Bonjour à tous,
en [glow=red]théorie[/glow], l'action d'un faisceau laser dépend :
- de
l'efficacité d'absorption du faisceau qui dépend du couple laser (longueur d'onde) et matière (absorptivité, en gros inverse du coefficient de réflexion). La Lumière, qui est de "l'énergie électro-magnétique" va exciter les composants de la matière qui vont se mettre en résonnance. Sous l'effet d'un champ oscillantIls vont vibrer très fortement. Cette vibration (on appelle ça des phonons par opposition à photons pour la lumière) est ni plus ni moins qu'un état d'échauffement de la matière (c'est le même principe que l'eau excitée par les micro-ondes). En gros, les constituants de la matière sont organisés selon un motif dont la taille va jouer un role : plus cette taille correspond à la longueur d'onde de la lumière laser, plus le couplage (le transfert d'energie photon=>phonon) sera efficace. Les matières organiques sont de grosses molécules faiblement liées (tous les constituants de la matière sont liés par des champs électriques plus ou moins intenses du fait de leur composition et de la distance entre leurs composants), ce qui correspond à un maximum d'efficacité pour les grandes longueurs d'onde (laser CO2 lambda=10.6µm dix fois supérieure à celle d'un YAG lambda=1.06µm). Pour les métaux, plus ils sont conducteurs, plus ils sont réféchissants : par exemple or>cuivre>aluminium>acier).
- de la densité de puissance[/color], c'est à dire le rapport entre la puissance et la surface (W/cm²). Les métaux commencent à fondre à partir d'une densité de puissance de 200kW/cm². Ils sont vaporisés à partir de 1MW/cm².
Cette densité de puissance dépend de la puissance et de la qualité de faisceau. La qualité de faisceau est la capacité d'un faisceau à être focalisé sur une petite surface. On la mesure en mm.mrad, c'est le produit du diamètre par la divergence. Les lasers à fibre ont une qualité de faisceau qui peut descendre en dessous de 1mm.mrad. Les lasers CO2 sont aux alentours de 10mm.mrar. Les diodes sont à 100mm.mrad. Moralité, les diodes ne pourront générer une densité de puissance qu'environ 10 000 fois (=100*100) inférieure aux lasers à fibre !
- de la
diffusivité thermique du matériau : propriété d'un matériau à propager la chaleur. L'aluminium se coupe plus mal que l'acier car il diffuse très rapidement la chaleur (elle s'étale plus rapidement autour du point d'action, or on cherche à concentrer la chaleur dans le volume le plus petit possible). L'acier inox se coupe beaucoup mieux que l'acier au carbone car sa diffusivité est 4 fois inférieure.
[glow=red]En pratique :[/glow]- le couplage de la lumière se fait à la surface, donc l'état de surface compte : poli miroir ça marche moins bien que sablé. Au tout début, on coupait le cuivre en lui déposant du graphite à la surface (graphite noir => amélioration de l'absorption). Une tôle d'acier de 20mm rouillée se coupe beaucoup mons bien qu'une tôle de la même épaisseur avec une belle calamine noire, fine et homogène.
- un laser CO2 type DC020 de chez Rofin Sinar (2kW, qualité de faisceau excellente) coupe à la même vitesse qu'un laser PRC de 3.5kW (qualité de faisceau médiocre) [par contre, il coupe jusque 15mm d'épais alors que le 3.5kW va couper jusque 20mm d'épaisseur]
- un laser CO2 qui coupe 20mm d'acier inox coupera 10mm d'acier au carbone et 6mm d'aluminium (effet conjugué de la diffusivité et du couplage de surface).
- la qualité de l'optique de focalisation est importante. Le diamètre d'un spot est 25% inférieur avec une lentille ménisque qu'avec une simple lentille plan-convexe. 25% de moins en diamètre, ça fait 50% en surface (0.75*0.75=0.56), donc deux fois plus de densité de puissance.
- les lasers CO2 sont plus adaptés à la coupe de métal épais que les lasers de plus faible longueur d'onde type fibre, YAG, ... En effet:
----- En CO2 : sur le métal l'interaction d'un CO2 est beaucoup moins violente. Seule une petite partie du faisceau est absorbée à la surface et le reste est absorbé dans l'épaisseur par réflexions successives dans la saignée. A chaque réflexion, seule une petite partie de l'énergie est absorbée, il en reste encore beaucoup qui va se propager de proche en proche dans l'épaisseur. Au final, le faisceau peut se propager très profondément dans la saignée (il y a d'ailleurs une vitesse idéale pour laquelle la saignée prend une forme inclinée qui optimise l'angle de réflexion).
----- En YAG c'est l'inverse : il y a une interaction tellement bonne en surface que tout y est absorbé et il ne reste plus rien pour fondre le métal dans l'épaisseur. Bien sur la chaleur diffuse, mais elle diffuse à la même vitesse dans la profondeur du matériau que dans la largeur. Résultat, la densité volumique de puissance chute rapidement et on passe en dessous du seuil de fusion.
- la découpe laser a été inventée en 1965 par le TWI (l'institut de soudure anglais), un an après l'invention du laser CO2. La puissance était très faible (je ne la connais pas, mais visiblement c'est de l'ordre de la centaine de W) et ils ont coupé du métal...
OFF : Il y a 5 ans, j'ai coupé 250mm d'acier avec un laser à fibre de 20kW... Pour démanteler des centrales nucléaires. Ne vous inquiétez pas pour AREVA, il y aura toujours du business même si on arrête les centrales, ce n"est pas une question d'emplois, on nous raconte n'importe quoi. Les français sont parmi les meilleurs en construction nucléaire et ce sont les SEULS à avoir développé la technologie de démantèlement.
Bon je pourrais vous en raconter pendant des jours sans m'arrêter, mais j'arrête car j'en vois déjà en train de dormir au fond de la salle
@+
[edit] je dois corriger une erreur signalée par l'un d'entre vous à propos de la conductibilité de l'or : ce n'est pas la meilleure, avant il y a l'argent et le cuivre. J'ai toujours pensé l'inverse car une utilisation de l'or est la connexion des puces électroniques, mais c'est pour la ductilité qu'on utilise l'or.