La trempe par laser - Institut Maupertuis

BULLETIN TECHNIQUE N°28
La trempe par laser
Novembre 2011
Contexte
Un traitement de surface est généralement réalisé dans le but d’améliorer les caractéristiques superficielles d’un matériau (dureté, module d’élasticité, résistance à l’usure ou à
l’oxydation, modification de la conductivité thermique ou électrique, aspect visuel), tout en
préservant son intégrité dans son volume. Dans ce domaine, le laser offre un large éventail
de traitements que ce soit en phase solide ou liquide, avec ou sans apport de matière.
Nous présenterons ici la technologie de trempe par laser, traitement de surface en phase
solide sans apport de matière. Elle trouve des applications sur des bases ferritiques (acier,
fonte) pour le traitement des lames de cutter, des gorges de segments, des cylindres de
moteur et des outils d’emboutissage.
Sommaire :
Problématiques
Pour cette application, les avantages du
laser sont les suivants :
- Le traitement est très localisé, garantissant
une grande précision des zones modifiées.
- Les pièces sont beaucoup moins déformées
que lors d’une trempe classique. En effet, le
refroidissement se faisant par conduction
dans la masse et la chauffe étant très locale, la quantité d’énergie apportée à la
pièce est relativement faible.
- Grâce à l’automatisation du procédé et
l’utilisation d’un bras robot, il est possible de
traiter des formes complexes, le faisceau
laser étant transporté par fibre optique.
- L’état de surface, généralement de
grande qualité, limite l’usinage après le
traitement.
CONTEXTE
1
PROBLEMATIQUES
1
PROCÉDÉ
1
APPLICATIONS
2-4
Néanmoins, la trempe par laser présente
plusieurs limitations :
- L’investissement d’un laser de fortes puissances est relativement élevé, bien que les
prix soient en baisse principalement avec
l’avènement des lasers à diodes, à fibre ou
à disque.
- La largeur des zones traitées est relativement faible, limitant l’utilisation de ce procédé à des surfaces restreintes.
- L’utilisation d’une source laser de forte
puissance présente des risques photoniques
(risques optiques pour l’œil et physiques
pour la peau) nécessitant des protections
adéquates.
Procédé
La trempe laser consiste à chauffer localement la surface d’un matériau à l’aide d’un
laser jusqu’à une certaine température
(température Ta d’austénitisation des aciers
par exemple — figure 5 ) puis à laisser
refroidir naturellement par conduction dans
la pièce (Figure 1). Cependant, la température de fusion Tf du substrat ne doit pas
être dépassée. Généralement, une température comprise entre 800 à 1200 °C est
atteinte. Un asservissement de la puissance
du laser par mesure pyrométrique de la
température peut être utilisé afin de garan-
tir un traitement constant sur une
pièce à géométrie variable.
Le refroidissement très rapide de
la zone irradiée par le faisceau,
provoqué par la conduction thermique dans la masse de la pièce,
entraîne la transformation martensitique de l’acier, générant une
microstructure très fine et de dureté élevée. Le faisceau laser est
défocalisé sur la pièce (Figure 1)
offrant un spot circulaire de
Figure 1 : Principe de la trempe laser
Page 1
La trempe par laser
0,3 à 30 mm de diamètre dans le cas d’une
source Nd:YAG ou fibre. Un faisceau issu
d’un laser à diode peut aussi être utilisé
offrant une tâche carrée ou fortement asymétrique (jusqu’à 40 x 2 mm2).
Figure 2 : Exemple d’application de la trempe laser
Comme nous le voyons sur la figure 1, un
déplacement du laser par rapport à la
pièce génère un cordon et la juxtaposition
de plusieurs cordons permet de recouvrir
une surface (Figure 2). La tête laser est généralement portée par un robot (Figure 3).
Les vitesses de déplacement mises en œuvre
sont comprises entre 0,1 à 10 m/min selon
la pénétration requise par l’application (de
100 µm à 3 mm).
La trempe par laser peut aussi être effectuée par point (Figure 4). Dans ce cas, le
faisceau ne se déplace pas sur la pièce
mais irradie juste un certain nombre de
points en réseau. Le temps d’interaction est
alors compris entre 10 ms à 1 s par point.
Le principe de ce traitement est de créer
des points durs sur la surface pour supporter le frottement sans traiter tout le substrat. Cette approche permet de réduire
encore la quantité d’énergie apportée à la
pièce donc de limiter les déformations. Une
optimisation du réseau de points est néanmoins nécessaire afin de rencontrer les contraintes d’usure de l’application.
Applications
Pour être trempés, les matériaux Fe -C,
doivent respecter des conditions métallurgiques et thermiques. Les matériaux
présentés ci-dessous répondent à ces
critères.
Figure 3 : Installation de trempe
laser de l’Institut Maupertuis
Figure 4 : Principe de la trempe
par point
Comparaison de trempe continue
sur acier et fonte
18mm). L’apport énergétique nécessaire à
la trempe diffère suivant les matériaux. La
température de trempe (dans le domaine γ
- figure 7) dépend notamment de la teneur
en carbone, des éléments d’addition, de
l’état de surface, de la géométrie de la
pièce…
Les figures 5 et 6 représentent des coupes
métallographiques d’essais de trempe continue par laser YAG à disque réalisées à
l’Institut Maupertuis.
 Caractérisations :
 Paramètres :
Les duretés obtenues (Figure 5 et 6) sous
les surfaces trempées sont comprises entre
600 et 800HV. La filiation de dureté sur
fonte est plus hétérogène que celle sur
acier. En effet, la fonte possède des nodules de graphite qui affaiblissent la dureté à leur proximité (Figure 9).
L’acier 50CD4 a été trempé à 4KW avec
une vitesse d’avance de 1m/min et un spot
théorique de 15.5mm. A largeur et profondeur de trempe identique (10mm sur 1mm),
la fonte grise FGS600 a été trempée avec
une vitesse d’avance plus faible (0.6m/min)
et une défocalisation plus forte (spot de
Le refroidissement rapide génère une structure sursaturée en carbone qui durcit le
matériau (Figure 8).
10mm
1mm
1000
Trempe laser sur acier FGS600900
Figure 5 : Trempe sur acier 50CD4
Filiation de dureté
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Dureté (hv)
Dureté (HV)
1000
Trempe laser sur acier 50CD4 900
800
700
600
500
400
300
200
-150µm/ à la surface
100
-300µm/ à la surface
0
-8000
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
Distance (mm)
8000
-8000
-6000
-4000
-2000
-150µm/ à la surface
-300µm/ à la surface
0
2000
Distance (mm)
4000
6000
8000
Figure 6 : Trempe sur fonte FGS 600
Filiation de dureté
Page 2
Pôle assemblage
Austénite (γ)
↗ T°C
↘ T°C
Ferrite α+Fe3C
Nodules de graphite
Martensite
Figure 8 : Processus de formation de la
Martensite
Figure 9 : Coupe micrographique sur
fonte grise trempée
Figure 7 : Diagramme d’équilibre Fe-C
Influence du recouvrement
Plusieurs passes successives ont été réalisées aux
figures 10 et 11 sur acier 50CD4 et fonte FGS600.
D’une manière générale, quelque soit la matière ou
le taux de recouvrement la dureté est sensible sous
la zone de recouvrement. En effet, la deuxième
passe laser engendre un re venu d u matériau q ui se
Au détriment de la dureté et du module d’élasticité, ce
type d’application a l’avantage de minimiser les contraintes résiduelles et d’augmenter la ténacité du matériau.
1000
Trempe laser sur fonte FGS600
900
800
700
600
Dureté (mm)
Dureté (hv)
1000
Trempe laser sur acier 900
50CD4
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-8000
-3000
caractérise par une chute de la micro dureté.
500
400
300
-150µm/ à la surface
-300µm/ à la surface
2000
Distance (mm)
7000
-150µm/ à la surface
-300µm/ à la surface
12000
Figure 9 : Trempe sur acier 50CD4
Filiation de dureté sur 3 passes laser
-10000
-8000
-6000
-4000
200
100
0
-2000
0
Distance (mm)
2000
4000
6000
8000
Figure 10 : Trempe sur fonte FGS600
Filiation de dureté sur 3 passes
Géométrie complexe
L’asservissement de la puissance
est d’autant plus importante que
la géométrie des pièces à traiter
est complexe et hétérogène pour
des raisons de deux ordres :
 La maitrise de la température
de trempe. A titre d’exemple,
la fusion du matériau est favorisée sur des arêtes (très
grande conduction de la chaleur).
 La maitrise de la déformation.
Bien q ue les dé formatio ns
soient faibles, elles évoluent
en fonction de la masse traitée. Des arêtes ou rayons de
matière vont induire ou faire
évoluer les concentrations de
contraintes.
Des essais ont été réalisés sur
une pièce en acier sur face co nca ve de l o ng ue ur d ’a rc d e
l’ordre de 7mm (Figure 11). La
trempe a été réalisée par un
pulse laser de 400ms à 2500W.
Page 3
Figure 11 : Trempe sur acier
La trempe par laser
Trempe par point sur acier
La Figure 12 présente un exemple de
trempe par point sur un substrat acier
50CD4. La puissance laser mise en
œuvre était de 4000 W et le temps
d’interaction de 30 ms. La taille de
chaque point est de 3 mm et offre une
dureté d’environ 750 HV (62 HRC) sur
une profondeur de 200 µm (Figure
13). Dans ce cas, la déformation de
la pièce est nulle.
ment du faisceau laser a été effectué à l’aide d’une tête scanner montée sur un robot. Cette approche
permet de balayer la surface à
grande vitesse (60 m/min) et réduit
énormément le temps inter-point.
Une surface de 30 x 5 cm2 a été
traitée en moins de 10 s.
Pour cette application, le déplace-
Figure 12 : Exemple de la
trempe par point
Figure 13 : Profil de dureté dans
la profondeur de la trempe par
Pour en savoir plus, contactez:
Aurélie ANNE, Ingénieur Matériaux
[email protected]
tel: 02.99.57.15.73
Laurent DUBOURG, Chargé d’affaires Pôle
Assemblage
tel: 02.99.57.15.74
[email protected]
BULLETIN TECHNIQUE N°28
L’Institut Maupertuis réalise des études techniques par la mise en œuvre des compétences propres à l’Institut
et des compétences des centres techniques et établissements d’enseignement et de recherche régionaux. Nos
activités s’organisent en deux pôles :
 Le Pôle Projets : recherche et coordination de centres de compétence en mesure de répondre aux
Centre d’études techniques en
productique et mécatronique
Contour A. De St. Exupéry
Campus de Ker Lann
35170 Bruz
 02 99 05 84 56
 02 99 52 98 77
 [email protected]
attentes des industriels, plus particulièrement des PME-PMI. Ce pôle assure la gestion de projets de
la définition du projet, jusqu'à sa réalisation. Cette prestation réalisée par un chef de projet mis à
disposition, inclut la rédaction de cahiers des charges fonctionnels, la recherche de centres de compétence, l’assistance dans la démarche de propriété intellectuelle et de recherche d'outil de financement.
 Le Pôle Assemblage : centre de compétence en travail innovant des matériaux et en particulier en
soudage, découpage et traitement de surfaces par laser : études de faisabilité industrielle, études
collectives en soudage, études concernant l’automatisation des postes et la robotisation, transfert
de technologie vers les PME-PMI.
L’association s’inscrit dans la politique régionale de soutien à la recherche appliquée et à l’innovation. Son pilotage est
assuré par des personnalités industrielles locales en partenariat avec l’UIMM Bretagne, Autéo, Plasti-Ouest, le Pôle
Productique Bretagne et le CETIM. L’association est soutenue et subventionnée par l’Europe, la Région Bretagne,
le Conseil Général d’Ille et Vilaine et Rennes Métropole.
Page 4