Audi opte pour la technologie à plasma actif chaud

Les goujons de masse et la qualité de soudage sont au centre des enjeux. « La défaillance d’une connexion de mise à la masse peut, dans le pire des cas, entraîner l’immobilisation d’un véhicule », explique Daniel Rudolph, ingénieur diplômé et responsable du développement technologique de l’assemblage et de la construction légère chez AUDI AG. « Dans la production de l’Audi A8, nous plaçons de nombreux goujons de masse dont nous devons nous assurer que chacun est parfaitement assemblé. Pour répondre à l’exigence de qualité, nous déployons des efforts considérables. »
En effet, la qualité de chaque soudage de goujons est en grande partie déterminée par les propriétés de la surface. Les impuretés dues aux huiles d’étirage et aux lubrifiants secs, tels qu’ils sont utilisés dans le formage des métaux, peuvent entraîner des défauts dans l’assemblage. Dans de nombreux cas, le problème d’encrassement peut être résolu par la soudeuse de goujons elle-même : une décharge électrique (Clean Flash) précède le processus de soudage proprement dit et nettoie la surface de soudage. Toutefois, cette approche n’est plus praticable pour les tôles d’aluminium de moins de 2 mm d’épaisseur, car l’apport d’énergie est trop important et la tôle brûlerait lors du processus de soudage. De plus, ce procédé peut notamment entraîner l’apparition de pores qui nuisent à la qualité de la soudure.
La paroi frontale de l’Audi A8, par exemple, est un composant de ce type dans la production. Elle est constituée d’un alliage de tôles d’aluminium (6xxx) et ne fait que 1,5 mm d’épaisseur aux endroits où les goujons de masse sont soudés : « L’ensemble du composant a dû être nettoyé et décapé chimiquement au cours des premières années suivant le lancement de la production en série, impliquant des dépenses colossales » explique Rudolph. « Ce n’est qu’ainsi que nous avons pu garantir les 100 % de qualité exigés à chaque assemblage par soudage des goujons. »

Nettoyage chimique coûteux
En 2017, Audi a mis en place une nouvelle installation de production pour la cinquième génération de l’A8. Audi voulait remédier au nettoyage chimique coûteux. Une solution possible : la technologie à plasma actif chaud (HAP), sur laquelle Fronius, fournisseur de longue date de technologies de soudage et partenaire de développement, s’était déjà penché de près. Audi aussi avait déjà suivi l’approche HAP avec des partenaires universitaires.
Cette approche technique a ensuite été développée et qualifiée en commun jusqu’à la production en série. Rudolph précise : « Le travail de développement de la technique des processus et des installations a principalement été effectué par Fronius. Dans notre production, nous avons procédé à des essais fonctionnels liés à l’application, à des tests de paramètres, à des tests de durée de vie et à des tests de fonctionnement. Nous nous sommes également penchés sur la question de l’impact de l’utilisation de la technologie sur les autres chaînes de processus comme l’assemblage, la résistance, l’adhérence de la peinture et bien d’autres choses encore. »

Nettoyage partiel avec le plasma comme solution
Les avantages du traitement des surfaces avec la technologie à plasma actif chaud (HAP) Acerios de Fronius sont nombreux. Au moyen d’un flux de gaz de protection, le plasma de l’arc électrique est transformé en flamme dont le cœur atteint des températures allant jusqu’à 1 000° Celsius. Les processus thermiques et chimiques ainsi déclenchés permettent de débarrasser partiellement et avec précision les surfaces du matériau des résidus organiques et des salissures filmogènes.
En même temps, la surface est activée. Comme l’arc électrique d’Acerios se forme entre la buse plasma et l’électrode en tungstène de la torche de soudage, une connexion de mise à la masse de la pièce à souder n’est pas nécessaire. Par conséquent, les matériaux non métalliques peuvent également être nettoyés avec le plasma actif chaud.
« Comme toutes les nouvelles technologies que nous avons envisagées de manière plus étroite, nous avons testé l’aptitude d’Acerios et déterminé les variables de soudage ainsi que les fenêtres de paramètres possibles. En collaboration avec Fronius, nous avons ensuite optimisé le prototype rapidement et de manière ciblée pour l’utilisation en série », explique Rudolph. « Ensuite, nos planificateurs d’installations et nos collègues de la production se sont attelés à identifier une situation de montage favorable. »
Les responsables de la ligne A8 ont finalement opté pour l’utilisation d’Acerios dans une cellule robotisée qui présentait suffisamment de périodes non productives libres pour le nettoyage de deux zones d’une surface de 12 cm² chacune. « C’est pourquoi le temps disponible était même suffisant pour augmenter le temps d’allumage d’Acerios à six secondes par point de soudure. La distance entre la torche de soudage et la pièce à souder est de 30 mm et nous pouvons abaisser le courant à 120 A sans perdre l’efficacité du nettoyage », ajoute Jürgen Kolbenschlag, expert en soudage de la carrosserie A8. « Nous ménageons ainsi les pièces d’usure », qui étaient initialement remplacées par Audi après 10 000 points de nettoyage. Il s’est avéré que les limites d’usure étaient encore loin d’être atteintes. Le remplacement périodique a donc été prolongé régulièrement. Et au milieu de l’année 2021, la limite des pièces d’usure n’était toujours pas atteinte, malgré 25 000 points de nettoyage.

Faible effort d’intégration
L’intégration de la technologie à plasma actif chaud a été facilitée par le fait que les concepteurs ont pu installer la torche plasma PCT 2000 d’Acerios de manière fixe. Une zone de travail minimale dans le rayon d’action du robot suffisait donc. « L’alimentation ne nécessite même pas un mètre carré de surface au sol, ce qui nous a permis de la placer à l’extérieur de la cellule, entre les unités d’alimentation existantes », rapporte Rudolph.
Les périodes non productives du robot, auparavant inutilisées, sont utilisées pour le transport de la paroi frontale vers la torche de soudage. L’accès à la pièce à souder est également optimal grâce au faible encombrement de la torche de soudage, de sorte que la flamme de plasma travaille exactement à la verticale et est donc parfaitement orientée vers la surface. Il n’est pas non plus nécessaire de parcourir les voies pendant le processus de nettoyage : l’effet de nettoyage qui se produit de l’intérieur vers l’extérieur couvre complètement la surface souhaitée pendant le temps d’allumage.
Le fait qu’Acerios travaille le gaz de protection bon marché argon, a également aidé Audi. Ainsi, il a été possible de recourir au réseau circulaire d’argon existant pour alimenter les machines de soudage MIG. Il n’y a donc pas de coûts supplémentaires. Audi a également intégré de manière ludique la source de courant plasma, qui est reliée à la torche de soudage par un ensemble de faisceaux de liaison de 6 m de long, comme le rapporte Rudolph : « L’interface du système Acerios correspond à celle de nos installations de soudage MIG/MAG Fronius. Comme elle fait partie de la spécification de l’interface VW, nous avons pu connecter sans problème le système Acerios à la commande de l’installation en une journée. »
Le réglage et l’utilisation de l’installation s’inspirent aussi largement de ceux des sources de courant de soudage TIG, comme le confirme Rudolph : « Quiconque peut régler une source de courant TIG peut également travailler avec le système Acerios. L’utilisation est simple quoi qu’il en soit, dans la mesure où il n’y a que quelques paramètres à régler, comme l’intensité du courant ou le temps d’allumage. »

Des coûts maîtrisés
Les investissements pour l’utilisation d’Acerios chez Audi ont été moindres. Mais cela ne s’explique pas seulement par la possibilité d’utiliser deux fois les ressources existantes et divers matériels. Les vastes expériences d’Audi avec d’autres sources de courant de soudage Fronius et leurs faibles coûts de maintenance ont également été déterminants. Comparé à d’autres solutions de nettoyage partiel, le système HAP de Fronius se distingue par des coûts d’acquisition particulièrement bas.
Les systèmes basés sur le laser se situent par exemple déjà dans l’investissement de base à environ 1 million d’euros. La configuration Acerios est ici considérablement plus avantageuse. Si l’on inclut l’installation d’automatisation correspondante, la solution Fronius se situe dans une fourchette à cinq chiffres. De plus, il n’est pas nécessaire de disposer d’une cellule robotisée séparée et blindée, comme c’est le cas avec le système laser. La consommation électrique est également nettement inférieure à celle d’un laser de nettoyage. De plus, Acerios a besoin d’environ 15 litres de gaz par minute. Les économies réalisées sont également considérables par rapport au nettoyage humide coûteux utilisé jusqu’à présent, comme le confirme Rudolph : « Nous avons pu réduire les coûts de nettoyage par paroi frontale d’un montant à un chiffre dans le bas de la fourchette, tout en augmentant l’efficacité des ressources sans faire de compromis sur la qualité du nettoyage. Réaliser des économies comparables dans la construction automobile implique habituellement des dépenses nettement plus élevées. »
Les expériences pratiques d’AUDI AG permettent de dresser un bilan : en raison des faibles coûts d’exploitation et d’acquisition, l’utilisation d’Acerios est déjà rentable pour de petites quantités, mais aussi pour de grandes séries. En outre, la technologie HAP de Fronius est particulièrement judicieuse dans les espaces restreints et pour les tâches de nettoyage ponctuelles en quelques secondes.

Acerios élargit le portefeuille technologique d’Audi
En raison de ces résultats tout à fait satisfaisants, Audi a déjà intégré la technologie de nettoyage de Fronius ailleurs : pour un composant de tunnel, les surfaces pour quatre soudages de goujons sont également nettoyées avec la technologie HAP. « Acerios élargit de manière optimale le portefeuille technique dont nous disposons », juge Rudolph en conclusion. « Chaque fois qu’il s’agit de souder des goujons de masse sur des composants à faible épaisseur de paroi, cette technologie HAP fait désormais immédiatement partie de notre choix en tant que processus de nettoyage. »