Optimisation du processus de texturation des surfaces métalliques par faisceau laser

Le processus de texturation par laser représente la réalisation de motifs micro/macro géométrique, plus ou moins réguliers sur une surface métallique, à l'aide d'un faisceau d'énergie concentré dans un spot très fin. Obtenir des indicateurs de performances optimaux, oblige à étudier et comprendre les interactions physico-chimiques apparues dans la zone d'impact faisceau laser - matière. Cet article présente l'étude expérimentale et numérique sur le processus de texturation par laser pulsé de l'alliage de titane TA6V. Dans une première partie l'influence des paramètres opératoires sur les indicateurs des performances a été quantifiée par la méthodologie des plans des expériences. En analysant les résultats on a observé que la productivité et la qualité de la surface texturée dépend de l'énergie et de la fréquence des impulsions. Afin de déterminer les corrélations entre les paramètres opératoires et les fonctions objectifs, des modèles empiriques ont été établis

Relations isotopiques et reduction des donnees spectroscopiques: Application au traitement simultane des premieres polyades des molecules "1"2CH_4, "1"3CH_4, "1"2CD_4 et "1"3CD_4

SIGLEINIST T 76490 / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Les infections bactériennes dans la mucoviscidose

LYON1-BU Santé (693882101) / SudocSudocFranceF

In-situ study of keyhole behavior during a laser pulse applied to the dissimilar metal joint

International audienceIn the present study, the method of frontal observation of the keyhole through the fused quartz window is applied to the dissimilar combinations between stainless steel 316L and different metals chosen to illustrate four typical cases of mismatch in physical properties: a much lower vaporization temperature (316L/magnesium alloy AZ31), a much higher vaporization temperature (316L/pure niobium), a more reflective and conductive metal (316L/aluminum alloy A5754) and an extremely reflective metal (316L/pure copper). A standalone Yb:YAG laser pulse was applied to the dissimilar couple/quartz and metal/quartz joints. Each of these cases was studied using image treatment of the obtained high-speed videos and post-mortem observation of the interaction zone. Basing on the analysis of the physical properties of the metals and their interdependencies, the first criterion of keyhole development in the dissimilar joint is proposed. It is concluded that in case of Yb:YAG laser welding of stainless steel with metals having thermal conductivity ≤200 W · m−1 · K−1, the keyhole development is dominant in the metal having lower vaporization temperature, while for the 316L combinations with the metals having thermal conductivity >200 W · m−1 · K−1, the keyhole development remains dominant on the 316L side, but its progression is slowed down by the neighboring metal

Assemblage hétérogène cuivre-inox et TA6V-inox par les faisceaux de haute énergie (compréhension et modélisation des phénomènes physico-chimiques)

La présente étude est dédiée à la compréhension des mécanismes de malaxage intervenant lors du soudage de matériaux dissimilaires par des sources de haute énergie et en particulier sur deux couples de matériaux présentant des problèmes métallurgiques différents : cuivre - inox (lacune de miscibilité, différence de propriétés thermophysiques), TA6V- inox (oxydation, formation de phases intermétalliques fragilisant la soudure).Pour le premier couple de matériaux, le soudage par laser Nd:YAG continu et par faisceau d'électrons a été utilisé. L'étude des évolutions de la morphologie des soudures, de la composition et de la microstructure des zones fondues ainsi que des propriétés mécaniques a permis de proposer des hypothèses sur les mécanismes de formation du mélange hétérogène à solubilité limitée. Afin de quantifier les phénomènes physiques intervenant en soudage continu de matériaux dissimilaires, la modélisation numérique a été mise en œuvre en utilisant le logiciel FEM "Comsol Multiphysics". Une série des modèles simulant les champs de températures, les mouvements convectifs et le malaxage (diffusion, méthode level set, méthode des champs de phases) a été créée. Dans le cas du laser, la formulation pseudo-stationnaire du transfert de chaleur basée sur la géométrie du capillaire simplifiée et la convection a été couplée avec les problèmes 2D de diffusion et de malaxage des matériaux dans différents plans horizontaux. En soudage par faisceau d'électrons, la morphologie de la microstructure a nécessité une formulation temporelle. Le modèle multiphysique final en couplage complet (solution multiphysique simultanée) reproduit le processus de formation d'une structure périodique de solidification lors du soudage par faisceau d'électrons et permet d'expliquer l'aspect des structures alternées entre matériaux immiscibles ou présentant de grandes différences de propriétés thermophysiques.Le deuxième couple de matériaux présente des problèmes métallurgiques majeurs liés à la formation des phases intermétalliques rendant l'assemblage direct par fusion impossible. La composition locale devient donc l'aspect-clef de la formation d une soudure correcte : l'introduction d un troisième matériau (cuivre) ayant une meilleure compatibilité avec le titane est nécessaire. Pour pouvoir déterminer les fenêtres optimales des conditions opératoires, les modèles numériques, créés précédemment, ont été adaptés pour quatre procédés de l assemblage : faisceau d'électrons, soudage lasers Nd:YAG continu et pulsé, brasage par laser avec apport de fil. L'analyse élémentaire des microstructures dans les soudures résistantes mécaniquement a permis de développer le scénario de la solidification d'une zone fondue et de comprendre l'influence de la composition aux interfaces sur la résistance mécanique des assemblages.Les modèles numériques multiphysiques créés au cours de cette étude permettent l'accès rapide à la grande quantité d'information sur le comportement de la zone fondue en fonction des paramètres de soudage en se basant sur le nombre des données de départ relativement limité et sur quelques hypothèses simplificatrices. L'approche multiphysique à la modélisation de soudage permet de reproduire la forme de la zone fondue, visualiser les écoulements du liquide et cartographier la distribution de certains éléments avec une bonne corrélation avec les résultats expérimentaux. L'ensemble des modèles permet de déterminer les conditions opératoires répondant aux critères fixes en fonction de la métallurgie d'un couple hétérogène.The present study is dedicated to the comprehension of the mechanism of materials mixing during dissimilar welding by high power beam sources. We have been interested in joining of two couples of metallic materials which present different metallurgical problems: copper- stainless steel (miscibility gap, important difference in physical properties); TA6V- stainless steel (oxidation on air, formation of intermetallic phases which made the joint brittle).For the first couple of materials, continuous laser Nd:YAG welding and electron beam welding have been applied. The experimental study of morphology evolution, composition, microstructure and mechanical properties has allowed establishing the hypotheses on formation of heterogeneous mixture between the materials having limited solubility. To quantify the physical phenomena of continuous dissimilar welding, the numerical modeling has been carried out by means of FEM software package "Comsol Multiphysics". A number of models reproducing temperature field, convection movements and mixing (diffusion, level set method, phase field method) between the materials has been created. In case of continuous laser welding, the pseudo-stationary formulation of heat transfer based on simplified key-hole geometry and convection has been coupled with two-dimensional problems of diffusion and mixing in horizontal planes. The electron beam welding presenting the nonlinear development of the weld has needed employing of temporary formulation. Final model including complete coupling (simultaneous multiphysical solving) reproduces the process of development of periodic solidification structure during electron beam welding and allows explaining the mechanism of formation of altered structures between immiscible materials which have important difference in thermophysical properties.The second couple of materials presents weldability problems due to formation of brittle intermetallic phases making direct joining by fusion impossible. The local elementary composition becomes the key-aspect of successful joining: the introduction of the third material (pure copper) having better compatibility with titanium is necessary. To determine the ranges of optimal operational conditions, numerical models created previously have been adapted to the case of four joining techniques: electron beam and laser Nd:YAG (continuous and pulsed) welding and laser brazing with filler wire. Elementary analysis of microstructures of resistant welds has allowed developing the solidification scenario and understanding the influence of local composition of heterogeneous interfaces on tensile properties of the joints. The multiphysical models created during this study allow rapid access to high quantity of data on behavior of melted zone in function of welding parameters basing on relatively limited input data and several simplification hypotheses. The multiphysical approach to welding modeling allows recreating the shape of melted zone, to visualization the convection movements and providing the cartography of several elements in good correspondence with experimental results. A set of models allows determination of operational parameters respecting fixed criterions determined by metallurgy of dissimilar couple.DIJON-BU Doc.électronique (212319901) / SudocSudocFranceF

Etude du perçage et du soudage laser (dynamique du capillaire)

L objectif de ce travail est d'étudier expérimentalement la formation du capillaire durant le perçage et le soudage par faisceau laser, et de développer une simulation numérique permettant de reproduire la dynamique de formation et d'évolution du capillaire. Nous avons fait le choix d utiliser comme matériau test le Zinc, en raison de ses propriétés thermodynamiques. Afin de simplifier le problème, nous avons étudié dans un premier temps le mécanisme de perçage. Deux méthodes expérimentales ont été utilisées pour caractériser l'évolution de la géométrie du capillaire : La méthode DODO (Direct Observation of Drilled hOle ) permet de visualiser le capillaire après perçage pour différentes durées et la méthode Zn-Quartz permet d observer directement son évolution temporelle par camera rapide à travers une lame de quartz. Puis nous avons utilisé cette évolution pour mettre au point une simulation du mécanisme de perçage. Après avoir étudié le dépôt de puissance à l intérieur d un capillaire en tenant compte des réflexions multiples et estimé l'importance de la perte d'énergie et de matière lors du processus, nous avons développé une simulation en utilisant le logiciel Comsol Multiphysics couplant l'équation thermique, l'équation de Navier Stokes et prenant en compte le déplacement du métal fondu sous l action de la pression de recul. Dans ce cas, on observe la formation d un bourrelet important au bord du trou et une augmentation de la profondeur du capillaire. Ensuite nous avons étudié la formation du capillaire durant le soudage laser, c'est-à-dire avec déplacement de la source. A partir des techniques mises en œuvre pour l étude du perçage nous avons obtenu l évolution de la forme du capillaire dans le cas du soudage Zn/Quartz. Nous avons réalisé une simulation relativement simple en supposant la géométrie et la température du capillaire connues a priori. Nous avons constaté qu un modèle simple, modélisant uniquement les transferts thermiques par conduction, permet de bien simuler la forme de la zone fondue pour les couples Zn/Zn et Zn-quartz.The aim of the present work is to study experimentally the formation of the capillary during the drilling and welding by laser beam and to develop the numerical simulation which allows following the dynamics and the evolution of the keyhole. The zinc was chosen as a test material because its thermodynamical properties are well known. To simplify the problem, in the first place the drilling mechanism was studied. Two experimental methods were used to characterize the evolution of the keyhole: the Direct Observation of Drilled Hole method, which allows the visualization of the keyhole after the application of laser pulses of different durations, and Zn-Quartz method, which allows the direct observation of keyhole evolution with CCD camera through the layer of quartz. Then, the information on keyhole evolution was used to develop the simulation of drilling mechanism. After studying the beam power deposition inside the capillary with taking in account the multiple photon reflections, and after estimation of the energy and matter loss during the process, we developed the simulation with FEM software COMSOL Multiphysics, which contains coupled heat transfer, fluid flow and free surface problem allowing considering the effect of recoil pressure on liquid phase ejection. We could observe the formation of an important bolster surrounding the keyhole and the increase of keyhole depth with time. Next, we studied the formation of the keyhole during the laser welding, in other words, during the displacement of the heat source. Using the same technique that was developed for laser drilling, we have obtained the information on keyhole evolution during zinc-quartz welding. We have created the simple simulation, where keyhole temperature and profile were considered as known a priori. We have stated that this model, which takes in account only conduction heat transfer problem, allows to reproduce well the shape of the melted zone both for zinc-zinc and zinc-quartz couplesDIJON-BU Doc.électronique (212319901) / SudocSudocFranceF

Traitement de surface métallique induit par faisceau laser Nd:YAG Q-switch de marquage : modélisation d'un impact laser

International audienceNous nous intéressons à la modélisation des phénomènes physiques intervenant lors du traitement des matériaux par un faisceau laser Nd:YAG impulsionnel. Deux applications industrielles sont étudiées : le procédé de la texturation par laser et le procédé de coloration de surface par laser

Dynamique d'expansion de la plume-plasma formée lors d'un impact laser Nd (YAG nanoseconde sur une surface métallique en milieu atmosphérique)

L ablation laser dans l air à la pression atmosphérique est souvent appliquée dans l industrie, l analyse chimique, la chirurgie, Pour un développement plus approfondi des technologies laser basées sur l effet d ablation, il est nécessaire de mieux comprendre les phénomènes à l origine de l interaction laser-matière. Lors d un impact du faisceau laser sur la surface d un matériau, une plume plasma se forme au dessus de la cible. Ce plasma contient des électrons, des atomes et des ions du matériau évaporé, ainsi que du gaz ambiant, s il est présent. Lors de l impulsion laser, cette plume absorbe une grande partie d énergie du faisceau laser, réduisant ainsi la quantité du rayonnement laser qui arrive à la surface de la cible. Les dimensions, ainsi que les paramètres de cette plume plasma évoluent très rapidement avec le temps. L étude de la dynamique et des paramètres de cette plume est très importante, parce qu ils influent sur tous les processus physiques ayant lieu à la surface du matériau traité. Nous avons étudié l expansion de la plume plasma formée lors de l ablation des échantillons métalliques (Al, Ti, Fe) par faisceau laser Nd :YAG nanoseconde (durée d impulsion : 5.1 ns, longueur d onde : 1064 nm, irradiance de l ordre de grandeur de GW/cm2) dans l air à la pression atmosphérique en utilisant la technique d imagerie rapide. Cette technique nous a permis d observer l évolution spatio-temporelle de la plume au début de son expansion. Les résultats obtenus indiquent que la plume d ablation laser a une structure : deux régions ont été distinguées le cœur et la périphérie de la plume. La dynamique de ces deux régions de la plume a été étudiée et les vitesses de leur expansion ont été déterminées. En plus, nous avons examiné l influence de l irradiance laser, ainsi que l influence de la composition de la cible sur la dynamique de la plume. D autre part, nous avons développé des modèles numériques sous COMSOL Multiphysics pour simuler le processus d ablation laser. Un modèle thermique a été utilisé pour simuler l interaction laser cible. Les résultats de ce modèle ont été employés comme conditions à la limite du modèle hydrodynamique, utilisé pour simuler l expansion de la plume du plasma dans l air ambiant. Deux approches ont été proposées : approche microscopique et macroscopique. Les résultats de simulation basée sur l approche macroscopique donnent l évolution temporelle et distribution spatiale (1D) des paramètres de la plume : masse volumique, vitesse, pression.Laser ablation in the air at atmospheric pressure is nowadays frequently applied in industry, chemical analysis, surgery For a further development of laser ablation based technologies, it is necessary to better understand the laser matter interaction. During the impact of a laser pulse on the surface of the treated material, a plasma plume forms above the target surface. This plume contains particles (electrons, ions, atoms) of ablated matter, as well as of ambient gas, if present. During the laser pulse, this plume absorbs a large amount of the laser beam energy, thus reducing the quantity of the laser radiation arriving to the target surface. Dimensions, as well as parameters of this plasma plume evolve very quickly in time. Study of the plasma plume s dynamics and parameters is very important, since they influence all the physical processes occurring at the surface of the treated material. In this work, we have investigated the expansion of the plasma plume formed during the laser ablation of metallic targets (Al, Ti, Fe) by a Nd:YAG laser beam (wavelength 1064 nm, pulse duration 5.1 ns and irradiance of the order of GW/cm2) in the air at atmospheric pressure using fast imaging technique. The obtained results show that laser ablation plume has a certain structure: two regions have been distinguished the core and the periphery of the plume. Dynamics of these two plume regions has been studied and expansion velocities have been determined. In addition, we have examined the influence of the laser irradiance, as well as of the target composition on the plume dynamics. On the other hand, we have developed numerical models in COMSOL Multiphysics in order to simulate laser ablation process. A thermal model has been used to simulate the laser target interaction. The results obtained from this model have been employed as boundary conditions in the hydrodynamic model, used to simulate plasma plume expansion in the ambient air. Two approaches have been proposed: microscopic and macroscopic approach. The results obtained by the simulation based on macroscopic approach give temporal evolution and spatial distribution (1D) of plume parameters: density, velocity and pressure.DIJON-BU Doc.électronique (212319901) / SudocSudocFranceF

Optimisation of TA6V alloy surface laser texturing using an experimental design approach

International audienceActive surfaces of plastic injection moulds are nowadays textured using classical techniques (chemical etching or EDM). Replacement of these technologies by a laser technology introduces a big flexibility: absence of mechanical contact with the tool, decrease of the effluent's volume and a big machining precision, even in the case of the complex forms as injection moulds for example. This paper reports the experimental study of the surface laser texturing of TA6V alloy. The influence of the operating factors on the laser texturing process has been studied using two experimental approaches: Taguchi methodology and response surface methodology (RSM). Empirical models have been developed. They allowed us to determine a correlation between process operating factors and performance indicators, such as surface roughness and material removal rate. Results analysis shows that the laser pulse energy and frequency are the most important operating factors. Mathematical models, that have been developed, can be used for the selection of operating factors' proper values in order to obtain the desired values of the objective functions