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Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 9865 (2022) Citer cet article

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L’intégrité intra et intercouche des composants fabriqués à l’aide de techniques de fabrication avancées, telles que la fusion laser sur lit de poudre, dépend de processus rapides de chauffage, de fusion et de solidification. De nouvelles techniques sont nécessaires pour fournir une rétroaction in situ de ces processus. Ici, une technique ultrasonique basée sur le laser permet de sonder les effets thermiques induits par un laser à onde continue de haute puissance dans des échantillons de titane. Des simulations numériques ont été réalisées pour montrer que, pour un faisceau chauffant spatialement uniforme, les ondes acoustiques de surface induites par laser sont fortement influencées par les conditions de chauffage de la surface, sont dispersives dans le cas d'un chauffage rapide et qu'une réduction brusque de la vitesse se produit dès l'apparition de la surface. fusion. En outre, des résultats expérimentaux par ultrasons laser qui surveillent le changement transitoire du temps de parcours des ondes de surface associé au chauffage de surface par laser haute puissance sont fournis. Un laser pulsé est utilisé pour générer des ondes acoustiques de surface à haute fréquence qui se propagent à travers la région chauffée par le laser et sont détectées à l'aide d'un interféromètre à cristal photoréfractif. Un accord qualitatif est observé entre la théorie et l'expérience, les deux montrant une réduction rapide de la vitesse des ondes de surface au début de l'éclairage et une diminution supplémentaire de la vitesse des ondes de surface associée à la fusion. Il est démontré que les changements dans la vitesse des ondes de surface peuvent être utilisés pour suivre le réchauffement local et détecter le début de la fusion de surface en temps réel.

Les lasers sont largement utilisés dans les applications de traitement et de fabrication de matériaux, notamment la découpe laser, le soudage, l'ablation, le perçage, la texturation de surface et la fabrication avancée1. Dans ces applications, l'énergie laser est absorbée par un matériau, entraînant un chauffage, une fusion et une vaporisation locales, et le contrôle in situ de ces processus induits par le laser est essentiel pour garantir l'intégrité du produit final2. Par exemple, dans la fusion laser sur lit de poudre, un objet est construit en couches consécutives par fusion laser de poudre répartie mécaniquement sur la surface de construction3,4. L’intégrité intra et intercouche dépend des processus rapides de chauffage, de fusion et de solidification au cours desquels des défauts et des discontinuités de matériaux sont susceptibles de se former3,4,5,6. Si la puissance du laser de chauffage est trop élevée pour une vitesse de balayage donnée, cela peut entraîner l'évaporation du matériau d'un bain en fusion, une force de recul ultérieure et un effondrement du bain en fusion, entraînant une porosité dans le composant. Alternativement, une faible puissance de chauffage laser peut conduire à un processus de fusion et de solidification incomplet et à une absence de défauts de fusion7,8. Les paramètres laser optimaux, définis comme ceux requis pour produire une pièce présentant le moins de défauts de traitement, sont difficiles à déterminer a priori en raison de la complexité du processus et de variables supplémentaires, notamment la qualité de la poudre et les variations des caractéristiques du laser d'une machine à l'autre9.

Le succès des techniques de fabrication basées sur le laser, telles que la fusion sur lit de poudre, dépend de la capacité de l'opérateur à définir et contrôler les variables du processus telles que la puissance et la vitesse du laser10,11. L'évaluation non destructive peut faciliter ce processus et fournir un retour d'information in situ sur la qualité de la construction, de sorte que les variables du processus puissent être ajustées en temps réel12. Plusieurs méthodes d’évaluation non destructives telles que l’imagerie thermique, l’imagerie optique et les ultrasons conventionnels ont été utilisées pour surveiller les constructions de fusion sur lit de poudre laser9,12. Ces techniques offrent un accès à distance au site d'interaction laser-matériau à haute température. L’imagerie thermique peut fournir des informations sur la répartition de la température de surface, et l’imagerie optique peut être utilisée pour vérifier les changements morphologiques de surface9. Les émissions acoustiques et les ultrasons conventionnels peuvent potentiellement fournir des données supplémentaires concernant le processus de construction13. Dans le cas de l'émission acoustique, le son généré pendant le processus de chauffage laser est détecté à l'aide d'un microphone ou d'un transducteur et analysé pour en déduire des informations sur le processus14. Grâce à des techniques de traitement du signal, notamment celles faisant appel à l’apprentissage automatique, il est possible de classer l’interaction laser-matériau en différents régimes15.