La carrosserie, support des autres pièces du véhicule, dépend directement de la qualité globale de sa fabrication. Le soudage est une étape essentielle de ce processus. Les technologies de soudage actuellement utilisées comprennent principalement le soudage par points par résistance, le soudage MIG (soudage à l'arc sous protection gazeuse fondue), le soudage MAG (soudage à l'arc sous protection gazeuse fondue) et le soudage laser.
En tant que technologie de soudage avancée intégrant l'optique et la mécanique, le soudage laser présente les avantages suivants par rapport à la technologie de soudage traditionnelle des carrosseries automobiles : densité d'énergie élevée, vitesse de soudage rapide, faibles contraintes et déformations, et bonne flexibilité.
La structure de la carrosserie est complexe et ses éléments sont principalement constitués de pièces à parois minces et courbes. Le soudage de la carrosserie automobile présente des difficultés liées à la diversité des matériaux, à l'épaisseur variable des pièces, aux trajectoires de soudage et aux formes d'assemblage. De plus, ce procédé exige une qualité et une efficacité de soudage élevées.
Grâce à des paramètres de soudage adaptés, le soudage laser garantit une résistance à la fatigue et une ténacité élevées des pièces de carrosserie essentielles, assurant ainsi la qualité et la durée de vie des soudures. Cette technologie s'adapte au soudage de pièces de carrosserie présentant diverses configurations d'assemblages, épaisseurs et matériaux, répondant aux exigences de flexibilité de la fabrication automobile. Le soudage laser constitue donc un atout technique majeur pour le développement de l'industrie automobile.
Procédé de soudage laser pour carrosseries automobiles
Principe du procédé de soudage par fusion laser profonde : Lorsque la densité de puissance du laser atteint un certain seuil, la surface du matériau se vaporise, formant ainsi un trou de serrure. Lorsque la pression de vapeur métallique à l'intérieur de ce trou atteint l'équilibre dynamique avec la pression statique et la tension superficielle du liquide environnant, le laser peut traverser le trou de serrure jusqu'au fond. Le déplacement du faisceau laser permet alors la formation d'une soudure continue. Ce procédé de soudage par fusion laser profonde ne nécessite aucun ajout de flux ou de métal d'apport pour assembler les matériaux de la pièce.
Le cordon de soudure obtenu par soudage laser en fusion profonde est généralement lisse et rectiligne, avec une faible déformation, ce qui contribue à améliorer la précision de fabrication des carrosseries automobiles. La résistance à la traction de la soudure est élevée, ce qui garantit la qualité du soudage de la carrosserie. La vitesse de soudage est rapide, ce qui contribue à améliorer l'efficacité de la production.
Dans le processus de soudage de carrosserie, l'utilisation du soudage laser par fusion profonde permet de réduire considérablement le nombre de pièces, de moules et d'outillage de soudage, diminuant ainsi le poids mort de la carrosserie et les coûts de production. Cependant, ce procédé est sensible aux jeux d'assemblage des pièces à souder ; ces jeux doivent être contrôlés entre 0,05 et 2 mm. Un jeu trop important peut engendrer des défauts de soudage, tels que des porosités.
Les recherches actuelles montrent que, pour le soudage de carrosseries automobiles de matériaux identiques, l'optimisation des paramètres du procédé de soudage laser par fusion profonde permet d'obtenir une soudure présentant une bonne qualité de surface, moins de défauts internes et d'excellentes propriétés mécaniques. Ces dernières répondent aux exigences d'utilisation des composants soudés de carrosserie. Cependant, le procédé de soudage laser par fusion profonde hétérogène pour les alliages aluminium-acier, représentatif de ce procédé, n'est pas encore pleinement maîtrisé. Bien que l'ajout d'une couche de transition permette d'obtenir d'excellentes performances, l'influence des différents matériaux de cette couche sur la couche intermétallique et son effet sur la microstructure de la soudure restent à élucider et nécessitent une étude plus approfondie.
Procédé de soudage par remplissage de fil laser pour carrosserie automobile
Le procédé de soudage laser par apport de métal repose sur le principe suivant : un joint soudé est formé par pré-remplissage du bain de fusion avec un fil spécifique ou par alimentation simultanée du fil pendant le soudage laser. Ceci équivaut à introduire une quantité approximativement homogène de fil dans le bain de fusion lors du soudage laser par fusion profonde. Le schéma ci-dessous illustre le procédé de soudage laser par apport de métal.
Comparé au soudage par fusion laser profonde, le soudage laser avec apport d'argent présente deux avantages dans le soudage de carrosserie automobile : premièrement, il permet d'améliorer considérablement la tolérance de l'écart d'assemblage entre les pièces de carrosserie à souder et de résoudre le problème de l'exigence d'un écart de chanfrein élevé pour le soudage par fusion laser profonde ; deuxièmement, il permet d'améliorer la répartition des matériaux dans la zone de soudure en utilisant des fils de composition différente, et ainsi de réguler les performances de la soudure.
Dans le processus de fabrication de carrosseries automobiles, le soudage laser est principalement utilisé pour assembler les pièces en alliage d'aluminium et en acier. Lors du soudage des pièces en alliage d'aluminium, la faible tension superficielle du bain de fusion peut facilement entraîner son affaissement. Le soudage laser, grâce à la fusion du fil d'apport, permet de pallier ce problème.
procédé de brasage laser de carrosserie automobile
Le procédé de brasage laser repose sur le principe suivant : un laser, utilisé comme source de chaleur, focalise et irradie la surface d'un fil. Le fil fond, puis le métal en fusion s'écoule et remplit la pièce à souder. Des phénomènes métallurgiques, tels que la fusion et la diffusion, se produisent alors entre le matériau de brasage et la pièce, assurant ainsi leur assemblage. Contrairement au soudage laser avec apport d'argent, le brasage laser ne fait fondre que le fil et non la pièce à souder. Le brasage laser offre une bonne stabilité de soudage, mais la résistance à la traction de la soudure obtenue est faible. La figure 3 illustre l'application du brasage laser au soudage du couvercle du compartiment à bagages d'une automobile.
Dans le processus de soudage de carrosserie automobile, le brasage laser est principalement utilisé pour souder les pièces de carrosserie qui ne nécessitent pas une résistance de joint élevée, telles que la soudure entre le toit et les contours latéraux, la soudure entre la partie supérieure et inférieure du couvercle du coffre, etc. Le toit des modèles VW, Audi et autres modèles de moyenne et haute gamme utilise tous le procédé de brasage laser.
Les principaux défauts des joints brasés au laser des carrosseries automobiles comprennent l'écaillage des bords, la porosité, la déformation des soudures, etc., et ces défauts peuvent être considérablement réduits en régulant les paramètres du processus et en utilisant un procédé de brasage laser multifocal.
procédé de soudage composite laser-arc pour carrosserie automobile
Le principe du procédé de soudage composite laser-arc est le suivant : deux sources de chaleur, le laser et l’arc électrique, agissent simultanément sur la surface de la pièce à souder. La pièce fond et se solidifie pour former un cordon de soudure. Le schéma ci-dessous illustre ce procédé.
Le soudage composite laser-arc combine les avantages du soudage laser et du soudage à l'arc : premièrement, grâce à l'action de deux sources de chaleur, la vitesse de soudage est accrue, l'apport de chaleur est réduit et la déformation de la soudure est minime, tout en conservant les caractéristiques du soudage laser ; deuxièmement, la capacité de pontage est améliorée et la tolérance aux jeux d'assemblage est plus élevée ; troisièmement, la vitesse de solidification du bain de fusion est ralentie, ce qui favorise l'élimination des porosités, des fissures et autres défauts de soudage, et améliore l'organisation et les performances de la zone affectée thermiquement ; quatrièmement, grâce à l'arc, il est possible de souder des matériaux à haute réflectivité et à haute conductivité thermique, élargissant ainsi la gamme des matériaux applicables.
Dans le processus de fabrication de carrosseries automobiles, le soudage composite laser-arc est principalement utilisé pour souder les composants en alliage d'aluminium et les métaux dissemblables (alliage d'aluminium et acier). Pour les pièces de grande taille présentant des jeux d'assemblage, comme les portières, ce procédé est particulièrement adapté car ces jeux favorisent l'adhérence du soudage composite laser-arc. De plus, la technologie de soudage composite laser-MIG est également appliquée aux longerons de toit latéraux des carrosseries Audi.
Dans le procédé de soudage de carrosserie, le soudage composite laser-arc présente l'avantage d'une tolérance aux jeux plus importante que le soudage laser classique. Cependant, sa mise en œuvre exige une analyse approfondie de la position relative du laser et de l'arc, des paramètres de soudage laser et d'arc, ainsi que d'autres facteurs. Le comportement des transferts de chaleur et de masse lors du soudage laser-arc est complexe ; en particulier, la régulation énergétique du soudage de matériaux hétérogènes et le mécanisme de régulation de l'épaisseur et de la structure des composés intermétalliques restent encore mal compris et nécessitent des recherches approfondies.
Autres procédés de soudage laser pour carrosserie automobile
Le soudage par fusion profonde au laser, le soudage par apport de métal d'apport au laser, le brasage laser et le soudage composite laser-arc, entre autres procédés de soudage, bénéficient d'une théorie bien établie et d'un large éventail d'applications pratiques. Face aux exigences croissantes de l'industrie automobile en matière d'efficacité du soudage de carrosserie et à la demande accrue de soudage de matériaux dissemblables pour la fabrication de structures légères, le soudage par points laser, le soudage par oscillation laser, le soudage multifaisceaux laser et le soudage par balayage laser suscitent un intérêt grandissant.
procédé de soudage laser par points
Le soudage laser par points est une technologie de soudage laser avancée qui présente l'avantage d'une vitesse et d'une précision de soudage exceptionnelles. Son principe de base consiste à focaliser le faisceau laser sur un point précis de la pièce à souder, provoquant ainsi la fusion instantanée du métal. En ajustant la densité du faisceau laser, on obtient un soudage par conduction thermique ou par fusion profonde. Lorsque le faisceau laser s'arrête, le métal liquide se resolidifie et forme un joint.
Il existe deux principaux procédés de soudage laser par points : le soudage laser par points pulsé et le soudage laser par points continu. Le faisceau laser pulsé possède une énergie de crête élevée, mais une durée d'impulsion courte ; il est généralement utilisé pour le soudage des métaux légers tels que les alliages de magnésium et d'aluminium. Le soudage laser par points continu, quant à lui, utilise un faisceau laser de puissance moyenne élevée et de longue durée d'impulsion ; il est principalement utilisé pour le soudage de l'acier.
En soudage de carrosserie automobile, comparé au soudage par points par résistance, le soudage par points laser présente l'avantage d'être sans contact et de permettre une trajectoire de soudage personnalisée, ce qui permet de répondre aux exigences d'un soudage de haute qualité malgré différents jeux de recouvrement des matériaux de carrosserie.
procédé de soudage par oscillation laser
Le soudage par oscillation laser est une technologie récente qui a suscité un vif intérêt. Son principe repose sur l'intégration d'un miroir oscillant dans la tête de soudage laser, permettant ainsi une oscillation rapide, régulière et de faible amplitude du faisceau. Ce procédé consiste à agiter le faisceau tout en progressant lors du soudage.
Les principales trajectoires d'oscillation du procédé de soudage par oscillation laser comprennent : l'oscillation transversale, l'oscillation longitudinale, l'oscillation circulaire et l'oscillation infinie. Ce procédé présente des avantages considérables pour le soudage de carrosseries automobiles, car l'état d'écoulement du bain de fusion est significativement modifié par l'oscillation du faisceau laser. Il permet ainsi d'éliminer les défauts de fusion, d'affiner le grain et de réduire la porosité lors du soudage de matériaux de carrosserie identiques, et de remédier aux problèmes de mélange insuffisant de matériaux différents et aux faibles propriétés mécaniques du cordon de soudure lors du soudage de matériaux de carrosserie dissemblables.
Procédé de soudage multi-faisceaux laser
Actuellement, les lasers à fibre permettent de diviser un faisceau laser unique en plusieurs faisceaux grâce à un module de séparation de faisceau intégré à la tête de soudage. Le soudage multi-faisceaux laser équivaut à l'utilisation de plusieurs sources de chaleur. En ajustant la distribution d'énergie du faisceau, chaque faisceau remplit une fonction spécifique : le faisceau principal, à haute densité d'énergie, assure la fusion profonde ; le faisceau secondaire, à plus faible densité d'énergie, nettoie et préchauffe la surface du matériau et améliore l'absorption de l'énergie laser par celui-ci.
Le procédé de soudage multi-faisceaux laser permet d'améliorer le comportement d'évaporation de la vapeur de zinc et le comportement dynamique du bain de fusion lors du soudage de tôles d'acier galvanisées, d'améliorer le problème des projections et d'accroître la résistance à la traction du cordon de soudure.
procédé de soudage laser par vol
La technologie de soudage laser par trajectoire est une nouvelle technologie de soudage laser offrant une efficacité élevée et une conception autonome de la trajectoire de soudage. Son principe de base repose sur le contrôle, par programmation autonome, de l'angle d'incidence du faisceau laser sur les miroirs X et Y du système de balayage, permettant ainsi de dévier le faisceau laser selon n'importe quel angle.
Traditionnellement, le soudage laser de la carrosserie automobile repose principalement sur un robot de soudage qui actionne la tête de soudage laser de manière synchrone pour obtenir le résultat souhaité. Cependant, le mouvement de va-et-vient répétitif du robot limite considérablement l'efficacité du soudage, notamment en raison du grand nombre et de la longueur des soudures. À l'inverse, le soudage laser par déplacement permet une précision accrue grâce au simple ajustement de l'angle du réflecteur. Cette technologie améliore donc significativement l'efficacité du soudage et offre de vastes perspectives d'application.
Résumé
Avec le développement de l'industrie automobile, l'avenir de la technologie de soudage des carrosseries continuera d'évoluer tant au niveau du procédé de soudage que des technologies intelligentes.
La carrosserie automobile, notamment celle des véhicules à énergies nouvelles, évolue vers un poids réduit. Les alliages légers, les matériaux composites et les matériaux hétérogènes seront de plus en plus utilisés. Le procédé de soudage laser conventionnel peinant à répondre à ces exigences, un procédé de soudage performant et de haute qualité constituera la tendance future.
Ces dernières années, les procédés de soudage laser émergents, tels que le soudage laser oscillant, le soudage multifaisceaux et le soudage laser par balayage, ont fait l'objet de recherches théoriques et d'expérimentations initiales portant sur la qualité et l'efficacité du soudage. À l'avenir, il sera nécessaire d'intégrer étroitement ces procédés au soudage des matériaux légers pour la carrosserie automobile, au soudage de matériaux hétérogènes et à d'autres applications, et d'approfondir la recherche sur la conception de la trajectoire oscillante du faisceau laser, le mécanisme d'action énergétique des faisceaux multifaisceaux et l'amélioration de l'efficacité du soudage par balayage, afin de développer un procédé de soudage performant pour les carrosseries automobiles légères.
La technologie de soudage laser pour carrosserie s'intègre de plus en plus aux technologies intelligentes. La détection en temps réel de l'état du soudage et le contrôle en temps réel des paramètres de processus jouent un rôle déterminant dans la qualité du soudage. Actuellement, la technologie de soudage laser intelligente est principalement utilisée pour la planification et le suivi de la trajectoire avant soudage, ainsi que pour le contrôle qualité après soudage. La recherche, tant nationale qu'internationale, sur la détection des défauts de soudage et la régulation adaptative des paramètres est encore à ses débuts, et la technologie de contrôle adaptatif des paramètres du processus de soudage laser n'est pas encore appliquée à la fabrication de carrosseries automobiles.
Par conséquent, pour l'application de la technologie de soudage laser aux caractéristiques du processus de soudage de la carrosserie automobile, l'avenir devrait être développé avec un système de détection intelligent de soudage laser multi-capteurs avancé et un système de contrôle de robot de soudage haute vitesse et haute précision pour assurer la technologie intelligente de soudage laser en temps réel et la précision de chaque étape, grâce à la liaison « planification de la trajectoire de pré-soudage - contrôle adaptatif des paramètres de soudage - inspection en ligne de la qualité post-soudage », pour assurer un traitement efficace et de haute qualité.
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Date de publication : 9 décembre 2022
