Modélisation physique du procédé de découpe de métaux par laser

Cédric Mas (1)

1 Centre Laser Franco Allemand (CLFA)

On the basis of fundamental studies going from gaussian laser beam propagation to the molten metal removal by the action of the cutting assistance gas shear stresses, we perform a modeling of the laser cutting process. The whole modeling unifies every single fundamental phenomena to come up with a global 2D steady-state, self-consistent geometrical description of the cutting front. Comparisons between simulations and experimental data show quite a good agreement. Moreover, some complementary experiments carried out to get material absorptivity during the cutting process reveal that Fresnel theoretical absorptivity has to be increased of about 20%. This can be explained by the roughness and the dynamical behavior of the interaction surface (liquid-gas interface). Finally, this work ends with outlooks on 3D modeling of the cutting front, use of active cutting gas such as oxygen and notions on striation pattern and instability of the melt film.

Ce travail de thèse développe un modèle physique de découpe de métaux par laser. Le procédé complet est divisé en une série de processus élémentaires qui s'étend de la propagation de faisceaux laser gaussiens jusqu'à l'évacuation du métal fondu sous l'action de cisaillement du gaz de découpe. L'ensemble des processus élémentaires est alors unifié au sein d'un modèle stationnaire 2D, « auto-consistant », fournissant la géométrie du front avant de la saignée de découpe. Les comparaisons entre résultats de simulation et expériences de « découpe pure » fournissent de très bonnes corrélations. Par ailleurs, des expériences complémentaires semblent indiquer que l'absorptivité réelle est d'environ 20% supérieure à celle prédite par le modèle de Drude et les équations de Fresnel. La non-planéité et la non-stationnarité du front d'absorption peuvent justifier une telle augmentation. Finalement, nous ouvrons les perspectives en présentant un modèle 3D de la géométrie de la saignée de découpe. Nous abordons la découpe laser sous oxygène et finissons par une approche des stries de découpe.

Keywords: Découpe laser; optique gaussienne; interaction laser-matière; fluides compressibles; modélisation physique; hydrodynamique

Domains: Physics [physics]

Cédric Mas. Modélisation physique du procédé de découpe de métaux par laser. Physique [physics]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00003252⟩