Optimisation du processus de soudage par points

Kaizen, ou amélioration continue, est un principe de base de la fabrication au plus juste. Il dit, en effet, que moins qu'optimal n'est jamais acceptable. Le concept peut être appliqué à tous les processus d'assemblage majeurs, y compris le soudage par points par résistance.

Le soudage par points consiste à générer de la chaleur à l'interface des pièces à assembler en faisant passer un courant électrique à travers les pièces pendant une durée et une pression définies. Les ingénieurs obtiennent une soudure solide en déterminant soigneusement la meilleure combinaison de temps, de force et de courant.

La technologie est largement utilisée dans les industries de l'automobile, de l'aérospatiale, des produits blancs et des batteries de véhicules électriques. Il est rapide, économique et suffisamment flexible pour être utilisé sur les joints aluminium-aluminium et acier-acier.

"Bien qu'il s'agisse du moyen le plus rapide d'assembler des tôles et qu'il produise les liaisons les plus solides de ce type de métal, le soudage par points par résistance présente un défi", explique Tom Snow, président du conseil d'administration de TJ Snow Co. "Contrairement à un arc soudure, les opérateurs de machine ne peuvent pas simplement regarder la pièce et savoir avec certitude qu'elle a un bon joint soudé. Cela peut sembler bien, mais seulement en utilisant la bonne quantité de chaleur, de force et de durée, puis en testant le joint, un l'utilisateur final doit s'assurer que la soudure a la résistance requise."

TJ Snow fabrique et répare des soudeuses par points à résistance standard et personnalisées depuis 1963. Les machines SlimLine de type socle de la société sont disponibles en styles corne et plateau et utilisent une ou plusieurs têtes de soudage. Les caractéristiques standard comprennent un cadre rigide et robuste, un transformateur de type luminaire et un écartement des électrodes facilement réglable.

L'année dernière, TJ Snow a fourni une machine SlimLine personnalisée à un fabricant aérospatial de niveau 1 pour souder par points les composants d'échappement des moteurs à réaction. Les pièces sont en alliage haute température. Un robot récupère chaque pièce et la place à l'intérieur de la gorge de la machine, où la pièce est soudée en 1 seconde. Après cela, le robot place l'ensemble sur un convoyeur.

Le soudage par points connaît actuellement une sorte de renaissance. Après avoir été accidentellement inventé par l'ingénieur Elihu Thomson en 1885, le soudage par points s'est lentement développé jusqu'à la fin du 20e siècle. Ensuite, des technologies telles que le soudage au laser, le soudage par friction-malaxage et le soudage à l'arc avancé ont été considérées comme l'avenir de la technologie. Aujourd'hui, cependant, les commandes avancées de la machine aident le soudage par points à reprendre sa place en tant que type de soudage de premier plan, en optimisant entièrement son processus.

Le soudage par points est le type de soudage par résistance le plus couramment utilisé dans l'assemblage. D'autres types incluent le soudage bout à bout, par projection, par couture, par percussion et par refoulement. Ces méthodes diffèrent principalement par le type et la forme des électrodes qui appliquent la pression et conduisent le courant.

Une configuration typique de soudage par points par résistance se compose d'une alimentation électrique (également appelée contrôleur de soudage), d'un transformateur, d'une ou plusieurs têtes de soudage, d'électrodes positives et négatives et, éventuellement, d'un moniteur externe. L'alimentation utilise une technologie en boucle fermée ou en boucle ouverte, selon Marty Mewborne, directeur de l'ingénierie des ventes chez Amada Weld Tech Inc.

Les technologies en boucle fermée incluent le courant continu linéaire et un onduleur haute fréquence (HF). Les deux types répondent bien aux changements de valeurs de résistance toutes les 10 à 250 microsecondes, maintenant ainsi le paramètre programmé (courant, tension ou puissance) constant pour des soudures plus cohérentes.

Mewborne dit que les technologies en boucle ouverte existent depuis plus longtemps et incluent la décharge de condensateur (CD) et l'énergie directe (AC). Ils offrent peu ou pas de rétroaction et sont plus sensibles à l'usure des électrodes et aux problèmes de positionnement des pièces.

"Il y a des années, les transformateurs de type CA étaient très populaires", note Don DeCorte, vice-président des produits de soudage par résistance chez RoMan Manufacturing Inc. "Mais maintenant, parce que l'électricité est beaucoup plus chère, les fabricants ont un plus grand besoin de MFDC plus efficaces ( transformateurs de courant continu à moyenne fréquence."

RoMan est le plus grand fabricant de transformateurs standard et personnalisés pour les soudeurs par résistance au monde, selon DeCorte. Il estime que 85 % de tous ces soudeurs aux États-Unis travaillent avec un transformateur RoMan. Le transformateur pèse entre 12 kilogrammes et 5 tonnes, selon la machine à souder.

"Il y a quelque temps, nous avons été contactés par un client de longue date qui fabrique des tracteurs de pelouse, des tondeuses et d'autres équipements de pelouse et de jardin pour changer son système de soudage par points par résistance d'un avec un transformateur AC monophasé à notre modèle MFDC," dit DeCorte. "L'usine de l'entreprise a récemment ajouté de nouveaux équipements AC à plusieurs machines de soudage AC plus anciennes."

Malheureusement, les ingénieurs de l'usine n'avaient pas pris en compte les charges supplémentaires et surchargeaient maintenant le système électrique de leur usine et celui des usines voisines. La compagnie d'électricité locale s'est impliquée et a forcé le client de RoMan à ne fonctionner que pendant ses deuxième et troisième quarts de travail pour répartir la demande d'électricité. Cela a causé plusieurs problèmes de production.

"Nous avons montré à l'entreprise que le passage au processus MFDC réduirait la consommation électrique globale à environ 70 % de ce qu'elle était", déclare DeCorte. "Cela leur a permis de passer à un fonctionnement de jour et d'avoir encore une marge de croissance future. Cela leur a également évité d'avoir à mettre à niveau des transformateurs primaires coûteux sur le toit de l'usine, des dévidoirs et d'autres équipements électriques connexes."

Les types de têtes de soudage par points comprennent les servomoteurs manuels, pneumatiques, motorisés et électromagnétiques. La dynamique de la tête de soudage fait référence à la façon dont la tête se déplace et interagit avec les pièces lors de chaque phase du soudage par points : approche, force d'impact, compression, feu (déclenchement de l'alimentation électrique pour souder), suivi et maintien pour la solidification.

Les électrodes sont configurées directement, indirectement, en parallèle ou en série. Les matériaux de pointe comprennent l'alliage cuivre-chrome, l'oxyde d'aluminium, l'alliage cuivre-cobalt-béryllium, le molybdène, le tungstène et l'alliage cuivre-tungstène.

Le procédé de soudage par points peut être semi-automatique, entièrement automatisé ou intégré à une chaîne de montage. Dans une configuration de poste de travail semi-automatique, un opérateur charge des pièces dans un appareil, appuie sur deux boutons ou utilise une pédale pour activer le soudage, puis décharge les pièces finies.

Une station entièrement automatisée comporte généralement un robot à six axes qui prélève les pièces et les déplace vers la machine pour les souder avant de les placer sur un convoyeur. L'approche en ligne consiste à placer automatiquement chaque pièce dans une machine sur un poste de travail dédié, à activer le soudage puis à retirer la pièce.

Idéalement, l'optimisation du soudage par points commence par la sélection de la machine. Snow affirme que les fabricants doivent se concentrer sur quelques facteurs clés lors du processus de sélection.

La première consiste à trouver une machine capable de réaliser des soudures à résistance optimale avec environ 25 % de son ampérage disponible et de sa plage de force en réserve. Les ingénieurs doivent également être conscients qu'une machine trop grande peut causer autant de problèmes qu'une machine trop petite.

Ceci est particulièrement important lorsque le diamètre du cylindre pneumatique est tellement surdimensionné qu'il doit fonctionner avec une pression de conduite d'air inférieure à 40 livres pour obtenir la force de soudage souhaitée. Une résistance de soudure inacceptable peut résulter d'un suivi inadéquat du cylindre pneumatique au moment où la tôle atteint l'état fondu, le point auquel les métaux doivent être correctement forgés.

"Tous les équipements de soudage par points doivent être dimensionnés et spécifiés à partir des électrodes, mais les utilisateurs finaux ne peuvent le faire correctement qu'après avoir su exactement quel est le travail, ce qu'ils soudent", explique DeCorte. "Avoir une marge de sécurité, c'est bien, mais trop grand signifie gaspillage et non optimisation, alors ne surdimensionnez pas. Et n'achetez pas d'équipement strictement basé sur sa cote KVA (kilovolt-ampère)."

Pour les fabricants qui utilisent déjà le soudage par points, Snow recommande d'acheter immédiatement un ampèremètre de soudage par résistance et un dynamomètre à lecture directe, s'ils ne les possèdent pas déjà. Le compteur mesure avec précision le courant de soudage moyen quadratique (RMS) secondaire qui est délivré aux pointes des électrodes. Et la jauge mesure la force de soudure réelle entre les pointes.

"Tester les soudures par points devrait être plus scientifique que de laisser tomber des pièces soudées sur le sol", note Snow. "Le meilleur outil d'assurance qualité est un testeur de traction conçu pour tirer de petits échantillons de coupons soudés jusqu'à la rupture. La résistance au cisaillement d'une bonne soudure par points doit dépasser celle du matériau de base."

Ensuite, déterminez soigneusement la fenêtre de soudure (ou lobe) pour l'application. Dans cette fenêtre se trouvent toutes les combinaisons de paramètres de courant, de force et de temps qui produisent des résultats de soudage acceptables.

Commencer au milieu de cette plage, plutôt que sur le bord irrégulier, permet au processus de soudage par points d'être le plus stable et le plus fiable, selon Snow. L'opérateur doit confirmer la recette de soudage optimale et utiliser ces paramètres comme point de départ pour le cycle de production.

Les matériaux hautement conducteurs nécessitent généralement des électrodes de haute résistance. De même, les matériaux durs nécessitent des électrodes à base de cuivre plus souples. Si de l'énergie stockée ou un équipement à demi-cycle est utilisé pour souder des matériaux différents, placez le matériau le plus résistif contre l'électrode négative. De même, si des matériaux similaires avec des rapports d'épaisseur supérieurs à quatre pour un sont soudés, placez le matériau le plus fin contre l'électrode négative.

Les silencieux automobiles sont souvent soudés par points. Cette machine radiale à six canons a été conçue sur mesure pour souder des silencieux. Photo publiée avec l'aimable autorisation de TJ Snow Co.

DeCorte recommande également aux ingénieurs d'étudier la loi de Joule pour mieux comprendre tous les éléments d'entrée et variables liés au processus de soudage par points. Cette loi dit que la chaleur nécessaire pour réaliser la soudure est proportionnelle à la résistance de l'ouvrage, au temps d'application du courant et au carré du courant de soudage appliqué. DeCorte cite le temps de soudage, la résistance au travail et le courant secondaire comme les facteurs les plus importants à bien comprendre par rapport à cette loi.

Pendant la production, un équilibrage thermique est nécessaire pour former le noyau de soudure au bon endroit entre les pièces. Atteindre cet objectif peut être difficile, déclare Mark L. Boyle, Ph.D., chef de produit chez Amada Weld Tech Inc., car les matériaux peuvent avoir une conductivité ou une épaisseur différente, et le dissipateur thermique peut évacuer la chaleur, créant une soudure. pépite au mauvais endroit.

Les remèdes suggérés comprennent l'augmentation de la force de l'électrode ou du temps de montée pour éloigner la chaleur des zones de contact. Les fabricants peuvent également augmenter la taille de la face de l'électrode pour éloigner la chaleur de l'électrode ou utiliser une électrode plus résistive pour attirer la chaleur vers elle.

"Le dépannage du soudage par points doit toujours commencer par se référer à la feuille de travail d'audit de processus (PAW) pour vérifier tous les paramètres de processus, tels que le programme d'alimentation, le menu, la force de la tête et la vitesse", explique Boyle. "Les matériaux soudés doivent également correspondre à ce qui se trouve sur la PAW."

Mewborne cite des soudures faibles, des pépites insuffisantes et des étincelles comme étant parmi les symptômes les plus courants d'un soudage par points moins qu'optimal. Ce dernier problème peut survenir en raison d'une force insuffisante, d'une absence de compression et d'un mauvais suivi.

Selon Mewborne, un dépannage supplémentaire peut impliquer de vérifier des éléments liés aux matériaux, à la machine et à l'opérateur. Par exemple, si un nouveau lot de matériaux pose des problèmes, recherchez certaines pièces d'un lot précédent pour voir si elles se souderont toujours normalement.

"Vérifiez l'alimentation électrique et assurez-vous qu'elle est connectée à la tension de ligne correcte et que tous les connecteurs électriques sont sécurisés", suggère Mewborne. "Vérifiez également l'outillage qui maintient les pièces alignées avec les électrodes pour vous assurer qu'il n'a pas été modifié ou endommagé."

En ce qui concerne les opérateurs expérimentés, découvrez s'ils font quelque chose de différent, y compris l'entretien des électrodes, la manipulation des pièces et la procédure d'initiation. Si de nouveaux opérateurs utilisent l'équipement, assurez-vous qu'ils ont été correctement formés sur le fonctionnement complet du soudage par points.

"Quatre-vingt-dix pour cent des problèmes de soudage par points par résistance surviennent au niveau de l'entreprise", déclare Boyle. "Cela englobe le contrôle des matériaux, le positionnement de pièce à pièce et le positionnement d'électrode à pièce."

"La qualité de la soudure doit toujours répondre aux exigences d'application spécifiques de l'utilisateur final", ajoute DeCorte. "La meilleure façon d'y parvenir est de créer et de mettre en œuvre un processus de vérification des soudures pour tous les équipements, ainsi qu'un processus détaillé de maintenance préventive de l'équipement."

Assurez-vous également de dimensionner correctement l'approvisionnement en eau de l'usine pour répondre aux besoins en équipement. DeCorte dit que c'est l'une des principales raisons de l'échec du soudage par points. Le même risque s'applique à l'alimentation en énergie et en air de la centrale.

Enfin, DeCorte insiste sur la nécessité pour chaque opérateur de recevoir une formation de qualité, complète et continue en soudage par résistance par points. Il recommande la Resistance Welding Manufacturing Alliance comme une excellente source pour ce niveau de formation.

"Le soudage par points est le plus robuste de tous les procédés de soudage car il a le moins de variables à traiter et le moins d'entrées de l'opérateur", conclut DeCorte. "Ne pas comprendre le processus peut entraîner une perte de temps et d'argent. Une formation adéquate est un moyen peu coûteux d'assurer le succès."

Jim est rédacteur en chef de ASSEMBLY et possède plus de 30 ans d'expérience éditoriale. Avant de rejoindre ASSEMBLY, Camillo était rédacteur en chef de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal et Milling Journal. Jim a un diplôme d'anglais de l'Université DePaul.