Robot de soudage industriel : fonctionnement, équipements et applications

Un robot de soudage industriel est un manipulateur programmable utilisé pour déplacer une torche ou un outil de soudage selon une trajectoire définie. Il est généralement intégré dans une cellule comprenant la source de courant, l’alimentation en fil, les dispositifs de positionnement des pièces, les équipements de sécurité et le système de commande.

La robotisation permet principalement d’obtenir des mouvements répétables, de maintenir une vitesse de déplacement régulière et d’enchaîner des cycles de production programmés. Elle est particulièrement intéressante lorsque les pièces présentent une géométrie suffisamment constante et que les mêmes opérations doivent être reproduites sur des séries importantes ou récurrentes.

Le robot ne garantit toutefois pas à lui seul la qualité d’une soudure. La préparation des assemblages, le bridage, la programmation, les paramètres du procédé, l’état de la torche et la stabilité dimensionnelle des pièces restent déterminants. Le dossier consacré au soudage automatisé et robotisé présente les différentes solutions utilisées pour mécaniser ou automatiser les opérations de soudage.

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1. Qu’est-ce qu’un robot de soudage industriel ?

Un robot industriel est une machine programmable capable d’effectuer des mouvements suivant plusieurs axes. Dans une application de soudage, son extrémité porte généralement une torche, tandis que le contrôleur du robot coordonne la trajectoire avec le fonctionnement de la source de soudage et des différents équipements périphériques.

Le robot ne constitue donc qu’un élément de l’installation. Pour réaliser un cordon, il faut également une source de courant adaptée, un système d’alimentation du métal d’apport lorsqu’un fil est utilisé, une alimentation en gaz de protection pour les procédés concernés, des dispositifs de fixation des pièces et différents systèmes de sécurité.

La principale particularité du robot réside dans sa capacité à reproduire une trajectoire programmée de manière très régulière. Cette répétabilité est particulièrement utile lorsque de nombreuses pièces présentant une géométrie similaire doivent être soudées suivant le même cycle.

Selon l’application, le robot peut réaliser un seul cordon simple ou enchaîner plusieurs soudures situées sur différentes faces d’un assemblage. La pièce elle-même peut également être déplacée au moyen d’un positionneur afin de présenter chaque joint dans une orientation favorable.

2. Comment fonctionne un robot de soudage ?

Avant le démarrage de la production, les trajectoires et les différentes phases du cycle sont programmées dans le contrôleur. Le robot connaît alors les positions d’approche, les points de départ et de fin des cordons, l’orientation de la torche et les mouvements à effectuer entre les différentes zones de soudage.

Lorsque le cycle est lancé, le contrôleur commande les axes du robot et communique avec les autres équipements. Il peut notamment déclencher l’amorçage, sélectionner un programme de soudage, commander certains périphériques ou attendre qu’un positionneur ait atteint la position demandée.

Dans une application MIG/MAG, le fil est dévidé automatiquement vers la torche tandis que le robot impose la trajectoire et la vitesse de déplacement. Les paramètres électriques sont fournis par la source de soudage suivant le programme sélectionné.

Une fois le cordon terminé, le robot peut rejoindre une autre zone, modifier l’orientation de la torche ou attendre le déplacement de la pièce avant de poursuivre le cycle. Une cellule complexe peut ainsi comporter plusieurs dizaines de mouvements et de phases successives.

3. Quels sont les principaux composants d’une cellule robotisée ?

Une cellule de soudage robotisée associe plusieurs équipements qui doivent fonctionner de manière coordonnée. La performance globale dépend donc autant des périphériques que du robot lui-même.

Des équipements supplémentaires peuvent être ajoutés : station de nettoyage de torche, coupe-fil, pulvérisation d’anti-adhérent, capteur de recherche de joint, système de vision, aspiration des fumées ou dispositif de contrôle des paramètres.

4. Comment les axes du robot déplacent-ils la torche ?

Les robots de soudage industriels sont souvent des manipulateurs articulés comportant plusieurs axes commandés. Une configuration à six axes est courante car elle permet de positionner la torche dans l’espace tout en contrôlant son orientation.

Certains axes assurent principalement le déplacement du bras tandis que ceux situés vers le poignet permettent d’orienter la torche. La combinaison de ces mouvements permet d’accéder à des joints situés sur différentes faces d’une pièce.

La portée du robot définit la zone dans laquelle son poignet peut travailler, mais cela ne signifie pas que chaque orientation de torche soit possible en tout point. La géométrie de la pièce, les collisions éventuelles et les limites mécaniques des axes doivent être prises en compte lors de la programmation.

Un robot peut également être installé sur un axe linéaire afin d’augmenter son volume de travail. Cette solution est notamment intéressante pour des pièces longues nécessitant plusieurs zones de soudage éloignées.

5. Quels procédés de soudage peuvent être robotisés ?

Plusieurs procédés peuvent être intégrés à une installation robotisée. Le choix dépend de la matière, de l’épaisseur, de la géométrie du joint, de la cadence et des propriétés recherchées.

Le soudage MIG/MAG est particulièrement courant en robotique industrielle grâce à l’alimentation continue du fil et à sa capacité à déposer rapidement du métal. Il convient à un grand nombre de fabrications métalliques.

Le TIG peut également être robotisé lorsque la précision de la trajectoire et la maîtrise du bain sont prioritaires. Les vitesses de soudage et les taux de dépôt restent toutefois généralement plus faibles que pour certaines applications MIG/MAG.

Le soudage par points par résistance est très largement robotisé dans certaines productions de grande série, notamment pour assembler des tôles. Le soudage laser peut lui aussi être intégré à des installations automatisées lorsque les conditions industrielles justifient l’investissement et le niveau de précision nécessaire.

Le soudage sous flux est également très automatisable, même s’il utilise fréquemment des portiques, chariots ou systèmes mécanisés plutôt qu’un bras robotisé articulé. Le dossier sur le soudage SAW automatisé développe cette approche.

6. Pourquoi le MIG/MAG est-il très utilisé en soudage robotisé ?

Le MIG/MAG se prête particulièrement bien à l’automatisation parce que le métal d’apport est fourni sous forme d’un fil alimenté en continu. Il n’est donc pas nécessaire d’interrompre régulièrement le cycle pour remplacer une électrode courte.

La vitesse de dévidage, la tension, le courant ou les caractéristiques de l’arc peuvent être commandés par la source de soudage et associés aux différents programmes utilisés par le robot.

Une cellule robotisée MIG/MAG peut ainsi enchaîner plusieurs cordons avec des paramètres adaptés à chaque zone. Une même pièce peut par exemple comporter des soudures de longueurs ou d’orientations différentes nécessitant plusieurs séquences programmées.

Cette automatisation ne dispense cependant pas de maintenir une alimentation régulière du fil, un débit de gaz adapté, un tube-contact en bon état et une géométrie correcte de la torche. Une usure progressive d’un consommable peut déplacer le point réel de sortie du fil et perturber la position du cordon.

7. Comment programme-t-on un robot de soudage ?

La programmation d’un robot de soudage consiste à définir la manière dont la torche doit se déplacer autour de la pièce. L’opérateur programme notamment les points de passage, l’orientation de la torche, les vitesses et les différentes instructions associées au cycle.

La programmation peut être réalisée directement sur l’installation à l’aide d’un pupitre de programmation. Certaines applications utilisent également une programmation hors ligne dans laquelle les trajectoires sont préparées à partir d’un environnement numérique puis transférées vers le contrôleur.

Dans ce dernier cas, la correspondance entre le modèle numérique et l’installation réelle doit être suffisamment précise. Une erreur de position de la pièce, de l’outillage ou de la torche peut provoquer un décalage entre la trajectoire théorique et le joint réel.

Les mouvements d’approche et de dégagement sont eux aussi importants. Le robot doit atteindre la zone à souder sans collision, amorcer le cordon dans de bonnes conditions puis quitter la pièce sans accrocher un élément de l’assemblage ou de l’outillage.

8. Quel est le rôle des positionneurs et des vireurs ?

Le robot n’est pas nécessairement le seul équipement en mouvement. Des positionneurs peuvent orienter la pièce afin de présenter le joint dans une position plus favorable ou de rendre accessibles des zones difficiles à atteindre.

Un positionneur rotatif peut par exemple faire pivoter un assemblage entre deux cordons. Sur certaines installations, le déplacement de la pièce est synchronisé avec celui du robot pendant le soudage.

Les vireurs sont particulièrement adaptés aux pièces cylindriques. En faisant tourner régulièrement le composant, il devient possible de maintenir la torche dans une zone relativement fixe tout en réalisant un cordon circulaire.

Le choix entre déplacer la torche, déplacer la pièce ou combiner les deux dépend principalement de la masse de l’assemblage, de sa géométrie, du type de joint et de l’accessibilité nécessaire.

9. Pourquoi la répétabilité des pièces est-elle essentielle ?

Un robot reproduit très précisément ce qui lui a été programmé, mais il ne possède pas naturellement la capacité d’adaptation d’un soudeur qui observe directement la géométrie réelle du joint. Si les pièces sont positionnées différemment d’un cycle à l’autre, la torche peut donc ne plus se trouver à l’endroit prévu.

L’ajustage, la découpe, le formage et le bridage doivent fournir une géométrie suffisamment régulière. Le dossier consacré à l’ajustage et à son influence sur la qualité du soudage montre pourquoi ces opérations situées en amont peuvent devenir particulièrement importantes avec l’automatisation.

La répétabilité du robot et la précision absolue sont également deux notions différentes. Une machine peut reproduire très fidèlement la même position tout en présentant un écart avec une position théorique définie dans un autre référentiel. Cette distinction prend notamment de l’importance lorsque la programmation est préparée hors ligne.

La maîtrise dimensionnelle de l’ensemble robot, torche, outillage et pièce est donc indispensable pour maintenir la trajectoire au bon emplacement.

10. Comment un robot peut-il suivre les variations d’un joint ?

Lorsque la géométrie réelle varie légèrement, des systèmes de recherche ou de suivi peuvent permettre d’adapter la trajectoire. Le suivi de joint en soudage robotisé regroupe plusieurs technologies répondant à ce besoin.

Certains systèmes recherchent le joint avant l’amorçage. Le robot peut par exemple détecter une surface ou une arête et appliquer une correction à la trajectoire initialement programmée.

D’autres dispositifs travaillent pendant le soudage. Le suivi à travers l’arc exploite certaines variations des caractéristiques électriques lorsque la torche oscille dans un joint. Des capteurs optiques ou laser peuvent également observer la géométrie située devant la torche afin de déterminer la position réelle du joint.

Ces technologies améliorent la capacité d’adaptation de la cellule, mais elles possèdent elles aussi des limites. Un capteur capable de corriger quelques millimètres de déplacement ne peut pas rendre acceptable une préparation dont la géométrie varie fortement ou dont le jeu devient incompatible avec les paramètres de soudage.

11. Quels paramètres peuvent être contrôlés et enregistrés ?

Une cellule automatisée peut disposer d’informations provenant de la source de soudage, du robot et des différents capteurs installés sur la ligne. Les données disponibles dépendent donc fortement de l’équipement utilisé.

Parmi les grandeurs pouvant être surveillées figurent notamment le courant, la tension, la vitesse de dévidage, la vitesse de déplacement, la durée du cycle ou certaines informations relatives aux programmes exécutés.

Le contrôle et l’enregistrement des paramètres en soudage automatisé peuvent être utilisés pour identifier certains écarts, analyser un incident et contribuer à la traçabilité de la fabrication.

Lorsqu’un DMOS/WPS définit les conditions de soudage, la programmation de la cellule doit être cohérente avec les paramètres prévus. L’enregistrement automatique peut faciliter le suivi de production, mais il ne remplace pas l’examen du joint ni les contrôles éventuellement exigés.

12. Quels sont les avantages du soudage robotisé ?

Le principal avantage d’une installation robotisée réside dans sa capacité à reproduire un cycle avec une grande régularité lorsque les conditions de production restent stables.

Parmi les intérêts possibles figurent notamment :

• une vitesse de déplacement régulière
• une bonne répétabilité des trajectoires
• la possibilité d’enchaîner plusieurs cordons automatiquement
• une meilleure exploitation des productions répétitives
• la réduction de certaines variations liées au geste manuel
• la possibilité de travailler avec des positionneurs synchronisés
• l’intégration de fonctions de suivi et d’enregistrement
• la limitation de l’exposition directe de l’opérateur à l’arc pendant le cycle automatique

Ces avantages ne sont réellement obtenus que lorsque la cellule dispose de pièces suffisamment régulières, d’un outillage adapté et d’une organisation capable d’assurer son alimentation et sa maintenance.

13. Quelles sont les limites d’un robot de soudage ?

La robotisation n’est pas nécessairement avantageuse pour toutes les productions. Une cellule demande du temps de conception, de programmation, de réglage et de mise au point avant d’atteindre une production régulière.

Les variations importantes entre les pièces peuvent également poser problème. Si chaque assemblage nécessite une adaptation différente, le temps consacré aux corrections peut réduire fortement l’intérêt de l’automatisation.

L’accessibilité constitue une autre limite. Un joint facilement atteint par une torche manuelle peut se révéler difficile à parcourir avec un bras robotisé dont le poignet, les câbles et la torche occupent davantage d’espace.

Enfin, une cellule comporte plusieurs équipements susceptibles de provoquer un arrêt de production : consommables de torche, alimentation en fil, positionneur, capteur, dispositif de sécurité ou source de soudage. La disponibilité industrielle dépend donc de la maintenance de l’ensemble du système.

14. Quelles pièces et industries utilisent le soudage robotisé ?

Le soudage robotisé est particulièrement adapté aux assemblages présentant des cordons relativement répétitifs et une géométrie pouvant être positionnée de manière stable.

On le retrouve notamment dans :

• la fabrication automobile
• les équipements agricoles
• les engins et matériels de travaux publics
• les châssis et sous-ensembles mécano-soudés
• les équipements industriels fabriqués en série
• certaines structures métalliques répétitives
• les réservoirs et composants cylindriques selon leur conception
• les éléments de mobilier ou d’équipement métallique produits en série

La taille de la pièce n’est pas le seul critère. De petits assemblages très répétitifs peuvent être parfaitement adaptés à une cellule robotisée, tandis qu’une structure de grande dimension fabriquée en exemplaire unique peut rester mieux adaptée à une intervention manuelle ou à une mécanisation plus simple.

15. Comment sécuriser une cellule de soudage robotisée ?

Un robot industriel peut effectuer des mouvements rapides avec des masses importantes. L’accès à son volume de travail doit donc être maîtrisé afin d’éviter qu’une personne puisse se trouver dans une zone dangereuse pendant un cycle automatique.

Une cellule conventionnelle peut utiliser des clôtures, portes interverrouillées, dispositifs de détection, arrêts d’urgence et fonctions de sécurité intégrées à la commande. Leur conception dépend de l’analyse des risques de l’installation.

Le soudage ajoute d’autres dangers spécifiques : rayonnement de l’arc, projections, fumées, pièces chaudes, courant électrique et éventuellement gaz sous pression. La protection ne doit donc pas porter uniquement sur les mouvements du robot.

L’aspiration des fumées, les écrans de protection contre l’arc, le contrôle des accès et les procédures utilisées pendant le réglage ou la maintenance doivent être intégrés dès la conception de la cellule.

Les interventions réalisées à proximité du robot lorsque la production automatique est interrompue nécessitent elles aussi une organisation adaptée, notamment lors du changement de consommables, du nettoyage, du réglage ou du dépannage.

16. Quelle maintenance nécessite un robot de soudage ?

Le robot lui-même demande une maintenance conformément aux préconisations de son constructeur, mais une grande partie des interventions courantes concerne les équipements directement liés au soudage.

La torche doit notamment être surveillée régulièrement. Les projections peuvent s’accumuler sur la buse, le tube-contact s’use avec le passage du fil et une collision peut modifier légèrement la géométrie de la torche.

Les points suivants sont généralement particulièrement importants :

• état du tube-contact et de la buse
• propreté de la torche
• état de la gaine et du système de dévidage
• qualité et régularité du fil
• débit et alimentation en gaz
• position géométrique de la torche
• état des câbles et faisceaux
• fonctionnement des capteurs
• état des outillages de bridage
• fonctionnement des dispositifs de sécurité

Certaines cellules intègrent une station automatique permettant de nettoyer la buse, couper l’extrémité du fil ou appliquer un produit destiné à limiter l’adhérence des projections.

Une maintenance régulière évite qu’une dérive progressive de l’équipement ne provoque des défauts alors que le programme du robot n’a lui-même subi aucune modification.

17. Quand est-il pertinent de robotiser une opération de soudage ?

La pertinence d’un robot dépend avant tout de la production réelle et non du seul nombre de soudures présentes sur une pièce. Les gains possibles doivent être comparés au temps de programmation, au coût de l’outillage, aux changements de série et aux contraintes de maintenance.

L’analyse doit donc considérer l’ensemble du processus : préparation, chargement, bridage, soudage, déchargement, contrôle et changement de série. Une cellule capable de souder très rapidement peut perdre une grande partie de son intérêt si elle reste longtemps immobilisée entre deux pièces.

Le dossier Robot, cobot ou soudage manuel : quelle solution choisir ? permet de comparer plus précisément les différentes approches selon le volume de production et la flexibilité recherchée.

FAQ : robot de soudage industriel

Qu’est-ce qu’un robot de soudage industriel ?

Un robot de soudage industriel est un manipulateur programmable utilisé pour déplacer automatiquement une torche ou un autre outil de soudage. Il est généralement intégré à une cellule comprenant une source de courant, les périphériques du procédé, les outillages de bridage et les dispositifs de sécurité.

Combien d’axes possède un robot de soudage ?

Les robots articulés utilisés pour le soudage possèdent souvent six axes, ce qui permet de positionner et d’orienter la torche dans l’espace. D’autres configurations existent et des axes externes peuvent être ajoutés pour déplacer le robot ou la pièce.

Quel procédé est le plus utilisé pour le soudage robotisé ?

Le MIG/MAG est très répandu en soudage robotisé car le fil-électrode est alimenté en continu et le procédé convient à de nombreuses productions métalliques. Le TIG, le soudage par points, le laser et d’autres procédés peuvent également être automatisés selon les applications.

Un robot de soudage peut-il s’adapter à une pièce mal positionnée ?

Un robot utilisant uniquement une trajectoire programmée reproduit les positions prévues et dispose d’une capacité d’adaptation limitée. Des systèmes de recherche ou de suivi de joint peuvent corriger certains écarts, mais ils ne remplacent pas un positionnement et une préparation suffisamment réguliers.

Un robot de soudage produit-il toujours une meilleure soudure ?

Non. La robotisation améliore principalement la répétabilité de l’exécution lorsque le procédé et les pièces sont maîtrisés. Une mauvaise préparation, des paramètres inadaptés, un consommable usé ou un mauvais positionnement peuvent produire des défauts même avec un robot très précis.

Pourquoi utiliser un positionneur avec un robot ?

Le positionneur permet d’orienter ou de faire tourner la pièce afin d’améliorer l’accès au joint et de présenter certaines soudures dans une position favorable. Il peut être synchronisé avec le robot sur les cellules les plus évoluées.

La présence d’un robot supprime-t-elle le besoin d’un soudeur qualifié ?

L’automatisation modifie le rôle du personnel mais ne supprime pas la nécessité de maîtriser le procédé. La programmation, la mise au point des paramètres, l’analyse du bain, le contrôle des résultats et la recherche des causes d’un défaut nécessitent toujours des compétences en soudage.

Ressources techniques associées au soudage robotisé

La conception et l’exploitation d’une installation robotisée peuvent faire intervenir différents référentiels selon le procédé, les matériaux, la cellule et le secteur industriel concerné. Parmi les normes fréquemment associées au soudage automatisé figurent notamment :

• ISO 10218-1 – Exigences de sécurité relatives aux robots industriels.
• ISO 10218-2 – Exigences de sécurité relatives aux applications robotisées et aux cellules industrielles.
• ISO 14732 – Qualification des opérateurs soudeurs et régleurs pour le soudage mécanisé et automatique des matériaux métalliques.
• ISO 15609-1 – Descriptif et qualification d’un mode opératoire de soudage pour le soudage à l’arc.
• ISO 15614-1 – Qualification des modes opératoires de soudage pour les aciers et certains alliages métalliques.
• ISO 3834 – Exigences de qualité en soudage par fusion des matériaux métalliques.
• ISO 5817 – Niveaux de qualité relatifs aux imperfections des assemblages soudés par fusion.
• ISO 17662 – Étalonnage, vérification et validation des équipements utilisés pour le soudage et les techniques connexes.

Ces normes ne constituent pas à elles seules une procédure complète de conception d’une cellule robotisée. Les exigences applicables dépendent du procédé, de l’installation, de l’analyse des risques, du matériau et du niveau de qualité demandé pour la fabrication.