Deep laser drilling : analysis of physical processes
Perçage profond par laser : Analyse des processus physiques
Résumé
This work is about laser percussionnal drilling and aimed at:
• Understood physical phenomena during laser drilling,
• Determined drilling geometry as function of experimental parameters.
The first step was to identify and control the process parameters. By this way, next to this work, some characterization methods about laser source and its environment was set up. The limitation of traditional diagnostic lead to the development of a new analysis method called DODO (Direct Observation of Drilled hOle).
The specific study on the physical process, bring some original and understandable answers about mechanisms during laser drilling process. Theses studies are about laser absorption and transmission, hydrodynamic phenomena and morphologic evolution with laser parameters.
Absorption during laser drilling decreases to a constant value equal to 80 %, whatever the target material. Transmission through a hole is function of hole depth. Its decrease is due to the walls drilling absorption. The metallic vapor jet is supersonic. Two profiles are shown (U and V) and from which laser parameter can be deduce without ambiguity. And last but not least, the usefulness of the assistant gas is discussed and called in question. It is shown that gas can not penetrate inside a blind hole, so during the laser drilling.
These results call into question a whole of knowledge, inherited cutting by laser. They constitute a solid bases data on the topics to improve the control of the process.
• Understood physical phenomena during laser drilling,
• Determined drilling geometry as function of experimental parameters.
The first step was to identify and control the process parameters. By this way, next to this work, some characterization methods about laser source and its environment was set up. The limitation of traditional diagnostic lead to the development of a new analysis method called DODO (Direct Observation of Drilled hOle).
The specific study on the physical process, bring some original and understandable answers about mechanisms during laser drilling process. Theses studies are about laser absorption and transmission, hydrodynamic phenomena and morphologic evolution with laser parameters.
Absorption during laser drilling decreases to a constant value equal to 80 %, whatever the target material. Transmission through a hole is function of hole depth. Its decrease is due to the walls drilling absorption. The metallic vapor jet is supersonic. Two profiles are shown (U and V) and from which laser parameter can be deduce without ambiguity. And last but not least, the usefulness of the assistant gas is discussed and called in question. It is shown that gas can not penetrate inside a blind hole, so during the laser drilling.
These results call into question a whole of knowledge, inherited cutting by laser. They constitute a solid bases data on the topics to improve the control of the process.
Ce travail de thèse traite le perçage par laser en régime de percussion. Les principaux objectifs étaient de :
• Comprendre les phénomènes physiques intervenant au cours du perçage,
• Déterminer le profil des perçages à partir des paramètres expérimentaux.
La première étape a consisté en l'identification et le contrôle des paramètres opératoires du procédé. A cet égard, ces travaux ont permis de mettre en place des méthodes de caractérisation de la source laser et de son environnement. La limitation de certains diagnostics d'observation a entraîné le développement d'une nouvelle méthode d'analyse de la morphologie des perçages, appelée méthode DODO (Direct Observation of Drilled hOle).
Les études spécifiques concernant la physique du procédé, ont apporté des réponses originales et interprétables sur les mécanismes intervenant au cours du perçage par laser. Ces études traitent de l'absorption et de la transmission du rayonnement au cours du perçage, des divers effets hydrodynamiques engendrés et de l'évolution des profils résultants.
L'absorption au cours du procédé de perçage tend vers une valeur unique (80%) en fonction de la puissance crête incidente quelle que soit la nature du matériau cible. La décroissance de la transmission en fonction de l'épaisseur est due à l'absorption des parois du perçage. La détente de la vapeur métallique consécutive à l'irradiation est supersonique. Deux types de profils existent (U et V) et permettent de remonter sans ambiguïté aux paramètres lasers utilisés lors du perçage. Enfin, l'utilité du gaz d'assistance au cours du perçage est remise en cause. Il est démontré que celui-ci ne peut pénétrer dans le perçage au cours du procédé.
Ces résultats remettent en cause un ensemble de connaissances héritées de la découpe par laser. Ils constituent une solide base de données sur le sujet pour améliorer la maîtrise du procédé et valider de futurs codes de calcul.
• Comprendre les phénomènes physiques intervenant au cours du perçage,
• Déterminer le profil des perçages à partir des paramètres expérimentaux.
La première étape a consisté en l'identification et le contrôle des paramètres opératoires du procédé. A cet égard, ces travaux ont permis de mettre en place des méthodes de caractérisation de la source laser et de son environnement. La limitation de certains diagnostics d'observation a entraîné le développement d'une nouvelle méthode d'analyse de la morphologie des perçages, appelée méthode DODO (Direct Observation of Drilled hOle).
Les études spécifiques concernant la physique du procédé, ont apporté des réponses originales et interprétables sur les mécanismes intervenant au cours du perçage par laser. Ces études traitent de l'absorption et de la transmission du rayonnement au cours du perçage, des divers effets hydrodynamiques engendrés et de l'évolution des profils résultants.
L'absorption au cours du procédé de perçage tend vers une valeur unique (80%) en fonction de la puissance crête incidente quelle que soit la nature du matériau cible. La décroissance de la transmission en fonction de l'épaisseur est due à l'absorption des parois du perçage. La détente de la vapeur métallique consécutive à l'irradiation est supersonique. Deux types de profils existent (U et V) et permettent de remonter sans ambiguïté aux paramètres lasers utilisés lors du perçage. Enfin, l'utilité du gaz d'assistance au cours du perçage est remise en cause. Il est démontré que celui-ci ne peut pénétrer dans le perçage au cours du procédé.
Ces résultats remettent en cause un ensemble de connaissances héritées de la découpe par laser. Ils constituent une solide base de données sur le sujet pour améliorer la maîtrise du procédé et valider de futurs codes de calcul.
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