Que sont les technologies de soudage avancées ?

Que sont les technologies de soudage avancées ?

(1) Soudage hybride laser-arc

La technologie de traitement par faisceaux de haute énergie est considérée comme la technologie de traitement la plus prometteuse du XXIe siècle, censée « apporter des changements révolutionnaires aux technologies de traitement et de fabrication des matériaux », et constitue actuellement le domaine technique qui connaît la croissance la plus rapide et qui fait l'objet de nombreuses recherches.

Le développement deéquipement de soudageLe passage au soudage à grande échelle revêt deux significations : d’une part, l’augmentation de la puissance des équipements et, d’autre part, l’agrandissement des pièces soudées. Compte tenu de l’investissement initial important que représentent les équipements de soudage avancés, notamment les équipements de soudage laser et par faisceau d’électrons, l’augmentation de la puissance, l’amélioration de la profondeur de pénétration et de la stabilité du processus de soudage permettent de réduire les coûts et de rendre ces équipements attractifs pour l’industrie. C’est pourquoi la technologie de soudage hybride, centrée sur les lasers, a suscité un vif intérêt. En réalité, le soudage hybride laser-arc a été proposé dès les années 1970, mais ses applications industrielles stables n’ont émergé que récemment, principalement grâce au développement des technologies laser et des équipements de soudage à l’arc, et notamment à l’amélioration de la puissance laser et du contrôle de l’arc. Le soudage hybride laser-arc consiste principalement à combiner le laser avec l’arc TIG (Tungsten Inert Gas), l’arc plasma et l’arc actif. L’interaction entre le laser et l’arc permet de pallier les inconvénients de chaque méthode de soudage, offrant ainsi un excellent résultat hybride.

Le soudage hybride laser-arc améliore considérablement l'efficacité du soudage, principalement grâce à deux effets : premièrement, la densité d'énergie élevée induit une vitesse de soudage plus rapide et une réduction des pertes de chaleur de la pièce ; deuxièmement, l'effet de superposition des deux sources de chaleur. Lors du soudage de l'acier, le plasma laser stabilise l'arc ; simultanément, l'arc pénètre dans le bain de fusion, réduisant ainsi les pertes d'énergie. La combinaison du laser et du TIG permet d'accroître significativement la vitesse de soudage, jusqu'à environ le double de celle du soudage TIG seul. L'usure de l'électrode de tungstène est également fortement réduite, prolongeant sa durée de vie ; l'angle de chanfrein est lui aussi considérablement réduit, et la section de la soudure est comparable à celle du soudage laser. Comparé au soudage hybride laser-arc simple, le soudage hybride laser-arc double permet de réduire l'apport de chaleur de soudage de 25 % et d'augmenter la vitesse de soudage d'environ 30 %.

Les principaux avantages du soudage hybride laser-arc (ou plasma) sont l'amélioration de la vitesse de soudage et de la profondeur de pénétration. Le chauffage par arc entraîne une élévation de la température du métal, réduisant ainsi sa réflectivité au laser et augmentant l'absorption de l'énergie lumineuse. Cette méthode a été testée sur des lasers CO₂ de faible puissance, ainsi que sur des lasers CO₂ de 12 kW et des lasers YAG de 2 kW avec transmission par fibre optique, jetant les bases du soudage hybride laser-arc (ou plasma) robotisé. Ces dernières années, la technologie de soudage hybride issue du soudage laser-arc a connu un développement significatif et son application aux composants complexes des secteurs aérospatial, militaire et autres suscite un intérêt croissant. Actuellement, le soudage hybride combinant des faisceaux de haute énergie avec différents types d'arcs est devenu un axe de recherche majeur dans le domaine du soudage par faisceaux de haute énergie.

(2) Soudage par friction-malaxage

Le soudage par friction-malaxage (FSW) est une technologie de soudage brevetée développée par le Welding Institute (TWI) du Royaume-Uni au début des années 1990. Elle permet de souder des métaux non ferreux difficiles à souder par fusion.

Le soudage par friction-malaxage présente de nombreux avantages : simplicité du procédé, finesse du grain dans le joint soudé, excellente résistance à la fatigue, à la traction et à la flexion, absence de fil d’apport et de gaz de protection, absence d’arc électrique et faibles contraintes et déformations résiduelles après soudage. Utilisé dans l’industrie aérospatiale des pays développés d’Europe et d’Amérique, il a notamment permis de souder avec succès des cuves sous pression à parois minces en alliage d’aluminium fonctionnant à basse température, pour réaliser des joints bout à bout rectilignes (soudures longitudinales) et circonférentiels (soudures circulaires). Cette technologie est désormais intégrée à la conception structurelle des nouveaux véhicules et trouve des applications dans les secteurs de l’aérospatiale, des transports, de l’automobile et autres industries.

(3) Soudage par diffusion sous vide

L'émergence continue de matériaux avancés pose de nouveaux défis aux technologies d'assemblage. L'assemblage de nombreux matériaux nouveaux, tels que les alliages réfractaires, les céramiques de haute technologie, les composés intermétalliques et les matériaux composites, et en particulier l'assemblage de matériaux dissemblables, est difficile à réaliser par les méthodes de soudage par fusion conventionnelles. C'est pourquoi le soudage par diffusion à l'état solide et d'autres technologies ont émergé. Par exemple, la technologie de soudage par diffusion avec formage superplastique a été appliquée avec succès aux structures en nid d'abeille en alliage de titane utilisées dans l'aéronautique. Les céramiques et les métaux peuvent être assemblés par soudage par diffusion ; l'application de la technologie de soudage par diffusion en phase liquide transitoire a permis de résoudre de nombreux problèmes d'assemblage complexes de matériaux durs qui ne pouvaient être résolus par les méthodes conventionnelles.soudage par fusiondans le passé.

L'assemblage à l'état solide peut être divisé en deux catégories. La première regroupe les méthodes d'assemblage à basse température, haute pression et courte durée, qui favorisent un contact étroit entre les surfaces des pièces et la rupture du film d'oxyde par déformation plastique locale. La déformation plastique est le facteur prédominant dans la formation de l'assemblage. Ces méthodes d'assemblage comprennent :soudage par frictionLe soudage par explosion, le soudage par pression à froid et le soudage par pression à chaud sont généralement regroupés sous le terme de soudage par pression. Une autre méthode d'assemblage est le soudage par diffusion, qui utilise une température élevée, une basse pression et une durée relativement longue, généralement sous atmosphère protectrice ou sous vide. Ce procédé d'assemblage ne génère qu'une déformation plastique minimale, la diffusion interfaciale étant le facteur prédominant dans la formation du joint. Parmi ces méthodes d'assemblage, on trouve principalement le soudage par diffusion, notamment le soudage par diffusion sous vide, le soudage par diffusion en phase liquide transitoire, le soudage par diffusion sous pression isostatique à chaud et le soudage par diffusion avec formage superplastique.

Outre l'émergence constante de méthodes de soudage avancées et de nouveaux procédés (dont les exemples cités ne sont que quelques-uns), le niveau de mécanisation et d'automatisation des différentes méthodes de soudage ne cesse de progresser. Les avancées en électronique, en détection, en informatique et en contrôle ont considérablement favorisé le développement du soudage, orientant son automatisation vers une gestion intelligente. En particulier, le déploiement à grande échelle de robots de soudage a permis de dépasser le modèle d'automatisation rigide traditionnel, ouvrant la voie à une automatisation plus flexible et offrant ainsi de nouvelles perspectives de développement à cette technologie. Le soudage est devenu une méthode de traitement incontournable dans l'industrie manufacturière moderne. De plus, avec les progrès scientifiques et technologiques et le développement socio-économique, les domaines d'application du soudage et de l'assemblage avancés continueront de s'étendre.

(4) Soudage automatisé et intelligent

La mécanisation et l'automatisation sont essentielles pour améliorer la productivité du soudage, garantir la qualité des produits et optimiser les conditions de travail. L'automatisation de la production de soudage représente l'avenir de cette technologie. Toutefois, l'amélioration de l'efficacité et de la qualité de la production de soudage présente certaines limites si l'on se limite aux seuls procédés de soudage. Les méthodes de soudage/assemblage telles que le soudage par faisceau d'électrons, le soudage laser et le soudage par friction-malaxage imposent des exigences strictes en matière de géométrie des rainures et de qualité d'assemblage. Après soudage automatisé, la structure soudée est nette, précise et esthétique, rompant ainsi avec les pratiques archaïques du soudage manuel pratiquées autrefois dans les ateliers.

Symboles majeurs du développement des technologies de fabrication modernes et de l'émergence d'une industrie technologique de pointe, les robots ont profondément transformé divers secteurs de l'industrie. La complexité des procédés de soudage et les exigences strictes en matière de qualité, conjuguées à des conditions de travail et à un niveau technologique souvent insuffisants, expliquent l'intérêt particulier porté à l'automatisation et à l'intelligence des procédés de soudage. Actuellement, 30 à 40 % des robots utilisés dans le monde le sont dans le domaine du soudage. Initialement déployés principalement sur les lignes de soudage par points de l'industrie automobile, les robots de soudage se sont progressivement étendus à d'autres secteurs de production ces dernières années.

Le premier axe de développement desoudage intelligentLe système de vision est essentiel. Les systèmes de vision actuellement développés permettent aux robots de modifier automatiquement la trajectoire de la torche en fonction des conditions spécifiques de soudage, et certains peuvent ajuster en temps réel les paramètres du processus en fonction de la taille de la rainure.