Le soudage Hybride laser Mig/Mag

BULLETIN TECHNIQUE N°29
Le soudage Hybride laser Mig/Mag
Février 2012
Contexte
Le soudage laser hybride MIG/MAG est l’association du soudage laser et du soudage à
l’arc MIG/MAG. Ce couplage permet de créer un nouveau procédé à part entière répondant à de nouvelles lois de synergie.
Le soudage laser hybride n’est pas récent, les premières études datent du début des années
80, mais ce n’est que depuis quelques années que l’on voit une industrialisation du procédé
dans des secteurs divers et variés comme le naval, le ferroviaire, la tuyauterie chaudronnerie ou encore le offshore.
Nous présenterons ici, sur la base d’essais réalisés sur notre plate-forme, le principe du soudage hybride laser MIG/MAG avec ses avantages et limites, les applications, les équipements de soudage et les développement en cours.
Principe
L’intérêt majeur du soudage laser hybride est de combiner le procédé laser et le procédé
Arc MIG ou MAG pour cumuler les avantages des deux procédés tout en s’affranchissant
des inconvénients:
Sommaire :
CONTEXTE
1
PRINCIPE
1
APPLICATIONS
1
EQUIPEMENTS
3
DÉVELOPPEMENTS EN
4
COURS
- Laser:
- vitesse de soudage > 1m/min
- pénétration: 1 à 20 mm sans préparation
- Arc:
- jeu admissible > 0.5mm
- métallurgie par dilution
- qualité des joints : caniveaux maitrisés ,
faibles porosités et risque de fissuration réduit
Figure 1 : Principe du soudage laser hybride
Le soudage hybride au travers de ces nombreux
avantages permet de s’adapter à un grand nombre de configuration de soudage déjà réalisée en procédé arc conventionnel tout en augmentant la productivité globale (vitesse de
soudage, parachèvement…)
Cependant le procédé de soudage hybride présente encore quelques limites:
- Le cout d’investissement principalement du à la technologie laser > 250 K€
- La complexité de réglage des paramètres opératoires entre le laser et le procédé Arc
Applications
Le procédé de soudage laser hybride est aussi bien adapté aux matériaux ferreux qu’aux
alliages légers. Les règles métallurgiques et thermodynamiques restent inchangées par rapport à un soudage à l’arc conventionnel.
Figure 3 : Soudage à clin Acier Hardox 450
« Source IM »
Figure 4: Soudage à clin Aluminium 5754/6005
« Source IM »
Figure 2 : Ilot robotisé
de soudage hybride chez VAG
Page 1
Le soudage Hybride laser Mig/Mag
Applications (suite)
Les applications du soudage hybride sont autant adaptées à la tôlerie fine (≈2mm) qu’à la soudure des tôles épaisses
(> 15mm) mais le domaine de prédilection est dans la gamme d’épaisseur de 3 à 6mm.
Figure 5: Soudage à clin d’acier 2mm
« Source IM »
Figure 6: Soudage en angle pénétration partielle d’acier Hardox 5mm
« Source IM »
Figure 7: Soudage en angle pénétration totale d’acier DH36 10mm
« Source IM »
Le soudage hybride laser peut être adapté à l’ensemble des types de joint standard réalisés en soudage Mig/Mag et laser.
Le laser assurant la pénétration et le soudage arc avec apport de matière réalise le rayon de raccord avec une gorge plus
ou moins importante.
Figure 8: Exemple des types de joint les plus courant en soudage laser seul et laser hybride (acier 2mm) « Source IM »
Les avantages principaux du soudage hybride:

la vitesse de soudage multipliée par 2 à 4 par rapport au procédé arc Mig/Mag conventionnel tout en assurant une
pénétration en racine répétable. L’augmentation de vitesse permet également de limiter les déformations.
Figure 9: Soudage à clin d’acier 2mm en MAG
Vs: 0.6m/min « Source IM »

Figure 10: Soudage à clin d’acier 2mm en Hybride
Vs: 1.5m/min « Source IM »
Les tolérances d’accostages et de positionnement proches de celles du procédé Mig/Mag
Figure 11: Tolérance d’accostage
en bout à bout « CETIM »
Figure 12: Tolérance de position du laser
hybride / joint en bout à bout « CETIM »
Figure 13: Tolérance d’alignement
des pièces en bout à bout
« CETIM »
Page 2
Pôle assemblage
Figure 14: Tolérance d’accostage à iso paramètres sur un joint à clin « Source IM »
Equipements
Il existe aujourd’hui plusieurs fournisseurs d’équipements de soudage hybride proposant des éléments, comme le
générateurs arc ou la tête laser, jusqu’à l’intégration du process complet, laser, générateur arc, tête de soudage
et robot.
Les fournisseurs sont généralement, en premier lieu des fabricants de solutions de soudage à l’arc Mig/Mag et
sont venus au soudage laser hybride par la suite. Nous retrouvons comme principaux fournisseurs : Fronius,
CLOOS, ESAB, SAF sans que cette liste soit exhaustive.
Les solutions hybrides laser sont toujours constituées des mêmes éléments:

Générateur Arc de puissance souvent supérieur à 400A (courant lisse et pulsé) adapté au soudage robotisé et paramétrable à synergie débrayable

Une chaine de dévidage push/pull pour garantir un meilleur dévidage à grande vitesse de fil (>10m/min)

Une tête laser souvent proposée par un fabricant d’optique: HighYag, Precitec, Trumpf ou Inovalaser

Une source laser YAG ou à diodes

Un robot porteur moyenne charge (payload > 10Kgs)
Dans l’ensemble des équipements nécessaires à l’installation hybride, la tête de soudage est l’un des organes
majeurs pour garantir une bonne qualité de soudure et surtout une bonne répétabilité. De plus on observe de
fortes différences de compacité entre les offres des fournisseurs.
Figure 16: Compacité tête hybride /
torche Mag
Figure 17: Robot de soudage laser hybride
de l’Institut Maupertuis
Figure 19 : Tête HighYag/
CLOOS (Maupertuis)
Figure 22 : Tête Hybrio ESAB
Figure 18: Synoptique d’une installation
de soudage hybride Fronius
Figure 20 : Tête Fronius
Figure 23 : Tête CLOOS
Figure 21 : Tête Inovalaser
Figure 24 : Tête YH50 Precitec
Page 3
Le soudage Hybride laser Mig/Mag
Développements en cours
L’augmentation de la puissance des lasers sur les dernières années permet de réaliser des soudures sur des épaisseurs de plus
en plus importantes (12Kw permet ≈ 20mm de pénétration dans l’acier sans préparation de joint) ou de réaliser les soudures
à grande vitesse. Ces changements demandent, dans le cadre du soudage hybride, d’utiliser des sources arc haut taux de
dépôt pour garantir une gorge adaptée aux vitesses supérieures à 2m/min.
Pour ce faire plusieurs solutions sont en cours de développement :

soudage haut taux de dépôt ou haute productivité (TIME, SAT…)

Soudage en fil plat

Soudage bi-fil ou Tandem
La solution de soudage hybride Tandem est intéressante car elle permet, outre le faite de doubler le taux de dépôt en utilisant deux fils , d’y adjoindre les procédés haut taux de dépôt comme le TIME de chez Fronius. Ces nouveaux procédés devraient permettre de souder des tôles de 5mm à clin à environ 4m/min.
Dans ce cadre, L’institut Maupertuis vient de s’équiper de cette technologie Hybride Tandem et commence ses premiers essais
sur des applications fortes épaisseurs de 10 à 20mm acier et aluminium 3 à 5mm.
Figure 25: Synoptique d’une installation
de soudage hybride Tandem Fronius
Pour en savoir plus, contactez:
David Lemaitre, Responsable plateforme laser
[email protected]
tel: 02.99.57.15.75
BULLETIN TECHNIQUE N°29
L’Institut Maupertuis réalise des études techniques par la mise en œuvre des compétences propres à l’Institut
et des compétences des centres techniques et établissements d’enseignement et de recherche régionaux. Nos
activités s’organisent en deux pôles :
 Le Pôle Projets : recherche et coordination de centres de compétence en mesure de répondre aux
Centre d’études techniques en
productique et mécatronique
Contour A. De St. Exupéry
Campus de Ker Lann
35170 Bruz
 02 99 05 84 56
 02 99 52 98 77
 [email protected]
attentes des industriels, plus particulièrement des PME-PMI. Ce pôle assure la gestion de projets de
la définition du projet, jusqu'à sa réalisation. Cette prestation réalisée par un chef de projet mis à
disposition, inclut la rédaction de cahiers des charges fonctionnels, la recherche de centres de compétence, l’assistance dans la démarche de propriété intellectuelle et de recherche d'outil de financement.
 Le Pôle Assemblage : centre de compétence en travail innovant des matériaux et en particulier en
soudage, découpage et traitement de surfaces par laser : études de faisabilité industrielle, études
collectives en soudage, études concernant l’automatisation des postes et la robotisation, transfert
de technologie vers les PME-PMI.
L’association s’inscrit dans la politique régionale de soutien à la recherche appliquée et à l’innovation. Son pilotage est
assuré par des personnalités industrielles locales en partenariat avec l’UIMM Bretagne, Autéo, le Pôle Productique Bretagne et le CETIM. L’association est soutenue et subventionnée par l’Union Européenne (Fonds FEDER), la Région Bretagne, le Conseil Général d’Ille et Vilaine et Rennes Métropole.
L’Europe s’engage en Bretagne avec le Fonds Européen de Développement Régional.
Page 4