Modélisation du procédé de soudage laser des composites thermoplastiques

Modeling of transmission laser welding process in thermoplastic composite

• Auteur / Autrice : André Chateau Akué Asseko
• Direction : Éric Lafranche, Fabrice Schmidt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et Lasers, Physico-Chimie, Atmosphère
• Date : Soutenance le 10/09/2014
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École nationale supérieure des techniques industrielles et des mines (Douai, Nord). Département Technologie des Polymères et Composites et Ingénierie Mécanique
• Partenaire(s) de recherche : École d'ingénieurs : École nationale supérieure des techniques industrielles et des mines (Douai, Nord ; 1878-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Transfert de chaleur

Lumière -- Absorption

Réfraction

Faisceaux laser -- Diffusion

Soudage laser

Composites thermoplastiques

Mots clés libres

Diffusion optique

Résumé

La mise en forme des composites MTP reprend des techniques déjà utilisées pour la mise en forme des pièces thermoplastiques simples comme le thermoformage ou le soudage. Cette thèse a proposé l'étude du procédé de soudage laser des composites à matrice thermoplastiques unidirectionnelles. La technique du soudage laser présente des avantages spécifiques pour des applications industrielles par rapport à d’autres technologies conventionnelles : méthode sans contact, précise et flexible. C’est un procédé facile à automatiser et à contrôler, un soudage rapide (quelques secondes), et une absence de vibration durant le procédé de soudage. Le procédé de soudage laser implique deux pièces composites. Une pièce semi-transparente à la longueur d’onde du laser et l’autre absorbante à la même longueur d’onde. La puissance du faisceau laser est transmise à travers le matériau semi-transparent et est absorbée à l’interface des deux matériaux. Le contact entre les pièces provoque le chauffage à l’interface (un transfert de chaleur par conduction a lieu entre les deux matériaux). Ainsi, la fusion des deux matériaux se produit (la liaison entre les deux parties se produit lorsque T>Tfusion dans ce domaine pour les polymères semi-cristallins et T>Tg pour les polymères amorphes). Cependant durant le procédé quelques difficultés apparaissent : les matériaux sont hétérogènes et anisotropes, cela entraine la divergence du trajet optique du faisceau laser à chaque interface fibre-matrice (phénomène de réfraction) causée par la multiplication des interfaces fibres matrice dans le matériau. Ce qui a en effet une influence sur la distribution de puissance à l'interface de soudure. La puissance de soudage du laser est réduite par cet effet de réfraction. L’obtention d’un joint de soudure de bonne qualité est conditionnée par une bonne compréhension du comportement du matériau sous l’irradiation laser, basée sur une identification, une modélisation des phénomènes optiques et thermiques impliqués.

The composite forming uses technologies being used for the simpler thermoplastic parts forming as thermoforming or welding. This thesis proposed study of transmission laser welding process in unidirectional thermoplastic composites. Transmission Laser Welding technique presents specific advantages for industrial applications over other conventional technologies: the method is accurate, flexible, small heat affected zone, easy to automate and control and non-contaminant, absence of vibration during the welding process (contrary to the ultrasonic welding, friction welding), fast welding speed for welding plastic parts with an acceptable welding time. Transmission Laser Welding of composites involves two joining parts: one semi-transparent to the laser wavelength and the other part is absorbent in the same wavelength. The two parts are positioned together before the welding. The laser beam energy is transmitted through the semi-transparent material and is absorbed within the surface of the second materials. The bonding between the two components the two parts allows the heating of the semi-transparent part by thermal conduction. Thus, melting and fusion of the both materials interface occurs (the bonding between the two parts occurs when T > Tmelt in this area). However, some difficulties are experienced during this process: heterogeneous and anisotropic materials; problems of the laser beam transfer caused by the multiplication of fiber-matrix interfaces in materials. This is highly correlated to the energy arriving at the welding interface. Obtaining of a good quality of welded seam is conditioned by a good understand of material behavior under laser irradiation, based on a clear identification, modeling of optical and thermal phenomena involved.