Derniers développements pour le soudage de caisses en blanc – réduction des projections au soudage par points par résistance et amélioration des systèmes de vision 3D

Imaginez réussir à arriver à zéro défaut de soudure. Imaginez un système qui permet à vos robots de suivre et de souder avec plus de précision, même à des vitesses allant jusqu’à 15 mètres par minute. Voici deux résumés succincts des présentations de soudage 2021 de l’IABC (International Autobody Congress) qui peuvent potentiellement améliorer le soudage de vos caisses en blanc.

  1. Une approche exhaustive et évolutive pour réduire les projections de métal en fusion du soudage par points par résistance.

  2. Capacités actuelles des systèmes de vision laser 3D pour améliorer la qualité du soudage et du brasage.

 

Point à retenir nº1

Réduire les taux de projection du soudage par points par résistance à partir de l’analyse du processus et d'intelligence artificielle

L’objectif d’une étude en cours menée par BMW MINI UK et TWI Ltd(The Welding Institute, UK) est de réduire les projections au soudage : problème coûteux causé lorsque le métal en fusion du point de soudure est projeté sur une autre pièce de la voiture. Également appelés grattons ou éclats de soudure, les projections entraînent :

  • Des brûlures des revêtements en zinc, ce qui réduit la protection contre la corrosion
  • Des défauts visuels sur des parties visibles d'une voiture

Du temps perdu à l’identification et à la réfection des pièces endommagées par les projections de soudage

Projection lors d'une soudure par points par résistance

Figure 1a : Projection d’une soudure par points par résistance.

Brûlure et détérioration de la surface du panneau résultant de la projection de métal en fusion

Figure 1b : Brûlure et détérioration de la surface du panneau résultant de la projection de métal en fusion Images présentées avec l’aimable autorisation de TWI Ltd et BMW MINI UK.

Diminuer encore les taux de projection, même déjà faibles

L’usine MINI du groupe BMW d'Oxford était déjà arrivée un taux de projection faible (3,7 %). Mais l’objectif du projet WeldZero du gouvernement britannique est d'atteindre le zéro défaut de soudure. Financés par WeldZero, MINI Plant Oxford et The Welding Institute ont travaillé d'arrache-pied pour réduire les taux de projection sur l'ensemble de l'atelier, pour chacune des 6000 soudures par points par résistance (RSW) de chaque modèle MINI.

MINI Plant Oxford est équipé de robots et des pistolets à souder haut de gamme aux commandes intégrées/adaptatives pour toutes les soudures par points. Il n'y a donc aucun problème de soudures de mauvaise qualité, sous-dimensionnées ou à insuffisamment résistantes. Mais il restait encore à résoudre le problème des éclats de soudure.

Dans l’étude en cours, l’analyse des données permet d'identifier :

  • Les occurrences de projection de soudure
  • Leurs causes racines
  • Les modèles de données pour chaque cause racine

Les informations à donner aux responsables de production sur les actions correctives appropriées.

 

Les mesures correctives initiales pour éviter les éclats de soudure

  • Diminuer la pression d’air du pistolet à souder, à l’origine intentionnellement « surpressurisée », dans l'idée que la surpression compenserait les différences de distance entre l’alimentation en air et le pistolet à souder. Diminuer la pression d’air égalise le niveau de pression de tous les pistolets à souder, ce qui diminue les projections de soudure et réduit les coûts énergétiques de l’alimentation en air de 25 %.
  • Surveiller le débit d’eau de refroidissement vers les pistolets à souder pour détecter les obstructions ou les chutes de débit. Des interruptions du débit d’eau de refroidissement provoquent une surchauffe des électrodes de soudage et leur usure excessive, entraînant des projections de soudure.
  • Analyse des données de la tension électrique, du courant de soudage, de la force de soudage et de la résistance mesurée, pour les robots de soudage produisant le plus grand nombre de projections.

Facteurs supplémentaires favorisant les projections identifiés par l’analyse des données

TWI et BMW ont ensuite réalisé une analyse des données des projections de soudure restantes pour déterminer leurs principales causes :

  • Différences sur les panneaux : dont une forme incorrecte des pièces et le retour élastique, ou encore des problèmes de pièces poussées de leur position par d’autres pièces.
  • Effet des intervalles : pour les composants plus résistants et plus épais – ou ceux qui demandent des empilements de trois ou quatre tôles – les intervalles entre les panneaux peuvent déstabiliser le soudage, entraînant des projections de métal.
  • Distance du bord de l’électrode : un dépareillage du panneau peut entraîner une proximité excessive de l’électrode de soudage avec le bord d’un panneau, ce qui entraîne une « rupture » de la zone de soudage du bord du panneau et entraîne une forte projection.
  • Mauvaise orientation du point de soudure : causée par un dépareillage du panneau ou un défaut de forme et entraînant une orientation de l'électrode différente des 90 degrés attendus. Cette situation crée des éclats de soudure et détériore l’électrode, sachant qu'une électrode détériorée risque de provoquer davantage de projections.
  • Embouts d’électrode fortement usés : la quantité d’alliage de zinc sur les électrodes a une influence sur les taux de projection.
  • Mauvaise conception du refroidissement à l'eau des pistolets à souder : obstructions ou coudes serrés dans les canaux de refroidissement limitant le débit d’eau, entraînant une surchauffe de l’électrode et une usure trop rapide, et du même coup des expulsions de soudure.

 

Détermination de l’importance de chaque facteur dans les projections de soudure

TWI a ensuite installé une cellule de soudage robotisée pour simuler les processus de production BMW dans son propre laboratoire. Ils ont alors pu identifier les tolérances de chacun des facteurs énumérés ci-dessus afin de déterminer à quel niveau chaque facteur entraînait une projection.

Ils ont également identifié les signatures des données de processus de soudage issues des minuteurs du poste de soudage pour diagnostiquer la cause de la projection dans chaque situation.

 

La « pistolet fumant » : l'état de la pointe de l’électrode

Cette étude a montré que la sensibilité de chaque facteur de projection était fonction de l’état de l’électrode au moment du soudage. L’usure de la pointe de l’électrode a un effet sur les signatures de données des projections.

Figure sur l’analyse des données du processus montrant le lien entre l’état d’usure de l’électrode et la projection de métal en fusion

Figure 2 : Une partie de l’analyse des données du processus montrant le lien entre l’état d’usure de l’électrode et la projection de métal en fusion Image présentée avec l’aimable autorisation de TWI Ltd et BMW MINI UK.

Étapes suivantes de l’étude, toujours en cours

« Pour obtenir un système d’analyse des données en cours de processus capable de diagnostiquer la cause d'une projection [de soudure], il convient de développer un modèle qui prend en compte le nombre de soudures réalisées avec un ensemble d’embouts [électrodes] depuis la dernière opération de préparation de surface... Un outil est en cours de développement pour fournir une identification en ligne et en temps réel des postes de soudure aux niveaux de projection inacceptables et des diagnostics de la cause de la projection, pour corriger efficacement les problèmes. »

Point à retenir nº2

Capacités actuelles des systèmes de vision laser 3D pour améliorer la qualité du soudage et du brasage.

Les pénalités pour soudures imparfaites de pièces automobiles aux critères de sécurité stricts, comme les logements de batterie de véhicules électriques, sont conséquentes. Mais, comme indiqué par Servo-Robot Corp., les systèmes de caméra laser 3D peuvent améliorer la productivité et la qualité du soudage laser robotisé, du brasage laser et du soudage à l’arc pour les composants automobiles, y compris pour les structures de protection de carrosserie en blanc (BIW), de châssis et de batterie de véhicule électrique.

Des caméras d’une fréquence de 2 kHz (2 000 images par seconde), ou plus, peuvent être intégrées aux têtes laser haute puissance (jusqu’à 30 kW). Ces caméras, placées à moins de 20 mm du point focal du laser, peuvent alors suivre les soudures pendant le soudage à grande vitesse, même sur des formes courbes, tout en permettant de surveiller le processus en temps réel et d'effectuer une inspection post-soudage.

Soudage de découpes de flanc avec suivi et inspection du joint par caméra laser 3D.

Figure 3 : Soudage de découpes de flanc avec suivi et inspection du joint par caméra laser 3D. Image présentée avec l’aimable autorisation de Servo-Robot Corp.

Grandes pièces automobiles + grands robots de soudage = déviations plus importantes par rapport au joint de soudure

Pour souder au laser (TWB) les flancs des grandes pièces, comme les montants latéraux de carrosserie et les panneaux intérieurs de porte, il faut de grands robots de soudage. Ces gros robots peuvent ne pas pouvoir garantir un point laser à moins de 100 microns du joint de soudure. Des caméras de vision laser à haute vitesse effectuant le suivi des joints avec des actionneurs sans jeu angulaire peuvent surmonter ce problème, offrant un suivi précis à des vitesses de soudage allant jusqu’à 15 mètres/minute.

L’association de caméras et d’un logiciel avec un capteur de réflexion arrière, qui fait partie d’un système de contrôle de processus laser (LPCS), permet de détecter à la fois les défauts de surface et internes de la soudure, et d’envoyer immédiatement les résultats au robot de soudage pour prévenir d'autres soudures de mauvaise qualité.

Le capteur de réflexion arrière du système de contrôle de processus laser mesure le rayonnement thermique émis par la zone focale de la zone de fusion. Les modifications apportées à l’absorption de la puissance laser par le joint de soudure et sa masse fondue indiquent des défauts internes dans la soudure. Pour les flancs soudés sur mesure, les défauts causés par des facteurs comme la variation de l’intervalle, les différences du bord du flanc, la contamination ou une énergie laser insuffisante, sont détectés en temps réel.

Soudage laser et laser hybride de caisse en blanc

Des systèmes de vision laser 3D similaires peuvent être utilisés pour le soudage laser et le soudage laser hybride de composants de caisse en blanc, comme par exemple l’assemblage du toit et de la carrosserie du véhicule. Ils sont également utilisés pour le soudage laser et le soudage laser hybride des logements de batterie de véhicule électrique (cages, cadres de protection), dont le soudage discontinu de l’aluminium et le soudage de panneaux d’acier.

 

Suivi du soudage laser d'un logement de batterie en acier à l’aide de caméras 3D

Figure 4 : Suivi du soudage laser d'un logement de batterie en acier à l’aide de caméras 3D Image présentée avec l’aimable autorisation de Servo-Robot Corp.

Trou d’épingle de 0,22 mm détecté par des caméras 3D dans la soudure laser de tôles d’acier.

Figure 5 : Trou d’épingle de 0,22 mm détecté par des caméras 3D dans la soudure laser de tôles d’acier. Images présentées avec l’aimable autorisation de Servo-Robot Corp.

Vérification de la géométrie des points de soudure des toits brasées au laser

Les joints brasés au laser, pour toits par exemple, peuvent également profiter de systèmes de vision à deux caméras. La première caméra détecte et suit le joint, en localisant son axe central. La deuxième caméra mesure la géométrie du cordon, en détectant les défauts de surface à une résolution de 0,1 mm. Le contrôle de la solidité interne des joints brasés se fait par un capteur de réflexion arrière.

 

Utiliser un fil de soudure là où c’est nécessaire

La principale cause des problèmes de qualité et de perte de productivité dans le soudage à l’arc n’est pas liée au procédé, mais au simple fait que le fil de soudure n’est pas positionné correctement dans le joint de soudure. Les raisons les plus courantes d’un mauvais positionnement du fil sont la variabilité des détails de la pièce, l’empilement des tolérances dans un assemblage et la distorsion causée par l’apport thermique de la soudure, qui fait que le joint n’est pas à l'endroit où le robot doit aller.

La détection du joint avec les systèmes de vision 3D localise la position réelle du joint. La position du fil est ensuite modifiée pour s’adapter à l’emplacement réel du joint afin d’obtenir une qualité de soudure optimale. En outre, en présence d’un écart inacceptable, un programme de soudage adaptatif peut être utilisé pour ouvrir la fenêtre d’acceptabilité du processus, en modifiant le courant de soudage, la vitesse de déplacement ou le motif effectué par les passages.

Caméras 3D effectuant le contrôle des joints de soudure des rails latéraux du châssis

Figure 6 : Caméras 3D effectuant le contrôle des joints de soudage des rails latéraux du châssis. Image présentée avec l’aimable autorisation de Servo-Robot Corp.

Inspection visuelle automatisée des soudures à l’arc pour l’Industrie 4.0

L’inspection de soudure à l’arc robotisée entièrement automatisée est non seulement plus rapide et plus fiable qu'une inspection manuelle, mais elle produit également des données précieuses, qui peuvent répondre aux exigences de l’Industrie 4.0. Ces données peuvent permettre de prévoir le moment où une soudure à l’arc risque de devenir défectueuse, ainsi qu’à indiquer ce qui doit être amélioré, comme la qualité d’une pièce, la reproductibilité d’un montage ou le processus de soudage en lui-même.

Inspecter des soudures à l’arc est plus difficile à réaliser que pour des soudures au laser ou un brasage en raison des plus grandes variations de taille, de régularité et d'uniformité de la surface des soudures à l’arc.

Pour cette raison, la méthode d'inspection des soudure à l’arc la plus efficace consiste à utiliser une approche comparative : vous établissez la qualité nominale de la soudure sur une « pièce dorée », puis vous comparez les soudures de production réelles à celle-ci, en recherchant les différences inacceptables. Des variations excessives indiqueront que l'opération de soudage n'est plus contrôlée : elle donc plus susceptible de produire des soudures défectueuses.

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