TRAITEMENT THERMIQUE AU LASER DE L’ AISI 4340

HISTORIQUE

   À partir des années 1980, la trempe au laser fut l’objet de plusieurs projets de recherche relié à des applications industrielles. À l’époque, les coûts d’acquisition élevés, la complexité des systèmes et le besoin d’expertise de haut niveau freinaient son déploiement chez les manufacturiers. L’industrie automobile a toutefois été proactive en utilisant le laser pour le traitement de plusieurs composantes mécaniques, notamment des cylindres de moteur, soupape de moteur, segment de piston, et arbre moteur (Metzbower, 1981). La trempe au laser s’est avérée une solution rapide, précise et économiquement rentable pour des volumes importants de pièces. De plus, les faibles distorsions géométriques de l’approche au laser permirent à plusieurs composantes de déplacer l’opération de trempe à la toute fin de leur fabrication et d’éviter les étapes de rectification. Par exemple, la compagnie Garrett Turbine Engine Company a réduit leur coût de production de 61 % en remplaçant la trempe par cémentation par la trempe au laser dans leur chaîne de production de palles de turbines (Benedict et Ciolek, 1987). Ils ont également réduit la perte de composante (ex: traitement n’étant pas à l’intérieur des limites visées) de 15 % à 1 % et augmenté la cadence de production de 16 à 120 pièces par heure. Ce genre d’utilisation dans les domaines manufacturiers de haute précision a confirmé le potentiel réel du laser. Cet intérêt de la part des industriels a naturellement entraîné le besoin de comprendre et de contrôler les phénomènes prenant part à la trempe au laser. Comme la trempe est régie par la durée et la magnitude des cycles de température, le premier problème auquel les équipes de recherche étaient confrontées fût de prédire les flux thermiques qui se créer dans une composante lorsque celle-ci est parcourue par un faisceau laser. Mais avant même de s’intéresser à la modélisation des flux thermiques, certains auteurs ont directement utilisé l’analyse statistique pour quantifier expérimentalement l’impact des facteurs d’opération sur les résultats de trempe (ex. : profondeur durcie, fusion en surface).

REGLES SEMI-EMPIRIQUES

   Steen et Courtney (Steen et Courtney, 1979), pionniers dans l’analyse des trempes au laser, ont développé deux règles semi-empiriques très simples, mais qui constituent de bonnes « règles du pouce » (Bradley, 1988, Lusquifios et al., 2007). Munis d’un laser C02, ils menèrent une série d’essais sur de l’acier AI SI 1036. Ils balayèrent une plage de puissance optique de 1,2 à 2,0 kW, à des vitesses d’avance variant entre 25-400 mm/s. Ils firent également varier la taille de la tache focale de 1,6 à 5,8 mm de diamètre. L’analyse des résultats via des méthodes statistiques démontra qu’il existe une droite linéaire reliant la profondeur durcie au paramètre P /.J DTFV. Celui-ci a pour avantage d’être composé destrois principaux paramètres d’opération à savoir la puissance, le diamètre du faisceau laser et la vitesse d’avance. Naturellement certains auteurs portèrent des réserves sur la précision de cette relation et proposèrent d’autres approches ou l’améliorèrent (Kou et al., 1983,Davis et al., 1986, Dubrovskaya et al., 1987, Komanduri et Hou, 2001). Plus récemment, quelques études ont fait l’objet de l’approche statistique de Taguchi (Yang et Cheng, 2001, Badkar et al., 20 11) pour quantifier l’impact des différents paramètres laser. Lors d’essais exploratoires menés précédemment à ce projet de recherche, nous avons eu l’occasion de recueillir des données expérimentales sur l’AISl 01. À l’aide d’un laser fibre nous avons balayé la surface de spécimens usinés en plaquette de 3,2 x 50,8 x101,6 mm. La puissance optique fût appliquée de 150 à 450 W pour des vitesses d’avance variant de 5 à 13 5 mm/s alors que la tache focale présentait un diamètre de 2,18 mm. Comme l’acier avait été reçu sous sa forme globulaire (idéal pour l’usinage), un prétraitement s’imposait afin d’atteindre des profondeurs de traitement respectables. Le prétraitement au four à 790 oC x 30 min. + trempe dans l’huile + revenu à 425 oC durant 2 h + refroidissement de 28 °C/hjusqu ‘ à 258 oC + refroidissement à l’air libre) leur conféra une dureté initiale de 46 HRC. Chaque spécimen fut poncé à l’aide d’un papier de verre 600 grains, puis nettoyé à l’acétone. La dureté moyenne des zones traitées au laser atteignit 63 HRC.

MESURE DU COEFFICIENT D’ABSORPTION

   Le coefficient d’absorption peut être estimé de plusieurs façons. Certaines équipes utilisent des approches calorimétriques (Frenk et al., 1991 , Shibata et al., 1992, Dausinger et Shen, 1993, Fuerschbach, 1996, Ready, 1997, LIA, 2001, Bergstrom, 2008), alors que d’autres optent pour une comparaison des résultats expérimentaux avec la modélisation (Kou et al., 1983, Shibata et al., 1992, Wang et al., 2000). Dans le dernier cas, les équipes comparent la modélisation avec différents aspects du procédé tels qu’une mesure de température ou la profondeur durcie. Ceci implique que les équipes opèrent par méthode inverse, c’est-à-dire qu’ils considèrent l’absorption comme une variable inconnue et qu ‘ ils ajustent celle-ci dans leurs modélisations jusqu’à ce qu ‘ il y est une bonne correspondance avec les expérimentations. Pour une surface d’acier poli, les approches théoriques proposées par Drude, Fresnel et Hagen-Rubens se sont avérée efficaces pour prédire les résultats expérimentaux, tel que rapporté par (Shibata et al., 1992, Dausinger et Shen, 1993, Bergstrom, 2008). Shibata, Sakamoto et Matsuyama (Shibata et al., 1992) se sont intéressés à la détermination du coefficient d’absorption en fonction de l’angle d’incidence pour un laser C02 polarisé. L’étude permit de comparer le coefficient d’absorption mesuré par calorimétrie avec ceux estimés par la modélisation numérique et les équations de Fresnel. Ici, l’utilisation des équations de Fresnel est possible, car la surface des spécimens était polie afin d’obtenir des rugosités de surface Ra de 0,02 et 0,6 I1m. Ils mirent au point un système permettant de mesurer l’énergie transmise à une pièce d’acier sous incidence laser. La pièce est insérée dans un montage qui permet à un circuit d’eau d’être en contact avec son dessous alors que la surface du dessus est exposée au faisceau laser. En comparant l’ énergie optique projetée et la quantité d’énergie accumulée par l’eau ayant refroidi la pièce, il est alors possible de déterminer le coefficient d’absorption. Ces mêmes auteurs ont opéré en laboratoire des trempes sur quelques spécimens alors qu’ils n’étaient pas installés dans le système de mesure calorimétrique. Après avoir observé les résultats de trempe, ils reproduisirent les mêmes conditions d’opération dans le modèle numérique. Ils ajustèrent le coefficient d’absorption des simulations jusqu’à ce qu’ils obtiennent des profondeurs de trempe similaire aux expérimentations. Ensuite, ils ont utilisé le système de mesure calorimétrique pour déduire le coefficient d’absorption. Selon les informations fournies, le faisceau laser était projeté sur la pièce de manière statique et dans des conditions d’opération qui ne suffisaient pas à produire une trempe. Un pyromètre a confirmé que la température à la surface de la pièce ne dépassa pas 200 oc. Les coefficients d’absorption déterminés à partir de l’approche calorimétrique s’avérèrent largement inférieurs à ceux estimés par les simulations numériques, mais ils étaient en parfaite concordance avec ceux estimés par les équations de Fresnel. L’équipe souligna que la formation d’oxyde et la température pourraient être la cause des écarts observés entre les résultats. En effet, la faible température de surface atteinte lors des essais calorimétriques ne permit certainement pas de former l’oxyde à un taux similaire que durant les opérations de trempe des spécimens. Aux sections 2.3.3 et 2.4.1, nous verrons que la fonnation d’oxyde varie exponentiellement avec la température et le temps d’interaction.

TRAITEMENT THERMIQUE AU LASER DE L’ AISI 4340

   L’acier AISI 4340 est réputé pour bien répondre au traitement thermique au laser. Shiue et Chen (Shiue et Chen, 1992) ont produit l’une des études les plus intéressantes pour cet acier. Ils se sont intéressés aux impacts de la microstructure initiale et de la vitesse d’avance du laser sur la trempe. Les spécimens furent d’ abord taillés en plaquette de 80 x 25 ,4 x 12,7 mm et usinés de manière à produire un fini de surface Ra de 3 !lm. Après un séjour dans le four, l’équipe trempa les spécimens dans 1 ‘ huile et les replaça une fois de plus au four pour le revenu.Différentes températures de revenu ont été utilisées pour produire trois états métallurgiques différents (50, 43 et 28 HRC). La surface décarburée fût retirée par meulage, mais aucune information n’est fournie quant au fini de surface des spécimens après ces manipulations.Comme la longueur d’onde du laser C02 est difficilement absorbée par les métaux, les surfaces ont été recouvertes de peinture noir mat. En se basant sur le travail de Kou, Sun et Le (Kou et al. , 1983), le coefficient d’absorption fut estimé à 85 %. La puissance optique était fixée à 1,8 kW et différentes vitesses d’avance ont été utilisées: 5,6,7,8,3 et 10 mm/s. La surface des spécimens était positionnée en dehors de la distance focale, ce qui permit d’obtenir une zone d’ interaction d’un diamètre de 15 mm. Comme la taille des spécimens assurait une trempe autogène, aucun liquide caloporteur ne fût utilisé. Il découla trois observations fortes intéressantes de cette étude. Tout d’abord, les spécimens traités à grande vitesse d’avance ont produit une martensite plus fine et d’ une dureté accrue. Deuxièmement, la taille de la microstructure joue un très grand rôle sur les résultats de trempe au laser: une structure fine, produite par un revenu à basse température,mène à des trempes plus profondes et dont la transition de dureté est beaucoup plus franche entre la zone trempée et le matériau de base. Ceci serait directement relié à la distance que doit parcourir le carbone lors de la formation de l’austénite. Les trempes effectuées sur les spécimens de 50 et 43 HRC montrent des signes évidents de surrevenu entre la zone transformée et le matériau de base. Cet effet de surrevenu semble être légèrement affecté par la vitesse d’avance, mais ne présente pas de tendance claire entre les trois états métallurgiques. Finalement, la microstructure des zones trempées au laser est similaire à celle obtenue par trempe conventionnelle. La structure résultante est majoritairement un mélange de martensite fine et grossière. Certaines portions de martensite formée se sont revenu d’elles-mêmes. Ce phénomène a été observé plus fréquemment sur les spécimens traités à de faibles vitesses d’avance. Pour ces spécimens, la zone de transition était constituée de carbures partiellement dissouts avec des enveloppes d’austénite et/ou des îlots d’austénite dans une matrice de martensite à faible taux de carbone. Islam et Wells (Islam et Wells, 1984) ont produit une étude similaire, telle que cité par Islam dans (Islam, 1996). Quatre spécimens d’ AISI 4340 ont été prétraités par méthode conventionnelle (chauffe au four + trempe dans l’huile + revenu) afin d’obtenir différentes duretés: 20, 30, 40 et 50 HRC. Un spécimen fût conservé dans un état dit « tel que reçu» qui présente une structure globulaire (cémentite globulaire dans une matrice de ferrite). Un laser C02 de 600 W était couplé à un système optique produisant une tache focale rectangulaire de 7x 1 mm balayée à 21 mm/s. Les spécimens dont la dureté initiale était de 20 HRC ou plus atteignirent une dureté de 60 HRC suite au passage du laser. Le spécimen « tel que reçu» atteignit une dureté de 56 HRC et une plus faible profondeur durcie, ce qui suggère que la martensite revenue est plus appropriée pour le traitement au laser. Ils observèrent que les spécimens avec une dureté initiale de 50 HRC présentent une zone de surrevenu entre la zone trempée et le matériau de base. Cette zone dont la dureté est inférieure au matériau de base peut être néfaste pour certaines applications. L’équipe souligna également que les duretés atteintes par laser sont supérieures à celle obtenue par trempe conventionnelle (52-54 HRC). Cet avantage serait dû à la rapidité du cycle de chauffage et de refroidissement qu’offre cette technologie. Malheureusement aucune information n’est fournie quant au coefficient d’absorption.

Table des matières

REMERCIEMENTS
RÉSUMÉ
ABSTRACT
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABRÉVIATIONS, DES SIGLES ET DES ACRONYMES
LISTE DES SYMBOLES ET UNITÉS DE MESURE
INTRODUCTION
MISE EN CONTEXTE
PROBLEMATIQUE
OBJECTIFS
METHODOLOGIE
ORGANISATION DU MEMOIRE
CHAPITRE l REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 INTRODUCTION
1.2 HISTORIQUE
1.3 REGLES SEMI-EMPIRIQUES
1.4 MODELE ANALyTIQUE
1.5 MODELISATION NUMERIQUE
1.6 MESURE DU COEFFICIENT D’ ABSORPTION
1.7 TRAITEMENT THERMIQUE AU LASER DE L’AISI 4340
1.8 PROGICIEL DE MODELISATION
1.9 TREMPE LASER SUR ROUES DENTEES
1.10 TREMPE A L’AIDE D’UN LASER FIBRE
1.11 CONCLUSION
CHAPITRE 2 PRINCIPE DE BASE DE LA TREMPE AU LASER
2.1 INTRODUCTION
2.2 D URCISSEMENT PAR TRANSFORMATION AU LASER
2.3 MECANISMES ET PARAMETRES DE LA TREMPE AU LASER
2.3.1 Paramètres de la pièce traitée
2.3.2 Paramètres du laser
2.3.3 Conditions de traitement
2.4 F ACTEURS INHERENTS AU PROCEDE
2.4.1 Coefficient d’absorption
2.4.2 Temps d’interaction
2.4.3 Convection et radiation
2.5 SCHEMA D’I NTERACTION
2.6 DIFFICULTES DE LA TREMPE AU LASER
2.7 SOURCES LASER
3.8 TETE LASER ET MANIPULATION DU FAISCEAU
2.9 CONCLUSION
CHAPITRE 3 MODÉLISATION ET SIMULATION
3.1 INTRODUCTION
3.2 GENERALITES SU R LA MODELISATION NUMERIQUE
3.3 ÉQUATIONS PHySIQUES
3.4 D EPLACEMENT DE LA SOURCE
3.4.1 Généralité
3.4.2 Approche #1
3.4.3 Approche #2
3.5 ApPROCHE #1 : DEPLACEMENTS PAR MOUVEMENTS DE TRANSLATION
3.5.1 Description
3.5.2 Limitation de l’approche
3.5.3 Validation numérique de l’approche #1
3.6 ApPROCHE #2 : DISCRETISATION DU PARCOURS LASER (ASA) 
3.6.1 Description
3.6.2 Stratégie de déploiement
3.6.3 Algorithme
3.6.4 Ajustements de l’ approche #2
3.6.5 Validation de l’approche #2
3.7 CONCLUSION
CHAPITRE 4 VALIDATION EXPÉRIMENTALE
4.1 INTRODUCTION
4.2 OBJECTIFS DES EXPERIMENTATIONS
4.3 MISE EN ŒUVRE
4.3.1 Spécimens
4.3.2 Équipements
4.3.3 Définition de la profondeur durcie
4.3.4 Sources d’erreur et variabilité des paramètres
4.3.5 Organisation des essais
4.4 MODELISATION NUMERIQUE
4.4.1 Modélisation avec l’approche #1
4.4.2 Modélisation avec l’approche #2
4.4.3 Comparaison des deux approches de modélisation
4.4.4 Discussion
4.5 ESTIMATION DU COEFFICIENT D’ ABSORPTION
4.5.1 Résultats du groupe 1
4.5.2 Résultats du groupe 2
4.5.3 Résultats du groupe 3
4.5.4 Discussion
4.6 ANALYSE METALLOGRAPHIQUE
4.6.1 Mise en œuvre de l’analyse
4.6.2 Résultats du groupe 2
4.6.3 Dureté des spécimens
4.6.4 Profondeur durcie
4.6.5 Trempe autogène
4.6.6 Variabilité des résultats
4.7 CONCLUSION 
CHAPITRE 5 POTENTIEL D’APPLICATION DE LA FONCTION DÉVELOPPÉE 
5.1 I NTRODUCTION
5.2 R EVUE DE LA FONCTION DEVELOPPEE
5.2.1 Rappel du fonctionnement
5.2.2 Avantage
5.2.3 Limitations
5.3 E XEMPLE D’APPLICATION : CREMAILLERE A DENT URE DROITE
5.3.1 Essai à puissance laser fixe
5.4 CONCLUSION
CONCLUSION GÉNÉRALE
ANNEXE 1
ANNEXE II
ANNEXE III
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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