#01 Le laser nettoie les surfaces ? FAUX !

Pourquoi un laser élimine-t-il la peinture, la rouille ou les oxydes, mais pas le métal lui-même ?

On entend souvent dire que « le laser nettoie une surface ». Du point de vue de la physique, il s’agit pourtant d’une simplification importante.

En réalité, le laser ne nettoie rien.

Un laser est une source de rayonnement électromagnétique caractérisée par une longueur d’onde, une puissance, une durée d’impulsion et une distribution spatiale de l’énergie.

L’élimination d’un revêtement résulte de l’interaction entre cette énergie et le matériau.

1. Interaction avec la surface

Lorsque le faisceau laser atteint le matériau, son énergie peut être réfléchie, absorbée ou transmise.

Pour la plupart des métaux à une longueur d’onde de 1064 nm, la transmission est pratiquement nulle.

C’est précisément là que commence toute la physique du nettoyage laser.

Pourquoi la peinture est-elle éliminée ?

Chaque matériau possède ses propres propriétés optiques et thermiques.

La peinture, les produits de corrosion ou la calamine présentent généralement une absorption plus élevée que l’acier dans les conditions de traitement utilisées.

Le laser ne « reconnaît » pas le matériau.

C’est le matériau qui détermine la quantité d’énergie qu’il absorbe.

2. Que devient l’énergie absorbée ?

L’énergie absorbée par le matériau est principalement convertie en énergie interne, ce qui provoque une augmentation locale de la température.

Plus l’absorption est importante, plus la température augmente.

Une fine couche de peinture peut ainsi atteindre plusieurs centaines de degrés en quelques microsecondes, voire à des échelles de temps encore plus courtes selon les paramètres du procédé.

3. Pourquoi le métal reste-t-il intact ?

Les seuils d’interaction et d’ablation d’un matériau dépendent notamment de la longueur d’onde et des paramètres du faisceau.

L’acier et le revêtement n’ont pas les mêmes propriétés optiques, thermiques et physiques.

Lorsque les paramètres sont correctement choisis, l’énergie déposée est suffisante pour éliminer le revêtement, mais reste inférieure aux conditions nécessaires pour provoquer une ablation significative de l’acier.

C’est pourquoi la surface métallique peut rester pratiquement intacte.

La puissance ne fait pas tout

On parle souvent de la puissance du laser.

En réalité, elle ne représente qu’un seul paramètre parmi d’autres.

L’efficacité du procédé dépend également de :

• la longueur d’onde ;
• l’énergie de l’impulsion ;
• sa durée ;
• la fréquence ;
• la puissance de crête ;
• la fluence ;
• le diamètre du spot ;
• la vitesse de balayage ;
• le recouvrement des impulsions.

Il n’existe donc pas de réglage universel valable pour tous les matériaux et tous les types de contamination.

Quelques formules physiques permettent de comprendre le procédé

Ce n’est pas de la magie. C’est de la physique.

Principe de conservation de l’énergie

R + A + T = 1

où :

• R = fraction d’énergie réfléchie ;

• A = fraction d’énergie absorbée ;

• T = fraction d’énergie transmise à travers le matériau.

Pour la plupart des métaux, à une longueur d’onde de 1064 nm, la transmission est pratiquement nulle :

T ≈ 0

On obtient donc :

R + A ≈ 1

Que signifie cette formule pour un opérateur ?

L’énergie du laser ne disparaît pas.

Si la peinture absorbe davantage d’énergie que l’acier, elle chauffe plus rapidement et est éliminée en premier.

Ce n’est pas le laser qui « choisit » le matériau.

C’est le matériau qui détermine la quantité d’énergie qu’il absorbe.

Élévation de température

Dans une approximation simplifiée, en négligeant les pertes de chaleur pendant l’apport d’énergie, on peut représenter l’élévation de température par :

ΔT = Eabs / (ρ · c · V)

où :

• Eabs = énergie absorbée ;

• ρ = masse volumique du matériau ;

• c = capacité thermique massique ;

• V = volume chauffé.

Que signifie cette relation pour un opérateur ?

Il n’est pas nécessaire de calculer la température à chaque opération.

Il suffit de comprendre la relation.

Plus un matériau absorbe d’énergie et plus la masse chauffée est faible, plus sa température augmente rapidement.

C’est pourquoi :

• une fine couche de peinture peut disparaître très vite ;

• un revêtement épais peut nécessiter plusieurs passages ;

• une tôle mince chauffe plus rapidement qu’une pièce massive.

Fluence

La fluence correspond à l’énergie déposée par unité de surface.

Dans une approximation simple :

F = E / S

où :

• E = énergie de l’impulsion ;

• S = surface du spot laser.

Que signifie cette formule pour un opérateur ?

Elle ne décrit pas directement la puissance du laser.

Elle décrit la quantité d’énergie reçue par une surface donnée.

Modifier la mise au point, le diamètre du spot ou l’énergie de l’impulsion peut donc complètement changer le résultat du nettoyage.

Condition d’un nettoyage sélectif

L’objectif du procédé est de fournir suffisamment d’énergie pour éliminer le revêtement, tout en limitant l’énergie déposée dans le substrat.

Dans un modèle simplifié d’ablation sélective, on peut représenter cet objectif par :

Fth(revêtement) < F < Fth(acier)

où Fth représente le seuil de fluence associé au matériau considéré dans les conditions données.

Que signifie cette formule pour un opérateur ?

C’est l’objectif du procédé.

L’énergie doit être suffisante pour éliminer la peinture, mais rester inférieure au seuil à partir duquel le substrat commence à être significativement ablaté.

C’est pourquoi une mauvaise mise au point ou des paramètres inadaptés peuvent endommager le métal, tandis qu’un réglage correctement choisi permet d’éliminer principalement le revêtement.

Pourquoi il n’existe pas de réglage universel en nettoyage laser ?

Il ne suffit donc pas de régler une machine sur une puissance donnée, par exemple 300 W.

Chaque matériau et chaque type de contamination nécessitent des paramètres de procédé adaptés.

Une même puissance peut produire des résultats très différents selon :

• le matériau du substrat ;
• la nature du revêtement ;
• l’épaisseur de la contamination ;
• l’absorption ;
• l’énergie par impulsion ;
• la fréquence ;
• le diamètre du spot ;
• la vitesse de balayage ;
• le recouvrement des impulsions ;
• la mise au point.

Un opérateur laser doit-il connaître toutes ces formules par cœur ?

Non.

Il suffit de comprendre ce qui se produit lorsque le faisceau laser interagit avec le matériau.

Les réglages ne sont alors plus le fruit du hasard, mais le résultat d’un choix réfléchi des paramètres du procédé.

Et il est toujours possible de revenir à ces formules.

À lire également : « Pourquoi la puissance du laser ne détermine-t-elle pas à elle seule l’efficacité du nettoyage ? »