Contrôle de soudage : la qualité des assemblages mécano-soudés passera par un contrôle en temps réel

Les industriels recherchent de plus en plus des moyens leur permettant de contrôler leurs procédés de soudage, pour des raisons de qualité, d’optimisation, de flexibilité, etc. C’est ainsi que les organismes du secteur et les fabricants de postes à souder développent des solutions afin de remonter un ensemble de données pour pouvoir agir en temps réel sur les paramètres de soudage.

« Qualité des produits fabriqués », « surveillance des procédés », « réduction des taux de rebuts », « optimisation des procédés », « solutions à la pénurie de soudeurs expérimentés »… Le point commun entre ces différentes expressions est le concept de contrôle de procédé en temps réel. S’il existe depuis l’origine même du soudage, on voit apparaître sur le marché, depuis quelques années, des solutions qui s’inscrivent dans cette optique.

À l’instar de la solution VisionLine OCT Check de Trumpf ou du logiciel WeldCube Navigator de Fronius pour quelques-unes de annonces les plus récentes. L’Institut de Soudure a d’ailleurs organisé, le 18 avril dernier, une journée pour faire l’état de l’art et présenter des solutions pour le contrôle de procédés de fabrication, avec la participation des sociétés Eddyfi Technologies, Fives Nordon, Nordinkraft, SREM Technologies et Vallourec, ainsi que d’experts du Cetim et de l’Institut de Soudure.

S’il y a bien souvent autant de motivations pour mettre en place un contrôle du soudage en temps réel que d’industriels, Guillaume Pors, responsable d’équipe Automatisation des contrôles au Centre technique des industries mécaniques (Cetim), identifie deux raisons principales : « Il y a d’abord l’aspect réglementaire qui est fort, en particulier en France. Les industriels doivent se conformer à des codes, à des normes qui imposent un certain niveau de qualité dans les opérations de soudage. Plus les réglementations deviennent strictes, plus la surveillance des procédés de soudage est importante pour être certain d’obtenir la qualité finale recherchée. »

L’autre raison porte sur la volonté d’améliorer les flux de production avec, toujours comme finalité, d’accroître la qualité des pièces fabriquées. S’il est capable d’identifier un rebut potentiel pendant le soudage, par exemple, l’industriel pourra soit réparer la pièce immédiatement, sans devoir la sortir de la cellule de soudage, donc sans rajouter d’opérations de manutention supplémentaires coûteuses, soit décider de ne pas envoyer la pièce en contrôle réglementaire. Cela se traduira par moins de pièces à traiter aux étapes de fabrication suivantes – et, potentiellement, l’absence de goulots d’étranglement au niveau du contrôle qualité – , par un gain de temps et par un meilleur taux de rebuts.

D’autres bénéfices à une meilleure maîtrise des procédés

Dans le contexte économique et géopolitique actuel, les industriels sont également confrontés à d’autres défis, comme l’optimisation de la gestion énergétique et le coût en très forte hausse des matières premières. Une meilleure maîtrise des procédés s’accompagnera forcément d’une consommation d’énergie moins importante, et il sera également envisageable de concevoir des assemblages « au plus juste », à savoir avec des épaisseurs ou des volumes déposés les plus faibles possibles. « Là où l’on acceptait peut-être d’éventuelles dérives lorsqu’on avait une certaine marge sur les épaisseurs de matière, par exemple, en absence de cette marge, on ne peut plus, aujourd’hui, accepter de dérives sur le procédé de soudage », ajoute Guillaume Pors (Cetim).

Bruno Bouygues, P-DG de Gys, mentionne encore une autre raison à la demande de contrôle de procédé : « Il y a une vingtaine d’années, seules trois nuances d’acier étaient disponibles pour une voiture. Aujourd’hui, les industriels ont le choix parmi 40 à 50 nuances différentes, les caractéristiques de chaque acier permettant de jouer sur la masse, la résistance mécanique et l’ergonomie de chaque pièce. Dans l’après-vente automobile, les carrossiers se retrouvent à devoir souder sans aucune instruction, secrets de fabrication obligent. L’auto-adaptatif dans le soudage par point a joué un rôle fondamental pour ces carrossiers. »

Comme le rappelle Jean-Marc Sicchiero, responsable national produits chez Fronius, « le contrôle passe après la méthode de fabrication. Pour être capable de réaliser des contrôles, il faut déjà savoir ce que l’on contrôle et, donc, disposer d’une procédure de fabrication claire. Dans le cas du soudage, à savoir la fabrication d’un ensemble mécano-soudé, plusieurs critères interviennent pour obtenir une bonne soudure : la garantie de la répétabilité des matériaux, des jeux fonctionnels des pièces et de la qualité de l’assemblage avant soudure, des opérateurs formés, la DMOS (description du mode opératoire de soudage) et les paramètres de soudage. »

« Pour pouvoir corriger le tir sur un procédé de fabrication en cours, ou, en tout cas, avec une réactivité suffisante pour limiter les pertes, il faut disposer d’informations pertinentes. Il y a deux façons de procéder : le contrôle direct des paramètres du procédé – mais cela suppose que l’opérateur ait une connaissance des limites et de sa capacité à réagir, en réglant l’outil, par exemple – , ou alors un contrôle intermédiaire », explique Nicolas Nourrit, directeur Ingénierie et Expertise du groupe Institut de Soudure.

Contrôle des paramètres de soudage et du volume fondu

Ce que confirme Guillaume Pors (Cetim) : « Les techniques permettant de détecter des anomalies pendant que l’on soude peuvent être regroupées en deux grandes catégories : la PHM (Process Health Monitoring), ou surveillance de l’état de santé du procédé, et le contrôle santé avec des contrôles non destructifs (CND). Si différentes terminologies sont aujourd’hui utilisées, c’est que, justement, le domaine se cherche encore. » Dans le cas d’un procédé de soudage, la PHM consiste à surveiller – on parle aussi de tracer – les intensités, les vitesses du dévidoir de fil et bien d’autres paramètres. L’apparition d’une variation, dans le cas de paramètres de soudage stables, peut traduire la présence d’une anomalie dans le process. Cette anomalie peut ensuite engendrer un défaut ou une hétérogénéité dans le volume fondu.

Le contrôle de type CND (voir article suivant), lui, permet d’observer le bain de fusion, la dépose, etc. pendant l’opération de soudage et, ainsi, de repérer d’éventuelles hétérogénéités ou anomalies qui pourraient apparaître à l’intérieur du bain de fusion, sans forcément avoir un lien avec la dérive d’un paramètre de soudage. « On contrôle, ici, un produit non fini et on ne recherche donc pas, nécessairement, des défauts qui rendront la pièce non conforme, mais plutôt des indications que l’on peut corréler pour déterminer un risque accru d’avoir des défauts en fin de ligne », précise Nicolas Nourrit (Institut de Soudure).

Comme le phénomène de fusion, propre au procédé d’assemblage qu’est le soudage, peut présenter un comportement variable pendant l’avancement de la torche, la maîtrise du procédé ne garantit pas forcément un zéro défaut. D’où, bien souvent, la mise en place d’une double surveillance avec la combinaison d’un contrôle du procédé (les paramètres de soudage) et d’un contrôle du volume fondu et/ou des pièces intermédiaires.

Mais le contrôle du procédé en temps réel n’est pas un concept récent, il remonte à l’origine même du soudage. Le premier contrôle en temps réel reste en effet la surveillance du bain de fusion en continu par le soudeur au cours de la dépose, l’opérateur corrigeant manuellement son mouvement en fonction de ce qu’il voyait. Les définitions et les besoins ont changé avec l’apparition des nouvelles technologies et les capacités de digitalisation des procédés. Les évolutions dans le domaine informatique permettent de réduire l’encombrement des ordinateurs et, donc, de pouvoir les approcher du procédé, voire même de les intégrer dans des caméras, par exemple.

Des solutions « estampillées » pour le contrôle en temps réel

Par ailleurs, la surveillance faite par le soudeur est fortement dépendante de ce dernier et de son expérience en général et sur chaque type de joints. « Les travaux autour de cette problématique, qui ont récemment connu une accélération avec l’industrie 4.0, ont pour finalité d’objectiver ces contrôles en se basant sur des observations de phénomènes, avec des technologies capables de visualiser des choses de plus en plus fines, des phénomènes de plus en plus rapides, comme en thermographie pour regarder ce qui se passe dans le volume fondu, ou la mesure de paramètres physiques (le suivi de l’intensité, par exemple) », constate Guillaume Pors (Cetim). In fine, les industriels veulent améliorer la maîtrise et la robustesse de tous leurs procédés de soudage.

Parmi les autres évolutions, on trouve, aujourd’hui, de plus en plus de solutions « estampillées » pour le contrôle du procédé de soudage en temps réel sur le marché. À l’instar de la solution Power Wave de Lincoln Electric, le système Welding 4.0 Xnet d’EWM et, donc, du logiciel WeldCube Navigator de Fronius. Il s’agit bien souvent d’outils de surveillance des paramètres de soudage, associés aux postes à souder du fabricant. « Pour pallier les problèmes liés au manque d’opérateurs formés et aux paramètres de soudage, entre autres, les industriels ont plusieurs possibilités », avance Jean-Marc Sicchiero (Fronius).

Ils peuvent remplacer les soudeurs-monteurs par un robot et n’avoir alors plus que des manipulateurs. « Mais cette solution est beaucoup plus compliquée à mettre en œuvre au niveau industriel et il faut avoir suffisamment de types de pièces à produire, dans de grandes quantités, pour arriver à amortir l’investissement initial. Et il faut également requalifier toute l’entreprise pour qu’elle soit en mesure de gérer la nouvelle expertise qu’est la robotique. Dans les PME dont les niveaux de production sont souvent faibles, avec des quantités de pièces très disparates, la cobotique peut représenter une solution intermédiaire pour les petites séries, même s’il est plus rapide de faire les soudures à la main que de programmer un cobot pour quelques pièces seulement », constate Jean-Marc Sicchiero.

WeldCube Navigator et The Augmented Welder

C’est ainsi que Fronius présente son WeldCube Navigator comme un logiciel permettant de guider le soudeur dans le but de garantir une production répétable et fiabilisée. « Installé sur l’ordinateur associé à un poste à souder Fronius, notre logiciel affiche toutes les étapes de fabrication – la méthode de fabrication a été numérisée au préalable. L’opérateur n’a alors plus qu’à suivre, étape par étape, la procédure de soudage en interagissant avec l’outil depuis sa torche de soudage ; il ne peut passer à l’étape suivante que s’il a réalisé correctement la soudure au bon endroit », décrit Jean-Marc Sicchiero. Ce logiciel permet de figer les paramètres de soudage – il n’y a plus le risque qu’un soudeur en modifie un et, donc, de créer des défauts (positionnement de cordons, qualité de soudure, cordons manquants) et d’augmenter le taux de rebuts – et mettre sur ce type de postes des personnels moins expérimentés, plus des « opérateurs en soudage » que des soudeurs.

« Des sociétés comme Serimax pour le soudage automatique sur barge sont également avancées sur ce sujet. Nous avons, de notre côté, développé notre propre système, le TAW, dans le cadre de projets », ajoute Nicolas Nourrit (Institut de Soudure). Destiné notamment à une utilisation dans les cycles de formation (démonstration, entraînement à la gestuelle et maîtrise de l’énergie), le TAW, pour The Augmented Welder, est basé sur des technologies connectées et des algorithmes « intelligents » pour la surveillance en soudage manuel. Il permet de suivre en temps réel les paramètres clés (vitesse, angles, courant, tension, énergie…), de les enregistrer et d’afficher des alertes au soudeur ou à un inspecteur en cas de dérives hors tolérances.

« Il y a encore une dizaine d’années, les postes à souder ne disposaient bien souvent que de l’affichage de l’intensité et de la variation de vitesse, des informations qui n’étaient enregistrées nulle part. Aujourd’hui, plusieurs industries lourdes ont déjà investi dans des systèmes de surveillance, principalement des paramètres de soudage », rappelle Guillaume Pors (Cetim). Même si ces fonctionnalités de surveillance des paramètres sont disponibles, les utilisateurs ne les utilisent pas systématiquement. Ce sont surtout les industries très consommatrices de soudage telles que la chaudronnerie, pour le nucléaire notamment, l’aéronautique caractérisée par des assemblages à très forte valeur ajoutée et de taux de rebuts très faibles.

Les modes auto-adaptatifs en soudage par point

Pour Nicolas Nourrit (Institut de Soudure), « des acteurs se présentent comme étant en capacité d’acquérir les données d’un industriel, en particulier dans le domaine du soudage, grâce à des systèmes d’enregistrement des informations. Mais s’il existe de belles solutions packagées sur Internet, je ne vois pas encore réellement de retours de terrain, dans des conditions industrielles. Et il manque encore également de la littérature sur le contrôle de procédé en temps réel. Le Graal est le rétrocontrôle ou le paramétrage auto-adaptatif. » Il s’agit, lorsque l’on réalise une soudure sur une pièce, de pouvoir identifier que les paramètres dévient au point de faire entrer le procédé dans une zone susceptible de créer ultérieurement des défauts, puis de pouvoir appliquer, d’une manière dynamique, une correction des paramètres (angles sur le soudage, offsets de tension, par exemple).

Pour le soudage par points, Gys propose une telle solution depuis une dizaine d’années. « Nous avons développé les modes auto-adaptatifs qui permettent d’analyser ce qui se passe au fur et à mesure du point pour être capable de corriger les paramètres de soudage (intensité, rampes de montée et de descente, pulsations) en fonction des informations remontées. On s’appuie sur les résultats de campagnes d’essais menées sur un très grand nombre de matériaux différents et sur des technologies de semiconducteurs suffisamment rapides pour déterminer, en temps réel, tous les paramètres nécessaires à l’obtention d’un point de soudage cohérent », explique Bruno Bouygues (Gys).

Mais l’auto-adaptabilité n’est pas adaptée à tous les procédés de soudage. Cette technologie, qui est plutôt lente et qui ne peut pas, par définition, être répliquée, répond bien mieux aux contraintes du prototypage et de la réparation qu’à celles de la production. « Dans le soudage à l’arc, l’auto-adaptabilité est utilisée pour stabiliser l’arc au démarrage et, une fois le régime stable atteint, à limiter au maximum les projections. L’intelligence est ainsi destinée à réaliser des assemblages de plus en plus hétérogènes, qui n’étaient pas soudables facilement auparavant, ou à éviter de retravailler le soudage après (notion de productivité) », explique Bruno Bouygues.

Des travaux sur l’intelligence artificielle

« Aujourd’hui, on travaille avec soit une carte de contrôle monoparamètre, mais ce n’est pas suffisant, soit un algorithme d’IA pour disposer de la puissance nécessaire pour réagir en temps réel. Mais cela suppose que l’outillage soit instrumenté, surtout si l’on agit sur des paramètres physiques », précise Nicolas Nourrit (Institut de Soudure). Dans ce domaine, l’organisme participe au projet collaboratif WeldIA avec plusieurs partenaires (AMVALOR, Armines, CMPhy, CNRS, EAB Engineering, EDF, Fives Nordon, Framatome, Ponticelli Frères et Serimax).

Ce projet vise à développer une plate-forme basée sur les avancées technologiques récentes en matière de capteurs et d’IA pour la surveillance et la traçabilité des opérations de soudage. L’objectif est de maîtriser et prédire la qualité en soudage en temps réel pour la construction et la maintenance, de sécuriser, fiabiliser et faciliter le travail des opérateurs en usine ou sur les chantiers, ainsi que de sécuriser la traçabilité et la transmission de l’information grâce à une gestion maîtrisée des données.

« Si nous avons développé des outils mathématiques pour déterminer les caractéristiques (les lois synergiques) d’un assemblage hétérogène en épaisseur et en matière, cela ne veut pas dire que, dans ces outils, nous ne fassions pas appel, demain, à l’IA pour nous aider à présélectionner une partie des variables. Nous n’aurions alors à faire que 20 essais et non plus 400 », envisage Bruno Bouygues (Gys).

Faire participer les équipes IT de l’entreprise

Jean-Marc Sicchiero (Fronius) soulève toutefois un point important : « Comme je l’explique aux clients, il faut absolument convaincre le service IT pour garantir le bon fonctionnement des solutions comme WeldCube Navigator. Comme les postes à souder doivent être connectés à un réseau informatique, faut-il encore qu’un tel réseau soit déployé dans l’entreprise. Dans l’industrie, c’est rarement le cas, sauf, peut-être, dans les bâtiments modernes. Mais la participation du service IT n’est qu’une des questions que je pose à un client intéressé. »

Les autres questions sont, par exemple, « Avez-vous un cahier de soudage de tous vos cordons et un plan ordonné de toutes vos pièces ? », « Qui va prendre en charge le système ? », « Que voulez-vous faire des données ? » Contrairement à ce que pensent certaines personnes, ces outils d’aide ne sont pas la solution « magique » à leurs problèmes, ils nécessitent un travail important pour verrouiller les paramètres de soudage, exploiter les données collectées, puis garantir la qualité des soudures.

Pour Bruno Bouygues (Gys), « l’industrie du soudage est l’un des secteurs qui va être le plus bouleversé, dans les dix prochaines années, par l’arrivée des nouvelles générations de semiconducteurs, aux capacités de calcul supplémentaires, aux mémoires plus grandes et aux futurs réseaux de neurones intégrés directement dans les semiconducteurs (IA native). Il ne faut pas oublier que le soudage est déjà passé, en quinze ans, du transformateur à l’électronique passive, puis à l’électronique programmable et aux FPGA ultra rapides. Toutes ces évolutions vont changer la façon dont nous concevons nos produits, et c’est pour cela que nous investissons notamment 3 millions d’euros pour renforcer notre bureau d’études avec, principalement, des programmeurs de semiconducteurs. À l’image du smartphone, les postes à souder absorbent les fonctionnalités des machines situées autour d’eux, devenant ainsi une partie du cerveau des usines. »

Par Cédric Lardière