Plusieurs considérations importantes doivent être prises en compte lors du nettoyage au laser. Lorsqu'on compare la méthode de nettoyage au laser à d'autres méthodes telles que le sablage ou le jet d'eau, il faut tenir compte des critères suivants1,2 :
● Dans quelle mesure l'élimination de matière a-t-elle été efficace grâce à cette méthode ?
● Quel est l’impact sur le matériau du substrat ?
● Le substrat traité convient-il au revêtement de suivi ?
Pour répondre à la première question, une étude de recherche1 utilisant un laser YAG pulsé (fréquence d'impulsion de 24 kHz, durée d'impulsion de 83 ns) sur de l'acier inoxydable indique une vitesse maximale de 19 pi²/heure sur un échantillon revêtu de 10 mil (0,25 mm) avec une largeur de balayage de 7,6 cm. Cette vitesse est inférieure à celle de certaines méthodes concurrentes comme le sablage, mais le nettoyage au laser offre l'énorme avantage de respecter l'environnement.
Quant à l'effet sur le matériau du substrat, la même étude de recherche1 montre qu'au-dessus d'un certain niveau de fluence (3 J/cm2), il y aura une fusion et une augmentation substantielle de la température.
Concernant la troisième question et le comportement d'adhérence, celui-ci est étroitement lié à la rugosité de surface. L'évolution de la rugosité de surface du substrat métallique après un nettoyage au laser est une question cruciale. La figure 1 illustre la rugosité de surface d'un substrat en acier inoxydable sans aucune couche de peinture.
Figure 1 : Rugosité de surface du substrat en acier inoxydable3
Après l'application de couches de peinture et plusieurs années d'utilisation, la peinture doit être retirée. La question est de savoir comment le nettoyage au laser affecte la rugosité du substrat après le retrait de la peinture. D'autres méthodes de nettoyage, comme le jet d'eau, éliminent toute la rugosité de la surface, rendant impossible l'application directe des couches de peinture suivantes. Il faut utiliser du papier sablé pour rendre la surface rugueuse. Ce n'est pas le cas avec le nettoyage au laser, car il peut aussi augmenter la rugosité initiale de la surface selon les paramètres du procédé.
Plusieurs facteurs doivent être pris en compte pour examiner l'effet des différents paramètres du procédé laser sur la rugosité de surface. Ces paramètres sont énumérés ci-dessous et examinés un par un :
- Vitesse de nettoyage
- Heures de nettoyage
- Puissance laser
- Fréquence du pouls
- Rapport de chevauchement
- Densité énergétique
1. Vitesse et temps de nettoyage
La vitesse de nettoyage doit être distinguée de la vitesse de balayage. La vitesse de balayage est générée par les scanneurs galvo et le point laser forme une ligne d'une certaine largeur. La vitesse de nettoyage est perpendiculaire à cette ligne et suit la direction du mouvement de la tête laser (direction de balayage). La direction de la vitesse de nettoyage est illustrée à la figure 2.
Figure 2 : La direction de la vitesse de nettoyage est dans le sens du balayage
Selon une étude sur le substrat en alliage d'aluminium4, à faible vitesse de nettoyage (18 cm/min), la rugosité a d'abord augmenté avec le temps de nettoyage, puis a diminué avec l'augmentation du temps de nettoyage. À des vitesses plus élevées (27 cm/min et 36 cm/min), la rugosité de surface a augmenté avec le temps de nettoyage. Ceci est illustré à la figure 3.
Pour des temps de nettoyage identiques, l'évolution de la rugosité variait selon la vitesse de nettoyage. Après un cycle de nettoyage, la rugosité diminuait d'abord fortement avec la vitesse, puis augmentait lentement avec l'augmentation de la vitesse. À des temps de nettoyage deux fois plus longs, la rugosité de surface diminuait avec l'augmentation de la vitesse, bien que brusquement au début, puis diminuait plus lentement avec l'augmentation. À des temps de nettoyage plus élevés (4), la rugosité augmentait d'abord, puis diminuait avec l'augmentation de la vitesse. À 18 cm/s et 36 cm/s, la rugosité de surface était identique, avec une valeur maximale de 27 cm/min. Ce comportement est de nouveau illustré à la figure 3.
Figure 3 : À différents temps de nettoyage, le comportement de la rugosité varie en fonction de la vitesse de nettoyage4
2. Puissance du laser et fréquence d'impulsion
Le comportement général de la variation de la rugosité de la surface avec la puissance du laser est une augmentation de la rugosité avec une puissance laser plus élevée, ce qui a été illustré dans la figure 4 pour quatre fréquences d'impulsion différentes4.
Quant à l'effet de la fréquence d'impulsion, la rugosité de surface diminue avec l'augmentation de la fréquence d'impulsion à puissance laser constante. Cela est probablement dû au fait qu'à puissance laser constante, l'augmentation de la fréquence d'impulsion diminue l'énergie par impulsion et, par conséquent, l'effet de chauffage est moindre.
Figure 4 : Modification de la rugosité de surface en fonction de la puissance du laser et du taux de répétition des impulsions pour un substrat en aluminium4
3. Densité énergétique et ratio de chevauchement
Français La rugosité de surface montre une augmentation linéaire avec l'augmentation de la densité d'énergie4 comme le montre la figure 5. On observe également que bien que deux échantillons (A3 et A5) aient eu des paramètres de processus différents (80 W-240 kHz et 40 W-120 kHz) puisque leurs densités d'énergie étaient similaires (17,0 J/cm2 en utilisant un diamètre de spot de 50 μm et l'équation F=P/(f.π.d2) où F est la densité d'énergie, P est la puissance, f est la fréquence d'impulsion et d est le diamètre du spot laser), ils ont produit une rugosité similaire de près de 6 μm. La figure 5 montre le tracé de la rugosité de surface en fonction de la densité d'énergie.
Figure 5 : Dépendance linéaire de la rugosité de surface sur la densité énergétique
Cela prouve qu'un seul paramètre ne peut pas affecter le paramètre de rugosité et que la rugosité de la surface change principalement par la variation de la densité énergétique.
Le ratio de chevauchement affecte également la densité énergétique4 comme le montre la figure 6. La figure montre qu'à des densités d'énergie plus élevées (17,0 J/cm2 et 21,2 J/cm2), la rugosité de surface augmente généralement avec le rapport de chevauchement jusqu'à 50 %, mais pour des densités d'énergie plus faibles (8,5 J/cm2), la rugosité de surface est indépendante du rapport de chevauchement en dessous de 50 %, culmine à 50 %, puis diminue avec une nouvelle augmentation du ratio de chevauchement.
Figure 6 : Dépendance de la rugosité de surface au taux de chevauchement
D'autres expériences contrôlées menées dans le cadre de la même étude4 ont montré que des échantillons présentant une densité énergétique et des rapports de chevauchement similaires présentaient une rugosité similaire. On en conclut donc que les variations de vitesse de nettoyage, de fréquence d'impulsion, de puissance, etc., modifient la rugosité de surface principalement par le biais de la variation de la densité énergétique et des rapports de chevauchement. Les variations de ces deux paramètres influencent principalement la valeur de la rugosité.
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De plus, le respect des normes de l'industrie pour évaluer le profil/l'état et la rugosité de surface est également important. En général, les normes utilisées pour évaluer la préparation de surface comprennent la norme NACE N° 4/SSPC-SP7 « Brossage », la norme NACE N° 8/SSPC-SP14 « Industrie », la norme NACE N° 3/SSPC-SP6 « Commerce », la norme NACE N° 2/SSPC-SP10 « Métal quasi blanc », ainsi que la norme NACE N° 1/SSPC-SP5 « Métal blanc ». Les exigences de chaque norme sont présentées à la figure 7.
Figure 7 : Exigences de chaque norme5
Toutes ces opérations nécessitent l'élimination de toute matière non adhérente des substrats, comme l'huile, la graisse et autres contaminants visibles. Quant aux matières non adhérentes (impossibles à enlever avec un couteau à mastic émoussé, comme la rouille et les vieilles peintures) et aux taches (ombres et traces), les exigences sont différentes. La norme NACE N° 1/SSPC-SP5 « Métal Blanc » exige le plus haut degré de propreté parmi ces normes, exigeant que la surface soit exempte de toute matière non adhérente, de toute tache ou ombre. Selon les projets réalisés par Allied Scientific Pro, les équipements de nettoyage laser répondent efficacement aux exigences de la norme NACE N° 1/SSPC-SP5 « Métal Blanc » et permettent d'obtenir la rugosité de surface souhaitée en ajustant les paramètres laser.
Références :
1- Effets de l'élimination du revêtement par ablation laser (LACR) sur un substrat en acier : Partie 1 : Profil de surface, microstructure, dureté et adhérence, M. Shamsojjoha et.al, Surface & coating Technology, 281, 2015
2- Nettoyage laser de l'acier pour l'élimination de la peinture, G.X.Chen et.al, Apply Phys A (2010)
4- Effet des paramètres du processus de nettoyage laser sur la rugosité de surface de l'alliage d'aluminium de qualité 5754, G.Zhang et.al, The international journal of advanced manufacturing technology (2019).
5- Normes de préparation de surface, NACE International.