Soudure haute cadence du verre par laser ultra-bref – GlassWelding

Réaliser de l'accumulation thermique à hautes fréquences de répétition.

Bénéficier du mode rafale.

Tirer partie de la mise en forme spatiale de faisceau (SLM et faisceaux de Bessel).

Comprendre la physique du soudage.

-Soudage verres dissimilaires.

-Soudage verre-silicium.

-Soudage verre-inox et verre-aluminium.

-Démonstration d'une amplification d'absorption en mode rafale 40 MHz. Caractérisation à l'échellle de quelques nanosecondes des effets impulsion par impusion par caméra ultra-rapide.

-Mise en évidence d'un mode de soudage discret mono-rafale.

-Possibilité de souder même en présence de gap d'air de l'ordre de 3 µm.

-Implémentation d'un modèle permettant de prédire le dépôt d'énergie laser par absoption non-linéaire et l'accumulation thermique qui survient à hautes fréquences de répétition.

-Mise en évidence de la sensibilité à l'uniformité de la densité de puissance pour la parallélisation du soudage par mise en forme multipoints.

-Mise en évidence de la sensibilité à l'uniformité de la densité de puissance le long d'un faisceau de Bessel pour le soudage laser.

-Première fabrication d'un système microfluidique en Borosilicate totalement réalisé par laser ultrabref (gravure du canal, encapsulation par soudage et perçage).

-Permettre le soudage pour des gap inter-matériaux supérieures à 10 µm.

-Faire que le modèle tienne compte de l'évolution des propriétés optiques fonction de la température.

-Inclure une boucle de rétroaction pour optimiser la mise en forme de faisceau pour la parallélisation du procédé.

- Monitoring temps réel du procédés de soudage de verre par laser ultrabref.

Les verres sont des matériaux hautement résistants utilisés dans un grand nombre d’applications clés : des plaques vitrocéramiques à l’encapsulation de MEOMS. Leur assemblage se fait généralement par collage ou par procédé thermique (décharge anodique, brasage, etc.). Ces techniques ont cependant des limites très contraignantes. Les colles polymères ne tiennent pas les hautes températures et les procédés thermiques ne sont pas adaptés pour la réalisation de soudures précises sur de petites dimensions. Enfin quand deux matériaux soudés thermiquement sont dissemblables une différence de dilatation thermique est souvent une cause de rupture.
Dans ce contexte le soudage par lasers à impulsions ultrabrèves, spatialement sélectif, sans ajout de matière est très prometteur. Le projet vise à mettre au point un procédé laser de soudage de verre- verre ou verre-métal compatible avec les exigences industrielles actuelles : précis (cordon < 5 µm), rapide (~m/s), robuste (peu sensible à la différence de coefficient de dilation thermique, tolérance axiale ~100 µm, distance inter-matériaux jusqu’à 10 µm), étanche, sans microfissures, avec de hautes tenues en traction (>30 MPa) et capable de tenir de hautes températures jusqu’à 700 K ou à un nombre important de cycles thermiques.
L’amélioration des performances passe par la compréhension des phénomènes physiques multi-échelles sous-jacents et, technologiquement, par le développement d’un procédé laser plus efficient. Nos simulations montrent la possibilité en utilisant de plus hautes fréquences de répétition (mise en forme temporelle) de mieux contrôler l’accumulation thermique et d’aboutir à une réduction des gradients thermiques, tout en réduisant l’énergie nécessaire et les contraintes résiduelles. Les tests expérimentaux ont également clairement montré l’importance du motif lumineux et de la trajectoire de soudage (mise en forme spatiale) sur la tenue mécanique du cordon de soudure.
Dans le projet, un laser sera adapté par la société Amplitude afin de fonctionner en mode burst avec des rafales d’impulsions de fréquence intra-rafale de l’ordre du GHz. Les énergies des rafales du laser devront monter jusqu’à~200 µJ, suffisantes pour souder un motif étendu en une fois. Un plan d’expérience sera mis en œuvre par IREPA LASER pour optimiser les paramètres du procédé de soudage sur une station préalablement modifiée. La station devra en effet inclure un outil de mise en forme programmable de faisceau et un système de vision rapide in situ. Des caractérisations à l’échelle micro-macro (traction, photo-élasticimétrie, transmission, ressuyage, etc.) seront réalisées de manière systématique par le laboratoire ICube pour guider le plan d’expérience. Des caractérisations à l’échelle micro-nano (AFM, nano-indentation, spectroscopie Raman) seront réalisés par l’Institut de Physique de Rennes sur une sélection d’échantillons d’intérêt, pour mieux comprendre la physique du procédé de soudage par la confrontation au modèle multiphysique mis en place par ICube, (propagation et absorption non linéaire, accumulation thermique, évolution des cartes de contraintes, rôle des microfissures, etc.).
Le procédé sera testé en premier lieu pour l’assemblage des composants optiques dans les nouvelles gammes de laser à impulsions ultrabrèves très haute puissance de la société Amplitude. Parmi les autres applications identifiées qui seront investiguée, nous pouvons citer les assemblages pour l’horlogerie haute gamme, l’encapsulation de MOEMS ou de circuits micro-fluidiques, le micro-assemblage de composants optiques pour les smartphones et les besoins d’assemblage pour l’aérospatial de matériaux dissimilaires (diamant sur titane, CaF2 sur acier, verre sur aluminium : matériaux qui ne créent pas de dégazage ni de contamination par des époxy