en fr Study on striation generation process during laser cutting of steel Etude des mécanismes de génération des stries dans le procédé de découpe laser daciers Report as inadecuate




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1 PIMM - Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux Paris

Abstract : This study investigates the mechanism of striation generation in inert gas laser cutting of steel. In spite of its scientific and industrial importance, the mechanism has remained unknown for several decades. First, hydrodynamics of molten liquid on a kerf front is experimentally observed using a high speed video camera. Observation from the above of a sample reveals for the first time generation of melt flow instabilities from the sample surface. Unstable melt flow involves molten droplets: so called humps and melt accumulations, in the central and side parts of the kerf front, respectively. It is clearly observed that striations are generated by periodic generation and downward displacement of the melt accumulations along kerf sides. Lateral observation of a kerf front through a glass plate demonstrates that also humps in the central part can disturb the dynamics of the melt accumulations and degrade quality of striations. Then the origin of the observed instabilities is discussed. Characteristics of the melt flow instabilities observed both in the central and side parts can be explained coherently by a unique mechanism related to surface tension. We consider that striations are created by local melting of solid surface due to heat transfer from the melt accumulations. Surface roughness is theoretically predicted by a heat transfer analysis and the result roughly agrees with experimental results. Finally, using the newly revealed mechanism of striation generation, we discuss an interesting topic of cut surface quality difference between 1 and 10 microns laser wavelengths. We propose two factors which can cause the wavelength dependence: stability of melt flow in the central part and absorptivity of laser beam on melt accumulations along the kerf sides. The validity of each mechanism is confirmed by analytical modelling of related physical processes.

Résumé : Ce travail a pour objectif d-étudier les mécanismes de génération des stries habituellement observées lors de la découpe laser de l-acier, avec un gaz inerte. En dépit de son importance scientifique et surtout industrielle, l-origine de ce mécanisme est inconnue depuis la mise au point de ce procédé laser. Nous avons tout d-abord étudié expérimentalement l-hydrodynamique du métal fondu le long du front de découpe en utilisant une caméra video rapide. L-observation par la face supérieure de l-échantillon a montré pour la première fois l-origine de la génération de ces instabilités de l-écoulement du liquide métallique, qui présente deux types de discontinuités caractéristiques : la présence de - humps - dans la partie centrale de la saignée et d-accumulations de liquide, sur les côtés de la saignée. On observe clairement que les stries latérales sont générées périodiquement et résultent du déplacement vertical vers le bas, de ces accumulations de liquide produites le long des côtés de la saignée. L-observation transverse du front avant de la saignée à l-aide d-une visualisation latérale, à travers une lame de verre simulant un côté de la saignée montre également que les - humps - de la partie centrale peuvent perturber la dynamique du mouvement de ces accumulations de liquide et contribuer à la dégradation de la qualité des stries. L-origine de ces instabilités est ensuite discutée. Les caractéristiques des 2 types instabilités observées peuvent être expliquées d-une façon cohérente par un seul mécanisme lié à la tension superficielle du liquide métallique. Les stries sont ainsi créées par la fusion locale de la surface du solide en raison du transfert de chaleur à partir de ces accumulations de liquide. La rugosité finale de la surface a pu être estimée à partir d-une analyse du transfert de chaleur de ces accumulations, et est en accord satisfaisant avec les resultants expérimentaux. Finalement, à partir de ce modèle de la génération des stries, nous pouvons expliquer la différence observée de la qualité de la découpe lors de l-emploi de lasers de longueurs d-onde différentes, à 1 micron et à 10 microns. Nous mettons ainsi en avant les deux facteurs qui peuvent influencer cette dépendance avec la longueur d-onde: la stabilité de l-écoulement du liquide dans la partie centrale, qui est contrôlée par la loi d-absorption laser locale, et l-importance de l-absorption du rayonnement laser sur les accumulations du liquide le long des parois de la saignée. La validité de chacun de ces mécanismes est confirmée par une modélisation analytique des processus physiques impliqués.

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Keywords : laser cutting hydrodynamics striations

Mots-clés : découpe laser hydrodynamique stries





Author: Koji Hirano -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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