Brevet FR2821777A1 — publié le 20020913

Etat de la technique La présente invention concerne un procédé d'enlèvement de dépôts de matière formés par un usinage par laser. Lors de l'usinage avec un laser notamment de matière métallique, on injecte localement une quantité d'énergie importante dans la matière usinée ; cette énergie produit la fusion et le cas échéant la vaporisation du métal ou de l'alliage. La quantité de matière vaporisée et/ou fondue est habituellement refoulée de la zone d'usinage par l'apport d'énergie par le laser et se dépose alors sur le bord ou dans les zones adjacentes de la zone d'usinage pour se solidifier. Lors d'un usinage avec un laser, on utilise habituellement un faisceau de gaz de soutien et suivant le procédé d'usinage par laser on utilise des mélanges avec de l'air ou des mélanges d'oxygène, d'azote, d'argon, etc... selon différentes proportions. Ainsi dans la zone marginale de la zone de matière usinée avec le laser, suivant les gaz utilisés, on a des accumulations de matière formées de métal fondu et/ou d'oxydes ou de nitrures suivant des rapports de pourcentage différents. En principe on peut également avoir, suivant le gaz utilisé, des teneurs en oxydes et en métal dans les dépôts de matière selon une répartition différente sur la pièce usinée. Par exemple le dépôt peut être formé d'une sous couche de métal fondu et d'une couche de couverture d'oxyde. On peut également avoir une couche métallique et une couche d'oxyde juxtaposées sur la pièce. De tels dépôts de matière peuvent avoir des formes les plus diverses. Dans le cas du perçage avec un laser on peut par exemple rencontrer des accumulations de matière sous la forme de cônes volcaniques ou encore des éjections dentelées principalement au bord du perçage réalisé avec le laser. Ces accumulations incontrôlées de matière sur une pièce usinée avec un laser sont toutefois gênantes car cela modifie la géométrie de l'usinage et ainsi de la pièce. L'irrégularité de la géométrie de la surface de la pièce, difficilement prévisible, constitue également un inconvénient. Un autre effet négatif de tels dépôts de matière est celui de l'accumulation non contrôlée à la surface de la pièce si bien que le cas échéant on a des décrochages incontrôlés de particules. Les dépôts de matière lors d'une opération d'enlèvement peuvent le cas échéant entraîner des morceaux de la surface de la pièce. Un procédé d'usinage par laser au cours duquel on peut rencontrer des dépôts de matière est par exemple le procédé impulsionnel pour fabriquer des perçages en grand nombre. Cela se fait habituellement par des perçages effectués au laser à grande vitesse. Lors d'un perçage mono-impulsionnel, suivant la durée de l'impulsion, la courbe de l'intensité en fonction du temps et la focalisation on aura des trous de profondeurs différentes dont le diamètre sera suivant les paramètres plus ou moins grand ou petit que le faisceau focalisé. Des données caractéristiques pour des trous de perçages correspondent à des diamètres inférieurs à 0,5 mm et des profondeurs inférieures à 2 mm pour des tolérances de diamètres de 10 fil et une rugosité de paroi de per- çage du même ordre de grandeur. Un autre procédé d'usinage par laser qui peut provoquer des dépôts de matière est celui de la technique des perçages hélicoïdaux ou de la technique des perçages de découpe à l'aide desquelles un procédé de précision au laser réalise des microperçages de précision. On a également de tels dépôts de matière à côté des perçages faits au laser dans la réalisation de microstructures de métaux ou d'alliages lorsque ces structures sont faites avec un laser par exemple pour créer des cavités ou des rainures. Les dépôts sont alors aussi gênants notamment si les nervures sont très rapprochées et doivent être dimensionnées de manière précise. Jusqu'à présent, en pratique, on a soit laissé de tels dépôts de matière sur la pièce soit qu'on les a enlevés par des procédés d'enlèvement mécanique. Pour cela on a utilisé par exemple le procédé de ponçage, de brossage et/ou d'ébarbage avec un jet d'eau à haute pression. Ces procédés mécaniques ont toutefois l'inconvénient d'encrasser la matière dans la zone de travail de la surface supérieure de la pièce ou de repousser éventuellement les barbes formées par les projections dans la zone d'usinage. Il est même possible que les procédés mécaniques se traduisent par une rupture incontrôlée de la matière de la zone du bord fondu de la zone d'usinage. Avantages de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne un procédé d'enlèvement de dépôts de matière résultant d'un usinage par laser, du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on effectue d'abord le procédé de décapage puis ensuite le procédé d'électropolissage. Ainsi le procédé permet d'éviter les inconvénients évoqués ci-dessus. On a constaté qu'avec un procédé de décapage de pièces métalliques on enlevait principalement les parties oxydées et nitrurées des dépôts de matière. Mais après ce procédé de décapage il subsiste des dépôts métalliques à la surface de la pièce. C'est pourquoi avantageusement on effectue d'abord le procédé de décapage puis ensuite le procédé d'électropolissage. Comme matière usinée avec un laser on a en général un métal soit sous une forme pure soit sous forme d'un alliage. Il serait toutefois en principe possible d'appliquer le procédé selon l'invention à d'autres matières comme par exemple des céramiques. En particulier pour des dépôts épais d'oxydes et/ou de nitrures il est avantageux d'assister le procédé de décapage avec des ultrasons. C'est ainsi que l'on peut réaliser pratiquement un enlèvement total des parties oxydées et/ou nitrurées des dépôts de matière plus rapidement et mieux. Selon une réalisation avantageuse du procédé de l'invention, la solution de décapage peut se trouver par exemple dans une cuve oscillante dont les parois et ainsi la solution de décapage sont mises en vibration. On peut notamment utiliser à cet effet une sonotrode en forme de tige introduite dans la solution de décapage pour faire osciller la solution de décapage. Lors du décapage, selon un mode de réalisation préférentiel, on procède avec une solution de décapage diluée d'acide sulfurique et d'acide phosphorique avec des tensioactifs et à une température de préférence de l'ordre de 70 C. Les dépôts métalliques dégagés par décapage par enlèvement des dépôts d'oxydes et/ou de nitrures sont ensuite enlevés sous une réalisation préférentielle de l'invention par un procédé d'électropolissage. Le procédé d'électropolissage n'utilise pas de force et évite totalement tout encrassage gênant de la matière et toute casse de la matière comme cela peut se produire avec les procédés de l'état de la technique. Pour l'électropolissage on branche la pièce dont on a enlevé les dépôts comme anodes dans une cellule d'électrolyse. Le traitement se fait alors selon le procédé connu de l'homme du métier en courant continu ou avec un courant impulsionnel. Selon un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, l'électropolissage se fait avec un électrolyte contenant de l'acide sulfurique concentré et de l'acide phosphorique. L'opération se fait à une température préférentielle d'électropolissage de l'ordre de 60 C. Suivant la nature, la quantité et le rapport entre les dépôts de matière, on adapte à chaque cas la durée du traitement de décapage et celle de l'électropolissage. Dans les cas particuliers il peut même arriver que l'on n'effectue pas l'une des deux étapes de traitement, c'est-à-dire le décapage ou l'électropolissage. On peut par exemple envisager que pour de faibles teneurs en oxydes dans le dépôt sur la pièce et de teneur principalement métallique dans les dépôts de matière, il suffit d'effectuer un traitement par électropolissage sans le faire précéder d'un décapage. Il est notamment avantageux que le procédé selon l'invention soit utilisé pour enlever de la matière après une opération de perçage par laser comme par exemple la réalisation de perçages dans les filtres d'une soupape de régulation ou d'un tête de buse d'un injecteur. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de deux exemples d'un procédé d'enlèvement de dépôts de matière formé d'un usinage par laser et des exemples de matières usinées par laser sans dépôt de matière ou encore avec enlèvement de matière selon l'invention. Ces différents exemples sont représentés dans les dessins et seront décrits ci-après de manière plus détaillée. Ainsi : - la figure 1 est une vue schématique à échelle agrandie d'un trou de perçage d'une tête de buse après un ébarbage à haute pression, - les figures 2a-2c montrent un filtre de soupape de régulation après les différentes étapes du procédé de l'invention, la figure 2a montrant le filtre après le perçage par laser, la figure 2b après le décapage et la fi- gure 2c après l'électropolissage en montrant chaque fois une découpe à échelle agrandie du filtre, - la figure 3 montre un tambour utilisé pour le décapage et - la figure 4 montre un trou de perçage agrandi d'une buse DSLA après un perçage par laser (figure 4a) après le décapage (figure 4b) et après électropolissage (figure 4c). Description des exemples de réalisation La figure 1 montre à titre d'exemple un perçage par laser, à échelle agrandie, dans une tête de buse pour un injecteur Diesel ; après le perçage par un laser on ébarbe à haute pression selon le procédé connu de l'état de la technique. Comme cela apparaît à la figure 1, dans l'orifice d'éjection 2 percé par laser dans la tête de buse on a des accumulations de matière fondue 1 au niveau du bord du trou sur une hauteur de 30 llffi et parfois même plus haute. Ces accumulations ont été partiellement étalées et rabattues par l'ébarbage à haute pression comme cela apparaît clairement à la figure 1 ; parfois même ces parties ont été cassées de manière incontrôlée de sorte que la surface supérieure de la pièce présente à côté de l'encrassage également des cavités incontrôlées. La figure 2 montre à titre d'exemple dans ses différentes parties chaque fois un filtre 4 d'une soupape de régulation de pression destiné à un système d'injection à rampe commune ; le filtre 4 de la figure 2a est obtenu après un perçage par laser ; le filtre de la figure 2b est celui résultant du décapage et le filtre de la figure 2c est celui obtenu après électropolissage ; dans ces figures on a chaque fois un détail très agrandi de la zone d'usinage 3. Dans un tel filtre 4, dans la pièce cylindrique en acier fortement allié on réalise par perçage très rapide par laser, dans la surfaceenveloppe 3 environ 2000 trous 5 d'un diamètre de l'ordre de 60 llffi à 80 Um. L'ensemble de la zone usinée autour des trous 5 après le perçage à grande vitesse est couvert de dépôt de scories oxydées 7 et de dépôt métallique fondu 6 qui constituent une surface analogue à celle d'un schiste ; cela apparaît à la figure 2a et dans le schéma de principe fortement agrandi. Après le perçage par laser, selon la présente invention on exécute une opération de décapage en soumettant la surface usinée 3 à une solution de décapage du commerce qui est ici une solution diluée d'acide sulfurique et d'acide phosphorique avec un tensioactif. L'opération se fait à 70 C. Selon le mode de réalisation préférentiel on utilise une assistance par ultrasons et on effectue le décapage pendant une durée d'usinage d'environ 15 mn. Comme cela apparaît à la figure 2b, la surface du filtre 4 dans la zone d'usinage 3 est beaucoup plus lisse après le procédé de décapage. En particulier on voit que seulement les trous 5 de la surfaceenveloppe percée par laser du filtre 4 ainsi que les dépôts de métal fondu 6 se trouvent sur la surface supérieure 8 de la pièce métallique, par ailleurs lisse. Les dépôts de produit en fusion, principalement oxydés 7 selon la figure 2a ont été enlevés de la surface du filtre 4. Si ensuite on effectue un électropolissage de la zone usinée 3 on obtient une surface de pièce 9 métallique, électropolie comme cela paraissant à la figure 2c. L'électropolissage se fait dans un électrolyte du commerce formé d'acide sulfurique concentré et d'acide phosphorique à une température de 60 C. La densité du courant ayant servi à cette opération était selon un mode de réalisation préférentiel de 5 AI dm2 pour une durée de traitement d'environ 25 mn. Comme le filtre 4 décrit a été usiné sur toute sa surface, on le traite pour le décapage et l'électropolissage comme un produit en vrac dans un tambour. Un tel tambour 10 est représenté à titre d'exemple à la figure 3. Il s'agit d'un tambour de décapage dans lequel on place les pièces lià décaper. Ensuite le tambour 10 est tourné dans le sens de la flèche 12. En même temps on assiste le décapage par un oscillateur push-pull 13 à ultrasons installé au milieu du tambour 10. Les figures 4a-4c montrent un détail d'une tête de buse d'un injecteur Diesel selon lequel on a percé par laser une ouverture sous la forme d'orifice d'éjection 14 selon les différentes étapes de procédé, à savoir le perçage par laser, le décapage et l'électropolissage. Dans une telle tête de buse, le corps de buse réalisé ici en 18CrNi8 comporte des orifices d'éjection 14 réalisés par un perçage de précision au laser. Ces orifices ont un diamètre d'environ 100 pin. La buse comporte entre 5 et 14 tels orifices d'éjection 14. La figure 4a montre l'orifice d'éjection 14 à titre d'exemple, obtenu après le perçage par le laser ; dans la zone directe du bord de l'orifice on rencontre des éjections de matière 17 avec un ordre de grandeur de 30 m et même en partie il y a des saillies plus hautes. Dans la zone périphérique proche autour de l'orifice d'éjection 14, la surface supérieure comporte surtout des dépôts d'oxydes 15 conduisant, pour la surface représentée ici à échelle très agrandie, à un aspect rugueux avec de nombreux bossages. A côté on a également des dépôts de métaux fondus sur la tête de buse ; toutefois cela correspond à un degré moindre que pour le filtre 4 déjà décrit de manière plus détaillée à l'aide de la figure 2. Pour l'opération de décapage effectuée ensuite on peut utiliser une solution de décapage du commerce qui est une solution diluée d'acide sulfurique et d'acide phosphorique avec des tensioactifs ; la sur- face d'usinage est traitée de préférence à une température de 70 C avec l'assistance par des ultrasons pendant un temps de traitement d'environ 60 secondes. Même si pour le décapage il est très avantageux d'avoir une température de travail d'au moins environ 70 C, on peut également faire le décapage à des températures plus basses. La figure 4b montre que l'environnement de l'orifice d'éjection 14 après le décapage présente une surface significativement plus lisse que directement après le perçage avec le laser car les dépôts oxydés ont été éliminés. Ainsi, après l'opération de décapage, il ne subsiste en général que des dépôts de métaux fondus 16 sur la surface par ailleurs métallique 18 de la pièce ; celle-ci ne comporte plus que des cavités en forme de rainures. Après le décapage on effectue l'électropolissage qui utilise un électrolyte du commerce, par exemple de l'acide sulfurique concentré et de l'acide phosphorique avec de l'alcool à une température préférentielle de 60 C. Cette opération d'électropolissage peut également se faire à des températures plus basses par exemple 25 C. Le temps d'usinage de l'électropolissage est de préférence de 2 mn. La figure 4c montre l'orifice 2 de la tête de buse après électropolissage, à échelle agrandie. On voit qu'il n'y a plus de projection de métal fondu sur la surface de la pièce ; il ne reste plus qu'une surface de pièce 19 métallique, résultant de l'électropolissage. Dans cette application du procédé selon l'invention on ne traite pas toute la surface de la pièce à savoir la tête de buse pour le décapage et l'électropolissage mais seulement une certaine zone de celle-ci. Les têtes de buse sont usinées ainsi comme des pièces séparées et non comme des produits en vrac passés dans un tambour. Il convient de remarquer en principe que le procédé selon l'invention crée une surface supérieure extrêmement lisse, caractéristique, constituant une caractéristique de reconnaissance du procédé de l'invention. REVENDICATIONS 1 ) Procédé d'enlèvement de dépôts de matière formés par un usinage par laser, caractérisé en ce qu' on enlève les dépôts de matière à l'aide d'au moins l'un des procédés de décapage et/ou d'électropolissage. 2 ) Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce qu' on effectue d'abord le procédé de décapage puis ensuite le procédé d'électropolissage. 3 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu' on assiste le procédé de décapage avec des ultrasons. 4 ) Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce qu' on effectue le procédé de décapage dans une solution de décapage qui est une solution diluée d'acide sulfurique et d'acide phosphorique avec des tensioactifs. 5 ) Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que le procédé de décapage se fait à une température d'au moins approximativement 70 C. 6 ) Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce qu' on effectue le procédé d'électropolissage dans un électrolyte contenant de l'acide sulfurique concentré et de l'acide phosphorique. 7 ) Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce qu' on effectue l'électropolissage à une température d'au moins approximativement 60 C. 8 ) Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce qu' on soumet les différentes pièces à traiter, séparément au procédé de déca- page et/ou d'électropolissage. 9 ) Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce qu' on soumet les pièces à traiter comme produits en vrac dans un tambour à un procédé de décapage et/ou d'électropolissage. 10 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu' il est appliqué à l'enlèvement d'une accumulation de matière résultant d'un perçage par laser de filtre d'une soupape de régulation. l 1 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu' il est appliqué à l'enlèvement d'une accumulation de matière après un perçage par laser dans une tête de buse d'un injecteur de carburant.