Laser

28/01/2013 - Soutenance de thèse de Maryse Muller

Maryse MULLER soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés :

 

« L’étude du processus d'initiation par laser de la combustion d'un alliage métallique sous atmosphère d'oxygène. »

“Investigation on Laser Initiation and Propagation of the Combustion of Mild Steel and Stainless Steel in an Oxygen Atmosphere.”

 

 

le lundi 28 janvier 2012 à 14h dans l'amphithéâtre Bézier,

Arts et Métiers ParisTech 151 Boulevard de l'Hôpital 75013 Paris

 

Directeur de thèse : GARO Jean-Pierre (PPRIME)

Co-directeur de thèse : Rémy FABBRO (PIMM)

Co-encadrant de thèse : Hazem EL-RABII (PPRIME)

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Jury

A. Germain - Prof. Université de Liège

P. Hervé - Prof. Université Paris Ouest

H. El-Rabii - Chargé de Recherche PPRIME Poitiers

R. Fabbro - Dr. de Recherche PIMM Paris

J. P. Garo - Prof. Université Poitiers

J. C. Rostaing - Dr. Sci. Air Liquide

T. A. Steinberg - Prof. QUT Brisbane Australie

D. Veynante - Dr. de Recherche EMC2 Paris

 

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Résumé

En présence d'une atmosphère riche en oxygène, à haute pression, un composant métallique porté au-delà d'une certaine température seuil, subit dans certaines conditions un processus de combustion ou d'inflammation rapide, qui peut endommager plus ou moins sérieusement, voire détruire complètement, le composant en question. Les problèmes liés à l’inflammabilité des métaux concernent tout domaine d’ingénierie mettant en jeu des métaux en contact avec de l’oxygène à forte concentration et/ou sous pression (industrie aéronautique et spatiale, secteur médical, industrie gazière etc.)

Il existe depuis les années 70 un test standard pour l’évaluation de la compatibilité à l’oxygène des matériaux métalliques. Ce test standard consiste à allumer un barreau cylindrique de métal sous oxygène afin de déterminer la pression ou concentration seuil d’oxygène menant à la destruction totale de l’échantillon et la vitesse de propagation de la combustion qui s’ensuit. Ce test présente plusieurs inconvénients : la phase d’initiation est généralement mal étudiée, soit parce que son étude est rendue impossible par la technique d’allumage utilisée (amorce pyrotechnique), soit parce qu’il a été obtenu dans une configuration correspondant assez peu aux conditions réelles des accidents (chauffage en volume). Par ailleurs, très peu d’attention a été donnée jusqu’à présent à l’influence d’écoulements d’oxygène à la surface de l’échantillon sur la propagation de la combustion.

Cette thèse propose une approche originale d'étude de la combustion du fer et des aciers au carbone et inoxydable sous atmosphère d’oxygène, afin de comprendre et de définir les conditions d'initiation et de propagation de la combustion de pièces métalliques en utilisant un laser focalisé comme source d’initiation. À cette fin, les mécanismes successifs de l’initiation par laser de la combustion puis sa propagation ont été étudiés.

Le travail de cette thèse s’articule en deux parties. Dans la première partie, une étude expérimentale de l’influence des paramètres d’initiation de la combustion par laser, des conditions de soufflage d’oxygène, et de pression statique sur l’initiation et la propagation a été réalisée dans une configuration expérimentale originale (propagation de haut en bas), grâce à la mise en œuvre de divers outils d’instrumentation : visualisation par caméra rapide, pyrométrie optique, thermocouples, analyses métallographiques. Une attention particulière a été donnée à la notion de seuil en énergie (laser) menant à l’initiation de la combustion, à la propagation ou à la destruction totale de l’échantillon, qui ont été déterminés dans différentes conditions de soufflage.

Sur la base des données expérimentales précédemment obtenues, la deuxième partie de ce travail de thèse a consisté en la mise au point de simulations numériques (sous le logiciel commercial COMSOL Multiphysics) de ces expériences (limitée au démarrage de la combustion). Des paramètres inconnus liés à la réaction ont été ajustés afin de reproduire au mieux l'évolution des divers phénomènes observés (les champs thermiques, la dynamique d'inflammation, le comportement du bain liquide, la déformation géométrique etc.). L’ensemble de ce travail a permis de formuler une phénoménologie de l’initiation et de la propagation de la combustion par laser ainsi qu’une interprétation physique de celle-ci.

Mots-clés : allumage, laser, initiation, propagation, combustion, métal, alliages métalliques, oxygène, pression, modélisation multiphysique.

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Abstract

 

A metallic component placed in an oxygen-enriched atmosphere undergoes a rapid process of ignition when carried beyond a threshold temperature, which may result in severe damage or even in its complete destruction. Problems related to the flammability of metals affect any field of engineering involving metals in contact with oxygen at high concentration and/or high pressure (gas industry, aerospace industry, medical industry etc.).

A standard testing of metal for assessing the compatibility with the oxygen of metallic materials exists since the 70's. This standard test consists mainly in the ignition of small cylindrical rods of metal under increasing pressure in order to determine the oxygen pressure threshold leading to the destruction of the sample and the propagation velocity of combustion that follows. Several disadvantages of this test can be identified: the initiation phase is generally poorly studied, either because this study is made impossible by the ignition technique used (promoter), or because it was obtained in a configuration quite far from actual accident conditions (heating in volume). Moreover, little attention has been given so far to the influence of oxygen flowing at the sample surface on the propagated combustion regime.

This thesis proposes an original approach for the investigation of iron and steels combustion in an oxygen atmosphere, aiming at understanding the conditions for initiation and propagation of the combustion of metal parts ignited by a focalized laser source. To this end, the successive stages, from initiation to self-sustained combustion regime of the rod ignition were investigated.
The work of this thesis can be divided in two parts. In the first part, an experimental investigation the effect of multiple parameters such as laser ignition parameters, oxygen speed, and static pressure on the initiation and propagation was carried out using an original experimental setup (with combustion spreading downward) and various instrumentation and monitoring equipment has been made such as: visualization by high-speed camera, optical pyrometry, thermocouples, metallographic analyzes. Particular attention has been given to the notion of threshold energy (laser) leading to the initiation of combustion, the spread or total destruction of the sample, which were determined under various oxygen speed rate.

Based on experimental data obtained previously, the second part of this work has consisted in the development of numerical simulations (with the commercial software COMSOL Multiphysics) of these experiments (only the initiation and localized combustion stages). Unknown parameters associated with the chemical reaction were adjusted to best reproduce the evolution of various phenomena (thermal fields, dynamics of inflammation, behavior of the liquid bath, geometric distortion etc.). This work allowed us describing a phenomenology of initiation and propagation initiated by a laser source and a physical interpretation thereof.

Key words: ignition, laser, initiation, propagation, combustion, metal, metallic alloys, oxygen, pressure, modeling.

Laser

Responsables: 
Frédéric COSTE

 

Le centre de ressources « laser » regroupe les installations de l’ancien laboratoire LALP qui a fusionné au sein du PIMM, et qui sont utilisés par le groupe «PROCEDE LASER. »

Ces installations s’organisent autour de trois types de sources lasers :

Les sources continues :

Les lasers continus, avec une puissance moyenne maximale de 10 kW, pour les applications de soudage, découpe et traitement de surface en régime continu.

Le laser continu de 10 kW est distribué sur 6 postes de travail indépendants sur lesquels les différentes études (recherche, thèses, contrats industriels) sont réalisées. L’image ci-contre montrela cavité du laser TRUMPF TruDisk de 10kW. Ce laser permet d’obtenir des diamètres de spot de travail de 200 microns jusqu’à 600 microns (et plus) sur la pièce, pour des opérations de soudage, découpe ou traitement de surface.

Le poste 1, portique cartésien, est dédié aux études portant sur la fabrication directe (ou la réparation) par laser. Le but de ce procédé est la fabrication directe de pièces tridimensionnelles.  De la poudre métallique est fusionnée au foyer d’une optique de focalisation. Les pièces sont ainsi créées couche après couche, directement à partir d’un fichier CAO.

Le poste présenté est utilisé pour l’étude et l’instrumentation du procédé. Des machines de production industrielle existent pour la fabrication industrielle de pièces.

Le poste 2 est dédié aux études soudage tôles fines épaisseur, plus précisément dans le cadre des applications soudage « automobile ».

Le poste 3 est dédié aux travaux de thèse. (soudage hybride, découpe). Le poste instrumenté permet d’utiliser le laser de 10 kW en régime de soudage, soudage hybride et découpe. Il est équipé de divers moyens d’instrumentation, principalement une caméra rapide Photron RS300 (jusqu’à 100.000 images/secondes en format réduit).

Le poste 4 est un poste ‘ouvert’ permettant d’accueillir des expériences diverses nécessitant une surface au sol importante. Il est utilisé pour des essais de calibration de capteur optique

Les postes 5 et 6 sont équipés de robot 6 et 8 axes.

 Le dernier poste sert aussi bien pour des études internes que pour l’enseignement au sein de l’école. Il permet de travailler en pièce portée ou en tête laser en mouvement.

Le poste FADIPLAST est équipé d'un laser CO2 de 50 W qui permet de travailler sur la fabrication directe à partir de poudre de polymère. 

Les lasers Pulsés

Les lasers pulsés, avec une puissance crête de 18 kW et des durées d’impulsion milliseconde sont principalement utilisés pour les applications de perçage par laser. Un système de déplacement 4 axes (X-Y-Z + q) assure le positionnement des pièces.

Opération de perçage avec un laser pulsé (15 kW, une milliseconde) en vue d’obtenir un perçage oblique sur éprouvette (application aéronautique).

 

Les lasers Impulsionnels.

Les lasers impulsionnels, avec des durées d’impulsion de l’ordre de quelques nanosecondes à quelques dizaines de nanosecondes, pour les applications chocs laser et micro-usinage, gravure, PLD.

Des moyens d’instrumentation adaptés  permettent l’étude de l’interaction laser-matière dans les différents régimes de fonctionnement accessibles avec les sources disponibles au sein du laboratoire.

     

 Liste des Sources Laser :

 

Materiel

Charactéristiques

Détails

Yb:YAG laser, TruDisk 10002. HAAS Laser

10 kW.

Fibre optique utilisable de 0,2, 04 et 0,6 mm

Nd:YAG laser, Continuum

30W, Q-switch, 3 Joules,8 ns, 10 Hz.

 

Nd:YAG laser,   HL201P.  HAAS Laser

200 W, diode pumped, pulsed laser.

Peak power: 18 kW

Nd:YAG laser, True Pulse

50 ns

 

Diodes. THALES.

30 W,

0.6 mm fibre

Diodes. DILAS.

150 W,

0.6 mm fibre

Fibre Laser,  IPG.

100 W.

(inclus dans une  machine de prototypage rapide).

MIG; pour le soudage hybride. (Air Liquide)

MIG pulsé ou courant lisse.

 

Robot Industriel (Staubli/KUKA).

 

 

3 x-y (z) stages

 

 

1 x-y–z stage,(precision 1 micron)

 

 

 Matériel d'instrumentation :

 

 Materiel

Charactéristiques

Camera Vidéo Rapide Photron Ultima 1024.

 4000 fps (512x128pixels).

Camera Vidéo Rapide Photron APX-RS 3000

 10000 fps (512x512pixels)..(up to 100.000 fps)

Camera Vidéo Vidéo Rapide Photron MC2

 Caméra rapide miniature, deux têtes synchronisées. Jusqu'à 10.000 frame/s en format réduit.

Camera Vidéo Thermique

 FLIR SC4000. Bande spectrale 2-4 microns. (< 2000°)

Taille Capteur: 320 x 256 pixels. (400 frame/s)

VISAR

 

Camera DICAM, 

Obturateur rapide. (ns)

Analyseur de Faisceau Nd:YAG.

Faisceau continu ou impulsionnel

 

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