In-situ deformation monitoring during laser welding using single time-gated camera stereo-DIC
Cette étude présente une méthode de corrélation d'images numériques (DIC) stéréoscopique à caméra à déclenchement temporel unique qui supprime efficacement le rayonnement intense du plasma et de la chaleur pour permettre une surveillance de la déformation en temps réel et en plein champ lors du soudage laser d'alliages de Ti6Al4V, surmontant ainsi les limitations de surexposition des systèmes DIC à lumière bleue conventionnels et fournissant des données critiques sur l'évolution de la déformation et les effets de contrainte aux limites.
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Le titane est un métal que les ingénieurs adorent pour sa force et sa légèreté, ce qui en fait un favori pour la construction d'avions, de sous-marins et d'engins spatiaux. Cependant, l'assemblage de pièces de titane est une affaire délicate. Lorsque le métal est chauffé à des températures extrêmes pour le faire fondre et fusionner, il se dilate, puis se contracte en refroidissant. Ce cycle crée des forces internes invisibles appelées contraintes résiduelles. Si ces forces ne sont pas comprises et contrôlées, elles peuvent déformer la pièce finale ou provoquer des fissures sous la pression plus tard dans sa vie. Pour remédier à cela, les scientifiques doivent observer le mouvement du métal en temps réel pendant qu'il est soudé, en capturant exactement comment il s'étire et se contracte. Le problème est que le processus de soudage est aveuglant de luminosité. Le laser utilisé pour faire fondre le métal crée un nuage de gaz surchauffés et de plasma qui émet une lumière intense, éclipsant toute caméra tentant de prendre une photo. C'est comme essayer de lire un livre pendant que quelqu'un vous éclaire directement dans les yeux avec une lampe torche surpuissante ; les détails de la page disparaissent simplement.
Des chercheurs de l'Université Beihang et de l'Académie chinoenne des sciences ont développé une nouvelle façon de voir à travers cet éblouissement aveuglant. Ils ont créé un système utilisant une caméra spéciale capable de prendre des photos en une fraction de seconde minuscule, assez rapide pour ignorer la lumière continue et aveuglante du plasma de soudage. Au lieu d'essayer de bloquer la lumière avec des boucliers physiques, ce qui masquerait la zone même qu'ils veulent étudier, ils utilisent un tour de timing. Ils illuminent le métal avec un laser bleu qui clignote pendant seulement 150 nanosecondes — un temps si court qu'il est presque instantané. La caméra est synchronisée pour ouvrir son obturateur pendant ce même bref instant. Comme la lumière aveuglante du plasma est continue et que le flash du laser est si court, la caméra ne capture que la réflexion claire du laser bleu provenant de la surface du métal, tandis que l'éclat écrasant du plasma reste effectivement invisible. Cela leur permet de voir le motif de moucheture peint sur le métal et de suivre son mouvement avec une grande précision, même lorsque la température près de la soudure dépasse les 2 000 degrés Celsius.
Pour tester cette méthode, l'équipe a soudé deux plaques d'alliage de titane ensemble, un matériau connu sous le nom de Ti6Al4V, largement utilisé dans l'aérospatiale. Ils ont mis en place l'expérience de deux manières différentes : une où les plaques de métal étaient maintenues rigidement en place par un serre-joint, et une autre où les plaques étaient libres de bouger pendant qu'elles refroidissaient. À l'aide de leur nouveau système à caméra unique, ils ont enregistré des milliers d'images tandis que le laser se déplaçait le long de la soudure. Dans une comparaison directe, un système de caméra standard utilisant la lumière bleue a échoué immédiatement, les images devenant complètement blanches et inutilisables dès que le soudage a commencé. En revanche, le nouveau système a produit des images claires et nettes tout au long du processus, du moment où le laser a touché le métal jusqu'à la longue période de refroidissement qui a suivi. Les chercheurs ont pu cartographier toute la surface du métal, observant comment il se dilatait en chauffant et comment il se contractait en refroidissant.
Les résultats ont montré une histoire claire de la façon dont le métal se comporte. À mesure que le laser se déplaçait, la zone directement devant lui se dilatait à cause de la chaleur, tandis que la zone derrière lui commençait à se contracter. Les chercheurs ont observé que le métal s'étirait dans la direction de la soudure et qu'il se contractait également vers l'intérieur sur les côtés. Lorsque le métal était maintenu par un serre-joint, le mouvement latéral était restreint, entraînant une distorsion globale moindre. Lorsque le métal était libre de bouger, il se contractait plus significativement, résultant en des déformations finales plus importantes. Cela a confirmé que le maintien du métal en place modifie la façon dont la contrainte se construit et se stabilise. L'étude prouve que cette technique de caméra à déclenchement temporel peut capturer avec succès l'historique complet de la déformation lors du soudage laser, une tâche auparavant impossible en raison de l'intensité de la lumière. En fournissant des données claires sur la façon dont le titane bouge et change de forme pendant le processus, cette méthode offre un moyen fiable de vérifier les modèles informatiques et d'améliorer la fabrication de composants critiques, garantissant que la prochaine génération d'aéronefs et de navires de haute mer reste sûre et durable.
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