Numéro
Rev. Phys. Appl. (Paris)
Volume 23, Numéro 11, novembre 1988
Page(s) 1787 - 1805
DOI https://doi.org/10.1051/rphysap:0198800230110178700
Rev. Phys. Appl. (Paris) 23, 1787-1805 (1988)
DOI: 10.1051/rphysap:0198800230110178700

Conditions d'optimisation du traitement des matériaux métalliques par laser. I. Etablissement d'une méthodologie

J. Dietz et J. Merlin

I.N.S.A. Lyon Bât. 502, G.E.M.P.P.M., U.A. 341 Calfetmat, F-69621, Villeurbanne Cedex, France


Abstract
Despite of a great number of investigations showing the laser heat-treatments feasibility and of theoretical studies on laser beam-material interactions, a scientifical utilization of published empirical results is still difficult. Our purpose is to suggest a method which would facilitate a priori analysis and allow a rational approach of laser treatments. First of all it is necessary to describe the beam with relevant parameters. Those we used mathematically are defined (based on a thermal description) and are also experimentally measurable. Three parameters are needed : the carried power, an equivalent radius r+ and a spread factor of energy distribution g( E). Our approach uses an analytical tridimensional modelization of laser-material interactions with a simplified and easy to use formalism. Once the absorption coefficient and the thermal parameters of the material are known, it becomes easy to find correlations between treatment parameters (the source being mobile or stationnary) and the variations of parameters determining the nature and the extension of some microstructural transformations (surface temperature increase, heat penetration depth, average rate of temperature change..., etc.). In usual working conditions, three cases conditioned by material characteristics (thermal diffusivity) and beam characteristics (r+ and g(E)) can be defined ; there are : transient (with t 1/2 evolutions, t : time), intermediate (t1/4) and stationnary (independent of t). A second part of this study will deal with possibilities of the approach.


Résumé
Malgré les nombreux travaux démontrant la faisabilité des traitements thermiques par laser et les études à caractère plus théorique sur l'interaction rayonnement matériau, il est encore difficile d'exploiter scientifiquement les résultats empiriques publiés. Nous proposons donc une démarche qui devrait faciliter les analyses a priori et permettre une approche plus rationnelle des traitements laser. Pour cela une caractérisation préalable du faisceau au moyen de paramètres pertinents est nécessaire. Les paramètres retenus ont été définis d'un point de vue mathématique mais sont aussi accessibles à la mesure (un minimum de 3 paramètres sont nécessaires : la puissance transportée, un rayon « équivalent » r+, un « facteur d'étalement de la répartition d'énergie » g (E)). Notre démarche passe également par une modélisation de l'interaction laser-matériau à caractère analytique et tridimensionnel mais avec un formalisme simplifié très souple d'emploi. Une fois connus le coefficient d'absorption et les caractéristiques thermiques du matériau il est alors aisé d'établir des corrélations entre les paramètres de traitement (en faisceau fixe ou mobile) et les évolutions des grandeurs conditionnant la nature et l'étendue des transformations microstructurales (accroissement de température en surface, profondeur de pénétration de la chaleur, vitesse moyenne de variation de la température...). Dans les conditions habituelles de travail on peut définir 3 régimes conditionnés par les caractéristiques du matériau (diffusivité) et du faisceau (r+ et g(E)), régimes : - transitoire (avec des lois d'évolution en t1/2) - intermédiaire (lois en t1/4) - et stationnaire (indépendant de t). Une 2e partie traitera des possibilités qu'ouvre la méthodologie proposée.

PACS
8140G - Other heat and thermomechanical treatments.
6180B - Ultraviolet, visible and infrared radiation effects.

Key words
heat treatment -- laser beam effects -- metals -- optimization -- laser heat treatments -- metallic materials -- laser beam material interactions -- analytical tridimensional modelization -- microstructural transformations