Ce que 10 000 soudures révèlent sur la productivité du soudage laser

Dans la science-fiction, les sabres laser contribuent à sauver la galaxie. Dans le monde réel, gagner 20 secondes peut décider du sort d’un empire entier. 

Vingt secondes paraissent presque insignifiantes. Jusqu’à ce qu’elles se répètent 10 000 fois. Elles représentent alors plus de 55 heures de production, soit près de sept postes de travail de huit heures qui pourraient être consacrés à la fabrication d'un lot supplémentaire, à la réduction d'un carnet de commandes en attente ou au démarrage d'un nouveau projet client. 

La vitesse de soudage attire l’attention parce qu’elle est facile à mesurer. On lance le chronomètre. On réalise la soudure. On arrête le chronomètre. Cependant, les clients ne paient pas pour une vitesse de soudage. Ils paient pour des pièces finies. Et cela change complètement la façon d'évaluer la productivité. 

Alors que les industriels peinent déjà à recruter des soudeurs qualifiés, il devient essentiel d'améliorer la productivité à partir des heures de travail déjà disponibles. Le rapport de l’Autorité européenne du travail classe d'ailleurs les soudeurs et oxycoupeurs parmi les professions connaissant les pénuries les plus importantes en Europe. 

Une comparaison technique réalisée par Kemppi entre le soudage laser, MAG et TIG permet d’examiner concrètement ce que cela peut signifier. 

Qu’a comparé Kemppi ? 

Nous avons comparé des soudures d’angle réalisées au laser, en MAG et en TIG sur des tôles d’acier de 1, 2 et 3 mm d'épaisseur. 

Les essais ont mesuré : 

• la vitesse de soudage 

• l’apport thermique 

• la consommation d’énergie électrique 

• la consommation de gaz de protection 

• la consommation de métal d’apport 

Pour l’énergie, le gaz de protection et le métal d’apport, les résultats sont basés sur une soudure d’essai de 200 mm. 

Cette comparaison ne signifie pas que les trois procédés sont interchangeables. En particulier, les épaisseurs de gorge obtenues différaient entre les soudures testées, ce qui est important pour interpréter la consommation de métal d’apport et les autres résultats. 

En revanche, les données montrent à quel point le profil de consommation des ressources et du temps peut varier selon le procédé choisi. C'est précisément là que débute l'analyse économique. 

Combien de temps de production la vitesse de soudage peut-elle réellement libérer ? 

Pour les trois épaisseurs de tôle, les vitesses de soudage mesurées étaient les suivantes : 

Dans ces conditions d’essai, le soudage laser s'est révélé environ 1,5 à 2,1 fois plus rapide que le MAG et environ 8 à 10 fois plus rapide que le TIG. 

Prenons l’un des essais à plus grande échelle. Pour la tôle d’acier de 2 mm, les vitesses mesurées avec précision étaient de 851 mm/min pour le laser, 571 mm/min pour le MAG et 107 mm/min pour le TIG. 

Si un fabricant devait réaliser 10 000 soudures de 200 mm chacune, ces vitesses correspondraient approximativement à : 

Dans cet exemple, la vitesse mesurée du laser représenterait donc environ 19 heures de capacité de soudage libérée par rapport au MAG. 

Par rapport au TIG, l’écart est d’environ 272 heures de soudage. 

Il est important de souligner qu'il s'agit d'une extrapolation à partir d'un essai contrôlé, et non d’une prévision du temps de production total ni d’économies FastBeam³ garanties. Cette estimation ne tient pas compte de la préparation, du positionnement des pièces, de l'ajustage, des procédures de sécurité, des contrôles qualité ou des éventuelles opérations annexes, et les géométries des soudures testées étaient différentes.  

Néanmoins, elle met en évidence un point essentiel : quelques secondes gagnées sur chaque soudure peuvent représenter des journées entières de production à grande échelle. La véritable valeur économique dépend ensuite de l'usage qui est fait de ce temps libéré. 

Par exemple, 19 heures supplémentaires peuvent permettre de produire un lot supplémentaire ou de dégager de la capacité pour un nouveau projet client. Elles pourraient aussi permettre aux soudeurs expérimentés de consacrer davantage de temps aux assemblages et applications qui exigent réellement leur expertise. 

Où le soudage laser trouve-t-il sa place ? 

Lorsque le soudage constitue le principal goulot d'étranglement de la production, le développement de l'activité dépend souvent de questions telles que : 

• Combien de composants chaque heure de soudage disponible permet-elle de produire ? 

• Quelles soudures exigent réellement le plus haut niveau de savoir-faire manuel ? 

• Les applications répétitives ou adaptées peuvent-elles être réalisées autrement afin de mobiliser les soudeurs qualifiés sur des tâches à plus forte valeur ajoutée ? 

Le soudage laser ne supprime pas le besoin d’expertise en soudage. Le choix du procédé, la conception des assemblages, la connaissance des matériaux, le contrôle qualité et la sécurité restent essentiels. Cependant, dans les applications adaptées, augmenter le nombre de pièces produites par heure de soudage peut aider les fabricants à traiter autrement leur problème de capacité. 

Que se passe-t-il lorsqu’une minute disparaît de chaque pièce ? 

Si une amélioration de procédé permet de gagner seulement une minute par composant, la capacité annuelle libérée devient : 

À 100 000 pièces par an, cela représente plus de 200 postes de production de huit heures. 

Le coût le plus important intervient après le soudage 

La vitesse de soudage n'est pas le seul facteur à prendre en compte. Les reprises constituent souvent un coût caché majeur. 

L'apport thermique est généralement considéré comme un paramètre purement technique du soudage. Pourtant, sa véritable importance réside dans les conséquences qu'il peut avoir en aval du procédé. 

Dans les essais de Kemppi, l’apport thermique du soudage laser était nettement inférieur à celui observé avec le MAG et le TIG sur les trois épaisseurs testées. Pour la tôle de 2 mm, par exemple, les valeurs mesurées étaient : 

• Laser : 0,048 kJ/mm 

• MAG : 0,189 kJ/mm 

• TIG : 0,287 kJ/mm 

Un apport thermique plus faible peut contribuer à réduire la déformation des pièces dans les applications appropriées.  

Or, les déformations entraînent des coûts de main-d'œuvre bien réels. Des études du TWI consacrées à la construction navale européenne estiment que les reprises liées aux imprécisions et aux déformations thermiques peuvent représenter 15 à 30 % des coûts de main-d'œuvre de la construction de navires neufs dans certaines applications. TWI a identifié la réduction des déformations – et donc du redressage et des reprises – comme l’une des motivations économiques importantes du soudage laser et laser hybride dans la construction navale. 

Réduire les opérations de redressage et de reprise peut parfois générer davantage de valeur que l'augmentation seule de la vitesse de soudage. 

C’est également pourquoi la recherche actuelle sur la fabrication laser s’intéresse de plus en plus à autre chose qu’à la vitesse pure du procédé. Fraunhofer ILT décrit les défis de la production laser industrielle en termes de réduction des temps de cycle et des rebuts, de baisse de la consommation d’énergie, de meilleure utilisation des matériaux, de stabilité du procédé et de qualité fiable – autant de facteurs qui déterminent si un procédé rapide crée réellement de la valeur en production de série. 

Que deviennent les consommables lorsque la production augmente ? 

Il existe ensuite des coûts qui paraissent faibles parce qu’ils s’accumulent gramme par gramme ou litre par litre. 

Prenons à nouveau l'exemple de la soudure d'essai de 200 mm sur tôle de 2 mm. 

Consommation de gaz de protection 

Mesures réalisées :  

• Laser : 5,2 L 

• MAG : 5,6 L 

• TIG : 11,2 L 

Sur 10 000 soudures d’essai :  

• Laser : 52 000 L 

• MAG : 56 000 L 

• TIG : 112 000 L 

Consommation de métal d’apport 

Mesures réalisées : 

• Laser : 1,5 g 

• MAG : 8,7 g 

• TIG : 3,6 g 

Sur 10 000 soudures d’essai : 

• Laser : 15 kg 

• MAG : 87 kg 

• TIG : 36 kg 

Là encore, ces chiffres ne doivent pas être considérés comme représentatifs d'un pourcentage d'économie universel, car les épaisseurs de gorge étaient différentes. Dans l’essai sur 2 mm, les épaisseurs de gorge enregistrées étaient de 0,8 mm pour le laser, 2,2 mm pour le MAG et 1,6 mm pour le TIG. 

C’est précisément pour cette raison que le ROI doit être calculé en fonction de chaque production. 

Lorsqu’un fabricant renseigne ses coûts réels de fil, de gaz et son volume annuel de production, quelques grammes ou quelques litres par soudure peuvent représenter des montants significatifs sur une année complète. 

Le ROI du soudage laser 

Pour un industriel envisageant l'acquisition d'un FastBeam³, une analyse de retour sur investissement ne peut pas se limiter à la vitesse de soudage. 

Elle doit prendre en compte : 

Volume de production : Combien de pièces pertinentes ou de mètres de soudure sont produits chaque année ? 

Temps de soudage : Combien d'heures opérateur nécessite le procédé actuel ? 

Préparation et ajustage : L'application garantit-elle la régularité d'assemblage requise ? 

Finition :  Combien de meulage, nettoyage ou travail esthétique suit le soudage ? 

Correction des déformations : Combien d'heures de main-d'œuvre sont consacrées à remettre les pièces soudées dans les tolérances requises ? 

Reprises et rebuts :  Quelle est la fréquence des corrections ou des mises au rebut ? 

Consommables :  Quelle quantité de métal d’apport, de gaz et d’autres consommables chaque procédé exige-t-il ? 

Énergie :  Quelle est la consommation énergétique réelle par pièce produite ? 

Investissement :  Quels équipements, formations, opérations de maintenance et infrastructures de sécurité laser sont nécessaires ? 

Que vaut une heure de production libérée pour votre entreprise ? 

Économiser 100 heures dans un atelier confronté à un carnet de commandes de six semaines permet potentiellement d'accepter davantage de commandes sans créer immédiatement une équipe supplémentaire ou investir dans un nouveau poste de soudage. 

C'est à ce moment-là que le gain de productivité se transforme en capacité commerciale. 

Trois ateliers. Trois analyses économiques du soudage laser totalement différentes. 

Imaginons trois fabricants envisageant la même technologie. 

Le sous-traitant à fort volume 

Il produit des milliers d'ensembles similaires en tôlerie avec des ajustages stables. 

Dans ce cas, gagner cinq ou dix secondes sur chaque pièce peut représenter un avantage considérable. Une soudure plus rapide, une réduction des consommables et une diminution des opérations en aval peuvent se traduire par une augmentation importante de la capacité annuelle. 

L'opportunité principale réside dans le débit de production. 

Le fabricant d'ouvrages en acier inoxydable 

Les volumes sont plus faibles, mais la qualité visuelle des soudures est importante. Une part significative de la main-d’œuvre est consacrée au meulage, au nettoyage et à la correction des déformations. 

Le principal gain potentiel ne provient pas forcément de la vitesse de soudage, mais de la réduction des opérations après soudage. 

L’atelier à forte diversité de production 

Il réalise de petites séries, des pièces variées et des assemblages aux ajustages variables. 

La vitesse du laser peut être spectaculaire lors d'une démonstration, mais elle ne sera pas forcément exploitable sur toutes les applications. Dans de nombreux cas, les procédés MAG ou TIG demeurent les solutions les plus adaptées. 

L'enjeu principal consiste donc à identifier les applications réellement pertinentes pour le soudage laser, plutôt qu'à remplacer systématiquement tous les procédés existants. 

Le laser ne remplace pas le MAG ou le TIG 

La véritable question à se poser est : 

Quelles parties de notre production créeraient davantage de valeur si elles étaient soudées autrement ? 

Les essais de Kemppi montrent que, dans les conditions de test, le laser a atteint des vitesses de soudage plus élevées, une consommation d’énergie électrique plus faible par soudure d’essai de 200 mm, ainsi qu’une consommation plus faible de gaz et de métal d’apport que les soudures MAG et TIG correspondantes. 

Ces chiffres ne signifient pas que tous les fabricants doivent prendre la même décision. 

Examinez plutôt les secondes consacrées au soudage. 

Multipliez-les par le volume annuel. 

Analysez les minutes consacrées à la finition, les reprises et les heures de soudage qui limitent actuellement la production. 

Puis demandez-vous ce que pourraient représenter 20, 100 ou 500 heures supplémentaires disponibles dans votre atelier. 

Car le meilleur argument économique reste toujours ce que votre entreprise est capable de faire avec le temps qu'elle récupère.