Nous proposons d'étudier ici, pour la première fois, les réactions d’oxydation et les transformations structurelles que subissent des matériaux métalliques lors de la découpe à l’aide d’un jet d’eau et d’un laser convergent à la surface des échantillons. Nous avons choisi pour ces études, deux types de matériaux considérés comme des matériaux de référence que sont l’acier inoxydable et l’alliage de titane TA6V. Ces derniers, sous forme de tôles laminées, seront décrits plus en détail plus loin dans ce chapitre.
La zone d’interaction sur laquelle porte notre étude est constituée de la zone du matériau sur laquelle arrivent une énergie lumineuse et un composé fluide : l’eau. Cette zone est
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thermodynamiquement réactive et est très difficile à modéliser. Le métal étant chauffé par le laser, il transfère subséquemment une partie de cette énergie thermique aux molécules d’eau. L’agitation thermique régnant alors dans la zone permet à l’eau de réagir chimiquement avec le métal pour former des composés (notamment des oxydes) que nous décrirons.
Ces transformations changent les propriétés surfaciques du bord de coupe, c’est pourquoi il est nécessaire de les caractériser. De même, la structure interne du matériau, au voisinage du bord de coupe, peut être modifiée par des transformations de phase qu’il est bon de définir afin de maîtriser le processus de coupe et de garantir de bonnes propriétés d’usage du matériau.
En parallèle de la conception de la chambre hybride présentée dans le chapitre 4, nous nous proposons de mettre en œuvre une autre technique qui s’en rapproche par ses effets. On y retrouve la même conformation jet d’eau/lumière/matière à ceci près que l’eau et le laser sont envoyés en un même point à la surface de l’échantillon.
C’est pour ces raisons que nous avons étudié dans les matériaux découpés par jet hybride les effets de la température. De même l’influence de la position du jet d’eau relative au faisceau laser qui est toujours fixé perpendiculairement à la surface à découper a été explorée. Nos caractérisations n’ont pas porté uniquement sur l’analyse des matériaux découpés mais également sur la morphologie et la composition des résidus de coupe.
L’ensemble de ces réactions et transformations seront caractérisées sur les deux matériaux étudiés, par diverses techniques décrites en annexe telles que la Diffraction des Rayons X (XRD), la Spectroscopie Raman (RS), la Microscopie Optique (OM) et la Microscopie Electronique à Balayage (SEM) couplée à de l’analyse EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) et à de l’analyse d’orientation cristallographique (EBSD).
II - DESCRIPTION DU BANC D’ESSAI
Dans cette expérience, l’échantillon, sous forme d’une tôle, est fixé sur une table motorisée. Cette dernière autorise des mouvements suivant les axes x et y. Le jet d'eau et la source laser sont fixés à un système de collimation/focalisation qui peut se déplacer perpendiculairement au plan de l'échantillon (le long de l'axe z). La source de lumière est un laser Yb: YAG à disque avec une longueur d'onde de 1030nm émettant un faisceau continu. La lentille d’une distance focale de 150 mm permet la focalisation du faisceau laser avec un diamètre minimal de 0,113 mm. L'eau, quant à elle, provient d’un adoucisseur avant d’être envoyée à 7 bars à
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travers une buse en saphir de 0,25 mm de diamètre à l’aide d’une pompe pneumatique. Le piston de cette pompe a l’avantage de battre régulièrement afin d’éviter les à-coups du jet et de stabiliser la pression de sortie. Toutes les pièces sont normalisées et utilisées dans la technologie classique de découpe au jet d'eau (figure 1 et 2).
Fig V-1 : Vue d'ensemble du système de découpe hybride découplé
Fig V-2 : Vue rapprochée de la zone de découpe
Vanne d’arrivée d’eau Capteur de pression Vitre de protection anti-éclaboussures Système de focalisation du laser Laser de réglage He-Ne Refroidissement à eau Buse standardisée de découpe jet d’eau pure
Buse standardisée de découpe jet d’eau pure Echantillon (tôle) Jet d’eau Point d’impact eau + laser Système de maintien
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Comme le montre la figure 3, jet d’eau et laser sont envoyés en un même point sur la surface de l'échantillon. Le faisceau laser arrive perpendiculairement à la plaque et forme un angle de 20°avec le jet d'eau. La direction d’avance est contenue dans le plan formé par le jet d'eau et le faisceau laser. Nous avons fait varier la vitesse de coupe de 0,3 à 1,1 m/min par pas de 0,1 m/min dans l’acier et fait varier la vitesse de 0,5 à 2,2 m/min toujours par pas de 0,1 m/min dans le titane. Un réservoir situé en dessous du dispositif permet la récupération des effluents. Les résidus de coupe sont extraits par filtration puis séchés en étuveuse : ils seront examinés dans notre étude.
Fig V-3 : Schéma de la découpe avec un jet d’eau et un laser focalisé à la surface de la tôle
Nous avons pu observer pendant les essais préliminaires que lorsque la coupe démarre au milieu de la tôle, il y a d’abord formation d’un cratère initial accompagné d’une émanation gazeuse et de l'éjection de particules du matériau. Le cratère ainsi formé devient de plus en plus profond jusqu’au perçage de la tôle.
Le perçage par jet hybride non couplé présente un inconvénient majeur lié à la forme initiale du cratère. En effet, à cause des parois du cratère, le jet est réfléchi de manière aléatoire et multidirectionnelle. Des gouttes d’eau risquent alors d’abimer les lentilles du laser, déformant le faisceau laser (par diffraction, modification du front d’onde, absorption,…), diminuant la densité de puissance et ne permettant plus la coupe. Ce problème ne se rencontre pas lorsque
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la coupe démarre en partant de l’extérieur de la pièce car aucun cratère ne se forme. C’est donc cette solution qui a été adoptée pour l’ensemble des essais.
Les essais conduits dans ce chapitre concernent deux matériaux aux propriétés différentes : un acier type 301L et un alliage base titane TA6V. Ces matériaux se présentent sous la forme de tôles, toutes deux laminées à froid, de 0,8 mm d'épaisseur.