Comme abordé précédemment, le mélange de la lumière, de l’eau et de matière solide entraîne une multitude d’interactions possibles. L’étude aura donc, parmi ses objectifs, de répondre à certaines questions fondamentales relatives à ces interactions d’un point de vue scientifique. Ces réponses doivent permettre d’optimiser le système de découpe hybride mais également d’améliorer la connaissance dans les domaines scientifiques abordés. Les trois grands domaines traités lors de notre étude sont l’optique, l’hydraulique et la métallurgie. Cette démarche nous a amenés à modéliser l’interaction eau-laser.
Nous avons ainsi mesuré l’évolution de l’indice de réfraction pour diverses longueurs d’onde en fonction de la pression radiale de l’eau que le faisceau traverse afin de déterminer le pouvoir focalisant du jet fluide.
Nous avons ensuite étudié l’indice de réfraction en fonction de la pression longitudinale du jet afin de définir la distance focale de la lentille de focalisation du faisceau en prenant également en compte l’indice et l’épaisseur du hublot en saphir. Il s’agit là d’un point crucial car si le col du faisceau ne coïncide pas parfaitement avec l’entrée de la buse, le guidage ne sera pas optimum dans le jet.
Les résultats de ces études sur les propriétés optiques de l’eau sous pression seront traités et présentés dans le chapitre III.
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Une fois ces caractérisations fondamentales effectuées, il nous a été possible de calculer la polarisabilité de l’eau en fonction de la pression et de la longueur d’onde et de donner la table des valeurs correspondantes. Il est à noter que les valeurs de la polarisabilité de l’eau en fonction de la pression n’avaient jamais été publiées, à notre connaissance, pour ces fortes valeurs de pression et pour diverses longueurs d’onde. Les modèles utilisés dans notre étude et la méthodologie associée permettent de définir une relation directe entre l’indice de réfraction et la densité d’un fluide [12]. D’un point de vue applicatif, cette étude pourrait permettre de concevoir des densimètres extrêmement précis basés sur le principe d’interférométrie que nous avons utilisé. Cette possible application est hors sujet de cette thèse mais pourrait être envisagée comme une perspective d’extension directe du présent travail.
Dans la démarche scientifique que nous avons suivie, nous avons dans un deuxième temps modélisé l’interaction eau-laser-matière. Cette seconde grande interrogation scientifique, également non encore étudiée à ce jour à notre connaissance, est la recherche des différentes phases obtenues suite au passage d’un jet hybride sur les surfaces de coupes. Bon nombre d’études existent concernant le jet hybride mais toutes se bornent à l’étude qualitative des bords de coupe. Il s’agit maintenant d’aller plus loin en effectuant des études métallurgiques microscopiques afin de comprendre les différentes interactions intervenant dans la découpe et ainsi pouvoir l’optimiser. Nous avons focalisé nos études pour des applications de découpe hybride de métaux. Dans ce cas, le laser liquéfiant le métal, les molécules d’eau peuvent réagir avec les éléments d’alliage pour créer des phases ou des oxydes dans des conditions thermodynamiques hors norme. Afin de faciliter l’étude et les comparaisons, deux alliages ont été sélectionnés en raison de leur métallurgie bien connue : l’acier inoxydable 301L et l’alliage base titane TA6V. Ces alliages se rencontrent fréquemment dans l’industrie et sont utilisés dans l’industrie aéronautique et spatiale pour leur légèreté (aube en TA6V) et dans l’industrie chimique pour leur inertie (titane et acier inoxydable).
Cette partie de l’étude a nécessité l’utilisation de diverses techniques de caractérisation telles que la Diffraction des Rayons X (DRX), la Microscopie Electronique à Balayage (MEB) et la spectroscopie Raman. L’ensemble des données recueillies doit permettre de définir les transformations de phase, les éventuelles zones affectées thermiquement et/ou chimiquement ainsi que la qualité de coupe. De plus, les particules évacuées par le jet d’eau seront analysées pour comprendre le procédé physico-chimique qui régit la coupe.
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Le projet dans sa globalité est donc une source de résultats originaux et bénéfiques pour la compréhension des phénomènes de coupe liés à des interactions multiples entre des photons, un fluide et un métal.
IV - BIBLIOGRAPHIE
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[12] L. Weiss et al, Water density and polarizability deduced from the refractive index
determined by interferometric measurements up to 250 MPa, Journal of Chemical Physics,
CHAPITRE III
PROPRIETES OPTIQUES DE L’EAU A
TRES HAUTE PRESSION
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I - INTRODUCTION
Un jet d’eau est une fibre optique naturelle à condition que le profil radial de l’indice de réfraction du jet soit gaussien. Nous avons déjà présenté cette propriété dans le chapitre précédent. L’évolution radiale de l’indice de réfraction est due à la variation, elle-même gaussienne de la pression du fluide ; la pression maximale se trouvant sur l’axe du jet. La connaissance de la valeur de l’indice de réfraction en fonction de la pression permet de quantifier les paramètres optogéométriques et physiques de la propagation du faisceau laser dans la fibre.
De plus, dans le cas de notre application de découpe hybride, la connaissance de la distance focale réelle dans l’eau est primordiale pour la conception du système. Il nous a donc été indispensable de réaliser une étude relativement exhaustive des propriétés optiques de l’eau aux fortes pressions. L’indice de réfraction du fluide nous permet ensuite de calculer les coordonnées spatiales du point focal dans la chambre de collimation.