à expérimenter, bien que nous n'ayons pas toujours autant de chance d'expérimenter autant qu'avant, car nous recevons de nombreux projets - des clients nous envoient des pièces et nous demandent de les souder et de leur apprendre à souder au laser." Être si occupé, a-t-il ajouté, signifie qu'Amada a dû suspendre temporairement ses tentatives de souder l'aluminium à l'acier inoxydable.

Pour éviter la porosité, Amada propose deux types de buses, à la fois avec flux primaire et secondaire, de sorte que le gaz de protection soit toujours proche du faisceau laser. "Au fur et à mesure que le matériau refroidit, il est toujours recouvert de gaz, vous éliminez donc la porosité", a expliqué Belz.

De plus, "en raison de la longueur d'onde que nous utilisons, ainsi que de la vitesse, la zone affectée par la chaleur est presque inexistante", a-t-il ajouté. "La plupart de nos pièces peuvent être manipulées sans gants juste après avoir été soudées."

Pendant ce temps, Trumpf fournit à ses clients OEM environ 40 recettes pour sa technologie faisceau dans faisceau via son logiciel BrightLine Professional. "Cela leur donne un point de départ pour la plupart des matériaux courants", a noté Ryba. "À partir de là, les clients peuvent créer une bibliothèque et expérimenter les variantes qui fonctionnent le mieux." Le logiciel comprend des paramètres pour plusieurs matériaux, épaisseurs et styles de soudure.

Un concept relativement nouveau qui continue de gagner du terrain est la gamme de systèmes de traitement laser faisceau dans faisceau. Trumpf, un pionnier de la technologie, propose deux solutions de ce type : BrightLine Weld de sa division de technologie laser et FusionLine de son activité de machines-outils. La technologie en anneau et la fibre unique sont disponibles pour une utilisation sur la TruLaser Weld 5000, lancée il y a environ trois ans.

Ryba a noté qu'en utilisant simultanément les faisceaux du noyau interne et de l'anneau externe, les projections sont considérablement réduites. Cela augmente la longévité de l'outillage et des fixations et réduit le besoin de nettoyer les glissières du couvercle de protection, ce qui signifie plus de temps de disponibilité. Plus important encore, la vitesse et la qualité de soudage sont augmentées, en particulier pour l'aluminium et le cuivre.

Sur le cuivre, la bague extérieure agit comme un effet de préchauffage, permettant un meilleur couplage du faisceau central. Cela fournit un processus de soudage stable, en particulier à des vitesses plus lentes, permettant des soudures pénétrantes profondes et une réduction des projections de 70 à 85 %. En préchauffant le cuivre avant la soudure, BrightLine est environ 10 fois plus rapide qu'un faisceau ponctuel, a-t-il déclaré. Avec l'aluminium, les projections peuvent être considérablement réduites et la vitesse augmentée. "Je peux augmenter la puissance à 5 kW et augmenter le soudage de près de 7 fois à environ 35 mètres par minute" selon la qualité de l'aluminium, a déclaré Ryba. "Les ajustements serrés et les soudures bout à bout fonctionnent bien, et sur l'acier, vous pouvez souder trois fois plus vite avec la même puissance. Sur l'aluminium sur le cuivre, vous obtenez une soudure de bien meilleure qualité."

Les cœurs de BrightLine sont réglables par incréments de puissance de 1 %, a expliqué Ryba, jusqu'à un maximum de 90 % pour un faisceau et de 10 % pour l'autre. Les opérateurs peuvent également passer d'un cœur à l'autre à 100 %. Tous les réglages de distribution de puissance sont effectués dans une fenêtre du logiciel TruControl.

Sur les lasers à fibre de Trumpf, les diamètres de noyau intérieur-extérieur disponibles sont de 50-200 μm, 100-400 μm et 200-700 μm.

Dans la version TruDisk de Brightline, un coin optique ajuste la distribution de puissance entre les deux cœurs avec un moteur pas à pas. "Nous avons trouvé que 30-70 ou 60-40 tend à être la meilleure distribution d'énergie", a déclaré Ryba.

La différence de qualité entre les faisceaux simples et doubles est claire, a-t-il ajouté.

"Avec une soudure laser traditionnelle à un seul noyau, vous utilisez un faisceau en forme de balle plate ou arrondie, ce qui est courant lors du soudage par chevauchement avec un point plus grand", a expliqué Ryba. "Lorsque vous essayez de souder plus rapidement, le trou de serrure devient instable et la vapeur de métal qui s'échappe est bloquée, devant traverser le bain de fusion et expulser une partie de cette fusion sous forme d'éclaboussures. BrightLine, fournit un centre semi-gaussien et un anneau autour du bord extérieur. Cet anneau maintient le trou de serrure ouvert et stable. l'arrière stabilise le trou de la serrure pour le maintenir ouvert. La stabilisation du trou de la serrure permet à la vapeur de métal de s'échapper sans blocage, réduisant les éclaboussures de 70 à 97 %. Ce processus aide également à prévenir la fissuration à chaud en ralentissant le processus de refroidissement et lisse également un peu la soudure.

Lorsque la technologie est utilisée dans le package FusionLine de Trumpf, les ateliers peuvent utiliser ce modèle en forme de beignet pour conserver les conceptions originales des pièces, a ajouté Masoud Harooni, chef de produit de soudage au laser. Dans ces cas, les utilisateurs concentrent plus de puissance sur le noyau extérieur plutôt que sur l'espace de soudure.

Trumpf assiste en outre les magasins avec son TruLaser Weld 5000 clé en main, a poursuivi Harooni. Ces clients "comptent sur nous pour les aider et fournir des paramètres de processus pour accélérer la production".

Le système est proposé dans plusieurs configurations en fonction de la taille et de la quantité des pièces, principalement pour les applications de tôlerie. Avec une table de changeur rotative, les opérateurs peuvent charger et décharger le matériau pendant qu'une autre pièce est soudée.

"Particulièrement dans l'industrie alimentaire, il y a beaucoup d'avantages car la quantité de post-traitement nécessaire pour que les pièces soient visibles est énorme", a déclaré Harooni. "La plupart de nos clients potentiels ou actuels utilisent le soudage MIG et souhaitent passer au laser. Ils soudent 20 minutes au MIG puis passent 35 à 40 minutes de meulage. Avec le soudage laser, tout ce qu'ils prélèvent dans notre cellule peut être envoyé au revêtement ou à un autre procédé sans y toucher."

En fonction de la puissance et de l'application, a-t-il ajouté, le système peut atteindre des vitesses de 250 à 300 ipm. Avec des pièces structurelles plus épaisses, les avantages résident dans le prétraitement, par exemple en éliminant les bords d'une plaque épaisse pour préparer les pièces au soudage MIG.

Pour les ateliers effectuant des réparations et des travaux de production, la flexibilité du soudage pulsé a été attrayante grâce à sa capacité à limiter l'apport de chaleur. Le soudage pulsé "est un processus indulgent", a expliqué Wheeler d'Alpha Laser. "Traditionnellement, un laser à onde continue veut obtenir une pénétration ; un laser pulsé peut toujours obtenir une pénétration, mais peut également être utilisé pour n'obtenir presque aucune pénétration." Les systèmes Alpha Laser, y compris sa série ALFlak, ont une durée d'impulsion de 1 à 20 ms, la plage normale étant de 5 à 7 ms.

Alpha Lasers affirme que ses lasers à fibre pulsée et YAG excellent pour fournir de faibles niveaux de pénétration et de faibles taux de dilution - le mélange entre le matériau de base et la charge ajoutée. Dans un exemple comparant le laser pulsé à un procédé TIG, Wheeler a noté que le laser effectuait un dépôt de soudure de 0,055" (1,40 mm) avec une zone affectée par la chaleur de seulement 0,008" (0,20 mm) sous la soudure et une zone de dilution de la soudure d'environ 0,006" (0,15 mm). J'ai dit : 'Laissez-moi vous expliquer ce que vous faites à votre métal de base.' "

En termes d'appréciation croissante des fabricants des avantages du soudage pulsé, Wheeler met l'accent sur la flexibilité des matériaux. "Nous avons tout fait, du cuivre à l'assemblage en acier inoxydable", a-t-il expliqué. À base de cuivre au béryllium, "nous y mettons tout le temps de l'acier inoxydable. Nous avons travaillé avec tous les métaux haut de gamme, les superalliages comme l'Inconel et les Stellites, et la fonte. Le monde normal pour nous est traditionnellement celui des aciers à outils. L'une des grandes applications que nous voyons est de travailler avec n'importe quel type d'acier inoxydable, en particulier l'acier inoxydable de la série 300, qui est facile à déformer et fonctionne très bien avec un laser."

En termes de remplacement des configurations de soudage TIG, un récent système Alpha Laser qui a été vendu à la division de commutation et de contrôle d'une grande entreprise a considérablement réduit les taux de rebut, de 15 à 3 %, a ajouté Wheeler. Ce taux "devrait être encore plus bas si nous pouvons le rendre parfait. Cela va fournir une tonne de valeur, avec moins de travail avant et après - pas de préchauffage ni de post-traitement - et devrait réduire considérablement le temps de cycle global." Une autre application dans l'industrie papetière est le soudage d'un composant de 30' (9,14 m) de long avec 6 000 tubes à l'intérieur. On parle même d'un seul système laser pulsé pouvant remplacer une paire de lignes de brasage.

Lorsque le caoutchouc touche la route, ou plus précisément lorsque le faisceau touche le métal, certains ateliers construisent un impressionnant répertoire de soudage au laser.

Il y a environ 10 ans, Phoenix Laser, Meadville, Pennsylvanie, a décidé d'utiliser les lasers Alpha allemands et a créé Alpha Laser US pour servir de revendeur nord-américain de la société. À partir de là, Phoenix s'est étendu à partir de ses racines d'outils et de matrices pour effectuer le revêtement et le durcissement au laser. Meadville était autrefois la capitale mondiale des outils et des matrices, a noté Wheeler, avec environ 300 magasins dans un rayon de 80 km du siège de Phoenix. Aujourd'hui, Phoenix compte quatre sites, notamment à Kansas City, Cuyahoga Falls, Ohio et Brookville, Ind., avec plus de 20 systèmes de soudage au laser répartis entre eux.

La réparation d'outils et de matrices avec des lasers est "super précise, avec un apport de chaleur très faible grâce à l'absence de préchauffage ou de postchauffage", a déclaré Wheeler. "Nous pouvons faire une partie en 10 minutes."

Phoenix a récemment effectué un essai sur certains grands conteneurs, en utilisant la soudure pulsée sur les coutures. Étant donné que les parois étaient particulièrement minces, on s'inquiétait d'un trop grand apport de chaleur provenant de l'assemblage au laser TIG ou CW. L'un des utilisateurs les plus dévoués d'Alpha Laser est Chicago Welding and Fabrication, qui a récemment acheté une unité de 300 W. Chicago Welding a commencé son incursion dans le soudage au laser il y a environ 15 ans, a rappelé le COO Gary Wealther, mais les machines de l'époque avaient tendance à être quelque peu peu fiables. Commençant par la réparation de moules et de matrices, l'entreprise a ajouté le soudage médical et de production à son répertoire.

L'attrait initial pour le soudage au laser était la zone limitée affectée par la chaleur et l'absence de "dommages collatéraux", a-t-il noté - en fin de compte, "pouvoir faire des choses que vous ne pourriez pas faire autrement". Cela dit, il a noté que certains projets nécessitent une combinaison de TIG pour commencer et de soudage au laser pour les zones délicates.

Après avoir initialement connu une courbe d'apprentissage abrupte avec des systèmes plus anciens, a rappelé Wealther, il favorise les entreprises comme Alpha Laser qui "vous aident à tout faire". En raison des procédés de fabrication de pièces de précision de Chicago Welding, « nous soudons sous des microscopes » et avons même une salle de micro-traitement. Grâce à la polyvalence et à la précision des lasers YAG pulsés, son entreprise peut traiter des éléments tels que des pièces médicales exigeantes contenant des aciers inoxydables spécialisés qui se déformeraient avec le soudage TIG.

Et bien que le soudage au laser soit plus lent, a-t-il ajouté, "vous n'obtenez aucune distorsion, aucune chaleur". Ainsi, au fur et à mesure que les emplois arrivent, il est essentiel de trouver la bonne solution pour la capacité du laser afin d'offrir aux clients la solution la plus rapide, la plus économique et la meilleure. Et lorsque le travail est bon, son laser Alpha de 300 W fait le travail. "Nous adorons cette machine", a-t-il déclaré.

Après avoir passé une période intensive à affiner et à repousser les limites des systèmes de soudage de tôles d'Amada, Belz tient à conseiller les petits ateliers sur la façon de faire fonctionner un processus pour eux. « Dès le début, nous avons pensé que 99 % de nos clients seraient des OEM », se souvient-il. Cependant, il s'avère que "la plupart de nos clients sont des ateliers de travail qui font beaucoup de soudure" - bien que les quelques installations suivantes sur sa liste soient destinées aux équipementiers. "Les équipementiers ont mis un peu plus de temps à s'y adapter, mais [maintenant] ils en voient l'avantage."

Parmi les rangs des fabricants, il note deux types : les ateliers de soudure et les ateliers qui soudent.

Les premiers « soudent probablement 90 % de leur gamme de produits. Ils ont des soudeurs, ils comprennent le soudage, ce sont eux avec qui il est facile de travailler parce qu'ils verront ce que nous faisons, ils le comprendront.

Mais pour les ateliers qui soudent, "c'est un problème pour eux parce qu'ils ne peuvent pas obtenir les soudeurs ou qu'ils passent trop de temps sur le post-traitement". Pour que ces clients soient à l'aise avec le soudage, "nous examinons leurs pièces et examinons leurs CAO et apportons quelques modifications pour un ajustement plus serré et meilleur".

Cette étape de refonte est essentielle au succès, a poursuivi Belz. "Nous avons beaucoup de clients qui veulent apprendre à concevoir pour optimiser le soudage au laser. D'autres ont des gammes de produits existantes et nous cherchons à voir quelle ou quelles pièces causent le plus de problèmes. Ils en ont généralement un certain nombre."

Une fois qu'un procédé de soudage a été rédigé, testé, éprouvé et installé, pratiquement tout le post-traitement est éliminé. Les pièces peuvent aller "directement dans la cabine de peinture : fini le meulage des soudures". Au final, "certains clients veulent l'utiliser pour des pièces spécifiques et rien d'autre, tandis que d'autres veulent l'utiliser pour tout. Il faut le trier."

Il convient de noter que l'année dernière, l'Institut national des normes et de la technologie a dévoilé son projet de trois ans visant à recueillir des données sur les aspects les plus fondamentaux du soudage au laser. Ces données sont utilisées par des modélisateurs informatiques pour créer des simulations de soudage au laser visant à donner aux fabricants plus de contrôle sur le processus.

Le projet illustre un point clé : le soudage au laser, en particulier en ce qui concerne le contrôle des projections, des fissures et de la porosité tout en maximisant le débit, est un travail en cours malgré ses grands progrès dans de nombreuses industries.

Connecte-toi avec nous