Interaction laser/matière en régime de perçage par percussionanalyse expérimentale, modélisation et simulation numérique

par Jérémie Girardot

Thèse de doctorat en Génie mécanique - procédés de fabrication

Sous la direction de Véronique Favier, Nicolas Ranc et de Matthieu Schneider.

Soutenue le 21-01-2014

à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) (laboratoire) et de Procedes et Ingenierie en Mécanique et Matériaux [Paris] (laboratoire) .

Le président du jury était Pierre Villon.

Le jury était composé de Véronique Favier, Nicolas Ranc, Matthieu Schneider, Bruno Mortaigne, Philippe Lorong.

Les rapporteurs étaient J. M. Drezet, Marc Sentis.


  • Résumé

    Le perçage par laser est le procédé majoritairement utilisé pour la fabrication des trous de refroidissement des chambres à combustion des moteurs d'avion. La maîtrise de ce procédé, afin de limiter les écarts de géométrie des trous ainsi que les défauts microstructuraux induits, est une problématique qui a un fort enjeu industriel.L'interaction entre un faisceau laser et une matière métallique absorbante dans les régimes de perçage laser implique des phénomènes thermiques et hydrodynamiques dont le rôle sur le perçage n'est pas encore complétement expliqué. Ces travaux de thèse apportent des éléments de réponse par une approche de simulation numérique.Une investigation expérimentale couvrant une large gamme de paramètres opératoires a permis de quantifier la vitesse d'éjection liquide, la pression de recul et la température de surface en cours de procédé et d'analyser l'influence de la puissance crête du faisceau laser et de propriétés physiques matériau sur le perçage. Plusieurs méthodes expérimentales originales d'observations in situ et post-procédé ont été mises en œuvre dans cette investigation.Le modèle physique du perçage laser qui a été retenu pour la simulation intègre les changements de phase solide/liquide et liquide/vapeur, la mobilité des interfaces, l'éjection de la phase liquide et les échanges de chaleur par conduction et convection. Il est résolu en 2D axisymétrique via un code de calcul développé entièrement durant la thèse. Ce développement se base sur une méthode numérique récente, appelée méthode des éléments naturels contraints (CNEM en anglais), qui permet une description lagrangienne des interfaces mobiles et de l'écoulement du liquide. Cette description facilite l'application des conditions aux frontières. Les paramètres et données d'entrée du modèle sont tous issus de la littérature et/ou de mesures expérimentales.Les simulations réalisées ont permis de prédire la plupart des mesures sans aucun ajustement de paramètres. Les écarts observés ont donné des informations inédites sur la contribution de la répartition spatiale du faisceau laser et de la phase vapeur sur la géométrie des trous. L'étude des cycles thermiques a permis de mieux comprendre les transformations métallurgiques induites au cours du perçage laser.

  • Titre traduit

    Laser/matter interaction in percussion drilling regimeexperimental investigation, modelisation and numerical simulation


  • Résumé

    The laser drilling process is the main process used in machining procedures on aeronautic engines, especially in the cooling parts of the engine. The industrial stake is to reduce geometrical deviations of the holes and defects during production.The interaction between a laser beam and an absorbent metallic matter in the laser drilling regime involve thermal and hydrodynamical phenomenon. Their role on the drilling is not yet completely understood. This thesis work is attached to give some responses to these questions with a simulation approach.An experimental investigation was first set up in order to estimate the velocity of the liquid, the vapor pressure and the temperature of the surface and to characterize the influence of the laser power and some material properties on the drilling.The physical model of the laser drilling used for simulations include solid/liquid and liquid/vapor phase transformations, the liquid ejection and the convective and conductive thermal exchanges. It is solved using a homemade calculation code and 2D axisymmetric formulation, developed during the thesis. The development is based on a recent numerical method called CNEM (Constrained Natural Element Method). This method allows us to use a lagrangian representation of the moving boundaries and the liquid flow and so facilitates the application of the boundary conditions. The model parameters were taken from literature or from measures.Simulations results predicted most of measurements without identifying any parameters. The deviations between experiments and simulations gave new discussions on the influence of the laser beam space repartition and on the contribution of the metallic vapor phase on the hole geometry. The thermal cycles were studied clarifying the metallurgical transformations induced by laser drilling.


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