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WO 2021/148600
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PROCEDE DE TRAITEMENT THERMIQUE EN VOLUME ET SYSTEME ASSOCIE
Domaine technique
[0001] Selon un premier aspect, l'invention se rapporte à
un procédé de
traitement thermique en volume. Selon un deuxième aspect, l'invention se
rapport à un système pour le traitement thermique en volume de pièces.
Etat de la technique
[0002] Le traitement thermique en volume (trempe, revenu,
recuit) est une
opération métallurgique qui est connue d'un homme du métier. Un traitement
thermique en volume consiste à chauffer une pièce à une température de chauffe
puis à la refroidir à une vitesse prédéfinie pour conserver, par exemple à
température ambiante, la structure métallurgique de la pièce obtenue à la
température de chauffe. Lors d'un traitement thermique en volume,
essentiellement tout le volume de la pièce et de préférence tout le volume de
la
pièce subit un tel traitement thermique. Les propriétés mécaniques d'une pièce
ayant subi un tel traitement thermique en volume sont en général bien
supérieures pour une application spécifique à celles d'une pièce n'ayant pas
subi
de traitement thermique (par exemple lorsque le traitement thermique est une
trempe, on parle en général de pièce durcie grâce à la trempe en volume). A
titre
d'exemple, il est souvent possible d'obtenir une résistance à la déformation
sensiblement plus grande grâce au traitement thermique en volume. Pour des
alliages d'aluminium, un traitement thermique de trempe en volume a pour effet
de réduire la dureté mais d'améliorer les propriétés mécaniques.
[0003] Le traitement thermique en volume est en général
réalisé en
chauffant une pièce dans un four et en la maintenant suffisamment longtemps
dans le four afin d'atteindre une température prédéterminée dans
essentiellement toute la pièce (ou dans essentiellement tout son volume) et
qui
permet d'obtenir une modification de structure du matériau constituant la
pièce
ou un relâchement des contraintes présentes dans la pièce. Ensuite, cette
dernière est généralement refroidie, par exemple rapidement en l'exposant à un
fluide liquide ou gazeux, souvent en l'y plongeant. Les fluides sont par
exemple
de l'eau, de l'huile ou un gaz. Le refroidissement rapide est souvent
nécessaire
afin de conserver à température ambiante, le matériau dans la structure
induite
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par l'élévation de température. Par ailleurs, il est connu des techniques de
traitement thermique local au laser ou par induction de pièces en métal ayant
une
épaisseur égale ou inférieure à 1,2 mm, ces pièces ayant une forme générale de
plaque (issues par exemple d'étapes de laminage). Le traitement au laser ou
par
induction en épaisseur de ces pièces n'est pas un traitement en volume car ces
techniques nécessitent un déplacement relatif de la source de chaleur par
rapport
aux pièces à chauffer, traiter si on désire chauffer l'entièreté de ces
pièces. En
effet, pour chaque position relative entre la source de chaleur et la pièce à
traiter,
seule une petite section transversalement à la longueur des pièces est soumise
à un échauffement. Le traitement n'étant que local, il est nécessaire de
répéter
l'opération de traitement sur toute la longueur des pièces. Un tel traitement
n'est
donc pas un traitement en volume. Par ailleurs, un tel traitement thermique
présente différents inconvénients comme par exemple : nécessité de prévoir un
système permettant d'avoir un mouvement relatif entre la pièce à chauffer et
la
source de chaleur, risque de chauffage non homogène. Par ailleurs, les
traitements thermiques par induction sont efficaces industriellement pour
certains
matériaux seulement, comme par exemple les matériaux ferromagnétiques.
Résumé de l'invention
[0004] Selon un premier aspect, un des buts de la présente invention est
de proposer un procédé de traitement thermique en volume plus simple à mettre
en oeuvre et plus rapide à réaliser. A cet effet, les inventeurs proposent un
procédé de traitement thermique en volume d'une pièce ayant une surface
externe délimitant son volume,
le procédé comprenant les étapes suivantes :
a. fournir une source laser ;
b. fournir la pièce ;
c. fournir des moyens de support pour supporter la pièce;
d. placer la pièce de sorte qu'elle soit maintenue en position par les
moyens
de support ;
e. irradier avec la source laser au moins une portion de la surface externe
de
la pièce avec une puissance et une durée d'exposition laser pour obtenir une
élévation de température dans essentiellement l'ensemble du volume de la
pièce.
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De préférence, les moyens de support présentent un degré d'isolation thermique
entre eux et la pièce. Comme cela sera expliqué dans la suite, les inventeurs
suggèrent d'avoir un tel degré d'isolation thermique assez important, de sorte
que de la chaleur (ou énergie thermique) générée par la source laser au niveau
de la portion de surface externe de la pièce qui est irradiée a plus tendance
à
diffuser dans le matériau constituant la pièce que dans les moyens de support.
[0005] Les inventeurs ont observé, contre toute attente,
qu'il était possible
d'appliquer un traitement thermique en volume à une pièce, pour la durcir par
exemple, avec la seule utilisation d'une source laser. Le procédé de
l'invention
permet de réaliser des traitements thermiques sans déformation apparente de la
pièce. De préférence, ladite élévation de température est supérieure à 200 C,
de manière plus préférée supérieure à 400 C, de manière encore plus préférée
supérieure à 700 C, et encore plus préférée supérieure à 850 C.
[0006] Le procédé de l'invention est particulièrement
efficace, car il permet
grâce à la source laser de chauffer une pièce en volume sans pour autant
échauffer son environnement extérieur. Ainsi, lorsque le refroidissement de la
pièce est initié, il est nécessaire de dissiper uniquement la chaleur
emmagasinée
dans la pièce. En particulier, il n'est pas nécessaire d'évacuer une quantité
de
chaleur emmagasinée par les moyens de support de la pièce, ou par des parois
d'un four. Grâce à l'utilisation de la source laser pour le chauffage de la
pièce, il
est possible de chauffer uniquement la pièce et de ne pas chauffer son
environnement extérieur direct. Ceci est notamment possible grâce à la grande
puissance radiative surfacique de la source laser par rapport à des techniques
de chauffage classique par flamme directe, par tube radiant, ou par
résistances
électriques par exemple. Un avantage de l'invention par rapport à une
technique
de chauffage par induction est de permettre le traitement thermique de
matériaux
non-ferromagnétiques. Un tel avantage n'est pas réalisé au détriment de la
facilité de contrôle des paramètres de traitement thermique ni au détriment de
la
géométrie des pièces que le procédé de l'invention permet de traiter
thermiquement. De préférence, la combinaison de la source laser pour le
chauffage et des moyens de support avec un degré d'isolation thermique entre
eux et la pièce permet de confiner dans la pièce la chaleur fournie par la
source
laser et d'atteindre des températures de modification de structure. Cette même
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combinaison d'une source laser et de moyens de support avec un degré
d'isolation thermique entre eux et la pièce, permet dès l'extinction du
faisceau
laser issu de la source, d'initier un refroidissement suffisamment rapide pour
figer
le matériau constituant la pièce dans la structure obtenue lors de l'étape de
chauffe (étape e.). Dès lors que la pièce ne reçoit plus d'énergie de la
source
laser, la chaleur dans la pièce est très rapidement évacuée vers
l'environnement
extérieur de la pièce, par exemple par rayonnement, convection, ou tout autre
moyen d'échange de chaleur. Pour toutes ces raisons, le procédé selon
l'invention peut être qualifié de plus efficace par rapport aux méthodes de
traitement thermique en volume connues.
[0007] Lorsque le procédé de l'invention est mis en
oeuvre, la chaleur
fournie à la pièce n'engendre que très peu d'échauffement de son environnement
extérieur direct. Cela provient notamment, le cas échéant, des moyens de
support qui présentent un degré d'isolation thermique entre eux et la pièce,
et du
fait qu'il est possible de confiner un faisceau laser uniquement sur la pièce
à
chauffer ou sur une partie de celle-ci. L'absence d'échauffement important de
l'environnement extérieur à la pièce lui permet d'absorber rapidement de la
chaleur de la pièce dès lors que l'énergie thermique fournie pas la source
laser
n'a à chauffer que la pièce et non son environnement. Ainsi le procédé de
l'invention, nécessitant de chauffer uniquement la pièce à traiter
thermiquement
permet un gain énergétique considérable tant pour la phase de montée en
température que pour la phase de refroidissement. Le procédé de l'invention
est
donc particulièrement avantageux en comparaison des procédés de l'état de la
technique lorsqu'il est désiré de réduire la consommation énergétique liée au
traitement thermique de pièces.
[0008] Lors de l'étape e. la puissance d'exposition du
laser est de
préférence choisie sensiblement égale aux pertes thermiques de la pièce à une
température donnée. Ainsi, lorsqu'une température de traitement thermique est
atteinte, il est possible de maintenir la pièce à une température stable
pendant
plusieurs secondes, voire plusieurs minutes, et cela facilement car il suffit
de
choisir une puissance appropriée de la source laser. La puissance d'exposition
laser pour maintenir la pièce à une température prédéterminée va directement
dépendre de la température prédéterminée choisie. Un mode réalisation préféré
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de l'invention prévoit, de réduire la puissance laser fournie lors de l'étape
e. afin
d'obtenir une stabilisation de température dans essentiellement l'ensemble du
volume de la pièce et un maintien à cette température pendant une durée
prédéterminée à une température inférieure à la température atteinte lors de
5 l'étape e. ; une telle température est typiquement celle d'un palier
isotherme. Un
tel palier isotherme est connu de l'homme du métier et est destiné à adapter
le
traitement thermique en fonction des phases métallurgiques désirées à l'issue
du
traitement thermique et des matériaux traités. La méthode et le système de
l'invention sont particulièrement avantageux pour mettre en oeuvre un tel
palier
isotherme lors d'un traitement thermique ; en particulier, l'invention permet
d'avoir une transition rapide entre la température de traitement thermique
initiale
et la température de palier isotherme. De préférence, le palier isotherme a
une
durée de palier isotherme comprise entre 10 minutes et 5 heures,
préférentiellement entre 30 minutes et 2 heures. Pour des pièces de petits
volumes telles que définies par un mode de réalisation préféré de l'invention,
il
pourrait être envisagé d'avoir un palier isotherme avec une durée inférieure à
10
minutes.
[0009] Dans essentiellement l'ensemble du volume de la
pièce veut dire
dans au moins 80% du volume de la pièce, de préférence dans au moins 90 %
du volume de la pièce, de manière plus préférée dans au moins 95% du volume
de la pièce et de manière encore plus préférée dans au moins 99% du volume
de la pièce. La pièce ou échantillon a un certain volume qui peut être exprimé
en
mm3 et une surface externe qui peut être exprimée en mm2. Il est néanmoins
possible d'utiliser d'autres unités pour le volume et la surface externe.
[0010] De manière non limitative, le procédé de traitement thermique de
l'invention peut être utilisé pour les applications suivantes:
- des pièces médicales, en particulier des implants médicaux, par exemple,
des implants dentaires, des prothèse articulaires,...;
- des pièces de mécanique de précision, ou de mécanismes de précision ;
- des pièces sécuritaires ;
- des pièces comprenant un matériau à mémoire de forme.
[0011] Un autre avantage de la méthode selon l'invention
est qu'elle est
très facile à mettre en oeuvre, ne nécessitant que des moyens de contrôle
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relativement simples. En effet, la programmation du traitement thermique selon
l'invention requiert dans la plupart des cas, un contrôle de la puissance
électrique
fournie à la source laser en fonction du temps par les moyens de contrôle. Les
moyens de contrôle permettent ainsi d'adapter la puissance de la source laser
en fonction des caractéristiques physiques et géométriques de la pièce à
traiter
thermiquement et en fonction du traitement thermique souhaité (pente,
palier,...).
Ainsi les moyens de contrôle définissent une puissance laser à délivrer en
fonction du temps afin de traiter thermiquement la pièce selon les pentes et
paliers correspondant au traitement thermique programmé par l'opérateur. Il
est
ainsi possible, grâce à la méthode de l'invention, avec un même système de
traitement thermique, de réaliser des traitements thermiques pour un grand
nombre de matériaux différents, pour des pièces de géométrie différentes et
sur
des plages de température étendues. Les moyens de contrôle sont donc
extrêmement simples et la puissance à délivrer au laser est faible comparée
aux
puissances à délivrer pour d'autres types de moyen de chauffage électrique.
[0012] De préférence, le procédé comprenant en outre,
après l'étape e.,
l'étape suivante :
f. stopper l'irradiation de l'étape e. pour refroidir la pièce.
[0013] Dans ce mode de réalisation préféré, une étape est
ajoutée pour
permettre le refroidissement de la pièce après son échauffement par la source
laser. Par rapport aux traitements thermiques connus où il y a aussi une phase
de refroidissement, ce mode de réalisation préféré est plus simple. En effet,
ce
procédé ne nécessite pas de déplacement ni de manipulation de l'échantillon
(ou
pièce) entre l'étape d'élévation en température et l'étape de refroidissement.
En
particulier, l'étape f. de refroidissement ne nécessite pas de plonger la
pièce dans
un liquide. Pour cette raison aussi le procédé selon l'invention est plus
simple.
L'absence de ces manipulations permet par ailleurs d'obtenir un procédé de
traitement thermique en volume avec une phase de refroidissement plus rapide.
Les vitesses de refroidissement connues de l'état de la technique varient
entre
10 et 100 C/s. La méthode et le système de l'invention permettent d'atteindre
lors de l'étape f. des vitesses de refroidissement supérieures à 100 C/s, de
préférence supérieures à 150 C/s.
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[0014] Un procédé de traitement thermique est la trempe en
volume qui
consiste à chauffer une pièce à une température de chauffe puis à la refroidir
à
une vitesse suffisamment importante pour conserver, par exemple à température
ambiante, la structure métallurgique de la pièce obtenue à la température de
chauffe. Lors d'une trempe en volume, essentiellement tout le volume de la
pièce
et de préférence tout le volume de la pièce subit un tel traitement thermique.
Les
propriétés mécaniques d'une pièce ayant subi un tel procédé de trempe en
volume sont en général bien supérieures à celles d'une pièce non trempée (on
parle en général de pièce durcie grâce à la trempe en volume, mais si pour
certains matériaux comme par exemple des alliages d'aluminium l'opération de
trempe peut avoir pour effet de réduire la dureté mais d'améliorer néanmoins
ses
propriétés mécaniques). A titre d'exemples, il est souvent possible d'obtenir
une
résistance à la déformation et/ou une résistance à l'usure sensiblement plus
grande grâce à la trempe en volume.
[0015] La trempe en volume est en général réalisée en chauffant la pièce
dans un four et en la maintenant suffisamment longtemps afin d'atteindre une
température prédéterminée dans essentiellement toute la pièce (ou dans
essentiellement tout son volume), ce qui permet d'obtenir une modification de
structure du matériau constituant la pièce. Ensuite, cette dernière est
refroidie
rapidement en l'exposant à un fluide liquide ou gazeux, souvent en l'y
plongeant.
Les fluides sont par exemple de l'eau, de l'huile ou un gaz. Le
refroidissement
rapide permet de figer le matériau dans la structure induite par l'élévation
de
température.
[0016] De préférence, un des buts de la présente invention
est de proposer
un procédé de trempe en volume plus simple à mettre en oeuvre et plus rapide à
réaliser. La trempe est un terme connu d'un homme du métier.
Préférentiellement, le procédé de l'invention est un procédé de trempe en
volume
de la pièce,
l'étape e. permet d'induire une modification de structure du matériau
constituant la pièce, et,
l'étape f. est apte à figer le matériau constituant la pièce dans une
structure
différente de celle qu'il présentait avant l'irradiation de l'étape e.
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Par exemple, la modification de la structure du matériau constituant la pièce
est
un changement de phase, ou alors un changement de structure métallurgique.
Cela est connu d'un homme du métier. Un changement de phase est une
transformation allotropique. Par exemple, un changement de phase peut se
produire lorsque pour un diagramme de phase du matériau constituant la pièce,
une ligne de changement de phase est franchie lors de l'élévation en
température
de la pièce induite par l'irradiation par la source laser. De préférence, lors
de la
trempe, on fige le matériau dans la structure obtenue à l'étape e. Pour cela,
le
refroidissement à l'étape f. doit être en général assez rapide, même si cela
va
dépendre du type de matériau.
[0017] Le procédé de trempe en volume proposé par les
inventeurs est
tout à fait surprenant. Ils ont observé, contre toute attente, qu'il était
possible
d'appliquer une trempe en volume à une pièce pour la durcir avec la seule
utilisation d'une source laser. Le procédé de l'invention permet de réaliser
la
trempe sans déformation apparente de la pièce. Les inventeurs ont trouvé que
l'absence de déformation apparente de la pièce est dû au fait que le procédé
de
trempe permet de traiter tout le volume de la pièce en un temps très court.
[0018] Le procédé de l'invention permet la trempe en
volume d'une pièce
de façon simple car la méthode ne nécessite pas de déplacement ni de
manipulation de l'échantillon entre l'étape d'élévation en température et
l'étape
de refroidissement. L'étape f. de refroidissement figeant le matériau
constituant
la pièce dans une nouvelle structure, par exemple celle obtenue lors de la
chauffe
(étape e.) ne nécessite pas de plonger la pièce dans un liquide. Pour cette
raison
aussi le procédé selon l'invention est plus simple. L'absence de ces
manipulations permet par ailleurs d'obtenir un procédé de trempe en volume
plus
rapide.
[0019] Le procédé de l'invention est particulièrement
efficace, car il permet
grâce à la source laser de chauffer de façon efficace la pièce sans pour
autant
échauffer l'environnement extérieur à la pièce. Ainsi, lorsque l'étape f. est
initiée
de sorte à avoir un refroidissement rapide de toute la pièce, il est alors
nécessaire
de dissiper uniquement la chaleur emmagasinée dans la pièce. En particulier,
il
n'est pas nécessaire d'évacuer une quantité de chaleur emmagasinée par les
moyens de support de la pièce, ou par des parois d'un four, ou encore par
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l'environnement gazeux entourant la pièce. Grâce à l'utilisation de la source
laser
pour le chauffage de la pièce, il est possible de chauffer uniquement la pièce
et
de ne pas chauffer son environnement extérieur direct. Ceci est notamment
possible grâce à la grande puissance radiative surfacique de la source laser
par
rapport à des techniques de chauffage classique par flamme directe, par tube
radiant, par résistances électriques ou bien par induction. De préférence, la
combinaison de la source laser pour le chauffage et des moyens de support avec
un degré d'isolation thermique entre eux et la pièce permet de confiner dans
la
pièce la chaleur fournie par la source laser et d'atteindre des températures
de
modification de structure. Cette même combinaison d'une source laser et de
moyens de support avec un degré d'isolation thermique entre eux et la pièce,
permet dès l'extinction du faisceau laser issu de la source, d'initier un
refroidissement suffisamment rapide pour figer le matériau constituant la
pièce
dans une nouvelle structure, par exemple celle obtenue lors de l'étape de
chauffe
(étape e.). Dès lors que la pièce ne reçoit plus d'énergie de la source laser,
la
chaleur dans la pièce est très rapidement évacuée vers l'environnement
extérieur
de la pièce, par exemple par rayonnement, convection, ou tout autre moyen
d'échange de chaleur. Pour toutes ces raisons, le procédé selon l'invention
peut
être qualifié de plus efficace par rapport aux méthodes de trempe en volume
connues.
[0020] Lorsque le procédé de trempe en volume de
l'invention est mis en
oeuvre, la chaleur fournie à la pièce n'engendre que très peu d'échauffement
de
son environnement extérieur direct. Cela provient notamment, le cas échéant,
des moyens de support qui présentent un degré d'isolation thermique entre eux
et la pièce, et du fait qu'il est possible de confiner un faisceau laser
uniquement
sur la pièce à chauffer ou sur une partie de celle-ci. L'absence
d'échauffement
important de l'environnement extérieur à la pièce lui permet ensuite de
dissiper
rapidement de la chaleur de la pièce lors de l'étape de refroidissement,
l'étape f,
ce qui est important pour avoir un procédé de trempe efficace où le matériau
constituant la pièce est figé dans une structure donnée.
[0021] Par exemple la pièce est en acier, la température
de trempe d'une
pièce en acier est très souvent comprise entre 700 C et 950 C. Par exemple,
pour une pièce en aluminium, la température de trempe est très souvent
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comprise entre 440 C et 535 C. Par exemple, pour une pièce en titane, la
température de trempe est comprise entre 300 C et 600 C.
[0022] Dans essentiellement l'ensemble du volume de la
pièce veut dire
dans au moins 80% du volume de la pièce, de préférence dans au moins 90 %
5 du volume de la pièce, de manière plus préférée dans au moins 95% du
volume
de la pièce et de manière encore plus préférée dans au moins 99% du volume
de la pièce. Par exemple, la pièce comprend un matériau ayant une conductivité
thermique supérieure à 15 W.m-1. C-1., de sorte que la pièce peut de
préférence
être affectée par le traitement thermique de l'invention dans 100 % de son
10 volume.
[0023] De préférence, l'irradiation de l'étape e. est apte
à imposer une
température essentiellement homogène dans essentiellement l'ensemble du
volume de la pièce. Les inventeurs ont en effet constaté, avec surprise, qu'il
était
possible de choisir des puissance et durée d'exposition laser telles à l'étape
e.
permettant d'obtenir une température essentiellement homogène dans
l'ensemble du volume d'une pièce, à l'aide d'une irradiation laser. Cela
permet in
fine d'avoir un procédé de trempe en volume efficace et de bonne qualité car
les
différentes régions du volume de la pièce subissent essentiellement la même
augmentation de température à l'étape e.
Une température essentiellement homogène veut dire que la différence relative
maximale de température entre deux points du volume de la pièce est au
maximum égale à 20%, de préférence au maximum égale à 10%, et de manière
encore plus préférée au maximum égale à 1%.
Ainsi, pour ce mode de réalisation, selon une section (transversale ou
longitudinale) de la pièce, celle-ci est irradiée lors de l'étape e. jusqu'à
obtenir un
profil de température essentiellement plat ou homogène entre la surface
externe
et le coeur de la pièce. Une section longitudinale ou transversale veut dire
ici une
coupe faite parallèlement à la direction du faisceau laser issu de la source
laser.
[0024] De préférence, la source laser est configurée pour
émettre un
faisceau lumineux collimaté, et irradier lors de l'étape e. ladite au moins
une
portion de la surface externe de la pièce avec le faisceau lumineux collimaté.
L'utilisation d'un faisceau laser collimaté pour l'irradiation de la pièce
permet de
ne pas avoir de réglage à faire par rapport à une distance relative à la
focalisation
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OU à la divergence du faisceau. Par ailleurs, le faisceau laser collimaté
permet
l'irradiation d'une pièce lors de l'étape e. quelle que soit le profil de la
surface
externe de la pièce (profil avec plusieurs hauteurs). Ainsi, le faisceau laser
collimaté permet d'irradier une portion de la surface externe de la pièce
ayant un
profil non-plan de manière plus homogène car le faisceau laser collimaté
permet
d'irradier simultanément avec une densité de puissance la plus homogène
possible, des portions de pièces ayant des hauteurs différentes. L'utilisation
d'un
faisceau laser collimaté permet donc d'avoir un traitement thermique adaptable
à des pièces ayant des géométries de surface plus complexes en comparaison
d'un traitement thermique avec faisceau laser focalisé. Selon un autre mode de
réalisation de l'invention, le faisceau laser est homogénéisé puis focalisé en
direction de la pièce.
[0025] De préférence, l'étape f. comprend en outre une
action de diriger
un fluide en direction de la pièce pour la refroidir par convection. Une telle
action
est facultative mais permet d'accélérer le refroidissement de la pièce par
transfert
de chaleur par convection notamment. Le fluide peut être un gaz ou un liquide.
[0026] De préférence, le procédé comprend en outre une
action d'exposer
la pièce à un gaz de traitement pour modifier sa surface externe. Par exemple
le
gaz est de l'azote, de sorte que lors du traitement thermique, une nitruration
de
la surface externe de la pièce se produise.
[0027] De préférence, les moyens de support présentent une
surface de
support plane pour supporter la pièce. Cela permet d'augmenter la stabilité
mécanique de la pièce, en minimisant les contraintes à haute température de la
pièce afin d'éviter que le matériau ne flue, lorsque cette dernière a au moins
une
portion de surface externe plane.
[0028] De préférence, les moyens de support comprennent un
matériau
réfractaire. Les inventeurs ont observé que le procédé de l'invention, et en
particulier le mode de réalisation préféré correspondant à un procédé de
trempe
en volume est d'autant plus efficace que les moyens de support présentent un
grand degré d'isolation thermique entre eux et la pièce. Cela permet de
minimiser
tout transfert de chaleur de la pièce vers les moyens de support, lors de
l'étape
e. et in fine d'avoir une élévation de température présentant une grande
homogénéité dans le volume de la pièce car la chaleur a plus tendance à
diffuser
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au sein même de la pièce plutôt qu'a l'extérieur. Dans ce cadre, les
inventeurs
proposent d'utiliser de préférence des moyens de support en matériau isolant
thermiquement et plus préférentiellement en matériau réfractaire, terme connu
d'un homme du métier. Le terme réfractaire est connu d'un homme du métier.
[0029] De préférence, les moyens de support comprennent un matériau
ayant une conductivité thermique inférieure à 20 VV.m-1. C-1, plus
préférentiellement inférieure à 10 W.m-1. C-1, de manière encore plus préférée
inférieure à 5 W.m-1. C-1. Une unité équivalente au W.m-1.K-1 est le W.m-1. C-
1. La
conductivité thermique est un terme connu d'un homme du métier. Les valeurs
préférées de conductivité thermique sont données pour une température de
25 C. Grâce à cette variante préférée, il est possible d'avoir une
relativement
grande conductivité thermique de la pièce à tremper en comparaison avec la
conductivité thermique des moyens de support, pour une large gamme de
matériaux possibles de la pièce, en particulier pour une large gamme de
métaux.
Cela permet d'avoir une grande homogénéité de l'élévation de température dans
tout le volume de la pièce tout en chauffant les moyens de support le moins
possible. A noter qu'il est possible d'envisager des moyens de support ayant
une
conductivité thermique inférieure à 20 W.m-1. C-1, de préférence inférieure à
10
W.m-1. C-1, de manière encore plus préférée inférieure à 5 W.m-1. C-1, sans
nécessairement utiliser un matériau réfractaire pour eux. Cela constitue un
autre
mode de réalisation préféré du procédé de l'invention.
[0030] De préférence, il existe une surface de contact
entre la pièce et les
moyens de support, la surface de contact ayant une aire inférieure à 10 % de
l'aire de la surface externe, de manière plus préférée, celle-ci est
inférieure à 2
/0, de manière encore plus préférée celle-ci est inférieure à 1 /0. Pour une
même
conductivité thermique des moyens de support, un échange de chaleur entre la
pièce et les moyens de support sera plus faible lorsque la surface de contact
entre pièce et moyens de support est plus petite.
[0031] Préférentiellement, le procédé de traitement
thermique de
l'invention est particulièrement bien adapté à des moyens de support
présentant
une conductivité thermique faible et une surface de contact entre pièce et
moyens
de support réduite. Ainsi, il est particulièrement recherché d'avoir un
produit
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(conductivité thermique des moyens de support) x (surface de contact entre
pièce
et moyens de support) le plus petit possible.
[0032] De préférence, la pièce est constituée d'un
matériau ayant une
conductivité thermique supérieure à 10 W.m-1. C-1, de manière plus préférée
celle-ci est supérieure à 35 W.m-1. C-1 et de manière encore plus préférée
celle-
ci est supérieure à 50 W.m-1. C-1. Comme cela a déjà été suggéré ci-dessus,
les
inventeurs ont observé que le procédé de l'invention et en particulier le mode
de
réalisation préféré correspondant à un procédé de trempe en volume est
d'autant
plus efficace quand le transfert de chaleur générée au niveau de la surface
externe de la pièce se fait avant tout au sein même du volume de la pièce,
plutôt
que vers l'extérieur, comme par exemple vers les moyens de support. Cela
permet in fine d'avoir une élévation de température présentant une grande
homogénéité dans le volume de la pièce car la chaleur a plus tendance à
diffuser
au sein même de la pièce plutôt qu'à l'extérieur. Dans ce cadre, les
inventeurs
proposent d'utiliser de préférence une pièce constituée d'un matériau ayant
une
conductivité thermique suffisamment élevée.
[0033] De préférence, le volume de la pièce est compris
entre 0,01 mm3 et
5 cm3, de manière plus préférée celui-ci est compris entre 0,1 mm3 et 500 mm3,
et de manière encore plus préférée entre 1 mm3 et 100 mm3. Les inventeurs ont
remarqué de manière surprenante que des pièces de petit volume, c'est-à-dire
inférieur au cm3 (et donc présentant également une masse assez petite),
permettent d'avoir un procédé selon l'invention particulièrement efficace.
Cela
est également vrai pour le mode de réalisation préféré correspondant à un
procédé de trempe en volume. Cela est tout à fait surprenant. Une explication
plausible serait la suivante. Lorsque la pièce à traiter thermiquement (à
tremper)
présente un petit volume, c'est-à-dire inférieur au cm3 par exemple, il y a
peu de
matière permettant d'évacuer la chaleur générée à la surface externe et donc
l'entièreté du volume de la pièce a tendance à se réchauffer très rapidement.
Ainsi, la masse d'une pièce présentant un petit volume n'est pas suffisante
pour
produire un gradient thermique élevé dans la pièce suite à l'élévation de
température à sa surface externe. Le processus est donc différent d'une trempe
en surface où le volume de la pièce permet d'absorber un échauffement en
surface sans pour autant s'échauffer de manière homogène et atteindre une
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température proche de celle de la surface irradiée. Par exemple, le volume de
la
pièce est inférieur à 5 cm3 pour une pièce en aluminium ou en laiton. Par
exemple, le volume de la pièce est inférieur à 2 cm3 pour une pièce en acier
ou
en titane. Des exemples de masse de petites pièces pour le procédé de
l'invention sont comprises entre 1 et 100 grammes, de préférence entre 10 et
50
grammes et de manière encore préférée entre 15 et 30 grammes. Il est
également possible de prévoir des pièces ont une masse inférieure à 1 gramme,
par exemple des pièces ayant une masse comprise entre 0.005 et 0.1 gramme.
[0034] De préférence, la pièce présente une surface
spécifique comprise
entre 0,01 mm-1 et 150 mm-1, de manière plus préférée comprise entre 0,1 mm-1
et 100 mm-1, de manière encore plus préférée comprise entre 1 mm-1 et 10 mm-
1. La surface spécifique d'une pièce est égale à l'aire de sa surface externe
divisée par le volume de la pièce. Pour obtenir une quasi-absence (absence) de
gradient de structure métallurgique dans la pièce traitée thermiquement et
donc
une homogénéité en volume de la structure métallurgique de la pièce, par
exemple lors de l'étape f. pour les modes de réalisation préférés comprenant
une
telle étape, il est préféré d'avoir des pièces peu compactes, présentant une
surface spécifique au moins 10 fois plus grande que celle d'une sphère ayant
le
même volume. Cela permet de refroidir la pièce, par exemple à l'étape f. pour
les
modes de réalisation préférés comprenant une telle étape, plus facilement et
plus
rapidement. De telles contraintes et donc une tel mode de réalisation préféré
est
particulièrement avantageux lorsque le procédé de traitement en volume de
l'invention correspond à un procédé de trempe en volume.
[0035] De préférence,
- ladite surface externe consiste en une première et une deuxième portions
de surface externe, et
- l'étape e. consiste à irradier uniquement la première portion de surface
externe avec une puissance et une durée d'exposition laser pour avoir une
température sensiblement égale entre les première et deuxième portions
de surface externe.
Une température sensiblement égale entre les première et deuxième portions de
surface externe de la pièce veut dire qu'elles présentent une différence de
température inférieure à 50 C, de préférence inférieure à 25 C, de préférence
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inférieure à 10 C, de préférence inférieure à 5 C, et de manière encore plus
préférée inférieure à 2 C.
Ce mode de réalisation préféré permet d'avoir une procédé particulièrement
facile à mettre en oeuvre car il nécessite d'irradier uniquement une portion
de la
5 surface externe de la pièce. En particulier, on peut imaginer irradier la
pièce que
d'un seul côté.
[0036] De préférence,
- la surface externe comprend une première et une deuxième portions de
surface externe, et
10 - l'étape e. consiste à irradier les première et deuxième portions de
surface
externe.
Selon cet autre mode de réalisation possible, les inventeurs proposent
d'irradier
au moins deux portions différentes de surface externe de la pièce. On peut par
exemple irradier la pièce à partir de deux de ses faces qui sont par exemple
15 opposées : par exemple irradier un côté droit et un côté gauche de la
pièce. Cela
permet d'induire une élévation de température à partir de deux extrémités
différentes de la pièce, ce qui peut être particulièrement utile pour des
pièces
plus épaisses.
[0037] De préférence, l'étape e. consiste à irradier au
moins une portion
de la surface externe de la pièce pendant une durée d'exposition inférieure ou
égale à 10 s, de manière plus préférée inférieure ou égale à 8 s, de manière
encore plus préférée inférieure ou égale à 5 s. Les inventeurs ont trouvé que
l'on
obtient des résultats particulièrement bons en utilisant de telles durées
d'exposition laser. En particulier de telles durées d'exposition permettent
d'avoir
une élévation de température dans essentiellement l'ensemble du volume de la
pièce irradiée et dans de nombreux cas, d'avoir une élévation de température
homogène dans tout le volume de la pièce.
[0038] De préférence, la source laser est une source laser
continue ou à
impulsions de durées supérieures à 1 ms ou à impulsions de durées comprises
entre 20 et 30 ms. Les inventeurs ont trouvé qu'il est possible d'avoir de
très bons
résultats en utilisant des sources lasers continues qui sont peu chères. De
bons
résultats sont également obtenus avec des sources lasers à impulsions
relativement longues, c'est-à-dire supérieures à 1 ms. Les sources lasers
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continues ou avec de telles durées d'impulsions sont peu chères, mais
également
très courantes et faciles à mettre en oeuvre dans le cadre du procédé de
l'invention. De telles sources laser sont disponibles avec un large choix de
longueurs d'onde. Cela peut être utile afin d'avoir une longueur d'onde
adaptée
au matériau constituant la pièce et maximiser ainsi l'absorption du
rayonnement
par la pièce et sa conversion en chaleur pour l'élévation de la température de
celle-ci. Selon un mode de réalisation préféré, il est possible d'adapter la
polarisation du rayonnement afin de maximiser l'absorption du rayonnement par
la pièce. Par exemple la polarisation du faisceau laser sur la pièce peut être
linéaire s ou p, elliptique ou circulaire. Lors du traitement thermique de
pièces
présentant des surfaces externes courbes ou ayant des pentes différentes, les
coefficients de réflexion peuvent changer en fonction de l'angle d'incidence
du
faisceau laser (angle entre la direction de propagation du faisceau laser et
la
normale à la surface au point d'irradiation). Afin de maximiser l'absorption
du
faisceau laser par la pièce à traiter thermiquement, de préférence lorsque le
faisceau laser présente un angle d'incidence avec une portion de la pièce
supérieur à 100, il peut être intéressant de modifier la polarisation du
faisceau
laser en une polarisation linéaire, de préférence une polarisation p de sorte
à
obtenir une meilleure absorption par la pièce sur toute sa surface irradiée.
Dans
le cas de pièces courbes ou présentant des pentes différentes, l'utilisation
d'une
polarisation linéaire spécifique (de préférence p) peut conduire à une
meilleure
homogénéité d'absorption du faisceau laser par la portion irradiée de la
surface
externe.
[0039] De préférence, l'étape e. consiste à irradier au
moins une portion
de la surface externe de la pièce avec un faisceau laser d'une puissance
inférieure à 100 W, de manière plus préférée inférieure à 50 W, de manière
encore plus préférée inférieure à 10 W. Les inventeurs ont trouvé qu'il était
possible d'avoir de très bons résultats, et en particulier de très bon
résultats de
trempe lorsque le procédé de l'invention est un procédé de trempe en volume,
même avec des sources laser peu puissantes. Ainsi, pour certaines pièces, il
est
possible d'avoir des élévations de température de 1400 K avec des sources
laser
continues ayant une puissance inférieure à 10W ou 6W par exemple. Dans un
tel cas, les inventeurs ont observé qu'un refroidissement naturel de la pièce
à
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température ambiante (environ 20 C), c'est-à-dire sans refroidissement forcé
comme par exemple par convection, prenait moins de 35 s.
[0040] De préférence, la source laser est apte à fournir
un faisceau laser
modulé en intensité et l'étape e. consiste à irradier au moins une portion de
la
surface externe de la pièce avec une puissance d'irradiation qui diminue dans
le
temps pendant l'étape e. Grâce à ce mode de réalisation préféré, il est
possible
de réduire le risque, voire d'éviter une surchauffe trop importante d'une
partie de
la pièce, en particulier une surchauffe trop importante de la portion de
surface
externe irradiée par la source laser. Une surchauffe trop importante est en
général inacceptable et induit une fusion locale ou totale de la pièce. Grâce
à ce
mode de réalisation préféré de l'invention, on réduit ce risque car on diminue
l'intensité du faisceau laser au cours de l'étape de chauffe e.
[0041] De préférence, la source laser comprend :
- un générateur de faisceau laser,
des moyens de contrôle de faisceau configurés pour moduler le profil en
intensité
du faisceau laser émis par le générateur de faisceau laser.
[0042] Dans ce mode de réalisation préféré, le générateur
de faisceau
laser est couplé optiquement avec les moyens de contrôle de faisceau laser. De
préférence les moyens de contrôle de faisceau laser sont des moyens de
modelage de faisceau laser. Les moyens de contrôle de faisceau laser
permettent de modeler le profil en intensité du faisceau laser qui est
déterminé
selon un plan perpendiculaire à sa direction de propagation. Les moyens de
contrôle de faisceau permettent d'obtenir un faisceau ayant une distribution
en
intensité plus uniforme et permettent donc d'irradier une pièce avec plus
d'homogénéité en terme de densité de puissance.
[0043] De préférence, les moyens de contrôle de faisceau
comprennent :
- une fibre optique comprenant une entrée et une sortie,
apte à véhiculer
un faisceau laser émis par le générateur de faisceau laser entre l'entrée
et la sortie, de manière plus préférée, la fibre optique est multimode ;
- un dispositif de projection de faisceau laser configuré pour projeter sur la
pièce, une image du faisceau laser à sa sortie de la fibre optique.
[0044] Dans ce mode de réalisation préféré, le générateur
de faisceau
laser est couplé optiquement avec l'entrée de la fibre optique multimode de
sorte
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qu'essentiellement l'intégralité du faisceau laser est véhiculé par la fibre
optique
multimode jusqu'à sa sortie. Lorsque le générateur de faisceau laser est un
générateur de faisceau laser multimode, le faisceau laser multimode véhiculé
par
la fibre optique multimode est mélangé lors de son parcours dans la fibre
optique
multimode, de sorte à illuminer la face de sortie (la sortie) de la fibre avec
une
intensité de faisceau laser homogène. De préférence, un meilleur mélange des
modes et donc une meilleure homogénéité d'intensité de faisceau sur la face de
sortie est obtenue lorsque la fibre optique multimode est courbée. Par exemple
la fibre optique multimode est courbée en formant un 8 .
Préférentiellement,
la fibre optique multimode a une longueur supérieure à 2 m, et plus
préférentiellement une longueur comprise entre 6 m et 10 m, par exemple 8 m
afin de permettre un bon mélange des modes et donc une bonne uniformité de
profil d'intensité en sortie de la fibre optique multimode.
[0045] Le dispositif de projection de faisceau laser
permet de projeter
l'image de la sortie (de la face de sortie) de la fibre optique multimode sur
la pièce
à traiter thermiquement. Ce mode de réalisation de source laser permet de
modifier le profil d'intensité du faisceau laser, de sorte qu'en entrée de la
fibre
optique multimode, le faisceau laser (multimode) a un profil d'intensité
essentiellement gaussien tel qu'émis par le générateur de faisceau laser, et,
qu'en sortie, le faisceau laser a un profil d'intensité uniforme sur
essentiellement
toute la face de sortie qu'il illumine. Le dispositif de projection de
faisceau laser
permet alors de former une image de la face de sortie de la fibre optique
multimode illuminée avec une intensité uniforme, sur la pièce à traiter
thermiquement.
[0046] De préférence, le dispositif de projection de faisceau laser est
configuré pour projeter l'image du faisceau laser sur la pièce avec un
faisceau
laser collimaté.
[0047] Un autre avantage de ce mode de réalisation de la
source laser est
de permettre d'irradier la pièce avec un faisceau laser collimaté. Ceci est
d'autant
plus avantageux, (comme déjà décrit précédemment) que cela permet une
simplification de la méthode en ne nécessitant pas une étape supplémentaire de
réglage de la distance de la pièce par rapport à la source laser. Par
ailleurs, un
tel faisceau laser collimaté d'intensité uniforme permet d'irradier avec plus
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d'homogénéité en terme de densité de puissance des pièces ayant des
géométries complexes caractérisées par des facteurs de forme élevés, ou ayant
des surfaces courbes.
[0048] De préférence, le dispositif de projection de
faisceau laser est apte
à ajuster un grandissement entre la section prédéterminée de fibre optique
multimode prise à la sortie et l'image du faisceau laser lorsque celle-ci est
projetée sur la pièce.
[0049] Dans ce mode de réalisation préféré, le dispositif
de projection de
faisceau laser comprend de préférence une première et une deuxième lentilles
convergentes, de sorte à projeter le faisceau laser en sortie de la fibre
optique
multimode (qui est alors divergent) en une image de faisceau laser sur la
pièce
à traiter thermiquement avec un faisceau laser qui est collimaté.
Préférentiellement, les première et deuxième lentilles sont déplaçables
relativement l'une par rapport à l'autre selon une translation parallèle à un
axe
optique définit par une direction de propagation principale du faisceau laser
en
sortie de la fibre optique multimode. De préférence, la première lentille est
déplaçable par rapport à la sortie de la fibre optique multimode afin
d'ajuster la
distance première lentille ¨ sortie de fibre optique multimode. De préférence,
une
augmentation de la distance entre les première et deuxième lentilles permet
une
augmentation du grandissement. Ainsi le dispositif de projection de faisceau
laser
permet d'adapter la taille du faisceau laser sur la pièce à traiter
thermiquement
en fonction de la taille de celle-ci. Par exemple la fibre optique multimode a
une
section de 400 p.im et l'image du faisceau laser en sortie de celle-ci
projetée sur
la pièce a une diamètre de 6 mm. Grâce à ce mode de réalisation préféré de la
source laser de l'invention il est possible d'obtenir une irradiation de la
pièce avec
une intensité de laser uniforme et réglable en dimension. L'intensité de
faisceau
uniforme sur la pièce permet de réaliser un traitement thermique avec une
grande
qualité car l'augmentation de température de la pièce est alors engendrée avec
un gradient thermique au niveau de la surface de la pièce qui est quasi-nul
voir
nul. Alors qu'un échauffement par une source laser de l'état de la technique
introduit inévitablement un gradient thermique à la surface de la pièce vu le
profil
d'intensité gaussien de telles sources laser. Un autre avantage du dispositif
de
projection de faisceau laser est de permettre une modulation du diamètre de
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l'image du faisceau laser en sortie de celle-ci sur la pièce sans altération
de son
uniformité en intensité.
[0050] De préférence, les moyens de contrôle de faisceau
comprennent :
une lentille ménisque configurée pour modifier le diamètre du faisceau laser
émis
5 par le générateur de faisceau laser en un faisceau laser modifié
collimaté.
Préférentiellement, les moyens de contrôle de faisceau comprennent une
pluralité de lentilles ménisques alignées selon leurs axes optiques
respectifs. Par
exemple, au moins une face de chacune des lentilles ménisques est asphérique
de sorte à limiter les aberrations dues à l'utilisation de lentilles
ménisques.
10 [0051] De préférence, les moyens de contrôle de faisceau comprennent
:
un élément optique ayant une surface optique asphérique ou une surface optique
apte à induire un décalage de phase.
[0052] De préférence, les moyens de contrôle de faisceau
comprennent :
- un élément optique de diffraction.
15 [0053] De préférence, la source laser comprend en outre des moyens de
focalisation de faisceau positionnés entre les moyens de contrôle de faisceau
et
la pièce.
[0054] De préférence, le procédé de l'invention est un
procédé de trempe
suivi d'un revenu et il comprend en outre les étapes additionnelles suivantes,
20 après l'étape f. :
i. irradier avec la source laser au moins une portion de la surface externe de
la pièce avec une puissance d'exposition laser de revenu qui est moindre que
la puissance d'exposition laser utilisée lors de l'étape e. pour la trempe.
Le revenu de la pièce est réalisé par le maintien de la pièce à une
température
de revenu (inférieure à la température de trempe) pendant une durée
prédéterminée. La pièce est ensuite soumise à un refroidissement approprié
jusqu'à température ambiante. Le revenu permet d'atténuer les effets de la
trempe en rendant le plus souvent, la pièce plus ductile et plus tenace. Un
tel
revenu peut être avantageusement réalisé après la trempe sans modifier la
position de la pièce, ce qui simplifie grandement la mise en oeuvre du procédé
et
du système permettant de mettre en oeuvre une telle étape de revenu. De
préférence, une température de revenu pour une pièce en acier est comprise
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entre 200 C et 450 C. Préférentiellement, la température de revenu d'une
pièce
en aluminium est comprise entre 150 C et 200 C, par exemple 170 C.
[0055]
De préférence, le procédé de l'invention est un procédé de trempe
précédé d'un recuit et il comprend en outre les étapes additionnelles
suivantes
avant l'étape a. :
g. irradier avec la source laser au moins une portion de la surface externe de
la pièce avec une puissance d'exposition de laser de recuit qui est moindre
que la puissance d'exposition laser utilisée lors de l'étape e. ;
h. refroidir la pièce après l'avoir chauffée à une température de recuit lors
de
l'étape précédente à une température inférieure à 100 C, de préférence à
température ambiante.
Le recuit consiste à chauffer la pièce à une température prédéterminée (dite
température de recuit), de maintenir la pièce à cette température de recuit
pendant un temps prédéterminé, puis à refroidir la pièce avec une vitesse de
refroidissement prédéterminée afin d'obtenir après retour à température
ambiante un état structurel du matériau constituant la pièce proche de l'état
d'équilibre stable. Cette opération a pour but d'éliminer ou réduire les
contraintes
résiduelles liées par exemple à un traitement thermique antérieur, ou,
d'obtenir
la formation d'une structure favorable à une action ultérieure sans
fracturation
(déformation, usinage, traitement thermique...). Un tel recuit peut être
avantageusement réalisé avant la trempe sans modifier la position de la pièce
sur les moyens de support, ce qui simplifie grandement la mise en oeuvre du
procédé et du système permettant de mettre en oeuvre une telle étape de
recuit.
Avec le procédé de l'invention, il est possible de prévoir les trois phases de
traitement thermique suivantes avec un même dispositif, sans avoir à modifier
la
position de la pièce (et éventuellement en un temps très court) : recuit, puis
trempe, puis revenu. Dans un tel cas, il y a une première phase de chauffe à
une
température Trecuit, maintien à Trecuit pendant un temps prédéterminé, suivie
d'un refroidissement contrôlé, puis une deuxième phase de chauffe à une
température Ttrempe, maintien à Ttrempe pendant un temps prédéterminé,
suivie d'un refroidissement contrôlé, Ttrempe étant supérieure à Trecuit, puis
une
troisième phase de chauffe à une température Trevenu, maintien à Trevenu
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pendant un temps prédéterminé, suivie d'un refroidissement contrôlé, Ttrempe
étant supérieure à Trevenu.
[0056]
De préférence, le procédé de l'invention comprend en outre les
étapes additionnelles suivantes :
j. fournir une chambre à vide et insérer la pièce à l'intérieur de la chambre
à
vide ;
k. réaliser un vide partiel dans la chambre à vide enfermant la pièce
inférieur
à 50000 Pa, de manière préférée inférieur à 10000 Pa et de manière encore
plus préférée inférieur à 5000 Pa.
II est possible alors de réaliser les étapes e. et/ou f. et/ou g. et/ou h.
dans un vide
poussé ou partiel. L'avantage est de pouvoir mieux contrôler, voire d'éviter
toute
contamination du matériau constituant la pièce.
[0057]
De préférence, le procédé de l'invention comprend en outre les
étapes additionnelles suivantes :
I. fournir un échangeur thermique ;
m. mettre en contact la pièce avec l'échangeur thermique pendant l'étape f..
Un tel mode de réalisation préféré permet de refroidir la pièce plus
rapidement et
plus efficacement.
[0058]
De préférence, le procédé de l'invention comprend en outre les
étapes additionnelles suivantes :
n. fournir un bain de liquide ;
o. immerger partiellement la pièce dans le bain de liquide pendant l'étape f.,
de manière plus préférée, immerger entièrement la pièce.
Un tel mode de réalisation préféré permet de refroidir la pièce plus
rapidement et
plus efficacement.
[0059]
De préférence, le matériau constituant au moins partiellement la
pièce est un matériau métallique. La méthode de l'invention est en effet
particulièrement adaptée pour ce type de matériaux (les métaux).
[0060]
Par exemple, le matériau métallique constituant au moins
partiellement la pièce est un acier au carbone, de préférence un acier
comprenant 1% de carbone en poids. Un acier au carbone est un terme connu
d'un homme du métier. Il désigne en général un acier dont le principal
composant
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d'alliage est le carbone, dans des portions comprises par exemple entre 0.02%
et 2% en masse.
[0061] Les inventeurs proposent également un système pour
le traitement
thermique en volume d'une pièce ayant une surface externe délimitant son
volume, le système comprenant :
- une source laser configurée pour irradier au moins une portion de la
surface externe de la pièce avec une puissance et une durée d'exposition
laser pour obtenir une élévation de température dans essentiellement
l'ensemble du volume de la pièce pour induire une modification de
structure du matériau constituant la pièce ;
- des moyens de support pour supporter la pièce.
De préférence, le système de l'invention est utilisé pour la trempe en volume
d'une pièce. De préférence, les moyens de support présentent un degré
d'isolation thermique entre eux et la pièce.
[0062] Les modes de réalisation particuliers et avantages associés
présentés pour la méthode de l'invention s'appliquent au système de
l'invention,
mutatis mutandis.
[0063] De préférence, la source laser est une source laser
continue, ou à
impulsions de durées supérieures à 1 ms, ou à impulsions de durées comprises
entre 20 et 30 ms.
[0064] De préférence, l'élévation de température est une
élévation de
température supérieure à 200 C, de manière préférée supérieure à 400 C, de
manière plus préférée supérieure à 700 C, de manière encore plus préférée
supérieure à 850 C.
[0065] De préférence, l'élévation de température dans essentiellement
l'ensemble du volume de la pièce est une élévation de température dans au
moins 80%, de manière préférée au moins 90%, de manière plus préférée 95%,
de manière encore plus préférée 99% du volume de la pièce.
[0066] Selon un mode de réalisation possible, les moyens
de support
présentent une surface de support pour entrer en contact avec la pièce, la
surface
de support ayant une aire inférieure à 10 % de la surface externe de la pièce,
de
préférence inférieure à 5 /0, de manière encore plus préférée inférieure à 1%
de
la surface externe de la pièce. Avec ce mode de réalisation préféré, le
contact
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entre la pièce à tremper et les moyens de support est réduit, diminuant la
possibilité de transfert de chaleur par conduction de la pièce vers les moyens
de
support. Cela permet d'augmenter davantage la température au sein de la pièce
durant la chauffe par irradiation laser car la chaleur générée sur la portion
de
surface externe de la pièce à tremper n'a pas beaucoup d'autres solutions que
de diffuser au sein du volume de la pièce. Le transfert de chaleur de la pièce
vers
les moyens de support est d'autant plus réduit qu'ils comprennent un matériau
réfractaire. De préférence, les moyens de support ont une conductivité
thermique
inférieure à 20 W.rn-1. C-1 à 25 C.
[0067] Selon un autre mode de réalisation possible, les moyens de support
présentent une surface de support plane pour supporter la pièce. Dans un tel
cas, il est possible d'avoir un système où la pièce à tremper reste en
position
facilement. Il n'y a alors pas besoin, en général, d'avoir des moyens tels des
pinces qui maintiennent la pièce en position.
[0068] De préférence, les moyens de support ont une conductivité
thermique inférieure à 20 W.m-1. C-1, de manière plus préférée inférieure à 10
W.m-1. C-1, de manière encore plus préférée a 5 W.m-1. C-1.
[0069] De préférence, la pièce est constitué d'un matériau
ayant une
conductivité thermique supérieure à 15 W.m-1. C-1, de manière plus préférée
supérieure à 35 W.m-1. C-1 et de manière encore plus préférée supérieure à 50
w.m-1..C-1.
[0070] De préférence, le volume de la pièce est compris
entre 0,01 mm3 et
1 cm3, de manière plus préférée compris entre 0,1 mm3 et 500 mm3, et de
manière
encore plus préférée entre 1 mm3 et 100 mm3.
[0071] De préférence, la source laser est configurée pour irradier la
portion
de surface externe d'une pièce avec un faisceau laser d'une puissance
inférieure
à 100 W, de manière plus préférée inférieure à 50 W, de manière encore plus
préférée inférieure à 10 W.
[0072] Selon un autre mode de réalisation possible, le
système comprend
en outre une fibre optique et il est conçu de sorte qu'un faisceau laser issu
de la
source laser est apte à atteindre par l'intermédiaire de la fibre optique au
moins
une portion de surface externe d'une pièce supportée par les moyens de
support.
L'utilisation de la fibre optique permet de guider un faisceau laser issu de
la
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source laser. Cela procure une plus grande flexibilité au système. En
particulier,
il est possible d'éloigner la source laser de la pièce à tremper. Pour
certaines
applications, une telle configuration peut être préférée.
[0073] Selon un autre mode de réalisation préféré, la
source laser
5 comprend :
- un générateur de faisceau laser,
- des moyens de contrôle de faisceau configurés pour moduler le profil en
intensité du faisceau laser émis par le générateur de faisceau laser.
[0074] De préférence, les moyens de contrôle de faisceau
comprennent :
10 - une fibre optique de section prédéterminée comprenant une
entrée et
une sortie, apte à transporter un faisceau laser émis par le générateur de
faisceau laser entre son entrée et sa sortie, de manière plus préférée, la
fibre optique est multimode ;
- un dispositif de projection de faisceau laser apte à projeter sur la
pièce,
15 une image du faisceau laser à sa sortie de la fibre
optique, de manière
plus préférée de la fibre optique multimode.
[0075] De préférence, le dispositif de projection de
faisceau laser est
configuré pour projeter l'image du faisceau laser sur la pièce avec un
faisceau
laser collimaté.
20 [0076] De préférence, le dispositif de projection de
faisceau laser est apte
à ajuster un grandissement entre la section prédéterminée de fibre optique
multimode prise à la sortie et la image du faisceau laser lorsque celle-ci est
projetée sur ladite pièce.
[0077] De préférence, les moyens de contrôle de faisceau
comprennent :
25 - une lentille ménisque configurée pour modifier le diamètre
du faisceau
laser émis par le générateur de faisceau laser en un faisceau laser modifié
collimaté.
[0078] De préférence, les moyens de contrôle de faisceau
comprennent :
- un élément optique ayant une surface optique asphérique ou une surface
optique apte à induire un décalage de phase.
[0079] De préférence, les moyens de contrôle de faisceau
comprennent :
- un élément optique de diffraction.
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[0080] De préférence, la source laser comprend en outre
des moyens de
focalisation de faisceau positionnés entre les moyens de contrôle de faisceau
et
la pièce.
[0081] Selon un autre mode de réalisation possible, la
fibre optique
multimode a une longueur comprise entre 1 m et 12 m, de manière plus préférée
une longueur comprise entre 2 m et 8 m.
[0082] De préférence, le système comprend en outre un
scanner pour
pouvoir diriger un faisceau laser issu de la source laser sur différentes
pièces à
tremper en volume. Cela permet d'avoir un système et un procédé de traitement
thermique encore plus efficace car on peut traiter facilement et rapidement
plusieurs pièces. Par exemple, un travail en plateau est possible, où
différentes
pièces à traiter sont supportées par un plateau et où le faisceau laser est
dirigé
sur les différentes pièces grâce au scanner.
[0083] De préférence, comprend le système en outre un
capteur de
température, de préférence un pyromètre, pour mesurer une température de la
pièce. Grâce à ce mode de réalisation, il est possible de prévoir une boucle
de
régulation pour régler la puissance de la source laser en fonction de la
température mesurée par le capteur de température. Par exemple, un pyromètre
qui est un exemple de capteur de température mesure la température de la
portion de la surface externe de la pièce qui est irradiée par la source
laser.
[0084] Les inventeurs proposent aussi un ensemble
comprenant le
système tel que décrit ci-dessus avec tous ses modes de réalisation préférés
et
la pièce à tremper.
[0085] Les inventeurs proposent l'explication théorique
suivante du
procédé et du système de l'invention.
[0086] MONTÉE EN TEMPÉRATURE / Apport de chaleur par laser
De l'énergie est apportée à la pièce via un faisceau laser (L) ayant une
fluence
déterminée (flux = Puissance du laser (W) / surface d'irradiation (cm2)).
Préférentiellement, et comme décrit ci-dessus pour certains modes de
réalisation, de multiples faisceaux pourraient frapper l'ensemble de
l'enveloppe
(ou surface externe) de la pièce pour réduire encore le gradient de
température
entre le coeur de la pièce et la portion de surface externe irradiée. Le laser
de
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puissance prédéterminée P illumine la portion de surface externe de la pièce
avec un diamètre D par exemple pour un spot laser ayant une section
circulaire.
[0087] Etude du bilan thermique dans la pièce irradiée
Le transfert de chaleur entre la pièce et son environnement extérieur est
gouverné par trois phénomènes : la conduction, la convection, le rayonnement.
Les propriétés physiques à prendre en compte sont les suivantes :
- le coefficient de conductibilité thermique k (ou conductivité thermique)
mesure la propension d'un corps à développer un flux de chaleur quand il
subit un écart de T ;
- la chaleur spécifique c (ou capacité thermique massique) mesure le taux
de variation de l'énergie interne avec la T ; cette grandeur reflète la
capacité d'un matériau à accumuler de l'énergie sous forme thermique
quand sa température augmente ;
- la capacité calorifique C (ou capacité thermique) mesure la capacité d'un
milieu à accumuler (ou à restituer) de la chaleur. Inversement, cette
grandeur mesure l'énergie qu'il faut lui transférer pour augmenter sa
température d'un Kelvin.
A partir de ces coefficients, il est possible de calculer pour différents
matériaux
de la pièce, la diffusivité thermique a = k/(pc) qui mesure la facilité de
propagation
de la chaleur dans le matériau de la pièce. Les distances parcourues par une
information thermique après t secondes sont proportionnelles à la racine
carrée
de a.t. Dans l'équation a = k/(pc), p est la masse volumique (p ex en g.cm-3)
et c
est la chaleur spécifique (généralement exprimée en J kg-1 K-1).
Exemples de diffusivité thermique a pour des matériaux couramment utilisé : a
(acier) = 4,30E-06 m2/s ; a(aluminium) = 9,79E-05 m2/s; a(laiton) = 3,79E-05
m2/s ; a(titane) = 7,66E-06 m2/s.
[0088] Le tableau 1 montre une estimation de gradient thermique en
estimation une profondeur de pénétration pour quelques métaux connus.
Tableau 1 ¨ Estimation de gradients thermiques
Acier Aluminium Laiton
Titane
a 4,30E-06 9,79E-05
3,79E-05 7,66E-06
mm mm mm
mm
après 1 s 2,1 9,9 6,2
2,8
Profondeur de pénetration après 2 s 2,9 14,0 8,7
3,9
thermique :
après 3s 3,6 17,1 10,7
4,8
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après 4s 4,1 19,8 12,3
5,5
après 5s 4,6 22,1 13,8
6,2
Ces estimations montrent pour une même puissance d'illumination sur la surface
externe, la distance par rapport à la surface externe illuminée qui atteint
une
température proche de celle de la surface externe. Plus le coefficient de
diffusion
thermique est élevé, plus la chaleur se diffuse rapidement dans le coeur de la
pièce. Ces estimations sont destinées à donner des ordres de grandeurs car les
différents coefficients utilisés sont pris dans des conditions normales (20
C), or
de tels coefficients varient avec la température (par exemple, k diminue avec
la
température pour l'acier alors que k augmente avec la température pour
certains
alliages et le laiton).
Il est possible de déterminer un ordre de grandeur du temps pour que la
surface
opposée de la pièce soit à la même température que la surface de la pièce
illuminée par le faisceau laser (ce qui permet de donner une idée de
l'amplitude
du gradient de température dans la pièce/l'épaisseur de la pièce). De tels
ordres
de grandeurs sont indiqués dans le Tableau 2.
Tableau 2 ¨ Temps de propagation de la chaleur de la surface irradiée à la
surface opposée
Acier Aluminium Laiton Titane
Temps pour atteindre la surface opposée : ms ms ms
ms
Cas d'une feuille de 1mm : 233 10 26
131
Cas d'un cylindre de 600p.m de section : 84 4 9
47
Cas d'une disque de 250Ltm d'épaisseur 15 1 2
8
Cas d'une plaque de 2mm d'épaisseur 931 41 105
522
Cas d'une plaque de 5mm d'épaisseur 5.816 255 659
3.263
[0089]
On constate que pour des pièces d'épaisseur inférieure à 2 mm
pour l'acier et le titane, 5 mm pour le laiton et 10 mm pour l'aluminium, le
temps
pour que la chaleur se propage de la surface irradiée à la surface opposée est
inférieur à 1 s. Une telle approche permet de déterminer un ordre de grandeur
d'un gradient maximum entre la surface irradiée et la surface opposée tel que
montré dans le Tableau 3.
Tableau 3 ¨ Amplitude du gradient de température
Temps de montée : 200 c/s
Acier Aluminium Laiton Titane
DT (oC) DT (oC) DT
(oC) DT (oC)
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Cas d'une feuille de 1mm : 47 2 5
26
Cas d'un cylindre de 500 m de section : 17 1 2
9
Cas d'une disque de 250 m d'épaisseur : 3 0 0
2
Temps de montée : 100 c/s
Cas d'une plaque de 2mm d'épaisseur 93 4
11 52
Cas d'une plaque de Smm d'épaisseur 582 26
66 326
[0090] Calculs des temps de montée en température de la
pièce
Les inventeurs ont constaté que si le temps de montée est de 200 C/s, des
épaisseurs de pièce allant jusqu'à 1 mm donnent des gradients de température
dans la pièce acceptables pour la plupart des applications visée par le
procédé
de l'invention et pour la plupart des matériaux. En revanche, des gradients de
température acceptables pour une épaisseur de pièce de 5 mm nécessitent
l'utilisation de matériaux ayant des coefficients de conductibilité thermique
élevés
comme l'aluminium. Ainsi, la vitesse de montée en température de la pièce sera
proportionnelle à la quantité d'énergie apportée par le laser sur la surface
irradiée
de la pièce par unité de temps, soit la fluence du faisceau laser multipliée
par la
surface irradiée.
Pour les phases de montée en température, le calcul de la quantité d'énergie à
apporter par le faisceau laser dépendra du bilan thermique dans la pièce. En
première approximation, la quantité de chaleur absorbée, générée par la pièce
suite à un changement de phase, voire à un travail interne, ()gen, est
négligée.
[0091] 1. Apport de l'énergie par le laser : Q.
On suppose une surface supérieure de la pièce irradiée avec un faisceau laser
(pas de multi-faisceau) avec une énergie de laser P :
Qin = P x (surface irradiée! surface du faisceau) x (1-R)
où R est la réflectivité du matériau constituant la pièce, de préférence
constituant
la surface externe de la pièce.
2. Perte d'énergie :
2.a. par conduction :
La pièce est en contact avec les moyens de support. Afin de minimiser les
pertes
par conduction, on suppose que les moyens de support comprennent des
surfaces de contact très petites et/ou en céramique pour minimiser l'étendue
de
la zone de transfert et le coefficient de conduction interstitiel.
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2.b. par convection :
La convection pendant la phase de montée peut être minimisée par:
- une limitation à une convection naturelle (pas de flux d'air externe)
- la mise sous vide partiel dans une chambre à vide (le vide partiel étant
5
généré par une pompe à vide) ; un tel vide partiel, en plus de limiter les
pertes par convection a aussi pour intérêt de ralentir très fortement une
oxydation (voir une décarbonisation de la surface de la pièce à plus haute
température).
2.c. par rayonnement :
10 La
perte par rayonnement est maximisée lors de la mise en uvre du procédé
de l'invention par rapport à l'utilisation de four puisque l'environnement
extérieur
reste à un température modérée, généralement à température ambiante (entre
15 et 25 C, de préférence à 20 C). La perte par rayonnement variant avec T4,
elle est à prendre en compte pour la fin de la phase de montée en température
15 de
la pièce, quand la différence entre la température de l'environnement est
grande (significative) par rapport à celle de la pièce.
Une estimation des pertes par conduction, convection et rayonnement montrent
que celles-ci sont très faibles par rapport à l'apport d'énergie du laser si
les
montées en température de la pièce sont de l'ordre de 100 à 200 C/s.
20 Une
approximation qui négligerait de telles pertes permet de déterminer un ordre
de grandeur pour la puissance laser à apporter en fonction de la température
cible, du matériau et du temps souhaité pour obtenir cette température.
[0092] Exemple 1 :
Selon l'invention, il est désiré de porter une pièce en acier, maintenue par
des
25
moyens de support, à 820 C en 4 s (en partant d'une température ambiante de
20 C), soit une différence de température DT de 800 C nécessitant un temps
de montée en température de 200 C/s. On suppose que la pièce est un cylindre
de 0,6 mm de section sur 4 mm de long :
- pour les 400 premiers C, les pertes par convection seront de l'ordre de
2
30 à
10% de l'apport de chaleur Qin, les pertes par rayonnement seront de
l'ordre de 1 à 2% de l'apport de chaleur Qin ,
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- pour les 400 derniers c, les pertes par convection seront de l'ordre de
4
à 20% de l'apport de chaleur an, les pertes par rayonnement seront de
l'ordre de 5 à 15% de l'apport de chaleur an.
Si on néglige ces pertes (y compris les pertes avec les moyens de support en
prévoyant par exemple une isolation thermique entre les moyens de support et
la pièce, ou en supposant que les moyens de support sont totalement isolants
thermiquement), la quantité d'énergie à apporter Qa à la pièce sera alors:
Qa =P x (1-R) = pc x DT x V, soit 3,1 J en 4 s, soit environ 0,75 W.
p est la masse volumique et c la chaleur spécifique.
La puissance du laser P devra prendre en compte la réflectivité R du matériau
qui dépendra de son état de surface, de la longueur d'onde du laser, et de la
polarisation du faisceau laser. Par exemple si R = 70%, une puissance laser
inférieure à 3 W est nécessaire pour réaliser le traitement thermique de la
pièce
de l'exemple 1 selon l'étape e. et dans le système selon l'invention.
[0093] Exemple 2:
Selon l'invention, il est désiré de porter une pièce en aluminium, maintenue
par
des moyens de support, à 420 C en 4s, (en partant d'une température ambiante
de 20 C), soit une différence de température DT de 400 C nécessitant un
temps
de montée de 100 C/s. La pièce est une tige de 2 x 2 mm de section sur 6 mm
de long :
- pour les 200 premiers C, les pertes par convection seront de l'ordre de
5
à 15 % de l'apport de chaleur Qin, les pertes par rayonnement seront de
l'ordre de 1 à 2% de l'apport de chaleur Qin ;
- pour les 200 derniers c, les pertes par convection seront de l'ordre de
15
à 30% de l'apport de chaleur Qin, les pertes par rayonnement seront de
l'ordre de 5 à 10% de l'apport de chaleur Qin.
Si on néglige ces pertes (y compris les pertes avec les moyens de support en
prévoyant par exemple une isolation thermique entre les moyens de support et
la pièce, ou en supposant que les moyens de support sont totalement isolants
thermiquement), la quantité d'énergie à apporter Qa sera alors :
Qa =P x (1-R) = pc * DT * V, soit 24 J en 4 s, soit 6 W.
La puissance du laser devra prendre en compte la réflectivité R du matériau
qui
dépendra de son état de surface, de la longueur d'onde du laser, et de la
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polarisation du faisceau laser. Par exemple, pour R = 70 /0, une puissance
laser
inférieure à 20W est nécessaire pour réaliser le traitement thermique de la
pièce
de l'exemple 2 selon l'étape e. et dans le système selon l'invention. En
considérant que les pertes par convection et rayonnement notamment, ne
seraient pas négligeables et nécessiterait de multiplier par 2, la puissance
laser
nécessaire Qa, une puissance laser de 40W serait alors nécessaire, ce qui est
une puissance (laser) relativement basse.
[0094] Puissance des lasers diode et à fibre actuels :
Les lasers actuels permettent d'avoir des puissances de l'ordre de :
- laser compact, refroidi à air et peu onéreux : lOW à 400W avec un wall
plug efficiency > 40 %;
- lasers plus puissants refroidis à l'eau sont disponibles
jusqu'à 120kW avec
des wall plug efficiency > 40%.
Un wall plug efficiency de 40% signifie que 100W de puissance électrique est
converti en 40W de puissance laser.
Les puissances disponibles pour réaliser le traitement thermique (trempe par
exemple) à c ur de pièces de petits volumes correspondent tout à fait bien à
l'ordre de grandeur de puissance nécessaire pour le traitement thermique
(trempe) d'au moins une pièce. L'utilisation de sources lasers bien plus
puissantes permettrait de réaliser des traitement thermique (trempe par
exemple)
selon le procédé et le système de l'invention en parallèle sur de nombreuses
pièces. Ainsi,
- un laser compact de 400 W permettrait de réaliser simultanément la
trempe d'une série de 50 à 100 pièces de l'exemple 1 ;
- un laser plus puissant de 4 kW permettrait de réaliser simultanément la
trempe d'une série de 500 à 1000 pièces de l'exemple 1, ou de 50 à 100
pièces de l'exemple 2.
[0095] STABILISATION ET DIMINUTION DE LA TEMPÉRATURE
Une fois la température de la pièce pour le traitement thermique désirée
atteinte,
si le laser est coupé selon l'étape f. du procédé, l'apport d'énergie est
alors nul.
La pièce va alors rejeter une quantité d'énergie (quantité de chaleur Qout)
par
conduction, convection et rayonnement.
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Comme expliqué précédemment, le système et le procédé de l'invention
permettent d'optimiser les pertes par rayonnement puisque l'environnement
extérieur n'est que peu affecté par l'apport de chaleur localisé. La
différence de
température entre la pièce et l'environnement extérieur sera alors optimale
puisque l'environnement extérieur reste à température ambiante (par exemple 20
C). Cette perte par rayonnement sera importante pour les hautes températures
vu la dépendance en T4.
Pour les pertes par convection, elles peuvent être :
- soit minimisées en travaillant sous vide partiel ou
- soit augmentées en augmentant le coefficient de convection par:
o l'apport d'un gaz (air, gaz neutre, ou Azote) à température ambiante ;
o l'apport d'un gaz (air, gaz neutre, ou Azote) refroidi via une détente
adiabatique ou par vortex ;
o l'immersion de la pièce dans un liquide (descente dans un bain (eau,
huile,
glycol)).
Pour les pertes par conduction, elles peuvent être :
- soit minimisées en travaillant sur des moyens de support isolant
(céramique) et avec une surface de contact faible (exemple cylindre
déposé sur une plaque, plaque sur pointes)
- soit augmentées en augmentant :
o la surface de contact (posage permettant un contact superficiel) ;
o la conduction par une interface conductrice.
Si l'on veut une pente douce de descente en température (cooling rate), on
privilégiera un posage (des moyens de support) isolant, une convection
naturelle
ou sous vide partiel (dans une chambre à vide).
Si l'on veut une pente plus importante, on privilégiera dans l'ordre :
- l'utilisation d'un flux gazeux à température ambiante ;
- l'utilisation d'un flux gazeux à basse température ;
- la mise en contact de la pièce avec une surface conductrice
thermiquement (échangeur thermique).
Si l'on veut atteindre une pente très importante (par exemple pour
l'hypertrempe),
on permettra l'immersion (immersion partielle) de la pièce dans un liquide.
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Tous ces phénomènes peuvent être combinés et utilisés de manière successive
en fonction des paliers et passages d'une phase à l'autre (fonction des
matériaux
et de la structure initiale de la pièce).
[0096] Exemple 3:
A. Après montée de la température de la pièce par laser (avec puissance P1)
selon l'étape e., des pertes par rayonnement et convection vont faire
descendre
la température de la pièce. Si l'on veut garder un palier isotherme, il est
proposé
de contrebalancer ces pertes par un apport limité de puissance laser P2 (P2 <
Pi) pour équilibrer le bilan thermique de la pièce.
B. Après montée de la température de la pièce par laser (Puissance P), selon
l'étape e., sous vide partiel (pour éviter l'oxydation ou la décarbonisation),
on
injecte un gaz neutre refroidi pour augmenter les pertes par convection.
C. Après montée de la température de la pièce par laser (Puissance P), selon
l'étape e., sous vide partiel (pour éviter l'oxydation ou la décarbonisation),
on fait
descendre la pièce pour la mettre en contact avec une surface conductrice
thermiquement (échangeur thermique) qui facilitera les pertes par conduction.
D. Après montée de la température de la pièce par laser (Puissance P), on
plonge
(immerge) la pièce grâce à un vérin dans un bain liquide (sel fondu,
huile,...) pour
réaliser une hypertrempe.
Les moyens de refroidissement utilisés dépendent par exemple de la vitesse de
refroidissement souhaitée mais également de la géométrie de la pièce. Par
exemple une pièce présentant une surface externe importante dans un même
plan pourra être efficacement refroidie par la mise en contact avec une
surface
conductrice thermiquement (échangeur thermique).
[0097] Contrôle du bilan énergétique de la pièce.
La puissance laser P est contrôlée très facilement via son interface
convertissant
le courant électrique en puissance lumineuse P.
L'apport en gaz et le contrôle de sa pression sont réalisés via le contrôle
d'un ilot
pneumatique par exemple.
La descente d'un vérin pour le déplacement de la pièce sur une surface
conductrice thermiquement (échangeur thermique) ou dans un bain (comme cela
sera décrit ci-dessous en lien avec les figures) est réalisée par exemple en
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transmettant un signal électrique aux moyens de pilotage d'un vérin
pneumatique
ou électrique.
[0098] Un contrôle de la température de la pièce peut être
réalisé :
- via une sonde de température placée sur les moyens de support. Celle-ci
5 génère alors un lien conductif avec la pièce qui augmentera la perte
par
conduction et augmentera la pente de descente de température ;
- via des moyens de mesure sans contact qui ne perturberont pas les cycles
de traitement thermique (trempe) : caméra thermique, pyromètre.
Brève description des figures
10 [0099] Ces aspects de l'invention ainsi que d'autres seront clarifiés
dans
la description détaillée de modes de réalisation particuliers de l'invention,
référence étant faite aux dessins des figures, dans lesquelles:
- la Fig.1 a montre un mode de réalisation du système selon l'invention;
- les Figs. lb et 1 c montrent d'autres modes de réalisation du système
selon
15 l'invention ;
- la Fig.2 montre un autre mode de réalisation possible du système selon
l'invention;
- les Figs.3a, 3b et 3c montrent différents exemples de pièce pouvant être
trempées en volume avec le procédé de l'invention;
20 - les Figs. 4a, 4b montrent un autre mode de réalisation possible du
procédé
et du système selon l'invention ;
- les Figs. 5a, 5b montrent un autre mode de réalisation possible du
procédé
et du système selon l'invention ;
- les Figs. 6a, 6b, et 6c illustrent une simulation en température lors de
la
25 réalisation d'un procédé selon l'invention ;
- la Fig. 7 montre un exemple de cycle thermique pouvant être réalisé en
partie ou dans son entièreté par le procédé ou le système selon
l'invention ;
- les Figs. 8a, 8b et 8c montrent des modes de réalisation préférés d'une
30 source laser selon l'invention ;
- la Fig. 9 montre un profil d'intensité du faisceau laser projeté sur une
pièce
selon un mode de réalisation préféré de l'invention ;
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- les Figs. 10a et 10b représentent des modes de réalisation préférés du
système selon l'invention.
Les dessins des figures ne sont pas à l'échelle. Généralement, des éléments
semblables sont dénotés par des références semblables dans les figures. La
présence de numéros de référence aux dessins ne peut être considérée comme
limitative, y compris lorsque ces numéros sont indiqués dans les
revendications.
Description détaillée de certains modes de réalisation de l'invention
[0100] La figure la montre un exemple de mode de
réalisation du système
pour le traitement thermique en volume d'une pièce 2 selon l'invention. De
préférence, le traitement thermique correspond à une trempe en volume. Le
système selon l'invention comprend une source laser 3 qui peut être continue
ou
à impulsions. Des moyens de support 4 permettent de supporter la pièce 2, à
tremper par exemple. Dans l'exemple montré à la figure la, ces moyens de
support ont une surface supérieure essentiellement plane pour supporter et
maintenir en position la pièce 2 à tremper dont la face inférieure 28 est en
contact
avec les moyens de support 4.
[0101] Une fois la pièce 2 placée et maintenue en position
par les moyens
de support 4, le procédé de l'invention consiste à irradier avec la source
laser 3
au moins une portion 23 de la surface externe 22 de la pièce 2. Dans l'exemple
de la figure la, la source laser 3 émet un faisceau lumineux collimaté de
sorte à
limiter les réglages concernant la position d'une distance de focalisation du
faisceau lumineux collimaté par rapport à la surface externe 22 de la pièce 2.
Dans l'exemple de la figure 1 b, la source laser 3 émet un faisceau lumineux
divergent afin de pouvoir irradier une grande portion 23 de la surface externe
22
de la pièce 2. Dans l'exemple de la figure lc, la source laser 3 émet un
faisceau
lumineux convergent afin de pouvoir diriger le faisceau lumineux sur une
portion
23 choisie de la surface externe 22 de la pièce 2. Cet exemple de la figure
1.c
illustre par exemple l'utilisation d'un faisceau lumineux homogénéisé puis
focalisé. Cette surface externe 22 délimite le volume de la pièce 2 à tremper.
Cette irradiation par la source laser 3 peut être directe ou indirecte. Ainsi,
il est
possible d'insérer un ou plusieurs éléments optiques entre la source laser 3
et la
pièce 2, par exemple pour dévier un faisceau laser produit par la source laser
3
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et le diriger vers la pièce 2. Dans les exemples montrés en figures la, lb, et
lc,
la pièce 2 est irradiée depuis sa surface supérieure uniquement. Suite à cette
irradiation laser, la température de la pièce 2 va augmenter à partir de la
portion
23 de surface illuminée par la source laser 3.
[0102] Les moyens de support 4 présentent un certain degré d'isolation
thermique entre eux et la pièce 2 ou de manière équivalent une certaine
capacité
d'isolation thermique entre eux et la pièce 2. Un degré d'isolation thermique
peut
être défini par une capacité à limiter les échanges de chaleur entre la pièce
2 et
les moyens de support 4. Il est possible d'avoir un tel effet technique de
différentes manières. Ainsi, il est possible d'utiliser des moyens de support
4
ayant une faible conductivité thermique limitant un échange de thermique par
conduction suite au contact entre la pièce 2 et les moyens de support 4. Il
est
également envisageable de limiter les aires de contact entre la pièce 2 et les
moyens de support 4. Des aires de contact limitées entre la pièce 2 et les
moyens
de support 4 permettent également de limiter tout échange de chaleur par
conduction entre la pièce 2 et les moyens de support 4. Pour une même
conductivité thermique des moyens de support 4, un échange de chaleur entre
la pièce 2 et les moyens de support 4 sera plus faible lorsque la surface de
contact (les aires de contact) entre pièce 2 et moyens de support 4 est plus
petite.
Pour l'invention, il est préféré d'avoir des moyens de support 4 tels que de
l'énergie thermique (ou chaleur) présente à un endroit de la pièce 2 (par
exemple
sur un point de sa surface externe 22) a plus tendance à diffuser dans la
pièce 2
plutôt qu'a diffuser vers les moyens de support 4.
[0103] Quand on irradie la pièce 2 avec la source laser 3,
la chaleur
générée au niveau de la portion 23 de surface éclairée par la source laser 3 a
tendance à diffuser dans tout le volume de la pièce 2. Les inventeurs ont
remarqué qu'il est possible d'avoir une élévation en température dans tout le
volume de la pièce 2 (et donc pas uniquement au niveau de la portion 23
éclairée)
induisant une modification de structure du matériau constituant la pièce 2.
[0104] Dans les exemples montrés en figures la, lb, 1 c, et en supposant
que les moyens de support 4 limitent tout échange de chaleur entre eux et la
pièce 2, les inventeurs ont l'interprétation physique suivante pour expliquer
ce
phénomène étonnant. La chaleur générée au niveau de la portion 23 irradiée
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atteint la surface inférieure opposée 28 après un certain temps. Il est
préféré
d'avoir une pièce 2 d'assez faible épaisseur (5 mm ou moins, par exemple entre
2 et 1 mm) de sorte que la chaleur arrive rapidement à la surface inférieure
28 :
entre 1 et 4 s. Une fois la chaleur atteignant la surface inférieure 28, elle
va
'rebondir' vu les faibles transmissions de chaleur vers les moyens de support
4.
La seule diffusion de chaleur importante possible est donc vers le coeur du
matériau, conduisant à une élévation sensiblement, voire tout à fait homogène
de température.
[0105] Après cette étape de chauffe, l'invention consiste
de préférence à
stopper l'irradiation laser utilisée pour la chauffe. Lorsqu'il s'agit d'un
procédé de
trempe en volume, cela permet de figer le matériau dans une structure autre
que
celle présente avant la chauffe. Pour certaines pièces 2, par exemple de
petite
taille (c'est-à-dire dont le volume est inférieur à 1 cm3), il n'est pas
nécessaire de
prévoir un refroidissement forcé pour figer la pièce 2 dans cette nouvelle
structure
de matériau. Cela procure un énorme avantage par rapport aux procédés de
trempe en volume connus où l'utilisation d'un fluide est souvent nécessaire
pour
refroidir la pièce 2 et la figer dans une nouvelle structure
cristallographique.
[0106] Les inventeurs ont remarqué, de manière surprenante
qu'il n'était
pas nécessaire d'avoir des sources lasers 3 très puissantes pour réaliser une
trempe en volume de pièces 2 en utilisant le procédé de l'invention. Ainsi, il
est
possible d'avoir une trempe en volume avec des sources lasers 3 continues
ayant
des puissances de l'ordre de ou inférieures à 50 W, par exemple 20W ou 6W.
Cela est d'autant plus vrai que la pièce 2 a un petit volume, c'est-à-dire
inférieur
au cm3. On peut alors obtenir des élévations de température de l'ordre de 3000
K sur la portion 23 irradiée.
[0107] La figure 2 montre un autre mode de réalisation de
l'invention pour
lequel la pièce 2 est irradié par deux sources laser de sorte à avoir une
portion
23 irradiée de la pièce 2 plus grande qu'avec une source laser. Cela est
avantageux afin d'obtenir une élévation de température dans l'ensemble du
volume de la pièce le plus rapidement possible. Ce mode de réalisation est
particulièrement avantageux pour des pièces 2 épaisses et/ou présentant des
géométries complexes afin d'avoir des apports de chaleur répartis autour de la
pièce 2. Ce mode de réalisation peut être mis en oeuvre indifféremment à
partir
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de modes de réalisation comprenant différents exemples de moyens de support
4. Avec le mode de réalisation de la figure 2, pour une même pièce 2, la
chaleur
générée au niveau de la portion 23 irradiée atteint la surface inférieure
opposée
28 après un temps plus court que pour le mode de réalisation de la figure 1.
Ce
mode de réalisation de la figure 2 peut être mis en oeuvre indifféremment à
partir
des modes de réalisation des figures la, lb et lc.
[0108]
Les figures 3a-c montrent différents exemples de pièce 2 pouvant
être trempées en volume avec le procédé de l'invention. Les figures 3a-c
illustrent
le coeur 27 de pièces 2 de géométries différentes. Le coeur est souvent situé
dans
le volume de la pièce 2 à une position d'équidistance par rapport à la surface
externe 22. Le procédé de l'invention permet de réaliser la trempe de tout le
volume de la pièce 2 y compris la trempe du coeur 27 de la pièce 2.
[0109]
Les figures 4a et 4b illustrent un mode de réalisation
particulier de l'invention. Les moyens de support 4 ont ici une forme de
pointes
de sorte à minimiser la surface de contact entre eux et la pièce 2. Comme on
peut le voir en figure 5a, les inventeurs proposent en outre pour ce mode de
réalisation particulier un échangeur thermique 18 positionné à une certaine
distance de la surface externe 22 (préférentiellement de la surface inférieure
opposée 28) de la pièce 2. A l'issue de l'étape e. du procédé de l'invention,
un
refroidissement de la pièce 2 est initié (par exemple durant l'étape f. pour
les
modes de réalisation comprenant une telle étape). En figure 4b, selon ce mode
de réalisation particulier de l'invention, le rayonnement laser est arrêté. De
façon
quasi-simultanée, la pièce 2 est mise en contact physique avec l'échangeur
thermique 18 par l'intermédiaire de sa surface inférieure opposée 28. Il s'en
suit
un refroidissement accéléré de la pièce 2 grâce à l'augmentation significative
de
l'échange de chaleur par conduction entre la pièce 2 et l'échangeur thermique
18. La mise en contact peut être légèrement retardée par rapport au début de
la
phase de refroidissement, par exemple par rapport au début de l'étape f., afin
d'attendre qu'une certaine quantité de chaleur puisse être émise par radiation
de
la pièce 2 vers l'environnement extérieur. Dans une telle configuration, la
mise
en contact de la pièce 2 avec l'échangeur thermique 18 permet ensuite une
optimisation des échanges de chaleur de la pièce vers l'environnement
extérieur
lorsque les pertes par radiation sont moins importantes. De préférence,
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l'échangeur thermique 18 a une conductivité thermique (bien) supérieure à
celle
des moyens de support 4. Comme on peut le voir aux figures 4a et
4b, l'échangeur thermique 18 est de préférence apte à subir un mouvement
relatif
par rapport à la pièce 2. Pour cela, il peut par exemple être monté sur un
vérin
5 électrique ou pneumatique qui lui permet de décrire un mouvement relatif
par
rapport à la pièce 2.
[0110] Les figures 5a et 5b illustrent un autre mode de
réalisation
particulier de l'invention. Les moyens de support 4 ont également une forme de
pointes de sorte à minimiser la surface de contact entre la pièce 2 et les
moyens
10 de supports 4 et réduire ainsi un transfert de chaleur par conduction
entre eux et
la pièce 2. Dans ce mode de réalisation particulier, les inventeurs proposent
d'utiliser un bain de liquide 19 dont la surface supérieure est positionnée à
une
certaine distance de la surface externe 22 (préférentiellement de la surface
inférieure opposée 28) de la pièce 2. A l'issue de l'étape e. du procédé de
15 l'invention, un refroidissement est initié (et par exemple l'étape f.
pour les modes
de réalisation comprenant une telle étape). Cela correspond à la figure 5b où
l'on
voit que la source laser 3 a été éteinte. De façon quasi-simultanée, la pièce
2 est
immergée (partiellement ou complètement) dans le bain de liquide 19. Sa
surface
externe 22 est alors en contact avec le bain de liquide 19. Il s'en suit un
20 refroidissement accéléré de la pièce 2 grâce à l'augmentation
significative de
l'échange de chaleur par conduction et/ou convection entre la pièce 2 et le
bain
de liquide 19. L'immersion peut être légèrement retardée par rapport à la fin
de
l'étape e. et par rapport au début de l'étape f. pour les modes de réalisation
comprenant une telle étape, afin d'attendre qu'un maximum de chaleur soit
émise
25 par radiation de la pièce 2 vers l'environnement extérieur. Lorsque les
pertes par
radiation sont moins importantes, alors l'immersion de la pièce 2 dans le bain
de
liquide 19 permet de refroidir encore la pièce 2 par des pertes par convection
entre la pièce 2 et le bain de liquide 19. Pour permettre l'immersion de la
pièce 2
dans le bain de liquide 19, les inventeurs proposent par exemple de monter les
30 moyens de support 4 supportant la pièce 2 sur un vérin électrique ou
pneumatique. Cela permet d'imposer un mouvement vertical de la pièce 2 et donc
son immersion dans le bain de liquide 19.
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[0111] Les figures 6a, 6b, et 6c illustrent les résultats
d'une simulation aux
éléments finis. La figure 6a montre une moitié de portion de coupe
longitudinale
d'un cylindre 90 en acier de 1 mm3 ayant une longueur axiale de 4 mm et une
section de 0,6 mm de diamètre. Les points 91, 92, 93 représentent le centre du
cylindre 90. Les points 91 et 93 sont situés sur la face externe de la pièce,
la
point 92 est situé au coeur de la pièce, à équidistance entre les point 91 et
93.
Les points 94, 95, 96 représentent une face latérale du cylindre 90. Les
points 94
et 96 sont situés sur la face externe de la pièce, la point 95 est situé au
centre de
la face latérale de la pièce, à équidistance entre les point 94 et 96. Les
hypothèses suivantes sont utilisées pour la simulation dont les résultats sont
présentés en figure 6b et 6c :
- puissance laser reçue sur la partie supérieure comprise entre les points
1
et 4 = 0,7W (puissance électrique : 1,8W) ;
- réflectivité R : 70%;
- irradiation pendant 5 s;
- k et c sont fonction de le température de la pièce ;
- refroidissement :
o par rayonnement avec E (émissivité) constant = 0,25,
o par convection naturelle avec h (coefficient de transfert thermique
généralement exprimé en W.m-2.K-1) constant ¨ 10.
- puissance absorbée (Pa) par la pièce : 0,2W.
La figure 6b illustre l'évolution de la température en fonction du temps pour
chacun des points 91 à 96 de la pièce simulée. Avec l'échelle de la figure 6b,
les
différentes courbes se superposent : ainsi, on déduit une absence de gradient
de
température significatif entre les différents points : l'évolution de la
température
en chacun des points 91 à 96 est sensiblement la même. La figure 6c montre un
zoom au moment où il est mis fin à l'irradiation du laser. On observe à un
instant
donné, des gradients thermiques entre les différents points n'excédant pas 10
C.
L'irradiation par le faisceau laser est centrée sur le point 91, selon la
direction 91-
93. Cela illustre que le procédé de l'invention est très bien adapté au
traitement
thermique (trempe par exemple) de pièces (métalliques) ayant des volumes de
l'ordre du cm3.
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[0112]
La Figure 7 montre un cycle thermique pouvant être mis en uvre
en partie ou dans son entièreté par le procédé selon l'invention. Un tel cycle
thermique montre :
- des montées en température avec une pente définie via le contrôle de la
puissance du laser, illustrées par les segments : AB, GH et KL ;
- des stabilisations de la température via le contrôle des pertes (par
rayonnement et/ou convection et/ou conduction) et l'apport d'une
puissance laser résiduelle pour contrebalancer celles-ci, illustrées par les
segments BC, DE, FG, HI et LM;
- des descentes en température via l'optimisation des pertes de chaleur de
la pièce vers l'environnement extérieur, illustrées par les segments CD,
EF, IJ, MN. De préférence, la source laser 3 est éteinte durant ces
descentes en température ou refroidissements.
Les montées et descentes en température peuvent être :
- très douces : isolation conductive, convection naturelle ou maintien en vide
partiel et si besoin apport très léger de puissance laser,
- douces : convection naturelle à forcée (gaz à température ambiante),
- rapides : convection forcée (avec gaz refroidi), lien conductif,
- très rapides : déplacement dans une solution liquide (sels fondus, huile,
glycol) à une température donnée ; forte puissance laser pour un
échauffement rapide.
La portion de cycle thermique KLMN est souvent associée à un recuit. La
portion
de cycle thermique ABCDEF est souvent associée à une trempe. Pour une
trempe sans palier isotherme DE, le point D est à une température proche de la
température du point A et les points E et F sont supprimés. La portion de
cycle
thermique GHIJ est souvent associée à un revenu.
[0113] Exemple expérimental
Dans cet exemple expérimental, un procédé de trempe selon l'invention a été
mis
en oeuvre avec une source laser 3 continue avec une puissance de faisceau
laser
en sortie de 0.7W dirigé vers une portion de surface externe 22 d'une pièce 2
en
acier. La pièce est maintenue par des moyens de support. A t = 0 s, la pièce
est
à température ambiante (20 C) ; selon l'étape e., après 2 s d'irradiation
avec une
puissance de laser de 0,7 W, la pièce atteint une température de 750 C, après
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3 s, la température est de 950 C, entre 4 s et 5 s la température de la pièce
atteint 1300 C, ce qui correspond à une température cible pour le traitement
thermique souhaité. La source laser 3 est alors éteinte. Après 6 s, la
température
dans la pièce redescend à 800 C, après 7 s la température est de 575 C. Une
étude métallurgique de la pièce révèle une transformation de la pièce au
niveau
métallurgique et une augmentation de la dureté à environ 800 HV (unité de la
dureté Vickers).
La conclusion de cet essai expérimental révèle que seulement 0,2 W de
puissance laser absorbée par un volume de 1 mm3 pendant 5 s conduit au
dépassement de la température de fusion (1300 C), aucun gradient de
température en différents endroits de la pièce n'a été constaté. La descente
en
température montre une vitesse supérieure à 400 C/s jusqu'à atteindre une
température de pièce 2 d'environ 800 C, puis un ralentissement à environ
200 C/s.
Une comparaison des résultats expérimentaux et du modèle montre que la
montée en température est conforme au modèle/à la simulation montrée en
figures 6a, 6b, 6c et expliquée ci-avant. Cependant, les pertes de chaleur de
la
pièce 2 vers l'environnement extérieur sont sous-estimées car les descentes de
température sont bien plus rapides que celle du modèle/ de la simulation. Les
différences entre simulations et ce résultat expérimental peuvent s'expliquer
du
moins en partie par les limitations suivantes :
- le coefficient h =10 n'est valable que pour de la convection naturelle
(AT
<100 c). Les AT 100 c augmentent considérablement h,
- les pertes par conduction interstitiel (céramique/acier) ne sont pas
prises
en compte dans la simulation,
- le coefficient e est considéré comme constant avec la température dans le
cas de la présente simulation, ce qui n'est pas le cas en réalité mais
représente une approximation raisonnable.
[0114] Les figures 8a, 8b et 8c montrent des modes de
réalisation préférés
d'une source laser 3 de l'invention.
L'exemple du mode de réalisation de la figure 8a montre une source laser 3
comprenant un générateur de faisceau laser 31 et des moyens de contrôle de
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faisceau 35 configurés pour moduler le profil en intensité du faisceau laser
émis
par le générateur de faisceau laser 31.
L'exemple du mode de réalisation de la figure 8b montre une source laser 3
comprenant un générateur de faisceau laser 31 et des moyens de contrôle de
faisceau 35 configurés pour moduler le profil en intensité du faisceau laser
émis
par le générateur de faisceau laser 31. Les moyens de contrôle de faisceau 35
comprennent une fibre optique multimode 32, et un dispositif de projection de
faisceau laser 33. La fibre optique multimode 32 comprend une entrée et une
sortie. La fibre optique multimode 32 est configurée pour transporter un
faisceau
laser émis par le générateur de faisceau laser 31 entre l'entrée de la fibre
optique
multimode 32 jusqu'à sa sortie. La fibre optique multimode 32 a une section
prédéterminée qui est constante entre son entrée et sa sortie. Le dispositif
de
projection de faisceau laser 33 est configuré pour projeter sur la pièce 2,
une
image de la sortie de ladite fibre optique multimode 32, et par conséquent,
une
image du faisceau laser transporté par la fibre optique multimode 32 dont son
contour est définit par la section de sortie de la fibre optique multimode 32.
L'exemple du mode de réalisation de la figure 8c montre une source laser 3
comprenant un générateur de faisceau laser 31, des moyens de contrôle de
faisceau 35 configurés pour moduler le profil en intensité du faisceau laser
émis
par le générateur de faisceau laser 31 et des moyens de focalisation 36.
[0115] La figure 9 montre un graphique représentant une
distribution de
l'intensité d'un faisceau laser transporté par la fibre optique multimode 32
et
projeté par le dispositif de projection de faisceau laser 33 sur une surface
externe
22 de la pièce 2 plane et perpendiculaire à la direction principale de
propagation
du faisceau lumineux collimaté. Ce graphique représente une distribution de
l'intensité au niveau du diamètre 39 de l'image du faisceau laser sur la pièce
2.
Ici, le diamètre 39 de l'image du faisceau laser sur la pièce 2 est
d'approximativement 5 mm. L'image du faisceau laser présente une irradiation
uniforme sur la quasi-totalité de la surface irradiée 23 de la pièce 2.
[0116] La figure 10a montre un mode de réalisation préféré du système
pour le traitement thermique en volume d'une pièce 2 comprenant la source
laser
3 montrée en figure 8. La source laser 3 montrée en figure 8 comprend un
générateur de faisceau laser 31, une fibre optique multimode 32, et un
dispositif
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de projection de faisceau laser 33, dans lequel le dispositif de projection de
faisceau laser 33 comprend un premier élément optique convergent 37 et un
deuxième élément optique convergent 38. Le premier 37 et le deuxième 38
éléments optiques convergents sont de préférence des lentilles convergentes,
de
5 manière plus préférée des lentilles de type plan convexe. De manière
encore plus
préférée, la face convexe de la première lentille convergente plan convexe 37
fait
face à la face convexe de la deuxième lentille convergente plan convexe 38. Le
dispositif de projection de faisceau laser 33 permet de former une image ayant
un diamètre 39 sur la pièce 2 supportée par les moyens de support 4. Le
diamètre
10 39 est défini par la configuration du dispositif de projection de
faisceau laser 33
(puissance des lentilles 37, 38 et leurs positionnements relatifs entre elles
et par
rapport à la sortie de la fibre optique multimode 32) et par la section de la
fibre
optique multimode 32 (à sa sortie). Lorsque la sortie de la fibre optique
multimode
32 est imagée par le dispositif de projection de faisceau laser 33, et que le
15 générateur de faisceau laser 31 émet un faisceau laser qui est
transporté par la
fibre optique multimode 32, alors, l'image de la sortie de la fibre optique
multimode correspond à un spot lumineux de diamètre 39.
[0117] La figure 10b montre le mode de réalisation de la
figure 10a pour
une pièce 2 de plus grande taille pour laquelle il est nécessaire d'augmenter
le
20 diamètre 39 de l'image de la sortie de fibre optique multimode 32 sur la
pièce 2
afin de pouvoir réaliser un traitement thermique avec des gradients thermique
en
surface 22 de la pièce 2 les plus réduits possible. Le dispositif de
projection de
faisceau laser 33 permet de moduler un tel diamètre 39 de l'image de la sortie
de
fibre optique multimode 32 sur la pièce 2 en modifiant la position relative de
la
25 première lentille convergente 37 par rapport à la sortie de la fibre
optique
multimode 32 et/ou la position de la deuxième lentille convergente 38 par
rapport
à la première lentille convergente 37. Une telle modulation permet d'obtenir
des
grandissements permettant une adaptation à des pièces ayant des tailles
pouvant varier fortement. Préférentiellement, la première lentille convergente
37
30 est pilotée en position entre la sortie de la fibre optique multimode 32
et la
deuxième lentille convergente 38 de sorte à ajuster la taille du faisceau
laser sur
la pièce 2.
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[0118] L'élévation de température d'une pièce à l'étape e.
est réalisée par
une seule étape d'irradiation de la pièce ce qui présente l'avantage d'offrir
un
traitement thermique homogène de la pièce. En particulier, avec l'invention,
il
n'est pas nécessaire de prévoir un déplacement important entre la source laser
(source de chauffe) et la pièce à traiter. On peut imaginer une petit
mouvement
relatif entre la pièce à traiter et la source laser (du type oscillation
autour d'une
position de référence), mais il n'est pas nécessaire de prévoir un déplacement
en translation de plusieurs dizaines de mm ou plus entre la source laser la
pièce
à traiter. La présente invention s'applique notamment à des pièces qui
présentent
une dimension la plus longue inférieure à 10 mm, de préférence égale ou
inférieure à 8 mm.
[0119] La présente invention a été décrite en relation
avec des modes de
réalisations spécifiques, qui ont une valeur purement illustrative et ne
doivent pas
être considérés comme limitatifs. D'une manière générale, la présente
invention
n'est pas limitée aux exemples illustrés et/ou décrits ci-dessus. L'usage des
verbes comprendre , inclure , comporter , ou toute autre variante,
ainsi
que leurs conjugaisons, ne peut en aucune façon exclure la présence d'éléments
autres que ceux mentionnés. L'usage de l'article indéfini ,< un , une , ou
de
l'article défini le , la ou l' , pour introduire un élément n'exclut
pas la
présence d'une pluralité de ces éléments. Les numéros de référence dans les
revendications ne limitent pas leur portée.
[0120] En résumé, l'invention peut également être décrite
comme suit.
Procédé de traitement thermique en volume d'une pièce 2 ayant une surface
externe 22 délimitant son volume,
le procédé comprenant les étapes suivantes :
a. fournir une source laser 3 ;
b. fournir la pièce 2;
c. fournir des moyens de support 4 pour supporter la pièce 2;
d. placer ladite pièce 2 de sorte qu'elle soit maintenue en position par
lesdits
moyens de support 4;
e. irradier avec ladite source laser 3 au moins une portion 23 de la
surface
externe 22 de ladite pièce 2 avec une puissance et une durée d'exposition
laser
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pour obtenir une élévation de température dans essentiellement l'ensemble du
volume de la pièce 2.
De préférence, les moyens de support 4 pour supporter la pièce 2 présente un
degré d'isolation thermique entre eux et ladite pièce 2.
L'invention peut également être décrite comme suit.
Un système pour le traitement thermique en volume d'une pièce ayant une
surface externe délimitant son volume, le système comprenant :
- une source laser configurée pour irradier au moins une portion de la
surface externe de la pièce avec une puissance et une durée d'exposition
laser pour obtenir une élévation de température dans essentiellement
l'ensemble du volume de la pièce pour induire une modification de
structure du matériau constituant la pièce ;
- des moyens de support pour supporter la pièce.
De préférence, les moyens de support présentent un degré d'isolation
thermique entre eux et la pièce.
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