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 laser-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 photon-électron Energie d un photon E =hν ν = h c /λ Photon incident hν électron E2 E1 Absorption E2 E1 E2 E1 Emission spontanée E2 E1 Photon incident hν E2 E1 Emission Stimulée Photon émis E2 E1 λ 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) Nd 3+ Cavité résonante 3 Miroir réflexion Totale 2 Miroir semi- transparent 1 milieu actif (gaz/solide) 2 Pompage / excitation 3 Cavité résonante => amplification
Emissions stimulées Laser à gaz : Laser CO 2 Laser à barreau solide : Nd:YAG Transfert résonant excité Excitation (pompage Électrique) fondamental Excitation par décharge électrique dans un mélange Gazeux N 2 + CO 2 + He (stabilisant thermique) Excitation optique (lampe flash)
Propriétés du rayonnement laser Rayonnement monochromatique ( Nd:YAG = 1.06 µm, CO 2 = 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) = λ( m). F( m) 1.22. D ( ) 0 m F = distance focale D 0 = diamètre incident λ= longueur d onde d=diamètre minimum D 0 F d(m) Transport de faisceau : miroirs (CO 2 ), fibres optiques (Nd:YAG)
Les différents types de lasers-1 Lasers à solides / Lasers à gaz KrF 0.238 µm XeCl 0.308 µm 0.8-0.92 0.92 µm Lasers à fibres 1.06 µm 10.6 µm Longueur d onde λ (µm) Lasers excimères Diodes lasers Lasers Nd:YAG Lasers CO 2 Transportables par fibres optiques Transport du faisceau = dépendant de la longueur d onde
Les différents types de lasers-2 Lasers continus & Lasers pulsés P (W) P (W) E(J) = énergie par impulsion P 0 P crête τ t (s) t (s) Pmoyenne = Pcrête = P 0 P crête = E( J ) τ ( s) 10-15 s < τ < 10-1 s 1 mw < P 0 < 100 kw P moyenne = E( J ). f ( Hz) Exemple = E=10 J, f=10 Hz, τ=10 ms => P moy = 100 W, P crête = 1000 W
Les différents types de lasers -3 Différentes distributions spatiales I (W/m²) = f(x,y)) Mode TEM00 (Gaussien) Sortie de fibre optique => top-hat r 0 φ (r) = l 2P 2.25. π.r 2 0 2r. exp( r 2 2 0 ) Φ (W/m²)= φ 0 = P/S Faisceau Multimode TEM01 Laser CO 2 : 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 Soudage, découpe 0.33 J/impulsion, 60 Hz, 10 ns Diode laser 4 kw (14 kw électrique) 0.91-0.98 µm, 250 k Traitements de surface Décapage 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 (Drude) Dépôt d énergie absorption du faisceau Mécanique des fluides (convection, échanges d énergie) Thermique (transfert d énergie) Métallurgie - Microstructures Thermochimie (oxydation, nitruration)
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: collision électrons-photons (Drude) Flux incident Flux absorbé (W/m²) Absorptivité : ------------------------------ Flux incident (W/m²) Absorptivité + Réflectivité = 1 Gaz d électrons libres Flux absorbé/transmis Flux réfléchi atomes Épaisseur de peau : avec α = coefficient d absorption volumique k = coefficient d extinction Exemple : @10.6 µm, e (Fe) = 40 nm, e (Al) = 8 nm, e (SiO 2 ) = 1-3 µm Absorption en surface = métaux, céramiques Absorption en surface ou en volume (Beer-Lambert I=I 0 exp (-αz) )= polymères
L absorption du rayonnement laser -2 Nd : YAG CO 2 1 Excimère Diode Verre 0.8 absorptivité 0.6 0.4 0.2 Autres métaux (Au, Ag, Al, Cu) Métaux transitoires (Fe, Ni, W, Mo) 0 0.1 1 10 longueur d'onde λ (µm) Métaux : meilleure absorption à1.06 µm (Nd:YAG) qu à10.6 µm (CO 2 ) Mais grande influence de l état de surface
L absorption du rayonnement laser -3 Paramètres influençant l absorption du rayonnement - longueur d onde (λ, A pour un métal) - angle d incidence (A élevé à incidence normale) - température de la surface (A = A 0 + 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/m 3 ) ou surfacique (W/m²) Transformations de la matière : phase solide, liquide, vapeur, ou plasma Problématique : Effets thermiques induits par une irradiation laser I 0 (W/m²) = f(x,y,t) Loi de Fourier : q (W/m²) = - K(W/m.K). T (K/m) Flux de Conductivité Gradient local chaleur thermique de température q(x) ds q(x+dx) Élévation de température d un volume V V par 1 apport d énergie E U (m/s) E (J)= ρ (kg/m 3 ).Cp (J/kg.K). T (K). V (m 3 ) dx Chaleur spécifique
Transferts thermiques & lasers (2) Équation de la chaleur (avec K indépendant de T) 2 2 2 T T T T ρ T T T Cp = K. + + U.( ρcp) + + + φ t x² y² z² x y z Terme d accumulation Vitesse locale du fluide (m/s) avec U=0 Terme source (W/m 3 ) Conditions aux limites (laser) Chauffage (cas d une distribution Gaussienne): A = A 0 exp (x²/r²) Pertes thermiques : P = h(t).(t-t 0 ) + ζ (Τ 4 Τ 04 ) Pertes radiatives Terme source φ = somme des 2 Coefficient de pertes Par convection (W/m².K) 10 (air) < h < 10 4 Constante de Stefan (5.67.10-8 W/m²K 4 )
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 Equation de Rosenthal Laser T = P V. R V. x.exp( ). exp 2 π KR 2 κ 2 κ y z x Avec κ=k/(ρc p ) = diffusivité (m²/s) R=(x²+y²+z²) 0.5, V= Vitesse (m/s) NB : quand Κ augmente T diminue 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) et La tension superficielle : interfaces liquide/gaz G L 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 dσ /dt (N/m/K) Energie d interface E i Surface Γ i -0.42.10-3 -0.12.10-3 -0.15.10-3 de E E i i i = dt + dγi = SidT + d T Γ γ i Γ i 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
I (W/m²) La convection de Marangoni 1-Marangoni thermique - Influence de l éclairement laser I (W/m²) TEM00 TEM01 δσ/δt < 0 δσ/δt > 0 NB : La vitesse fluide Vf augmente quasi-linéairement avec δσ/δt 2-Marangoni Chimique : effet d éléments tensio-actifs (Sulfures) 10 ppm S =>δσ/δt < 0 150 ppm S=>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 10 2 K/s (300 K/s <laser< 10 10 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) V absolue V refroidissement (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 G État métastable G État stable C sol (eq) C 0 C liq (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 C 0 ) => Définition de diagrammes de phase hors équilibre : C 0 =f(t)
La solidification rapide (3) Vitesse réduite : diffusion sol => liq de soluté Solidification rapide : faible diffusion de soluté solide liquide V V C C C liq C sol C 0 x x L augmentation de C sol 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) 10 10 10 9 Choc-laser 100 J/cm² 1000 J/cm² 10 5 J/cm² Energie spécifique (J/cm²) Microperçage (ps, fs) 10 8 10 7 10 6 Dépôts Rechargement Découpe-perçage soudage 10 5 10 4 10 3 10-3 J/cm² 0.1 J/cm² 1 J/cm² Trempe traitements phase solide 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 Temps d interaction (sec) Temps d interaction (s) x Densité de puissance (W/m²) = fluence (J/m²)
Les différents procédés laser -2 Soudage Soudo-brasage acier Perçage Alu Fusion-solidification rapide (hors-équilibre) Découpe Traitements de surface (alliages-dépôts) Fabrication directe Effets spécifiques induits sur les matériaux
Procédés laser avec passage à l état liquide (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 Aptitude à L emboutissage Résistance à la corrosion (piqûration, Corrosion sous Contrainte ) Décapage Revêtements métalliques à chaud (galvanisation) Revêtements électrolytiques Revêtements organiques Traitements par voie physique (PVD) Traitements laser Résistance à la Fatigue (thermique) Aspect, esthétisme Aptitude à l assemblage Traitements laser = localisés (mm²- cm²)
Les traitements de surface par laser (2) Traitement de Trempe 10 3 W/cm² 10 6 W/cm² 10 9 W/cm² Phase solide Phase liquide Avec ablation Traitement thermochimiques Nitruration, Cémentation Refusion de surface Réalisation d alliages ou dépôts avec apport de poudre (Rechargement) PLD Durcissement par ondes de choc-laser Densité de puissance (W/cm²) Densités de puissance variables entre 10 3 W/cm² et 10 10 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 (CO 2, YAG, Diodes) Chauffage T > AC3 Refroidissement rapide (> 300 C /sec) LASER 10 3 W / cm² α α γ α M α Dilatation de la couche superficielle Transformation Austénitique α γ : contraction de surface 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 = auto-trempe trempe (par évacuation de la chaleur vers le substrat) Pyrométre -> T C Martensite M (CC) Faisceau homogénéisé V soud Austenite γ (CFC) Revêtement (PhMn, Graphite ) Contrainte résiduelle (MPa) 600 400 200 0-200 -400 XC42-2.4 kw CO 2-10 mm/s épaisseur trempée HV 700 650 600 550 500 450 400 350-600 300 0 200 400 600 800 1000 profondeur (mm) 1. CO 2 : 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 Pic de traction => problème
Simulation numérique de l opération de trempe CALCUL THERMIQUE Chaleur de déformation Dilatation thermique Transformation structurale Chaleur latente de transformation Transformation induite par contrainte CALCUL METALLURGIQUE Plasticité de transformation Equation de la chaleur T ρ. C p..(k. T) = t t Dépôt source Q 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 et al., Mat.Sci& Eng, 2007 Autres traitements laser en phase solide = Nitruration, cémentation Thermo-Diffusion de l azote : D (m²/s) =D 0.exp (- H/RT) => e=(2.d.t) 0.5
Trempe laser / autres procédés de trempe superficielle Laser Auto-trempetrempe Faibles 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 (30-40 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 N 2 (Nitruration phase liquide ) Lasers : continus ou pulsés (100 W à 5 kw) - MW / cm² Laser Stries de solidification V S L Mouvements de convection Protection gazeuse = anti-oxydation (He, Ar, N 2 )
Exemple : fusion superficielle d un superalliage base nickel Vortex => homogénéisation V=1 m/min d 0 Zone fondue 1 mm fissuration x z y ZF V l θ V s e V s = V l cos θ Profondeur de refusion e k ( W /( m. K)) ( m) = 2D ( m² / s). t( s) avec D = 3 ρ( kg / m ). Cp( J /( kg. K)
Gradients thermiques et vitesses de solidification en ZF 0 Gradient thermique G (K/m) 0 Structure équiaxe G (K/m) Structure colonnaire -1 Temps t + ε Temps t z = profondeur normalisée du cordon = z min /z max -1 z z 3.10 6 6.10 6 Vitesse de solidification (m/s) 0 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) 10 11 10 10 10 9 Front Plan 10 8 10 7 Fond de ZF V l = 2 m/s V l = 0.2 m/s Dendrites V absolue Bandes 10 6 Haut de ZF 10 5 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 2H + + 2e - => H Cl - 2 2H + + 2e - => H 2 Film passif 2 e - 2 e - Réaction Fe => Fe 2+ Fe => Fe 2+ cathodique 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 de germination de piqûres Potentiel E (V) 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) CO 2, YAG ou diode, kw, faisceau de quelques mm² Fonte blanche 800HV 300 Fonte grise GS 700 600 500 400 ZF ZAT 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
Désensibilisation des joints soudés (aciers inoxydables γ : REP - Toshiba) Principe [Cr] Refusion superficielle par laser - 4 Corrosion Intergranulaire 18% Cr Réacteurs à eau Pressurisée Intérieur des tubes - H 2 0-280 C Paroi du REP Cr 23 C 6 Joint de grain Zone déchromée 12% Cr Tube Traitement laser : désensibilisation fibre tête optique de rotation laser Remise en Solution solide des M 23 C 6 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 σ r )
Contraintes résiduelles induites lors d une refusion (laser) Schéma simplifié Chauffage Contrainte (MPa) σ Y A T fusion E Température ( C) Dilatation (ε > 0) => σ < 0 Refroidissement σ Y 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., 5 th 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 : Fusion laser poudre fil Dilution = V substrat fondu V substrat fondu + V apport fondu substrat ZAT α Substrat refondu 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 latérale laser laser Buse coaxiale V p V Forte dilution Zone fondue ZAT V Zone fondue Interface nette substrat substrat Refusion simultanée Substrat + poudre/fil Bonne dilution Propriétés d un alliage (Cr ou Mo sur Fe ) Utilisation d un gaz réactif (N 2 ) 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 Quand P quand V Quand P quand V quand V Quand D commentaires Pas d interaction entre les variables Autre paramètre influent : Débit massique Dm (g/min)
Critère de sélection d éléments d alliage Mo Cr Fe Ni Cu Al Sn T fus T vap 0 1000 2000 3000 4000 T C Nécessité d avoir une plage de température commune en phase liquide pour assurer une dilution (si T vap (substrat) < T fus (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 Al-Si But : Durcir la surface d alliages d aluminium moulés Al-Si par réalisation d un alliage Al-Ni + formation de Al 3 Ni, Al 3 Ni 2 Applications : Tribologiques Irradiation laser : CO 2 continu - 10 5 W/cm² (absorptivité <10 %) Réalisation d un alliage à 19.6 % Ni par fusion de dépôt plasma Al, Si, Al 3 Ni, Al 3 Ni 2 600 400 200 HV Influence de l épaisseur de Nickel prédéposée HV 100 µm 150 µm 0 0 400 800 profondeur (µm) Influence du taux de Nickel dissous 800 100 µm Al-9%Si-Cu 400 Al 3 Ni Al 3 Ni Al 3 Ni 2 0 0 20 40 % at Ni 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, TiC Kloosterman et al,smt11, 1997 0.03 g /sec Fibre 0.8 mm YAG continu 2 kw CMM- Ti6Al4V- 35 %SiC Gaz de protection (Argon) SiC HV = 350 2 mm TA6V Résistance à l usure (Archard) : HV = 3000 Volume d usure V (m 3 )= k (N -1.m 2 ). P (N). L (m) Force normale Longueur de glissement Ti6Al4V + 35% SiC : diminution d un facteur 7 35% TiC : diminution d un facteur 4
Réalisation de dépôts Co-W-Cr Cr sur un acier moyen carbone Nd:YAG 2 kw 5 mm /s faisceau de 4 mm de diamètre 10 g/min Recouvrement 50 % Interface saine Analyse EBSD : orientation cristallographique des grains 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 anti-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- le soudage laser) Le soudage laser Soudage homogène en régime de key-hole
2 régimes de soudage par laser Faible intensité (I <10 6 W/cm²) Dépôt de puissance en surface Soudage par conduction Intensité élevée (I >10 7 W/cm²) Dépôt de puissance en volume Soudage par «key-hole» Capillaire de vapeur A B 0.1-1 mm A B 1-10 mm ZF hémisphérique limitée par la diffusion de la chaleur (< 1 mm) Forte pénétration (=>10 mm) Profondeur (mm) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Conduction Key-hole 10000 100000 1000000 10000000 2 kw CO 2 Acier @ 0.6 m/min I (W/cm²)
Le soudage laser par key-hole (1) Key-hole (trou de serrure) = capillaire de vapeur à fort rapport d aspect (z/d 0 ) sur les parois duquel se produit le dépôt de puissance laser Chevrons laser d 0 surface profondeur Porosités Cordon solidifié Bain liquide Bulles M ouvements de Convection Key-hole z
Le soudage laser par key-hole (2) (1) Formation du capillaire Plume de vapeur métallique Laser, I 0 ZF - conduction I (W/cm²) = I vap Vaporisation Pression de vapeur I (W/cm²) >> I vap Guidage du rayonnement «Trou de serrure» z x Vapeur métallique liquide V solide (2) Réflexions (Fresnel) & absorption de la lumière laser sur les parois du capillaire ( z) I = I. exp. 0 α Localement (parois), tant que I > I vap => propagation du capillaire selon z α = coeff d absorption = quelques cm -1 d 0
Equilibre dynamique du capillaire de vapeur Différentes pressions dynamiques sont exercées sur ce capillaire : Pression d ablation : P abl = f(i n ) 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 P surf = σ/r => Fermeture du capillaire Pression hydrodynamique : ½ ρ L V L ² exercée par le fluide en mouvement à vitesse V L Pression hydrostatique (gravité) P g = ρ L gh => 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 CO 2 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 r surf Dépôt double source : Z key-hole Surface : φ surf = φ 0 (W/m²) Capillaire (volume) φ 3 ( / m ) = φ.exp ( α.z) W 0 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) 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) 2 Zones affectées thermiquement (ZAT) 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
Front avant Vue de profil V laser Structures de solidification convections Vue en coupe isotherme V sol Key-hole θ V sol V laser Interface liquide/solide V = V. cosθ Sol laser V laser = vitesse de déplacement Source/pièce V sol = 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» Vue de dessus 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 solide Surfusion thermique liquide équilibre 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 V laser/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 Zone de fissuration à chaud T C T % Mg
Comment l éviter? Fissuration à chaud-2 Indice de sensibilité à la fissuration à chaud Alliages d aluminium => 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 % Alliages 6000 Ajout de Si % Mg-Si => limiter les géométries défavorables (K t ) T C Alliages d aluminium fissurant à chaud: certains alliages 2000, 6000, 7000 T % Mg
Fissuration à chaud-3 Cas des aciers inoxydables Austenite : Fissuration à chaud à T>1250 C Martensite : risque de fissuration martensitique à T>400 C Fragilisation par phase σ lors de TT entre 500 et 800 C Diagramme de Schaeffler : Notions d équivalents Cr et equivalents Ni Ferrite : Fragilisation par grossissement du grain si T> 1150 C 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 α T (γ) = 1.5. α T (δ) αe σ =. 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) Dilution = MB/AB A M B 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 Cr eq /Ni eq car amplification de la susceptibilité à la fissuration P+S (%) Solidification γ Solidification δ Fissuration Pas de fissures 1.5 1.8 Cr eq /Ni eq Soudage conventionnel Soudage laser pulsé Solution? : pré et post-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 K t (caniveaux, angles) Risques de fissuration à froid en ZAT et ZF Influence du % H sur la contrainte de fissuration σ (MPa) 300 200 100 2.5 ml/100 g 6.5 ml/100 g 30 ml/100 g 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 H (Ncm 3 /100g) Vaporisation par le key-hole => alliage à bas point de vaporisation (Mg, Zn ) Gaz de protection occlus He, Argon, N 2 ( si protection trop intense) 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) - des bains liquides courts et étroits Limitent leur évacuation 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 d Configuration L d Configuration T monospot Bispot % porosités 12 5083 (Mg) AS7G03 (Si) 8 4 0 0 0,3 0,45 0,75 0,9 d ( mm) A.Haboudou et al, J.Mat.Sci Eng (2000)
Améliorations possibles (2) Influence d une configuration bifocale-b Luminosité du key-hole = f(temps) caméra rapide 2 khz 5 10 6 d 1 keyholes Alliages d aluminium 4 10 6 deux spots L monospot L (bi 0.45 L) 3 10 6 2 10 6 explosion Ordonnée 0 _ bi 0.45L 1 10 6 0 0.5 1 1.5 2 temps temps Iwase et al., J.Las. Appl, (2000) d 0 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 N 2 Considérations liées au procédé Différence CO 2 / YAG => Choix d un gaz peu plasmagène pour une longueur d onde donnée (CO 2 : 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... HV 1 Métal fondu - brut de solidification 1 2 3 MB 2 Zone recristallisée (nouveaux grains) avec ou sans grossissement de grain 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 Mg 2 Si dans alliages 6000 H, R H 0 T6 H, R ZAT ZF ZAT T4 T7 H 0 Abattement de -30 % à 40 % Temps, température Que se passe t-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 = 10 5 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