Etude spectroscopique des plasmas de soudage laser: application au transfert d'énergie - Université de Lorraine
Theses Year : 1997

Spectroscopic study of laser-induced plasma : thermal transfer application

Etude spectroscopique des plasmas de soudage laser: application au transfert d'énergie

Abstract

The work presented here gives the characteristics of the laser induced-plasma plume created during laser welding. First, in the experimental part of the study, we have used the emission spectroscopy to determinate the electron temperature and the density of the plasma. Several tests have been achieved. We have estimated the influence of welding parameters such as : the laser power, the nature of the shielding gas, the pulse duration. These measurements have been achieved on stainless steel, but also on pure metals (Fe, Cr, Ni, Mo, Nb). The emission spectroscopy is used to analyse the welding defects, in order to achieve real time control of the process. Experiments have shown that geometrical and chemical (grease) defectiveness can be detected. The second part of this work is devoted to the numerical model used to describe the laser-plasma interaction. Several models are presented. The calculation of the partition function of each element of the plasma plume allows the theoretical determination of the densities. Then we can estimate the optical properties of the plume (absorption coefficient and refractive index). Electron microscopy measurements of the plasma plume deposits show the presence of sma1l particles. Consequently, we apply the Mie's theory in arder to study the laser beam scattering in the plume. Finally, we model the radiative transfer in the plasma using a discrete ordinate scheme. The numerical results point out the major effect of the scattering on the temperature field in the plume. This model can be used in complement of those calculating the geometry of the weld seam.
Le travail présenté dans ce mémoire donne les caractéristiques du plasma créé lors du soudage laser. La première partie de cette étude est expérimentale. Nous utilisons la spectroscopie d'émission pour déterminer la température et la densité électronique des plasmas. Plusieurs essais ont permis d'étudier l'influence des paramètres de soudage sur la température du panache : puissance du laser néodyme, nature du gaz de protection, durée de l'impulsion. Ces mesures ont été réalisées sur de l'acier inoxydable et sur des métaux purs (Fe, Cr, Ni, Mo, Nb). La spectroscopie d'émission est aussi utilisée pour analyser les défauts de soudage et réaliser, en temps réel, le contrôle de la soudure. Des expériences ont mis en évidence la présence de défectuosités géométriques et chimiques (graisses) sur les surfaces soudées. La deuxième partie de ce travail est consacrée aux simulations numériques développées pour décrire l'interaction laser-plasma. Plusieurs modèles sont présentés. Le calcul des fonctions de partition de chaque élément du panache permet de déterminer numériquement les densités des espèces présentes dans le plasma. Avec ces données, nous précisons les propriétés optiques du panache (coefficient d'absorption et indice de réfraction). L'étude en microscopie électronique de dépôts métalliques, prélevés dans le panache, confirme la présence de particules de petites dimensions. Nous calculons la diffusion du rayonnement laser dans le plasma avec la théorie de Mie. Finalement, nous modélisons le transfert radiatif dans le panache en utilisant une méthode aux ordonnées discrètes. Les résultats obtenus mettent en évidence l'importance de la diffusion, par les petites particules, sur les gradients de température du plasma. Ce modèle peut compléter les simulations numériques caractérisant la géométrie du cordon de soudure.
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tel-01747113 , version 1 (29-03-2018)

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  • HAL Id : tel-01747113 , version 1

Cite

David Lacroix. Etude spectroscopique des plasmas de soudage laser: application au transfert d'énergie. Matière Condensée [cond-mat]. Université Henri Poincaré - Nancy 1, 1997. Français. ⟨NNT : 1997NAN10210⟩. ⟨tel-01747113⟩
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