Étude de la plume de vapeur lors du soudage laser des matériaux dissemblables : application au cas de l'assemblage titane/aluminium

Study of the vapor plume formed during the dissimilar laser welding : the application in the case of titanium/aluminum couple

• Auteur / Autrice : Manoj Raja Kumar
• Direction : Jean-Marie Jouvard, Iryna Tomashchuk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Mériaudeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadjib Semmar, Mickaël Courtois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Schneider, Stéphane Pellerin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Titane

Aluminium

Spectroscopie d'émission

Soudage laser

Mots clés libres

Soudage laser

Plume de vapeur

Materiaux dissemblables

Imagerie rapide

Spectroscopie d'émission

Capillaire laser

Laser welding

Vapor plume

Dissimilar materials

High-Speed imaging

Emission specrtoscopy

Laser keyhole

Résumé

Le soudage laser des matériaux dissimilaires répond aux nombreux défis actuels : l’allègement de structures et la réduction du cout, la combinaison des propriétés recherchés, l’extension du temps de vie etc. Alors qu’un grand nombre d’études expérimentales et numériques se focalise sur la microstructure des jonctions en vue d’amélioration de ses propriétés mécaniques, la phénoménologie de l’interaction laser/matière lors de soudage dissimilaire n’est pas encore pleinement explorée. La présente étude vise à contribuer dans la compréhension du comportement de la plume de vapeur lors du soudage laser aluminium/titane. Pour cela, l’imagerie rapide de la plume et du capillaire a été utilisée conjointement avec la spectroscopie d’émission et la cartographie X de la zone fondue.La principale originalité de ce travail consiste en exploration des différentes approches au traitement d’image pour la quantification des caractéristiques de la plume : ses dimensions géométriques, son inclinaison par rapport à l’axe vertical, la vitesse d’expansion, la luminosité etc. L’utilisation des filtres passe-bande a permis d’obtenir les images de la plume fortement différentes : une empreinte thermique ou une empreinte d’émissions atomiques. La dynamique du capillaire a été observée à travers d’une lame du quartz fondu et l’analyse des dépôts de la plume condensés sur cette lame a été entreprise.Dans la spectroscopie de la plume, la nature des espèces évaporées a été étudiée dans des nombreuses régions spectrales dont certaines permettent le suivi simultané de l’engagement des deux matériaux dans la plume. En plus, l’évaluation des températures a été réalisée dans les matériaux seuls et dans les jonctions.L’utilisation conjointe des méthodes in-situ et post-mortem a permis de démontrer un fort effet synergique existant dans la jonction aluminium/titane en bord-à-bord. Le titane, étant le vecteur principal de l’accumulation de chaleur grâce à son haut coefficient d’absorption, crée un jet de vapeur puissant ayant une température particulièrement élevée qui entraine l’aluminium voisinant dans l’expansion du capillaire. D’autre part, l’aluminium réduit la température dans la plume par sa réflectivité et par sa grande diffusivité thermique et également accentue les instabilités du capillaire associées avec l’éjection asymétrique du bourrelet fondu et des projections. L’inclinaison variable observée du jet de vapeur vers l’aluminium a été liée avec l’évolution progressive de courbure de la paroi du capillaire coté titane. Dans le soudage pulsé et continu, la stabilité du capillaire et de la plume accroit avec le décalage du faisceau laser coté titane. Inversement, le décalage vers l’aluminium induit l’inclination plus prononcée de la plume et la diminution notable de la température de vapeur éjectée.La dynamique du capillaire devient très différente dans la configuration par transparence, où elle reflète le caractère périodique des fluctuations du capillaire qui surviennent aux grands temps d’impulsion. Quand le titane est placé sur l’aluminium, l’évaporation et le creusement du capillaire sont brusquement freinés quand l’extrémité du capillaire pénètre dans l’aluminium. D’autre part, quand c’est l’aluminium qui se trouve sur le titane, l’initiation du capillaire nécessite la puissance laser plus importante, ce qui induit par la suite le creusement rapide du capillaire dans la plaque du titane. La première configuration freine le malaxage entre les matériaux, alors que la position inverse l’accentue. Les travaux de modélisation numérique initiés démontrent que dans le capillaire de quelques mm de profondeur l’absorption du faisceau par la vapeur métallique réduit la vitesse du perçage, ce qui mérite une étude plus approfondie.La caractérisation de la plume de vapeur par les moyens proposés prépare le terrain pour le développement des méthodes de contrôle in-situ et permet d’accumuler les données nécessaires pour une future étude numérique.

Laser welding of dissimilar metals responds to many actual challenges faced by the manufacturing technology: weight and cost reduction, efficient combination of target materials properties, lifetime extension of the products etc. While numerous experimental and numerical studies were focused on the optimization of weld microstructure to have better mechanical properties, the phenomenology of laser/matter interaction in dissimilar welding has not yet been studied thoroughly. The present work aims to contribute to the comprehension of vapor plume behavior during laser welding of aluminum/titanium couple. For this purpose, high-speed imaging of the plume and the keyhole was combined with emission spectroscopy and commonly used post-mortem mapping of the elemental composition of the melted zone.The originality of this work lies in the exploration of existing image treatment approaches for the quantification of the vapor plume characteristics such as geometrical dimensions, inclination from the vertical, expansion rate, brightness etc. The use of different band-pass filters offered a different perspective on the vapor plume: a thermal plume and an atomically excited plume. The dynamics of the keyhole formation was observed through the fused quartz window, and plume condensates formed on this quartz were analyzed.From spectroscopy of the plume, the nature of evaporating species was studied within a set of spectral regions, some of which allow simultaneous observation of the involvement of both materials into the vaporization process. Moreover, temperature evaluation of the plume was performed for standalone materials and for their combination.The simultaneous use of the mentioned in-situ and post-mortem characterization methods allowed the comprehension of a strong synergetic effect in a butt-welded aluminum/titanium combination. Titanium, being a main vector of heat accumulation due to its high absorption coefficient, induces a strong vapor jet having a particularly high temperature, which promoted an intense involvement of the opposite aluminum side into the keyhole expansion. On another hand, the reflective and conductive aluminum cooled down the interaction zone and accentuated the keyhole instability associated with asymmetric melt ejection and strong spattering. The observed evolving inclination of the vapor jet towards aluminum side was attributed to the progressive change in keyhole curvature on titanium side. In both pulsed and continuous welding, the stability of the keyhole and the vapor plume was enhanced by the laser spot offset on titanium side. On another hand, the beam displacement on aluminum side promoted stronger plume inclination and a significant drop in the vapor temperature.The plume dynamics were very different in overlap configuration, caused by the periodic fluctuations of keyhole occurring at high pulse times. When titanium was placed on aluminum, the vaporization and the keyhole digging suddenly slowed down as the keyhole tip entered the bottom aluminum plate. When aluminum plate was placed on the top, higher laser powers were needed for the keyhole initiation, which also promoted rapid keyhole digging in the bottom titanium plate. The first configuration slowed down the mixing of the elements, and vice versa in the second case. The initiated works on numerical modeling showed that in several mm deep keyholes the beam absorption by metallic vapor slows down the keyhole drilling process and thus should be investigated in more detail.The characterization of the vapor plume by high-speed imaging and emission spectroscopy prepares a field for in-situ control methodologies and accumulates the data necessary for further development of numerical modeling of vapor plume behavior.