Après la soudure, le tuyau gardera-t-il une pression interne ? Comment l’éliminer ?
Dans la fabrication d’encapsulations métalliques pour capteurs à fibre optique de précision (tels que les capteurs à réseau de Bragg dans fibre, FBG), après le soudage (par exemple, soudage laser, brasage tendre ou brasage fort) et le refroidissement, un « effort emprisonné » se crée effectivement à l’intérieur du tube et au niveau de la jonction entre la fibre et la paroi du tube. En physique et en ingénierie, cela est appelé contrainte résiduelle d’encapsulation (Residual Packaging Stress).
Ce qui suit explique ses origines physiques et présente les méthodes d’ingénierie couramment utilisées dans l’industrie pour éliminer et libérer cette contrainte.
I. Origine physique de « l’effort emprisonné » (contrainte résiduelle) après soudage
La génération de contraintes résiduelles provient principalement des trois effets physiques suivants :
- Effet de désaccord thermique (Thermal Mismatch) : C’est la cause principale. Le coefficient de dilatation thermique ( \text{CTE} ) de la fibre optique en silice est extrêmement faible, seulement ( \alpha_{\text{f}} \approx 0.5 \times 10^{-6}/\text{K} ) ; tandis que le coefficient de dilatation thermique du tube de protection métallique utilisé pour l’encapsulation (tel que l’acier inoxydable à \alpha_{\text{m}} \approx 16 \times 10^{-6}/\text{K} , ou encore plus élevé pour le cuivre ou les alliages d’aluminium) est un à deux ordres de grandeur supérieur à celui de la fibre optique.
Lorsque le soudage est terminé et que le système refroidit de la température de soudage ( T_{\text{weld}} ) à la température ambiante ( T_{\text{room}} ), la contraction du tube métallique est bien plus importante que celle de la fibre optique. Comme les deux sont solidement liés par la soudure, la forte contraction du tube métallique exerce une contrainte de compression axiale considérable sur la fibre optique, créant ainsi un immense champ de contraintes résiduelles à l’intérieur du tube. - Contraction de solidification cristalline de la soudure (Solidification Shrinkage) : Lors de la cristallisation et de la transition de la soudure liquide à l’état solide sous l’effet du refroidissement, son volume subit une contraction microscopique, introduisant des contraintes de cisaillement locales aux interfaces solide-liquide et solide-solide.
- Contrainte mécanique par le bridage (Mechanical Constraint) : Pendant l’assemblage et le soudage, la fibre optique et le tube doivent être précisément positionnés et redressés par des dispositifs de bridage. Si ces dispositifs exercent une légère traction ou courbure sur la fibre optique, cette déformation mécanique sera « bloquée » de manière permanente à l’intérieur du composant encapsulé une fois le soudage terminé et les dispositifs de bridage retirés.
Dangers : Si cette contrainte résiduelle est laissée telle quelle, le spectre de réflexion du réseau de Bragg dans fibre sera déformé (par exemple, élargi, divisé, la biréfringence augmentera), entraînant une diminution de la précision de la mesure. À long terme, la contrainte résiduelle accélérera également l’expansion des microfissures dans la fibre, conduisant à une rupture prématurée par fatigue du capteur.
II. Comment éliminer et libérer les contraintes résiduelles ?
Dans la fabrication de capteurs optiques de précision, plusieurs méthodes scientifiques sont généralement utilisées pour libérer et stabiliser cet effort :
- Traitement de recuit thermique (Thermal Annealing) :
C’est la méthode d’élimination des contraintes la plus courante et la plus efficace dans l’industrie. Le capteur encapsulé est placé dans un four de traitement thermique, chauffé lentement à une température de recuit spécifique (cette température doit être inférieure à la température de défaillance du revêtement de la fibre et du réseau de Bragg, mais supérieure à la température de fonctionnement future du capteur), et maintenu pendant une certaine période (maintien isotherme).
Pendant cette étape, les atomes métalliques, la soudure et l’interface de la fibre subissent une micro-fluage et une déformation plastique sous l’effet d’activation thermique, permettant de libérer l’énergie de déformation élastique concentrée. Ensuite, le refroidissement à température ambiante doit être effectué à une vitesse extrêmement lente (par exemple, 1\ ^{\circ}\text{C}/\text{min} ) pour éviter l’introduction de contraintes thermiques secondaires dues à un refroidissement trop rapide. - Contrôle de pré-tension (Pre-tension Control) :
Avant le soudage, une force de traction axiale est appliquée à la fibre optique à l’aide d’une table de déplacement de précision (c’est-à-dire qu’une légère déformation de pré-tension est appliquée). Ainsi, lors de la contraction de refroidissement du tube métallique, la contrainte de compression générée compense exactement la pré-tension initiale de la fibre. Grâce à cette adaptation géométrique et mécanique par « compensation positive-négative », la contrainte résiduelle nette à température ambiante peut être proche de zéro ou maintenue dans une petite plage de contrainte de traction sûre. - Adaptation des coefficients de dilatation thermique faibles (CTE Matching) :
Dès la phase de conception, des matériaux dont le coefficient de dilatation thermique est plus proche de celui de la fibre optique en silice sont sélectionnés, tels que l’alliage Kovar, l’alliage Invar ou des alliages élastiques, afin de réduire la différence de contraction thermique à la source. - Stabilisation par ultrasons / vibrations (Ultrasonic / Vibrational Stress Relief) :
Après le soudage, des ultrasons de fréquence spécifique ou des vibrations à haute fréquence alternées sont appliqués au composant, provoquant une déformation plastique locale des réseaux cristallins à l’intérieur du matériau, accélérant ainsi la distribution uniforme et la libération des contraintes résiduelles.
III. Solution technique et application produit OFSCN®
Les capteurs à fibre optique de haute précision produits par Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) respectent des normes de processus strictes en matière d’élimination des contraintes résiduelles d’encapsulation :
Pour les mesures de contraintes et de déformations de haute précision, le OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor couramment utilisé est encapsulé dans un tube en alliage élastique spécial. Avant de quitter l’usine, il subit des cycles de haute et basse température ainsi qu’un traitement de recuit thermique pour libérer complètement les contraintes résiduelles d’encapsulation, garantissant ainsi la stabilité du point zéro du capteur lors de son fonctionnement à long terme.
OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor
Quant aux capteurs distribués fonctionnant dans des plages de température extrêmes, tels que le OFSCN® 700°C OFDR Micro All-Metal Strain Sensor, en raison de leur large plage de température de fonctionnement ( -270\ ^{\circ}\text{C} à 700\ ^{\circ}\text{C} ), ils utilisent un assemblage sans soudure entièrement métallique avec une fibre revêtue d’or et un tube spécial en alliage élastique monocouche. Pendant le processus de fabrication, les contraintes de réseau sont complètement éliminées et remodelées par plusieurs cycles de recuit à haute température, garantissant ainsi la linéarité absolue et la haute répétabilité des mesures sur une plage de température ultra-large.
