Présentation
Auteur(s)
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Patricia LAURENS : Docteur de l’Université Paris VI - Chargé de recherche du CNRS au Laboratoire d’application des lasers de puissance – Unité mixte ETCA – CNRS (LALP)
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Catherine DUBOUCHET : Docteur de l’Université Paris XI - Ingénieur de recherche chez Peugeot-Citroën (PSA)
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Didier KECHEMAIR : Ingénieur de l’École polytechnique - Docteur de l’Université Paris XI - Chef du Département « espace et techniques avancées » au ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Ancien Directeur adjoint du Laboratoire d’application des lasers de puissance (LALP)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le laser utilisé comme outil pour induire des transformations dans les matériaux, notamment dans le domaine des traitements de surface, est une technologie innovante « jeune ». Si l’essentiel des idées d’utilisation des effets de l’interaction laser – matériaux sont avancées depuis près de vingt ans, leur mise en pratique sur des sites de production industrielle nécessite, d’une part d’améliorer la compatibilité de la technologie des sources et des systèmes avec les contraintes liées au monde industriel (fiabilité, maintenance, formation des équipes, baisse du coût des sources,...), et d’autre part de poursuivre les efforts en vue de la maîtrise des applications (connaissances des phénomènes de base, élaboration de cahier des charges de système laser, méthodes de contrôle et d’assurance qualité...). Enfin, le transfert nécessite également une adaptation et une maturation des acteurs industriels. C’est effectivement cette maturité de l’offre, des connaissances scientifiques et de la demande qui marque l’évolution actuelle de la diffusion des applications des lasers de puissance dans l’industrie.
Le marché mondial des ventes de sources laser, après une très forte croissance dans les années 80, se caractérise aujourd’hui par une stabilisation, qu’il convient d’interpréter comme un indicateur de maturité. Le marché des sources laser en vue d’applications industrielles aux transformations des matériaux ne représente que 20 à 25 % du marché total des sources ; néanmoins, il génère un marché de systèmes intégrant une source laser dont le volume est 4 à 5 fois supérieur. Les applications à la découpe, au perçage et au marquage sont les plus développées. Le domaine du soudage est actuellement celui pour lequel les efforts de transfert vers l’industrie sont les plus intenses. Les applications aux traitements de surface (hors marquage) ne représentent encore qu’un très faible pourcentage des installations industrielles mais leur potentiel de développement apparaît cependant important ; elles font l’objet de nombreuses recherches en laboratoire. Ces applications devraient en effet conduire à terme à une optimisation des propriétés des matériaux avec un coût d’élaboration modéré et à une optimisation des gammes de fabrication en profitant des capacités de traitements localisés pouvant intervenir en fin de gamme. Comme exemple de transferts industriels de traitements de surface par laser, on peut citer, entre autres, les traitements avec apport de poudre sur les encoches de chapeaux d’aubes de turbines [2] ou de sièges de soupapes pour moteur automobile [3]. Pour développer les applications des lasers de puissance aux traitements de surface, il apparaît nécessaire de poursuivre les efforts :
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en menant une recherche de base prenant étroitement en compte les enjeux et exigences industriels. Ces dernières peuvent être sévères si le traitement doit être réalisé en fin de gamme sur un produit à forte valeur ajoutée (exemple de la refusion des arbres à cames dans le secteur automobile pour lequel le laser se présente comme une alternative possible au procédé TIG) ;
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en informant les ingénieurs concepteurs que le succès du transfert de la technologie nécessite de prendre en compte, dès la phase de conception des pièces, les spécificités de la technologie laser.
Le présent article présente dans cet esprit un panorama des possibilités de traitements de surface par laser en insistant à la fois sur les recherches en cours et sur les possibilités d’applications connues dans différents secteurs industriels (aéronautique, automobile, construction mécanique,...).
VERSIONS
- Version courante de déc. 2017 par Armel BAHOUKA
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Présentation
1. Généralités
Les contraintes de plus en plus sévères auxquelles sont soumises les pièces mécaniques en service ont fait des traitements de surface des étapes souvent indispensables dans les gammes de fabrication. Ces traitements permettent d’améliorer les propriétés superficielles du matériau afin d’augmenter sa résistance aux sollicitations rencontrées (frottement, érosion, endurance, corrosion,...) et donc sa durée de vie. Parmi les nombreuses techniques déjà existantes, le traitement superficiel par laser apparaît comme un procédé dont les spécificités offrent d’intéressantes perspectives (traitements localisés, temps de traitement réduits, déformations faibles, possibilités d’automatisation du procédé).
1.1 Sources laser
Le terme « laser » (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation ) s’applique à une source émettant un rayonnement monochromatique spatialement et temporellement cohérent. Cette émission stimulée résulte d’une inversion de population portant un milieu amplificateur dans un état excité par un pompage optique ou électrique. Les longueurs d’onde (λ) des sources laser vont de l’ultraviolet à l’infrarouge lointain. Ces sources peuvent fonctionner en mode continu ou pulsé. Les principales sources laser rencontrées dans le traitement de surface sont : le laser à CO2 (λ = 10,6 µm), le laser à solide (souvent YAG-Nd) (λ = 1,06 µm) et le laser à excimère émettant dans l’UV (λ = 193 à 351 nm selon le mélange gazeux).
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Laser à CO2
Le milieu réactif est constitué d’un mélange CO2 , N2 , He, à basse pression ; le pompage est réalisé par une décharge électrique (continue ou radiofréquence) dans l’azote suivie d’un transfert d’énergie sur un niveau vibrationnel des molécules CO2 . Il fonctionne généralement en mode continu avec un rendement élevé (supérieur à 10 %) et peut délivrer des puissances atteignant 40 kW. Ces sources ont atteint une maturité technologique telle que l’on peut assurément les considérer aujourd’hui comme des outils industriels. On les utilise dans de nombreuses applications de transformation des matériaux (traitements superficiels, soudage, découpe...)....
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Généralités
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - * - Laser Focus World « Annual review of the laser market » publié dans chaque premier numéro annuel.
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(2) - KERRAND (E.), CARIOU (F.) - Procédé laser de dépôt pour application à des aubes de turbines à gaz. - Bulletin de liaison no 9, éd. par le Club Laser de Puissance, p. 17 (1992).
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(3) - MIKAME (K.) - Application of laser material processing in Toyota Motor corporation. - Proceed. LAMP’92, vol. 2, Nagaoka – Japon, p. 947 (1992).
-
(4) - JENNY (S.) - Diode pumping expands market for solid state lasers. - Laser Focus World, p. 121 (juin 1994).
-
(5) - TÖNSHOFF (H.K.) et coll - Diode Laser for Materials Processing. - J. de Phys. IV, 4, Colloque C4, Supplément au Journal de Physique III, p. C4-59 (août 1994).
-
(6) - PROKHOROV (A.M.), KONOV (V.I.),...
ANNEXES
Club Laser et procédés (CLP) http://www.laserap-clp.com
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Centres de recherche publics
Cette liste n’est pas exhaustive.
Centre technique d’Arcueil (CTA) http://www.etca.fr
École Centrale Paris (ECP) http://www.ecp.fr
Commissariat à l’énergie atomique (CEA) http://www.cea.fr
Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis http://www.isl.tm.fr
Laboratoire de physico-chimie industrielle (LPCI) http://www.insa-lyon.fr/Laboratoires/LPCI
Équipe Mécasurf http://mecasurf.aix.ensam.fr
Irepa Laser http://www.irepa-laser.com
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Centres de recherche industriels
Cette liste n’est pas exhaustive.
Compagnie Industrielle des Lasers (Cilas) http://www.cilas.com
IS Groupe http://www.isgroupe.com
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