Newsletter N°23 - Hyprosoud une tête bien faite par Air Liquide

L'événement se déroulant dans les locaux de l'Institut de Soudure à Yutz, certains seront tentés de dire qu'à l'Est rien de nouveau, et pourtant... Bien sûr le soudage hybride laser mig ou mag n'est pas nouveau et connaît même des applications industrielles dans les domaines de la construction maritime, de l'automobile. Mais dans le cadre du projet piloté par l'Institut de Soudure depuis septembre 2007, la journée du 28 janvier dernier marque une étape décisive avec la divulgation des résultats obtenus avec une tête de soudage hybride développée par Air Liquide. C'est cette dernière qui est vraiment nouvelle. "Dès le début du projet, nous avons établi un cahier des charges très strict", explique Abdelkrim Chehaibou responsable de la recherche et du développement industriel à Yutz. "Au delà des caractéristiques liées à l'encombrement et aux fonctionnalités de la tête, la principale contrainte portait sur son poids qui ne devait pas dépasser 10 kg".La tête de soudage hybride laser MIG/MAG d'Air Liquide pèse moins de 10 Kg.
Raisons de cette exigence, la volonté de l'embarquer sur les robots de soudage couramment utilisé dans les PME. L'objectif du projet est en effet de rendre la technologie accessible à ce type d'entreprise alors que sur le marché d'autre têtes existent comme celle de Fronius (19kg) ou encore celles de Closs ou Precitec (plus de 10 kg). Or, dans bien des cas, ces poids impliquent l'acquisition de robots de capacités supérieures et interdisent la possibilité d'utiliser les moyens existants Deux freins importants à l'expansion de la technique alors même qu'elle représente un important facteur de croissance.

Des enjeux importants
Pour atteindre cet objectif ambitieux, Air Liquide à dû faire des choix technologiques spécifiques. Pour la collimation du faisceau issu d'une source laser à disque de 10 kW de Trumpf, le constructeur a choisi d'utiliser des lentilles de 52 mm avec une focale de collimation de 200 mm. Côte focalisation, le choix s'est porté sur une longueur de 200 mm et 280 mm. L'objectif de ces choix est d'assurer une bonne stabilité thermique de l'ensemble en ne sacrifiant rien à l'encombrement. Dans le même esprit, un circuit de refroidissement interne à la tête permet de dissiper les calories générées par le procédé sans occasionner de gêne dans la zone de travail.
Pour ce qui est de la partie MIG, une source de 450 ampères associée à une torche refroidie par fluide générateur permettent d'utiliser des fils de métal d'apport de diamètre 0,8 à 1,6 mm Exemple de soudure en T de deux plaque d'acier de 12 mm d'épaisseur réalisée à 0,6 mètre/min en combinant un faisceau laser de 5000 W avec un arc Mig.
Si ce projet d'ampleur s'articule autour de l'IS du Letam, du LALP, d'Air Liquide et d'utilisateurs tels que Lohr Industrie ou de Caterpillar, c'est que le soudage hybride représente une opportunité importante, sur le plan économique, pour l'assemblage thermique de pièces mécaniques. Certes, sur le plan purement technique, le fait de mixer les effets d'un faisceau laser à haut niveau d'énergie avec un apport classique de métal sous l'effet d'un arc électrique, présente plusieurs avantages. Réduction des exigences en terme d'accostage, accroissement de la profondeur de pénétration, réduction de la Zone affectée Thermiquement (ZAT), sont les principaux, mais ce n'est pas tout. Sur un plan purement économique maintenant, le soudage hybride est particulièrement avantageux. "Une étude réalisée par une société d'ingénierie américaine démontre que le recours au soudage hybride est rentable à partir de 300 Km de soudure annuelle dans les faibles épaisseurs (jusqu'à 6 mm) et très rentable dès 22,5 Km dans la forte épaisseur (soudage multipasse)" explique Cedic Mennel

De fortes attentes à satisfaire
Les domaines d'applications de la technologie sont variés et des études en cours dans de nombreux secteurs industriels. Le domaine de l'exploitation pétrolière et gazière est ainsi fortement intéressé par l'application du soudage hybride à la réalisation de la passe de fond sur les tronçons de pipeline. Il faut dire que c'est elle qui détermine la vitesse de progression du chantier. Or, à quantité de soudure égale, 600 heures-homme en hybride mono-passe en remplacent 8500 par un procédé conventionnel multi-passes.
Dans l'automobile, c'est la possibilité d'assembler des matériaux légers réputés difficiles à souder qui a séduit d'emblée. Dans le ferroviaire, les constructeurs évaluent les capacités d'assemblage de la technologie, à l'image d'Alstom qui a investi dans un banc pour sa mise au point. Le Japonais Kinky Sharyo a pour sa part déjà mis en évidence une excellente qualité de soudure bout à bout et des vitesses de 5 m/min sur des pièces d'épaisseur 3 mm.
Dans le secteur du nucléaire, des travaux sont en cours pour évaluer la possibilité de produire des pièces en 316L, IN690, A508, A738… et autres matériaux utilisés dans le domaine. Il n'y a, bien entendu, pas encore d'applications industrielles dans le domaine mais les démonstrateurs sont nombreux.
De manière générale, ce sont les industries qui recourent à de forts volumes de soudure qui marquent un intérêt important pour la technologie. Rien d'étonnant alors a ce que Lohr Industrie  et Caterpillar se soient associés au projet pour sa partie validation industrielle.

Encore quelques étapes à franchir
"Dans un premier temps, les pièces envisagées, pour la validation industrielle, étaient des éléments simples, mais le projet avançant, les démonstrateurs se sont nettement complexifiés" explique Abdelkrim Chehaibou. "Mais nous ne sommes qu'au milieu de cette tâche pour laquelle des résultats seront présentés dans les prochains mois". Les premiers travaux ont en effet permis de caractériser le procédé, de le mettre en équation et d'établir les tables technologiques indispensables à sa connaissance. "Parallèlement à ce travail d'investigation et d'étude des cycles thermique mené par le laboratoire LALP, les travaux réalisés avec Comsol Multiphisics ont permis de simuler le comportement du bain de fusion, d'analyser la pression d'arc" explique Peggy Gressel responsable de projets à l'Institut de Soudure. Après avoir nourri les bases de l'outil de simulation, les résultats permettent de réaliser des études prédictives sur les soudures et de déterminer numériquement les niveaux de température et de contrainte résiduelle sur les pièces physiques. "Par itérations successives, les données de simulations sont affinées pour permettre de prédire de plus en plus précisément les déformations engendrées par l'assemblage" poursuit-elle. L'ensemble des tâches doit être terminé pour le premier trimestre 2011, période qui correspond à l'établissement du rapport final. Pour autant, il est probable que la tête de soudage hybride d'Air Liquide soit commercialisée d'ici là. Enfin au vu des premiers résultats obtenus, le constructeur serait bien inspiré de développer une seconde tête de soudage hybride limitée à une puissance laser de 5kW et permettant de réaliser des travaux courants d'épaisseur inférieure à 12 mm afin d'intéresser un large panel de PME.