Le soudage au laser de plus en plus accessible aux PME

Les coûts d'investissement peuvent être élevés, mais les coûts d'exploitation sont nettement inférieurs à ceux des autres technologies de soudage.

Le soudage au laser a mis très longtemps à s'imposer en dehors de secteurs spécifiques tels que l'industrie automobile. Ce n'est que ces dernières années que cette technologie d'assemblage s'est imposée dans l'ensemble de l'industrie métallurgique. Ce n'est pas sans raison que cela se produit aujourd'hui. Cela est principalement dû à l'évolution de la technologie, qui permet de toutes nouvelles applications. L'avènement de l'IA élargira encore l'utilisation du soudage au laser dans un avenir proche.

Un marché en pleine croissance

Le soudage en tant que technologie d'assemblage est un marché en pleine croissance dans le monde entier. Ceci est principalement dû à la croissance de l'industrie en Asie du Sud-Est ainsi qu'à la reconstruction de l'industrie manufacturière aux États-Unis. En termes de technologie, le soudage à l'arc domine (45%), suivi par le soudage par résistance (30%) et le soudage à l'état solide, tel que le soudage par friction et le soudage par ultrasons (25%).

Un calcul rapide montre que le soudage au laser n'a qu'une part de marché comprise entre 5 et 10%. Jusqu'à présent, on trouve ces applications principalement dans l'industrie automobile et dans d'autres secteurs avec une production de masse et des applications de haute technologie ; dans certaines de ces applications, le soudage au laser est tranquillement devenu la norme. Pensez aux instruments pour la chirurgie mini-invasive et aux modules de batterie pour les véhicules électriques: dans les deux cas, le soudage au laser est utilisé dans 70 à 90% des applications.

Progressivement, le nombre d'applications dans l'industrie mécanique augmente également. Outre les exigences croissantes en matière de qualité, les exigences plus strictes en matière d'émissions jouent également un rôle. Le soudage au laser produit beaucoup moins d'émissions que le soudage à l'arc, par exemple.

Raisons techniques et commerciales

Pourquoi l'acceptation du soudage au laser est-elle si lente? Les raisons sont à la fois techniques et commerciales. D'un point de vue technique, le soudage au laser est moins tolérant que les procédés de soudage traditionnels, tels que MIG/MAG. Avec ces derniers, le soudeur peut facilement corriger les imperfections. En outre, il s'agit d'un procédé de soudage relativement simple qui nécessite peu de préparations spécifiques.

Dans le cas du soudage au laser, l'adage "une bonne préparation est la moitié de la bataille" s'applique une fois de plus. Les exigences en matière de qualité de la coupe sont nettement plus élevées que pour les techniques de soudage traditionnelles ; cette qualité a une incidence directe sur le résultat final. Par exemple, la largeur de la soudure ne doit pas trop varier ; on ne peut pas simplement couler un espace de 1 mm. Les pièces à assembler doivent également être propres.

Une autre raison technique est qu'il faut programmer une cellule de soudage au laser, car il s'agit presque toujours d'un processus automatisé. Le soudage laser manuel est également utilisé, en combinaison avec des consommables de soudage MIG/MAG (dont les besoins sont moindres). On exploite alors principalement la vitesse plus élevée et l'apport de chaleur plus faible, ce qui améliore la qualité. Les coûts d'investissement plus élevés pour le soudage au laser automatisé sont un argument commercial qui explique pourquoi le soudage au laser a longtemps été peu adopté par les PME.

Le CAPEX (dépenses d'investissement) est nettement plus élevé que celui d'une source de soudage traditionnelle, qu'elle soit robotisée ou non, non seulement en raison de l'automatisation, mais aussi des mesures de sécurité à prendre (telles que les cabines blindées). Pendant des années, tous ces arguments ont fait que le soudage au laser n'était utilisé que dans les grandes séries de certaines industries spécifiques.

Pourquoi l'intérêt pour le soudage au laser augmente-t-il?

L'intérêt croissant pour le soudage au laser n'est pas seulement dû à la croissance des applications de haute technologie. Progressivement, la technologie devient plus accessible et plus attrayante pour les PME et pour les applications de l'ingénierie mécanique traditionnelle. Cela s'explique en grande partie par le fait que les fabricants parviennent à simplifier la programmation nécessaire et que la technologie devient plus tolérante.

Avec le nouveau logiciel, la machine peut être programmée complètement hors ligne pendant qu'un autre produit est soudé. De petites corrections peuvent être apportées au programme sur la machine. En outre, les fabricants ont recours à l'intelligence artificielle (IA) pour utiliser des images afin d'évaluer le processus de soudage et de procéder à des ajustements si nécessaire. Ces modèles d'IA peuvent déjà être formés avec quelques images, ce qui réduit la taille des lots nécessaires pour rentabiliser le soudage au laser.

Il existe également des solutions permettant de générer le programme de soudage en grande partie à partir du modèle CAO et des données de Product Manufacturing Intelligence (PMI). Certains fournisseurs de CAO sont déjà très avancés dans ce domaine. Pour les pièces uniques, cette technologie d'assemblage reste moins ou pas du tout adaptée en raison des temps de programmation, des exigences plus élevées en matière de tôle et de fixations.

À partir de quelle taille de lot l'investissement est-il rentable?

En fonction de la complexité du produit et de la qualité souhaitée, on peut dire que pour des lots de 10 à 50 pièces, il est rentable de programmer une cellule de soudage au laser. Le soudage au laser est 3 à 10 fois plus rapide que le soudage TIG.

Cependant, il ne faut pas considérer uniquement le coût du soudage. Le calcul du retour sur investissement change - en faveur du soudage au laser - si l'on compare le coût de l'ensemble du processus de soudage. Comme le soudage au laser produit un cordon de soudure de bien meilleure qualité que, par exemple, le soudage MIG/MAG, les opérations de post-traitement sont moins nombreuses. Pratiquement aucun, tant la qualité du cordon de soudure est élevée. Comme l'apport de chaleur est également plus faible, les assemblages se déforment moins. Un réajustement n'est pas nécessaire. Comme le soudage au laser nécessite peu de projections, les soudures ont moins besoin d'être réaffûtées pour obtenir une bonne finition. Tout cela permet de réaliser des économies considérables.

Pour les constructeurs de machines, les économies totales dans certaines applications atteignent 20 à 30%, ce qui est déterminé par la réduction des retouches (jusqu'à 80% de gain de temps), la réduction des délais de production et la diminution des rejets (20 à 40%). Les gains les plus importants se situent au niveau de la qualité, de la réduction des retouches et de la haute reproductibilité.

Un deuxième facteur de coût est le coût de l'énergie. Par rapport aux techniques de soudage conventionnelles, l'efficacité énergétique d'un système de soudage au laser est nettement plus élevée. Dans les lasers à fibre modernes, jusqu'à 40%, voire plus, de la puissance électrique est convertie en lumière laser et donc utilisée pour le soudage. Avec un système de soudage MIG/MAG, seuls 15% environ de l'énergie sont finalement utilisés pour le soudage, le reste disparaissant sous forme de chaleur. La consommation d'énergie est encore plus élevée avec les techniques conventionnelles, car des systèmes d'échappement plus lourds sont nécessaires pour les fumées de soudage. Les toutes dernières sources de fibres pour les cellules de soudage au laser consomment encore moins d'énergie, bien qu'elles aient une plus grande profondeur de pénétration à puissance égale.

La troisième économie importante sur le plan opérationnel réside dans le fait que l'on a besoin de moins de gaz de protection. Il faut garder à l'esprit que le soudage au laser requiert des compétences différentes. En raison du niveau d'automatisation plus élevé, moins de personnel est nécessaire, mais les compétences sont d'un niveau différent et plus élevé. En termes de coûts, les investissements dans un système de soudage au laser sont considérablement plus élevés.

Pas tous les matériaux

Peut-on souder au laser tous les matériaux? Non. Le matériau peut en effet constituer un obstacle à cette technologie de soudage. Les matériaux tels que l'acier inoxydable, l'acier au carbone, le titane, les alliages de nickel et l'aluminium peuvent être soudés au laser sans problème. L'acier galvanisé est moins adapté (en raison des projections), de même que les matériaux réfléchissants. Pour ces derniers, cependant, vous pouvez utiliser un laser vert, qui est moins affecté par les réflexions en raison de sa longueur d'onde différente.

Une deuxième limitation du côté des matériaux est que le soudage au laser convient aux tôles plus minces. En fait, plus la tôle est fine, mieux c'est. Pour les pièces de tôle de précision (0,5 à 3 mm d'épaisseur), le soudage au laser est tout à fait indiqué si l'on peut produire les produits en lots. La qualité du cordon de soudure et la réduction des retouches sont alors deux avantages majeurs. Pour les tôles d'une épaisseur comprise entre 3 et 6 mm, la technologie peut encore s'avérer payante, surtout lorsque les tolérances sont serrées. Au-delà de 6 à 8 mm d'épaisseur, les techniques de soudage conventionnelles offrent en fait tellement d'avantages qu'elles sont préférées.

Films ultra-minces

D'autre part, les récents développements des sources laser à l'autre extrémité du spectre, les feuilles ultra-minces, permettent de toutes nouvelles applications. Dans ce cas, il ne s'agit pas de lasers à fibre, mais de la dernière génération de lasers à impulsions ultracourtes, tels que les lasers pico- et femtoseconde.

Comme ces lasers permettent de doser très précisément l'impulsion d'énergie, il est possible de souder des feuilles métalliques extrêmement fines, par exemple des feuilles d'une épaisseur de cinq à dix microns. Ces lasers permettent de déterminer très précisément la profondeur de pénétration de la chaleur dans le matériau. En principe, on parle de processus à froid, car l'apport de chaleur est minime. Le nœud du problème réside principalement dans le dosage de la durée et de la fréquence des impulsions, car si celles-ci sont mal choisies, une quantité de chaleur trop importante est encore introduite. Plus la durée d'impulsion est courte, moins cela risque de se produire.

Ces lasers à impulsions ultracourtes ouvrent également la voie à de toutes nouvelles applications, particulièrement prometteuses pour l'industrie de pointe. Par exemple, l'une des percées récentes dans les laboratoires de recherche est le soudage direct du verre avec du métal à l'aide d'un laser femtoseconde. Cette percée a été réalisée en Allemagne et Zeiss et Fraunhofer IOF, entre autres, ont participé à la recherche. Les chercheurs ont réussi à assembler du verre borosilicaté avec du cuivre sans qu'il soit nécessaire de serrer les pièces. La résistance à la traction de cette liaison est de 10,9 MPa. Dans une autre étude, ils ont soudé du verre au verre en utilisant la nouvelle génération de lasers à impulsions ultracourtes. Cela ouvre la voie à de nouvelles applications, par exemple dans l'industrie des semi-conducteurs, le secteur médical et les microsystèmes électromécaniques (MEMS).