Modélisation du procédé de trempe au laser appliqué à des composantes mécaniques complexes

RÉSUMÉ: Le durcissement des aciers au laser constitue l'une des approches les pl us précises de l'industrie. Ce procédé de traitement thermique requiert le développement de recette d'application pour accommoder chaque type de composante mécanique à traiter. Cette étude se concentre sur la modélisation et la simulation des flux thenniques issue de l'interaction d'un laser avec une pièce d'acier. On y développe une fonction numérique permettant de modéliser automatiquement et avec précision un faisceau laser parcourant des surfaces complexes, telle que la denture d'une roue dentée. L'étude se concentre sur la modélisation par éléments finis du procédé de trempe au laser. Deux approches de modélisation sont mises sur pied et permettent de simuler des situations simples sous le logiciel COMSOL. Ces approches sont validées numériquement en reproduisant les essais d'études tierces. La fonction numérique est développée sous le logiciel MATLAB en se basant sur l'une de ces approches. Elle est élaborée afin de modéliser le passage du laser sur les surfaces variables d'une géométrie 3D tout en incluant les déformations du faisceau laser et les variations du coefficient d'absorption en fonction des conditions d'interaction laser/surface.
\nLa fonction est validée à l'aide d'une série d'expérimentations utilisant un laser fibre et des spécimens en acier AISI 4340. On y observe du même coup la dynamique du coefficient d'absorption sous différentes conditions d'opération et d'angle d'incidence. Les essais sont validés sur la base des températures de surface et sur les dimensions des zones durcies. Les modèles développés pennettent de prédire avec un écart relatif d'environ 2% la profondeur et la largeur des zones trempées. Ces essais sont également l'occasion de mettre à l'épreuve la trempe autogène rendue possible grâce aux caractéristiques du laser. En dernier lieu, nous démontrons le potentiel de la fonction numérique développée en utilisant celle-ci pour simuler la trempe sur la denture d'une crémaillère. Il est démontré qu'en ajustant la puissance de manière adéquate, nous sommes en mesure d'obtenir une trempe uniforme tout au long de la denture. -- Mots clés: laser, trempe, modélisation, roue dentée, éléments finis, déplacement du faisceau laser, coefficient d'absorption, AISI 434. -- ABSTRACT: Lasers are ideal tools for various material processing. Inherent characteristics of light energy allow an easy control over the delivery and thus provide high-quality results. Due to the recent technological advances, transformation hardening with laser have seen a growing interest. Each part to be heat treated by laser require the development of recipes in order to achieve desired resuIts. Numerical modeling allows to simulate the process with great accuracy, thus reducing the need of experiments. This study focuses on the modeling and simulation of thermal fiow resulting trom the interaction between laser beam and workpiece. A numerical function is developed to accurately and automatically model a laser beam traversing complex surfaces, such as the gear tooth. First, a literature review covers the modeling of laser hardening. It reviews the different technics, factors inherent within the process and the state of CUITent knowledge. A particular interest is done over the laser hardening of AISI 4340 steel and on application of the process on small spur gears. Subsequently, the basic princip les of the process are exposed as wells as the parameters and mechanisms that are taking place. After this overview, the study focuses on numerical modeling using finite-element method. Two modeling approaches are established and used to simulate simple situations with COMSOL software. These approaches are numerically validated by reproducing tests found in literature.
\nThe numerical function is developed in MATLAB based on one of these approaches. lt is developed to model the passage of the laser on the surface of a 3D component while including deformations of the laser beam and the variations of the absorption coefficient according to the conditions of interaction laser / surface. The function is validated by a series of experiments using a fiber laser and fiat specimens made of AISI 4340. We observe the dynamics of the absorption coefficient un der different operating conditions (power, speed and incidence angle). The tests are validated based on surface temperatures and the dimensions of the hardened zones. The developed models can predict the size of the treatment with a relative error of 2%. These tests are also an opportunity to verify the self-quenching capabilities of AISI 4340 made possible by the inherent characteristics of the laser process. -- Keywords : laser, hardening, spur gear, numerical modeling, finite element method, moving heat source, AISI 4340.

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