El granallado con láser ( LP ), o el granallado por choque con láser ( LSP ), es un proceso de ingeniería de superficies que se utiliza para impartir tensiones residuales beneficiosas en los materiales. Las tensiones residuales de compresión profundas y de alta magnitud inducidas por el granallado con láser aumentan la resistencia de los materiales a fallas relacionadas con la superficie, como fatiga , fatiga por fricción y agrietamiento por corrosión bajo tensión . El granallado por impacto con láser también se puede utilizar para fortalecer secciones delgadas, endurecer superficies, dar forma o enderezar piezas (conocido como formación por granallado con láser), romper materiales duros, compactar metales en polvo y para otras aplicaciones donde las ondas de choque de alta presión y corta duración ofrecen lo deseable. resultados del procesamiento.
Los descubrimientos científicos iniciales hacia el granallado láser moderno comenzaron a principios de la década de 1960, cuando la tecnología de láser pulsado comenzó a proliferar en todo el mundo. En una de las primeras investigaciones sobre la interacción del láser con materiales realizada por Gurgen Askaryan y EM Moroz, documentaron mediciones de presión en una superficie específica utilizando un láser pulsado. [1] Las presiones observadas fueron mucho mayores de las que podrían crearse únicamente con la fuerza del rayo láser . La investigación sobre el fenómeno indicó que la alta presión era el resultado de un impulso generado por la vaporización del material en la superficie del objetivo cuando el pulso láser lo calentaba rápidamente. A lo largo de la década de 1960, varios investigadores definieron y modelaron aún más la interacción del pulso del rayo láser con los materiales y la posterior generación de ondas de tensión. [2] [3] Estos y otros estudios observaron que las ondas de tensión en el material se generaban a partir del plasma en rápida expansión creado cuando el rayo láser pulsado golpeaba el objetivo. Posteriormente, esto generó interés en lograr presiones más altas para aumentar la intensidad de las ondas de estrés. Para generar presiones más altas fue necesario aumentar la densidad de potencia y enfocar el rayo láser (concentrar la energía), requiriendo que la interacción rayo láser-material ocurra en una cámara de vacío para evitar la ruptura dieléctrica dentro del rayo en el aire. Estas limitaciones limitaron el estudio de las interacciones material-láser pulsado de alta intensidad a un grupo selecto de investigadores con láseres pulsados de alta energía.
A finales de la década de 1960 se produjo un avance importante cuando NC Anderholm descubrió que se podían lograr presiones de plasma mucho más altas confinando el plasma en expansión contra la superficie objetivo. [4] Anderholm confinó el plasma colocando una capa de cuarzo, transparente al rayo láser, firmemente contra la superficie objetivo. Con la superposición colocada, el rayo láser atravesó el cuarzo antes de interactuar con la superficie objetivo. El plasma en rápida expansión estaba ahora confinado dentro de la interfaz entre la capa de cuarzo y la superficie del objetivo. Este método de confinar el plasma aumentó en gran medida la presión resultante, generando picos de presión de 1 a 8 gigapascales (150 a 1200 ksi), en un orden de magnitud mayor que las mediciones de presión de plasma no confinado. La importancia del descubrimiento de Anderholm para el granallado por láser fue la demostración de que las interacciones entre el láser pulsado y el material para desarrollar ondas de tensión de alta presión se podían realizar en el aire, sin limitarse a una cámara de vacío .
A principios de los años 70 se realizaron las primeras investigaciones sobre los efectos de la irradiación con láser pulsado en el material objetivo. LI Mirkin observó el hermanamiento de granos de ferrita en acero bajo el cráter creado por irradiación láser en el vacío. [5] SA Metz y FA Smidt, Jr. irradiaron láminas de níquel y vanadio en el aire con un láser pulsado a una baja densidad de potencia y observaron huecos y bucles de vacantes después de recocer las láminas, lo que sugiere que la tensión creó una alta concentración de vacantes. ola. Estas vacantes se agregaron posteriormente durante el recocido posterior a la irradiación en los huecos observados en el níquel y los bucles de dislocación en el vanadio. [6]
En 1971, investigadores del Battelle Memorial Institute en Columbus, Ohio, comenzaron a investigar si el proceso de choque con láser podría mejorar las propiedades mecánicas del metal utilizando un láser pulsado de alta energía. En 1972, se publicó la primera documentación de los efectos beneficiosos de los metales impactados con láser, informando el fortalecimiento de muestras de tracción de aluminio utilizando una capa de cuarzo para confinar el plasma. [7] Posteriormente, la primera patente sobre el granallado por láser fue concedida a Phillip Mallozzi y Barry Fairand en 1974. [8] La investigación sobre los efectos y posibles aplicaciones del granallado por láser continuó durante los años 1970 y principios de los 1980 por Allan Clauer, Barry Fairand, y compañeros de trabajo, con el apoyo de fondos de la Fundación Nacional de Ciencias , la NASA , la Oficina de Investigación del Ejército, la Fuerza Aérea de EE. UU. e internamente de Battelle. Esta investigación exploró los efectos en el material con más profundidad y demostró la creación de tensiones de compresión profundas y el consiguiente aumento de la fatiga y la vida útil de la fatiga por rozamiento logrado mediante el granallado con láser. [9] [10] [11] [12]
La descarga láser durante las etapas iniciales de desarrollo estuvo severamente limitada por la tecnología láser de la época. El láser pulsado utilizado por Battelle abarcaba una habitación grande y requería varios minutos de recuperación entre pulsos de láser. [13] Para convertirse en un proceso industrial viable, económico y práctico, la tecnología láser tuvo que madurar hasta convertirse en equipos con un tamaño mucho más pequeño y ser capaz de aumentar las frecuencias de pulso láser. A principios de la década de 1980, Wagner Castings Company, ubicada en Decatur, Illinois, se interesó en el granallado por láser como un proceso que podría aumentar potencialmente la resistencia a la fatiga del hierro fundido para competir con el acero, pero a un costo menor. El granallado por láser de varios hierros fundidos mostró una modesta mejora en la vida útil de la fatiga, y estos resultados, junto con otros, los convencieron de financiar el diseño y la construcción de un láser pulsado previo al prototipo en 1986 para demostrar la viabilidad industrial del proceso. Este láser se completó y demostró en 1987. Aunque la tecnología había estado bajo investigación y desarrollo durante unos 15 años, pocas personas en la industria habían oído hablar de ella. Entonces, con la finalización del láser de demostración, los ingenieros de Wagner Castings y Battelle lanzaron un importante esfuerzo de marketing para introducir el granallado por láser en mercados industriales potenciales.
También a mediados de la década de 1980, Remy Fabbro de la Escuela Politécnica estaba iniciando un programa de granallado con láser en París. Él y Jean Fournier de la Compañía Peugeot visitaron Battelle en 1986 para una extensa discusión sobre el granallado por choque láser con Allan Clauer. Los programas iniciados por Fabbro y llevados a cabo en la década de 1990 y principios de la de 2000 por Patrice Peyre, Laurent Berthe y sus colaboradores han hecho importantes contribuciones, tanto teóricas como experimentales, a la comprensión y la implementación del granallado con láser. [14] [15] [16] En 1998, midieron usando VISAR ( Sistema de interferómetro de velocímetro para cualquier reflector ) cargas de presión en régimen de confinamiento de agua en función de la longitud de onda. Demuestran el efecto perjudicial de la descomposición del agua que limita la presión máxima en la superficie del material. [17]
A principios de la década de 1990, el mercado se estaba familiarizando más con el potencial del granallado con láser para aumentar la vida útil. En 1991, la Fuerza Aérea de EE. UU. presentó a los ingenieros de Battelle y Wagner a GE Aviation para discutir la posible aplicación del granallado láser para abordar un problema de daño por objetos extraños (FOD) con las aspas del ventilador en el motor General Electric F101 que alimenta el bombardero Rockwell B-1B Lancer. . Las pruebas resultantes demostraron que las aspas de ventilador granalladas con láser y con muescas severas después del granallado con láser tenían la misma vida de fatiga que una aspa nueva. [18] Después de un mayor desarrollo, GE Aviation obtuvo la licencia de la tecnología de granallado por impacto láser de Battelle, y en 1995, GE Aviation y la Fuerza Aérea de EE. UU. tomaron la decisión de seguir adelante con el desarrollo de la producción de la tecnología. GE Aviation comenzó la producción de granallado láser de las aspas del ventilador F101 en 1998.
La demanda de sistemas láser industriales necesarios para que GE Aviation entrara en producción atrajo a varios miembros del equipo de granallado por choque láser de Battelle a fundar LSP Technologies, Inc. en 1995 como el primer proveedor comercial de equipos de granallado por láser. Dirigido por el fundador Jeff Dulaney, LSP Technologies diseñó y construyó los sistemas láser para que GE Aviation realice el granallado láser de producción de las aspas del ventilador F101. A finales de la década de 1990 y principios de la de 2000, la Fuerza Aérea de EE. UU. continuó trabajando con LSP Technologies para madurar las capacidades de producción de granallado por choque láser e implementar células de fabricación. [19]
A mediados de la década de 1990, independientemente de los desarrollos de granallado por láser que se estaban llevando a cabo en los Estados Unidos y Francia, Yuji Sano de Toshiba Corporation en Japón inició el desarrollo de un sistema de granallado por láser capaz de granallar con láser soldaduras en recipientes a presión de plantas nucleares para mitigar el agrietamiento por corrosión bajo tensión. en estas áreas. [20] El sistema utilizaba un láser pulsado de baja energía que funcionaba a una frecuencia de pulso más alta que los láseres de mayor potencia. El rayo láser se introdujo en los recipientes a presión a través de tubos articulados. Debido a que los recipientes a presión estaban llenos de agua, el proceso no requirió una capa de agua sobre la superficie irradiada. Sin embargo, el haz tuvo que viajar cierta distancia a través del agua, lo que requirió el uso de un haz de longitud de onda más corta, 532 nm, para minimizar la ruptura dieléctrica del haz en el agua, en lugar del haz de 1054 nm utilizado en Estados Unidos y Francia. Además, no era práctico considerar el uso de una superposición opaca. Este proceso ahora se conoce como granallado láser sin recubrimiento (LPwC). Comenzó a aplicarse a los reactores japoneses de agua hirviendo y de agua a presión en 1999. [21]
También en la década de 1990 José Ocaña formó un importante grupo de investigación sobre granallado por láser en la Universidad Politécnica de Madrid. Su trabajo incluye estudios tanto experimentales como teóricos utilizando láseres pulsados de baja energía con y sin revestimiento opaco. [22] [23]
Con el gran avance de la aplicación comercial del granallado por láser en el motor F101 para resolver un problema operativo importante, el granallado por láser atrajo la atención en todo el mundo. Investigadores de muchos países e industrias llevaron a cabo investigaciones para ampliar la comprensión del proceso de granallado por choque láser y los efectos de las propiedades de los materiales. Como resultado, se generó un gran volumen de trabajos de investigación y patentes en Estados Unidos, Francia y Japón. Además del trabajo que se está realizando en estos países y en España, se iniciaron programas de granallado con láser en China, Gran Bretaña, Alemania y varios otros países. El crecimiento continuo de la tecnología y sus aplicaciones llevó a la aparición de varios proveedores comerciales de granallado por choque láser a principios de la década de 2000.
GE Aviation y LSP Technologies fueron las primeras empresas que realizaron comercialmente el granallado con láser, habiendo obtenido la licencia de la tecnología de Battelle. GE Aviation realizó granallado por láser para los componentes de sus motores aeroespaciales y LSP Technologies comercializó servicios y equipos de granallado por choque láser a una base industrial más amplia. A finales de la década de 1990, Metal Improvement Company (MIC ahora forma parte de Curtis Wright Surface Technologies) se asoció con el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) para desarrollar sus propias capacidades de granallado por láser. En Japón, Toshiba Corporation amplió las aplicaciones comerciales de su sistema LPwC a reactores de agua a presión y en 2002 implementó el suministro de haz de fibra óptica al cabezal de granallado láser submarino. Toshiba también rediseñó el suministro de láser y haz en un sistema compacto, lo que permite insertar todo el sistema en el recipiente a presión. Este sistema estuvo listo para su uso comercial en 2013 [24] MIC desarrolló y adaptó el granallado por choque láser para formar las formas de las alas en el Boeing 747-8.
El crecimiento de los proveedores industriales y las pruebas comerciales de la tecnología de granallado por láser llevan a que muchas empresas adopten la tecnología de granallado por láser para resolver y prevenir problemas. Algunas de las empresas que han adoptado el granallado por láser incluyen: GE , Rolls-Royce , Siemens , Boeing , Pratt & Whitney y otras.
Desde la década de 1990 y hasta la actualidad, los desarrollos del granallado por láser se han centrado en reducir los costos y aumentar el rendimiento para llegar a mercados fuera de los componentes de alto costo y bajo volumen. Anteriormente, los altos costos en el proceso de granallado por láser eran atribuibles a la complejidad del sistema láser, las tasas de procesamiento, la mano de obra y las aplicaciones de superposición. Numerosos avances en curso que abordan estos desafíos han reducido drásticamente los costos del granallado por láser: los sistemas de granallado por láser están diseñados para manejar operaciones robustas; la frecuencia del pulso de los sistemas láser está aumentando; las operaciones laborales rutinarias están cada vez más automatizadas; La aplicación de superposiciones está automatizada en muchos casos. Estos costos operativos reducidos del granallado por láser lo han convertido en una herramienta valiosa para resolver una amplia gama de fatiga y aplicaciones relacionadas. [25]
El granallado con láser utiliza los efectos mecánicos dinámicos de una onda de choque impartida por un láser para modificar la superficie de un material objetivo. No utiliza efectos térmicos. Fundamentalmente, el granallado por láser se puede lograr con sólo dos componentes: una capa transparente y un sistema de láser pulsado de alta energía. La capa transparente confina el plasma formado en la superficie objetivo por el rayo láser. También suele ser beneficioso utilizar una capa delgada, opaca al rayo láser, entre la capa de agua y la superficie objetivo. Esta superposición opaca puede proporcionar uno o cada uno de tres beneficios: proteger la superficie del objetivo de efectos térmicos potencialmente perjudiciales del rayo láser, proporcionar una superficie consistente para la interacción entre el rayo láser y el material y, si la impedancia de la superposición es menor que la del objetivo superficie, aumenta la magnitud de la onda de choque que ingresa al objetivo. Sin embargo, hay situaciones en las que no se utiliza una superposición opaca; en el proceso Toshiba, LPwC, o donde la compensación entre un costo reducido y posiblemente una tensión residual superficial algo menor permite el rectificado o bruñido superficial después del granallado con láser para eliminar la capa delgada afectada térmicamente.
El proceso de granallado por láser se originó con láseres de vidrio Nd de alta energía que producían energías de pulso de hasta 50 J (más comúnmente de 5 a 40 J) con duraciones de pulso de 8 a 25 ns. Los diámetros del punto láser sobre el objetivo suelen estar en el rango de 2 a 7 mm. La secuencia de procesamiento comienza aplicando la capa opaca sobre la pieza de trabajo o la superficie objetivo. Los materiales de recubrimiento opacos comúnmente utilizados son cinta negra o de aluminio, pintura o un líquido patentado, RapidCoater. La cinta o pintura generalmente se aplica sobre toda el área a procesar, mientras que RapidCoater se aplica sobre cada punto del láser justo antes de activar el pulso láser. Después de la aplicación de la capa opaca, se coloca la capa transparente sobre ella. La capa transparente utilizada en el proceso de producción es agua; Es barato, se aplica fácilmente, se adapta fácilmente a las geometrías de superficie más complejas y se elimina fácilmente. Se aplica a la superficie justo antes de activar el pulso láser. Las superposiciones de cuarzo o vidrio producen presiones mucho más altas que el agua, pero se limitan a superficies planas, deben reemplazarse después de cada disparo y serían difíciles de manejar en un entorno de producción. Se puede utilizar cinta transparente, pero su aplicación requiere mano de obra y es difícil adaptarla a características complejas de la superficie. La capa transparente permite que el rayo láser la atraviese sin una absorción apreciable de la energía láser ni una ruptura dieléctrica. Cuando se activa el láser, el haz pasa a través de la capa transparente y golpea la capa opaca, vaporizando inmediatamente una capa delgada del material de capa. Este vapor queda atrapado en la interfaz entre las capas transparentes y opacas. La entrega continua de energía durante el pulso láser calienta e ioniza rápidamente el vapor, convirtiéndolo en un plasma que se expande rápidamente. La presión creciente ejercida sobre la superficie opaca por el plasma en expansión ingresa a la superficie objetivo como una onda de tensión de alta amplitud o una onda de choque. Sin una capa transparente, la columna de plasma libre se aleja de la superficie y la presión máxima es considerablemente menor. Si la amplitud de la onda de choque está por encima del límite elástico de Hugoniot (HEL) , es decir, el límite elástico dinámico del objetivo, el material se deforma plásticamente.durante el paso de la onda de choque. La magnitud de la deformación plástica disminuye con la distancia desde la superficie a medida que la presión máxima de la onda de choque se atenúa, es decir, disminuye, y se vuelve cero cuando la presión máxima cae por debajo del HEL. Después de que pasa la onda de choque, la deformación plástica residual crea un gradiente de tensión residual de compresión debajo de la superficie objetivo, más alto en la superficie o inmediatamente debajo de ella y que disminuye con la profundidad. Al variar la densidad de potencia del láser, la duración del pulso y el número de disparos sucesivos en un área, se puede lograr una variedad de magnitudes y profundidades de tensión de compresión de la superficie. La magnitud de las tensiones superficiales es comparable al granallado, pero las profundidades son mucho mayores, llegando hasta 5 mm cuando se utilizan múltiples disparos en un lugar. Generalmente se aplican densidades de puntos de aproximadamente 10 puntos/ cm2 a 40 puntos/cm2 . La profundidad de la tensión de compresión lograda con los parámetros de procesamiento más comunes varía de 1 a 2 mm (0,039 a 0,079 pulgadas) de profundidad. Las tensiones de compresión profundas se deben a que la presión máxima de la onda de choque se mantiene por encima del HEL a mayores profundidades que con otras tecnologías de granallado.
Puede haber casos en los que sea rentable no aplicar la capa opaca y el láser directamente sobre la superficie desnuda de la pieza de trabajo. Cuando se aplica el granallado con láser sobre una superficie metálica desnuda, se vaporiza una capa delgada de material superficial, de rango micrométrico. El rápido aumento de temperatura provoca que la superficie se derrita a una profundidad que depende de la energía y la duración del pulso y del punto de fusión objetivo. En las aleaciones de aluminio, esta profundidad es nominalmente de 10 a 20 μm, pero en aceros y otras aleaciones con puntos de fusión más altos, las profundidades pueden ser de sólo unos pocos micrómetros. Debido a la corta duración del pulso, el calentamiento profundo de la superficie se limita a unas pocas decenas de micrómetros debido al rápido efecto de enfriamiento del sustrato frío. Pueden producirse algunas manchas superficiales en la superficie de la pieza de trabajo, normalmente debido a productos de oxidación. Estos efectos perjudiciales del procesamiento de superficies desnudas, tanto estéticos como metalúrgicos, pueden eliminarse después del granallado con láser mediante un ligero esmerilado o bruñido. Con una capa opaca colocada, la superficie objetivo experimenta aumentos de temperatura de menos de 50 a 100 °C (90 a 180 °F) en una escala de tiempo de nanosegundos.
Los pulsos láser generalmente se aplican secuencialmente sobre el objetivo para tratar áreas más grandes que el tamaño del punto láser. Las formas de pulso láser se pueden personalizar en perfiles circulares, elípticos, cuadrados y otros para proporcionar las condiciones de procesamiento más convenientes y eficientes. El tamaño del punto aplicado depende de una serie de factores que incluyen el material HEL, las características del sistema láser y otros factores de procesamiento. El área a ser granallada con láser generalmente está determinada por la geometría de la pieza, la extensión del área crítica de fatiga y las consideraciones de mover las tensiones de tracción de compensación fuera de esta área.
El proceso de granallado por láser desarrollado más recientemente, el proceso Toshiba LPwC, varía de manera significativa del proceso descrito anteriormente. El proceso LPwC utiliza láseres Nd-YAG de alta frecuencia y baja energía que producen energías de pulso de ≤ 0,1 J y duraciones de pulso de ≤ 10 ns , utilizando tamaños de punto ≤ 1 mm de diámetro. Debido a que el proceso originalmente estaba destinado a operar en grandes recipientes llenos de agua, la frecuencia de onda se duplicó para reducir a la mitad la longitud de onda a 532 nm. La longitud de onda más corta disminuye la absorción de la energía del haz mientras viaja a través del agua hasta el objetivo. Debido a restricciones de acceso, no se aplica ninguna capa opaca a la superficie objetivo. Este factor, combinado con el pequeño tamaño del punto, requiere muchos disparos para lograr una tensión de compresión superficial significativa y profundidades de 1 mm. Las primeras capas aplicadas producen una tensión superficial de tracción debido a la fusión de la superficie, aunque se desarrolla una tensión de compresión debajo de la capa fundida. Sin embargo, a medida que se añaden más capas, la tensión de compresión subsuperficial creciente "sangra" nuevamente a través de la capa superficial fundida para producir la tensión de compresión superficial deseada. Dependiendo de las propiedades del material y de las tensiones de compresión deseadas, generalmente se aplican aproximadamente 18 puntos/mm2 a 70 puntos/mm2 o mayores densidades de puntos, aproximadamente 100 veces las densidades de puntos del proceso de alta energía de pulso. Los efectos de las mayores densidades de puntos en los tiempos de procesamiento se compensan en parte por la mayor frecuencia de pulso, 60 Hz, de los láseres de baja energía. Se prevé que las nuevas generaciones de estos sistemas láser funcionen a frecuencias más altas. Este proceso de baja energía logra magnitudes de tensión residual de compresión y profundidades equivalentes al proceso de alta energía con profundidades nominales de 1 a 1,5 mm (0,039 a 0,059 pulgadas). Sin embargo, el tamaño del punto más pequeño no permitirá profundidades mayores que ésta.
El proceso de granallado por láser mediante control por computadora se describe en AMS 2546. Como muchas otras tecnologías de mejora de superficies, la medición directa de los resultados del proceso en la pieza de trabajo durante el procesamiento no es práctica. Por lo tanto, los parámetros del proceso de energía y duración del pulso, agua y capas opacas se monitorean de cerca durante el procesamiento. También están disponibles otros sistemas de control de calidad que se basan en mediciones de presión, como transductores acústicos electromagnéticos (EMAT), sistema de interferómetro de velocidad para cualquier reflector (VISAR), medidores de PVDF y radiómetros de plasma. También se utilizan tiras Almen , pero funcionan como herramienta de comparación y no proporcionan una medida definitiva de la intensidad del granallado con láser. Las tensiones residuales resultantes impartidas por el proceso de granallado por láser se miden de forma rutinaria en la industria utilizando técnicas de difracción de rayos X con el fin de optimizar el proceso y garantizar la calidad.
Los sistemas láser iniciales utilizados durante el desarrollo del granallado por láser fueron grandes láseres de investigación que proporcionaban pulsos de alta energía a frecuencias de pulso muy bajas. Desde mediados de la década de 1990, los láseres diseñados específicamente para el granallado por láser presentaban un tamaño cada vez más pequeño y frecuencias de pulso más altas, ambas cosas más deseables para entornos de producción. Los sistemas de granallado por láser incluyen tanto sistemas láser de varilla como un sistema láser de losa. Los sistemas de láser de varilla se pueden separar aproximadamente en tres grupos principales, reconociendo que existe cierta superposición entre ellos: (1) láseres de alta energía y baja tasa de repetición que funcionan típicamente a 10 a 40 J por pulso con una longitud de pulso de 8 a 25 ns a nominalmente frecuencia de repeticiones de 0,5 a 1 Hz, tamaños de puntos nominales de 2 a 8 mm; (2) láseres de energía intermedia y velocidad de repetición intermedia que funcionan a 3 a 10 J con un ancho de pulso de 10 a 20 ns a una frecuencia de repetición de 10 Hz, tamaños de punto nominales de 1 a 4 mm; (3) láseres de baja energía y alta tasa de repetición que funcionan a ≤ 1 J por pulso con una longitud de pulso de ≤ 10 ns a una frecuencia de repetición de 60+ Hz, tamaño de punto de ≤ 1 mm . El sistema láser de losa funciona en el rango de 10 a 25 J por pulso con una duración de pulso de 8 a 25 ns a una frecuencia de repetición de 3 a 5 Hz, tamaños de punto nominales de 2 a 5 mm. Los sistemas comerciales incluyen láseres de varilla representados por los tres grupos y el sistema láser de losa.
Para cada sistema de granallado por láser, el haz de salida del láser se dirige a una celda de granallado por láser que contiene las piezas de trabajo o piezas que se van a procesar. La celda de granallado contiene el sistema de manipulación de piezas y proporciona el entorno seguro necesario para un granallado láser comercial eficiente. Las piezas a procesar se introducen normalmente en la celda por lotes. Luego, las piezas se recogen y colocan en la trayectoria del haz mediante robots u otros sistemas de manipulación de piezas personalizados. Dentro de la celda de trabajo, el haz se dirige a la superficie de la pieza de trabajo a través de una cadena óptica de espejos y/o lentes. Si se utiliza cinta, se aplica antes de que la pieza entre en la celda de trabajo, mientras que los recubrimientos de agua o RapidCoater se aplican dentro de la celda individualmente para cada punto. La pieza de trabajo, o a veces el rayo láser, se reposiciona para cada disparo según sea necesario mediante un robot u otro sistema de manipulación de piezas. Cuando se han procesado las áreas seleccionadas en cada pieza, el lote se reemplaza en la celda de trabajo por otro.
El trabajo en frío (deformación plástica) generado por ondas de choque en el material de la pieza de trabajo crea tensiones residuales de compresión y tracción para mantener un estado de equilibrio del material. Estas tensiones residuales son compresivas en la superficie de la pieza de trabajo y gradualmente se desvanecen hasta convertirse en tensiones de tracción bajas debajo y alrededor del área granallada con láser. El trabajo en frío también endurece la capa superficial. Se ha demostrado que las tensiones residuales de compresión y, en menor medida, el trabajo en frío, procedentes del granallado con láser previenen y mitigan la fatiga de ciclo alto (HCF), la fatiga de ciclo bajo (LCF), el agrietamiento por corrosión bajo tensión, la fatiga por fricción y, en algunos casos, el trabajo en frío. grado, desgaste y corrosión por picaduras . Es excelente para mitigar el daño de objetos extraños en las palas de las turbinas.
La tensión plástica introducida por el granallado por láser es mucho menor que la introducida por otras tecnologías de granallado por impacto. Como resultado, la deformación plástica residual tiene una estabilidad térmica mucho mayor que las microestructuras trabajadas en frío. Esto permite que las tensiones de compresión tratadas con láser se retengan a temperaturas de funcionamiento más altas durante exposiciones prolongadas que en el caso de otras tecnologías. Entre las aplicaciones que se benefician de esto se encuentran los álabes de compresores y ventiladores de turbinas de gas y los componentes de plantas nucleares.
Al mejorar el rendimiento del material, el granallado por láser permite diseños más eficientes que reducen el peso, prolongan la vida útil de los componentes y aumentan el rendimiento. En el futuro, se prevé que el granallado por láser se incorpore al diseño de componentes críticos para la fatiga para lograr una vida útil más larga, un peso más ligero y quizás un diseño más simple de fabricar.
Originalmente, el uso de ondas de choque inducidas por láser sobre metales para lograr propiedades o beneficios funcionales se denominaba procesamiento de choque láser, un término más amplio e inclusivo. Dio la casualidad de que el granallado con láser fue el primer aspecto comercial del procesamiento de choque con láser. Sin embargo, las ondas de choque inducidas por láser han encontrado usos en otras aplicaciones industriales además de las tecnologías de mejora de superficies.
Una aplicación es para dar forma o conformar metales. Al impactar selectivamente con láser áreas en la superficie de láminas o placas de metal, o elementos más pequeños como perfiles aerodinámicos, las tensiones residuales de compresión asociadas hacen que el material se flexione de manera controlable. De esta manera se puede impartir una forma particular a un componente, o se puede devolver a un componente distorsionado la forma deseada. Por lo tanto, este proceso es capaz de devolver las piezas fabricadas a los límites de tolerancia de diseño y dar forma a piezas de sección delgada.
Otra variación es utilizar la onda de choque para pruebas de espalación de materiales. Esta aplicación se basa en el comportamiento de las ondas de choque al reflejarse desde la superficie libre trasera de una pieza de trabajo como una onda de tracción. Dependiendo de las propiedades del material y las características de la onda de choque, la onda de tracción reflejada puede ser lo suficientemente fuerte como para formar microfisuras o huecos cerca de la superficie posterior, o realmente "soplar" o descascarar material de la superficie posterior. Este enfoque tiene cierto valor para probar materiales balísticos.
El uso de choques láser para medir la fuerza de unión de recubrimientos sobre metales se ha desarrollado durante un período de años en Francia, llamado LASAT (Prueba de Adhesión por Láser). [26] Esta aplicación también se basa en el comportamiento de las ondas de choque al reflejarse desde la superficie libre trasera de una pieza de trabajo como una onda de tracción. Si la superficie posterior está recubierta con un revestimiento adherente, la onda de tracción se puede adaptar para fracturar la unión tras la reflexión de la superficie. Controlando las características de la onda de choque, se puede medir la fuerza de unión del recubrimiento o, alternativamente, determinarla en un sentido comparativo. [27]
La cuidadosa adaptación de la forma y la intensidad de las ondas de choque también ha permitido la inspección de estructuras compuestas unidas mediante descargas láser. [28] [29] La tecnología, denominada inspección láser de unión, inicia una onda de choque que se refleja en la parte posterior de una estructura unida y regresa como una onda de tracción. A medida que la onda de tracción vuelve a atravesar la unión adhesiva, dependiendo de la fuerza de la unión y de la tensión de tracción máxima de la onda de tensión, la onda de tracción atravesará la unión o la romperá. Al controlar la presión de la onda de tracción, este procedimiento es capaz de probar localmente de manera confiable la fuerza de adhesión entre uniones unidas. Esta tecnología se encuentra con mayor frecuencia en su aplicación a estructuras de materiales compuestos de fibra unida , pero también ha demostrado ser exitosa en la evaluación de uniones entre materiales compuestos de metal. También se estudian cuestiones fundamentales para caracterizar y cuantificar el efecto de la onda de choque producida por el láser en el interior de estos materiales complejos. [30] [31] [32]
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