Study of drilling and welding laser : dynamics of keyhole

Abstract

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 couple