Sou la direction de Rémy Fabbro Préentée le jeudi 4 aril 003 par Cédric Ma
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
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
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
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
Partie I THEORIE DE LA DECOUPE LASER
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)
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
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
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 0. 7 1
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
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
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
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) 500 450 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) 400 350 Linéaire (Largeur aignée en urface) 300 50 00 150 r en µm Acier 304L, mm P 0 =00W, p 0 =9bar ppf=-1mm, f=17mm w d en mm/ L =10mm, M =1.75 0 0 40 60 80 100 1 r 1 d z pw z aec p 1.48 et 119 mm/ crit crit 1
1 Partie II SIMULATION
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
PARTIE II : SIMULATION 1 -Réultat de imulation : io-intenité euil et profil de découpe Acier 304L P 0 = 1000W ppf = -mm 4 3 1 z (mm) 0 cautique d = 10mm/ d = 50mm/ I euil ( d = 10mm/) -1 - -3-4 -5-6 -7-8 I euil ( d = 50mm/) -9 x (µm) -10-400 -300-00 -100 0 100 00 300 400
PARTIE II : SIMULATION 1 -Réultat de imulation : éolution de paramètre de ortie 50 0 18 16 14 1 ( ), (µm), e (mm) µm) T (K) T (K) 00 150 100 050 000 10 ( ) 1950 8 1900 6 1850 4 0 1800 épaieur (mm) d (mm/) 1750 1700 0 0 40 60 80 100 10 140 160 Acier 304L P 0 =000W ppf=0mm p 0 =10bar
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/) 0 10 0 30 40 50 60 70 80
Partie III EXPERIMENTATIONS ET COMPARAISONS
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 140 10 100 80 60 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 40 0 0 épaieur (mm) d d ( d ) max =1mm/ 18,8% 1 3 4 5 6 7 d d 0,0%
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 100 90 80 70 d d 14,0% (P 0 ) min =1600W Expérience : puiance minimum Simulation Acier 304L ppf et p 0 optimié 60 50 40 d (mm/) (P 0 ) min =1500W 30 (P 0 ) min =100W 0 10 0 épaieur (mm) d d -,6% 1,6% 1 3 4 5 6 7 d d
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 100 90 80 70 60 d (mm/) (ppf) max =-,5mm d d -11,8% Expérience : défocaliation maximum Simulation Acier 304L P 0 =00W 50 40 (ppf) max =-3,6mm 30 0 10 0 épaieur découpée (mm) d d (ppf) max =-4,0mm - 0,9% 1 3 4 5 6 7 d d -1,6%
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
PARTIE III : EXPERIMENTATIONS -Aborptiité : meure par tranmiion P 0 d
PARTIE III : EXPERIMENTATIONS -Aborptiité : meure par tranmiion P 0 d Thermocouple K +35.6 +5.0 C C/ F T PEAK On Off
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/) 10 15 0 5 30 35 40 45 P T 50% 45% 40%
PARTIE III : EXPERIMENTATIONS -Aborptiité : meure par diffuion P 0 d
PARTIE III : EXPERIMENTATIONS -Aborptiité : meure par diffuion Iotherme de fuion Métal fondu D P 3 diff P 0 d thermomètre calorimètre
PARTIE III : EXPERIMENTATIONS 3 -Meure d aborptiité : détermination de puiance diffuée dan l échantillo 800 700 600 500 400 300 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,
PARTIE III : EXPERIMENTATIONS 3 -Meure d aborptiité : comparaion de deux méthode Méthode puiance tranmie e(mm) P0 (W) d (mm/) Aexp(%) 514 15 75 140 47 60 4 1035 14 76 4 003 40 67 6 59 5 69 Méthode puiance diffuée e(mm) P0 (W) d (mm/) Aexp(%) 1170 40 36 1170 47 4 4 080 30 45 4 080 40 49 Simulation Ath(%) 49, 38,6 50 43,6 51,5 Simulation Ath(%) 45 43,3 44, 44,1 0%-30% A F
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
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
3 Partie IV CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
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
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
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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