Modélisation de l’interaction laser-matière appliquée au soudage laser avec COMSOL Multiphysics®

Mots-clés

Interaction laser/matière, électromagnétisme, équation de Maxwell, modélisation, thermique, modèle analytique
 

Contexte / Objectif

Dans différents procédés de fabrication tels que le perçage, la découpe ou le soudage, une source laser est utilisée dans le but d’atteindre des densités d’énergie très élevées (de l’ordre du ) et une fusion localisée des matériaux. L’interaction laser-matière et la quantité d’énergie déposée à la surface dépendent fortement de l’absorptivité du milieu, de l’angle d’incidence du faisceau sur la paroi ou encore de la géométrie de la cavité formée.

Dans le cadre du soudage laser, le client souhaite obtenir une répartition spatiale de la densité d’énergie au cours du temps et du champ de température résultant, afin d’accroître sa maîtrise du procédé.
 

Réalisations de SIMTEC / Résultats

Une stratégie de modélisation est établie entre le client et SIMTEC. Deux types d’approche sont développés pour modéliser le problème de la source laser sous COMSOL Multiphysics®:
 

  • Modèle analytique

La première méthode s’inspire d’un modèle analytique déterminant une absorptivité équivalente de la cavité irradiée en fonction de la surface d’ouverture et de l’angle d’ouverture ainsi que de la surface totale .

Cette méthode permet d’obtenir un premier ordre de grandeur satisfaisant de la puissance déposée au cours du temps, en prenant en compte de manière globale le phénomène de réflexions multiples au sein de la cavité. Cependant, elle ne permet pas de déterminer la répartition locale de la puissance déposée et ne s’applique qu’à des topologies de cavité simplifiées.
 

  • Modèle électromagnétique

Dans le but de modéliser plus finement la répartition de densité d’énergie déposée en surface de la cavité, le comportement spécifique d’une onde laser est résolu via les équations de Maxwell. A une fréquence fixée, le champ électrique au sein de la cavité est illustré ici, montrant les réflexions de l’onde incidente sur les parois. Le couplage avec la thermique est également réalisé, permettant de d’obtenir une estimation locale du champ de température et de répondre ainsi au cahier des charges du client.

 

Deux approches numériques permettant de décrire l’interaction laser/matière ont donc été développées et implémentées au sein du logiciel COMSOL Multiphysics® en partenariat avec le client. En fonction du niveau de précision requis, l’approche analytique ou l’approche thermo-électromagnétique peut donc être désormais utilisée pour quantifier le dépôt d’énergie par laser.