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Vue d'ensemble des travaux de soudage au laser

Par Rowshni Jabeen

L'objectif des travaux d'IMT Lille Douai et d'ARMINES est la modélisation numérique du procédé de soudage par transmission laser (LTW) pour les composites thermoplastiques renforcés de fibres bio-sourcées.

Des deux pièces composites qui doivent être soudées par LTW, l'une doit être (semi) transparente à la transmission laser et l'autre opaque (absorbante) à la même. Lors du soudage, les deux pièces sont serrées ensemble et un faisceau laser est transmis à l'interface des deux pièces, passant à travers la partie transparente (voir Fig. 1). A l'interface, l'énergie laser est absorbée par la partie absorbante et le matériau est chauffé et fondu localement. La chaleur est transférée à la partie transparente par conduction. Il en résulte un joint après solidification. Les propriétés du matériau, les caractéristiques du laser et le temps de soudage influencent la force d'adhérence interfaciale établie par le processus de soudage au laser. La partie semi-transparente utilisée dans ce projet contient des fibres de lin courtes (moins transparentes à la transmission laser) qui diffusent les rayons laser, provoquant une perte d'énergie atteignant l'interface de soudure.

Fig1 eng

Le sujet principal de la modélisation numérique du procédé LTW est de prédire le champ de température à l'interface de soudure, notamment après diffusion des rayons laser et absorption d'énergie dans la partie semi-transparente. Par conséquent, la transmission laser et la diffusion des rayons dépendent de la morphologie des fibres telles que leur forme, leur taille, leur orientation et leur fraction volumique ainsi que des propriétés optiques des fibres et de la matrice.

La morphologie des composites thermoplastiques renforcés de fibres de lin a été analysée et un algorithme numérique pour générer un élément de volume représentatif (RVE) périodique représentant la microstructure du matériau composite (voir figures 2 et 3) a été développé avec des inclusions non superposées (c.-à-d. fibres) en utilisant MATLAB et COMSOL. L'algorithme développé peut générer des inclusions avec n'importe quelle forme régulière. Un autre algorithme pour décrire l'état d'orientation des fibres par le tenseur d'orientation des fibres et la fonction de distribution d'orientation a été développé et vérifié. Les données du tenseur d'orientation des fibres sont fournies par KU Leuven, générées à partir du logiciel de simulation de moulage par injection, MoldFlow.

Fig2 eng
Fig3 eng

La microstructure développée est discrétisée en un maillage numérique et une simulation de lancer de rayons est réalisée. Lors de la simulation de traçage de rayons, le trajet d'un rayon est suivi dans la microstructure en fonction du rapport de l'indice de réfraction de la fibre et de la matrice. La figure 4 montre qu'un faisceau laser avec un rayon initial de 1E3 m est distribué à l'interface de soudure. Ces données de distribution sont utilisées pour effectuer des simulations de transfert de chaleur à l'interface de soudure.

Fig4 eng