Study of magnesium and aluminum alloys absorption coefficient during Nd:YAG laser interaction

International audienceIn laser processes, the absorption factor of laser Nd:YAG by metals plays a very important role. In order to model laser welding, we need to know its evolution during the process. The theoretical calculation does not enable the prediction of the absorption factor in the case of a keyhole mode. It is difficult to predict the effect of plasma and recoil pressure on the shape of the keyhole. In this paper, an integrating sphere is used to determine the absorption factor during the laser process, which is carried out on two types of magnesium alloys (WE43 and RZ5) and an aluminum alloy. We obtain the evolution in time of the absorption factor according to different steps of the evolution of the keyhole

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

Using infrared thermography in order to compare laser and hybrid (laser plus MIG) welding processes

International audienceIn order to deepen the understanding of the differences between laser and laser-arc hybrid welding, comparisons were undertaken using thermography. The experiments were carried out for a T assembly of aluminium alloy plates. Modelling, based on the finite element method approach, was realized using IR temperature measurements and seam geometry. For a value of the power supply, depicted as a surface source in the hybrid case, agreement was found between simulated and measured temperatures. The arc power supply efficiency value is similar to the usually used value

Etude del'interaction laser-matière dans le cas des polymères semi-transparents (application au soudage des polymères)

L objectif de cette recherche doctorale a été d'estimer la soudabilité par laser des matériaux polymériques en fonction de leurs propriétés thermo-physiques. La première tâche, dans la recherche de cet objectif, a été de quantifier l'atténuation de la radiation dans les polymères semi-transparents en établissant la corrélation entre les propriétés optiques des inclusions et de la matrice du polymère, et la distribution spatiale de l'intensité laser les traversant, c'est à dire, en effectuant une modélisation des phénomènes optiques qui permet d estimer la forme de la distribution du faisceau laser à l interface des deux matériaux. Cette modélisation a permis aussi de découpler les facteurs influents et d explorer leurs effets sur l atténuation et l élargissement du faisceau laser à travers un milieu semi transparent. L étape suivante consiste à réaliser le couplage entre le modèle optique et le modèle thermique, fondé sur l équation de la diffusion de la chaleur, afin de déterminer les champs de températures dans le volume des composants. Cette étude constitue une ouverture vers l approche scientifique des processus de soudage par laser des thermoplastiques en offrant des méthodes et des techniques pour l optimisation globale de ceux-ci.The purpose of the present study was to estimate the weldability of a polymeric material couple according to their thermal and optical properties. The first task in pursuit of this goal was to quantify the beam attenuation in the semi-transparent polymer by making connection between the optical properties of the bulk materials of which the heterogeneities and the medium are made and the laser intensity spatial distribution into the medium. This modeling allowed establishing the importance of each scattering parameter on the beam attenuation and its broadening at the exit of the semi-transparent polymer. The second step was to realize a connection between the optical model and a thermical one, based on the general heat transfer equation in order to determine the temperature field inside the two materials to be welded. This study represents an opening in the scientific approach of polymers laser welding process, offering in the same time new possibilities in global optimization of the process.DIJON-BU Sciences Economie (212312102) / SudocSudocFranceF

Determination of an empirical law of aluminium and magnesium alloys absorption coefficient during Nd :YAG laser interaction

International audienceWelding laser modelling requires knowledge about relative changes of many thermo-physical parameters involved in the interaction. The absorptivity of the material is one of the most important. In this study, experimental measurements of absorptivity with an integrating sphere on two alloys (aluminium and magnesium) were made. These results were compared with an analytical calculation that takes into account the trapping of the beam by multiple reflections inside the keyhole. Based on a statistical method, an empirical law is proposed connecting absorptivity with the peak power of the laser and the duration of interaction. During the interaction, two distinct phenomenologies are brought to light. A threshold is then defined after which the physical process becomes stable. Below this threshold, the measurement of absorptivity is problematic, and the values are widely dispersed

The use of exploratory experimental designs combined with thermal numerical modelling to obtain a predictive tool for hybrid laser/MIG welding and coating processes

International audienc

Dissimilar material joining using laser (aluminum to steel using zinc-based filler wire)

International audienceJoining steel with aluminum involving the fusion of one or both materials is possible by laser beam welding technique. This paper describes a method, called laser braze welding, which is a suitable process to realize this structure. The main problem with thermal joining of steel/aluminum assembly with processes such as TIG or MIG is the formation of fragile intermetallic phases, which are detrimental to the mechanical performances of such joints. Braze welding permits a localized fusion of the materials resulting in a limitation on the growth of fragile phases. This article presents the results of a statistical approach for an overlap assembly configuration using a filler wire composed of 85% Zn and 15% Al. Tensile tests carried on these assemblies demonstrate a good performance of the joints. The fracture mechanisms of the joints are analyzed by a detailed characterization of the seams

Sociétés, environnements, santé

Les domaines de la santé et de l’environnement ont longtemps été considérés, tant par les décideurs que par les scientifiques, comme des réalités disjointes. Il a fallu attendre les dernières décennies pour que soit reconnu et que se concrétise le lien entre environnements et santé avec la création d’agences spécialisées. Qu’il s’agisse de foyers de maladies parasitaires ou de pollution atmosphérique, les situations d’exposition à un risque sanitaire lié à l’environnement relèvent de facteurs particuliers : épidémiologiques, géographiques, politiques, et bien évidemment sociaux. À partir de zones géographiques situées tant au Sud qu’au Nord, les auteurs de cet ouvrage présentent un large éventail de configurations dans lesquelles s’exprime la complexité des relations entre santé et environnements dans leur rapport avec les groupes humains. Ils mettent l’accent sur l’importance de la perception et de la pratique des acteurs (des décideurs aux bénéficiaires des mesures, en passant par les médecins) pour penser le risque sanitaire selon les milieux. Ils soulignent tout l’intérêt de l’apport des sciences sociales et des pratiques interdisciplinaires dès lors qu’il s’agit d’envisager les relations entre un pathogène et l’homme. Chacune des approches s’attache ainsi à éclairer les différentes facettes du risque environnemental, depuis le comportement des individus jusqu’aux politiques nationales, en invitant le lecteur à se départir de toute vision déterministe et simplificatrice