Sous la direction de Rémy Fabbro. Présentée le jeudi 24 avril 2003 par Cédric Mas

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1 Sou la direction de Rémy Fabbro Préentée le jeudi 4 aril 003 par Cédric Ma

2 PLAN DE LA PRESENTATION Introduction au proceu de découpe, état de l art Partie I : THEORIE DE LA DECOUPE LASER Mie en place du modèle phyico-mathématique de découpe laer Partie II : SIMULATION Méthode de réolution numérique et préentation de réultat de imulation Partie III :EXPERIMENTATIONS ET COMPARAISONS Validation du modèle et meure d aborptiité Partie IV : CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

3 Introduction au procédé de découpe de métaux par laer 1-ECHANTILLON -LASER 3-GAZ D ASSISTANCE LASER BUSE GAZ LASER GAZ DEPLACEMENT ECHANTILLON DEPLACEMENT ECHANTILLON

4 Phyique de la découpe laer ABSORPTION DE L ONDE PAR LE METAL:ECHAUFFEMENT LOCAL GAZ LASER ECHANTILLON VAPORISATION PARTIELLE DU METAL PRESSION DE RECUL GENERATION DE LA PRESSION DE RECUL DEFORMATION DE LA SURFACE D INTERACTION ACTION DE CISSAILLEMENT DU GAZ DE DECOUPE + EJECTION FLUIDE LATERALE EJECTION FLUIDE LONGITUDINALE EJECTION FLUIDE DEFORMATION DEPLACEMENT GENERATION DE LA SAIGNEE DE DECOUPE

5 Éolution de idée en découpe laer : état de l art Inention de la découpe de métaux par laer : 1967 au TWI MODELES DE DECOUPE GLOBAUX 1 er modèle auto-conitant de découpe laer : Schulz 1989 pa de alidation expérimentale Modèle global implifié : Kaplan 1996 trop implifié Modèle tationnaire 3D : Petring 1995 Aucun logiciel diponible Approche peronnelle

6 Partie I THEORIE DE LA DECOUPE LASER

7 PARTIE I : THEORIE DU PROCEDE DE DECOUPE LASER 1-Approche géométrique : définition de la zone de traail Front de olidification y z x L r ECHANTILLON Film liquide Front de découpe réel Projection D du front de découpe Cellule élémentaire parallélépipédique (olume de contrôle)

8 PARTIE I : THEORIE DU PROCEDE DE DECOUPE LASER 1-Approche géométrique : condition de tationnarité du front de découpe Concept de itee de perçage I ab < I SEUIL P = 0 PAS DE CHANGEMENT GEOMETRIQUE I 0 d I ab I SEUIL EVOLUTION DYNAMIQUE DE LA SURFACE D INTERACTION p d p p eq d coeq Vérifiée en chaque point du profil de coupe p I 0 eq d CONVERGE VERS UN ETAT STATIONNAIRE

9 PARTIE I : THEORIE DU PROCEDE DE DECOUPE LASER -Équation bilan : coneration de la mae lz (i-1) (i-1) dm dt entrant dm dt ortant r (i-1) p l L dm dt entrant Matière olide r p L Gain conection longitudinale i 1 r i 1 i 1 l lz y l x r lz dm dt ortant l l L Perte conectie latérale r l lz Perte conectie longitudinale l r L Perte par éaporation z

10 PARTIE I : THEORIE DU PROCEDE DE DECOUPE LASER -Équation bilan : coneration de l énergie P long con z i 1 P EMS D P 3 diff x (i-1) T lat P con i T 1 P ab long P con n P éap P ab P P P long con 3D diff long con P 3D lat long i 1 PEMS Pdiff PconPcon Pé P ab P lat con I p A circ L l r L co i 1 llz i 1 i 1 r i 1C T i 1 EMS P long con l p lz r C T T 1 l L C r pl C pl r C pt f L r T pl p f L T P L L r éap l f p L f L 0 f

11 PARTIE I : THEORIE DU PROCEDE DE DECOUPE LASER 1 3-Éaluation de l épaieur du film liquide : thermique plane en découpe laer Hypothèe: Utiliation de l équation de la chaleur 1D car << r Le interface de changement de phae ont uppoée plane x EQUATION DE LA CHALEUR 1D AVEC FLUIDE EN MOUVEMENT z p p dt, l d, l d T d, l SOLIDE T () LIQUIDE T l () T T p T f T 0 0 VAPEUR FLUX LASER K l dt l d l p T () + CONDITION DE STEFAN: ln 1 K L dt d f l C pl C T l () T p T T f f p L T f 0

12 PARTIE I : THEORIE DU PROCEDE DE DECOUPE LASER 1 4-Dynamique du film liquide : itee d éjection latérale l EQUATION DE BERNOULLI MODIFIEE 1 dl ll p l dy ds preion 0 preion dynamique r de force friction Cte ur une ligne de courant B l p a l precul f pat T d p recul (T ) p (T ) A r x I(x,y) l r l l lr l aec l p T T f z y p T T f precul p AB

13 PARTIE I : THEORIE DU PROCEDE DE DECOUPE LASER 4-Dynamique du film liquide : itee d éjection longitudinale lz Égalité de contrainte de ciaillement à l interface liquide-gaz l g l d d lz f 8 g g p 0 BUSE LIQUIDE GAZ l = g x lz g z ECHANTILLON LIQUIDE GAZ SOLIDE Couche limite liquide Couche limite gazeue lz f 16 l g g 1

14 PARTIE I : THEORIE DU PROCEDE DE DECOUPE LASER 6-Etimation expérimentale du rayon de la aignée : r EVOLUTION SPATIALE DU RAYON DU FAISACEAU LASER w(z) EVOLUTION DU RAYON DE LA SAIGNEE EN FONCTION DE LA VITESSE DE DECOUPE Largeur aignée en urface Diamètre Faiceau en urface, ppf=-1mm r S (z) Linéaire (Largeur aignée en urface) r en µm Acier 304L, mm P 0 =00W, p 0 =9bar ppf=-1mm, f=17mm w d en mm/ L =10mm, M = r 1 d z pw z aec p 1.48 et 119 mm/ crit crit 1

15 1 Partie II SIMULATION

16 PARTIE II : SIMULATION 1-Méthode de réolution numérique I euil Paramètre d entrée : Matériau : paramètre phyique et thermophyique Laer : Type, Mode, M, P 0, w L Optique : type de lentille, f Gaz et bue : nature du gaz, p 0, h, d b Paramètre opératoire : d, ppf x eq (i-1) T (i-1) x euil cellule i-1 cellule i CONDITION DE STATIONNARITE T ±T NON BILAN DE MASSE ± NON OUI BILAN DE PUISSANCE eq (i) T (i) cellule i OUI 1G

17 PARTIE II : SIMULATION 1 -Réultat de imulation : io-intenité euil et profil de découpe Acier 304L P 0 = 1000W ppf = -mm z (mm) 0 cautique d = 10mm/ d = 50mm/ I euil ( d = 10mm/) I euil ( d = 50mm/) -9 x (µm)

18 PARTIE II : SIMULATION 1 -Réultat de imulation : éolution de paramètre de ortie ( ), (µm), e (mm) µm) T (K) T (K) ( ) épaieur (mm) d (mm/) Acier 304L P 0 =000W ppf=0mm p 0 =10bar

19 PARTIE II : SIMULATION 1 -Réultat de imulation : répartition de terme de puiance 60% Acier 304L P 0 =000W 50% 40% P/P ab (%) Perte conductie 3D 30% 0% Puiance conectie longitudinale Puiance chauffage du olide 10% 0% Puiance conectie latérale d (mm/)

20 Partie III EXPERIMENTATIONS ET COMPARAISONS

21 PARTIE III : EXPERIMENTATIONS 1-A Expérience de découpe : recherche de la itee de découpe maximum expérience imulation e, P 0, ppf fixé dmax P 0, ppf fixé dmax, e Comparaion itee de coupe d (mm/) ( d ) max =105mm/ d d 5,7% ( d ) max =4mm/ Expérience : itee maximum Simulation Acier 304L P 0 =00W ppf et p 0 optimié épaieur (mm) d d ( d ) max =1mm/ 18,8% d d 0,0%

22 PARTIE III : EXPERIMENTATIONS 1-B Expérience de découpe : recherche de la puiance laer minimum expérience imulation e, d, ppf fixé (P o ) min ppf, (P o ) min fixé d, e Comparaion itee de coupe d d 14,0% (P 0 ) min =1600W Expérience : puiance minimum Simulation Acier 304L ppf et p 0 optimié d (mm/) (P 0 ) min =1500W 30 (P 0 ) min =100W épaieur (mm) d d -,6% 1,6% d d

23 PARTIE III : EXPERIMENTATIONS 1-C Expérience de découpe : recherche de la défocaliation maximum expérience imulation e, d, P 0 fixé (ppf) max P 0, (ppf) max fixé d, e Comparaion: itee de coupe d (mm/) (ppf) max =-,5mm d d -11,8% Expérience : défocaliation maximum Simulation Acier 304L P 0 =00W (ppf) max =-3,6mm épaieur découpée (mm) d d (ppf) max =-4,0mm - 0,9% d d -1,6%

24 PARTIE III : EXPERIMENTATIONS -Retour ur l aborptiité Modèle de Drude Equation de Frenel Hypothèe Matériau en phae olide Surface d interaction parfaitement plane Aborptiité théorique (polariation circulaire, acier inoxydable) : A Fr 30%;40% A exp

25 PARTIE III : EXPERIMENTATIONS -Aborptiité : meure par tranmiion P 0 d

26 PARTIE III : EXPERIMENTATIONS -Aborptiité : meure par tranmiion P 0 d Thermocouple K C C/ F T PEAK On Off

27 PARTIE III : EXPERIMENTATIONS -Meure d aborptiité : détermination de puiance laer tranmie Limite de écabilité P 0 d1 80% 70% 60% A exp A exp (%) 80% 75% 70% P R e 50% 65% d 40% 30% P/Putile (%) P R +P T 60% 55% P R P T Autre condition de découpe 0% 10% 0% Acier 304, 4mm P 0 =080W ppf = -1,5mm p 0 = 14bar d (mm/) P T 50% 45% 40%

28 PARTIE III : EXPERIMENTATIONS -Aborptiité : meure par diffuion P 0 d

29 PARTIE III : EXPERIMENTATIONS -Aborptiité : meure par diffuion Iotherme de fuion Métal fondu D P 3 diff P 0 d thermomètre calorimètre

30 PARTIE III : EXPERIMENTATIONS 3 -Meure d aborptiité : détermination de puiance diffuée dan l échantillo Perte conductie 3D (W) Acier 304L, 4mm P 0 =030W K =40W/m/K ppf = -1,5mm p 0 = 14bar K =30W/m/K 00 K =15W/m/K 100 Pe=[(r +) p ]/ 0 0,0 0, 0,4 0,6 0,8 1,0 1,

31 PARTIE III : EXPERIMENTATIONS 3 -Meure d aborptiité : comparaion de deux méthode Méthode puiance tranmie e(mm) P0 (W) d (mm/) Aexp(%) Méthode puiance diffuée e(mm) P0 (W) d (mm/) Aexp(%) Simulation Ath(%) 49, 38, ,6 51,5 Simulation Ath(%) 45 43,3 44, 44,1 0%-30% A F

32 PARTIE III : EXPERIMENTATIONS 3 -Meure d aborptiité : erreur ur la meure de l aborptiité Meure de puiance laer tranmie : Suretimation de l aborptiité BUSE LASER GAZ ECHANTILLON d GOUTTELETTES A exp : ~ 70% ~ 45% CROSS JET INTENSITE LASER ATTENUEE SONDE

33 PARTIE III : EXPERIMENTATIONS 3 -Meure d aborptiité : interprétation de l accroiement de l aborptiité Effet phyique potentiellement reponable de l augmentation de l aborptiité 1-Rugoité moyenne et déformation de l interface liquide-gaz -Oxydation partielle de urface 3-Changement de phae olide-liquide exp.;1. 3 Fr A 1 A 4-Polariation de l onde laer 5-Multiréflexion laer

34 3 Partie IV CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

35 PARTIE IV : CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 3 1-Concluion Mie en place d un modèle D tationnaire de découpe de métaux par laer Unification de tou le proceu élémentaire Principe de fonctionnement Paramètre opératoire d entrée : Matériau, P 0, d, ppf, p 0, w L, M, f, h Auto-conitance partielle : r fixé expérimentalement Profil géométrique D du front aant de découpe + Paramètre de ortie Bonne corrélation entre le réultat imulé et le donnée expérimentale de découpe Erreur relatie maximale : 5% Détermination de zone de tabilité de la découpe par l utiliation d une méthode inere Aborptiité expérimentale upérieure de 0% à 30% à l aborptiité de Frenel

36 PARTIE IV : CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 3 -Traail en cour et perpectie d ordre théorique A-Modéliation 3D de la aignée de découpe Aantage : 1-modèle entièrement auto-conitant -calcul du rayon de la aignée 3-génère la géométrie complète de la aignée Inconénient : -temp de calcul beaucoup plu important B-Découpe actie : prie en compte de la réaction exothermique de l oxygène aec le métal fondu C-Non-tationnarité du procédé de découpe laer : génération de trie de découpe

37 PARTIE IV : CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 3 3-Traail en cour et perpectie d ordre expérimental Sytématier le expérience de découpe : obtention d abaque, conolidation du modèle Étudier d autre matériaux, changer de ource laer (Nd-Yag) Intrumenter de expérience de iualiation du front de découpe in itu étude de la non-tationnarité du proceu de coupe

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