Les procédés laser - Les pages perso du Crans

Les procédés laser
P.Peyre
PIMM, Arts et Métiers ParisTech
Plan
1 – Généralités sur les lasers et l’interaction laser-matière
- le principe physique
- les propriétés du rayonnement laser
- les différents types de laser
- l’absorption du rayonnement
- les différents régimes d’interaction
- Lasers & transferts thermiques
- La solidification rapide
3 – Les procédés laser avec passage à l’état liquide
- Classification des procédés
- Traitements de surface
- Fabrication directe
- Soudage laser
Généralités sur les lasers &
l’interaction laserlaser-matière
LASER
Light Amplification by Stimulated Emission
of Radiations
1917 : A.Einstein – Principe de l’émission stimulée
1960 : T.Maimann – Premier laser à rubis
1975 : Premières applications industrielles
interactions photonphoton-électron
Energie d ’un
photon
E =hν
ν = h c /λ
E2
Photon incident
hν
ν
Absorption
E1
E2
E1
électron
E2
E1
Emission
spontanée
E2
E1
Photon émis
Photon incident
hν
ν
E2
E1
Emission
Stimulée
E2
λ
E1
2 Photons émis
en phase
Entretien de l’ Emission stimulée : nécessité de réaliser une inversion de population
en peuplant constamment les niveaux d’énergie supérieurs par pompage
Principe d’un laser
1
Rayonnement
laser (λ
λ)
Nd3+
3
Cavité résonante
Miroir réflexion
Totale
2
Miroir semisemitransparent
1
milieu actif (gaz/solide)
2
Pompage / excitation
3
Cavité résonante
=> amplification
Emissions stimulées
Laser à gaz : Laser CO2
Laser à barreau solide : Nd:YAG
Transfert
résonant
excité
Excitation
(pompage
Électrique)
fondamental
Excitation par décharge électrique dans un mélange
Gazeux N2 + CO2 + He (stabilisant thermique)
Excitation optique
(lampe flash)
Propriétés du rayonnement laser
Rayonnement monochromatique ( Nd:YAG = 1.06 µm, CO2 = 10.6 µm)
Rayonnement cohérent spatialement et temporellement
E = E0 . exp(i (ωt − kr ))
ω= pulsation = 2π.C/λ
k=vecteur d’onde = 2π/λ
Rayonnement faiblement divergent => transport sur grande distance
Onde électromagnétique plane
⇒Grandes possibilités de focalisation => limite de diffraction du faisceau
d (m) = 1.22 .
λ (m).F (m)
D0 (m)
F = distance focale
D0 = diamètre incident
λ= longueur d’onde
d=diamètre minimum
D0
F
d(m)
Transport de faisceau : miroirs (CO2), fibres optiques (Nd:YAG)
Les différents types de laserslasers-1
Lasers à solides / Lasers à gaz
KrF
0.238 µm
XeCl
0.308 µm
Lasers
excimères
Lasers à fibres
0.80.8-0.92 µm
Diodes lasers
1.06 µm
10.6 µm
Longueur d’onde
λ (µm)
Lasers CO2
Lasers Nd:YAG
Transportables par fibres optiques
Transport du faisceau = dépendant de la longueur d’onde
Les différents types de laserslasers-2
Lasers continus & Lasers pulsés
P (W)
P (W)
E(J) = énergie par impulsion
P0
Pcrête
τ
t (s)
Pmoyenne = Pcrête = P0
1 mW < P0 < 100 kW
t (s)
Pcrête
E(J )
=
τ ( s)
10-15 s < τ < 10-1 s
Pmoyenne = E ( J ) . f ( Hz )
Exemple = E=10 J, f=10 Hz, τ=10 ms
=> Pmoy = 100 W, Pcrête = 1000 W
Les différents types de lasers -3
Différentes distributions spatiales I (W/m²) = f(x,y
f(x,y))
))
Sortie de fibre optique => top-hat
Mode TEM00 (Gaussien)
r0
φl (r ) = 2.25.
2P
π.r0
Faisceau Multimode
TEM01
2
. exp(−
2r 2
r0
2
)
Φ (W/m²)= φ0 = P/S
Laser CO2: 12 –15 kW
Les différents types de lasers -4
Nd:YAG – 1.06 µm
0.16 J/impulsion, 50 Hz, 10 ns
Laser Nd:YAG à disque 8 kW
1.03 µm, 600 k€
0.33 J/impulsion, 60 Hz, 10 ns
Soudage, découpe
Diode laser 4 kW (14 kW électrique)
0.91 -0.98 µm, 250 k€
Décapage
Traitements de surface
0.33 J/impulsion, 120 Hz, 10 ns
(150 k€)
Laser
Transport de faisceau
Physique des Lasers
Mise en forme / focalisation
du faisceau
Interaction
laser--matière
laser
(Drude)
Dépôt d’énergie
absorption du faisceau
Mécanique des fluides
(convection,
échanges d’énergie)
Thermique
(transfert d’énergie)
Thermochimie
(oxydation, nitruration)
Métallurgie - Microstructures
Mise en œuvre industrielle d’un procédé laser
Source laser
Transport de faisceau
Déplacement relatif Pièce/laser
Assistance gazeuse
L’absorption du rayonnement laser -1
Mécanisme d’absorption d’une onde électromagnétique laser:
laser:
collision électronsélectrons-photons (Drude)
Flux incident
Flux absorbé (W/m²)
Absorptivité : ------------------------------
Flux réfléchi
Flux incident (W/m²)
Gaz d’électrons
libres
Absorptivité + Réflectivité = 1
atomes
Flux absorbé/transmis
avec α = coefficient d’absorption volumique
k = coefficient d’extinction
Exemple : @10.6 µm, e (Fe) = 40 nm, e (Al) = 8 nm, e (SiO2) = 11-3 µm
Épaisseur de peau :
Absorption en surface = métaux, céramiques
Absorption en surface ou en volume (BeerBeer-Lambert I=I0 exp (-αz) )= polymères
L’absorption du rayonnement laser -2
Nd : YAG
1
Excimère
CO2
Diode
Verre
absorptivité
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.1
Autres métaux
(Au, Ag, Al, Cu)
1
Métaux transitoires
(Fe, Ni, W, Mo)
10
longueur d'onde λ (µm)
Métaux : meilleure absorption à1.06 µm (Nd:YAG) qu’à10.6 µm (CO2)
Mais … grande influence de l’état de surface
L’absorption du rayonnement laser -3
Paramètres influençant l’absorption du rayonnement
- longueur d’onde (λ
(λ , A pour un métal)
- angle d’incidence (A élevé à incidence normale)
- température de la surface (A = A0 + KT)
- nature + rugosité du matériau cible (rugosité ,A )
- état d’oxydation (exemple : alliages de titane)
Il est difficile de prédire l’absorptivité d’un rayonnement laser par une surface
Exemple : acier inoxydable @ 1.06 µm : 0.3 < A < 0.5
@ 10.6 µm : 0.03 < A < 0.1
Transferts thermiques & lasers (1)
Lasers : sources de chaleur volumique (W/m3) ou surfacique (W/m²)
Transformations de la matière : phase solide, liquide, vapeur, ou plasma
Problématique : Effets thermiques induits par une irradiation laser I0 (W/m²) = f(x,y,t)
Loi de Fourier :
q (W/m²) = - K(W/m.K) . ∇T (K/m)
Flux de
chaleur
Conductivité
thermique
Gradient local
de température
Élévation de température d’un volume ∆V par 1 apport d’énergie E
E (J)= ρ
(kg/m3).Cp
(J/kg.K) . ∆T (K). ∆V
Chaleur spécifique
(m3)
dS
q(x)
q(x+dx)
U (m/s)
dx
Transferts thermiques & lasers (2)
Équation de la chaleur (avec K indépendant de T)
 ∂ 2T ∂ 2T ∂ 2T 
 ∂T ∂T ∂T 
∂T


 + φ
= K .
+
ρCp
+
− U .( ρCp )
+
+

∂t
 ∂x ∂y ∂z 
 ∂x ² ∂y ² ∂z ² 
Terme
d’accumulation
Vitesse locale
du fluide (m/s)
avec U=0
Terme source
(W/m3)
Conditions aux limites (laser)
Chauffage (cas d’une distribution Gaussienne): A = A0 exp –(x²/r²)
Pertes thermiques : P = h(T) .(T-T0) + ζ (Τ4−Τ04)
Pertes radiatives
Coefficient de pertes
Par convection (W/m².K)
10 (air) < h < 104
Constante de Stefan
(5.67.10-8 W/m²K4)
Terme source φ
= somme des 2
Transferts thermiques & lasers (3)
Exemple de résolution simplifiée de l’équation de la chaleur
Paramètres thermo-physiques constants (K, Cp, ρ)
Déplacement d’une source de chaleur ponctuelle sur un plan
Laser
Equation de Rosenthal
P
V .R
 V .x 
∆T =
. exp (−
) . exp −

2πKR
2κ
 2κ 
Avec κ=K/(ρCp) = diffusivité (m²/s)
R=(x²+y²+z²)0.5, V= Vitesse (m/s)
NB : quand Κ augmente ∆T diminue
x
y
z
V
Caractéristiques des procédés laser : non stationnaires
Massif 3D +/- complexes, sources 2D hétérogènes
matériaux présentant des propriétés non linéaires
=> Méthodes de résolution numériques (éléments finis, différences finies)
Transferts thermiques & lasers (4)
Apparition d’une phase liquide : grandeurs physiques
La viscosité dynamique µ (Pa.s
(Pa.s)) et La tension superficielle : interfaces liquide/gaz
Matériau
eau
Fer
Acier
Alu
Polymère
Tf (°C)
0°C
1540
1400
660
200-300
µ (Pa.s)
10-3
4.96. 10-3
4.5. 10-3
2.8. 10-3
500-2000
σ (N/m)
0.07
1.8
1.5
0.87
-0.42.10-3 -0.12.10-3 -0.15.10-3
dσ /dT
(N/m/K)
G
L
Energie d’interface Ei
Surface Γi
 ∂E 
 ∂E 
dEi =  i dT +  i dΓi
 ∂T 
 ∂Γi 
= − Si dT + γdΓi
La convection libre : différence de densité entre le haut et le bas d’un bain
liquide métallique => le liquide froid (dense) descend, et le chaud monte
La convection de Marangoni:
gradients de température ou de composition chimique
=> gradients de tensions superficielles γ => Mouvements convectifs
La convection de Marangoni
1-Marangoni thermique - Influence de l’éclairement laser
I (W/m²)
I (W/m²)
TEM00
δσ/
δσ/δT < 0
TEM01
δσ/
δσ/δT > 0
NB : La vitesse fluide Vf augmente quasiquasi-linéairement avec δσ/δT
2-Marangoni Chimique : effet d’éléments tensiotensio-actifs (Sulfures)
10 ppm S =>δσ
δσ//δT < 0
150 ppm S=>δσ
δσ//δT > 0
Convection dans les liquides métalliques : contribue au transport de chaleur
Spécificités des zones fondues induites par chauffage laser :
Petite taille (0.1 mm / 10 mm) + gradients thermiques importants
(cinétiques rapides => solidification rapide)
Faible viscosité des bains liquides métalliques => grande vitesses fluides (m/s)
Prédominance des convections de Marangoni (forts gradients thermiques)
1 mm
La solidification rapide (1)
Définition : Résulte d’une rapide extraction de chaleur, mettant en œuvre des
vitesses de refroidissement supérieures à 102 K/s (300 K/s <laser< 1010 K/s)
Applications : (1) Techniques d’atomisation gazeuse, (2) Fusion laser / FE
Microstructures obtenues :
Solides cristallins
à grains très fins
(10 nm < t < 1-2 µm)
Verres métalliques
(amorphes)
Vabsolue
Vrefroidissement
(K/s)
Effets induits : (1) matériaux plus résistants (grains fins), (2) augmentation des
limites de solubilité des éléments alliés en phase solide (métastabilité)
http://soliditice.inpg.fr/
La solidification rapide (2)
La solidification rapide (laser), hors équilibre thermodynamique, conduit
généralement à une structure métastable (1), qui nécessite le franchissement
d’une barrière d’énergie ∆G (par voie thermique ou mécanique), pour aboutir à l’état
thermodynamiquement stable d’énergie inférieure (3).
E
État
métastable
G
∆G
État
stable
Csol (eq) C0
Cliq (eq)
C
L’un des résultats directs de cet état métastable est la possibilité d’obtenir des solides
sursaturés en éléments d’alliage (composition maximale C0)
=> Définition de diagrammes de phase hors équilibre : C0=f(T)
La solidification rapide (3)
Vitesse réduite : diffusion sol => liq de soluté
solide
Solidification rapide : faible diffusion de soluté
liquide
V
V
C
C
Cliq
C0
Csol
x
x
L’augmentation de Csol augmente donc : (1) le durcissement en solution solide et
les propriétés mécaniques, (2) la tenue en corrosion)
L’affinage de la microstructure permet d’améliorer les propriétés mécaniques
(loi de Hall-Petch)
L’amorphisation (éventuelle) améliore la résistance en traction et la tenue à la
corrosion (disparition des joints de grains) + la résistance à l’irradiation
Les différents procédés laser
Les différents procédés laser -1
Densité de Puissance (W/cm²)
1010
Energie
spécifique (J/cm²)
105 J/cm²
Choc-laser
1000 J/cm²
109
100 J/cm²
108
Microperçage
(ps, fs)
Découpe-perçage
107
Dépôts
Rechargement
106
soudage
105
0.1 J/cm²
10-3 J/cm²
Trempe
traitements
phase
solide
1 J/cm²
104
103
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
Temps d ’interaction (sec)
Temps d’interaction (s) x Densité de puissance (W/m²) = fluence (J/m²)
10-1
Les différents procédés laser -2
Soudage
Soudo-brasage
acier
Alu
Perçage
Fusion-solidification
rapide
(hors-équilibre)
Traitements de surface
(alliages-dépôts)
Découpe
Fabrication directe
Effets spécifiques induits
sur les matériaux
Procédés laser avec passage à l’état liquide (1(1- Traitements de surface & fabrication directe)
Traitements de surface
par laser
Basse densité de puissance
Les traitements de surface par laser (1)
Résistance au frottement
et à l ’usure
Résistance à
la corrosion
(piqûration,
Corrosion sous
Contrainte …)
Aptitude à
L’emboutissage
Décapage
Revêtements métalliques à chaud (galvanisation)
Revêtements électrolytiques
Revêtements organiques
Traitements par voie physique (PVD)
Traitements laser
Résistance à la
Fatigue
(thermique)
Aptitude à
l ’assemblage
Aspect, esthétisme
Traitements laser = localisés (mm²(mm²- cm²)
Les traitements de surface par laser (2)
• Traitement de Trempe
103
106
W/cm²
W/cm²
109 W/cm²
Phase
solide
Phase
liquide
•Traitement thermochimiques
Nitruration, Cémentation
• Refusion de surface
• Réalisation d’alliages ou dépôts
avec apport de poudre (Rechargement)
Avec
• PLD
ablation • Durcissement par ondes de choc-laser
Densité de puissance (W/cm²)
Densités de puissance variables entre 103 W/cm² et 1010 W/cm²
Profondeurs traitées variables entre 1 µm (Nitruration phase solide)
et 2-3 mm (choc-laser)
Les traitements de surface en phase solide (1)
Trempe superficielle par laser ((«
( Transformation hardening by laser »)))
• But : Créer, par refroidissement rapide (auto-trempe = évacuation de la chaleur par le substrat)
une transformation structurale de type Martensitique en phase solide avec C en sursaturation
• Matériaux concernés : aciers sujets à γ −−> α ’ (% C pas trop faible > 0.1 %)
• lasers : continus (CO2, YAG, Diodes)
Refroidissement
rapide
(> 300 ° C /sec)
Chauffage
T > AC3
LASER
103 W / cm²
α
α
Dilatation de la couche
superficielle
γ
α
Transformation
Austénitique α−γ
: contraction de surface
M
α
Transformation
Martensitique γ − α ‘
Dilatation de la surface
σ<0
Applications : tenue en fatigue, propriétés tribologiques
Les traitements de surface en phase solide (2)
Trempe laser = autoauto-trempe (par évacuation de la chaleur vers le substrat)
Pyrométre
-> T°C
Faisceau
homogénéisé
XC42 - 2.4 kW CO2 - 10 mm/s
Revêtement
(PhMn, Graphite …)
HV
700
Contrainte résiduelle (MPa)
600
650
400
600
200
550
épaisseur
trempée
0
500
450
-200
400
-400
Martensite M
(CC)
Vsoud
Austenite γ
(CFC)
-600
350
0
200
400
600
300
800
1000
profondeur (mm)
Pic de traction
=> problème
1. CO2 : Nécessité d ’utiliser un revêtement pour améliorer le couplage
(absorptivité passe de 10 % à 80 %), Nd:YAG : OK
2. Problèmes de recouvrement entre passes (Martensite de revenu)
3. Contrôle de la durée d’austénitisation γ
Simulation numérique de l ’opération de trempe
Transformation structurale
CALCUL
METALLURGIQUE
CALCUL THERMIQUE
Chaleur latente de
transformation
Equation de la chaleur
Dilatation
thermique
Transformation
induite par
contrainte
Chaleur de
déformation
Plasticité de
transformation
ρ . Cp .
∂T
− ∇ . (k.∇T ) = Q
∂t
Dépôt source
CALCUL MECANIQUE
On a besoin de
Cycle Thermique en chaque point
Températures, cinétiques et enthalpies de transformation
Lois de comportement mécanique (à chaud)
Les traitements de surface en phase solide (3)
Problème spécifique à la trempe laser localisée :
recouvrement de passes lors d’une trempe laser => Revenu de la Martensite
(adoucissement par diffusion du Carbone)
Dureté
Martensite de revenu
La dureté de la première passe chute sous l’effet de la zone affectée
thermiquement par la 2ème passe
R.S.Lakhkar
R.S.
Lakhkar et al., Mat.Sci&
Mat.Sci& Eng, 2007
Autres traitements laser en phase solide = Nitruration , cémentation …
Thermo--Diffusion de l’azote : D (m²/s) =D0.exp (Thermo
(-∆H/RT) => e=(2.D.t
e=(2.D.t))0.5
Trempe laser / autres procédés de trempe superficielle
Laser
Auto-trempe
AutoFaibles profondeurs (< 1 mm)
Faibles distorsions (+)
Apport de chaleur localisé (mm) (+)
Procédé précis (+)
Assez complexe de mise en
Œuvre (-)
zones de Recouvrement (-)
Procédé cher (-)
Induction
Champ magnétique HF
⇒ Courant
⇒Chauffage (effet Joule)
Moins localisé , + rapide (+)
Refroidissement par eau
Complexe (-)
Chalumeau
Profondeurs élevées
(30(30-40 mm)
Refroidissement eau/huile
Moins cher (+)
Facile de mise en œuvre
Assez grossier (-)
Applications de la trempe superficielle par laser
Traitement des cylindres des
moteurs du Queen Elisabeth II
(MAN, laser CO2 5 kW, 1989)
trempe par laser diode d’un arbre à came (NISSAN)
Moules d’estampage
Outils de coupe
Traitement superficiel
de fils (0.3 mm)
pour pneux radiaux
(Nippon Steel, 1992)
Les procédés laser en phase liquide (1)
1 - La refusion de surface par laser
Applications mécaniques
Texturation de surface
2 - Les dépôts (rechargement) et alliages par laser
3 – La fabrication directe par laser
4 – Le soudage laser (la découpe)
Refusion superficielle par laser - 1
« laser surface melting LSM »
Objectif :
Changement de structure métallurgique (homogénéisation, remise en solution
solide de précipités, affinage de structure…)
Mécanismes : Dissolution des précipités dans le bain liquide + brassage par convections
Grandes Vitesses de solidification : dendrites de taille réduite (1-2 µm)
Possibilité de refusion réactive N2 (Nitruration phase liquide )
Lasers :
continus ou pulsés (100 W à 5 kW) - MW / cm²
Stries de solidification
Laser
V
S
L
Mouvements de
convection
Protection gazeuse = anti-oxydation (He, Ar, N2)
Exemple : fusion superficielle d’un superalliage base nickel
Vortex => homogénéisation
V=1 m/min
Zone fondue
d0
1 mm
fissuration
z
x
y
ZF
Vl
Vs
θ
Profondeur de refusion ≈ e (m) =
Vs = Vl cos θ
e
2 D (m² / s) . t ( s)
avec D =
k (W /( m.K ))
ρ (kg / m 3 ).Cp ( J /( kg.K )
Gradients thermiques et vitesses de solidification en ZF
0
0
Structure
équiaxe
Gradient thermique G (K/m)
Temps t + ε
G (K/m)
Temps t
Structure
colonnaire
-1
z = profondeur normalisée
du cordon = zmin/zmax
-1
z
0
3.106
6.106
Vitesse de solidification (m/s)
Bas de zone fondue => début de solidification
Gradient élevé et vitesse de solidification lente
structure de croissance colonnaire = grain allongés
Milieu et haut du cordon => fin de solidification
Gradient faible et vitesse de solidification élevée
Possibilité de structure équiaxe
(Tout solidifie en même temps , pas d’orientation privilégiée) -1
z
4.10-3
8.10-3
Cartes de microstructure : cas d’un alliage Al-2Fe
Gradient thermique (K/m)
1011
1010
Fond de ZF
Vl = 2 m/s
107
Dendrites
Vl = 0.2 m/s
Bandes
108
Front Plan
Vabsolue
109
106
Haut de ZF
105
10-6
10-4
10-3
10-1
10
Vitesse de solidification (m/s)
Simulation numérique => Vs, G => prédiction de la microstructure
A.Frenk & W.Kurz, Lasers de puissance et traitements des matériaux (1991)
Refusion par diode laser d’un acier 316L (1)
Diode 1 kW, λ=0.95 µm, V= 5 mm/s
Protection
Helium
1 kW Laser diode
V
He
Surface (équiaxe)
Plan focal
Épaisseur
fondue
Bas de ZF (colonnaire
4 mm
1 mm
Affinage de la µstructure γ
Refusion par diode laser d’un acier 316L (2)
Analyse en µsonde électronique
100 µm
Dissolution des inclusions A,Mn,O
Microségrégation (Cr, Ni)
+ Apparition de 5% ferrite δ (DRX)
+ Contraintes résiduelles (poli = -250 MPa, refusion=-50 MPa)
Piqûration = mode de corrosion localisée s’amorçant sur des sites anodiques
discrets (précipités, inclusions) de la surface et conduisant à la ruine prématurée
Cl-
2H+ + 2e- => H2
2H+ + 2e- => H2
Film passif
Réaction
cathodique
2 e-
2 eFe => Fe2+
Fe => Fe2+
Piqûre de
corrosion
Inclusion AlMnSiO
Siège de la dissolution anodique
Courant d’échange i (A)
Fusion
laser
Essai de polarisation
Potentio-cinétique
Palier de passivité
Potentiel E (V)
Potentiel de
germination de
piqûres
Amélioration de la
Résistance à l’amorçage
Des piqûres de corrosion
Après refusion laser
Refusion superficielle par laser - 3
Refusion des fontes grises (arbres à cames)
CO2 , YAG ou diode, kW, faisceau de quelques mm²
Fonte blanche
HV
300
800
Fonte grise GS
700
600
ZF
500
ZAT
400
Refusion superficielle de fonte à graphite sphéroidal
- Dissolution et passage en Solution Solide des
nodules de Carbone
- Durcissement et amélioration de la plasticité
300
200
0
1000
2000
3000
profondeur (µm)
ZF : dissolution totale des nodules
ZAT : Dissolution partielle en phase solide
Refusion superficielle par laser - 4
Désensibilisation des joints soudés (aciers inoxydables γ : REP - Toshiba)
Réacteurs à eau Pressurisée
Intérieur des tubes - H20 - 280 °C
Principe
[Cr]
Corrosion
Intergranulaire
18% Cr
Paroi du
REP
12% Cr
Cr23C6
Joint de
grain
Tube
Zone déchromée
fibre
laser
Traitement laser :
désensibilisation
tête optique
de rotation
Remise en Solution solide des M23C6
Affinage de la structure
Zones sensibilisées
(soumises à CIG)
Cordon de
soudure
Amélioration de la tenue à la Corrosion
Intergranulaire
et à la Corrosion sous
Contrainte (faibles σr)
Contraintes résiduelles induites lors d’une refusion (laser)
Schéma simplifié
Chauffage
Contrainte (MPa)
σY
Tfusion
A
E
Dilatation (ε > 0) => σ < 0
Refroidissement
Température (°C)
−σY
B
C
D
contraction (ε < 0)=> σ > 0
Chauffage : Dilatation locale (ε >0) => réaction de la matière environnante
=> passage en compression (A->B)
Plastification (B->D) puis, à l ’état liquide =>contraintes nulles (E)
Refroidissement : Contraction à la solidification ε <0 (en plastifiant ou pas) : la matière
l ’empêche de se contracter => passage en traction
Refusion superficielle par laser (5) : texturation des surfaces
Modulation temporelle P (W) = f(t) du laser => modification de la taille des bains liquides => texturation
Texturation d’un moule d’injection
A.Temmler et al., 5th WLT Conference (Munich, 2009)
Refusion superficielle par laser : Applications
Arbres à came
APPLICATIONS
Refusion de vilebrequins
+
Désensibilisation d ’aciers inoxydables
(REP, Centrales Nucléaires)
Texturations de surface
Dents d ’engrenage
Corrosion par piqûres
Alliages et revêtements de surface générés par laser - 1
« Surface alloying and surface cladding »
Apport de matière
Distinction entre dépôt et alliage :
poudre
Fusion
laser
Vsubstrat fondu
fil
Dilution =
Vsubstrat fondu + Vapport fondu
α
Substrat refondu
substrat
ZAT
substrat
α = angle de mouillage
Dépôts – revêtements laser : D < 10 %
Alliages : D > 10 %
Sans métal d’apport, D = 100 %
Alliages et revêtements de surface générés par laser - 2
Alliage de surface (« alloying »)
Dépôt de surface («cladding »)
Buse coaxiale
laser
Buse latérale
laser
Vp
V
V
Zone
fondue
Zone
fondue
Forte dilution
ZAT
substrat
Refusion simultanée Substrat + poudre/fil
Bonne dilution
Propriétés d ’un alliage (Cr ou Mo sur Fe…)
Utilisation d ’un gaz réactif (N2)
Interface nette
substrat
Fusion de la poudre avant le substrat
Dilution réduite (< 10 %)
Propriétés d ’un dépôt adhérent (WC sur Fe…)
NB : Alliages , nécessité d’une meilleure compatibilité métallurgique
Influence des paramètres laser
laser
Propriétés de
la zone alliée
largeur
profondeur
Composition en
élément allié
homogénéité
Paramètres
influents
Quand P quand V commentaires
Pas d ’interaction entre
les variables
Quand P quand V Quand P quand V quand V Quand D Autre paramètre influent : Débit massique Dm (g/min)
Critère de sélection d ’éléments d ’alliage
Tfus
Tvap
Mo
Cr
Fe
Ni
Cu
Al
Sn
0
1000
2000
3000
4000
T°C
Nécessité d ’avoir une plage de température commune en phase liquide pour
assurer une dilution (si Tvap (substrat) < Tfus (dépôt) => problème)
Eviter les vaporisations, et les plasmas en surface de pièce
=> limiter la densité de puissance (kW/cm²)
(générateur de porosités)
Rechargement WC sur acier
Système de rechargement
Intégré
Alliages de Surface par laser : Ni sur AlAl-Si
But : Durcir la surface d ’alliages d ’aluminium moulés Al-Si par
réalisation d ’un alliage Al-Ni + formation de Al3Ni, Al3Ni2
Applications : Tribologiques
Irradiation laser : CO2 continu - 105 W/cm² (absorptivité <10 %)
Influence de l ’épaisseur de
Nickel prédéposée
HV
600
150 µm
400
100 µm
Réalisation d ’un alliage à 19.6 % Ni
par fusion de dépôt plasma
200
0
0
400
800
profondeur (µm)
Influence du taux de
Nickel dissous
Al, Si,
Al3Ni, Al3Ni2
HV
800
100 µm
Al-9%Si-Cu
Al3Ni
Al3Ni2
400
Al3Ni
0
0
20
% at Ni
40
Microstructure : Solidification front plan (bordure de la zone alliée) à dendritique équiaxe
Meilleurs résultats que la refusion laser, dureté comparable à celle d’une Martensite
Réalisation d’un Composite à Matrice Métallique Ti - SiC
SiC,, TiC
Kloosterman et al ,SMT11, 1997
Fibre 0.8 mm
YAG continu
2 kW
0.03 g /sec
CMM- Ti6Al4V- 35 %SiC
Gaz de
protection
(Argon)
HV = 350
SiC
2 mm
TA6V
HV = 3000
Résistance à l ’usure (Archard) :
V (m3)= k (N-1.m2) . P (N) . L (m)
Volume d ’usure
Force normale
Longueur de glissement
Ti6Al4V + 35% SiC : diminution d ’un facteur 7
35% TiC : diminution d ’un facteur 4
Réalisation de dépôts CoCo-W-Cr sur un acier moyen carbone
Nd:YAG – 2 kW – 5 mm /s – faisceau de 4 mm de diamètre – 10 g/min
Recouvrement 50 %
Analyse EBSD : orientation cristallographique des grains
Interface saine
Microstructure dendritique fine
U.De Oliveira, Surf & Coating Technology , 2007
Applications des dépôts et alliages avec apport de matière
APPLICATIONS
Stellitage de soupapes et de
Sièges de soupape
stellitage d’aubages
Nitruration phase liquide
- de rivets
- de trains d’atterrissage
Rechargement-laser sur rouleaux
d ’imprimerie (SiC sur acier)
Revêtement antianti-usure (WC) : pièces de forage …
Extension des traitements avec apport de poudre
Réparation de surface (aubes de turbine endommagées)
Prototypage rapide (génération de structures 3D)
La fabrication directe par laser
Procédés laser avec passage à l’état liquide (2(2- le soudage laser)
Le soudage laser
Soudage homogène en régime de keykey-hole
2 régimes de soudage par laser
Faible intensité (I <106 W/cm²)
Dépôt de puissance en surface
Soudage par conduction
Intensité élevée (I >107 W/cm²)
Dépôt de puissance en volume
Soudage par « key
key--hole »
Capillaire de vapeur
A
B
0.1-1 mm
ZF hémisphérique limitée par la
diffusion de la chaleur (< 1 mm)
Profondeur (mm)
A
B
1-10 mm
Forte pénétration (=>10 mm)
4,5
4
3,5
3
2,5
Key--hole
Key
2
1,5
2 kW – CO2
Acier @ 0.6 m/min
Conduction
1
0,5
0
10000
100000
1000000
10000000
I (W/cm²)
Le soudage laser par key
key--hole (1)
Key-hole (trou de serrure) = capillaire de vapeur à fort rapport d’aspect (z/d0)
sur les parois duquel se produit le dépôt de puissance laser
laser
C hevrons
d0
B ain liquide
surface
P orosités
B ulles
M ou vem ents de
C on vection
profondeur
C ordon solidifié
K ey-h ole
z
Le soudage laser par key
key--hole (2)
(1) Formation du capillaire
Plume de vapeur
métallique
ZF - conduction
I (W/cm²) = Ivap
I (W/cm²) >> Ivap
Vaporisation
Pression de vapeur
Guidage du rayonnement
« Trou de serrure »
Laser, I0
V
x
(2) Réflexions (Fresnel) & absorption de la
lumière laser sur les parois du capillaire
Vapeur
métallique
solide
z
I = I 0 . exp (− α .z )
Localement (parois) , tant que I > Ivap =>
propagation du capillaire selon z
liquide
α = coeff d’absorption = quelques cm-1
d0
Equilibre dynamique du capillaire de vapeur
Différentes pressions dynamiques sont exercées sur ce capillaire :
Pression d’ablation : Pabl = f(In) issue de la vaporisation du matériau => ouverture du capillaire
Pression de tension de surface (= σ/r) : exercée par les contraintes σ (N/m) à l’interface
liquide/vapeur Psurf = σ/r => Fermeture du capillaire
Pression hydrodynamique : ½ ρLVL² exercée par le fluide en mouvement à vitesse VL
Pression hydrostatique (gravité) Pg = ρLgh => Fermeture du capillaire
Lors d’un soudage laser, le capillaire doit rester ouvert (et stable)
Cordons de soudure @ Vs=0.5 m/min
Soudage MIG
Soudage Nd:YAG
(2.6 kW)
Soudage hybride
MIG+Laser)
4 mm
Profondeurs de soudage en CO2
Cours R.Fabbro , ENSAM (2008)
Coupe transverse d’un cordon : alliage NiFe (« Invar »)
Forme en « tête de clou »
2 hypothèses :
(1) influence de la plume de vapeur métallique
(2) Hydrodynamique du bain
Simulation du soudage laser
2 rsurf
Dépôt double source :
Zkey-hole
Surface : φsurf= φ0(W/m²)
Capillaire (volume)
(
)
φ W / m 3 = φ 0 . exp (− α .z )
Thèse A.Haboudou (2002)
Thèse E.Leguen (2009)
Structure d’un joint soudé
Cas d’un soudage bord à bord
1 Zone fondue (ZF)
Métal de
Base (MB)
2 Zones affectées thermiquement (ZAT)
1) Phase liquide, chauffage et
refroidissement rapide (<< sec)
2) composition chimique +/-homogène
3) microstructure de solidification
(dendrites) : tailles de grain variables
4) éventuellement : gaz occlus
5) possibilité de changement de phase
TRC
6) défauts (porosités ou fissuration)
1) Phase solide
2) composition chimique macroscopique
inchangée (localement : diffusion)
3) changement de propriétés mécaniques
(adoucissement ou durcissement possibles)
4) possibilité de changements structuraux
(taille de grain, transformation en phase
solide..)
Paramètre principal : cycle thermique T=f(t) vu par la ZF ou la ZAT
Microstructures de solidification
V
Coupe longitudinale : soudage laser YAG d ’alliages d ’aluminium
Structures de solidification
Vue de profil
Vue en coupe
Vlaser
isotherme
convections
Front
avant
Vsol
Key-hole
θ
Vsol
Vlaser
Interface liquide/solide
VSol = Vlaser . cos θ
Vue de dessus
Vlaser = vitesse de déplacement Source/pièce
Vsol = Vitesse d ’avancée du front de solidification
« La croissance de la solidification s’effectue
perpendiculairement aux isothermes (à l’interface
solide-liquide), selon le gradient thermique maximal »
Les grains sont orientés selon la direction de solidification
Coupes de cordons réalisés en YAG 4 kW continu
Soudage en transparence
Alu 6008 sur 6016
INVAR
solidification
Pompage
thermique
porosité
Solidification dendritique
A l’interface solide-liquide : présence d’une zone de surfusion
=> Siège de la solidification dendritique
Surfusion thermique
‘ équilibre
liquide
solide
température
vraie
(dT/dx)liq <0
Surfusion de constitution
soluté
solide
liquide
d
Qques µm
(dT/dx)liq >0
Transition colonnaire / équiaxe (CET) :
=> Apparition de germes solides en amont du front de solidification
=> Perte de la croissance épitaxiale et colonnaire
Les Défauts métallurgiques en soudage laser
Fissuration à chaud
Fissuration à froid
Porosités
1- Fissuration à chaud
Durant la solidification (en régime « pâteux ») => apparition de fissures localisées
- entre les dendrites, entre les grains (zone solidifiée en dernier, riche en impuretés, eutectique)
- suivant la direction de solidification et perpendiculairement aux isothermes
Cette fissuration est liée à la contraction du métal lors de la solidification (rétreint)
dessus
Vlaser/pièce
coupe
fissures
Lignes de solidification
Alliage d ’aluminium 6008, YAG 4 kW
Facteurs favorisant la fissuration à chaud
Matériau
1) Grand intervalle de solidification (∆T liquidus-solidus)
=> risque de manque de matière en fin de solidification
2) Composés à bas point de fusion
Procédé
1) Grande vitesse de soudage (de refroidissement)
=> le liquide n’a pas le temps de combler la fissuration
due au rétreint
T°C
∆T
% Mg
Zone de fissuration à chaud
Fissuration à chaudchaud-2
Indice de sensibilité
à la fissuration à chaud
Alliages d ’aluminium
Comment l’éviter ?
=> Diminuer la vitesse de soudage
=> choisir un matériau d ’apport (fil) adéquat pour
modifier les intervalles de solidification
exemple :
Fil d ’apport en Al-12% Si dans alliages 6000
1%
2%
% Mg-Si
Alliages 6000
Ajout de Si
=> limiter les géométries défavorables (Kt)
T°C
∆T
Alliages d ’aluminium fissurant à chaud:
certains alliages 2000, 6000, 7000
% Mg
Fissuration à chaudchaud-3
Cas des aciers inoxydables
Martensite
: risque de fissuration
martensitique à T>400°C
Austenite :
Fissuration à chaud
à T>1250°C
Fragilisation par phase σ
lors de TT entre 500 et 800°C
Ferrite :
Fragilisation par
grossissement du grain
si T> 1150°C
Diagramme de Schaeffler : Notions d’équivalents Cr et equivalents Ni
Fissuration des aciers inoxydables austenitiques : Fissuration aux niveau des espaces interdendritiques, aux jdG
=> film liquide se solidifie en dernier
=> contraintes de retrait appliquées sur les jDG => fissures
Solidification en ferrite primaire δ => pas de fissuration
Solidification en Austenite primaire γ => risque de fissuration
Contraintes thermiques plus faibles en δ car αT (γ) = 1.5 . αT (δ)
σ=
αE
.∆T
(1 − υ)
Fissuration à chaud (4) : choix d ’un matériau d’apport
Aciers
Connaissant le cycle thermique , optimiser la composition du fil d ’apport pour obtenir des
valeurs de résilience optimales (aciers de construction : % Mn)
Aciers inoxydables
Ferritiques : métal d ’apport austénitique pour augmenter la
ductilité de la ZF
Austenitiques : métal d ’apport voisin ou différent pour obtenir
2-10% ferrite δ (limite la fissuration à chaud)
=> utilisation du diagramme de Schaeffler
(calcul des taux de dilution acceptables)
B
Dilution = MB/AB
M
A
A = 17% Cr = métal à souder
B = fil d ’apport 310 (25-20)
Alliages d ’aluminium
matériaux d ’apport= 4000 (Al-Si) ou 5000 (Al-Mg) : 4043 = Al5Si, 4047 = Al12Si
choix de matériaux à points de fusion légèrement plus bas (facilite la fusion) : nuances plus alliées
Choix du bon niveau de dilution pour limiter la fissuration à chaud (éviter 1-2 % Mg-Si)
Fissuration à chaud - Spécificité du laser
Cinétiques rapides => décalage des seuils Creq/Nieq car
amplification de la susceptibilité à la fissuration
P+S (%)
Solidification γ
Solidification δ
Fissuration
Pas de fissures
1.5
Soudage
conventionnel
1.8
Creq/Nieq
Soudage
laser
pulsé
Solution ? : pré et postpost-chauffage
Fissuration à froid
Surtout dans les zones à risques (congés de raccordement …)
1) Absorption d ’Hydrogène dans la ZF et la ZAT
2) % de C (fissuration de la Martensite)
3) Contraintes importantes au refroidissement
=> Bridage important (les contraintes appliquées )
=> forte épaisseur (σ)
=> Concentrations de contraintes Kt (caniveaux, angles)
Risques de fissuration à froid
en ZAT et ZF
Influence du % H sur la contrainte de fissuration
σ (MPa)
300
2.5 ml/100 g
6.5 ml/100 g
200
30 ml/100 g
100
∆t 500/800
Problèmes de porosités en soudage laser
Micro-tomographie X sur un alliage d’aluminium soudé par laser (G.Peix, INSA Lyon)
Génération de porosités par laser
Porosité = bulle de gaz occluse (soufflure) ou défaut de retrait (retassure)
Soudage tôle / profilé : alliages 6000
laser YAG, protection Argon
Porosités en pied de cordon
Acier à 8 % Cr
0.5 m/min-4 kW YAG
Porosité de 0.5 mm
avec traces de Mg (MEB)
alliage 5083
Origines des porosités générées en soudage laser
Solubilité de l ’Hydrogène
dans le métal liquide
Vaporisation par le key-hole
=> alliage à bas point de vaporisation
(Mg, Zn …)
Gaz de protection occlus
He, Argon, N2
( si protection trop intense)
H (Ncm3/100g)
Instabilités de procédé-dynamique du capillaire
=> Fermetures, fluctuations du key-hole
T°C
Provenance de l’H :
surface + hygrométrie ambiante
Cavités-macroporosités en pied de cordon
N’ont pas toujours le temps d’être éjectées du BL
Microporosités (<0.2 mm)
Les porosités sont favorisées par :
- des convections importantes dans le bain liquide (Vs réduites)
- des surfaces oxydées (et/ou hydroxydées)
- des rapports d’aspect importants (= profondeur/largeur) Limitent leur évacuation
- des bains liquides courts et étroits
du bain liquide
Améliorations possibles (1)
Micro-porosités : influence d’une préparation de surface
Al 7Si 0.3Mg
Brut : 8 ppm H
Radiographie X + analyse d’image
11 %
Poli : 6 ppm H
8%
sablé
9%
Décapé laser : 2 ppm H
3%
Suppression de l’hydrogène adsorbé => réduction du % de micro-porosités
Améliorations possibles (2)
Influence d’une configuration bifocale-A
4 kW
Configuration L
d
d
Configuration T
monospot
Bispot
% porosités
5083 (Mg)
AS7G03 (Si)
12
8
4
0
0
0,3
A.Haboudou et al , J.Mat.Sci Eng (2000)
0,45
d ( mm)
0,75
0,9
Améliorations possibles (2)
Influence d’une configuration bifocale-B
Luminosité du key-hole = f(temps) – caméra rapide 2 kHz
5 10
4 10
3 10
2 10
∅
keyholes
d1
6
L monospot
L (bi 0.45 L)
deux spots
6
Alliages d’aluminium
6
Ordonnée 0 _ bi 0.45L
6
explosion
1 10
6
0
0.5
1
temps
1.5
temps
2
Iwase et al., J.Las. Appl, (2000)
d0
Un key-hole élargi par bi-spot est plus stable (pression de tension superficielle Ps= σ/r diminue)
=> Taux de Porosités diminue
Améliorations possibles (3)
Assistance gazeuse à la stabilité du key-hole : Elargissement –stabilisation par microbuse
Laser + protection gazeuse
« classique »
Laser
Microbuse (Ar …)
Laser + protection gazeuse
« classique »
R.Fabbro et al, (2006)
Influence et choix de la couverture gazeuse
Gaz utilisés : Hélium (+ léger), Argon, Azote N2
Considérations liées au procédé
Différence CO2 / YAG => Choix d ’un gaz peu plasmagène pour une longueur d ’onde donnée
(CO2 : puissance limitée à quelques kW sous protection Argon)
Notion de débit optimum (si trop faible => oxydation et/ou plasma parasite, si trop élevé => turbulences)
% porosités
Considérations liées à l ’interaction gaz-métal
Vitesse fluide (m/s)
Azote : possibilité de génération de nitrures (Al) => améliore le couplage avec l ’IR, peut
provoquer des éclaboussures
Nécessité d ’avoir des gaz propres (faible % de H)
Argon et Hélium : faible interaction métallurgique avec le métal liquide
Azote : peut poser des problèmes car faible solubilité dans la ferrite (aciers)
Modification des propriétés mécaniques
Locales après soudage laser
Cas des alliages d’aluminium
Durcis par écrouissage
Durcis structuralement
Cas d’un acier
Cas des alliages d’aluminium écrouis (1)
Matériau écroui = durci par déformation plastique à chaud ou à froid (dislocations)
exemple : alliages d ’aluminium (état « H »), aciers doux (faible % C)…, inox ...
1
HV
MB
2 Zone recristallisée (nouveaux grains)
avec ou sans grossissement de grain
3
1
Métal fondu - brut de solidification
2
d (mm)
3
Zone restaurée ou relaxée (σ )
Adoucissement sous l’effet de la fusion, et du cycle thermique T=f(t)
en phase solide
Cas des alliages d’aluminium écrouis (2)
Evolution de la microstructure lors
du soudage d’un alliage 5xxx écroui et soudé
Evolution de la structure et des
Propriétés mécaniques au cours d’un recuit
E.Sarrazin et al, Thèse , Ecole Polytechnique (1995)
Cas des alliages d’aluminium durcis structuralement (1)
Durcissement structural : 1- trempe (on fige à T ambiante un matériau
sursaturé en éléments alliés
2-revenu (les éléments en solution solide précipitent)
=> Précipitation fine (Barrières d’Orowan) : ex : β’ Mg2Si dans alliages 6000
H, R
H, R
T6
H0
ZAT
ZF
ZAT
T7
H0
T4
Abattement de
-30 % à – 40 %
Temps, température
Que se passe tt-il lors d’un soudage ?
Distance (mm)
Grossissement ou dissolution des précipités
Perte du durcissement structural
Cas des alliages d’aluminium durcis structuralement (2)
E.Sarrazin et al, Thèse , Ecole Polytechnique (1995)
Cas d’un acier soudé (par laser)
Conclusion
Spécificités des procédés laser avec passage à l’état liquide :
Différentes applications : soudage, traitements de surface, fabrication directe
Haute densité d ’énergie (>100 kW/cm²)
possibilité de vaporisation d ’éléments d ’alliage (tôles galvanisées, Mg dans Al)
=>porosités
Vitesses de chauffage et de refroidissement élevées (maxi = 105 K/s)
Donc : vitesses de fusion et de solidification élevées
=> Structures métallurgiques fines (bonnes propriétés mécaniques)
=> accentuations des phénomènes de fissuration à chaud
Mouvements de Convections :
⇒possibilité d ’homogénéiser la composition chimique du bain liquide
⇒Risques de turbulence, piégeage de gaz
Soudage par Key-hole
=> pénétration importante (fort rapport d’aspect)
=> porosités car possibilité de piégeage en pied de cordon
Soudage localisé : apport d’énergie ponctuel =>déformations et contraintes réduites par
rapport aux procédés conventionnels