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The Workpiece Material-Laser Interaction and the Laser-Assisted Machining
The Workpiece Material-Laser Interaction and the Laser-Assisted Machining G. Marot, L. J. Fan, A. Tarrats, P. Cohen, J. P. Longuemard, Laboratoire EPAP, ECP Chbtenay-MalabrylFrance Submitted by A. Moisan (1). ENSAM Aix-en-Provence, France Received on January 14,1991
During t h e l a s e r - a s s i s t e d machining, o n l y a small p a r t o f t h e l a s e r beam is absorbed by t h e workpiece. So i t seems u s e f u l t o study t h e d i f f u s e d beam angular d i s t r i b u t i o n , and t o f i n d o u t t h e r e l a t i o n between t h i s d i s t r i b u t i o n and t h e surface f i n i s h . I n c e r t a i n conditions i t i s possible t o g e t a b e t t e r e f f i c i e n c y f o r the laser-material interaction. This paper describes an experimental study o f t h i s kind, and some conclusions which can be tought from a p r a c t i c a l p o i n t o f view.
Keywords : 1aser, 1aser-assi sted machining , roughness, 1aser-material i n t e r a c t i o n , d i f f u s i o n energy.
1 - INTRODUCTION Une n o u v e l l e technique d'usinage a chaud, l ' u s i n a g e a s s i s t 6 p a r l a s e r f a i t l ' o b j e t , depuis une d i z a i n e d'annees, de nombreux t r a vaux (l), (Z), ( 3 ) , (4), (51, (6), (71, (8). Son i n t e r & reside, en p a r t i c u l i e r , dans l a c a p a c i t e q u ' e l l e o f f r e pour u s i n e r des materiaux reputes d i f f i c i l e s a u s i n e r ou i n u s i n a b l e s p a r l e s techniques t r a d i t i o n n e l l e s . Mais, son rendement e s t f a i b l e (de l ' o r d r e de 10 % b 15 %, ou moins). I 1 e x i s t e p l u s i e u r s c o n d i t i o n s a m e t t r e en oeuvre pour essayer d ' o p t i m i s e r 1 'usinage d'un materiau avec une assistance l a s e r (6): des c o n d i t i o n s optiques, des c o n d i t i o n s de coupe, des c o n d i t i o n s p o r t a n t s u r 1 ' e t a t m e t a l l u r g i q u e du materiau. L'Cnergie i n c i d e n t e provoque d i f f e r e n t s types d'ondes : ondes r e f l e c h i e s , ondes r e f r a c t e e s ou absorbees, ondes d i f f r a c t e e s .
-
-
La r u g o s i t e de l a piece j o u e un r61e important dans l e comportement a l ' i n t e r f a c e e t determine en p a r t i e l a q u a n t i t e d ' e n e r g i e q u i sera reellement u t i l i s e e . Les pieces usinees ne presentent generalement pas une surface optiquement preparee, de ce f a i t l e s l o i s de S n e l l Descartes ne sont pas a p p l i c a b l e s directement. Nous nous proposons d'amener quelques elements de reponse en c e q u i concerne l ' i n f l u e n c e de l a r u g o s i t e en regard de l a longueur d'onde optique.
2 - ANALYSE THEORIQUE : CONSEQUENCE DE LA RUGOSITE SUR L'INTERACTION LASER MATIERE
2.1
-
Sur l a r e f l e c t i v i t e e t l ' a b s o r p t i v i t e .
L ' i n t e r a c t i o c l a s e r m a t i e r e c o n d u i t b l a f o r m a t i o n d'une onde ref l e c h i e e t d'une onde r e f r a c t & lorsque l e faisceau, p o r t e u r d'une onde plane, tombe sur l a surface parfaitement p o l i e d'une p i e c e (cas i d e a l ) . Les comportements des ondes r e f l e c h i e e t r e f r a c t & se conforment aux l o i s de Snell Descartes dans l e domaine de 1 ' i n f r a r o u g e . Le metal e s t opaque. L'onde r e f r a c t & e s t absorb&.
moyenne. I 1 a p p a r a i t e n t r e l e s rayons r e f l e c h i s DA e t D ' A ' une d i f f e r e n c e de marche A$ :
A$ =
(n R
est
:
R
-
')1
+ k:
=
( n + 1 ) ' + k: oh n e s t l ' i n d i c e de r e f r a c t i o n du metal e t ke e s t l e c o e f f i c i e n t d' extinction.
L'absorptivite A est : A = 1
-
R
La surface des pieces b u s i n e r n ' e t a n t pas parfaitement p o l i e , l e s d e f a u t s geometriques de l a d i t e surface conduisent b un phenomene de d i f f u s i o n en usinage a s s i s t 6 p a r l a s e r . La r e f l e x i o n e s t un phenomene q u i correspond b l a s u p e r p o s i t i o n de l a r e f l e x i o n s p e c u l a i r e e t de l a r e f l e x i o n d i f f u s e e . La preponderance de l ' u n ou de l ' a u t r e de ces phenomenes depend de l ' e t a t de surface. En effet, seule l a r e f l e x i o n s p e c u l a i r e e x i s t e s i l a surface e s t parfaitement p o l i e , a l o r s q u ' e l l e e s t absente s i l a d i s t r i b u t i o n de l a lumiere d i f f u s e e dans l'espace e s t homogene (cas d'une surface parfaitement rugueuse). I 1 c o n v i e n t donc de d e f i n i r une lim i t e physique pour c o n n a i t r e l a c o n d i t i o n q u i permet de n e g l i g e r l ' i n f l u e n c e de l a r u g o s i t e . 2.2
-
C r i t e r e de Rayleigh
S o i t 6 l a d i s t a n c e v e r t i c a l e e n t r e deux p o i n t s quelconqucs 0 e t 0' s i t u e s sur l a s u r f a c e de l a p i e c e : pour conmodit6 v i s u e l l e , l a f i g u r e 1 montre 0 au somnet de l a s u r f a c e e t 0' s u r l a l i g n e
Annals of the CIRP, Vol. 40/1/1991
+- e
D'apres le c r i t e r e de Rayleigh, une surface sera "non rugueuse" s i l e dephasage n'excede pas n/2 ( t o u t e f o i s , c e t t e valeur peut v a r i e r e n t r e nf10 e t n f 2 , selon l e s auteurs). Donc, nous pouvons negliger l a diffusion s i 6 X/8 s i n y En e f f e t , l e s electrons, v i b r a n t en phase, c o n t r i b u e n t p a r t o u t , en phase, a l ' e d i f i c a t i o n du champ t o t a l rayonne. Les i n t e r f e r e n ces dues b l a d i f f r a c t i o n ne seront c o n s t r u c t i v e s que dans l a d i oh B i e t Or sont l e s angles d ' i n c i d e n c e e t rection 8 . = e de r e f l e x l o n du'laser. Dans n o t r e cas, l a longueur d'onde e s t de 1D,6um sous l ' i n c i d e n c e normale, s i n y = 1. Le c r i t e r e de Rayleigh d e f i n i t une dimension maximale de l a r u g o s i t e 6max = 1,35um. En p r i n c i p e , l a r u g o s i t e Gmax, il e s t donc nede nos pieces b u s i n e r e t a n t superfeure c e s s a i r e de t e n i r compte du phenomene de d i f f u s i o n en usinage ass i s t e par laser. 2.3
-
I n f l u e n c e de l a r u g o s i t e sur l a d i f f u s i o n
La r u g o s i t e de l a piece j o u e un r61e important s u r l e comportement a l ' i n t e r f a c e e t determine, en p a r t i e , l a q u a n t i t e d ' e n e r g i e q u i sera reellement u t i l i s e e . Une r u g o s i t e &levee c o n d u i t b une augmentation d'absorption, due a 1 ' a p p a r i t i o n des e f f e t s de Brewster e t des r e f l e x i o n s m u l t i p l e s . La d i s t r i b u t i o n de 1 ' e n e r g i e d i f f u s e e depend de l a r u g o s i t e . En p r i n c i p e , l e c a r a c t e r e aleat o i r e de l a r u g o s i t e rend l e phenomene de d i f f u s i o n assez complexe Deux cas seront consideres : a ) l e s d i s t r i b u t i o n s s t a t i s t i q u e s de l ' a m p l i t u r i e e t de l ' o r i e n t a t i o n des r u g o s i t e s sont a l e a t o i r e s e t l a l u m i e r e i n c i d e n t e e s t normale b l a surface de l a piece. Lorsque l a ruSositE e s t de l ' o r d r e de grandeur de l a longueur d'onde, Davies e x p r i n e l a r e f l e c t i v i t e par : R = Rs + Rd
2
La r e f l e c t i v i t e R e t 1 ' a b s o r p t i v i t e A dependent des c a r a c t e r i s t i ques propres du metal e t des c a r a c t e r i s t i q u e s geometriques du f a i s c e a u l a s e r b l ' i n c i d e n c e normale. La r e f l e c t i v i t e
s i n y avec y ( a n g l e r a s a n t ) =
avec oh
6 Ro Rd
m
Ae
RS = Roexp(- (4n6) )
7
e s t l a dinension royenne de l a r u g o s i t e e s t l a r e f l e c t i v i t e d'une surface p o l i e 4 4 2 = Ro (-&) (Ae)
7
e s t l a pente moyenne des f a c e t t e s e s t l ' a n g l e de d i f f u s i o n
b ) l e s r u g o s i t e s forment un reseau e l e c t r i q u e . P l u s i e u r s ordres d'ondes d i f f r a c t & sont provoques p a r l a d i f f r a c t i o n de l ' o n d e i n c i d e n t e du reseau. Les d i f f e r e n t e s d i r e c t i o n s de l a d i f -
Surface rugueuse
F i g . I . Condition d'inten6Cnence conb.thuotiue e&e MYOM OA eA O ' A '
Leb
91
f r a c t i o n sont donnees p a r l a r e l a t i o n s u i v a n t e :
en
sin
-L!+ sin e
= n
OD
L
Les e s s a i s o n t permis d ' e t u d i e r :
e s t l e pas du reseau.
Le terme n = 0 correspond a l a r e f l e x i o n speculaire, e t l e s t e r mes n t 0 correspondent aux d i f f u s i o n s d ' o r d r e n.
3
-
ANALYSE EXPERIMENTALE
- Methode de mesure.
3.1
Le l a s e r CO, u t i l i s e e s t du t y p e continu, de longueur d'onde 10,6rrm.Sa puissance e s t de 3,3 kW. Un s y s t e m o p t i q u e forme b p a r t i r de l e n t i l l e s en germanium permet de m o d i f i e r l a dimension r a d i a l e du f a i s c e a u grace a un mouvement de t r a n s l a t i o n v e r t i c a l ( F i g u r e 2). Les e c h a n t i l l o n s sont places s u r une t a b l e pouvant se depl a c e r l o n g i t u d i n a l ement e t t r a n s v e r s a l ement L ' e n e r g i e d i f f u s e e p a r l ' e c h a n t i l l o n e s t d e t e c t & p a r un j o u l e m e t r e monte s u r un a r c en p l e x i g l a s s . L ' a r c p e u t e t r e anime d ' u n mouvement de t r a n s l a t i o n permettant de changer l a d i s t a n c e j o u l e m e t r e - e c h a n t i l l o n . I 1 e s t encore r e l i e a un p l a t e a u tournant. L ' o r i e n t a t i o n du j o u l e m e t r e e s t d e f i n i e b p a r t i r des angles 8 e t @ p r i s s u r l ' a r c e t s u r l e p l a t e a u tournant, l e u r v a l e u r pouvant a l l e r de 0" b 70" e t de 0' a 180", respectivement.
.
I
:
2
:
3
:
4
:
5
:
6
:
7
:
-
l ' i n f l u e n c e de l a puissance du rayon l a s e r q u i a evolue de 525kl a 1332W s u r l e c y l i n d r e n o 4 s u r f a c e A l ' i n f l u e n c e de l a r u g o s i t e avec l e s c y l i n d r e s n o 5 surfaces B , C, n@6 surface B, n o Y surface C, no 10 s u r f a c e C l ' i n f l u e n c e de l ' a n g l e d ' i n c i d e n c e s u r l e s pieces n o 4 s u r f a c e A, n o 7 s u r f a c e A ; l ' a n g l e d ' i n c i d e n c e e s t n i o d i f i e p a r decalage du p o i n t d ' i n c i d e n c e p a r r a p p o r t a l ' a x e du c y l i n d r e , l e p o i n t de depart e t a n t p r i s s u r l a g e n e r a t r i c e des pieces.
3.3
Resul t a t s experinientaux
a ) I n f l u e n c e de l a puissance du rayonnemenl l a s e r . Les f i g u r e s 3a e t 3b alontrent que 1 ' e n e r g i e d i f f u s e e auyinente avec 1 ' 6 n e r g i e i n c i d e n t e , l a pente des courbes diniinuant avec l ' a u g n i e n t a t i o n de l a puissance. C e l t e d i i n i n u t i o n e s t due a l ' a c croisseinenl; de l ' a b s o r p t i v i t e avec l ' i n t e n s i t e du l a s e r ( 9 ) . Your l ' a n g l e 4) egal a 270", l e r a p p o r l tle l ' e n e r q i e d i f r u s e e a l ' e n e r g i e i n c i d e n t e passe de 8,38 % (50UW) b 7.21 2: (13321#1), s o i t une d i m i n u t i o n r e l a t i v e de 14 %.
500
3.2
-
90U
700
1100
1300
Conditions experimentales.
S i x e c h a n t i l l o n s de forme c y l i n d r i q u e (Tableau 1) en a c i e r XC42 o n t e t e exposes au rayonnement l a s e r .
Ebtengie d.Ld6tw6e I W I
Tableau 1 : e c h a n t i l l o n s e t u d i e s 6
Numero Cylindre
diametre
hauteur
Surface
(mm)
H(n)
Ra(um)
A B C B A C
80 80 80 120 120
70 70 70 70 70 40 70
1.20 2.72 6.22 3.10 4.16 0.34 1.18
4 5 5 6 7 9 10 Ra Rt,
c
80 120
5
Rmax(um)
Rt,(rrm)
6.7 13.4 20.1 13.4 15.0 2.2 8.1
4
6.2 11.9 19.8 13 13.8 1.8 5.8
3
2 1
: r u g o s i t e moyenne ; Rmax : r u g o s i t e maximale ; : moyenne de l a profondeur t o t a l e de r u g o s i t e .
Le Tableau 2 d e c r i t l e s t r o i s types d ' e s s a i s q u i o n t
ete
realises. b ) I n f l u e n c e de l a r u g o s i t e .
Tableau 2 : C o n d i t i o n s experimentales
Type de l ' e s s a i
1
2
3 -*
Type de p i e c e
4A
Angle d'incidence (") Puissance du l a s e r (W)
58
5C
6B
9C
0
0
0
0
0
525 1332
550
550
550
530
7
6
6
6
6 5 4 3
Diametre de l a tache f o c a l e (mm)
1OC
4A
9.6 19.5 3.0
550 700
700
6
6
temps d ' i n t e r a c t i o n : c o n s t a n t = 10 s ; distance joulemetre p i e c e : constante = 19 cm ; angles e e t @ : v a r i a b l e s ; se r e p o r t e r b l a F i g u r e n o 2 .
-
92
7A
14.5 0 30 48.6
Pour un meme e c h a n t i l l o n . l a d i s t r i b u t i o n de l ' h e r g i e d i f f u s e e en f o n c t i o n de 1 ' a n g l e (I e s t d i f f e r e n t e uour d i f f e r e n t s p o i n t s d ' i n u a c t du f a i s c e a u l a s e r . ce q u i iiionlre que l ' e t a t de s u r r a c e de l a o i e c e i n f l u e n c e l a d i s t r i b u t i o n de l ' e n e r g i e d i f f u s e e . I.'obs e r v a t i o n de l a s u r f a c e de l a n i e c e l a i s s e p e r c e v o i r l a presence de s t r i e s c i r c u l a i i - e s (n' 5, no 6 ) e t r e c t i l i g n e s (11" 9, n o l o ) , t a n d i s qu'une etude au rugosimetre met en evidence des p r o f i l s tel que c e l u i present6 F i g u r e 4 pour l a p i e c e 11" 5 surface C. S i l e s s t r i e s o n t une amplitude i m p o r t a n t e l ' o r i e n t a t i o n de l a f a c e t t e f a v o r i s e l a r e f l e x i o n de l ' e n e r g i e dans une d i r e c t i o n ( a n g l e +Iconinie l ' i l l u s t r a t i o n F i g u r e 5 l e l a i s s e v o i r .
6
0
.5
I
1.5
50 -
i I
40
i
30
20 Les pieces sont mises en p o s i t i o n de facon a o b t e n i r l e s maxima aux angles 4 = 90" e t 270" e t pour une distance e n t r e l e p o i n t d'impact e t l e c e n t r e de l a piece de 2 cm. Les r e s u l t a t s sont sontres dans l e s Figures 6, 7, 8, 9, 10. I 1 y a d i s s y m e t r i e pour l e s pieces n o 5 e t no 6. Cela p r o v i e n t du f a i t que l e s s t r i e s de ces deux pieces sont c i r c u l a i r e s . Dans l a d i r e c t i o n 6 = 270", l e s s t r i e s sont concaves. E l l e s sont convexes dans l a d i r e c t i o n 6 = 90".
10
0
0 Fig. B
:
40
L ' e n e r g i e d i f f u s e e peut v a r i e r d'une facon con monotone avec l ' a n g l e 0 ( F i g u r e 11). Ainsi, deux valeurs maximales de l ' e n e r g i e d i f fusee ( p i e c e no 5 surface C) o n t ete obtenues pour O = 27,5" e t O = 52,5", Pour des raisons d ' o r d r e m a t e r i e l ( C o n f i g u r a t i o n exper i m e n t a l e ) , l a v a l e u r maximale attendue (65") n ' a pu G t r e a t t e i n t e . I 1 e x i s t e r a i t , aussi, un t r o i s i e m e maximum de l ' e n e r g i e d i f f u s e e a l a r e f l e x i o n speculaire ( 0 = 90"). La d i f f e r e n c e des r e s u l t a t s obtenus p r o v i e n d r a i t de l a r u g o s i t e . En e f f e t , l a F i g u r e 5 montre quo l e s s t r i e s sont quasiment periodiques, de periode s p a t i a l e L = 0,5 mm/7 = 0,171 mm ( p i e c e n o 5 surface C ) . Ces r u g o s i t e s a g i r a i e n t c o m e un reseau. L ' a n g l e On q u i correspond a l a d i f f r a c n
1 0
300
D.id.t)L.ibLLtiun dam L'ebpace INo 5 B )
L ' e n e r g i e r e f l e c h i e augmente avec 1 'angle @ e t semble v o u l o i r a t t e i n d r e une v a l e u r maxirale dans l a d i r e c t i o n de l a r e f l e x i o n speculaire, l o r s g u e l e faisceau l a s e r e s t a une incidence normale par r a p p o r t B l a surface.
t i o n d'ordre
200
100
I
e
=
soo
e s t determine par :
+ n1 oir Oo e s t l ' a n g l e d ' i n c i d e n c e du l a s e r e t L A l a longueur d'onde. I c i Oe = 90" e t A = 10,6um, a l o r s cosOn
= cos0
O
CosOn = nx0,1434
Enengie
20
di66wte IWI
e
di66uste IW)
Ra = 0,34m Rmaxi = 2,2m
Rtm
=
550
/
10
1,8m
=
S t h i e s xec.L&gnen 0
I00
Fig. 6
:
200
6"
300
D.id.t)L.ibLLtiun en donotion de 6, N o 9C
120
60
160
240
300
0
6" Fig. 1 0
:
D.idthibLLtion d m L'espace IN' 681
Enengie
50
di,5,5uste
IWI 40
30 EAAM
0
200
100
4
Ra
I . 9C2?0°0, 3 4 m
20
2.10c270~1,18m 3. 5C 90°6.22m 4 . 58 9 0 ' 2 , f Z m 5. 68 9 O o 3 , 1 0 m
10
300 4 O
Fig. ?
:
D.idthibU.tiOn en
an dun de 6,
N o IOC
0
0
20
40
eo
60
93
n en(")
1 81.47
2 72,73
3
4
63,56
5
53,59
6
42,lO
t i r e e s des r e s u l t a t s experimentaux obtenus pour 1 ' a c i e r XC42 pour ameliorer l e rendement de l ' o p e r a t i o n usinage a s s i s t 6 p a r l a s e r .
7
27,08
L ' e n e r g i e d i f f u s e e augmente avec l a puissance i n c i d e n t e du rayon l a s e r , mais moins rapidement que l ' e n e r g i e absorb&, ce q u i e s t dir au f a i t que l ' a b s o r p t i o n c r o i t avec l a temperature ( 9 ) . I 1 f a u d r a i t donc augmenter l a puissance pour a v o i r une m e i l l e u r e absorption.
-1
I 1 n ' e x i s t e p l u s de d i f f r a c t i o n d ' o r d r e superieur a 7. I 1 a p p a r a i t que l e s d i f f r a c t i o n s d ' o r d r e 4 e t 6 correspondraient = 52,5" e t e = 27,5O. aux r e s u l t a t s e exp exp S i l ' a m p l i t u d e des s t r i e s s i t u e e s sur l a surface des pieces e s t moins importante ( n o 9 e t no l o ) , l a d i s t r i b u t i o n de l ' e n e r g i e d i f f u s e e e s t davantage concentree pres de l a r e f l e x i o n speculaire. La d i f f u s i o n e s t moins importante.
En conclusion, l a r e f l e x i o n s p e c u l a i r e diminue e t l a d i f f u s i o n augmente avec l ' a c c r o i s s e m e n t de l a r u g o s i t e de surface de l a piece. c ) I n f l u e n c e de 1 'angle d ' i n c i d e n c e Pour une valeur de l ' a n g l e d'incidence, l e s courbes a ) e t b ) de l a F i g u r e 12 representent l ' e v o l u t i o n de l ' e n e r g i e d i f f u s e e en f o n c t i o n des valeurs de $ pour d i f f e r e n t e s valeurs de l ' a n g l e 8 . L ' e n e r g i e d i f f u s e e c r o i t avec 0 e t a t t e i n t une v a l e u r maximale a l ' a n g l e de l a r e f l e x i o n speculaire. E l l e diminue pour des angles superieurs a ce d e r n i e r . L ' e n e r g i e d i f f u s e e & une d i s t r i b u t i o n p l u s e t r o i t e selon l a v a l e u r de l ' a n g l e $, quand l ' a n g l e d ' i n c i d e n c e c r o i t , avec un angle 0 fixe.
Les r u g o s i t e s moyenne e t l o c a l e j o u e n t un r d l e important. L'energ i e r e f l e c h i e s p e c u l a i r e d e c r o i t a l o r s que 1 ' e n e r g i e d i f f u s e e augmente avec l a r u g o s i t e moyenne ; mais l o r s q u e l e s amplitudes des s t r i e s & l a surface de l a p i e c e sont grandes il s u f f i t de b i e n c h o i s i r l ' o r i e n t a t i o n de l a face de l a p i e c e pour e v i t e r une d i f f u s i o n de 1 ' e n e r g i e t r o p importante. I 1 f a u d r a i t donc a v o i r des pieces & s t r i e s profondes e t l e s o r i e n t e r correctenent pour c a p t u r e r l e rayonnement comme dans l e cas d'un corps n o i r . Lorsque 1 'angle d ' i n c i d e n c e augmente, pour e f i x @ , 1 'energie d i f f u s e e a une d i s t r i b u t i o n p l u s e t r o i t e avec $. Pour $ constant, l ' e n e r g i e d i f f u s e e a une d i s t r i b u t i o n p l u s etendue avec 8 . I 1 s e r a i t donc i n t e r e s s a n t , pour l e cas oir e l l e d e v r a i t e t r e recuperee, de p r e v o i r l a c a r t e de d i s t r i b u t i o n s p a t i a l e de l ' e n e r g i e d i f f u s e e pour chaque p i e c e & usiner, en cherchant l e s v a l e u r s de 0 e t $ associes a l ' e n e r g i e optimale.
7
-
CONCLUSION
L ' e t u d e de 1 ' i n t e r a c t i o n l a s e r - m a t i e r e a p e n i s de m e t t r e en evidence l e s p r i n c i p a u x parametres q u i i n f l u e n c e n t le phenomene c ' e s t - & - d i r e l a frdquence, 1 'angle d'incidence, l a p o l a r i s a t i o n e t l ' i n t e n s i t e du rayonnement l a s e r , l ' e t a t de surface de l a piece c a r a c t e r i s e p a r l a r u g o s i t e e t l a presence d'impuretes e t de depdts, l a temperature. Les tendances montrent que, pour a c c r o i t r e l e rendement de l ' o p e r a t i o n usinage a s s i t e p a r l a s e r , il f a u t r e u n i r l e s c o n d i t i o n s t e l l e s que :
L ' e n e r g i e d i f f u s e e a une d i s t r i b u t i o n p l u s &endue selon l a val e u r de l ' a n g l e 8 , quand l ' a n g l e d ' i n c i d e n c e augmente pour un angle $ f i x e . Les d i f r e r e n c e s observees pour l e s pieces no 4A e t n o 7A r e s u l t e r a i e n t de l a d i f f e r e n c e de l e u r r u g o s i t e : l a piece q u i a l a p l u s p e t i t e r u g o s i t e a une d i s t r i b u t i o n de 1 ' e n e r g i e d i f f u s e e p l u s concentree dans l a d i r e c t i o n de l a r e f l e x i o n speculaire.
6 - LES TENDANCES Sans rechercher l ' e x h a u s t i v i t e , quelques tendances peuvent @ t r e
- l a puissance du rayonnement l a s e r a t t e i g n e une v a l e u r c r i t i q u e , - l e s s t r i e s & l a surface de l a p i e c e a i e n t une amplitude elevee,
-
l a f a c e de l a p i e c e s o i t b i e n o r i e n t & p a r r a p p o r t au rayonnement l a s e r .
C e t t e etude e x p l o r a t o i r e , q u i m e r i t e d ' e t r e p o u r s u i v i e sur d'aut r e s materiaux ouvre l a v o i e a l ' a m e l i o r a t i o n du rendement de l ' o p e r a t i o n usinage a s s i s t 6 par l a s e r . REFERENCES
0
Angle dincidence-14.5 (piece No.4A) 100
e =
I a)
( 1 ) Jau, B.M., 1981, Laser a s s i s t e d machining o f hard t o machine m a t e r i a l s , D i s s e r t a t i o n presented t o t h e F a c u l t y of t h e Graduate School, U n i v e r s i t y of South C a l i f o r n i a , September 1981.
(2) Srinavasan Rajasopal, 1982, Laser a s s i s t e d machining of though m a t e r i a l s , Laser focus, March 1982.
60
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40
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20
a
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Flom, D.G., Lee, M., 1985, High l i g h t s o f t h e D.A.R. P.A., Advanced Machining Research program, Journal of Engineering f o r I n d u s t r y , Vol. 107, pp. 325-335, Novenber 1985.
-
0
Angle d'incidence=30 (piece No.4 A) Enengie
I00
e
di,5,5uate
IW)
=
61
300
80
60
( 6 ) tlarot, G., Longuemard, J.P., Signamarcheix, J.M., Dabezies, B., H a l l i e r , J.C., 1989, E t a t de l ' a r t sur l ' u s i n a g e a s s i s t e p a r l a s e r , Mecanique Materiaux E l e c t r i c i t 6 n o 430 Avril-Mai 1989.
i
(7) Dabezies, B., Signamarcheix, J.M., 1989, Laser A s s i s t e d Machining, Proc. of The Laser versus The E l e c t r o n Beam i n Welding, c u t t i n g and s u r f a c e treatment Conf., S t a t e o f t h e A r t 1989, pp. 140-153, RENO (USA), November 1989, Ed. Bakish M a t e r i a l s Corp. ( 8 ) Konig, W., Cronjzger, L., Spur, G., Tonshoff, H.K., Vigneau, M., Zdeblick, W.J., 1990, Machining o f new m a t e r i a l s , C.I.R.P. Annals Vol 39/2/1990, pp. 673-681.
40
( 9 ) Bennett, H.E., 123, 1961.
220
240
260
z8a
300
320
Fig. 1 2 : l n & ~ e n c e de L'angLe d ' i n c i d e n c e buh L'Cnengie dc66uste
94
Porteurs J.O.,
1961, J. Opt. SOC. Am.,
p. 51-
During t h e l a s e r - a s s i s t e d machining, o n l y a small p a r t o f t h e l a s e r beam is absorbed by t h e workpiece. So i t seems u s e f u l t o study t h e d i f f u s e d beam angular d i s t r i b u t i o n , and t o f i n d o u t t h e r e l a t i o n between t h i s d i s t r i b u t i o n and t h e surface f i n i s h . I n c e r t a i n conditions i t i s possible t o g e t a b e t t e r e f f i c i e n c y f o r the laser-material interaction. This paper describes an experimental study o f t h i s kind, and some conclusions which can be tought from a p r a c t i c a l p o i n t o f view.
Keywords : 1aser, 1aser-assi sted machining , roughness, 1aser-material i n t e r a c t i o n , d i f f u s i o n energy.
1 - INTRODUCTION Une n o u v e l l e technique d'usinage a chaud, l ' u s i n a g e a s s i s t 6 p a r l a s e r f a i t l ' o b j e t , depuis une d i z a i n e d'annees, de nombreux t r a vaux (l), (Z), ( 3 ) , (4), (51, (6), (71, (8). Son i n t e r & reside, en p a r t i c u l i e r , dans l a c a p a c i t e q u ' e l l e o f f r e pour u s i n e r des materiaux reputes d i f f i c i l e s a u s i n e r ou i n u s i n a b l e s p a r l e s techniques t r a d i t i o n n e l l e s . Mais, son rendement e s t f a i b l e (de l ' o r d r e de 10 % b 15 %, ou moins). I 1 e x i s t e p l u s i e u r s c o n d i t i o n s a m e t t r e en oeuvre pour essayer d ' o p t i m i s e r 1 'usinage d'un materiau avec une assistance l a s e r (6): des c o n d i t i o n s optiques, des c o n d i t i o n s de coupe, des c o n d i t i o n s p o r t a n t s u r 1 ' e t a t m e t a l l u r g i q u e du materiau. L'Cnergie i n c i d e n t e provoque d i f f e r e n t s types d'ondes : ondes r e f l e c h i e s , ondes r e f r a c t e e s ou absorbees, ondes d i f f r a c t e e s .
-
-
La r u g o s i t e de l a piece j o u e un r61e important dans l e comportement a l ' i n t e r f a c e e t determine en p a r t i e l a q u a n t i t e d ' e n e r g i e q u i sera reellement u t i l i s e e . Les pieces usinees ne presentent generalement pas une surface optiquement preparee, de ce f a i t l e s l o i s de S n e l l Descartes ne sont pas a p p l i c a b l e s directement. Nous nous proposons d'amener quelques elements de reponse en c e q u i concerne l ' i n f l u e n c e de l a r u g o s i t e en regard de l a longueur d'onde optique.
2 - ANALYSE THEORIQUE : CONSEQUENCE DE LA RUGOSITE SUR L'INTERACTION LASER MATIERE
2.1
-
Sur l a r e f l e c t i v i t e e t l ' a b s o r p t i v i t e .
L ' i n t e r a c t i o c l a s e r m a t i e r e c o n d u i t b l a f o r m a t i o n d'une onde ref l e c h i e e t d'une onde r e f r a c t & lorsque l e faisceau, p o r t e u r d'une onde plane, tombe sur l a surface parfaitement p o l i e d'une p i e c e (cas i d e a l ) . Les comportements des ondes r e f l e c h i e e t r e f r a c t & se conforment aux l o i s de Snell Descartes dans l e domaine de 1 ' i n f r a r o u g e . Le metal e s t opaque. L'onde r e f r a c t & e s t absorb&.
moyenne. I 1 a p p a r a i t e n t r e l e s rayons r e f l e c h i s DA e t D ' A ' une d i f f e r e n c e de marche A$ :
A$ =
(n R
est
:
R
-
')1
+ k:
=
( n + 1 ) ' + k: oh n e s t l ' i n d i c e de r e f r a c t i o n du metal e t ke e s t l e c o e f f i c i e n t d' extinction.
L'absorptivite A est : A = 1
-
R
La surface des pieces b u s i n e r n ' e t a n t pas parfaitement p o l i e , l e s d e f a u t s geometriques de l a d i t e surface conduisent b un phenomene de d i f f u s i o n en usinage a s s i s t 6 p a r l a s e r . La r e f l e x i o n e s t un phenomene q u i correspond b l a s u p e r p o s i t i o n de l a r e f l e x i o n s p e c u l a i r e e t de l a r e f l e x i o n d i f f u s e e . La preponderance de l ' u n ou de l ' a u t r e de ces phenomenes depend de l ' e t a t de surface. En effet, seule l a r e f l e x i o n s p e c u l a i r e e x i s t e s i l a surface e s t parfaitement p o l i e , a l o r s q u ' e l l e e s t absente s i l a d i s t r i b u t i o n de l a lumiere d i f f u s e e dans l'espace e s t homogene (cas d'une surface parfaitement rugueuse). I 1 c o n v i e n t donc de d e f i n i r une lim i t e physique pour c o n n a i t r e l a c o n d i t i o n q u i permet de n e g l i g e r l ' i n f l u e n c e de l a r u g o s i t e . 2.2
-
C r i t e r e de Rayleigh
S o i t 6 l a d i s t a n c e v e r t i c a l e e n t r e deux p o i n t s quelconqucs 0 e t 0' s i t u e s sur l a s u r f a c e de l a p i e c e : pour conmodit6 v i s u e l l e , l a f i g u r e 1 montre 0 au somnet de l a s u r f a c e e t 0' s u r l a l i g n e
Annals of the CIRP, Vol. 40/1/1991
+- e
D'apres le c r i t e r e de Rayleigh, une surface sera "non rugueuse" s i l e dephasage n'excede pas n/2 ( t o u t e f o i s , c e t t e valeur peut v a r i e r e n t r e nf10 e t n f 2 , selon l e s auteurs). Donc, nous pouvons negliger l a diffusion s i 6 X/8 s i n y En e f f e t , l e s electrons, v i b r a n t en phase, c o n t r i b u e n t p a r t o u t , en phase, a l ' e d i f i c a t i o n du champ t o t a l rayonne. Les i n t e r f e r e n ces dues b l a d i f f r a c t i o n ne seront c o n s t r u c t i v e s que dans l a d i oh B i e t Or sont l e s angles d ' i n c i d e n c e e t rection 8 . = e de r e f l e x l o n du'laser. Dans n o t r e cas, l a longueur d'onde e s t de 1D,6um sous l ' i n c i d e n c e normale, s i n y = 1. Le c r i t e r e de Rayleigh d e f i n i t une dimension maximale de l a r u g o s i t e 6max = 1,35um. En p r i n c i p e , l a r u g o s i t e Gmax, il e s t donc nede nos pieces b u s i n e r e t a n t superfeure c e s s a i r e de t e n i r compte du phenomene de d i f f u s i o n en usinage ass i s t e par laser. 2.3
-
I n f l u e n c e de l a r u g o s i t e sur l a d i f f u s i o n
La r u g o s i t e de l a piece j o u e un r61e important s u r l e comportement a l ' i n t e r f a c e e t determine, en p a r t i e , l a q u a n t i t e d ' e n e r g i e q u i sera reellement u t i l i s e e . Une r u g o s i t e &levee c o n d u i t b une augmentation d'absorption, due a 1 ' a p p a r i t i o n des e f f e t s de Brewster e t des r e f l e x i o n s m u l t i p l e s . La d i s t r i b u t i o n de 1 ' e n e r g i e d i f f u s e e depend de l a r u g o s i t e . En p r i n c i p e , l e c a r a c t e r e aleat o i r e de l a r u g o s i t e rend l e phenomene de d i f f u s i o n assez complexe Deux cas seront consideres : a ) l e s d i s t r i b u t i o n s s t a t i s t i q u e s de l ' a m p l i t u r i e e t de l ' o r i e n t a t i o n des r u g o s i t e s sont a l e a t o i r e s e t l a l u m i e r e i n c i d e n t e e s t normale b l a surface de l a piece. Lorsque l a ruSositE e s t de l ' o r d r e de grandeur de l a longueur d'onde, Davies e x p r i n e l a r e f l e c t i v i t e par : R = Rs + Rd
2
La r e f l e c t i v i t e R e t 1 ' a b s o r p t i v i t e A dependent des c a r a c t e r i s t i ques propres du metal e t des c a r a c t e r i s t i q u e s geometriques du f a i s c e a u l a s e r b l ' i n c i d e n c e normale. La r e f l e c t i v i t e
s i n y avec y ( a n g l e r a s a n t ) =
avec oh
6 Ro Rd
m
Ae
RS = Roexp(- (4n6) )
7
e s t l a dinension royenne de l a r u g o s i t e e s t l a r e f l e c t i v i t e d'une surface p o l i e 4 4 2 = Ro (-&) (Ae)
7
e s t l a pente moyenne des f a c e t t e s e s t l ' a n g l e de d i f f u s i o n
b ) l e s r u g o s i t e s forment un reseau e l e c t r i q u e . P l u s i e u r s ordres d'ondes d i f f r a c t & sont provoques p a r l a d i f f r a c t i o n de l ' o n d e i n c i d e n t e du reseau. Les d i f f e r e n t e s d i r e c t i o n s de l a d i f -
Surface rugueuse
F i g . I . Condition d'inten6Cnence conb.thuotiue e&e MYOM OA eA O ' A '
Leb
91
f r a c t i o n sont donnees p a r l a r e l a t i o n s u i v a n t e :
en
sin
-L!+ sin e
= n
OD
L
Les e s s a i s o n t permis d ' e t u d i e r :
e s t l e pas du reseau.
Le terme n = 0 correspond a l a r e f l e x i o n speculaire, e t l e s t e r mes n t 0 correspondent aux d i f f u s i o n s d ' o r d r e n.
3
-
ANALYSE EXPERIMENTALE
- Methode de mesure.
3.1
Le l a s e r CO, u t i l i s e e s t du t y p e continu, de longueur d'onde 10,6rrm.Sa puissance e s t de 3,3 kW. Un s y s t e m o p t i q u e forme b p a r t i r de l e n t i l l e s en germanium permet de m o d i f i e r l a dimension r a d i a l e du f a i s c e a u grace a un mouvement de t r a n s l a t i o n v e r t i c a l ( F i g u r e 2). Les e c h a n t i l l o n s sont places s u r une t a b l e pouvant se depl a c e r l o n g i t u d i n a l ement e t t r a n s v e r s a l ement L ' e n e r g i e d i f f u s e e p a r l ' e c h a n t i l l o n e s t d e t e c t & p a r un j o u l e m e t r e monte s u r un a r c en p l e x i g l a s s . L ' a r c p e u t e t r e anime d ' u n mouvement de t r a n s l a t i o n permettant de changer l a d i s t a n c e j o u l e m e t r e - e c h a n t i l l o n . I 1 e s t encore r e l i e a un p l a t e a u tournant. L ' o r i e n t a t i o n du j o u l e m e t r e e s t d e f i n i e b p a r t i r des angles 8 e t @ p r i s s u r l ' a r c e t s u r l e p l a t e a u tournant, l e u r v a l e u r pouvant a l l e r de 0" b 70" e t de 0' a 180", respectivement.
.
I
:
2
:
3
:
4
:
5
:
6
:
7
:
-
l ' i n f l u e n c e de l a puissance du rayon l a s e r q u i a evolue de 525kl a 1332W s u r l e c y l i n d r e n o 4 s u r f a c e A l ' i n f l u e n c e de l a r u g o s i t e avec l e s c y l i n d r e s n o 5 surfaces B , C, n@6 surface B, n o Y surface C, no 10 s u r f a c e C l ' i n f l u e n c e de l ' a n g l e d ' i n c i d e n c e s u r l e s pieces n o 4 s u r f a c e A, n o 7 s u r f a c e A ; l ' a n g l e d ' i n c i d e n c e e s t n i o d i f i e p a r decalage du p o i n t d ' i n c i d e n c e p a r r a p p o r t a l ' a x e du c y l i n d r e , l e p o i n t de depart e t a n t p r i s s u r l a g e n e r a t r i c e des pieces.
3.3
Resul t a t s experinientaux
a ) I n f l u e n c e de l a puissance du rayonnemenl l a s e r . Les f i g u r e s 3a e t 3b alontrent que 1 ' e n e r g i e d i f f u s e e auyinente avec 1 ' 6 n e r g i e i n c i d e n t e , l a pente des courbes diniinuant avec l ' a u g n i e n t a t i o n de l a puissance. C e l t e d i i n i n u t i o n e s t due a l ' a c croisseinenl; de l ' a b s o r p t i v i t e avec l ' i n t e n s i t e du l a s e r ( 9 ) . Your l ' a n g l e 4) egal a 270", l e r a p p o r l tle l ' e n e r q i e d i f r u s e e a l ' e n e r g i e i n c i d e n t e passe de 8,38 % (50UW) b 7.21 2: (13321#1), s o i t une d i m i n u t i o n r e l a t i v e de 14 %.
500
3.2
-
90U
700
1100
1300
Conditions experimentales.
S i x e c h a n t i l l o n s de forme c y l i n d r i q u e (Tableau 1) en a c i e r XC42 o n t e t e exposes au rayonnement l a s e r .
Ebtengie d.Ld6tw6e I W I
Tableau 1 : e c h a n t i l l o n s e t u d i e s 6
Numero Cylindre
diametre
hauteur
Surface
(mm)
H(n)
Ra(um)
A B C B A C
80 80 80 120 120
70 70 70 70 70 40 70
1.20 2.72 6.22 3.10 4.16 0.34 1.18
4 5 5 6 7 9 10 Ra Rt,
c
80 120
5
Rmax(um)
Rt,(rrm)
6.7 13.4 20.1 13.4 15.0 2.2 8.1
4
6.2 11.9 19.8 13 13.8 1.8 5.8
3
2 1
: r u g o s i t e moyenne ; Rmax : r u g o s i t e maximale ; : moyenne de l a profondeur t o t a l e de r u g o s i t e .
Le Tableau 2 d e c r i t l e s t r o i s types d ' e s s a i s q u i o n t
ete
realises. b ) I n f l u e n c e de l a r u g o s i t e .
Tableau 2 : C o n d i t i o n s experimentales
Type de l ' e s s a i
1
2
3 -*
Type de p i e c e
4A
Angle d'incidence (") Puissance du l a s e r (W)
58
5C
6B
9C
0
0
0
0
0
525 1332
550
550
550
530
7
6
6
6
6 5 4 3
Diametre de l a tache f o c a l e (mm)
1OC
4A
9.6 19.5 3.0
550 700
700
6
6
temps d ' i n t e r a c t i o n : c o n s t a n t = 10 s ; distance joulemetre p i e c e : constante = 19 cm ; angles e e t @ : v a r i a b l e s ; se r e p o r t e r b l a F i g u r e n o 2 .
-
92
7A
14.5 0 30 48.6
Pour un meme e c h a n t i l l o n . l a d i s t r i b u t i o n de l ' h e r g i e d i f f u s e e en f o n c t i o n de 1 ' a n g l e (I e s t d i f f e r e n t e uour d i f f e r e n t s p o i n t s d ' i n u a c t du f a i s c e a u l a s e r . ce q u i iiionlre que l ' e t a t de s u r r a c e de l a o i e c e i n f l u e n c e l a d i s t r i b u t i o n de l ' e n e r g i e d i f f u s e e . I.'obs e r v a t i o n de l a s u r f a c e de l a n i e c e l a i s s e p e r c e v o i r l a presence de s t r i e s c i r c u l a i i - e s (n' 5, no 6 ) e t r e c t i l i g n e s (11" 9, n o l o ) , t a n d i s qu'une etude au rugosimetre met en evidence des p r o f i l s tel que c e l u i present6 F i g u r e 4 pour l a p i e c e 11" 5 surface C. S i l e s s t r i e s o n t une amplitude i m p o r t a n t e l ' o r i e n t a t i o n de l a f a c e t t e f a v o r i s e l a r e f l e x i o n de l ' e n e r g i e dans une d i r e c t i o n ( a n g l e +Iconinie l ' i l l u s t r a t i o n F i g u r e 5 l e l a i s s e v o i r .
6
0
.5
I
1.5
50 -
i I
40
i
30
20 Les pieces sont mises en p o s i t i o n de facon a o b t e n i r l e s maxima aux angles 4 = 90" e t 270" e t pour une distance e n t r e l e p o i n t d'impact e t l e c e n t r e de l a piece de 2 cm. Les r e s u l t a t s sont sontres dans l e s Figures 6, 7, 8, 9, 10. I 1 y a d i s s y m e t r i e pour l e s pieces n o 5 e t no 6. Cela p r o v i e n t du f a i t que l e s s t r i e s de ces deux pieces sont c i r c u l a i r e s . Dans l a d i r e c t i o n 6 = 270", l e s s t r i e s sont concaves. E l l e s sont convexes dans l a d i r e c t i o n 6 = 90".
10
0
0 Fig. B
:
40
L ' e n e r g i e d i f f u s e e peut v a r i e r d'une facon con monotone avec l ' a n g l e 0 ( F i g u r e 11). Ainsi, deux valeurs maximales de l ' e n e r g i e d i f fusee ( p i e c e no 5 surface C) o n t ete obtenues pour O = 27,5" e t O = 52,5", Pour des raisons d ' o r d r e m a t e r i e l ( C o n f i g u r a t i o n exper i m e n t a l e ) , l a v a l e u r maximale attendue (65") n ' a pu G t r e a t t e i n t e . I 1 e x i s t e r a i t , aussi, un t r o i s i e m e maximum de l ' e n e r g i e d i f f u s e e a l a r e f l e x i o n speculaire ( 0 = 90"). La d i f f e r e n c e des r e s u l t a t s obtenus p r o v i e n d r a i t de l a r u g o s i t e . En e f f e t , l a F i g u r e 5 montre quo l e s s t r i e s sont quasiment periodiques, de periode s p a t i a l e L = 0,5 mm/7 = 0,171 mm ( p i e c e n o 5 surface C ) . Ces r u g o s i t e s a g i r a i e n t c o m e un reseau. L ' a n g l e On q u i correspond a l a d i f f r a c n
1 0
300
D.id.t)L.ibLLtiun dam L'ebpace INo 5 B )
L ' e n e r g i e r e f l e c h i e augmente avec 1 'angle @ e t semble v o u l o i r a t t e i n d r e une v a l e u r maxirale dans l a d i r e c t i o n de l a r e f l e x i o n speculaire, l o r s g u e l e faisceau l a s e r e s t a une incidence normale par r a p p o r t B l a surface.
t i o n d'ordre
200
100
I
e
=
soo
e s t determine par :
+ n1 oir Oo e s t l ' a n g l e d ' i n c i d e n c e du l a s e r e t L A l a longueur d'onde. I c i Oe = 90" e t A = 10,6um, a l o r s cosOn
= cos0
O
CosOn = nx0,1434
Enengie
20
di66wte IWI
e
di66uste IW)
Ra = 0,34m Rmaxi = 2,2m
Rtm
=
550
/
10
1,8m
=
S t h i e s xec.L&gnen 0
I00
Fig. 6
:
200
6"
300
D.id.t)L.ibLLtiun en donotion de 6, N o 9C
120
60
160
240
300
0
6" Fig. 1 0
:
D.idthibLLtion d m L'espace IN' 681
Enengie
50
di,5,5uste
IWI 40
30 EAAM
0
200
100
4
Ra
I . 9C2?0°0, 3 4 m
20
2.10c270~1,18m 3. 5C 90°6.22m 4 . 58 9 0 ' 2 , f Z m 5. 68 9 O o 3 , 1 0 m
10
300 4 O
Fig. ?
:
D.idthibU.tiOn en
an dun de 6,
N o IOC
0
0
20
40
eo
60
93
n en(")
1 81.47
2 72,73
3
4
63,56
5
53,59
6
42,lO
t i r e e s des r e s u l t a t s experimentaux obtenus pour 1 ' a c i e r XC42 pour ameliorer l e rendement de l ' o p e r a t i o n usinage a s s i s t 6 p a r l a s e r .
7
27,08
L ' e n e r g i e d i f f u s e e augmente avec l a puissance i n c i d e n t e du rayon l a s e r , mais moins rapidement que l ' e n e r g i e absorb&, ce q u i e s t dir au f a i t que l ' a b s o r p t i o n c r o i t avec l a temperature ( 9 ) . I 1 f a u d r a i t donc augmenter l a puissance pour a v o i r une m e i l l e u r e absorption.
-1
I 1 n ' e x i s t e p l u s de d i f f r a c t i o n d ' o r d r e superieur a 7. I 1 a p p a r a i t que l e s d i f f r a c t i o n s d ' o r d r e 4 e t 6 correspondraient = 52,5" e t e = 27,5O. aux r e s u l t a t s e exp exp S i l ' a m p l i t u d e des s t r i e s s i t u e e s sur l a surface des pieces e s t moins importante ( n o 9 e t no l o ) , l a d i s t r i b u t i o n de l ' e n e r g i e d i f f u s e e e s t davantage concentree pres de l a r e f l e x i o n speculaire. La d i f f u s i o n e s t moins importante.
En conclusion, l a r e f l e x i o n s p e c u l a i r e diminue e t l a d i f f u s i o n augmente avec l ' a c c r o i s s e m e n t de l a r u g o s i t e de surface de l a piece. c ) I n f l u e n c e de 1 'angle d ' i n c i d e n c e Pour une valeur de l ' a n g l e d'incidence, l e s courbes a ) e t b ) de l a F i g u r e 12 representent l ' e v o l u t i o n de l ' e n e r g i e d i f f u s e e en f o n c t i o n des valeurs de $ pour d i f f e r e n t e s valeurs de l ' a n g l e 8 . L ' e n e r g i e d i f f u s e e c r o i t avec 0 e t a t t e i n t une v a l e u r maximale a l ' a n g l e de l a r e f l e x i o n speculaire. E l l e diminue pour des angles superieurs a ce d e r n i e r . L ' e n e r g i e d i f f u s e e & une d i s t r i b u t i o n p l u s e t r o i t e selon l a v a l e u r de l ' a n g l e $, quand l ' a n g l e d ' i n c i d e n c e c r o i t , avec un angle 0 fixe.
Les r u g o s i t e s moyenne e t l o c a l e j o u e n t un r d l e important. L'energ i e r e f l e c h i e s p e c u l a i r e d e c r o i t a l o r s que 1 ' e n e r g i e d i f f u s e e augmente avec l a r u g o s i t e moyenne ; mais l o r s q u e l e s amplitudes des s t r i e s & l a surface de l a p i e c e sont grandes il s u f f i t de b i e n c h o i s i r l ' o r i e n t a t i o n de l a face de l a p i e c e pour e v i t e r une d i f f u s i o n de 1 ' e n e r g i e t r o p importante. I 1 f a u d r a i t donc a v o i r des pieces & s t r i e s profondes e t l e s o r i e n t e r correctenent pour c a p t u r e r l e rayonnement comme dans l e cas d'un corps n o i r . Lorsque 1 'angle d ' i n c i d e n c e augmente, pour e f i x @ , 1 'energie d i f f u s e e a une d i s t r i b u t i o n p l u s e t r o i t e avec $. Pour $ constant, l ' e n e r g i e d i f f u s e e a une d i s t r i b u t i o n p l u s etendue avec 8 . I 1 s e r a i t donc i n t e r e s s a n t , pour l e cas oir e l l e d e v r a i t e t r e recuperee, de p r e v o i r l a c a r t e de d i s t r i b u t i o n s p a t i a l e de l ' e n e r g i e d i f f u s e e pour chaque p i e c e & usiner, en cherchant l e s v a l e u r s de 0 e t $ associes a l ' e n e r g i e optimale.
7
-
CONCLUSION
L ' e t u d e de 1 ' i n t e r a c t i o n l a s e r - m a t i e r e a p e n i s de m e t t r e en evidence l e s p r i n c i p a u x parametres q u i i n f l u e n c e n t le phenomene c ' e s t - & - d i r e l a frdquence, 1 'angle d'incidence, l a p o l a r i s a t i o n e t l ' i n t e n s i t e du rayonnement l a s e r , l ' e t a t de surface de l a piece c a r a c t e r i s e p a r l a r u g o s i t e e t l a presence d'impuretes e t de depdts, l a temperature. Les tendances montrent que, pour a c c r o i t r e l e rendement de l ' o p e r a t i o n usinage a s s i t e p a r l a s e r , il f a u t r e u n i r l e s c o n d i t i o n s t e l l e s que :
L ' e n e r g i e d i f f u s e e a une d i s t r i b u t i o n p l u s &endue selon l a val e u r de l ' a n g l e 8 , quand l ' a n g l e d ' i n c i d e n c e augmente pour un angle $ f i x e . Les d i f r e r e n c e s observees pour l e s pieces no 4A e t n o 7A r e s u l t e r a i e n t de l a d i f f e r e n c e de l e u r r u g o s i t e : l a piece q u i a l a p l u s p e t i t e r u g o s i t e a une d i s t r i b u t i o n de 1 ' e n e r g i e d i f f u s e e p l u s concentree dans l a d i r e c t i o n de l a r e f l e x i o n speculaire.
6 - LES TENDANCES Sans rechercher l ' e x h a u s t i v i t e , quelques tendances peuvent @ t r e
- l a puissance du rayonnement l a s e r a t t e i g n e une v a l e u r c r i t i q u e , - l e s s t r i e s & l a surface de l a p i e c e a i e n t une amplitude elevee,
-
l a f a c e de l a p i e c e s o i t b i e n o r i e n t & p a r r a p p o r t au rayonnement l a s e r .
C e t t e etude e x p l o r a t o i r e , q u i m e r i t e d ' e t r e p o u r s u i v i e sur d'aut r e s materiaux ouvre l a v o i e a l ' a m e l i o r a t i o n du rendement de l ' o p e r a t i o n usinage a s s i s t 6 par l a s e r . REFERENCES
0
Angle dincidence-14.5 (piece No.4A) 100
e =
I a)
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60
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40
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20
a
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-
0
Angle d'incidence=30 (piece No.4 A) Enengie
I00
e
di,5,5uate
IW)
=
61
300
80
60
( 6 ) tlarot, G., Longuemard, J.P., Signamarcheix, J.M., Dabezies, B., H a l l i e r , J.C., 1989, E t a t de l ' a r t sur l ' u s i n a g e a s s i s t e p a r l a s e r , Mecanique Materiaux E l e c t r i c i t 6 n o 430 Avril-Mai 1989.
i
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40
( 9 ) Bennett, H.E., 123, 1961.
220
240
260
z8a
300
320
Fig. 1 2 : l n & ~ e n c e de L'angLe d ' i n c i d e n c e buh L'Cnengie dc66uste
94
Porteurs J.O.,
1961, J. Opt. SOC. Am.,
p. 51-