a) Bulles d’air
Lors des essais, nous avons constaté la présence de bulles d’air en mouvement, à priori aléatoire, dans la chambre ayant pour effet immédiat la déviation du faisceau laser dans la chambre. Ce phénomène est à l’origine d’une part, d’un mauvais couplage temporaire du faisceau dans le jet interrompant la découpe et, d’autre part, de l’endommagement de la partie interne de la chambre lorsque le laser est dévié sur celle-ci. Ces bulles avaient de plus tendance à se loger dans les coins où la vitesse du fluide est la plus basse voire nulle (cf. les simulations hydrodynamiques) et finalement à n’en plus partir. Le risque majeur est qu’une
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bulle vienne glisser sur la surface du saphir ce qui, en croisant le faisceau, risque une destruction de celui-ci.
Pour remédier à ce problème, une nouvelle forme de chambre a été conçue en forme de tore de 4 mm de hauteur dans laquelle nous avons supprimé tous les angles vifs. Ainsi, les bulles ne peuvent plus rester fixes et devraient être attirées d’elles-mêmes vers la buse de sortie en même temps que le fluide. Le revers de cette solution est la possibilité de créer un vortex dans la chambre. Des essais sont prévus dès lors que la chambre montée avec la focale de 100 mm aura été installée.
b) Reflets sur les tôles
Il est arrivé également lors de différents essais, qu’il y ait un retour de type impulsionnel du faisceau vers la chambre. La modélisation de ce phénomène est prévue comme perspectives à ce travail. Néanmoins, nous avons établi plusieurs hypothèses pour expliquer l’origine de ce phénomène. Ce phénomène pourrait venir directement d’une réflexion sur la surface du matériau. Ayant constaté que ce phénomène n’existe que lors de la découpe hybride mais pas lors de la découpe laser seul du matériau, nous avons émis d’autres hypothèses qu’il s’agira de confirmer. Ce phénomène pourrait provenir de micro-vibrations de la tôle résultant de l’action du jet malgré une fixation performante des échantillons par brides sur le caillebotis. Ce phénomène pourrait également provenir des réflexions sur des micro-vagues provoquées par l’évacuation de l’eau sur la tôle ou par l’eau sublimée par l’action du laser. Ce phénomène reste donc à l’heure actuelle à modéliser.
V - CONCLUSION
Les simulations d’hydrodynamisme réalisées à l’aide du logiciel Fluent montrent que la géométrie limitant les perturbations et augmentant par là même la qualité du jet est celle présentant une hauteur très grande par rapport au diamètre. A l’opposé, les calculs théoriques d’absorption stipulent que la géométrie doit présenter une hauteur la plus faible possible pour assurer le passage du faisceau laser de puissance avec le minimum d’absorption. Deux possibilités optogéométriques de chambre, chambre longue et chambre courte, ont été testées et les résultats plaident en faveur de la seconde solution. En effet, bien que les essais confirment nos résultats de simulations hydrodynamiques, il a été impossible d’obtenir en
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sortie de la chambre de couplage la puissance optique nécessaire à la découpe lorsque la colonne d’eau au-dessus de la buse dépasse une épaisseur de 5 mm.
Grâce à ce système, des perçages et des découpes ont pu être réalisés sur des tôles en acier en utilisant un jet hybride possédant une haute énergie optique de 500 W et une basse pression hydraulique de 20 bars. Comme nous l’analysons dans le chapitre suivant, nos résultats expérimentaux apportent une première réponse à la problématique initiale posée pour ce travail de thèse.
Nous avons pu établir que pour atteindre des hautes pressions et pouvoir faire de longues campagnes d’essais, voire de découpe, il faut diminuer au maximum le diamètre des buses et donc, changer la lentille de collimation par une lentille ayant une focale plus courte. Enfin, pour éliminer les bulles d’air qui se logent dans les angles de la chambre car le fluide y est stagnant, il faut une chambre de couplage sans angles intérieurs vifs. Une nouvelle chambre est en cours de fabrication actuellement. Néanmoins, sachant que cette phase de fabrication demande plusieurs mois, nous avons décidé de mettre à profit ce temps pour le consacrer à l’étude des réactions chimiques et transformations de phases dans l’acier et le titane à l’interface de l’interaction laser/eau/matière. Lors des premiers essais hybrides, nous avons remarqué une zone oxydée en bord de coupe. Le chapitre suivant sera consacré à ces surprenants résultats obtenus avec un laser et un jet d’eau non couplés mais focalisés au même point à la surface de la tôle.
VI - BIBLIOGRAPHIE
[1] P. Bouguer, Essai d'Optique sur la Gradation de la Lumière, Claude Jombert, Paris, 1729 [2] J.H. Lambert, Photometria, sive de mensura et gradibus luminis, colorum et umbrae, Sumptibus Vidae Eberhardi Klett, (1760)
[3] A. Beer, Bestimmung der Absorption des rothen Lichts in farbigen Flüssigkeiten, Annalen der Physik und Chemie, Vol. 86, p. 78-88 (1852)
[4] J.R. Collins, The effect of certain dissolved substance on the infrared absorption of water, Physical Review, Vol.20, p.486-498 (1922)
[5] M.R. Querry, P.G. Cary et R.C. Waring, Split-pulse laser method for measuring
attenuation coefficient of transparent liquids: application to deionized filtered water in the visible region. Applied Optics, Vol.17, p.3587-3592 (1978)
128
[6] M.R. Querry, D.M. Wieliczka et D.J. Segelstein, Handbook of optical constants of solids.
Palik, E.D. (ed.), Academic Press, New York, pp. 1059-1077 (1991)
[7] J.E. Bertie et Z.D. Lan, The intensity of the OH stretching band of liquid water revisited,
and the best current values of the optical constants of H2O(l) at 25°C between 15,000 and 1 cm-1, Applied Spectroscopy, Vol.50, p.1047-1057 (1996)
[8] R.M. Pope et E.S. Fry, Absorption spectrum (380–700 nm) of pure water. II. Integrating
cavity measurements, Applied Optics, Vol. 36, No. 33, p.8710-8723 (1997)
[9] E.J.G. Peterman, F. Gittes et C.F. Schmidt, Laser-Induced Heating in Optical Traps, Biophysical Journal, Vol.84, p.1308–1316 (2003)
[10] P. Couty et al, Laser-induced break-up of water jet waveguide, Experiments in Fluids, Vol. 36, p.919-927 (2004)
[11] E.D. Palik, Handbook of optical constants of solids, Academic PR Edition (1997) [12] J.A. Harrington et al, Infrared absorption in chemical laser window materials, Applied Optics, Vol.15, p.1953-1959 (1976)
CHAPITRE V
EFFETS D’UN JET D’EAU ET D’UN
LASER FOCALISES A LA SURFACE
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