Brevet FR2236614A1 — publié le 19750207

L'invention, concernant le travail de matières au laser, est plus spécifiquement relative à un procédé pour amener, au moins temporairement, une matière dans un état d'absorption de l'énergie optique et à son application pour le traitement de la matière. Le traitement de matières au moyen du laser est déjà connu depuis plus de dix ans. Ce sont, en particulier, les lasers spécialement conçus à cet effet compte tenu de leurs propriétés d'usinage, de découpage et de perçage, ainsi que de brasage, de soudage ou d'enlèvement de matière, surtout dans le domaine de la micro#écanique et de la micro-électronique, qui paraissent convenir Néanmoins, souvent, il est impossible pour un traitement déterminé, de mettre en oeuvre une installation à laser d'une façon économiquement satisfaisante, ou d'utiliser le type de laser ayant le meilleur rendement. La raison en est l'interaction de la matière et du rayonnement, en particulier quant au comportement à l'absorption de la matière à traiter lors du rayonnement laser incident. Au cas où une matière est soumise au rayonnement, on sait que la somme de son absorption, de sa réflexion et de sa transmission est égale à 1. Ces trois propriétés dépendent toutefois dans une grande mesure de la longueur d'onde, c'est-à-dire qu'une matière donnée, telle que le verre, peut présenter une forte absorption dans le cas où le rayonnement laser est de grande longueur d'onde, par exemple de 10,6 ,~~ pour le laser au C02, tandis qu'elle peut être pratiquement transparente pour une longueur d'onde plus courte, de 0,693 e par exemple dans le cas du laser à rubis, ou bien très ré fléchissante pour des longueurs d'onde encore plus courtes. La grandeur déterminante lors du traitement d'une matière est 1'absorption du rayonnement incident ; elle doit dans tous les cas être aussi grande que possible afin d'atteindre un rendement élevé, voire d'obtenir un effet quelconque. Une adaptation et une utilisation optimales d'installations à laser sont cependant rarement possibles en raison de l'absorption différente pour des longueurs d'onde différentes Pour percer des trous fins dans des diamants par exemple, il est nécessaire de choisir un rayonnement laser à courte longueur d'onde, car l'aptitude à la mise au point, c'est-à-dire le diamètre des rayons au foyer, est proportionnelle à la longueur d'onde.C'est précisément dans l'intervalle de ces longueurs d'onde,de la lumière visible et de l'infrarouge proche, que la transparence du diamant est très élevée, c'est-à-dire que l'absorption est très faible, ce qui se traduit par la nécessité de dépenser une forte énergie à chaque coup pour obtenir un effet Il est en principe possible d'obtenir une certaine absorption initiale par rev8- tement, mais cette méthode implique une opération supplémentaire, tout en n'étant pas toujours très efficace ni bien reproductible. Pour le découpage ou le perçage de métaux, en particulier s'il s'agit d'un volume de traitement relativement important, il serait très souhaitable d'utiliser un laser au C02 dont le rendement est de loin supérieur à celui d'un laser à solide. Le métal est toutefois fortement réfléchissant pour la longueur d'onde du rayon du laser au COS - 10,6A4 - ce qui signifie que l'absorption sera très faible, ainsi que, par conséquent, le rendement global. Il découle déjà de ces deux exemples arbitrairement choisis qu'une adaptation économiquement et techniquement optimale d'installations à laser à un type de traitement et à une matière déterminés peut être très difficile, voire impossible. En outre, il n'existe que relativement peu de types de laser pour le traitement de matières, étant donné que celui-ci exige p-arfois une puissance ou une énergie considérable. Un objet de la présente invention consiste à fournir un procédé permettant d'obtenir une grande absorption du rayon laser incident, cette absorption étant pour l'essentiel indépendante de la longueur d'onde de ce rayon laser. On y parvient en mettant à profit un effet jusqu'à présent non connu, c'est-à-dire par le-changement d'état, au moins temporaire, d'une matière pour l'amener dans un état ce d'absorption de l'énergie optique, et/en la soumettant à l'action d'une impulsion de commutation laser présentant les trois propriétés suivantes a) temps de montée tcommut inférieur à 1 # s b) intensité Icommun supérieure à 107 W/cm2 c) durée de l'impulsion Tcommut inférieure à 10,4 s Le procédé conforme à l'invention peut être appliqué à tous les domaines du traitement de matières, tels que perçage, découpage, enlèvement de matière, soudage, brasage et traitement de surface, tel que trempe et revenu et revetement de matières. Un avantage essentiel réside dans la possibilité o-fferte par ce procédé d'adapter le type de laser au mieux quant à l'aptitude de mise au point (diamètre minimal du foyer), au rendement ou à d'autres paramètres dépendant de la longueur d'onde. Un autre avantage réside dans la possibilité de réaliser une forte réduction du besoin total d'énergie grâce à la forte absorption de 1 1impulsion de travail proprement dite suivante. Ce procédé conforme à l'invention offre en outre pour la premiere fois la possibilité d'utilisation économiquement rentable de lasers pour des traitements dbterminés, telle que l'utilisation d'un laser au C02 pour le perçage de trous dans des métaux normalement fortement réfléchissants. Le procédé conforme à 1 'invention sera décrit ciaprès à l'aide d'exemples non limitatifs. liin de simplifier la description, on a divisé les types de traitement en deux groupes différents. Pour le premier groupe, c'est-à-dire lors de l'en lèvement de matière, de perçage ou de découpage, la matière est vaporisée, tandis qulil suffit de la chauffer lorsqu'il s'agit du deuxième groupe de traitements, tels que soudage, brasage, etc... Les deux groupes ont en commun la préparation de l'absorption par une impulsion de commutation. Afin d'obtenir un effet approprié, il faut que le temps de montée de cette impulsion, tCommut2 soit inférieur à lr s et que son intensité 'commut' atteigne une certaine valeur dépendant de la matière et de la nature de sa surface, ainsi que de la longueur d'on#e du rayon laser. On a trouvé par voie expérimentale que la valeur de- l'intensité, nécessaire pour amener la surface d'impact de la matière à l'état d'absorption, est supérieure à 107 W/cm2.Malgré cette intensité élevée, il suffit d'un faible apport d'énergie, étant donné la courte durée de l'impulsion qui est inférieure à 10 s. Pour un diamètre du rayon au foyer de 0,1 mm par exemple, l'énergie correspondante est inférieure à 1 mJ. L'état d'absorption créé par cette impulsion à l'endroit correspondant reste maintenu pendant la durée Tabsorption, qui est fonction de la longueur d'onde du rayon et de la matière. Pour les matières étudiées jusqu a présent, la durée Tabsorption est comprise dans un intervalle de quelques #s à 10 ms. Pendant la durée Tabsorption la matière peut être traitée au moyen d'une impulsion de travail adaptée ou d'une séquence d'impulsions. Après l'écoulement de la durée Tabsorp- tion il faut rétablir l'état d'absorption au moyen d'une nouvelle impulsion de commutation. Il existe cependant aussi des cas où la première séquence de traitement a eu pour effet de renforcer l'absorption dans une mesure telle qu'-aucune impulsion de commutation ultérieure n'est nécessaire. Dans les cas du traitement d'endroits différents, tel que découpage ou soudure en continu, il faut évidemment commencer chaque fois par envoyer une impulsion de commutation l'impulsion de travail, qui doit succéder à l'impulsion de commutation pendant la durée Tabsorption, peut désormais être adaptée d'une façon optimale à chaque problème, tandis que l'intensité de l'impulsion de commutation doit être calculée de manière à atteindre d'une part l'état dlab- sorption, mais à éviter d'autre part toute éjection de matière. REVEN#I CÂTIONS 1. Procédé de changement d'état, au moins temporaire, d'une matière pour l'amener dans un état d'absorption de l'énergie optique, caractérisé par le fait que la matière est soumise à l'action d'une impulsion de commutation laser présentant les trois propriétés suivantes a) temps de montée tcommut inférieur à 1 s b) intensité Icommut supérieure à 107 W/cm2 c) durée de l'impulsion commut inférieure à les 2.Application du procédé selon la revendication 1 pour le traitement de matières, caractérisée par le fait que l'impulsion de commutation laser est suivie, avant l'écoule ment de la durée #absorption pendant laquelle la matière absorbe l'énergie optique, d'une impulsion laser ou d'une séquence d'impulsions laser servant au traitement de la matière. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'énergie de l'impulsion de commutation mentionnée est si faible qu'il ne se produit aucune éjection de matière. 4. Application selon la revendication 2, caractérisée par le fait que le traitement de matières est constitué par du perçage et du découpage. 5 Application selon la revendication 2, caractérisée par le fait que le traitement de matières est constitué par la fusion de matière. 6. Application selon la revendication 2, caractérisée par le fait que le traitement de matières est constitué par du soudage et du brasage. 7. Application selon la revendication 2, caractérisée par le fait que le traitement de matières est constitué par une opération de trempe. 8. Application selon la revendication 2, caractérisée par le fait que le traitement de matières est constitué par un traitement de surface. 9. Application selon la revendication 8, caractérisée par le fait que le traitement de surface est constitué par une opération de trempe. 10. Spplication selon la revendication 8, caractérisée par le fait que le traitement de surface est cons titué par une opération de revenu. 11. Application selon la revendication 8, caractérisée par le fait que le traitement de surface est constitué par un revêtement d'autres matières.