Brevet FR3068290A1 — publié le 20190104

DISPOSITIF DE REALISATION DE CHOCS LASER Domaine de l'invention La présente invention concerne des opérations sur des matériaux en utilisant des dispositif de choc produits par laser et notamment les tests non destructifs dans le cadre de la vérification de la qualité des structures collées, la mise sous contraintes de surfaces métalliques dans le cadre du durcissement des structures métalliques, l'endommagement par écaillage laser et le formage géométrique de surfaces comme le martelage. La technique du choc laser nécessite des lasers de forte puissance. Dans ces applications l'interaction laser/matière est confinée entre une couche de génération d'un plasma et une couche de confinement qui va générer la quantité de contraintes nécessaire à l'application du choc sur la matière. ans le cas du test non destructif en particulier, l'interaction laser/matière ne doit toutefois pas détériorer la pièce à traiter. Il est en tout état de cause nécessaire de protéger la surface du matériau de l'irradiation laser, cette surface étant mise sous contrainte par le choc généré dans la couche sacrificielle et dirigé vers la pièce à traiter par la couche de confinement. Pour réaliser la couche de confinement, il est connu de recouvrir d'eau la partie à traiter. Il faut soit une couche d'eau soit un flux d'eau ce qui n'est pas toujours possible selon le type de pièce à traiter ou sa forme. Par ailleurs, les lasers utilisables sont délicats à caractériser tant en puissance qu'en diamètre de faisceau et, pour offrir une bonne répétabilité ou dans le cas du test non destructif quantifier le choc, il est nécessaire de pouvoir caractériser aisément l'impact produit. Arrière plan technologique 2 Pour caractériser des pièces il est donc connu d'utiliser une couche d'eau sur une pièce, la couche d'eau servant à créer un plasma qui va propager un choc dans la pièce. Le document US7775122B1 décrit en outre un dispositif d'inspection de 5 collage utilisant un laser et une bande comportant une couche opaque et une couche transparente. Brève description de l'invention En regard de cet art antérieur la présente invention propose un revêtement multicouches de génération d'un choc laser sous irradiation d'un laser à 10 impulsions. Selon l'invention, le revêtement comporte une couche d'adaptation assurant un contact intime avec un matériau à traiter et la transmission d'une onde de choc, une couche de génération du choc, qui va convertir l'énergie lumineuse en onde de choc, et qui est liée à la couche d'adaptation, cette couche de génération étant adaptée à former un plasma sous l'impulsion laser et générer une 15 onde de choc à partir dudit plasma et une couche de confinement recouvrant la couche de génération, transparente à la longueur d'onde dudit laser à impulsions et s'opposant à la dispersion du choc dans une direction opposée à la direction normale à la surface du matériau à tester. Avantageusement, la couche d'adaptation est réalisée avec un matériau 20 adhésif adapté à servir de liant entre la couche sacrificielle et le matériau à tester épousant la surface du matériau en sorte de ne laisser aucun vide ou bulle d'air. Préférablement, l'épaisseur de la couche d'adaptation est de 20 microns à 150 microns. Dans ce cadre il est préférable de limiter les épaisseurs qui peuvent être ajustées dans le cadre de l'invention par simulation en fonction des 25 paramètres laser. Préférablement, la couche d'adaptation comporte un adhésif acrylique. Selon un mode de réalisation particulier, la couche d'adaptation comporte un élastomère adhésif. Avantageusement, la couche de génération est une couche d'aluminium. 30 La couche de génération a préférablement une épaisseur adaptée à la durée d'impulsion laser et à sa puissance pour maintenir la vaporisation à l'intérieur de la couche. 3 Selon un mode de réalisation particulier adapté au test non destructif, la couche de génération a une épaisseur de 40 microns à 60 microns pour une durée d'impulsion de 6 ns à 8 ns et un flux inférieur à 10 GW/cm2. La couche de confinement est préférablement transparente à une longueur 5 d'onde laser de 532 nm ou 1064 nm. La couche de confinement est avantageusement réalisée avec un matériau adhésif ou non. Selon un mode de réalisation particulier, la couche de confinement est réalisée à base d'acrylate de butyle et/ou d'acrylate de 2-éthylhexyle. 10 Selon un mode de réalisation avantageux, la couche de confinement est d'une épaisseur de 0,5 mm à 1,5 mm et préférablement de 1 mm ±0,2 mm. Le revêtement multicouches peut notamment être réalisé sous forme de bandes ou de pastilles prédécoupées. L'invention s'applique en outre à un kit de test matériau comportant un 15 revêtement selon l'invention et comportant en outre des moyens de mesure de largeur d'impact calibrés en sorte de caractériser le choc appliqué. L'invention prévoit notamment un procédé de test non destructif utilisant un revêtement selon l'invention notamment sous forme du kit de test. Brève description des dessins 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple non limitatif de réalisation de l'invention en référence aux dessins qui représentent: aux figures 1A et 1B: des vues schématiques de revêtements de l'invention avant et pendant irradiation laser; en figure 2: un test matériau avec et sans le revêtement de l'invention; en figure 3: un exemple de moyen de mesure selon un aspect de l'invention; en figure 4: une courbe de pression de choc en fonction d'un flux laser; en figure 5: une courbe pression/épaisseur pour une couche d'adaptation. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Selon l'invention le dispositif est basé sur un revêtement multicouches qui assure le rôle de couche d'adaptation ou de liaison, de couche de génération et de 4 couche de confinement. Le revêtement 10 comporte au minimum trois couches comme représenté aux figures 1A et 1 B. Les couches comportent: - une couche d'adaptation 1 qui va servir de liant entre une couche de génération et le matériau à traiter. Cette couche collante ou non doit épouser 5 précisément la surface 100a du matériau 100 pour ne laisser aucun vide ou bulle d'air. Cette couche va permettre la transmission de l'onde de choc depuis la couche de génération 2 vers le matériau 100 à tester. - une couche de génération 2 proprement dite reliée au matériau à tester par la couche d'adaptation. L'épaisseur de la couche de génération est déterminée 10 pour qu'elle ne soit pas totalement vaporisée par l'irradiation laser 40 ou les irradiations successives. Pour cela l'épaisseur de la couche de génération est déterminée pour que la vaporisation 50 se fasse dans cette couche et ne perce pas la couche d'adaptation. La couche de génération doit notamment permettre la génération de la totalité du profil de pression 60 du choc et dépend donc de la 15 durée de l'impulsion laser. L'interaction laser/matière produisant le choc est réalisée dans cette couche et l'onde est ensuite transmise vers la pièce par la couche d'adaptation 1. - une couche de confinement 3 placée au dessus de la couche de génération. Cette couche a pour but d'accroître le niveau de pression produit par 20 le confinement du plasma résultant de l'interaction laser/matière comparé à celui produit en régime direct et qui est responsable de la génération du choc. La couche de confinement 3 doit s'appliquer le mieux possible sur la couche de génération 2 pour maximiser son effet de confinement du choc au dessus de la pièce. Elle doit être le plus possible transparente à la longueur d'onde du laser et 25 son épaisseur est un compromis entre sa transparence et sa résistance mécanique qui est nécessaire pour un bon confinement. En pratique, la couche de confinement doit être transparente à la longueur d'onde du laser utilisé qui est de manière habituelle dans le spectre du proche Infra rouge au visible. Cette couche est par exemple réalisée avec un matériau acrylique et notamment à base 30 d'acrylate de butyle et/ou d'acrylate de 2-éthylhexyle. Le dispositif de la présente invention comporte comme avantages de s'affranchir de l'utilisation d'un liquide de confinement tel que l'eau et d'être simple 5 à mettre en oeuvre et déposant des bandes ou des pastilles prédécoupées ou non du revêtement en fonction des applications. En outre, en calibrant l'épaisseur des couches du revêtement, celui ci permet de donner une indication visuelle de l'énergie apportée par le laser en 5 fonction du diamètre de la tache résultant du choc laser ce qui permet de vérifier notamment dans le cas d'une application au test non destructif de vérifier l'absence de caractère destructif de ce choc une fois qu'un étalonnage du rapport entre la puissance et le diamètre des taches a été effectué. De même la reproductibilité de l'épaisseur du revêtement assure, contrairement à l'utilisation 10 d'eau dont l'épaisseur est difficilement maitrisable, que le choc à puissance donnée restera constant. La figure 2 illustre l'utilisation du revêtement dans une expérience de choc laser. En partie gauche de la figure, les tirs laser 40 sont effectués directement 15 sur le matériau 100 et créent des brulures 210 qui détériorent ce matériau. A contrario, en partie droite de la figure, le revêtement 10 de l'invention est interposé entre le matériau et le laser et les tirs laser créent des motifs 200 dans le revêtement qui pour sa part protège le matériau. Quatre puissances de laser ont été appliquées pour permettre de visualiser 20 les effets des tirs. Les tirs réalisés en 201 et 202 résultent en une tache circulaire homogène qui correspond à une usage correct du revêtement. Les tirs 203. et 204 à plus forte puissance causent des taches non homogènes avec une migration du matériau de la couche sacrificielle ce qui correspond à un tir trop intense. 25 Pour mesurer les résultats de tirs, l'invention propose des moyens de mesure du diamètre des taches calibrés. Ces moyens sont, selon la figure 3, par exemple une réglette pourvue d'ouvertures circulaires représentatives d'un choc trop faible lorsque le diamètre de la tache est inférieur au diamètre du trou 301, d'un choc correct lorsque le diamètre est par exemple compris entre les diamètres 30 de trous 302, 303 et d'un choc trop violent si le diamètre du choc est plus grand que le trou 303 ou le trou 304. L'invention peut alors comporter, outre des bandelettes ou pastilles de revêtement, des moyens de mesure de la largeur de la tache résultant de la 6 génération du plasma et du choc, par exemple sous la forme d'une réglette comportant des trous de diamètre calibré de taille croissante selon une échelle permet tant de distinguer des taches résultant de chocs trop faibles, de chocs 5 d'intensité suffisante ou de chocs trop violents. Ainsi il est possible de contrôler la stabilité du système de test, la puissance du laser ou le positionnement de la tête laser par rapport au matériau à traiter notamment. Une solution particulière est basée sur l'utilisation d'une bandelette 10 adhésive d'une épaisseur de quelques dizaines de microns pour la couche d'adaptation, d'une couche d'aluminium pour la couche de génération de quelques dizaines de microns; une couche adhésive épaisse de l'ordre du millimètre transparente à la longueur d'onde du laser pour la couche de confinement. L'épaisseur de la couche de confinement est en pratique de l'ordre de 0,5 15 mm à 1,5 mm et typiquement de l'ordre de 1 mm, l'épaisseur de la couche de génération de quelques dizaines de microns, typiquement de 40 microns à 60 microns et la couche d'adaptation peut être plus particulièrement une couche d'adhésif de l'ordre de 40 microns à 60 microns. De manière typique, les couches d'adaptation et de génération peuvent être 20 réalisées avec une bande adhésive aluminium, par exemple un ruban adhésif composé d'une feuille d'aluminium lisse revêtue d'une couche adhésive acrylique notamment à base d'acrylate de butyle et/ou d'acrylate de 2-éthylhexyle. La troisième couche, couche d'adaptation, peut être un ruban adhésif épais de type adhésif élastomère. 25 Les résultats obtenus démontrent que les niveaux de pression générés sont comparables à ceux obtenus en prenant l'eau comme moyen de confinement. En outre, les niveau de pression peuvent être optimisés selon les applications en jouant sur les épaisseurs des couches de génération et d'adaptation. La figure 4 montre la pression induite en fonction de l'intensité laser pour 30 plusieurs moyens de confinement à s'avoir l'eau, courbe 401; l'huile, courbe 402 et le matériau de l'invention en courbe 403. 7 On constate que pour un flux inférieur à 10 GW/cm2, limite à partir de laquelle le plasma devient trop important, la pression du choc reste comparable à celle de l'eau ou de l'huile et tout à fait régulière. Ces courbes représentent une évaluation de l'efficacité du couplage réalisé 5 à partir du faisceau laser. . La courbe de référence 401 est celle de l'eau pour laquelle la pression induite est maximum pour une énergie laser donnée. Les résultats obtenus avec de l'huile sont très proches des résultats obtenus avec de l'eau mais l'huile n'apporte pas d'avantages pratiques par rapport 10 à l'eau. Le dispositif à trois couches de l'invention offre un résultat proche de l'eau dans la partie utile de la courbe au dessous de 10 GW/cm2. Selon la figure 5, la courbe 501 donne la pression à l'interface entre la couche d'adaptation et le matériau en fonction de l'épaisseur de la couche 15 d'adaptation. Cette courbe montre que la pression induite 501 peut être maximisée en ajustant l'épaisseur de la couche d'adaptation pour réduire les désadaptations d'impédance entre la couche d'adaptation et la couche de conversion. La couche d'adaptation doit être telle que son impédance (densité x célérité 20 du son dans le matériau) soit proche de celle de la couche sacrificielle pour maximiser l'onde transmise. L'onde se propage dans la couche d'adaptation et, notamment pour une application au contrôle non destructif de pièces composites, l'épaisseur optimale de cette couche se trouve dans la fourchette de 40 micron à 60 microns et 25 préférablement proche de 50 micron, ce notamment pour une impulsion laser de l'ordre de 6 ns à 8 ns et en particulier de 7 ns, ceci pour un flux inférieur à 10 GW/cm2. Pour des applications de durcissement ou de martelage, les données seront adaptées tout en conservant le dispositif à trois couches de l'invention. 30 L'invention n'est pas limitée aux exemples représentés relatifs à un test non destructif. Dans le cas d'une application à l'endommagement par écaillage en particulier, on adaptera les couches pour accroître l'impact REVENDICATIONS1 - Revêtement multicouches de génération d'un choc laser sous irradiation d'un laser à impulsions, caractérisé en ce qu'il comporte une couche d'adaptation assurant un contact intime avec un matériau à traiter et la transmission d'une onde de choc, une couche de génération du choc, qui va 5 convertir l'énergie lumineuse en onde de choc, et qui est liée à la couche d'adaptation, cette couche de génération étant adaptée à former un plasma sous l'impulsion laser et générer une onde de choc à partir dudit plasma et une couche de confinement recouvrant la couche de génération, transparente à la longueur d'onde dudit laser à impulsions et s'opposant à la dispersion du choc dans une 10 direction opposée à la direction normale à la surface du matériau à tester. 2 - Revêtement multicouches selon la revendication 1, pour lequel la couche d'adaptation est réalisée avec un matériau adhésif adapté à servir de liant entre la couche de génération du choc et le matériau à traiter épousant la surface du matériau en sorte de ne laisser aucun vide ou bulle d'air. 15 3 - Revêtement multicouches selon la revendication 2, pour lequel l'épaisseur de la couche d'adaptation est déterminée en fonction de la durée de l'impulsion laser. 4 - Revêtement multicouches selon la revendication 2 ou 3, pour lequel la couche d'adaptation comporte un adhésif acrylique. 20 5 - Revêtement multicouches selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, pour lequel la couche d'adaptation comporte un adhésif élastomère. 6 - Revêtement multicouches selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, pour lequel la couche de génération est une couche d'aluminium. 7 - Revêtement multicouches selon la revendication 6, pour lequel la 25 couche de génération a une épaisseur adaptée à la durée d'impulsion laser et à sa puissance pour maintenir la vaporisation à l'intérieur de la couche. 8 - Revêtement multicouches selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour lequel la couche de confinement est transparente à une longueur d'onde laser du proche infra rouge au visible 9 9 - Revêtement multicouches selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour lequel la couche de confinement est réalisée avec un matériau la couche de confinement est réalisée à base d'acrylate de butyle et/ou d'acrylate de 2-éthylhexyle adhésif ou non. 10 - Revêtement multicouches selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour lequel la couche de confinement est d'une épaisseur de 0,5 mm à 1,5 mm et préférablement de 1 mm ±0,2 mm. 11 - Revêtement multicouches selon la revendication 6 ou 7, adapté au test non destructif pour lequel la couche de génération a une épaisseur de 40 10 microns à 60 microns pour une durée d'impulsion de 6 ns à 8 ns et un flux inférieur à 10 GW/cm2. 12 - Revêtement multicouches selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour lequel la couche de génération du choc est une couche sacrificielle. 15 13- Revêtement multicouches selon l'une quelconque des revendications précédentes, réalisé sous forme de bandes ou de pastilles prédécoupées. 14- Kit de test matériau comportant un revêtement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de mesure de largeur d'impact calibrés en sorte de caractériser 20 le choc appliqué. 15- Procédé de test non destructif utilisant un kit de test selon la revendication 14.