Étude des régimes thermohydrodynamiques du procédé d’oxycoupage assisté par laser

Le laser X dont la longueur d’onde est de Xµm répond à ces contraintes et mets à disposition une puissance de XW continue. L’intégration dans une tête de découpe adéquate (incluant la barrière de sécurité et le contrôle du procédé) permet d’envisager une DNRO inférieure au mètre. La réalisation de cet outil constituerait une avancée considérable dans l’utilisation des lasers car permettant de les employer en milieu semi-ouvert (à l’intérieur d’un bâtiment ou dans une zone contrôlée) à ouvert.

Dans notre cas, la mise en œuvre d’une source laser de nouvelle génération nécessite l’étude de l’interaction du laser avec le métal pour l’application de découpe, car le coefficient d’absorption des rayonnements par les matériaux dépend fortement de la longueur d’onde ainsi que d’autres paramètres qui seront détaillés plus loin. Étant donné la nouveauté de ces sources laser, les informations techniques et la littérature relative à leur utilisation dans le cadre de procédés industriels sont pour le moment assez rares. La Figure 4 montrent les évolutions des coefficients de réflexion intrinsèque de quelques métaux. Il apparaît que pour le Fer, ce coefficient passe de 0,64 à une longueur d’onde de 1μm à 0,78 à une longueur d’onde de 2μm, soit une augmentation de +0,14 du coefficient de réflexion. Le Chrome et le Nickel réagissent de la même façon de +0,16. A cette longueur d’onde les métaux peuvent présenter des coefficients de réflectivité très importants comme par exemple le Nickel ou l’Aluminium (dès 1μm). Ces alliages seront plus difficiles à découper, néanmoins, en mobilisant une puissance laser supérieure, la zone éclairée pourrait atteindre la température de fusion/dissolution des oxydes et permettre un processus d’oxydation par la surface. Le mécanisme sera détaillé plus précisément au chapitre suivant. Dans notre étude, le Fer est le matériau présentant une évolution de la cinétique de réaction la plus importante aux vues de la configuration entre la puissance laser disponible, l’évolution de la réflectivité en fonction de la longueur d’onde, les températures (fusion du métal 1811K, des oxydes 1700K, et d’inflammabilité 1320K), et les enthalpies d’oxydation (environ 14 kJ/g-1).

En résumé, l’objectif de cette thèse est de lever des verrous scientifiques et technologiques qui limitent actuellement la mise en œuvre d’un outil de découpe par laser en milieu ouvert. Plusieurs étapes ont été déterminées afin d’aboutir à la réalisation de cet objectif :
• Maîtriser le processus de découpe
• Optimiser les paramètres de découpe
• Définir la gamme opératoire de l’utilisation du laser
• Réaliser le prototype d’une version démonstrateur
Nous commencerons dans un premier temps par comprendre le phénomène d’interaction laser matière qui entraine le chauffage du métal. Ensuite nous évoquerons les différentes phases subies par le métal en raison du chauffage, allant de l’oxydation jusqu’à l’allumage et enfin la combustion. Suite à cela nous allons détailler le procédé de découpe par laser et oxygène et les différents paramètres influent sur la découpe.

Interaction laser-matière et chauffage du milieu 

L’étude de l’interaction laser-matière nécessite de comprendre les mécanismes couplant le laser à la température. Le régime établit durant l’interaction est piloté par cette dernière. La connaissance de l’absorptivité et de la réflectivité du milieu selon la longueur d’onde utilisée, permet de déterminer l’indice complexe correspondant. La valeur de l’absorptivité est une valeur mesurable, intrinsèque au matériau et varie en fonction de la température et l’état de surface. La réflectivité est le complémentaire à 1.

Le modèle de Drude est un modèle qui décrit le passage des grandeurs microscopiques aux grandeurs macroscopiques. En considérant la structure atomique d’un métal sous forme de réseau et le rayonnement laser sous la forme d’une onde électromagnétique plane infinie qui vient solliciter les électrons libres. C’est électrons mis en mouvement, entrent en collision avec le réseau. C’est avec ces collisions que le modèle de Drude explique l’évolution de la température du réseau.

Modèle de Drude

Ce modèle semi-classique consiste à assimiler les électrons de conduction, superficiels à des particules identiques réagissant au champ électrique de l’onde incidente. Un métal est classiquement considéré comme un regroupement d’atomes ayant établit des liaisons entre proches voisins et mis en commun un nombre d’électron peu ou non liés avec les atomes du réseau. La matrice du réseau constitué par les atomes est considérée comme immobile au vu du rapport de masse important entre un atome métallique et un électron (mFe/me-=10⁵).

Une onde électromagnétique plane et infinie arrivant sur un métal fait subir aux électrons non liés le champ électrique qui la constitue (la partie magnétique est négligée). Considèrons un électron dans un champs électrique mobile dans un réseau solide. Au cours du déplacement induit par le champs électrique l’électron subit des collisions avec les imperfections du réseau et les phonons qui déplacent les niveaux d’énergie localement sur lesquels circulent l’électron. Le moteur du mouvement étant le champ électrique sinusoïdale de l’onde, son déplacement sera également de cette périodicité. En conséquence, nous allons définir en partant du principe fondamental de la dynamique (Equation 1), l’équation d’un oscillateur amorti (Equation 2) et trouver le courant induit .
𝜮𝑭⃗ = 𝒎𝒂⃗ Équation 1

Les différents phénomènes au cours du chauffage : oxydation, allumage et combustion 

D’après ce que nous avons détaillé dans la section 1 sur le modèle de Drude et que l’interaction du laser avec le métal entraine le chauffage de ce dernier, dans cette partie nous allons différencier les différentes phases d’oxydation, d’allumage et de combustion entrainées par le chauffage du métal.

Différenciation des notions : oxydation et combustion

Généralement tous les métaux placés dans un milieu enrichi en oxygène sont inflammables. L’initiation de la combustion d’un métal est déclenchée par la présence des trois éléments du triangle de feu Figure 6: un combustible (le métal), un comburant (l’oxygène) et une source de chaleur ou d’énergie.

Un métal présent dans un environnement naturel à température ambiante s’oxyde malgré l’absence d’une source de chaleur, c’est l’exemple typique de la rouille.

La réaction d’oxydation du métal est une réaction exothermique lente qui peut se dérouler à la température ambiante. La présence d’une source de chaleur sur un couple combustible-comburant (dans notre cas métal-oxygène) entraîne une accélération de la vitesse de réaction et mène le métal à la combustion.

Lorsque la réaction d’oxydation exothermique est accélérée du fait de la présence d’une source de chaleur portant le métal à une température critique, une transition brusque du phénomène d’oxydation vers la combustion du métal se produit. La combustion n’est capable de s’auto-entretenir que du fait de la présence d’oxygène sous pression. Les conditions critiques de température et de surface d’interaction sont décrites par O’Neill et Gabzdyl [2] qui estiment que la combustion peut être initiée dans l’acier solide sur une zone d’interaction d’un diamètre minimale de 3mm à une température d’au moins 1270K soumise à un jet d’oxygène. Une fois ces conditions atteintes, la réaction d’oxydation maximise son rendement et mène à la combustion complète. Le processus de combustion se poursuivra ensuite dans l’épaisseur du métal liquide générant un ensemble de réactions exothermiques qui participeront au bilan énergétique du procédé de découpe.

La notion d’allumage 

Il existe une phase intermédiaire entre la phase d’oxydation et la combustion appelée phase d’allumage. Si la phase d’allumage est accompagnée d’une forte augmentation de la température et si l’approvisionnement en combustible et comburant est suffisant, la réaction de combustion s’amorce. Le facteur principal qui pilote la transition entre les régimes d’oxydation, d’allumage et de combustion en un point est le bilan d’équilibre énergétique entre les gains et les pertes de chaleur locales.

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Table des matières

A. REMERCIEMENTS
B. TABLE DES MATIERES
C. TABLE DES FIGURES
CONTEXTE DE L’ETUDE
OBJECTIFS DE L’ETUDE
CHAPITRE I ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1 Interaction laser-matière et chauffage du milieu
1.1 Modèle de Drude
1.2 Détermination de l’absorptivité en incidence nulle
1.3 Profondeur d’absorption du rayonnement
1.4 Élévation de la température d’un milieu soumis à un rayonnement laser
2 Les différents phénomènes au cours du chauffage : oxydation, allumage et combustion
2.1 Différenciation des notions : oxydation et combustion
2.2 La notion d’allumage
3 L’oxydation et la combustion des métaux
3.1 Processus d’oxydation
• Adsorption physique
• Adsorption chimique
3.2 Oxydation en phase solide
3.2.1 Oxydation du fer
3.2.2 Oxydation de l’acier
3.3 Oxydation de l’acier en phase solide jusqu’à la liquéfaction (condition « Lasox »)
4 Mécanisme de l’oxycoupage
4.1 Oxydation de l’acier en phase liquide
5 Température en oxycoupage
5.1 Température à éviter en oxycoupage
6 Découpe laser assistée par oxygène
6.1 Intérêt de l’oxygène dans la découpe laser
7 Classification des paramètres influents sur la découpe
7.1 Paramètres du laser
7.1.1 La puissance maximale
7.2 Caractéristique de la pièce à découper
7.2.1 Nature des matériaux et propriétés optiques
7.2.2 Épaisseur de la pièce à découper
7.3 Paramètres du procédé
7.3.1 Diamètre de la tache focale
7.3.2 Distance focale et profondeur de champ
7.3.3 Position du point focal
7.3.4 Vitesse (maximale) de découpe
7.3.5 Inclinaison du faisceau ou de la pièce (angle d’incidence)
7.3.6 Type de buse
7.3.7 Distance buse-pièce (distance de travail)
7.3.8 Alignement de la buse
7.3.9 Gaz d’assistance (Nature, Vitesse et pression)
8 Conclusion
CHAPITRE II ESSAIS ET RESULTATS
1 Montage expérimental
1.1 Caractérisation de la distribution spatiale du faisceau laser
2 Plan d’expérience
2.1 Quantification des paramètres utilisés
2.2 Domaine de fonctionnement : variation de la puissance, du rapport cyclique et de la durée d’impulsion
2.3 Taux de recouvrement des impulsions en fonction de l’énergie nécessaire pour l’initiation
2.4 Nombre d’impulsions et durée maximale entre deux impulsions successives
2.5 Epaisseur de découpe en fonction de la vitesse et la pression d’oxygène
3 Observations et interprétations
3.1 Variation du rapport cyclique et résultats de découpe
3.1.1 Caractéristiques du régime 1
3.1.2 Caractéristiques du régime 2
3.1.3 Caractéristiques du régime 1+2
3.1.4 Niveau d’apparition des différents régimes
3.2 Influence du jet d’oxygène sur la largeur de la saignée en régime 2
3.3 Théorie et simulation du jet (ANSYS Workbench 14.5)
3.3.1 Théorie sur l’écoulement à travers une buse convergente
3.3.2 Buse convergent-divergent (buse de Laval)
3.3.3 Ondes de choc dans une buse convergente
3.3.4 Ondes de choc dans une buse convergente-divergente
3.3.5 Simulation du jet à travers une buse convergente
4 Conclusion
CHAPITRE III PYROMETRIE UV ET IR, MESURE DE LA TEMPERATURE ET DETERMINATION DE L’EMISSIVITE
1 Introduction
2 Aspects théoriques sur le rayonnement des matériaux à l’état solide et liquide
2.1 Puissance rayonnée par une surface corps noir
2.2 Puissance rayonnée par une surface réelle
2.2.1 Notion de facteur d’émission
2.2.2 Effet du facteur d’émission en pyrométrie
2.2.3 Effet du facteur d’émission sur la mesure de la température par pyrométrie
2.3 Conclusion
3 Montage expérimental
3.1 Pyromètre UV
3.2 Pyromètre IR
4 Dimensionnement et optimisation du pyromètre UV
4.1 Limite de détection et de saturation du photomultiplicateur (courte longueur d’onde)
4.1.1 Estimation du nombre de photon détectés par le capteur
4.1.2 Calibration du pyromètre UV
4.1.3 Optimisation de la longueur d’onde et de l’ouverture du diaphragme
5 Pyrométrie IR
5.1 Calibration du système pyrométrique infrarouge
6 Résultats des mesures de température en oxycoupage laser
6.1 Recalage des mesures UV et IR et identification de l’émissivité
6.2 Lien entre régime de découpe et température de découpe
6.3 Effet de la puissance en mode continue et pulsée sur la température de découpe
6.4 Mesure de température par pyrométrie UV à différents paramètres de découpe
7 Conclusion
CHAPITRE IV TEMPERATURE, TEMPS ET SURFACE SEUIL NECESSAIRE POUR L’INITIATION DE LA COMBUSTION
1 Introduction
2 Plan d’expérience
2.1 Essais réalisés
3 Résultats
4 Interprétation et discussion
4.1 Géométrie
4.2 Maillage
4.3 Conductivité thermique de l’échantillon en acier en fonction de la température (paramètre d’entrée du modèle)
4.4 Capacité calorifique de l’échantillon en acier en fonction de la température (paramètre d’entrée du modèle)
4.5 Prise en compte de l’évaporation du métal
4.6 Taille de faisceau et température nécessaire
4.6.1 Profil thermique D=Xmm
4.6.2 Profil thermique D=Xmm
4.6.3 Profil thermique D=Xmm
4.6.4 Profil thermique D=X mm
4.6.5 Comparaison des différentes distributions spatiales de la température permettant l’initiation en utilisant différentes tailles de tache focale.
4.7 Bilan : Température et surface chauffée nécessaire pour l’initiation de la combustion
4.8 Mesure de température avant initiation de la combustion
4.8.1 Initiation de la combustion après formation de la phase liquide
4.8.2 Initiation de la combustion en phase solide
5 Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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