Depuis une dizaine d’année, l’émergence de nouvelles technologies laser a permis d’améliorer considérablement la stabilité et la qualité optique des faisceaux. Ce mémoire de thèse, s’intéresse particulièrement à la technologie laser Yb : YAG disque, couplée à une fibre de guidage spéciale « 2 en 1 », qui permet d’obtenir une grande variété de diamètres de faisceau, pour deux répartitions de densité de puissance différentes. La fibre de cœur d’un diamètre de 100 µm, permet d’obtenir une gamme de diamètre de spot allant de 120 à 370 µm avec une répartition de de puissance de « type Gauss », tandis qu’avec la fibre périphérique, la gamme s’étend de 450 à 750 µm, avec une répartition annulaire de « type top-hat ». Le domaine d’application concerne le soudage autogène de tôles fines (< 1mm) de titane, en configuration « bout à bout », qui nécessite de maitriser d’une part la géométrie des surfaces au contact et d’autre part la taille spot laser et sa position par rapport au plan de joint. L’utilisation d’une telle fibre trouve donc tout son intérêt, pour pallier à d’éventuels problèmes de jeu entre tôles ou de géométrie pour les surfaces au contact. La première partie du travail, consiste à évaluer l’influence de l’état de surface du matériau et de l’angle d’incidence du faisceau, sur l’interaction laser-titane, afin d’identifier les principaux paramètres opératoires permettant d’avoir une absorption optimale du faisceau. La deuxième partie du travail, s’intéresse à la soudabilité du Ti grade 2 et de l’alliage Ti-6Al-4V pour les deux types de faisceaux. L’analyse morphologique des zones fondues (ZF), a permis de compléter ces résultats en proposant une évaluation de l’efficacité de fusion, en fonction du type de fibre et des matériaux à souder. Les essais mécaniques de traction ont mis en évidence un fort gradient de propriétés mécaniques que l’on peut corréler à l’étude microstructurale. Une étude exploratoire portant sur un traitement thermique post-soudage avec faisceau laser défocalisé, a été proposée pour atténuer les gradients de microstructure. Des essais de chauffage en pleine tôle, ont défini un domaine de chauffage avec ou sans fusion, suivant les conditions opératoires. Plusieurs conditions de chauffage sont proposées pour modifier l’état martensitique d’une tôle de Ti-6Al-4V. |
Over the past ten years, the emergence of new laser technologies has considerably improved the stability and optical beam quality. This thesis is focused on Yb: YAG disc laser technology, coupled with a special "2 in 1" feeding fiber, which provides a wide range of beam diameters, with different intensity distribution. The core fiber with a diameter of 100 µm enables to obtain a spot diameter range from 120 to 370 µm with a "Gauss-like” intensity distribution, while with the peripheral fiber, the range extends from 450 to 750 µm, with a doughnut top-hat shaped intensity distribution. The field of applications concerns the laser welding of titanium thin sheet (< 1mm) with no filler metal, in a butt-joint configuration. This configuration requires correct edges, minimal joint gap and a controlled laser focus position relative to the joint. This fiber can compensate any problems of joint gap or edges. In the first part of the work, the influence of titanium surface and incidence angle of the beam, are evaluated in order to identify the main operating parameters, and to obtain the best laser absorption. The second part of the work, focuses on the weldability window of Ti grade 2 and the Ti-6Al-4V alloy as a function of the fiber sizes. From the morphology study of FZ and HAZ, fusion efficiency has been evaluated according to the fiber type and titanium alloys. The mechanical tensile tests exhibit a strong gradient of mechanical properties that can be correlated with the weld microstructure. An exploratory study for a post-welding heat treatment, with a defocused laser beam, was proposed to reduce microstructure gradients. Laser Heating tests on Ti grade 2 sheets highlight fusion and no fusion domains as a function of process parameters. Several heating conditions are proposed to modify the martensitic state of a Ti-6Al-4V sheet. |