LASER ET TRAITEMENTS DES MATERIAUX
(Département Interface et Réactivité dans les Matériaux)
Institut
Carnot de Bourgogne
UMR 5209
CNRS-Université de Bourgogne, 12 rue de la Fonderie, 71200 Le Creusot, France
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La
compréhension et la modélisation de l'interaction laser-matière (transfert
d'énergie, étude des phénomènes dynamiques de l'interaction, ...).:
Jusqu’en 2001 les activités se sont concentrées dans le domaine du soudage :
- Etude expérimentale et théorique de la formation du capillaire (radiographie X éclair, microcalorimétrie,…)
- Etude des fluctuations du capillaire (mise en évidence de l'importance des réflexions de Fresnel sur le dépôt d'énergie et les fluctuations géométriques du capillaire)
- Etude de la génération des défauts dans les soudures (manque de compacité)
A partir de 2001 l’activité s’est élargie à l’étude du soudo-brasage et du soudage sans régime keyhole. Les nouvelles méthodes de caractérisation mises en oeuvre sont la mesure de température par contact, par pyrométrie ou par thermographie infrarouge ainsi que l’imagerie rapide. Ces méthodes de caractérisation sont délicates du fait de la complexité des phénomènes intervenant lors du traitement d’un matériau par laser, de la dimension des zones affectées thermiquement (quelques mm2) ainsi que des vitesses de traitement élevées. Cependant, la connaissance du champ de température et de son évolution avec le temps est un outil fondamental pour sa compréhension, et peut, en outre, devenir un moyen de contrôle de procédé.
L’objectif de la modélisation de l’interaction laser-matière est de calculer les champs thermiques dans des structures irradiées par laser pour différents types d’applications : les assemblages (soudage avec capillaire, brasage) les traitements de surface (revêtement, marquage), le perçage….
Dans un souci de souplesse, notre équipe a développé ses propres programmes. Les méthodes de calcul employées sont les volumes finis, la méthode des radiosités et les éléments finis
L’équipe a, par exemple, développé des programmes, dédiés à des applications industrielles parmi lesquelles:
- un programme de calcul du transfert de chaleur pseudo-stationnaire pour un problème de dépôt de poudre assisté par laser sur un fil,
- un programme utilisant la méthode des volumes finis utilisé dans le cadre d’une étude de faisabilité de soudage de tôle électro-zinguées par transparence,
- la détermination de l'équilibre radiatif pour l'interprétation d'images de capillaires obtenues à l’aide d’une caméra CCD rapide lors d'un processus de soudage
Ces différents travaux furent la base de la version actuelle du programme qui utilise la méthode des éléments finis et qui peut être facilement implanté sur un ordinateur de bureau.
Ce programme (écrit en Pascal Objets) permet, par le biais de scripts, de traiter des problèmes de thermique 3D intervenant lors de l’interaction laser matière. Il peut également être utilisé pour traiter d’autres problèmes de thermique. Les phénomènes physiques pris en compte sont : l’absorption du rayonnement émanant d’une ou plusieurs sources lasers (en surface ou dans la matière), les échanges avec l’environnement, le transfert de masse et les changements de phases, la fusion et la vaporisation.
De nouveaux modèles, adaptés à l’interaction diodes laser de puissance-polymères, sont actuellement en cours de développement. Dans ces matériaux semi-transparents l’absorption du rayonnement laser au sein de la matière est prise en compte. Il est envisagé de modéliser les phénomènes de diffusion afin d’affiner les résultats.
