Modélisation de la formation de stries lors de la découpe des métaux par faisceau laser
Monsieur Amarael Hachemi, كريم خلوفي
كلية الفيزياء-جامعة العلوم والتكنولوجيا هواري بومدين - الجزائر · الجزائر
Le procédé de découpe par laser a été développé et appliqué de façon extensive dans les industries de transformation métallurgique depuis plus de quarante années, ce qui lui a permis d’atteindre un haut niveau de maturité dans l’industrie. A l’heure actuelle, la découpe par laser représente environ 70% de toutes les applications des lasers de puissance dans l’usinage des matériaux, où l'acier est l'un des principaux matériaux traité. L'avantage majeur de la découpe par laser,par rapport aux autres procédés de découpe,est la rapidité de découpe, l'étroitesse de la saignée (kerf), et l'adaptabilité à une grande variété de matériaux. L'un des principaux problèmes souvent observés lors de la découpe laser de matériaux métalliques est relatif à la qualité de découpe du fait de la génération de stries sur les parois de la saignée, qui constituent un défaut. Ces stries affectent fortement la qualité de la surface, car la rugosité engendrée sur les côtés de la saignée après traitement, est connue pour être l'un des produit fini laser.La limitation défauts, d’une découpe laser, est une problématique qui a un fort enjeu industriel. Expérimentalement, l'observation directe du processus à l'aide d'une visualisation en temps réel se heurte à plusieurs contraintes. L’accès visuelles limité, du fait que l’on veut filmer une matière métallique fondue qui se déplace à grande vitesse dans une région très étroite (kerf) d'un matériau opaque comme l’acier.Théoriquement,deux types de mécanismes ont été suggérés pour expliquer la génération de stries dans la découpe laser sous gaz inerte: (1)les fluctuations externes des paramètres de fonctionnement, (2)l'instabilité hydrodynamique induite dans la couche en fusion.Il semble cependant qu’aucun des deux mécanismes proposés ne soit le principal mécanisme de génération des stries pour la découpe laser sous gaz inerte.Le travail présenté dans cette thèse s’inscrit dans une approche fondamentale afin de mieux comprendre les phénomènes physiques mis en jeu au cours de la découpe,et d’envisager à long terme un outil prédictif d’aide à l’optimisation des paramètres du procédé.L'objectif global est de construire un outil de simulation numérique du procédé de découpe laser en résolvant les équations appropriées de transfert de chaleur et de changement de phases pour le film liquide et le matériau solide.Une étude numérique est développée avec pour but de simuler les phénomènes qui se produisent quand un échantillon métallique est soumis à un faisceau laser en déplacement relatif. Cela afin d’obtenir un profil de la saignée pour des paramètres de fonctionnement laser donnés. Une modélisation 3D est réalisée sur la base de la méthode des volumes finis, à l’aide du code de dynamique des fluides -Fluent/CFD, pour résoudre les équations de la thermique et de l'hydrodynamique régissant les transferts de chaleur et de quantité de -5 -mouvement durant le processus. La méthode Volume Of Fluid (VOF) est appliquée pour le suivi de l’interface liquide-gaz, et des conditions aux limites appropriées ainsi que des termes sources sont introduits dans le processus de calcul à travers des procédure UDF (User-Defined Functions). Le modèle implique la prise en compte de l’absorption locale de l’intensité de l’onde laser incidente et sa variation en fonction de l’angle d’incidence (l’angle d’inclinaison du kerf).Les simulations réalisées ont permis de prédire la plupart des phénomènes observés par camera rapide, concernant l’hydrodynamique de l’écoulement du film liquide à l’intérieur de la saignée tel que le caractère intermittent de l’écoulement et l’apparition périodique des accumulations du métal liquide et les instabilités qui les caractérisent