Le soudage au laser rejoint la tendance légère
Le soudage au laser rejoint la tendance légère
Pour retourner la marque Cadillac sur le stade mondial de luxe du prestige, General Motors a jeté autant qu'il le pouvait - 13 matériaux en tout - dans le corps de la berline pour en faire le véhicule le plus léger de sa classe. Et puis pour rejoindre cette «courtepointe folle d'aluminium, d'acier, de magnésium et de plastique», comme un observateur de l'industrie l'a appelé1, GM a utilisé les techniques de fabrication de matériaux mixtes les plus complètes et les plus avancées de l'industrie automobile, qui sont déployées par une armée de 28 robots qui soudent les cadres intérieurs et extérieurs du véhicule (figure 1).
Figure 1.Le toit en aluminium de Cadillac CT6 2016 de General Motors Co. est soudé avec un laser aux articulations de la bodyside de la berline. Avec l'aimable autorisation de General Motors.
Tenant principalement le corps de cette voiture élégante et légère - ainsi que la stratégie de jointure future de l'industrie automobile américaine - sont des vis de forage à débit, des rivets auto-perçants, des soudures au comptant en aluminium en aluminium tout premier (figure 2). Grâce à cette approche de matériau mixte, GM a réussi à réduire le poids de la Cadillac CT6 de 198 livres, par rapport à ce qu'il aurait pesé avec un corps entièrement en acier.
Figure 2.GM a réduit le poids de la Cadillac CT6 de 198 livres en utilisant une variété de matériaux, tels que l'aluminium en acier et le magnésium, et les rejoindre avec plusieurs technologies, notamment le soudage au point de résistance en aluminium propriétaire et le soudage laser. Avec l'aimable autorisation de General Motors.
Le CT6, qui a commencé la production de l'usine de Détroit-Hamtramck de GM en janvier 2015, est jusqu'à présent le véhicule le plus profond de cette année pour sauter sur la soi-disant tendance légère. Les légers s'appuient fortement sur le remplacement de l'acier par de l'aluminium et sont largement motivés par les réglementations fédérales qui appellent des normes de crash plus strictes et à des véhicules pour atteindre 54,5 miles par gallon d'ici 2025.
L'année dernière, l'étoile de légèreté de l'industrie était le pick-up F-150 de Ford Motor Co., qui a perdu 700 livres en grande partie en remplaçant l'acier pour son corps par de l'aluminium (figure 3). Les toits en aluminium des F-150 et CT6 sont soudés aux articulations du corps avec des lasers. GM a également utilisé des lasers pour souder les portes de la berline et ses articulations à trois pièces, qui ont abouti à un tronc plus incurvé qu'une partie en deux pièces, selon Elaine Garcia, directeur du groupe d'ingénierie de GM pour la technologie avancée et le soudage.
Figure 3.Le camion F-150 de Ford Motor en 2015 est devenu le premier véhicule à volume élevé en Amérique du Nord à avoir un corps entièrement en aluminium (enrout). Ford a utilisé le soudage au laser pour le toit en aluminium du camion. Avec l'aimable autorisation de Ford Motor Co.
"Nous avons soulevé le toit en aluminium et le couvert de pont car il a permis une certaine apparence dans la conception du produit, et a soudé au laser les portes en aluminium car elle permettait des brides de soudure plus courtes et une plus grande ouverture de fenêtre de porte", a déclaré Garcia.
L'approche corporelle entièrement en aluminium de Ford pour le F-150 est considérablement différente de la stratégie de matériaux mixtes de GM (figure 4). Et tout comme il y a beaucoup de débats sur quelle approche sera adoptée par les concurrents, il y a aussi beaucoup de délibérations sur ce que les constructeurs de technologie des technologies favoriseront le plus pour la fabrication de leurs véhicules plus légers et plus robustes. C'est le moment pour les lasers industriels de couper la compétition ou de se laisser laisser par des alternatives telles que les adhésifs et le soudage au point.
Figure 4.Pour la Cadillac CT6, GM a adopté une approche de matériaux mixtes, dans laquelle le corps de la berline se compose d'une variété d'acier, d'aluminium et d'autres matériaux, par rapport à l'approche entièrement en aluminium de Ford Motor Co. avec le F-150. Avec l'aimable autorisation de General Motors.
Aluminium sur roues
Le poids de l'aluminium est à peu près à un tiers des acier, bien qu'ils soient tous deux similaires en termes de résistance. Le groupe de transport en aluminium (ATG) de l'Association en aluminium estime que pour 10% de la réduction du poids attribuable au remplacement de l'acier par de l'aluminium, les économies de carburant d'un véhicule peuvent augmenter jusqu'à 7%.
Malgré l'accent actuel sur la légèreté, «l'aluminium dans le secteur automobile n'est pas nouveau», a déclaré Jay Baron, président et chef de la direction du Center for Automotive Research à Ann Arbor, Michigan. Au milieu des années 1970, les automobiles avaient moins de 100 livres de pièces en aluminium et en 2013, ce chiffre avait atteint 350 livres. Les automobiles devraient avoir 500 livres d'aluminium d'ici 2025, selon une étude de 2014 de Drucker Worldwide, basée au Mich. Et à bien des égards, l'industrie automobile américaine commence à peine à rattraper son homologue européen.
«Alors que Ford a été le premier à convertir un véhicule à volume élevé en aluminium en Amérique du Nord [avec le F-150], Audi et Jaguar Land Rover ont élargi l'utilisation moderne de l'aluminium pour réduire le poids du véhicule, améliorer l'économie de carburant et améliorer les performances il y a plus de 20 ans», a déclaré Doug Richman, président du comité technique de l'ATG et vice-président de l'ingénierie de Kaiser aluminium à Foothill Ranch, Calif.
Ce qui est nouveau, dit Baron, c'est le remplacement accéléré de l'acier par de l'aluminium. Et c'est là que réside l'opportunité des lasers. Au cours de la dernière année, par exemple, Valentin GapontSev, président-directeur général d'IPG Photonics à Oxford, dans le Massachusetts, a déclaré lors des conférences téléphoniques trimestrielles que «les tendances de l'industrie automobile pour utiliser les alliages en acier et en aluminium à haute résistance à la hausse des automobiles plus légers entraînent une adoption accrue de lasers en fibre.»
GM, qui utilise principalement des lasers de fibres sur l'aluminium du CT6, n'a commencé à utiliser des lasers que pour le soudage de l'aluminium en 2013 avec sa Chevrolet Corvette Stingray. Le cadre entièrement en aluminium de ce véhicule était plus rigide de 57% et 99 livres plus léger que son modèle précédent2. Cadillac Escalade de GM, la banlieue et Tahoe de Chevrolet, et le Yukon de GMC présentent désormais également un joint soudé au laser en aluminium, selon Garcia.
Traditionnellement, le déploiement par les constructeurs automobiles de soudage au laser avait été largement confiné pour «s'accrocher», tels que les portes et les couvercles du tronc, qui s'attachent au corps en blanc, un autre nom pour la coquille du véhicule qui est soudé ensemble. Cependant, les constructeurs automobiles ont récemment commencé à utiliser des lasers pour souder des composants internes, tels que les filtres à carburant en aluminium et les cannes de direction (figure 5), a déclaré que David Havrilla, directeur des produits et applications pour le Trumpf Laser Technology Center à Plymouth, Michigan, et il s'attend à ce que les constructeurs utilisent bientôt cette technologie d'adhésion aux buchers en aluminium. Havrilla a ajouté que, pour les voitures électriques, le soudage au laser du boîtier en aluminium de la batterie et les contacts en aluminium ou en cuivre à l'intérieur de la batterie sont encore aux premiers stades du développement.
Figure 5.Bien que traditionnellement utilisée pour le corps en blanc, le soudage au laser est de plus en plus utilisé pour les composants internes en aluminium, tels que les colonnes de direction (gauche) et les filtres à carburant (droite). Avec l'aimable autorisation de Trumpf Inc.
Photonique vs non Photonie
Une partie importante des lasers de fibres d'IPG est utilisée dans les applications de soudage / brasage des coutures de carrosserie. En fait, la société estime que les opportunités sur le marché du soudage au laser en fibre sont «potentiellement beaucoup plus importantes» que le marché de la coupe, selon une présentation qu'elle a donnée aux investisseurs en mai dernier. Avec son stepper de couture laser (LSS), un outil de soudage robotique qui intègre le soudage au laser et le serrage pour maintenir des pièces de travail étroitement ensemble, IPG tient à remplacer le soudage au point de résistance dans plusieurs applications automobiles. Lors d'une récente conférence téléphonique trimestrielle, GapontSev a déclaré que le LSS "peut être utilisé pour traiter plusieurs métaux différents, y compris l'acier, l'aluminium, l'acier inoxydable - et la résistance de la soudure est environ le double de la résistance d'une soudure traditionnelle de résistance au point."
Alors que les lasers remplacent principalement les soudeurs de résistance, "il n'y a pas eu de changement de gros dans l'utilisation du laser en raison du passage à l'aluminium", a déclaré Tim Hurley, directeur mondial du segment automobile pour la Lincoln Electric Co. à Euclid, Ohio. Au lieu de cela, «le soudage au laser est utilisé où le soudage au point de résistance aurait été effectué sur une pièce en acier.» Il a ajouté que la conductivité élevée de l'aluminium et les marques que le soudage de résistance peuvent laisser derrière lui offrent des avantages importants au laser. Cependant, le soudage au laser dépend parfois des alliages, dont certains sont sujets à la fissuration et nécessitent des matériaux de remplissage.
«Avec ses vitesses de traitement élevées, son faible apport thermique et sa faible distorsion qui en résulte et sa flexibilité globale de l'application, ce processus est devenu une technologie d'assemblage clé dans l'industrie automobile au cours des deux dernières décennies», a déclaré Richman. «Parce que le soudage au laser crée des joints d'excellente qualité, il est généralement utilisé dans les applications où l'apparence de soudure est critique.»
Alors que les rivets sont devenus une technologie d'adhésion populaire pour les pièces en aluminium - le F-150 en comportant plus de 4 000 plutôt que 7 000 soudures.3- Baron a dit qu'il s'attend à voir les constructeurs automobiles compter moins sur ces attaches mécaniques. GM, par exemple, a réussi à utiliser environ 1 800 rivets de moins et à obtenir une réduction de poids de quatre livres4par sa dépendance plus forte à la soudage dans le CT6.
«Les rivets ajoutent du poids. Le soudage au laser n'ajoute aucun poids », a déclaré Baron.
Baron a ajouté que le plus grand concours de technologie d'aluminium non photonique des lasers sera probablement des adhésifs, qui sont devenus plus sophistiqués et sont meilleurs que les soudures. Cependant, Garcia a déclaré que GM a augmenté sa dépendance à l'égard du soudage au laser, en partie, pour réduire ou remplacer les adhésifs et les scellants.
Eric Stiles, responsable des applications pour IPG Photonics Midwest, a déclaré que le soudage au laser pourrait également remplacer le soudage à l'arc métallique à gaz, qui convient à l'adhésion à des matériaux de jauge plus lourds. Cependant, l'apport de chaleur de cette technologie d'adhésion est trop élevé pour souder la tôle plus mince. D'autres opportunités peuvent survenir pour les lasers car les constructeurs automobiles adoptent des conceptions de pièces qui manquent de brides ou ont des brides plus petites, selon Stiles, Richman et Havrilla.
Ouverture des portes
«Quelques constructeurs automobiles explorent le potentiel du soudage au laser pour réduire ou éliminer les brides dans les joints en tôle pour les conceptions de porte, de capuche et de terrasse. Dans ces applications, le soudage au laser est utilisé pour remplacer les coutures formées traditionnelles rejoignant les panneaux intérieurs et extérieurs dans les assemblages en tôle. En cas de succès, il peut s'agir d'une application avec un potentiel plus large pour le déploiement du soudage au laser à l'avenir », a déclaré Richman.
Des pièces telles que les portes ont généralement des brides de soudure, sur lesquelles une pression est appliquée pendant le processus de soudage au comptant car des pièces de métal sont rejoints par un courant électrique. Avec le soudage au laser, par exemple, la bride de fenêtre de porte du CT6 est de 6 mm, contre 10 mm à 15 mm avec une bride de fenêtre de porte soudée typique. Et de telles petites réductions, lorsqu'elles sont répétées dans tout le corps, entraînent des réductions de poids significatives. Garcia a déclaré que la forme de point linéaire du soudage au laser permet des brides plus petites, tandis que les soudures ponctuelles ont une forme circulaire de 5 à 7 mm.
Illustrant les économies de poids offertes par la combinaison de pièces en aluminium et de soudage au laser, les industries de Valley City, en Ohio, en 2014, ont dévoilé les blancs de porte en aluminium le plus léger et le plus produit en masse, qui se composent d'épaisseur et de grade variable. Les blancs en aluminium de Shiloh en aluminium en aluminium en aluminium pesaient 26,8 livres, contre 35,5 livres pour quatre blancs en aluminium, monolithique de porte de la géométrie similaire. Et tandis que les blancs en aluminium laser en aluminium ont donné une réduction de poids de près de neuf livres par véhicule, les économies étaient encore plus importantes - 58 livres - par rapport aux blancs de porte monolithique en acier.
Surmonter les coûts
Les coûts de l'aluminium et des lasers ont longtemps entravé l'adoption du soudage au laser en aluminium dans l'industrie automobile. Alors que Havrilla souligne qu'au cours des 10 dernières années, le coût d'un laser de 4 kW a chuté de 66,7% à 200 000 $, le Steel Market Development Institute, citant un Institut de technologie du Massachusetts, note que l'acier est deux à trois fois moins cher que l'aluminium. Et le coût de l'aluminium ne baisse pas aussi robuste que celui des lasers. Entre 2006 et 2015, le prix moyen annuel par tonne métrique d'aluminium n'a chuté que de 12% à 1 665 $, selon la société de statistiques Statista.
«Si l'aluminium décolle vraiment dans [le] secteur automobile, cela entraînera le coût de l'aluminium tout en augmentant les connaissances des processus. Avec une meilleure compréhension du processus et de l'abordabilité accrue, tous les fabricants sont plus susceptibles de considérer l'aluminium comme un matériau plus facile et plus souhaitable avec lequel travailler », a déclaré Havrilla.
Baron a déclaré qu'avec les modèles commerciaux automobiles qui ont tendance à ajouter à plus de technologie, "les lasers sont positionnés pour plus de croissance." Garcia a ajouté que l'utilisation des lasers par GM «a également augmenté à mesure que nous devenons plus confiants avec la technologie». Et compte tenu de la façon dont les industries automobiles et aérospatiales servent habituellement de pionniers, les fabricants de laser prévoient que certains fabricants généraux sautent dans le train de légèreté. Bien que peu d'autres industries soient aussi sensibles au poids que ces deux-là, beaucoup peuvent bénéficier de l'aluminium de secours d'expédition.
Hurley à Lincoln Electric a déclaré que l'industrie agricole envisage de l'aluminium pour obtenir «plus de boisseaux au gallon du diesel». Havrilla a déclaré que l'aluminium extrudé pourrait également être attrayant pour les fabricants de châssis de fenêtre, car il pourrait aider à réduire les coûts d'expédition, par rapport aux cadres en acier.
"L'aluminium présente de nombreux avantages, de la légère à la résistance à la corrosion, de sorte que l'utilisation de l'aluminium augmente dans l'industrie automobile, il y aura certainement une certaine pollinisation croisée avec d'autres industries", a déclaré Stiles d'IPG.
