Effet du chauffage laser

L’UAL permet d’améliorer sensiblement l’usinabilité du matériau en chauffant localement la pièce. Afin d’étudier le chauffage, nous avons utilisé le laser dans la configuration de traitement thermique (chauffage laser sans passage de l’outil). Sur une pièce en titane Ti555- deux vitesses de déplacement différentes (50 m/min et 100 m/min) ont été testées pour trois puissances laser (500 W, 1000 W et 1500 W). Le balayage du faisceau, imposé par la rotation de la pièce, est défini avec une avance de 0,1 mm/tr. Des mesures thermiques en surface à l’aide d’une caméra CCD-PIR ont permis de quantifier les températures en surface lors du chauffage (Figure IV-3). Elles seront corrélées aux profils de contraintes résiduelles réalisés dans les mêmes conditions d’essais

Figure IV-3 : Image thermique du spot laser pour une vitesse de déplacement de 50 m/min et une puissance de 1 500 W

1,2mm Défaut du laser

Trainée

Spot laser

Influence des assistances sur l’usinabilité

129 Il est possible de reconstituer l’évolution des champs de température en cours d’essai, par exemple en enregistrant une image toutes les secondes lors d’un essai. Pour une avance de 0,1 mm/tr, le spot de diamètre 0,8 mm chauffe chaque point de la pièce 8 fois (soit pendant 8 tours). La conductivité du titane étant faible, la zone chauffée n’a pas le temps de se refroidir complètement entre chaque tour. La température de la pièce augmente donc à chaque passage du spot. Des observations thermiques confirment cette remarque.

(a) (b)

(c) (d)

Figure IV-4 : (a) Début du tir laser - (b) Après 0,5 seconde - (c) Après 2 secondes - (d) Après 3 secondes.

La Figure IV-4 montre la formation de la trainée au cours du temps. Celle-ci est plus importante lors du dernier tour observé que lors du premier tour. La Figure I-5 quantifie cette augmentation de température en un point de la pièce entre le premier tour (0,5s) et le quatrième tour (2s).

130

Figure IV-5 : Distribution de la température par rapport au centre du spot pour un temps de 0,5s et 2s.

Des tirs ont aussi été réalisés pour une même puissance mais avec deux vitesses de déplacement différentes : 50 m/min et 100 m/min. La Figure IV-6 montre que la température est plus élevée lorsque la vitesse diminue. L’équation donnant la valeur de la température en fonction de la vitesse et la puissance du spot a été déterminée par Germain

*Germain+ en résolvant l’équation de la chaleur par la méthode de Green :

G. Germain [Germain 2006] a confirmé que la température de surface évoluait de façon inversement proportionnelle à la racine carrée de la vitesse de déplacement et proportionnellement à la puissance laser.

Afin d’augmenter la productivité en UAL, il peut être intéressant de travailler avec des vitesses de coupes élevées et une puissance laser un peu plus grande. Par exemple, pour avoir une même température en surface, on peut multiplier par quatre la vitesse de coupe en seulement doublant la puissance laser. Le souci de cette solution est que si on multiplie par quatre la vitesse de coupe, la profondeur affectée thermiquement diminuera de moitié.

La diffusivité du titane étant faible, la chaleur n’aura pas le temps de diffuser sur une profondeur suffisante avant le passage de l’outil.

700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150

1,4 2,1 3,1 5 14,2

Température (°C)

Distance (mm)

0,5 s 1,5 s

790 840 890 940 990 1040

0 5 10 15

Température (°C)

Distance (mm)

0,5 s 2 s

Influence des assistances sur l’usinabilité

131 Figure IV-6 : Influence de la vitesse de rotation et de la puissance laser sur la température.

Les contraintes résiduelles ont été évaluées en fonction des paramètres du laser. On rappelle que l’usinage est inexistant, la pièce est simplement chauffée par le passage du spot laser. Le principe de mesures des contraintes résiduelles est le même qu’au chapitre II. La Figure IV-7 présente le profil des contraintes dans les deux directions (axiales et circonférentielles) en fonction de la profondeur pour trois puissances (0W, 500 W, 1000 W).

La Figure IV-7 montre que les contraintes résiduelles en surface tendent vers la traction avec l’augmentation de la puissance laser. En effet, elles passent de -176 MPa pour le matériau initial à 486 MPa pour le matériau affecté par une puissance de 1500 W. Cette augmentation est liée à la montée en température observée précédemment. En effet, la couche chauffée se dilate mais reste ‘bloquée’ par les couches inférieures, induisant ainsi des contraintes de compression en surface et en traction en sous-couche. Au moment du refroidissement, la matière se décharge conduisant à des contraintes de traction en surface.

Figure IV-7: Influence de la puissance sur les contraintes résiduelles lors du chauffage seul La profondeur de contrainte minimum reste inchangée quelle que soit la puissance utilisée.

En effet, cette profondeur est liée à la profondeur affectée thermiquement, donc au temps de chauffage, plutôt qu’à la puissance du laser. Afin de respecter l’équilibre de la pièce, des contraintes de compression apparaissent sur une profondeur plus ou moins importante, ce

600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100

1,55 1,7 2,5 4,85 6,6

Température (°C)

Distance de l'axe du spot (mm)

1500W - 100 m/min 1500W - 50m/min

600 700 800 900 1000 1100 1200

1,4 1,59 1,8 2,1 3,1 4,4

Température (°C)

Distance de l'axe du spot (mm) 500W - 50 m/min 1500W - 50 m/min

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600

0 50 100 150 200 250 300 350

Contraintes longitudinales (MPa)

Profondeur (µm)

Materiau avant Laser P=500W

P= 1500W

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800

0 50 100 150 200 250 300 350

Contraintes Axiales (MPa)

Profondeur (µm)

Materiau avant Laser P=500W

P=1500W

132

-700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200

0 50 100 150 200 250 300

Contraintes Transversales (MPa)

Profondeur (µm)

Materiau avant Laser Vc = 50 m/min Vc = 100 m/min

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200

0 50 100 150 200 250 300

Contraintes longitudinales (MPa)

Profondeur (µm)

Materiau avant Laser Vc = 50 m/min Vc = 100 m/min

qui explique que la profondeur affectée par les contraintes résiduelles passe d’environ 150 µm pour une puissance de 500 W à plus de 300 µm pour la puissance de 1500 W.

Les profils en profondeur pour deux différentes vitesses (50 et 100 m/min) montrent que la vitesse de déplacement influe sur les contraintes résiduelles (Figure I-8). On a montré que l’augmentation de la vitesse de déplacement réduit la température en surface. L’action thermique sur les contraintes résiduelles est donc moins importante lorsque la vitesse augmente, ce qui explique pourquoi les contraintes superficielles dans les deux directions sont moins en traction pour la vitesse 100 m/min que pour celle de 50 m/min. Par exemple, la contrainte résiduelle superficielle transversale en surface passe de 486 MPa pour une vitesse de 50 m/min à -153 MPa pour une vitesse de 100 m/min.

Figure IV-8: Influence de la vitesse du Laser sur les contraintes résiduelles (P = 1500 W) Ces essais complémentaires nous permettent de comprendre les phénomènes thermiques intervenant en UAL. La puissance laser engendre une augmentation de la température de la pièce, et ce quelle que soit la vitesse de déplacement du laser. Cette augmentation de la température va provoquer de fortes contraintes résiduelles de traction localisées en surface.

Ces constatations laissent à présager une diminution des efforts de coupe et des contraintes résiduelles plus en traction en UAL qu’en usinage conventionnel. En effet, l’élévation de la température et la diminution de l’effet mécanique de l’outil induiront des contraintes de compression plus faibles en UAL voire des contraintes résiduelles en traction.