EP4093888A1 - Procede de traitement thermique en volume et systeme associe - Google Patents

Procede de traitement thermique en volume et systeme associe

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Publication number
EP4093888A1
EP4093888A1 EP21702881.0A EP21702881A EP4093888A1 EP 4093888 A1 EP4093888 A1 EP 4093888A1 EP 21702881 A EP21702881 A EP 21702881A EP 4093888 A1 EP4093888 A1 EP 4093888A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser beam
laser
volume
temperature
support means
Prior art date
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Pending
Application number
EP21702881.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Axel Stefan M Kupisiewicz
Jose Antonio Ramos De Campos
David BRUNEEL
Anne HENROTTIN
Liliana CANGUEIRO
Marc DECULTOT
Paul-Etienne MARTIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Laser Engineering Applications SA
Original Assignee
Laser Engineering Applications SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Laser Engineering Applications SA filed Critical Laser Engineering Applications SA
Publication of EP4093888A1 publication Critical patent/EP4093888A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34—Methods of heating
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    • C21D1/34—Methods of heating
    • C21D1/38—Heating by cathodic discharges
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    • C21D1/62—Quenching devices
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C21D1/773—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material under reduced pressure or vacuum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0006—Details, accessories not peculiar to any of the following furnaces
    • C21D9/0025—Supports; Baskets; Containers; Covers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D7/00—Forming, maintaining, or circulating atmospheres in heating chambers
    • F27D7/06—Forming or maintaining special atmospheres or vacuum within heating chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D7/00—Forming, maintaining, or circulating atmospheres in heating chambers
    • F27D7/06—Forming or maintaining special atmospheres or vacuum within heating chambers
    • F27D2007/066—Vacuum
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a heat treatment process by volume. According to a second aspect, the invention relates to a system for the volume heat treatment of parts.
  • the heat treatment by volume is a metallurgical operation which is known to a person skilled in the art.
  • a heat treatment by volume consists in heating a part to a heating temperature and then cooling it at a predefined speed in order to maintain, for example at room temperature, the metallurgical structure of the part obtained at the heating temperature.
  • a volume heat treatment essentially the entire volume of the part and preferably the entire volume of the part undergoes such a heat treatment.
  • volume quenching heat treatment reduces hardness but improves mechanical properties.
  • the heat treatment by volume is generally carried out by heating a part in an oven and by keeping it long enough in the oven in order to reach a predetermined temperature in essentially the entire room (or in essentially its entire volume) and which allows to obtain a structural modification of the material constituting the part or a relaxation of the stresses present in the part. Then, the latter is generally cooled, for example rapidly by exposing it to a liquid or gaseous fluid, often by immersing it therein.
  • the fluids are, for example, water, oil or a gas. Rapid cooling is often necessary in order to keep the material in the induced structure at room temperature. by temperature rise.
  • such a heat treatment has various drawbacks such as, for example: need to provide a system allowing relative movement between the part to be heated and the heat source, risk of inhomogeneous heating.
  • induction heat treatments are industrially effective for certain materials only, such as for example ferromagnetic materials.
  • one of the aims of the present invention is to provide a volume heat treatment process that is simpler to implement and faster to perform.
  • the inventors propose a method of heat treatment by volume of a part having an external surface delimiting its volume, the method comprising the following steps: a. providing a laser source; b. provide the part; vs. providing support means for supporting the part; d. placing the part so that it is held in position by the support means; e. irradiating with the laser source at least a portion of the external surface of the workpiece with laser power and duration of exposure to achieve a temperature rise in substantially the entire volume of the workpiece.
  • the support means have a degree of thermal insulation between them and the part.
  • the inventors suggest having such a fairly large degree of thermal insulation, so that the heat (or thermal energy) generated by the laser source at the level of the outer surface portion of the part which is irradiated has a greater tendency to diffuse into the material constituting the part than into the support means.
  • the inventors have observed, against all expectations, that it was possible to apply a heat treatment in volume to a part, to harden it for example, with the sole use of a laser source.
  • the method of the invention makes it possible to carry out heat treatments without apparent deformation of the part.
  • said temperature rise is greater than 200 ° C, more preferably greater than 400 ° C, even more preferably greater than 700 ° C, and even more preferably greater than 850 ° C.
  • the method of the invention is particularly effective, because it allows, thanks to the laser source, to heat a room in volume without however heating its external environment.
  • the laser source for heating the room, it is possible to heat only the room and not to heat its direct external environment.
  • This is in particular possible thanks to the high surface radiative power of the laser source compared to conventional heating techniques by direct flame, by radiant tube, or by electric resistances for example.
  • An advantage of the invention over an induction heating technique is that it allows the heat treatment of non-ferromagnetic materials.
  • the combination of the laser source for heating and the support means with a degree of thermal insulation between them and the part makes it possible to confine in the part the heat supplied by the laser source and to reach temperatures of modification. of structure.
  • This same combination of a laser source and support means with a degree of thermal insulation between them and the part allows, as soon as the laser beam coming from the source is extinguished, to initiate a sufficiently rapid cooling to freeze the material constituting the part in the structure obtained during the heating step (step e.).
  • the process according to the invention can be qualified as more efficient compared to the known volume heat treatment methods.
  • the heat supplied to the room generates very little heating of its direct external environment.
  • This stems in particular, where appropriate, from the support means which have a degree of thermal insulation between them and the part, and from the fact that it is possible to confine a laser beam only on the part to be heated or on a part of it. this one.
  • the absence of significant heating of the environment outside the room allows it to quickly absorb heat from the room since the thermal energy supplied by the laser source only has to heat the room and not its environment.
  • the method of the invention is therefore particularly advantageous in comparison with the methods of the state of the art when it is desired to reduce the energy consumption associated with the heat treatment of parts.
  • the laser exposure power is preferably chosen to be substantially equal to the thermal losses of the part at a given temperature.
  • the laser exposure power to maintain the workpiece at a predetermined temperature will directly depend on the predetermined temperature chosen.
  • a preferred embodiment of the invention provides for reducing the laser power supplied during step e. in order to obtain temperature stabilization in essentially the entire volume of the room and to maintain this temperature for a predetermined time at a temperature below the temperature reached during step e. ; such a temperature is typically that of an isothermal bearing.
  • Such an isothermal bearing is known to those skilled in the art and is intended to adapt the heat treatment as a function of the metallurgical phases desired at the end of the heat treatment and of the materials treated.
  • the method and the system of the invention are particularly advantageous for implementing such an isothermal bearing during a heat treatment; in particular, the invention makes it possible to have a rapid transition between the initial heat treatment temperature and the isothermal bearing temperature.
  • the isothermal bearing has an isothermal bearing duration of between 10 minutes and 5 hours, preferably between 30 minutes and 2 hours. For parts of small volumes as defined by a preferred embodiment of the invention, it could be envisaged to have an isothermal bearing with a duration of less than 10 minutes.
  • the entire volume of the room means in at least 80% of the volume of the room, preferably in at least 90% of the volume of the room, more preferably in at least 95% of the volume of the room and even more preferably in at least 99% of the volume of the room.
  • the part or sample has a certain volume which can be expressed in mm 3 and an external surface which can be expressed in mm 2 . However, it is possible to use other units for volume and external surface.
  • the heat treatment process of the invention can be used for the following applications:
  • medical implants for example, dental implants, joint prostheses, ...;
  • Another advantage of the method according to the invention is that it is very easy to implement, requiring only control means relatively simple.
  • the programming of the heat treatment according to the invention requires, in most cases, a control of the electric power supplied to the laser source as a function of time by the control means.
  • the control means thus make it possible to adapt the power of the laser source as a function of the physical and geometric characteristics of the part to be heat treated and as a function of the desired heat treatment (slope, level, etc.).
  • the control means define a laser power to be delivered as a function of time in order to heat treat the part according to the slopes and levels corresponding to the heat treatment programmed by the operator.
  • the method of the invention further comprising, after step e., The following step: f. stop the irradiation of step e. to cool the room.
  • a step is added to allow the part to cool after it has been heated by the laser source.
  • this preferred embodiment is simpler. Indeed, this method does not require movement or manipulation of the sample (or part) between the step of raising the temperature and the cooling step.
  • step f. cooling system does not require immersing the part in a liquid. For this reason also the method according to the invention is simpler. The absence of these manipulations also makes it possible to obtain a volume heat treatment process with a faster cooling phase.
  • the cooling rates known from the state of the art vary between 10 and 100 ° C / s. The method and the system of the invention make it possible to achieve during step f.
  • a heat treatment process is volume quenching which consists in heating a part to a heating temperature and then cooling it at a sufficiently high speed to maintain, for example at room temperature, the metallurgical structure of the part obtained at the heating temperature. During volume quenching, essentially the entire volume of the part and preferably the entire volume of the part undergoes such a heat treatment.
  • the mechanical properties of a part having undergone such a volume quenching process are generally much higher than those of an unhardened part (we generally speak of a part hardened by volume quenching, but if for certain materials such as for example aluminum alloys the quenching operation can have the effect of reducing the hardness but nevertheless improving its mechanical properties).
  • Volume quenching is generally carried out by heating the part in an oven and maintaining it long enough to reach a predetermined temperature in essentially the entire room (or in essentially its entire volume), which makes it possible to obtain a structural modification of the material constituting the part. Then, the latter is cooled rapidly by exposing it to a liquid or gaseous fluid, often by immersing it.
  • the fluids are, for example, water, oil or a gas. The rapid cooling allows the material to freeze in the structure induced by the temperature rise.
  • one of the aims of the present invention is to provide a volume quenching process that is simpler to implement and faster to perform. Quenching is a term known to those skilled in the art.
  • the process of the invention is a process for quenching the part by volume, step e. makes it possible to induce a modification of the structure of the material constituting the part, and, step f. is capable of freezing the material constituting the part in a structure different from that which it exhibited before the irradiation of step e.
  • the modification of the structure of the material constituting the part is a phase change, or else a change in metallurgical structure. This is known to a person skilled in the art.
  • a phase change is an allotropic transformation.
  • a phase change can occur when, for a phase diagram of the material constituting the part, a phase change line is crossed during the rise in temperature of the part induced by the irradiation by the laser source.
  • the material is frozen in the structure obtained in step e.
  • the cooling in step f. should generally be fairly fast, although this will depend on the type of material.
  • the volume quenching process proposed by the inventors is quite surprising. They observed, against all odds, that it was possible to apply volume quenching to a part to harden it with the sole use of a laser source.
  • the method of the invention makes it possible to perform the quenching without apparent deformation of the part.
  • the inventors have found that the absence of apparent deformation of the part is due to the fact that the quenching process allows the entire volume of the part to be treated in a very short time.
  • the method of the invention allows the volume quenching of a part in a simple way because the method does not require movement or manipulation of the sample between the step of raising the temperature and the step of cooling. Step f.
  • step e. cooling freezing the material constituting the part in a new structure, for example that obtained during heating (step e.) does not require immersing the part in a liquid. For this reason also the method according to the invention is simpler. The absence of these manipulations also allows for a faster volume quenching process.
  • the method of the invention is particularly effective, because it allows thanks to the laser source to heat the room effectively without heating the environment outside the room.
  • step f. when step f. is initiated so as to have a rapid cooling of the whole room, it is then necessary to dissipate only the heat stored in the room.
  • Thanks to the use of the laser source for heating the room it is possible to heat only the room and not to heat its direct external environment. This is in particular possible thanks to the high surface radiative power of the laser source compared to conventional heating techniques by direct flame, by radiant tube, by electric resistances or else by induction.
  • the combination of the laser source for heating and the support means with a degree of thermal insulation between them and the part makes it possible to confine in the part the heat supplied by the laser source and to reach temperatures of modification. of structure.
  • This same combination of a laser source and support means with a degree of thermal insulation between them and the part allows, as soon as the laser beam coming from the source is extinguished, to initiate a sufficiently rapid cooling to freeze the material. constituting the part in a new structure, for example that obtained during the heating step (step e.).
  • the heat in the room is very quickly evacuated to the environment outside the room, for example by radiation, convection, or any other heat exchange means. .
  • the process according to the invention can be qualified as more efficient compared to known volume quenching methods.
  • the heat supplied to the part When the volume quenching process of the invention is implemented, the heat supplied to the part generates very little heating of its direct external environment. This stems in particular, where appropriate, from the support means which have a degree of thermal insulation between them and the part, and from the fact that it is possible to confine a laser beam only on the part to be heated or on a part of it. this one. The absence of significant heating of the environment outside the part then allows it to rapidly dissipate heat from the part during the cooling step, step f, which is important for having a quenching process. efficient where the material constituting the part is fixed in a given structure.
  • the quenching temperature of a steel part is very often between 700 ° C and 950 ° C.
  • the quenching temperature is very often between 440 ° C and 535 ° C.
  • the quenching temperature is between 300 ° C and 600 ° C.
  • the entire volume of the room means in at least 80% of the volume of the room, preferably in at least 90% of the volume of the room, more preferably in at least 95% of the volume of the room and even more preferably in at least 99% of the volume of the room.
  • the part comprises a material having a thermal conductivity greater than 15 W.nv 1. ° C ⁇ 1. , So that the part can preferably be affected by the heat treatment of the invention in 100% of its volume. .
  • the irradiation of step e. is able to impose an essentially homogeneous temperature in essentially the entire volume of the room.
  • the inventors have indeed observed, with surprise, that it is possible to choose such laser power and duration of exposure in step e. to achieve a substantially uniform temperature throughout the volume of a room, using laser irradiation. This ultimately allows for an efficient and good quality volume quenching process because the different regions of the part volume undergo essentially the same temperature increase in step e.
  • An essentially homogeneous temperature means that the maximum relative temperature difference between two points of the volume of the room is at most equal to 20%, preferably at most equal to 10%, and even more preferably at most equal to 1% .
  • a longitudinal or transverse section here means a section made parallel to the direction of the laser beam coming from the laser source.
  • the laser source is configured to emit a collimated light beam, and to irradiate during step e. said at least a portion of the external surface of the part with the collimated light beam.
  • the collimated laser beam allows the irradiation of a part during step e. whatever the profile of the external surface of the part (profile with several heights).
  • the collimated laser beam makes it possible to irradiate a portion of the external surface of the part having a non-plane profile in a more homogeneous manner because the collimated laser beam makes it possible to irradiate simultaneously with the most homogeneous possible power density, portions of pieces having different heights.
  • the use of a collimated laser beam therefore makes it possible to have a heat treatment suitable for parts having more complex surface geometries in comparison with a heat treatment with a focused laser beam.
  • the laser beam is homogenized and then focused in the direction of the part.
  • step f. further includes an action of directing a fluid toward the workpiece to cool it by convection.
  • the fluid can be a gas or a liquid.
  • the method further comprises the action of exposing the part to a treatment gas to modify its external surface.
  • the gas is nitrogen, so that during heat treatment nitriding of the outer surface of the part occurs.
  • the support means have a flat support surface for supporting the part. This increases the mechanical stability of the part, by minimizing high temperature stress on the part to prevent material from creeping, when the part has at least a portion of a flat outer surface.
  • the support means comprise a refractory material.
  • the inventors have observed that the process of the invention, and in particular the preferred embodiment corresponding to a volume quenching process, is all the more effective when the support means have a large degree of thermal insulation between them and the room. This makes it possible to minimize any heat transfer from the part to the support means, during step e. and ultimately to have a temperature rise with great homogeneity in the volume of the room because the heat tends to diffuse more inside the room rather than outside.
  • the inventors propose to preferably use support means made of thermally insulating material and more preferably of refractory material, a term known to a person skilled in the art.
  • the term refractory is known to a person skilled in the art.
  • the support means comprise a material having a thermal conductivity of less than 20 W.nr 1. ° C 1 , more preferably less than 10 W.nr 1. ° C 1 , even more preferably less than 5 W.nr 1. ° C 1 .
  • a unit equivalent to Wm 1 .K 1 is W.nr 1. ° C 1 .
  • Thermal conductivity is a term known to those skilled in the art. Preferred thermal conductivity values are given for a temperature of 25 ° C. Thanks to this preferred variant, it is possible to have a relatively high thermal conductivity of the part to be quenched in comparison with the thermal conductivity of the support means, for a wide range of possible materials of the part, in particular for a wide range. of metals.
  • support means having a thermal conductivity of less than 20 Wm-1 ° C-1, preferably less than 10 Wm-1. ° C-1, even more preferably less than 5 Wm-1 ° C-1, without necessarily using a refractory material for them. This constitutes another preferred embodiment of the method of the invention.
  • the contact surface there is a contact surface between the workpiece and the support means, the contact surface having an area less than 10% of the area of the outer surface, more preferably the latter is less than 2%, even more preferably this is less than 1%.
  • a heat exchange between the part and the support means will be lower when the contact surface between the part and the support means is smaller.
  • the heat treatment method of the invention is particularly well suited to support means having low thermal conductivity and a contact surface between part and reduced support means.
  • the part is made of a material having a thermal conductivity greater than 10 W.nr 1. ° C 1 , more preferably this is greater than 35 W.nr 1. ° C ⁇ 1 and even more preferably this is greater than 50 W.nv 1. ° C ⁇ 1 .
  • the process of the invention and in particular the preferred embodiment corresponding to a volume quenching process is all the more efficient when the heat transfer generated by the heat transfer. level of the external surface of the part takes place above all within the volume of the part itself, rather than towards the outside, as for example towards the support means.
  • the inventors propose to preferably use a part made of a material having a sufficiently high thermal conductivity.
  • the volume of the part is between 0.01 mm 3 and 5 cm 3 , more preferably the latter is between 0.1 mm 3 and 500 mm 3 , and even more preferably between 1 mm 3 and 100 mm 3 .
  • the inventors have surprisingly noticed that parts of small volume, that is to say less than one cm 3 (and therefore also having a fairly small mass), make it possible to have a method according to the invention that is particularly effective. This is also true for the preferred embodiment corresponding to a volume quenching process. This is quite surprising. A plausible explanation would be the following.
  • the part to be thermally treated (to be soaked) has a small volume, that is to say less than cm 3 for example, there is little material allowing the heat generated at the external surface to be removed and therefore the the entire volume of the room tends to heat up very quickly.
  • the mass of a part having a small volume is not sufficient to produce a high thermal gradient in the part due to the rise in temperature at its external surface.
  • the process is therefore different from a surface hardening where the volume of the part makes it possible to absorb a heating on the surface without heating up in a homogeneous manner and reaching a temperature close to that of the irradiated surface.
  • the volume of the part is less than 5 cm 3 for an aluminum or brass part.
  • the volume of the part is less than 2 cm 3 for a part made of steel or titanium.
  • the mass of small parts for the process of the invention are between 1 and 100 grams, preferably between 10 and 50 grams and more preferably between 15 and 30 grams. It is also possible to provide parts having a mass less than 1 gram, for example parts having a mass between 0.005 and 0.1 gram.
  • the part has a specific surface area of between 0.01 mm -1 and 150 mm -1 , more preferably between 0.1 mm -1 and 100 mm -1 , even more preferably between between 1 mm -1 and 10 mnr 1 .
  • the specific surface area of a part is equal to the area of its external surface divided by the volume of the part.
  • said external surface consists of a first and a second external surface portions
  • step e. consists in irradiating only the first outer surface portion with a laser power and duration of exposure to have a substantially equal temperature between the first and second outer surface portions.
  • a substantially equal temperature between the first and second external surface portions of the part means that they have a temperature difference of less than 50 ° C, preferably less than 25 ° C, preferably less than 10 ° C, preferably less than 5 ° C, and even more preferably less than 2 ° C.
  • This preferred embodiment makes it possible to have a method which is particularly easy to implement because it requires irradiating only a portion of the external surface of the part. In particular, one can imagine irradiating the room from only one side.
  • the external surface comprises a first and a second external surface portions
  • step e. consists in irradiating the first and second external surface portions.
  • the inventors propose to irradiate at least two different portions of the external surface of the part. It is for example possible to irradiate the part from two of its faces which are for example opposite: for example irradiate a right side and a left side of the part. This helps to induce a rise in temperature from two different ends of the part, which can be particularly useful for thicker parts.
  • step e. consists in irradiating at least a portion of the external surface of the part for an exposure time less than or equal to 10 s, more preferably less than or equal to 8 s, even more preferably less than or equal to 5 s.
  • the inventors have found that particularly good results are obtained using such laser exposure times.
  • such exposure times make it possible to have a temperature rise in essentially the entire volume of the irradiated part and in many cases to have a uniform temperature rise throughout the volume of the room.
  • the laser source is a continuous laser source or with pulses of durations greater than 1 ms or with pulses of durations between 20 and 30 ms.
  • the inventors have found that it is possible to have very good results using inexpensive continuous laser sources. Good results are also obtained with laser sources with relatively long pulses, that is to say greater than 1 ms.
  • Laser sources continuous or with such pulse durations are inexpensive, but also very common and easy to implement in the context of the method of the invention. Such laser sources are available with a wide choice of wavelengths. This can be useful in order to have a wavelength adapted to the material constituting the part and thus maximize the absorption of radiation by the part and its conversion into heat for the rise in temperature thereof.
  • the polarization of the radiation in order to maximize the absorption of the radiation by the part.
  • the polarization of the laser beam on the part can be linear s or p, elliptical or circular.
  • the reflection coefficients may change depending on the angle of incidence of the laser beam (angle between the direction of propagation of the laser beam and the normal to the surface at the point of irradiation).
  • the laser beam has an angle of incidence with a portion of the part greater than 10 °
  • a specific linear polarization preferably p
  • the use of a specific linear polarization can lead to a better homogeneity of absorption of the laser beam by the irradiated portion of the external surface.
  • step e. consists in irradiating at least a portion of the external surface of the part with a laser beam of a power less than 100 W, more preferably less than 50 W, even more preferably less than 10 W.
  • a laser beam of a power less than 100 W, more preferably less than 50 W, even more preferably less than 10 W.
  • the inventors have found that it was possible to have very good results, and in particular very good quenching results when the method of the invention is a volume quenching method, even with low power laser sources.
  • the inventors have observed that a natural cooling of the part to ambient temperature (about 20 ° C), that is to say without forced cooling such as for example by convection, took less than 35 s.
  • the laser source is able to provide an intensity modulated laser beam and step e. consists in irradiating at least a portion of the external surface of the part with an irradiation power which decreases over time during step e. Thanks to this preferred embodiment, it is possible to reduce the risk, or even avoid too much overheating of a part of the part, in particular too much overheating of the portion of the external surface irradiated by the laser source. Too much overheating is generally unacceptable and induces local or total melting of the part. By virtue of this preferred embodiment of the invention, this risk is reduced because the intensity of the laser beam is reduced during the heating step e.
  • the laser source comprises:
  • beam control means configured to modulate the intensity profile of the laser beam emitted by the laser beam generator.
  • the laser beam generator is optically coupled with the laser beam control means.
  • the laser beam control means are laser beam shaping means.
  • the laser beam control means make it possible to model the intensity profile of the laser beam which is determined according to a plane perpendicular to its direction of propagation.
  • the beam control means make it possible to obtain a beam having a more uniform intensity distribution and therefore make it possible to irradiate a part with more uniformity in terms of power density.
  • the beam control means comprise:
  • an optical fiber comprising an input and an output, capable of conveying a laser beam emitted by the laser beam generator between the input and the output, more preferably, the optical fiber is multimode;
  • a laser beam projection device configured to project on the part, an image of the laser beam at its exit from the optical fiber.
  • the laser beam generator is optically coupled with the input of the multimode optical fiber so that essentially the entire laser beam is conveyed by the multimode optical fiber to its exit.
  • the laser beam generator is a multimode laser beam generator
  • the multimode laser beam conveyed by the multimode optical fiber is mixed as it travels through the multimode optical fiber, so as to illuminate the exit face (the exit) of the fiber with homogeneous laser beam intensity.
  • a better mixing of the modes and therefore a better homogeneity of beam intensity on the exit face is obtained when the multimode optical fiber is bent.
  • the multimode optical fiber is bent forming an "8".
  • the multimode optical fiber has a length greater than 2 m, and more preferably a length between 6 m and 10 m, for example 8 m in order to allow good mixing of the modes and therefore good uniformity of the intensity profile in multimode optical fiber output.
  • the laser beam projection device makes it possible to project the image of the exit (of the exit face) of the multimode optical fiber on the part to be heat treated.
  • This laser source embodiment makes it possible to modify the intensity profile of the laser beam, so that at the input of the multimode optical fiber, the laser beam (multimode) has an essentially Gaussian intensity profile as emitted by the laser beam generator, and, at the output, the laser beam has a uniform intensity profile over essentially the entire output face that it illuminates.
  • the laser beam projection device then makes it possible to form an image of the exit face of the multimode optical fiber illuminated with uniform intensity, on the part to be heat treated.
  • the laser beam projection device is configured to project the image of the laser beam onto the workpiece with a collimated laser beam.
  • Another advantage of this embodiment of the laser source is that it allows the part to be irradiated with a collimated laser beam. This is all the more advantageous (as already described above) as it allows a simplification of the method by not requiring an additional step of adjusting the distance of the part relative to the laser source. Moreover, such a collimated laser beam of uniform intensity makes it possible to irradiate with more homogeneity in terms of power density of parts having complex geometries characterized by high form factors, or having curved surfaces.
  • the laser beam projection device is able to adjust a magnification between the predetermined section of multimode optical fiber taken at the output and the image of the laser beam when the latter is projected onto the workpiece.
  • the laser beam projection device preferably comprises a first and a second converging lenses, so as to project the laser beam at the output of the multimode optical fiber (which is then divergent) in one laser beam image on the workpiece to be heat treated with a laser beam which is collimated.
  • the first and second lenses can be moved relatively relative to each other in a translation parallel to an optical axis defined by a main direction of propagation of the laser beam at the output of the multimode optical fiber.
  • the first lens is movable with respect to the exit of the multimode optical fiber in order to adjust the distance of the first lens - the exit of the multimode optical fiber.
  • an increase in the distance between the first and second lenses allows an increase in the magnification.
  • the laser beam projection device makes it possible to adapt the size of the laser beam on the part to be heat treated as a function of the size of the latter.
  • the multimode optical fiber has a section of 400 ⁇ m and the image of the laser beam at the output thereof projected onto the part has a diameter of 6 mm. Thanks to this preferred embodiment of the laser source of the invention, it is possible to obtain an irradiation of the part with a uniform laser intensity and adjustable in size.
  • the uniform beam intensity on the part makes it possible to carry out a heat treatment with a high quality because the increase in temperature of the part is then generated with a thermal gradient at the level of the surface of the part which is almost zero or even zero .
  • Another advantage of the laser beam projection device is that it allows modulation of the diameter of the image of the laser beam exiting it on the part without altering its uniformity in intensity.
  • the beam control means comprise: a meniscus lens configured to modify the diameter of the laser beam emitted by the laser beam generator into a modified collimated laser beam.
  • the beam control means comprise a plurality of meniscus lenses aligned along their respective optical axes. For example, at least one side of each of the meniscus lenses is aspherical so as to limit aberrations due to the use of meniscus lenses.
  • the beam control means comprise: an optical element having an aspherical optical surface or an optical surface capable of inducing a phase shift.
  • the beam control means comprise:
  • the laser source further comprises beam focusing means positioned between the beam control means and the part.
  • the process of the invention is a quenching process followed by tempering and it further comprises the following additional steps, after step f. : i. irradiating with the laser source at least a portion of the outer surface of the workpiece with a tempering laser exposure power that is less than the laser exposure power used in step e. for quenching.
  • the part is tempered by maintaining the part at a tempering temperature (below the quenching temperature) for a predetermined time.
  • the part is then subjected to appropriate cooling to room temperature.
  • Tempering makes it possible to attenuate the effects of quenching by generally making the part more ductile and more tenacious.
  • Such tempering can advantageously be carried out after quenching without modifying the position of the part, which greatly simplifies the implementation of the method and of the system making it possible to implement such a tempering step.
  • a tempering temperature for a steel part is included between 200 ° C and 450 ° C.
  • the tempering temperature of an aluminum part is between 150 ° C and 200 ° C, for example 170 ° C.
  • the method of the invention is a quenching process preceded by annealing and it further comprises the following additional steps before step a. : g. irradiating with the laser source at least a portion of the outer surface of the workpiece with an annealing laser exposure power that is less than the laser exposure power used in step e. ; h. cool the part after heating it to an annealing temperature in the previous step to a temperature below 100 ° C, preferably at room temperature.
  • Annealing consists in heating the part to a predetermined temperature (called the annealing temperature), in maintaining the part at this annealing temperature for a predetermined time, then in cooling the part with a predetermined cooling rate in order to obtain, after returning to ambient temperature a structural state of the material constituting the part close to the state of stable equilibrium.
  • the purpose of this operation is to eliminate or reduce the residual stresses linked, for example, to a previous heat treatment, or to obtain the formation of a structure favorable to a subsequent action without fracturing (deformation, machining, heat treatment, etc. ).
  • Such annealing can advantageously be carried out before quenching without modifying the position of the part on the support means, which greatly simplifies the implementation of the method and of the system making it possible to implement such an annealing step.
  • annealing then quenching, then income.
  • the method of the invention further comprises the following additional steps: j. provide a vacuum chamber and insert the part inside the vacuum chamber; k. achieve a partial vacuum in the vacuum chamber enclosing the part of less than 50,000 Pa, preferably less than 10,000 Pa and even more preferably less than 5,000 Pa.
  • the method of the invention further comprises the following additional steps:
  • L. provide a heat exchanger; mr. contacting the part with the heat exchanger during step f .. Such a preferred embodiment allows the part to be cooled faster and more efficiently.
  • the method of the invention further comprises the following additional steps: n. provide a liquid bath; o. partially immerse the part in the liquid bath during step f., more preferably, fully immerse the part.
  • Such a preferred embodiment allows the room to be cooled faster and more efficiently.
  • the material constituting at least partially the part is a metallic material.
  • the method of the invention is indeed particularly suitable for this type of material (metals).
  • the metallic material constituting at least partially the part is a carbon steel, preferably a steel comprising 1% carbon by weight.
  • a carbon steel is a term known to those skilled in the art. It generally designates a steel whose main component of alloy is carbon, in portions of, for example, between 0.02% and 2% by mass.
  • the inventors also propose a system for the heat treatment by volume of a part having an external surface delimiting its volume, the system comprising:
  • a laser source configured to irradiate at least a portion of the external surface of the part with a laser power and duration of exposure to obtain a temperature rise in essentially the entire volume of the part to induce a structural modification the material constituting the part;
  • the system of the invention is used for volume quenching of a part.
  • the support means have a degree of thermal insulation between them and the part.
  • the laser source is a continuous laser source, or with pulses of durations greater than 1 ms, or with pulses of durations between 20 and 30 ms.
  • the temperature rise is a temperature rise greater than 200 ° C, preferably greater than 400 ° C, more preferably greater than 700 ° C, even more preferably greater than 850 ° vs.
  • the temperature rise in substantially the entire volume of the room is a temperature rise in at least 80%, more preferably at least 90%, more preferably 95%, still more. most preferred 99% of room volume.
  • the support means have a support surface for coming into contact with the part, the support surface having an area less than 10% of the external surface of the part, preferably less than 5%, even more preferably less than 1% of the external surface of the part.
  • the contact between the part to be quenched and the support means is reduced, reducing the possibility of heat transfer by conduction from the part to the support means.
  • This makes it possible to further increase the temperature within the part during heating by laser irradiation because the heat generated on the external surface portion of the part to be quenched has little other solution than to diffuse within the volume. of the room.
  • the heat transfer from the part to the support means is all the more reduced when they include a refractory material.
  • the support means have a thermal conductivity of less than 20 W.nr 1. ° C 1 at 25 ° C.
  • the support means have a flat support surface for supporting the part.
  • the part to be quenched remains in position easily. There is then no need, in general, to have means such as clamps which hold the part in position.
  • the support means have a thermal conductivity of less than 20 W.nr 1. ° C 1 , more preferably less than 10 W.nr 1. ° C 1 , even more preferably at 5 W .nr 1. ° C 1 .
  • the part is made of a material having a thermal conductivity greater than 15 W.nr 1 . 0 C ⁇ 1 , more preferably greater than 35 W.nr 1. ° C ⁇ 1 and even more preferably greater than 50 W.nr 1. ° C 1 .
  • the volume of the part is between 0.01 mm 3 and 1 cm 3 , more preferably between 0.1 mm 3 and 500 mm 3 , and even more preferably between 1 mm 3 and 100 mm 3 .
  • the laser source is configured to irradiate the outer surface portion of a workpiece with a laser beam of a power less than 100 W, more preferably less than 50 W, even more preferably less. at 10 W.
  • the system further comprises an optical fiber and it is designed so that a laser beam from the laser source is able to reach through the optical fiber at least one external surface portion of a part supported by the support means.
  • optical fiber makes it possible to guide a laser beam coming from the laser source. This provides greater flexibility to the system. In particular, it is possible to move the laser source away from the part to be quenched. For certain applications, such a configuration may be preferred.
  • the laser source comprises:
  • - Beam control means configured to modulate the intensity profile of the laser beam emitted by the laser beam generator.
  • the beam control means comprise:
  • an optical fiber of predetermined section comprising an input and an output, capable of transporting a laser beam emitted by the laser beam generator between its input and its output, more preferably, the optical fiber is multimode;
  • a laser beam projection device capable of projecting onto the part an image of the laser beam at its exit from the optical fiber, more preferably from the multimode optical fiber.
  • the laser beam projection device is configured to project the image of the laser beam onto the workpiece with a collimated laser beam.
  • the laser beam projection device is able to adjust a magnification between the predetermined section of multimode optical fiber taken at the output and the image of the laser beam when the latter is projected onto said part.
  • the beam control means comprise:
  • a meniscus lens configured to modify the diameter of the laser beam emitted by the laser beam generator into a modified collimated laser beam.
  • the beam control means comprise:
  • an optical element having an aspherical optical surface or an optical surface capable of inducing a phase shift.
  • the beam control means comprise:
  • the laser source further comprises beam focusing means positioned between the beam control means and the part.
  • the multimode optical fiber has a length of between 1 m and 12 m, more preferably a length of between 2 m and 8 m.
  • the system further comprises a scanner to be able to direct a laser beam from the laser source on different parts to be quenched in volume.
  • a scanner to be able to direct a laser beam from the laser source on different parts to be quenched in volume.
  • the system further comprises a temperature sensor, preferably a pyrometer, for measuring a room temperature.
  • a temperature sensor preferably a pyrometer
  • the system further comprises a temperature sensor, preferably a pyrometer, for measuring a room temperature.
  • a regulation loop to adjust the power of the laser source as a function of the temperature measured by the temperature sensor.
  • a pyrometer which is an example of a temperature sensor measures the temperature of the portion of the external surface of the part which is irradiated by the laser source.
  • the inventors also propose an assembly comprising the system as described above with all its preferred embodiments and the part to be quenched.
  • multiple beams could strike the entire casing (or external surface) of the part to further reduce the temperature gradient between the core of the part and the portion. of irradiated external surface.
  • the laser of predetermined power P illuminates the portion of the external surface of the part with a diameter D, for example for a laser spot having a circular section. Study of the heat balance in the irradiated part
  • the heat transfer between the part and its external environment is governed by three phenomena: conduction, convection, radiation.
  • the physical properties to take into account are the following:
  • k the coefficient of thermal conductivity k (or thermal conductivity) measures the propensity of a body to develop a heat flow when it experiences a difference in T °
  • - specific heat c measures the rate of change of internal energy with T °; this quantity reflects the ability of a material to accumulate energy in thermal form as its temperature increases;
  • the calorific capacity C measures the capacity of a medium to accumulate (or release) heat. Conversely, this quantity measures the energy that must be transferred to it to increase its temperature by one Kelvin.
  • thermal diffusivity a k / (pc) which measures the ease of heat propagation in the material of the part.
  • Table 1 shows an estimate of the thermal gradient by estimating a penetration depth for some known metals.
  • Qin P x (irradiated surface / beam surface) x (1-R) where R is the reflectivity of the material constituting the part, preferably constituting the external surface of the part.
  • the support means comprise very small contact surfaces and / or ceramic to minimize the extent of the transfer zone and the interstitial conduction coefficient.
  • the loss by radiation is maximized during the implementation of the method of the invention compared to the use of an oven since the external environment remains at a moderate temperature, generally at room temperature (between 15 and 25 ° C, preferably at 20 ° C). As the radiation loss varies with T 4 , it must be taken into account at the end of the room temperature rise phase, when the difference between the temperature of the environment is large (significant) compared to that of the room. room.
  • the losses by convection will be of the order of 2 to 10% of the heat input Qin
  • the losses by radiation will be of the order of 1 to 2% of the heat input Qin
  • the losses by convection will be of the order of 4 to 20% of the heat input Qin
  • the losses by radiation will be of the order of 5 to 15% of the heat input Qin.
  • an aluminum part held by support means, to 420 ° C in 4s, (starting from an ambient temperature of 20 ° C), ie a temperature difference DT of 400 ° C requiring a rise time of 100 ° C / s.
  • the part is a rod of 2 x 2 mm section by 6 mm long:
  • the losses by convection will be of the order of 5 to 15% of the heat input Qin
  • the losses by radiation will be of the order of 1 to 2% of the heat input Qin ;
  • the losses by convection will be of the order of 15 to 30% of the heat input Qin
  • the losses by radiation will be of the order of 5 to 10% of the heat input Qin heat.
  • a wall plug efficiency of 40% means that 100W of electrical power is converted into 40W of laser power.
  • the powers available to carry out the heat treatment (quenching, for example) at the heart of small-volume parts correspond perfectly to the order of magnitude of power required for the heat treatment (quenching) of at least one part.
  • the use of much more powerful laser sources would make it possible to carry out heat treatment (quenching for example) according to the method and system of the invention in parallel on many parts. So,
  • insulating support means ceramic
  • a small contact surface example cylinder deposited on a plate, plate on spikes
  • thermoly conductive surface (heat exchanger).
  • step B After raising the temperature of the room by laser (Power P), according to step e., Under partial vacuum (to avoid oxidation or decarbonization), a cooled neutral gas is injected to increase the losses by convection .
  • step C After raising the temperature of the part by laser (Power P), according to step e., Under partial vacuum (to avoid oxidation or decarbonization), the part is lowered to bring it into contact with a thermally conductive surface (heat exchanger) which will facilitate conduction losses.
  • Power P laser
  • step e Under partial vacuum (to avoid oxidation or decarbonization)
  • the part is lowered to bring it into contact with a thermally conductive surface (heat exchanger) which will facilitate conduction losses.
  • the part After the temperature of the part has been raised by laser (Power P), the part is immersed (immersed) by means of a jack in a liquid bath (molten salt, oil, etc.) to make a hyperquenching.
  • a liquid bath molten salt, oil, etc.
  • the cooling means used depend, for example, on the desired cooling rate but also on the geometry of the part. For example, a part having a large external surface in the same plane could be effectively cooled by bringing it into contact with a thermally conductive surface (heat exchanger).
  • the laser power P is very easily controlled via its interface converting the electric current into light power P.
  • the gas supply and the control of its pressure are carried out via the control of a pneumatic island, for example.
  • the descent of a jack for the movement of the part on a thermally conductive surface (heat exchanger) or in a bath is carried out for example by transmitting an electric signal to the control means of a pneumatic or electric cylinder.
  • a control of the temperature of the room can be carried out:
  • non-contact measuring means which will not disturb the thermal treatment cycles (quenching): thermal camera, pyrometer.
  • - Fig.1a shows an embodiment of the system according to the invention
  • FIG. 1 b and 1 c show other embodiments of the system according to the invention.
  • Figs. 3a, 3b and 3c show different examples of part that can be quenched in volume with the process of the invention
  • FIG. 4a, 4b show another possible embodiment of the method and the system according to the invention.
  • FIG. 5a, 5b show another possible embodiment of the method and the system according to the invention.
  • Figs. 6a, 6b, and 6c illustrate a temperature simulation when carrying out a process according to the invention
  • - Fig. 7 shows an example of a thermal cycle that can be carried out in part or in its entirety by the method or the system according to the invention
  • FIG. 8a, 8b and 8c show preferred embodiments of a laser source according to the invention
  • - Fig. 9 shows an intensity profile of the laser beam projected onto a part according to a preferred embodiment of the invention
  • - Figs. 10a and 10b represent preferred embodiments of the system according to the invention.
  • FIG. 1 a shows an exemplary embodiment of the system for the heat treatment by volume of a part 2 according to the invention.
  • the heat treatment corresponds to volume quenching.
  • the system according to the invention comprises a laser source 3 which can be continuous or pulsed.
  • Support means 4 make it possible to support the part 2, to be soaked for example.
  • these support means have an essentially flat upper surface to support and hold in position the part 2 to be quenched, the lower face 28 of which is in contact with the support means 4.
  • the method of the invention consists in irradiating with the laser source 3 at least a portion 23 of the external surface 22 of the part 2.
  • the laser source 3 emits a collimated light beam so as to limit the settings concerning the position of a focusing distance of the collimated light beam with respect to the external surface 22 of the part 2.
  • the laser source 3 emits a diverging light beam in order to be able to irradiate a large portion 23 of the external surface 22 of the part 2.
  • FIG. 1 a the laser source 3 emits a diverging light beam in order to be able to irradiate a large portion 23 of the external surface 22 of the part 2.
  • the laser source 3 emits a converging light beam in order to be able to direct the light beam onto a selected portion 23 of the external surface 22 of the part 2.
  • FIG. 1 .c illustrates for example the use of a light beam that is homogenized and then focused.
  • This external surface 22 delimits the volume of the part 2 to be quenched.
  • This irradiation by the laser source 3 can be direct or indirect.
  • the part 2 is irradiated from its upper surface only. Following this laser irradiation, the temperature of the room 2 will increase from the portion 23 of the surface illuminated by the laser source 3.
  • the support means 4 have a certain degree of thermal insulation between them and the part 2 or, in an equivalent manner, a certain thermal insulation capacity between them and the part 2.
  • a degree of thermal insulation can be defined by an ability to limit heat exchange between the part 2 and the support means 4. It is possible to have such a technical effect in different ways. Thus, it is possible to use support means 4 having a low thermal conductivity limiting heat exchange by conduction following contact between the part 2 and the support means 4. It is also conceivable to limit the contact areas between. the part 2 and the support means 4. Limited contact areas between the part 2 and the support means 4 also make it possible to limit any heat exchange by conduction between the part 2 and the support means 4.
  • a heat exchange between the part 2 and the support means 4 will be lower when the contact surface (the contact areas) between the part 2 and the support means 4 is smaller.
  • the heat generated at the level of the surface portion 23 illuminated by the laser source 3 tends to diffuse throughout the entire volume of the part 2.
  • the inventors have noticed that 'it is possible to have a rise in temperature throughout the volume of the part 2 (and therefore not only at the level of the illuminated portion 23) inducing a modification of the structure of the material constituting the part 2.
  • the invention preferably consists in stopping the laser irradiation used for heating.
  • this allows the material to be fixed in a structure other than that present before the heating.
  • certain parts for example of small size (that is to say, the volume of which is less than 1 cm 3 )
  • This provides a huge advantage over known volume quenching processes where the use of a fluid is often required to cool part 2 and freeze it in a new crystallographic structure.
  • the inventors have surprisingly noticed that it was not necessary to have very powerful laser sources 3 in order to carry out volume quenching of parts 2 using the method of the invention.
  • volume quenching with continuous laser sources 3 having powers of the order of or less than 50 W, for example 20W or 6W. This is all the more true as part 2 has a small volume, that is to say less than cm 3 . It is then possible to obtain temperature rises of the order of 3000 K on the irradiated portion 23.
  • FIG. 2 shows another embodiment of the invention for which part 2 is irradiated by two laser sources so as to have an irradiated portion 23 of part 2 that is larger than with a laser source.
  • This is advantageous in order to obtain a rise in temperature throughout the volume of the room as quickly as possible.
  • This embodiment is particularly advantageous for parts 2 that are thick and / or having complex geometries in order to have heat inputs distributed around the part 2.
  • This embodiment can be implemented either from of embodiments comprising different examples of support means 4.
  • the heat generated at the level of the irradiated portion 23 reaches the opposite lower surface 28 after a shorter time. than for the embodiment of Figure 1.
  • This embodiment of FIG. 2 can be implemented without distinction from the embodiments of FIGS. 1a, 1b and 1c.
  • Figures 3a-c show various examples of part 2 which can be quenched by volume with the method of the invention.
  • Figures 3a-c illustrate the heart 27 of parts 2 of different geometries. The heart is often located in the volume of the part 2 at an equidistant position relative to the external surface 22. The method of the invention makes it possible to quench the entire volume of the part 2 including the quenching of the part. heart 27 of part 2.
  • FIGS. 4a and 4b illustrate a particular embodiment of the invention.
  • the support means 4 here have the shape of points so as to minimize the contact surface between them and the part 2.
  • the inventors also propose for this particular embodiment a heat exchanger 18. positioned at a certain distance from the external surface 22 (preferably from the opposite lower surface 28) of the part 2.
  • cooling of the part 2 is initiated (for example during step f. for embodiments comprising such a step).
  • the laser radiation is stopped. Almost simultaneously, the part 2 is placed in physical contact with the heat exchanger 18 via its opposite lower surface 28.
  • the heat exchanger 18 has a thermal conductivity (much) greater than that of the support means 4.
  • the heat exchanger 18 is preferably able to undergo a relative movement with respect to the part 2.
  • it can for example be mounted on an electric or pneumatic cylinder which allows it to describe a relative movement with respect to part 2.
  • FIG. 5a and 5b illustrate another particular embodiment of the invention.
  • the support means 4 also have the shape of points so as to minimize the contact surface between the part 2 and the support means 4 and thus reduce heat transfer by conduction between them and the part 2.
  • the inventors propose to use a liquid bath 19, the upper surface of which is positioned at a certain distance from the external surface 22 (preferably from the opposite lower surface 28) of the part 2.
  • cooling is initiated (and for example step f. for embodiments comprising such a step).
  • FIG. 5b where it can be seen that the laser source 3 has been switched off. Almost simultaneously, the part 2 is immersed (partially or completely) in the liquid bath 19.
  • Figures 6a, 6b, and 6c illustrate the results of a finite element simulation.
  • Fig. 6a shows a half longitudinal sectional portion of a 1mm 3 steel cylinder 90 having an axial length of 4mm and a cross section of 0.6mm in diameter.
  • Points 91, 92, 93 represent the center of cylinder 90.
  • Points 91 and 93 are located on the outer face of the part, point 92 is located at the heart of the part, equidistant between points 91 and 93.
  • the points points 94, 95, 96 represent a side face of cylinder 90. Points 94 and 96 are located on the outer face of the part, point 95 is located in the center of the side face of the part, equidistant between points 94 and 96.
  • the following assumptions are used for the simulation, the results of which are presented in figure 6b and 6c:
  • FIG. 6b illustrates the evolution of the temperature as a function of time for each of the points 91 to 96 of the simulated part.
  • the various curves are superimposed: thus, one deduces an absence of significant temperature gradient between the various points: the evolution of the temperature at each of the points 91 to 96 is approximately the same.
  • Figure 6c shows a zoom as the laser irradiation is terminated. At a given moment, thermal gradients are observed between the different points not exceeding 10 ° C. The irradiation by the laser beam is centered on the point 91, in the direction 91 - 93. This illustrates that the method of the invention is very well suited to the heat treatment (for example quenching) of (metal) parts having volumes. of the order of cm 3 .
  • FIG. 7 shows a thermal cycle which can be implemented in part or in its entirety by the method according to the invention. Such a thermal cycle shows:
  • the laser source 3 is switched off during these drops in temperature or cooling.
  • the temperature rises and falls can be:
  • the KLMN thermal cycle portion is often associated with annealing.
  • the ABCDEF thermal cycle portion is often associated with quenching.
  • point D is at a temperature close to the temperature of point A and points E and F are omitted.
  • the GHIJ heat cycle portion is often associated with income.
  • a hardening process according to the invention was implemented with a continuous laser source 3 with an output laser beam power of 0.7 W directed towards a portion of the external surface 22 of a part 2 made of steel. .
  • the part is held by support means.
  • the part is at room temperature (20 ° C); according to step e., after 2 s of irradiation with a laser power of 0.7 W, the part reaches a temperature of 750 ° C, after 3 s, the temperature is 950 ° C, between 4 s and 5 s the room temperature reaches 1300 ° C, which corresponds to a target temperature for the desired heat treatment.
  • the laser source 3 is then turned off.
  • Figures 8a, 8b and 8c show preferred embodiments of a laser source 3 of the invention.
  • the example of the embodiment of Figure 8a shows a laser source 3 comprising a laser beam generator 31 and control means.
  • beam 35 configured to modulate the intensity profile of the laser beam emitted by the laser beam generator 31.
  • the example of the embodiment of Figure 8b shows a laser source 3 comprising a laser beam generator 31 and beam control means 35 configured to modulate the intensity profile of the laser beam emitted by the laser beam generator 31.
  • the beam control means 35 comprise a multimode optical fiber 32, and a laser beam projection device 33.
  • the multimode optical fiber 32 comprises an input and an output.
  • Multimode optical fiber 32 is configured to carry a laser beam emitted by laser beam generator 31 from the input of multimode optical fiber 32 to its exit.
  • Multimode optical fiber 32 has a predetermined section which is constant between its input and its output.
  • the laser beam projection device 33 is configured to project onto the part 2, an image of the output of said multimode optical fiber 32, and consequently, an image of the laser beam transported by the multimode optical fiber 32 whose contour is defined.
  • FIG. 8c shows a laser source 3 comprising a laser beam generator 31, beam control means 35 configured to modulate the intensity profile the laser beam emitted by the laser beam generator 31 and the focusing means 36.
  • FIG. 9 shows a graph representing a distribution of the intensity of a laser beam transported by the multimode optical fiber 32 and projected by the laser beam projection device 33 on an external surface 22 of the flat part 2 and perpendicular to the main direction of propagation of the collimated light beam.
  • This graph shows an intensity distribution at diameter 39 of the laser beam image on workpiece 2.
  • the diameter 39 of the laser beam image on workpiece 2 is approximately 5mm.
  • the laser beam image exhibits uniform irradiation over almost the entire irradiated surface 23 of part 2.
  • FIG. 10a shows a preferred embodiment of the system for the heat treatment by volume of a part 2 comprising the laser source 3 shown in FIG. 8.
  • the laser source 3 shown in FIG. 8 comprises a laser beam generator 31 , a multimode optical fiber 32, and a device laser beam projection device 33, wherein the laser beam projection device 33 comprises a first converging optical element 37 and a second converging optical element 38.
  • the first 37 and the second 38 converging optical elements are preferably converging lenses, of more preferably lenses of the plane convex type. Even more preferably, the convex face of the first converging plane convex lens 37 faces the convex side of the second converging plane convex lens 38.
  • the laser beam projection device 33 makes it possible to form an image having a diameter 39 on it. the part 2 supported by the support means 4.
  • the diameter 39 is defined by the configuration of the laser beam projection device 33 (power of the lenses 37, 38 and their relative positions with each other and with respect to the output of the optical fiber multimode 32) and by the section of multimode optical fiber 32 (at its exit).
  • the output of the multimode optical fiber 32 is imaged by the laser beam projection device 33, and the laser beam generator 31 emits a laser beam which is carried by the multimode optical fiber 32, then the image of the output of the multimode optical fiber corresponds to a light spot of diameter 39.
  • FIG. 10b shows the embodiment of FIG. 10a for a part 2 of larger size for which it is necessary to increase the diameter 39 of the image of the multimode optical fiber output 32 on part 2 in order to be able to carry out a heat treatment with thermal gradients on the surface 22 of the part 2 as small as possible.
  • the laser beam projection device 33 makes it possible to modulate such a diameter 39 of the image of the output of multimode optical fiber 32 on the part 2 by modifying the relative position of the first converging lens 37 with respect to the output of the fiber. multimode optics 32 and / or the position of the second converging lens 38 relative to the first converging lens 37. Such a modulation makes it possible to obtain magnifications allowing adaptation to parts having sizes that can vary greatly.
  • the first converging lens 37 is driven into position between the output of the multimode optical fiber 32 and the second converging lens 38 so as to adjust the size of the laser beam on the part 2.
  • the temperature rise in a room in step e. is carried out by a single step of irradiating the part, which has the advantage of offering a homogeneous heat treatment of the part.
  • the present invention applies in particular to parts which have a longest dimension less than 10 mm, preferably equal to or less than 8 mm.
  • a method of heat treatment by volume of a part 2 having an external surface 22 delimiting its volume comprising the following steps: a. providing a laser source 3; b. provide Exhibit 2; vs. providing support means 4 for supporting the part 2; d. placing said part 2 so that it is held in position by said support means 4; e. irradiating with said laser source 3 at least a portion 23 of the external surface 22 of said part 2 with a laser power and duration of exposure to obtain a temperature rise in essentially the entire volume of the room 2.
  • the support means 4 for supporting the part 2 has a degree of thermal insulation between them and said part 2.
  • the invention can also be described as follows.
  • a system for the heat treatment by volume of a part having an external surface delimiting its volume comprising:
  • a laser source configured to irradiate at least a portion of the external surface of the part with a laser power and duration of exposure to obtain a temperature rise in essentially the entire volume of the part to induce a structural modification the material constituting the part;
  • the support means have a degree of thermal insulation between them and the part.

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Abstract

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 pour obtenir une élévation de température dans essentiellement l'ensemble du volume de la pièce (2).

Description

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 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. 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 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 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 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 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. [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. 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 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 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 % 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.nv1.°C·1., de sorte que la pièce peut de préférence être affectée par le traitement thermique de l’invention dans 100 % de son 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 cœur 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 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 au sein même de la pièce plutôt qu’à 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 W.nrr1.°C 1, plus préférentiellement inférieure à 10 W.nr1.°C 1, de manière encore plus préférée inférieure à 5 W.nr1.°C 1. Une unité équivalente au W.m 1.K 1 est le W.nr1.°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 %, de manière encore plus préférée celle-ci est inférieure à 1 %. 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 (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.nr1.°C 1, de manière plus préférée celle-ci est supérieure à 35 W.nr1.°C·1 et de manière encore plus préférée celle- ci est supérieure à 50 W.nv1.°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 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 mnr 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 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 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
- 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 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 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 10°, 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 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 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 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 pm 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 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 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. [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.
[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, 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 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 T recuit, puis une troisième phase de chauffe à une température Trevenu, maintien à Trevenu 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.
Il 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 :
L. 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 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 %, de manière encore plus préférée inférieure à 1% de la surface externe de la pièce. Avec ce mode de réalisation préféré, le contact 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.nr1.°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.nr1.°C 1, de manière plus préférée inférieure à 10 W.nr1.°C 1, de manière encore plus préférée a 5 W.nr1.°C 1.
[0069] De préférence, la pièce est constitué d’un matériau ayant une conductivité thermique supérieure à 15 W.nr1.0C·1, de manière plus préférée supérieure à 35 W.nr1.°C·1 et de manière encore plus préférée supérieure à 50 W.nr1.°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 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 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 :
- 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, 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.
[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 :
- 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. [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 cœur de la pièce et la portion de surface externe irradiée. Le laser de 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.
À 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
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 cœur 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
[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
[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, Qgen, est négligée. [0091] 1 . Apport de l’énergie par le laser : CW
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. 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 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 : La perte par rayonnement est maximisée lors de la mise en oeuvre 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 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. 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 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 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 ; - pour les 400 derniers °c, les pertes par convection seront de l’ordre de 4 à 20% de l’apport de chaleur Qin, les pertes par rayonnement seront de l’ordre de 5 à 15% 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 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 1 0% 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 polarisation du faisceau laser. Par exemple, pour R = 70 %, 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 : 10W 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 cœur 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. 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. 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 < P1 ) 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 ilôt 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 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 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
[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.1a montre un mode de réalisation du système selon l’invention;
- les Figs. 1 b et 1 c montrent d’autres modes de réalisation du système selon 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;
- 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 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 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 ; - 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 1 a 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 1 a, 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 1 a, 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 1 c, 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 et le diriger vers la pièce 2. Dans les exemples montrés en figures 1 a, 1 b, et 1 c, 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’à 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 1a, 1 b, 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 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 cœur 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 œuvre indifféremment à partir 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 1a, 1 b et 1 c.
[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 cœur 27 de pièces 2 de géométries différentes. Le cœur 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 cœur 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. À 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, 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 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 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. À l’issue de l’étape e. du procédé de 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 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 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 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. [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 cœur 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. [0112] La Figure 7 montre un cycle thermique pouvant être mis en oeuvre 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, Hl 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 0.7 W dirigé vers une portion de surface externe 22 d’une pièce 2 en acier. La pièce est maintenue par des moyens de support. À 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 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 (DT < 100°c). Les DT » 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 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 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 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 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 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 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 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 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. [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 « », 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 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.

Claims

Revendications
1. 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 pour obtenir une élévation de température dans essentiellement l’ensemble du volume de la pièce (2).
2. Procédé selon la revendication précédente comprenant en outre, après l’étape e., l’étape suivante : f. stopper l’irradiation de l’étape e. pour refroidir la pièce (2).
3. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce qu’il s’agit d’un procédé de trempe en volume de ladite pièce (2), en ce que l’étape e. permet d’induire une modification de structure du matériau constituant la pièce (2), et en ce que l’étape f. est apte à figer le matériau constituant la pièce (2) dans une structure différente de celle qu’il présentait avant l’irradiation de l’étape e.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l’irradiation de l’étape e. est apte à imposer une température essentiellement homogène dans essentiellement l’ensemble du volume de la pièce (22).
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite source laser (3) est configurée pour émettre un faisceau lumineux collimaté, et irradier lors de l’étape e. ladite au moins une portion (23) de la surface externe (22) de ladite pièce (2) avec ledit faisceau lumineux collimaté.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l’étape f. comprend en outre une action de diriger un fluide en direction de la pièce (2) pour la refroidir par convection.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend en outre une action d’exposer la pièce (2) à un gaz de traitement pour modifier sa surface externe (22).
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens de support (4) présentent une surface de support plane pour supporter la pièce (2).
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens de support (4) comprennent un matériau réfractaire.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendication précédente caractérisé en ce que lesdits moyens de support (4) comprennent un matériau ayant une conductivité thermique inférieure à 20 W.nr1.°C 1, de préférence inférieure à 10 W.m 1.°C 1, de manière encore plus préférée inférieure à 5 W.nr1.°C 1.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il existe une surface de contact entre ladite pièce (2) et lesdits moyens de support (4), ladite surface de contact ayant une aire inférieure à 10 % de l’aire de ladite surface externe (22), de préférence inférieure à 2 %, de manière encore plus préférée inférieure à 1 %.
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite pièce (2) est constituée d’un matériau ayant une conductivité thermique supérieure à 10 W.nr1.°C 1, de préférence supérieure à 35 W.nr 1.°C 1 et de manière encore plus préférée supérieure à 50 W.nv1.°C 1.
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le volume de la pièce (2) est compris entre 0,01 mm3 et 5 cm3, de préférence compris entre 0,1 mm3 et 500 mm3, et de manière encore plus préférée entre 1 mm3 et 100 mm3.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la pièce (2) présente une surface spécifique comprise entre 0,01 mm-1 et 150 mm-1, de préférence comprise entre 0,1 mm-1 et 100 mm-1, de manière encore plus préférée comprise entre 1 mm-1 et 10 mm-1.
15. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que :
- ladite surface externe (22) consiste en une première (23) et une deuxième (28) portions de surface externe (22), et en ce que
- l’étape e. consiste à irradier uniquement ladite première portion (23) de surface externe (22) avec une puissance et une durée d’exposition laser pour avoir une température sensiblement égale entre les première (23) et deuxième (28) portions de surface externe (22).
16. Procédé selon l’une quelconque des revendications des revendications 1 à 14 caractérisé en ce que :
- ladite surface externe (22) comprend une première (23) et une deuxième (28) portions de surface externe (22), et en ce que
- l’étape e. consiste à irradier lesdites première (23) et deuxième (28) portions de surface externe (22).
17. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l’étape e. consiste à irradier au moins une portion de la surface externe (22) de ladite pièce (2) pendant une durée d’exposition inférieure ou égale à 10 s, de préférence inférieure ou égale à 8 s, de manière encore plus préférée inférieure ou égale à 5 s.
18. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la source laser (3) 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.
19. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l’étape e. consiste à irradier au moins une portion de la surface externe (22) de ladite pièce (2) avec un faisceau laser d’une puissance inférieure à 100 W, de préférence inférieure à 50 W, de manière encore plus préférée inférieure à 10 W.
20. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite source laser (3) est apte à fournir un faisceau laser modulé en intensité et en ce que l’étape e. consiste à irradier au moins une portion de la surface externe (22) de ladite pièce (2) avec une puissance d’irradiation qui diminue dans le temps pendant l’étape e.
21. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite source laser (3) comprend :
- un générateur de faisceau laser (31 ),
- des moyens de contrôle de faisceau (35) configurés pour moduler le profil en intensité dudit faisceau laser émis par ledit générateur de faisceau laser (31).
22. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle de faisceau (35) comprennent :
- une fibre optique (32) comprenant une entrée et une sortie, apte à véhiculer un faisceau laser émis par ledit générateur de faisceau laser (31) entre ladite entrée et ladite sortie, de préférence, la fibre optique est multimode ;
- un dispositif de projection de faisceau laser (33) configuré pour projeter sur ladite pièce (2), une image du faisceau laser à sa sortie de ladite fibre optique (32).
23. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le dispositif de projection de faisceau laser (33) est configuré pour projeter ladite image dudit faisceau laser sur ladite pièce (2) avec un faisceau laser collimaté.
24. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le dispositif de projection de faisceau laser (33) est apte à ajuster un grandissement entre la section prédéterminée de fibre optique multimode prise à ladite sortie et ladite image du faisceau laser lorsque celle-ci est projetée sur ladite pièce (2).
25. Procédé selon la revendication 21 caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle de faisceau (35) comprennent :
- une lentille ménisque configurée pour modifier le diamètre dudit faisceau laser émis par ledit générateur de faisceau laser (31) en un faisceau laser modifié collimaté.
26. Procédé selon la revendication 21 caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle de faisceau (35) comprennent :
- un élément optique ayant une surface optique asphérique ou une surface optique apte à induire un décalage de phase.
27. Procédé selon la revendication 21 caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle de faisceau (35) comprennent :
- un élément optique de diffraction.
28. Procédé selon l’une quelconque des revendications 21 à 27 caractérisé en ce que ladite source laser (3) comprend en outre des moyens de focalisation (36) de faisceau positionnés entre lesdits moyens de contrôle de faisceau (35) et ladite pièce (2).
29. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il s’agit d’un procédé de trempe précédé d’un recuit et en ce qu’il comprend en outre les étapes additionnelles suivantes avant l’étape a. : g. irradier avec ladite source laser (3) au moins une portion (23) de la surface externe (22) de ladite pièce (2) 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.
30. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il s’agit d’un procédé de trempe suivi d’un revenu et en ce qu’il comprend en outre les étapes additionnelles suivantes, après l’étape f. : i. irradier avec ladite source laser (3) au moins une portion (23) de la surface externe (22) de ladite pièce (2) 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.
31. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend en outre les étapes additionnelles suivantes : j. fournir une chambre à vide et insérer ladite pièce (2) à l’intérieur de ladite chambre à vide ; k. réaliser un vide partiel dans ladite chambre à vide enfermant ladite pièce (2) inférieur à 50000 Pa, de préférence inférieur à 10000 Pa et de manière encore plus préférée inférieur à 5000 Pa.
32. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 31 caractérisé en ce qu’il comprend en outre les étapes additionnelles suivantes :
L. fournir un échangeur thermique (18) ; m. mettre en contact ladite pièce (2) avec ledit échangeur thermique (18) pendant l’étape f..
33. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 32 caractérisé en ce qu’il comprend en outre les étapes additionnelles suivantes : n. fournir un bain de liquide (19) ; o. immerger partiellement ladite pièce (2) dans ledit bain de liquide (19) pendant l’étape f., de préférence immerger entièrement ladite pièce (2).
34. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau constituant au moins partiellement ladite pièce (2) est un matériau métallique.
35. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le matériau métallique constituant au moins partiellement ladite pièce (2) est un acier au carbone, de préférence un acier comprenant 1% de carbone en poids.
36. Procédé selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de support (4) présentent un degré d’isolation thermique entre eux et la pièce (2).
37. Système pour le traitement thermique en volume d’une pièce (2) ayant une surface externe (22) délimitant son volume, ledit système comprenant :
- une source laser (3) configurée pour irradier au moins une portion (23) de la surface externe (22) de ladite pièce (2) avec une puissance et une durée d’exposition laser pour obtenir une élévation de température dans essentiellement l’ensemble du volume de la pièce (2) pour induire une modification de structure du matériau constituant la pièce (2);
- des moyens de support (4) pour supporter ladite pièce (2).
38. Système selon la revendication précédente caractérisé en ce que la source laser (3) 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.
39. Système selon l’une quelconque des deux revendications précédentes caractérisé en ce que ladite élévation de température est une élévation de température supérieure à 200 °C, de préférence supérieure à 400 °C, de manière préférée supérieure à 700 °C, de manière encore plus préférée supérieure à 850 °C.
40. Système selon l’une quelconque des trois revendications précédentes caractérisé en ce que ladite élévation de température dans essentiellement l’ensemble du volume de la pièce (2) est une élévation de température dans au moins 80%, de préférence au moins 90%, de manière préférée 95%, de manière encore plus préférée 99% du volume de la pièce (2).
41. Système selon l’une quelconque des quatre revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de support (4) présentent une surface de support pour entrer en contact avec la pièce (2), ladite surface de support ayant une aire inférieure à 10 % de ladite surface externe (22) de ladite pièce (2), de préférence inférieure à 5 %, de manière encore plus préférée inférieure à 1% de ladite surface externe (22) de ladite pièce (2).
42. Système selon l’une quelconque des cinq revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens de support (4) comprennent d’un matériau réfractaire.
43. Système selon l’une quelconque des six revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens de support (4) présentent une surface de support plane pour supporter la pièce (2).
44. Système selon l’une quelconque des sept revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens de support (4) ont une conductivité thermique inférieure à 20 W.nr1.°C 1, de préférence inférieure à 10 W.nr1.°C 1, de manière encore plus préférée a 5 W.nr1.°C-1.
45. Système selon l’une quelconque des huit revendications précédentes caractérisé en ce que ladite pièce (2) est constitué d’un matériau ayant une conductivité thermique supérieure à 15 W.nr1 °C 1 , de préférence supérieure à 35 W.nr1.0C 1 et de manière encore plus préférée supérieure à 50 W.nr1 °C
1
46. Système selon l’une quelconque des neuf revendications précédentes caractérisé en ce que le volume de la pièce (2) est compris entre 0,01 mm3 et 1 cm3, de préférence compris entre 0,1 mm3 et 500 mm3, et de manière encore plus préférée entre 1 mm3 et 100 mm3.
47. Système selon l’une quelconque des dix revendications précédentes caractérisé en ce que ladite source laser (3) est configurée pour irradier ladite portion (23) de surface externe (22) d’une pièce (2) avec un faisceau laser d’une puissance inférieure à 100 W, de préférence inférieure à 50 W, de manière encore plus préférée inférieure à 10 W.
48. Système selon l’une quelconque des onze revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend en outre une fibre optique et en ce qu’il est conçu de sorte qu’un faisceau laser issu de ladite source laser (3) est apte à atteindre par l’intermédiaire de ladite fibre optique au moins une portion (23) de surface externe (22) d’une pièce (2) supportée par les moyens de support (4).
49. Système selon l’une quelconque des douze revendications précédentes caractérisé en ce que ladite source laser (3) comprend :
- un générateur de faisceau laser (31 ),
- des moyens de contrôle de faisceau (35) configurés pour moduler le profil en intensité dudit faisceau laser émis par ledit générateur de faisceau laser (31).
50. Système selon la revendication précédente caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle de faisceau (35) comprennent :
- une fibre optique (32) de section prédéterminée comprenant une entrée et une sortie, apte à transporter un faisceau laser émis par ledit générateur de faisceau laser (31) entre son entrée et sa sortie, de préférence, la fibre optique est multimode ;
- un dispositif de projection de faisceau laser (33) apte à projeter sur ladite pièce (2), une image du faisceau laser à sa sortie de ladite fibre optique multimode (32).
51. Système selon la revendication précédente caractérisé en ce que le dispositif de projection de faisceau laser (33) est configuré pour projeter ladite image dudit faisceau laser sur ladite pièce (2) avec un faisceau laser collimaté.
52. Système selon la revendication précédente caractérisé en ce que le dispositif de projection de faisceau laser (33) est apte à ajuster un grandissement entre la section prédéterminée de fibre optique multimode prise à ladite sortie et ladite image du faisceau laser lorsque celle-ci est projetée sur ladite pièce (2).
53. Système selon la revendication 49 caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle de faisceau (35) comprennent :
- une lentille ménisque configurée pour modifier le diamètre dudit faisceau laser émis par ledit générateur de faisceau laser (31 ) en un faisceau laser modifié collimaté.
54. Système selon la revendication 49 caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle de faisceau (35) comprennent : - un élément optique ayant une surface optique asphérique ou une surface optique apte à induire un décalage de phase.
55. Système selon la revendication 49 caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle de faisceau (35) comprennent : - un élément optique de diffraction.
56. Système selon l’une quelconque des revendications 49 à 55 caractérisé en ce que ladite source laser (3) comprend en outre des moyens de focalisation (36) de faisceau positionnés entre lesdits moyens de contrôle de faisceau (35) et ladite pièce (2).
57. Système selon l’une quelconque des revendications 50 à 52 caractérisé en ce que la fibre optique multimode (32) a une longueur comprise entre 1 m et 12 m, de préférence une longueur comprise entre 2 m et 8 m.
58. Système selon l’une quelconque des vingt-et-une revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend en outre un scanner pour pouvoir diriger un faisceau laser issu de la source laser (3) sur différentes pièces (2) à tremper en volume.
59. Système selon l’une quelconque des vingt-deux revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend en outre un capteur de température, de préférence un pyromètre, pour mesurer une température de la pièce (2).
60. Système selon l’une des revendications 37 à 59 caractérisé en ce que les moyens de support (4) présentent un degré d’isolation thermique entre eux et la pièce (2).
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