Etude du LASAT en configuration double impulsion pour un

La derni`ere application que nous avons test´ee est celle d’un assemblage compo-site/colle/composite. C’est l’application qui int´eresse le plus le secteur de d’a´ eronau-tique (en particulier Airbus) qui souhaite augmenter de mani`ere significative l’usage de collages dans la conception de ses avions. Pour pouvoir g´en´eraliser ce type d’as-semblage, il faut disposer d’une technique non destructive qui permette de tester la qualit´e des collages et de v´erifier que la tenue m´ecanique est sup´erieure `a une sp´ ecifi-cation donn´ee. En particulier, il est actuellement difficile voire impossible de d´etecter des ’kissing bond’ qui correspondent `a une absence d’adh´esion entre deux mat´eriaux qui sont malgr´e tout en contact parfait entre eux. L’analyse par ultrason ne va pas d´etecter une ´eventuelle d´ecoh´esion (aucun vide n’est pr´esent) mais la tenue m´ecanique n’est pas assur´ee.

La technique de LASAT est donc prometteuse pour traiter ce type de sujet, car elle permet de tester la r´esistance en traction d’une interface et pas seulement la pr´ e-sence ou non d’un contact entre deux mat´eriaux. Par contre, nous avons dˆu adapter la configuration d’irradiation, car une technique mono impulsion n’est pas utilisable pour ce type d’assemblage. Contrairement aux substrats pr´ec´edents (aluminium, TA6V4 et composite tiss´e 3D), les seuils d’endommagements du composite stratifi´e ne sont pas tr`es ´eloign´es des seuils de rupture des joints coll´es que nous souhaitons tester. Nous avons donc utilis´e la configuration double impulsion qui permet de localiser plus faci-lement le maximum de traction `a l’endroit que nous souhaitons tester.

Nous avons r´ealis´e des exp´eriences dans cette configuration double impulsion sur l’installation H´epha¨ıstos en r´egime confin´e eau `a 532 nm, la tache focale ´etait de 6 ou 8 mm de diam`etre. Il a ´et´e possible de d´ecaler les deux impulsions de plusieurs centaines de nanosecondes avec une pr´ecision de 1 ns. Les composites ont ´et´e fabriqu´es par Rescoll : ce sont des empilements de plis unidirectionnels de 250 µm compos´es de fibres de carbone, l’orientation des plis est altern´ee entre 0 et 90 degr´es d’un pli `a un autre. Les assemblages sont compos´es de deux composites d’´epaisseurs respectives 4 et

2 mm, s´epar´es par le joint de colle de 150 µm environ. Nous avons appliqu´e un d´epˆot d’aluminium de 1 µm sur la face irradi´ee par le laser (le d´epˆot est du cˆot´e du composite d’´epaisseur 4 mm). Les plaques utilis´ees ont ensuite ´et´e analys´ees par Romain Ecault (Airbus) par la technique d’ultrason qui permet de d´etecter le d´ecollement ou non d’une interface au sein de l’empilement. Le bilan des mesures est pr´esent´e sur la figure 67 avec des tests r´ealis´es sur des plaques pr´esentant des collages diff´erents (qualit´e de collage faible, interm´ediaire et nominale). Les r´esistances `a la rupture ont ´et´e test´ees chez Rescoll et les estimations de la r´esistance `a la rupture correspondent `a 15 et 70 % respectivement pour les collages faibles et interm´ediaires comparativement au collage nominal (ou correct).

Figure 67 – Synth`ese des essais en double impulsion issue des r´esultats des diagnostics ultrason sur des assemblages composite/epoxy/composite(AIRBUS) de 6.15 mm avec un collage faible (figure a), interm´ediaire (figure b) et correct (figure c). La l´egende (fi-gure d) pr´esente l’analyse post-mortem qui a ´et´e faite sur chaque site. Le d´ecollement correspond `a une d´ecoh´esion au niveau du joint de colle et le d´elaminage est un endom-magement dans le composite au niveau d’une surface. Chaque petit carr´e correspond `

a une configuration exp´erimentale particuli`ere (axe vertical) et `a un d´elai particulier entre les deux impulsions (axe horizontal).

Nous avons effectu´e une matrice de tirs en faisant varier `a la fois la tache focale (diam`etre 6 ou 8 mm), les intensit´es de deux impulsions (entre 1 et 2.5 GW/cm²) et le d´elai entre les impulsions (entre 100 et 400 ns). Nous avons fait tous ces tests sur les plaques pr´esentant des niveaux de collage diff´erentes (faible, interm´ediaire et correct). Pour chaque site, les inspections post-mortem utilis´ees (scan ultrason, coupe micrographique ou simple visualisation par microscope) ont permis d’identifier les types

d’endommagements g´en´er´es (ou non) par le tir laser. Un d´ecollement correspond `a la d´ecoh´esion du joint de colle qui s’ouvre du fait de la traction induite par le test, c’est l’endommagement recherch´e pour les collages faibles ou interm´ediaires. Le d´elaminage correspond `a un endommagement au sein du composite, en g´en´eral en face arri`ere, avec parfois une partie de la surface qui est ´eject´ee. Ce ph´enom`ene doit ˆetre ´evit´e dans un test de LASAT non destructif.

La conclusion principale qu’on peut tirer de cette matrice de tests est qu’il existe une configuration laser (2x1.5GW/cm2, tache focale 6 mm, δt=200 ns) qui d´ecolle un joint pour un collage faible ou interm´ediaire tout en laissant int`egre un joint d’un col-lage correct. Cette configuration permettrait de discriminer ainsi les colcol-lages dont le seuil en rupture n’est que de 70 % par rapport `a la valeur nominale. Le deuxi`eme en-seignement est que les r´esultats d´ependent fortement de la tache focale, puisqu’`a mˆeme configuration laser, des endommagements existent ou non en fonction du diam`etre de la tache focale. Il est donc impossible d’utiliser un code 1D pour dimensionner et/ou interpr´eter ces exp´eriences, il faut d´evelopper un code 2D qui mod´elise correctement le comportement de mat´eriaux composites en prenant en compte l’endommagement, ce qui n’a pas encore ´et´e fait `a ce jour.

4.1.5 Conclusions et perspectives

Nous venons de pr´esenter diff´erentes ´etudes dans le cadre d’applications industrielles autour du choc laser. Grˆace `a une meilleure maˆıtrise des conditions exp´erimentales et un support toujours plus important des simulations num´eriques, nous avons ainsi pu d´emontrer en laboratoire la faisabilit´e de diff´erentes applications. Ces r´esultats tr`es prometteurs ont d’abord pu ˆetre obtenu grˆace `a des efforts importants dans la maˆıtrise du chargement laser. Les am´eliorations constantes des sources laser associ´ees `a une meilleure caract´erisation des impulsions laser nous ont permis d’acqu´erir des r´esultats exp´erimentaux avec une bien meilleure pr´ecision qu’auparavant. L’utilsation en par-ticulier de lames de phase a ´et´e standardis´ee et la caract´erisation de la tache focale g´en´eralis´ee. C’est grˆace `a une meilleure connaissance du terme source que nous avons pu contraindre suffisamment les codes num´eriques pour qu’ils deviennent pr´edictifs et qu’ils nous permettent de dimensionner des essais de tests d’adh´erence pour discriminer diff´erents niveaux de collage.

Deux challenges se pr´esentent d´esormais `a nous pour progresser sur ces sujets. Le premier est scientifique et porte sur la mod´elisation de nouveaux mat´eriaux. Dans cette ´etude, nous avons montr´e que nous arrivons `a mod´eliser correctement la propagation des ondes dans des assemblages m´etalliques. Mˆeme si des am´eliorations sont possibles et souhaitables, nous arrivons cependant `a mod´eliser globalement les tractions induites dans ce type d’empilement et `a corr´eler les r´esistances `a la rupture des joints de colle avec les niveaux de traction relev´es dans les simulations num´eriques.

Par contre, nous n’avons pas aujourd’hui de mod`eles suffisamment aboutis pour r´ealiser ce genre de simulations et d’´etudes dans des composites stratifi´es qui sont pr´ e-sents dans la majorit´e des applications vis´ees. Des ´etudes sur ce sujet ont ´et´e lanc´ees r´ecemment avec Airbus, le PIMM et DynaS+, nous esp´erons que ces ´etudes num´eriques permettront d’aboutir `a un outil de mod´elisation d’empilements impliquant ce type de

composites.

Le second challenge est li´e au passage toujours tr`es difficile entre une d´emonstration en laboratoire et une mise en oeuvre industrielle. C’est l’objet des projets collaboratifs COMPOCHOC et MONARQUE qui pr´evoient `a la fois une plateforme de d´ emons-tration chez une PME et la vente de machines bas´ees sur ces proc´ed´es. Pour que ces transferts technologiques se fassent, il faut encore simplifier et rendre plus robuste les proc´ed´es. C’est ´egalement sur cet axe d’am´elioration que nous pr´evoyons de travailler dans le futur. Une premi`ere ´etape a ´et´e r´ealis´ee avec le d´eveloppement de lois analy-tiques pour les pressions d’ablation (voir paragraphe 3.2.3), nous r´efl´echissons `a d’autres moyens pour simplifier la mod´elisation du proc´ed´e.