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Laser Rhône Alpes et le laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) au cœur de la recherche scientifique

Rodolphe Bolot, Professeur des Universités, et Iryna Tomashchuk, Maître de conférences, livrent leurs points de vue d'experts !

Les liens entre l’Université de Bourgogne et Laser Rhône Alpes ne datent pas d’hier. En 2014, ils se sont intensifiés avec la création d’un laboratoire commun (Labcom ANR) nommé FLAMme (Faisceaux Laser et Assemblage de Matériaux diseMblablEs), un partenariat scientifique construit avec le laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) afin de développer la recherche dans le domaine du soudage laser, en particulier pour l’assemblage de métaux dissemblables.

Avec Rodolphe Bolot, Professeur des Universités à l’IUT du Creusot, intervenant notamment sur le thème de la modélisation des procédés de soudage, et Iryna Tomashchuk, Maître de conférences dans la même unité, travaillant sur le soudage laser de matériaux dissimilaires, faisons le point sur le projet FLAMme et ses activités de recherche.

La genèse du partenariat entre Laser Rhône Alpes et l’ICB

Depuis 2014, Laser Rhône Alpes et le Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) travaillent conjointement au développement de technologies innovantes en matière d’assemblage par laser de métaux dissemblables. Cette collaboration scientifique s’effectue au sein du laboratoire commun (Labcom) connu sous le nom de FLAMme.

Labellisé par le pôle de compétitivité de la filière nucléaire française, Nuclear Valley, ce laboratoire a été financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) de 2014 à 2017. Ses activités de recherche portent notamment sur la problématique de l’assemblage inox / titane – pur ou en alliage.

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Au cœur de la soudure laser et de la recherche scientifique 

La problématique de la formation

Dans les faits, Laser Rhône Alpes entretient une relation de proximité avec l’Université de Bourgogne depuis longtemps. Et ce, notamment parce que plusieurs collaborateurs sont issus de la licence professionnelle Traitement des matériaux par laser anciennement proposée. En particulier, Michel Almuneau, responsable technique chez Laser Rhône Alpes, y est d’ailleurs intervenu en tant que formateur.

Le laboratoire participe activement au développement des applications de la technologie de soudage laser : cette collaboration se poursuit actuellement notamment dans le cadre d’une thèse CIFRE, ainsi que par le biais d’échanges réguliers ou encore d’une présence conjointe sur différents salons.

La création d’un laboratoire commun dédié à la recherche scientifique sur le soudage laser

C’est donc en 2014 que Laser Rhône Alpes et l’ICB répondent, ensemble, à un appel à projets de l’Agence nationale de la recherche (ANR) pour la création d’un laboratoire commun financé à hauteur de 300 000 euros pour une durée de 3 ans. Sa vocation ? Travailler sur la problématique du soudage par laser de matériaux hétérogènes. Le projet FLAMme était lancé.

Aujourd’hui, Laser Rhône Alpes contribue à la pérennité du laboratoire par le financement d’un poste d’un doctorant CIFRE (cofinancement ANRT) et l’allocation d’une enveloppe budgétaire d’accompagnement. Sous la responsabilité de Rodolphe Bolot, Professeur, et d’Iryna Tomashchuk, maître de conférences, Antoine Mannucci, doctorant, a pu se familiariser avec la recherche universitaire appliquée à des problématiques industrielles concrètes. Si la majorité de cette activité de recherche se déroule sur le site Creusotin, c’est aussi au sein des locaux de Laser Rhône Alpes qu’une partie de la mise en œuvre pratique des travaux de recherche s’effectue.

À travers ce partenariat, Laser Rhône Alpes contribue au développement des techniques de soudage de demain et peut participer à la recherche de solutions pour répondre à des problématiques d’usinage laser complexes.

La simulation numérique et l’innovation en soudage laser

L’idée de la simulation numérique, c’est de pouvoir prédire les phénomènes observés lors du soudage par le calcul : fusion du (des) matériau(x), déformation de la zone fondue, formation et déplacement d’un capillaire se refermant dans le sillage du laser… mais aussi génération de contraintes lors du refroidissement de l’ensemble. Il s’agit d’un travail complexe qui fait appel à différentes branches de la physique et de la mécanique, compétences dont ne dispose pas Laser Rhône Alpes.

À l’inverse, le laboratoire a besoin de données issues de l’expérience que peut fournir l’entreprise. À travers ce partenariat gagnant / gagnant, le laboratoire peut développer des modèles attestés en se basant sur une comparaison entre des simulations et la réalité. Ces résultats permettent, au passage, de limiter les tests initiaux, une fois les modèles rendus fiables, et de réaliser ainsi des économies.

Ces travaux de modélisation portent sur deux approches complémentaires :

  • Phénoménologie du procédé – il s’agit de comprendre et de modéliser l’interaction dans le cas de l’irradiation laser sur la matière : l’intensité de cette irradiation est telle qu’elle engendre une vaporisation des matériaux irradiés. L’éjection de vapeur métallique associée à cette irradiation engendre alors une pression de recul qui donne lieu à la formation d’un capillaire, qu’il convient de déplacer pour former le cordon de soudure. Cette spécificité du procédé permet la fabrication de cordons à la fois profonds et étroits
  • Approche thermomécanique des matériaux –  la simulation permet de comprendre et de modéliser l’état de contrainte dans l’assemblage après refroidissement à température ambiante : les contraintes sont initialement remises à zéro dans les zones fusionnées (pas de tenue mécanique dans le bain fondu). Néanmoins, c’est après solidification et au cours du refroidissement de l’ensemble que des contraintes sont générées, de par la contraction du cordon lors de son refroidissement. Ainsi, l’interface entre le matériau de base non fondu et le cordon est le siège de forts gradients de contraintes (en tension dans le cordon).

Les calculs de simulation sont réalisés à l’aide de différents logiciels (tels que COMSOL et ANSYS) selon la méthode des éléments finis (MEF). L’objectif peut par exemple être de prévoir comment l’énergie va pénétrer dans les matériaux, comment ces matériaux vont alors s’échauffer puis fondre, quel mélange (soudage dissimilaire de deux matériaux distincts) va ensuite être obtenu pendant l’assemblage, etc.

Quels résultats de recherche pour le soudage laser ?

Sur la période 2018 / 2019, le laboratoire commun FLAMme a notamment travaillé sur la simulation numérique du soudage laser pour une application dans le secteur de l’aérospatial. Ce partenariat a porté sur l’optimisation de la tenue d’un assemblage dissimilaire (mesures de la tenue de cet assemblage, mesures de contraintes, modélisation permettant le calcul des champs de contraintes). Par ailleurs, plusieurs articles scientifiques ont été publiés durant cette période, en lien avec la thèse menée par Antoine Mannucci, sous la direction d’Iryna Tomashchuk et de Rodolphe Bolot.

Les difficultés rencontrées concernant particulièrement le soudage laser titane / inox sont aujourd’hui clairement identifiées (avec notamment la formation de phases fragiles dans le cas d‘un soudage direct), et ont pu être résolues par l’ajout d’un insert métallique entre les deux matériaux – une solution fonctionnelle qui s’avère néanmoins coûteuse… Le défi à relever est désormais de pouvoir le mettre en application !

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Avec 5 % de son chiffre d’affaires consacrés à la R&D en 2018, Laser Rhône Alpes continue de s’impliquer dans l’innovation, et ne compte pas s’arrêter là pour garder une longueur d’avance sur le plan technologique. Vous voulez en savoir plus sur le projet FLAMme ou sur la soudure laser ?