Brevet FR2467656A1 — publié le 19810430

- 1 - La présente invention a pour objet un procédé d'élimination de la rouille. L'élimination de la rouille est une nécessité inéluctable si l'on veut assurer une protection de longue durée contre la corrosion. Lorsque l'on se contente d'ap- pliquer eur la rouille une couche deprotection il subsiste de l'oxygène dans la structure lache, très peu dense, de la rouille qui n'a pas été retirée. Sous la couche de protection cet oxygène forme, malgré la présence de cette couche qui s'oppose à l'arrivée d'oxygène supplémentaire, un surcro t de rouille qui, par suite du volume plus grand qu'elle occupe, finit par faire sauter la couche de pro- tection. En pratique il faut donc retirer la rouille. Jusqu'à présent la transformation de celle-ci par voie chimique ou autre ne réussit pas toujours avec une certi- tude suffisante. Les procédés habituels d'élimination de la rouille sont le sablage, qui l'enlève, le brflage à la flamme, qui la fait sauter, le brossage manuel et l'attaque par des acides. Tous ces procédés sont ou bien polluants, ou bien pénibles, parfois les deux, à cause du dégagement de poussière ou de vapeurs, d'effluents acides ou autres, etc. Chacun de ces procédés connus présente en outre des inconvénients qui lui sont inhérents. Le problème auquel l'invention apporte une solution était de créer un procédé d'élimination de la rouille qui, par rapport aux procédés connus, améliore les conditions de travail, évite toute pollution de l'environnement et présente d'autres avantages mentionnés plus loin. Pour résoudre ce problème leinvention a conçu un procédé suivant lequel l'élimination de la rouille est opérée en soumettant la surface rouillée à un rayon laser. Ce procédé est inoffensif aussi bien pour ceux qui le mettent en oeuvre que pour lVenvironnement. Il est% dans une très large mesure, dépourvu de nuisance; les produits d'évaporation ne g nent en rien et peuvent d'ail- - 2 - leurs être aspirés pratiquement en totalité avec un équi- pement réduit. Le rayon laser peut être dirigé avec une grande précision et ainsi 8tre utilisé sans mettre en danger des parties environnantes. Il permet d'obtenir des surfaces métalliques extrêmement brillantes, et ce sans effet néfaste sur la structure du métal et sans perte notable de métal. Ce dernier avantage constitue un aspect important de l'invention. L'emploi d'un rayon laser fait craindre que la chaleur qui suffit à vaporiser la rouille ne provoque aussi la fusion du métal ou sa vaporisation. Pourtant, cela peut 9tre empoché, en calculant convena- blement l'énergie fournie, par la différence extrAme entre la conductibilité thermique de la rouille et celle du métal. Le même rayonnement qui porte la rouille à tempé- rature de vaporisation n'engendre dans le métal qu'une température beaucoup plus basse, en tout cas lorsque ce rayonnement est de courte durée, laisse à la chaleur 1' casion de s'évacuer suffisamment dans l'intérieur de la pièce en métal et n'épuise pas sa capacité thermique. Si la conductibilité thermique de la couche d'oxyde est grande et si cette couche est si proche du métal que de ce fait son coefficient de transfert thermique à celui-ci soit si élevé que cette couche d'oxyde, par suite de la conduction thermique dans le coeur du métal, ne se vaporise pas da- vantage que le métal sous l'effet de l'énergie appliquée, c'est que cette couche d'oxyde est très dense et dépourvue d'oxygène libre et que, par conséquent, on peut appliquer directement sur elle la couche d'agent de protection. L'invention inclut ces constatations dans le champ de pro- tection délimitée par les revendications. Une forme d'exécution avantageuse de l'invention consiste à effectuer le rayonnement par impulsions. Cette façon d'opérer reste dans l'esprit de ce qui précède, faci- lite de plus l'évacuation des produits de la vaporisation -en même temps que la chaleur- entre impulsions successives et permet, pendant la durée de chaque impulsion, une p3uissance- -3 - accrue de l'appareil d'émission du rayon laser par compa- raison avec la puissance fournie par celui-ci en rayonne- ment continu. Chaque impulsion doit, pour 8tre efficace, avoir une durée comprise entre 1 et 100.se tandis que des valeurs d'énergie comprises entre 1 et 5 Ws par impulsion dQnnent de bons résultats avec une fooalisation sur une surface dont l'aire est de préferenoe comprise entre 0O3 et 2,0 cm2. Quant à la frquensce des impulsionst il y a intfr t à ce qu'elle soit de l'ordre de 1 100e lz, de...e entre 100 et 500 Ez. Dans une for5,:j e..... Dans une ThM d3Xou:lon plus élabo res i li vention le eayo eent Gs' op6 e prsence7 d'un ou plu- sieurs cor.ps qui de iee oo dition eengendrées pa2 le lasere rGzdew9 p ass!a la. surface metQlliqu.e dbazaséee do; 1ou2ile 9/ou oe e tele-ci dzune coouoeh oo'ew clra,'Oe duits de la io entr co ou oca oo2ps et le. aio du0 gs 6-ete 'ag o 1. teEpGrtuse o9lm nt ' -',) lre7 %:euei!e 9 dcautes óondiioo.e _s _a els Jlo.,'e atmoshPde îDlaEFLaoî ezOed$!o 0-sz ia Misse o uvr raloi le% d.e duaute:s ooiiouies': r-G7fô'îiz8i 0Xi-éa7% drZn. ca q.1È(ueo ilEl'uOt1rS' par ezemple aonu, que de e atmtsphee de - plasma ueuvrewd oe f des _31'îx libesl:Bc, en' ectifSo nKS a .ceable eeDm- ' il s' p tfa ble de lims-itesd 9e,1 trbar q @"3em pos.:G3_gi (3É! la.o _",.2.a' .@q"S _0( G@ v- ç'oefc' e P9omatioe- Ide Dilasac oaz= le m-yo: 9). 7., essf t t9'rop 'Zo.,t'Bfee,.93O2ac lc 'sue la deosit da. oie61i o,libres.. 3 ' 7i7s2';903t!i!@Rf Gé 33e--"Scy.tlnpOus nas US prceO:FeUeoL S les o3 peaxeo De.ayo s.emet u50%% :Se.e psegoiteur de} Peuoe sous ' gas zSduotc OutPes le fait oea tel gas sopost & ue ozyda'tiou- il peuti eev eyj2cï eo teps 0ev yacue pàfag es produû itl d la vaporisattion e9 d06entuels produite de r6actiouo - 4 - Il a en outre été constaté qu'en utilisant une atmosphère réductrice un effet surprenant pouvait 8tre obtenu et mis à profit; cet effet est qu'il suffit d'une faible dépense d'énergie pour obtenir une surface métal- lique brillante. Alors qu'en atmosphère oxydante il se forme facilement sur la surface métallique une couche de magnétite adhérente qui ne se vaporise qu'à une tempéra- ture beaucoup plus élevée que la rouille, la magnétite qui se forme dans den conditions réductrices est plus lâche et peut 8tre aisément enlevée, par brossage. La mince couche de magnétite dense peut toutefois, étant donné qu'elle ne renferme pas d'oxygène libre, être laissée et recouverte d'une couche protectrice. Une autre possibi- lité serait de l'éliminer par voie chimique, étant donné qu'elle est très mince. Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention pourra en règle générale comporter, à la. sortie du rayon laser émi.s par un générateur, un capot sous lequel débouche au moins une arrivée pour le gaz protecteur et/ou pour au moins un corps de traitement de surface du métal. L'espace sous le capot peut également être raccordé à un système. d'aspiration. En outre, il est utile que le dispositif soit muni d'un système de guidage et/ou de focalisation du rayon adapté à l'opération d'en- lèvement de la rouille. Il est recommandé d'utiliser un générateur de rayon laser à gaz à la pression atmosphé.ique à stimulation transversale. Un tel générateur peut 9tre construit sous un faible volumes peut émettre par courtes impulsions et a un coefficient de rendement relativement bon (10 %). L'invention est applicable dans tous les cas o il s'agit d'éliminer de la rouille, notamment pour rem- placer le procédé de sablage utilisé jusqu'à présent. Par rapport à ce procédé connu, le procédé selon l'invention p*dsente surtout l'avantage de n'exercer sur les surfaces traitées aucun effort mécanique indésirable. - 5 - L'invention est expliquée plus en détail ci-après à l'aide d'essais effectués à titre d'exemples, au moyen d'un émetteur de rayon laser à 02 a la pression atmosphé- rique et à stimulation transversale. Cet émetteur fut réglé pour fournir des impulsions d'une durée de 1 s se décomposant en un pic d'impulsion d'une durée de 0,ls suivi d'un temps de déclin. L'énergie de sortie des im- pulsions était de 3 Ws, la puissance dans le pic était de l'ordre de 30 MW. Le rayon fut focalisé sur une surface de 8 x 8 mm. La puissance du pic avait ainsi une densité d'environ 47 MW/cm2, l'énergie de l'impulsion une densité d'environ 5 Ws/cm2. Dans ces conditions une surface de 8 x 8 mm représentait un optimal. La densité de la puis- sance ne doit pas tre trop forte, afin d'éviter une trop grande perte d'énergie dans l'air par les phénomènes d'io- nisation qui se produiraient fortement. Les essais furent effectués à l'air, sous atmosphère protectrice (argon) et sous gaz composé de 80 à 90 % d'argon et de 20 à 10 % d'hydrogène. Les objets soumis aux essais représentaient un échantillonnage d'un stock de vieux métaux: - tube & quatre pans en acier, légèrement rouillé et avec des restes de peinture antirouille, - tube en acier pour conduites d'eau, moyennement rouillée, tube en acier coulé fortement rouillé, - b81e d'acier moyennement rouillée. La rouille a pu, par le procédé selon l'invention, tre éliminée de tous des échantillons - Le taux d'enlèvement de la rouille (nombre d'im- pulsions nécessaires pour éliminer complètement la rouille d'une surface de 1 cm2) s'est révélé 9tre très indépendant de la nature du matériau et n'être déterminé essentiellement que par le degré d'attaque par la rouille. Il fallut: 1 à 3 impulsions pour une rouille légère, - 6 - 2 à 5 impulsions pour une rouille moyenne, à 20 impulsions pour une forte rouille. Un examen métallographique n'a révélé aucune modi- fication indésirable due au rayonnement laser. L'échan- tillon examiné a présenté seulement une légère décarboni- sation tout près-de la surface. En concordance avec cette observation des composés FeC ont pu être décelés par radio- graphie. La texture superficielle des échantillons débar- rassés de leur rouille était variable. Celle du tube à quatre pans était brillante, celle du tube à eau, de même que celle de la t8le, rev9tue d'une mince couche de magné- tite très adhérente (à remarquer que la couche de rouille avait complètement disparu après 3 impulsions). Cette couche de magnétite n'a pu, dans ce cas, être éliminée davantage, même en augmentant la densité de la puissance par diminution de la surface irradiée. Elle devrait pour- tant pouvoir être éliminée en augmentant davantage la puissance du rayonnement. L'analyse par diffraction aux rayons I a montré la présence dans cette couche de magnétite de résidus de FeOOH (rouille) et de faibles traces d'un composé Fe-C non stoechiométrique. Les résultats présentés ci-dessus se rapportent à des essais effectués dans l'air. Lorsque le matériau de l'échantillon sur lequel une coubhe de magnétite se forme en présence d'air fut soumis à un courant de gaz lors de la radiation, il se forma non plus une couche de magnétite très adhérente mais des Ilots de magnétite très peu adhérents et qu'un simple brossage put éliminer. Considérés dans leur ensemble les résultats per- mettent de conclure qu'un émetteur laser d'une puissance moyenne de par exemple 1200 kW devrait 8tre envisagé pour la mise en oeuvre pratique du procédé. L'énergie des im- pulsions pourrait être de 3 Ws, leur fréquence par exemple -7 - 400 Hz. Pour une rouille d'un degré moyen il faudrait alors & peu prés 4 impulsions par cm2, soit une capacité horaire de 36 m2. Pour assurer la fréquence d'impulsions désirée l'émetteur devrait ttre muni d'un système refroidisseur de gaz. Dans ce but un soufflage à courant transversal pourrait être installé par exemple sur la chambre de dé- charge du laser, le gaz de ce dernier pouvant alors, en circuit fermé, 8tre dirigé vers un refroidisseur externe. Les dimensions de l'émetteur laser pourraient alors 8tre environ 120 x 60 z 80 cm et son poids ne devrait pas dé- passer 250 kg. Pour différents cas deapplication il pourrait tire prévu des accessoires tels que des systèmes optimisés de guidage du rayon, ainsi que des accessoires manuels spé- ciaux, permettant d'adapter lVetteur à des t&ehes di- verses. Un système de gidge du. r2ayo susceptible dt$tre utilise est par exaemprle u! tube iZe aveZ uME d6Viation à angle droit,.. Dans ce cas 0objet 'D traiter doit âtro dé- placé scn 1 'úoye aSeo0,% vaants il pou.l.rai'. ' s pr6vu.m systèew mobl de reidage du rzayon avec des amiroi> Clee'u. e 3s, e r es ou ecEore t.n système de ] aJ:agle,. miroti o il3'f po u.r cofvrir rapidemen$ des Z, OYSIO ié 2ocaX sa'mon Có xrayon pourrait 8i;zs -J,. a.;e soire u.sl à lei _s de ':oca!Lisation {!ogn 2 je? ',:, UU a;,_'' 0., i O nt l:O. az du. iaser' Kr:! e! com.po sye mob lede S.n, a--l {xe>M con d. etuareil DxYuXvanb, r-).S wE' (i5''' fUC:t4 b e2 oC;e le>s-zn orco RsS3 z selo l -Bin ve-^- en 'Ge e'-1r dac vin Lt& 'O'. mobile idc du;0,0,n.Ct -8- - la figure 2 illustre à plus grande échelle un embout. Pour former le système de guidage du rayon, une série de coudes 1, dans lesquels sont disposés des miroirs déflecteurs 2 (un seul a été représenté), sont reliés entre eux par des tubes 4 par l'intermédiaire de raccords tour- nants 3. Ce système de guidage est relié par une de ses extrémités 5 à la sortie du rayon d'un émetteur laser, tandis qu'à son autre extrémité 6 on fixe un embout 7 (fig. 2). Cet embout 7, dont les parties qui servent à le raccorder à la dite extrémité 6 n'ont pas été repré- sent6o8 comporte un système de focalisation avec une len- tille 8 pour le rayon 9, afin que ce dernier couvre, immé- diatement après la sortie conique 10 de l'embout, l'aire désirée sur la surface rouillée 11, par exemple d'une t81e. L'embout 7 est traversé par un conduit 12 d'amenée de gaz protecteur et pAr un conduit 13 d'aspiration. Le conduit d'amenée 12 débouche à l'extrémité de l'embout 7, en affleu- rement avec celle-ci. L'entrée du conduit d'aspiration 13 se trouve en retrait, dans la paroi latérale extérienre de l'embout, dans le champ de l'extrémité arrière d'un capuchon 14 en forme de soufflet entourant l'embout. A sa partie avant ce capuchon peut ftre maintenu par des raidisseurs, comme esquissé en 15; en pratique cependant il est fixé à des entretoises 16 en forme de tiges réglables en po- sition dans des supports 17 fixés Rigidement à l'embout 7 et qui, en prenant appui par leurs extrémités sur la sur- face à traiter 11, maintiennent l'embout 7 et son capuchen 14 à la distance voulue de la surface 11. -9' PEVENDICATIONS 1. Procédé d'élimination de la rouille, remarquable en ce qu'il consiste à soumettre la surface rouillée à un rayon laser. 2. Procédé selon la revendication 1, remarquable en ce que la radiation est effectuée par impulsions dont la durée est de pr6fArenoe comprise entre 1 et 100,s. 3. Procédé selon la revendication 2, remarquable en ce que la radiation est effectuée avec une émission d'é- nergie comprise entre 1 et 5 Ws parimpulsion, avec une focalisation sur une surface dont l'aire est comprise de preéférence entre 0,3 et 2,0 cm2. 4. Procéd6 Selon la revendication 2 ou 3, remarquable en ce que la radiation est effectuée avec une fréquence d'impulsions comprise entre 1 et 1000 Hz, de préférence entre 100 et 500 Hz. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, remarquable en ce que la radiation est effectuée sous gaz protecteur, de préférence sous gaz séducteur. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que la radiation est ef- fectuée en présenoe d'au moins un corps qui, dans les conditions engendrées par la radiation, rend passive la surface métallique débarrassée de sa rouille et/ou la revit d'une couche protectrice. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des--revendications 1 à 6v remrar quable en ce qu'un appareil laser, de prééfrenoe h gaz à la pression atmosphérique à stimulation trasversale, comporte à la sortie (7,10) du rayon un capuchon (14) au-dessous duquel débouche au. moins une arrivée de gaz protecteur (12) et/ou oau moins d'un corps de traitement de surface du métal. 8. Dispositif selon la revendioation 7, remarqunble en ce que l'espèce sous le capuchon (14) est relié à un système d'aspiration (15). - 10 - 9. Dispositif eelon la revendication 7 ou 8, remar- quable en ce qu'il comporte un système de guidage du rayon (1 à 6) et/ou de focalisation du rayon (7,8) conçu pour effectuer l'élimination de la rouille.