Lasers pour l'allègement

May 15, 2023

Les équipementiers automobiles du monde entier cherchent désespérément à réduire le poids des véhicules ces jours-ci. BMW ne fait pas exception.

Par exemple, la Série 5 2017 du constructeur automobile pèse 137 livres de moins que le modèle précédent. Cette perte de poids est d'autant plus impressionnante que la berline 2017 est plus longue, plus large, plus haute, plus rigide et plus solide que le modèle 2016.

La réduction du poids du véhicule a nécessité une ingénierie intelligente et une plus grande utilisation d'acier, d'aluminium et de magnésium à haute résistance. La Série 5 2016 contenait déjà une bonne quantité d'aluminium, y compris les portes, le capot et les ailes avant. Le modèle 2017 en utilise encore plus. Les ingénieurs ont repensé le longeron arrière, consolidant 18 pièces en une seule pièce en fonte d'aluminium. Cela a permis d'économiser 24 livres. Un couvercle de coffre en aluminium en a économisé 9 de plus. Le coffre, la traverse moteur et le toit sont également en aluminium.

L'utilisation stratégique d'aciers à haute et ultra-haute résistance dans le toit, les longerons et l'arrière confère à la carrosserie une résistance structurelle élevée tout en réduisant le poids. Et, BMW a utilisé du magnésium pour mouler le tableau de bord, le rendant 4 livres plus léger que son prédécesseur en acier.

Pour assembler ces matériaux, les constructeurs automobiles ont dû adopter une variété de nouvelles technologies d'assemblage, notamment des rivets auto-perceurs, des vis autoperceuses, des adhésifs structuraux et, de plus en plus, le soudage au laser.

"Les lasers sont un autre outil dans la boîte à outils pour l'assemblage de matériaux", déclare Nathan Harris, responsable de l'industrie automobile chez TRUMPF Inc. "Soudage, fixations, adhésifs - ils ont tous leurs forces et leurs faiblesses. Il n'y a pas de "solution miracle" qui résoudra chaque défi d'assemblage des matériaux auquel sont confrontés les constructeurs automobiles aujourd'hui."

BMW n'est pas le seul constructeur automobile à profiter du soudage au laser. La technologie est utilisée sur de nombreux véhicules, dont le Ford F-150, la Cadillac CT6, la Honda Accord et la MINI Cooper.

Là où les lasers sont appliqués, en particulier, c'est l'assemblage de portes en aluminium, de cadres de fenêtre, de capots, de couvercles de coffre et d'autres pièces qui nécessitent une surface finie de classe A. Pour la Série 5, par exemple, BMW est passé du sertissage et du collage des portes entièrement en aluminium du véhicule au soudage au laser des extérieurs en aluminium aux intérieurs en acier, coupant au moins 13 livres de la voiture.

Les lasers sont avantageux dans ces applications car les ingénieurs peuvent soigneusement contrôler et concentrer l'énergie dirigée vers l'assemblage. Les joints produits par soudage à l'arc ou soudage par résistance par points peuvent nécessiter un meulage de finition ; les joints produits par soudage au laser n'ont besoin que de peu ou pas du tout.

Un autre avantage du soudage au laser est sa capacité à produire des soudures continues, des soudures parallèles et des soudures en forme de C ou de S. Cela peut rendre les soudures plus solides et permettre aux ingénieurs d'utiliser des matériaux plus fins dans leurs conceptions. Il est particulièrement utile pour les zones à fortes contraintes où le soudage par points est traditionnellement utilisé.

Par exemple, les points au laser peuvent remplacer le cordon de soudure par points par résistance utilisé pour joindre le cadre supérieur du toit et le bas de caisse. Pour les montants A ou B, des coutures continues peuvent remplacer les points de suture et éliminer le besoin de renforts supplémentaires.

"Pour une soudure par recouvrement, au lieu d'une simple ligne droite traversant le joint, imaginez faire la soudure avec un motif en zigzag ou un motif en tourbillon", explique Harris. "Ou, imaginez faire une ligne de soudures par points, chacune de 5 millimètres de long, et espacées comme vous le souhaitez. Cela se produit très rapidement."

Parce que le laser peut être si étroitement focalisé, les ingénieurs peuvent concevoir des brides plus étroites ou même éliminer complètement la bride. Pour le soudage par points par résistance, une bride typique peut avoir une largeur de 20 millimètres ou plus. Pour le soudage au laser, la bride peut être inférieure à 10 millimètres, car le faisceau laser est si étroit et le processus n'a besoin d'accéder qu'à un côté du joint.

Les lasers permettent aux constructeurs automobiles d'utiliser également des matériaux plus légers dans d'autres parties du véhicule. Les lasers sont utilisés pour souder les filtres à carburant, les barres de direction, les capteurs, les modules de commande et les composants du groupe motopropulseur. Pour les véhicules électriques, des lasers soudent les boîtiers des batteries individuelles, ainsi que les compartiments où sont stockées les batteries.

Les lasers produisent des soudures rapides et propres dans l'aluminium. La zone affectée par la chaleur est minime et la pénétration de la soudure peut atteindre une profondeur de 0,25 pouce. Le soudage au laser peut même être utilisé avec des matériaux sensibles aux fissures, tels que la série 6000 d'alliages d'aluminium, lorsqu'il est combiné avec un matériau de remplissage approprié tel que l'aluminium 4032 ou 4047.

Plusieurs types de laser conviennent au soudage de l'aluminium : CO2, Nd:YAG, fibre et disque. Le choix à utiliser dépend du coût, de la configuration du joint et des matériaux à souder.

Le TruDisk de TRUMPF est un laser à solide haute puissance pour le soudage, le découpage et le traitement de surface des métaux. Avec une plage de puissance de 1 à 16 kilowatts, le laser TruDisk produit une qualité de faisceau aussi faible que 2 millimètres·milliradians. Ce laser compact et modulaire est économe en énergie et fournit une puissance constante pour le soudage.

Grâce à une conception de résonateur brevetée, le TruDisk peut gérer même de fortes rétro-réflexions. Cela permet au laser de traiter des matériaux hautement réfléchissants, tels que le cuivre et d'autres métaux non ferreux. Le laser à disque n'est pas affecté par des conditions environnementales difficiles, telles que le froid, la chaleur, la poussière, une humidité élevée ou des vibrations.

Le laser est disponible avec deux options de refroidissement : un échangeur de chaleur intégré standard ou un refroidisseur à compresseur intégré en option, en fonction de la température de l'eau d'alimentation de l'usine.

L'optique de mise au point programmable (PFO) de TRUMPF, qui positionne le faisceau laser dans le champ de traitement à l'aide de deux miroirs, est une technologie clé pour le soudage robotisé au laser de pièces automobiles. Les miroirs changent de direction de manière précise et très dynamique. La technologie permet au faisceau laser d'être positionné n'importe où dans le champ de traitement. Il peut également guider le faisceau laser le long des contours souhaités. Des capteurs de processus surveillent la surface du matériau et dirigent le PFO pour ajuster le trajet du faisceau.

Comme ni la pièce à usiner ni l'optique ne doivent bouger, le PFO permet une productivité élevée. Et, grâce à la lentille à champ plan, les conditions de mise au point - et donc la qualité de traitement - sont identiques en tout point du champ de traitement.

La technologie PFO est particulièrement bien adaptée au soudage de grandes pièces, telles que les portes de véhicules.

"PFO vous permet de créer différentes géométries de soudure et différents types de soudures", explique Harris. "Il peut s'agir d'une soudure d'angle, d'une soudure par points ou d'une conception de type agrafe. Cela permet une grande créativité dans la conception de joints soudés, en particulier pour les boîtiers."

Grâce aux progrès de la technologie d'imagerie et de la puissance de calcul, le laser peut désormais être contrôlé avec plus de précision. Le système peut apporter des ajustements au processus en temps réel et vérifier que la soudure répond aux critères prédéfinis. "C'est un processus en boucle fermée. Vous obtenez des informations indiquant que la soudure est effectuée correctement", déclare Harris.

Le logiciel Fastsuite Edition 2 de CENIT North America Inc. permet aux ingénieurs de programmer et de simuler des opérations robotisées de soudage à l'arc et de soudage au laser. Le logiciel crée des programmes de soudage précis, sans erreur et homogènes pour tout, des configurations à un seul robot aux cellules de soudage complexes, quelle que soit la marque ou le modèle du robot, y compris plusieurs environnements de robot avec une multitude de composants.

Les ingénieurs peuvent importer des données depuis n'importe quel système de CAO, y compris STEP, IGES et JT, des interfaces directes intégrées à CATIA, NX et SolidWorks. Les définitions de lignes de soudure peuvent être créées directement à partir des données CAO 3D, y compris les mouvements d'approche et de retrait automatiques. Les paramètres de processus, tels que les décalages de ligne de soudure et la distance entre le pistolet et la pièce, sont facilement ajustés via une interface conviviale. Les ingénieurs peuvent sélectionner une "spécification de procédure de soudage" dans une base de données personnalisable de paramètres de soudage approuvés.

Le logiciel permet également le positionnement et l'interpolation automatiques d'axes externes et de positionneurs de pièces.

Des mises à jour récentes permettent aux ingénieurs de programmer le TruLaser Robot 5020 ou le TruLaser Weld 5000 de TRUMPF Inc., le soudeur laser FLW 4000 M3 d'Amada America Inc. et d'autres systèmes.

Pour plus d'informations, appelez le CENIT au 248-309-3251 ou visitez www.fastsuite.com.