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Dec 29, 2023

Nouvelles technologies pour le soudage des goujons

La nouvelle soudeuse de goujons à décharge de condensateur CD110 d'Image Industries soude les goujons

La nouvelle soudeuse de goujons à décharge de condensateur CD110 d'Image Industries soude les goujons en aussi peu que 0,01 seconde. Le temps de charge est inférieur à 3 secondes. Photo courtoisie Image Industries Inc.

La nouvelle soudeuse à décharge de condensateur NCD+ 3200 de Nelson Stud Welding est contrôlée par microprocesseur. Il peut souder des goujons jusqu'à 3/8 po de diamètre sur l'acier, l'acier inoxydable, l'aluminium, le cuivre et le laiton. Photo avec l'aimable autorisation de Nelson Stud Welding Inc.

Les goujons filetés sont les fixations les plus courantes pour le soudage des goujons, mais la technologie peut également être utilisée pour fixer des broches, des languettes, des crochets, des boucles, des supports et des raccords hydrauliques. Photo courtoisie Image Industries Inc.

Le nouveau KSE 1000s de Nelson Stud Welding est une tête de soudage servocommandée pour les applications automatisées de soudage de goujons à l'arc. Photo avec l'aimable autorisation de Nelson Stud Welding Inc.

Un robot peut souder plusieurs goujons par minute, en fonction de la taille et des matériaux de la fixation. Nelson Stud Welding travaille sur une nouvelle technologie qui pourrait souder 20 goujons par minute. Photo avec l'aimable autorisation de Nelson Stud Welding Inc.

Le soudage des goujons a de nombreuses applications dans l'industrie automobile. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Boehm Pressed Steel

Le soudage des goujons est facilement automatisé. Dans cette cellule, des robots présentent des pièces à des soudeurs stationnaires. Cependant, les pistolets de soudage peuvent également être montés sur un robot. Photo courtoisie The Roueche Co. LLC

Pour les applications automatisées, les goujons peuvent être alimentés à partir d'un bol vibrant et soufflés vers le pistolet de soudage via un tuyau pneumatique. Photo courtoisie Solysol.

De nos jours, les fabricants de tous bords examinent de plus près leur consommation d'énergie en tant que source potentielle d'économies, même les fabricants des produits les plus gros et les plus chers au monde.

La General Dynamics Bath Iron Works à Bath, dans le Maine, construit des destroyers et d'autres navires de guerre pour la marine américaine. Bien qu'un destroyer puisse coûter plus de 640 millions de dollars, cela n'a pas empêché le géant de la défense d'examiner le coût d'installation de l'une des pièces les plus petites et les moins techniques du bateau : les goujons, les goupilles, les supports et autres fixations soudés aux cadres, murs et cloisons.

Un navire de la Marine peut contenir des millions de ces attaches soudées. Ainsi, il y a quelques années, General Dynamics et son collègue constructeur naval Huntington Ingalls Industries Inc. se sont associés à Nelson Stud Welding Inc. pour quantifier la quantité d'énergie qu'ils pourraient économiser en remplaçant leur ancien équipement de soudage de goujons par des modèles plus récents et plus économes en énergie. Leurs résultats, publiés en mai 2012, sont surprenants.

Plus précisément, l'étude a comparé des modèles plus récents de soudeuses de goujons à arc tiré (équipés de sources d'alimentation à onduleur) avec des modèles plus anciens (équipés de boîtiers de minuterie ou de la technologie de transformateur-redresseur). L'étude a également comparé des modèles plus récents de soudeuses de goujons à décharge de condensateur (équipés de sources d'alimentation à découpage) avec des modèles plus anciens (équipés de la technologie transformateur-redresseur). L'équipement a été testé à la fois dans un environnement de laboratoire contrôlé et dans divers chantiers navals.

Les chercheurs ont découvert qu'en raison de leur faible cycle de service, les soudeuses de goujons consomment le plus d'énergie lorsqu'elles sont réellement inactives. En revanche, les équipements les plus récents consomment 20 à 24 fois moins d'énergie au ralenti. Les chercheurs ont estimé que 842 $ à 1 013 $ par source d'alimentation par an, soit 0,128 $ à 0,154 $ par goujon, pourraient être économisés si leur ancienne technologie de soudage des goujons était remplacée. En mettant à niveau 700 anciens soudeurs de goujons avec des modèles plus récents, les constructeurs de navires pourraient économiser, collectivement, entre 589 000 $ et 708 000 $ par an. (Pour télécharger le rapport, cliquez ici : http://bit.ly/1nCqtSp.)

Le soudage des goujons est un processus par lequel un goujon métallique est joint à une pièce métallique en chauffant les deux parties avec un arc électrique. La pièce ne doit être accessible que d'un côté.

Une variété de fixations peuvent être soudées avec cette méthode, y compris des goujons filetés, des goupilles, des languettes, des douilles taraudées, des crochets, des boucles, des supports, des raccords hydrauliques et du matériel spécial adapté à une tâche spécifique, comme la fixation de tuyaux ou de faisceaux de câbles.

La technologie est utilisée dans une myriade d'industries et d'applications. Dans l'industrie automobile, par exemple, il est utilisé sur les écrans thermiques, les ensembles de direction assistée, les systèmes d'échappement et d'autres composants. Il est également utilisé sur les assemblages aérospatiaux, les tracteurs, les lave-vaisselle commerciaux, les meubles de bureau, les climatiseurs, les barbecues et les ustensiles de cuisine.

Il existe deux technologies de base pour le soudage des goujons : l'arc tiré et la décharge de condensateur.

La technique de l'arc étiré nécessite une alimentation en courant continu pour créer l'arc, un pistolet à souder et une virole en céramique jetable, qui concentre la chaleur et contient le bain de métal en fusion. Le goujon est chargé dans le mandrin du pistolet et une virole est placée sur l'extrémité. Le pistolet est alors placé contre la pièce.

Lorsque la gâchette est tirée, l'alimentation électrique envoie un signal qui alimente le mécanisme de levage interne du pistolet, soulevant le goujon et dessinant un arc pilote. Cet arc établit un chemin pour le courant de soudage, qui suit immédiatement après.

Après un temps d'arc suffisant, un bain de soudure se forme et le mécanisme de levage est mis hors tension. Cela amène le goujon à plonger dans le métal en fusion. Au fur et à mesure que le goujon et le métal de base se rejoignent, le métal se refroidit et la soudure se forme. Le flux incorporé dans le goujon se vaporise pendant l'opération pour garder la zone de soudure propre.

La technique de décharge de condensateur nécessite un pistolet de soudage et un système de stockage de condensateur pour produire une décharge électrique rapide. Les embouts et le flux ne sont pas nécessaires, mais le goujon doit avoir une saillie spéciale sur l'extrémité à souder.

Il existe deux techniques de soudage par décharge de condensateur : contact et gap. En soudage par contact, le goujon est chargé dans le pistolet et positionné en contact avec la pièce. L'énergie est alors instantanément déchargée des condensateurs à travers la projection du goujon. La projection se vaporise, créant un vide qui permet la formation d'un arc. Lorsque le goujon et la pièce commencent à fondre, ils sont forcés ensemble et la soudure est produite. Dans le soudage à fente, le goujon est positionné au-dessus de la pièce plutôt que sur celle-ci.

« La décharge d'un condensateur est un processus très rapide », explique Blake Hobson, copropriétaire d'Image Industries Inc. « Les temps de soudage varient de 2 à 12 millisecondes et la profondeur de pénétration dans le matériau de base est faible, de 0,002 à 0,004 pouce.

"Avec le soudage à l'arc, vous pouvez avoir des temps de soudage allant de 50 millisecondes à 1,5 seconde. La pénétration dans le matériau de base peut atteindre 0,125 pouce.

"La décharge de condensateur est idéale pour les applications nécessitant une apparence esthétique. Le soudage à l'arc étiré est davantage destiné aux applications structurelles."

Sur le plan technologique, les plus grands changements dans la technologie de soudage des goujons concernent les alimentations.

"Traditionnellement, les unités à arc tiré étaient alimentées par des transformateurs redresseurs avec de très gros transformateurs", explique Doug Phillips, directeur de la gestion des produits chez Nelson Stud Welding. "Tant que l'unité est sous tension, elle consomme de l'électricité à un rythme très élevé juste pour faire fonctionner le transformateur. Et, bien sûr, elle consomme de l'électricité supplémentaire lorsqu'elle soude.

"Désormais, les unités à arc dessiné sont disponibles avec des alimentations à onduleur. Ces soudeuses ont des transformateurs considérablement plus petits. Ils commutent l'alimentation primaire sur le transformateur à une vitesse très élevée, de sorte que les pertes du transformateur ne sont visibles que lorsque l'unité est en train de souder. Lorsque l'unité ne soude pas, elle utilise très peu d'énergie."

La technologie des onduleurs est cependant plus coûteuse. "La plupart des fabricants utilisent encore des transformateurs redresseurs pour le soudage des goujons à l'arc tiré", concède Hobson. "Les onduleurs sont encore très chers."

Outre de meilleures alimentations, les améliorations de la technologie de soudage des goujons ont été principalement progressives. Des têtes de soudage servocommandées plus légères facilitent les applications de soudage automatisées. Le contrôle par microprocesseur permet aux ingénieurs de définir et de surveiller des variables de processus telles que le courant, la tension et le temps. Des changements dans la quantité d'énergie consommée lors d'une soudure pourraient indiquer un mauvais assemblage.

Certains fournisseurs proposent désormais des équipements pouvant faire fonctionner plus d'un pistolet de soudage. Cela permet à une alimentation électrique de desservir plus d'un poste de soudage, ou cela permet à un poste d'être équipé de plusieurs pistolets. Par exemple, un pistolet pourrait être réservé aux fixations de 1/4 de pouce tandis qu'un autre pourrait être configuré pour les fixations de 5/8 de pouce. Cela permet de gagner du temps de configuration.

"Changer un mandrin n'est qu'une corvée de 5 minutes, mais si vous le faites 10 à 15 fois par jour, vous pouvez perdre plus d'une heure de production", souligne Hobson. UN

Pour réduire le poids des véhicules, les constructeurs automobiles utilisent de plus en plus d'acier fortement allié dans les composants de carrosserie. Parce que le matériau est si résistant, les constructeurs automobiles peuvent se contenter d'utiliser des feuilles très fines.

Mais ce qui est bon pour réduire le poids n'est pas aussi optimal pour le soudage de goujons. Même le soudage des goujons par décharge de condensateur atteint ses limites à une épaisseur de paroi de 0,5 millimètre. Même lorsque le soudage est viable, il n'est souvent pas souhaitable pour des raisons esthétiques.

Pour résoudre ce problème, DELO Industrial Adhesives LLC et le fabricant de fixations Böllhoff Inc. ont développé une alternative au soudage pour fixer des goujons sur des feuilles minces : le collage avec un adhésif à séchage UV.

Appelée ONSERT, la nouvelle technologie associe un adhésif à séchage UV (un acrylate ou un époxy) à une fixation bi-matière spéciale. La fixation se compose d'un goujon ou d'un insert métallique avec une bride moulée en plastique translucide ou transparent. Le plastique permet à la lumière UV d'atteindre la ligne de joint et de durcir l'adhésif en moins de 5 secondes.

La technique peut être utilisée sur des substrats métalliques et non métalliques, y compris le verre, le plastique et le polymère renforcé de fibres de carbone. Il peut même être utilisé sur des métaux qui ont reçu un traitement de surface, tel qu'un revêtement par immersion cathodique.

L'un des avantages secondaires du collage de goujons est qu'il nécessite beaucoup moins d'énergie que le soudage. Pour souder un goujon de 6 millimètres de diamètre sur une tôle d'acier zingué de 1 millimètre d'épaisseur, un soudeur peut avoir besoin d'appliquer 18 kiloampères de courant pendant 100 millisecondes. Cela consomme 3,6 kilojoules d'énergie.

En revanche, une LED peut avoir besoin de faire briller une lumière UV à une longueur d'onde de 400 nanomètres sur le joint pendant 5 secondes. Cela ne consomme que 0,6 kilojoule.

Pour plus d'informations, visitez www.boellhoff.com/en/de/assembly_systems/adhesion_of_fasteners.php.