El granallado por láser ( LP ), o granallado por choque 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 gran magnitud inducidas por el granallado por láser aumentan la resistencia de los materiales a fallas relacionadas con la superficie, como fatiga , fatiga por contacto y agrietamiento por corrosión bajo tensión . El granallado por choque láser también se puede utilizar para reforzar secciones delgadas, endurecer superficies, dar forma o enderezar piezas (conocido como conformado por granallado por láser), romper materiales duros, compactar metales en polvo y para otras aplicaciones donde las ondas de choque de corta duración y alta presión ofrecen resultados de procesamiento deseables.
Los primeros descubrimientos científicos que condujeron al 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 investigación temprana de la interacción del láser con los materiales realizada por Gurgen Askaryan y EM Moroz, documentaron mediciones de presión en una superficie objetivo utilizando un láser pulsado. [1] Las presiones observadas fueron mucho mayores que las que se podrían crear con la fuerza del rayo láser solo. La investigación sobre el fenómeno indicó que la alta presión era el resultado de un impulso de momento generado por la vaporización del material en la superficie objetivo cuando se calentaba rápidamente con el pulso láser. 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 la onda de tensión. Para generar presiones más altas, era necesario aumentar la densidad de potencia y enfocar el haz láser (concentrar la energía), lo que requería que la interacción entre el haz láser y el material se produjera en una cámara de vacío para evitar la ruptura dieléctrica dentro del haz en el aire. Estas limitaciones limitaron el estudio de las interacciones entre láseres pulsados de alta intensidad y materiales a un grupo selecto de investigadores con láseres pulsados de alta energía.
A finales de los años 60 se produjo un gran avance cuando NC Anderholm descubrió que se podían lograr presiones de plasma mucho más altas confinando el plasma en expansión contra la superficie del objetivo. [4] Anderholm confinó el plasma colocando una capa de cuarzo, transparente al haz láser, firmemente contra la superficie del objetivo. Con la capa colocada, el haz láser atravesó el cuarzo antes de interactuar con la superficie del objetivo. El plasma en rápida expansión quedó 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 láser fue la demostración de que las interacciones láser pulsadas con el material para desarrollar ondas de tensión de alta presión se podían realizar en el aire, no restringidas a una cámara de vacío .
A principios de los años 70 se realizaron las primeras investigaciones sobre los efectos de la irradiación láser pulsada en el material objetivo. LI Mirkin observó maclado en granos de ferrita en acero bajo el cráter creado por la irradiación láser en vacío. [5] SA Metz y FA Smidt, Jr. irradiaron láminas de níquel y vanadio en el aire con un láser pulsado a baja densidad de potencia y observaron huecos y bucles de vacantes después del recocido de las láminas, lo que sugiere que la onda de tensión creó una alta concentración de vacantes. 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, los investigadores del Battelle Memorial Institute en Columbus, Ohio, comenzaron a investigar si el proceso de impacto 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 del impacto láser en metales, informando del fortalecimiento de muestras de tracción de aluminio utilizando una capa de cuarzo para confinar el plasma. [7] Posteriormente, la primera patente sobre granallado por impacto láser fue otorgada a Phillip Mallozzi y Barry Fairand en 1974. [8] La investigación sobre los efectos y las posibles aplicaciones del granallado láser continuó durante la década de 1970 y principios de la de 1980 por Allan Clauer, Barry Fairand y colaboradores, con el apoyo de la financiación de la National Science Foundation , la NASA , la Oficina de Investigación del Ejército, la Fuerza Aérea de los EE. UU. e internamente por Battelle. Esta investigación exploró los efectos en el material con más profundidad y demostró la creación de tensiones de compresión profundas y el aumento acompañante de la fatiga y la vida útil por fatiga por frotamiento lograda por el granallado láser. [9] [10] [11] [12]
El granallado láser durante las etapas iniciales de desarrollo se vio severamente limitado por la tecnología láser de la época. El láser pulsado utilizado por Battelle abarcaba una gran sala y requería varios minutos de tiempo de recuperación entre pulsos láser. [13] Para convertirse en un proceso industrial viable, económico y práctico, la tecnología láser tuvo que madurar hasta convertirse en un equipo con un espacio mucho más pequeño y 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 láser como un proceso que podría aumentar potencialmente la resistencia a la fatiga del hierro fundido para competir con el acero, pero a un menor costo. El granallado láser de varios hierros fundidos mostró una modesta mejora de la vida útil por fatiga, y estos resultados, junto con otros, los convencieron de financiar el diseño y la construcción de un láser pulsado preprototipo 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. Así, con la finalización del láser de demostración, Wagner Castings y los ingenieros de Battelle lanzaron una importante iniciativa de marketing para introducir el granallado láser en mercados industriales potenciales.
También a mediados de los años 1980, Remy Fabbro de la Escuela Politécnica estaba iniciando un programa de granallado por láser en París. Él y Jean Fournier de la Compañía Peugeot visitaron Battelle en 1986 para una discusión extensa sobre granallado por láser con Allan Clauer. Los programas iniciados por Fabbro y llevados adelante en los años 1990 y principios de los años 2000 por Patrice Peyre, Laurent Berthe y colaboradores han hecho contribuciones importantes, tanto teóricas como experimentales, a la comprensión e implementación del granallado por láser. [14] [15] [16] En 1998, midieron utilizando 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 ruptura en agua que limita la presión máxima en la superficie del material. [17]
A principios de los años 90, el mercado se estaba familiarizando cada vez más con el potencial del granallado por láser para aumentar la vida útil por fatiga. En 1991, la Fuerza Aérea de los EE. UU. presentó a los ingenieros de Battelle y Wagner a GE Aviation para discutir la posible aplicación del granallado por láser para abordar un problema de daño por objetos extraños (FOD) con las aspas del ventilador del motor General Electric F101 que impulsaba el bombardero Rockwell B-1B Lancer . Las pruebas resultantes mostraron que las aspas del ventilador granalladas por láser que presentaban muescas severas después del granallado por láser tenían la misma vida útil por fatiga que una aspa nueva. [18] Después de un mayor desarrollo, GE Aviation obtuvo la licencia de la tecnología de granallado por choque por láser de Battelle y, en 1995, GE Aviation y la Fuerza Aérea de los EE. UU. tomaron la decisión de avanzar con el desarrollo de la producción de la tecnología. GE Aviation comenzó la producción del granallado por láser de las aspas del ventilador del 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 láser de Battelle a fundar LSP Technologies, Inc. en 1995 como el primer proveedor comercial de equipos de granallado por láser. Liderada por el fundador Jeff Dulaney, LSP Technologies diseñó y construyó los sistemas láser para que GE Aviation realizara el granallado por láser de producción de las aspas del ventilador del F101. A finales de la década de 1990 y principios de la de 2000, la Fuerza Aérea de los EE. UU. continuó trabajando con LSP Technologies para desarrollar las capacidades de producción de granallado por láser e implementar celdas de fabricación de producción. [19]
A mediados de los años 1990, independientemente de los avances en el proceso de granallado por láser que se estaban llevando a cabo en Estados Unidos y Francia, Yuji Sano, de Toshiba Corporation en Japón, inició el desarrollo de un sistema de granallado por láser capaz de granallar 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 haz láser se introducía en los recipientes a presión a través de tubos articulados. Debido a que los recipientes a presión estaban llenos de agua, el proceso no requería una superposición de agua sobre la superficie irradiada. Sin embargo, el haz tenía que recorrer cierta distancia a través del agua, lo que requería utilizar 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 por láser sin recubrimiento (LPwC). Comenzó a aplicarse en los reactores japoneses de agua hirviendo y agua a presión en 1999. [21]
También en la década de 1990 se formó un importante grupo de investigación en láser peening en la Universidad Politécnica de Madrid dirigido por José Ocaña. Su trabajo incluye estudios tanto experimentales como teóricos utilizando láseres pulsados de baja energía tanto sin una capa opaca como con ella. [22] [23]
Con el gran avance de la aplicación comercial del granallado por láser en el motor F101 para resolver un importante problema operativo, el granallado por láser atrajo la atención en todo el mundo. Investigadores de muchos países e industrias emprendieron investigaciones para ampliar la comprensión del proceso de granallado por láser y los efectos sobre las propiedades de los materiales. Como resultado, se generó un gran volumen de artículos de investigación y patentes en los Estados Unidos, Francia y Japón. Además del trabajo que se estaba realizando en estos países y en España, se iniciaron programas de granallado por láser en China, Gran Bretaña, Alemania y varios otros países. El continuo crecimiento de la tecnología y sus aplicaciones condujo a la aparición de varios proveedores comerciales de granallado por láser a principios de la década de 2000.
GE Aviation y LSP Technologies fueron las primeras empresas que realizaron granallado láser comercialmente, tras haber obtenido la licencia de la tecnología de Battelle. GE Aviation realizó granallado láser para sus componentes de motores aeroespaciales y LSP Technologies comercializó servicios y equipos de granallado láser de choque a una base industrial más amplia. A fines de la década de 1990, Metal Improvement Company (MIC ahora es parte de Curtis Wright Surface Technologies) se asoció con Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) para desarrollar sus propias capacidades de granallado láser. En Japón, Toshiba Corporation amplió las aplicaciones comerciales de su sistema LPwC a reactores de agua presurizada y, en 2002, implementó la entrega de haz de fibra óptica al cabezal de granallado láser submarino. Toshiba también rediseñó el láser y la entrega del haz en un sistema compacto, lo que permitió que todo el sistema se insertara en el recipiente a presión. Este sistema estuvo listo para uso comercial en 2013 [24] MIC desarrolló y adaptó el granallado láser de choque para formar las formas de las alas en el Boeing 747-8.
El crecimiento de los proveedores industriales y la prueba comercial de la tecnología de granallado por láser han llevado a muchas empresas a adoptar esta tecnología 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.
En la década de 1990 y hasta la actualidad, los avances en el proceso de granallado láser se han centrado en reducir los costes y aumentar el rendimiento para llegar a mercados ajenos a los componentes de bajo volumen y alto coste. Los altos costes del proceso de granallado láser se debían anteriormente a la complejidad del sistema láser, las tasas de procesamiento, la mano de obra y las aplicaciones de recubrimiento. Numerosos avances en curso que abordan estos desafíos han reducido drásticamente los costes del granallado láser: los sistemas de granallado láser están diseñados para soportar operaciones robustas; las tasas de pulso de los sistemas láser están aumentando; las operaciones de mano de obra rutinaria están cada vez más automatizadas; la aplicación de recubrimientos está automatizada en muchos casos. Estos costes operativos reducidos del granallado láser lo han convertido en una herramienta valiosa para resolver una amplia gama de aplicaciones relacionadas con la fatiga. [25]
El granallado por 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. Básicamente, el granallado por láser se puede lograr con solo dos componentes: una capa transparente y un sistema láser pulsado de alta energía. La capa transparente confina el plasma formado en la superficie del objetivo por el rayo láser. También suele ser beneficioso utilizar una capa fina, opaca al rayo láser, entre la capa de agua y la superficie del objetivo. Esta capa opaca puede proporcionar uno o cada uno de los tres beneficios: proteger la superficie del objetivo de los efectos térmicos potencialmente perjudiciales del rayo láser, proporcionar una superficie consistente para la interacción del rayo láser con el material y, si la impedancia de la capa es menor que la de la superficie del objetivo, aumentar la magnitud de la onda de choque que ingresa al objetivo. Sin embargo, hay situaciones en las que no se utiliza una capa opaca; en el proceso de Toshiba, LPwC, o donde la compensación entre un menor costo y una posible reducción algo del estrés residual superficial permite un pulido o bruñido superficial después del granallado láser para eliminar la fina capa afectada térmicamente.
El proceso de granallado por láser se originó con láseres de vidrio Nd de alta energía que producen 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 en el objetivo suelen estar en el rango de 2 a 7 mm. La secuencia de procesamiento comienza con la aplicación de la capa opaca sobre la pieza de trabajo o la superficie del objetivo. Los materiales de capa opaca 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 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 procesamiento de producción es agua; es barata, fácil de aplicar, se adapta fácilmente a la mayoría de las geometrías de superficie complejas y se elimina fácilmente. Se aplica a la superficie justo antes de activar el pulso láser. Las capas 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 requiere mano de obra para aplicarla y es difícil de adaptar a características complejas de la superficie. La capa transparente permite que el rayo láser pase a través de ella sin una absorción apreciable de la energía láser o ruptura dieléctrica. Cuando se dispara el láser, el rayo pasa a través de la capa transparente y golpea la capa opaca, vaporizando inmediatamente una capa delgada del material de la capa. Este vapor queda atrapado en la interfaz entre las capas transparente y opaca. El suministro continuo 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 de la capa opaca por el plasma en expansión ingresa a la superficie del objetivo como una onda de tensión de alta amplitud u onda de choque. Sin una capa transparente, la columna de plasma no confinada se aleja de la superficie y la presión máxima es considerablemente menor. Si la amplitud de la onda de choque es superior al límite elástico de Hugoniot (HEL) , es decir, la resistencia al rendimiento 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 pico de la onda de choque se atenúa, es decir, disminuye, y se vuelve cero cuando la presión pico cae por debajo del HEL. Después de que pasa la onda de choque, la deformación plástica residual crea un gradiente de tensión residual compresiva debajo de la superficie objetivo, más alto en o inmediatamente debajo de la superficie y 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 un rango de magnitudes y profundidades de tensión compresiva superficial. La magnitud de las tensiones superficiales es comparable a la del granallado, pero las profundidades son mucho mayores, llegando hasta 5 mm cuando se utilizan múltiples disparos en un punto. Generalmente se aplican densidades de puntos de aproximadamente 10 puntos/cm2 a 40 puntos/cm2 . La profundidad de tensión compresiva 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 profundidades mayores que con otras tecnologías de granallado.
Puede haber casos en los que resulte rentable no aplicar la capa opaca y aplicar el granallado láser directamente sobre la superficie desnuda de la pieza de trabajo. Al aplicar el granallado láser sobre una superficie metálica desnuda, se vaporiza una capa fina de material de la superficie, de un tamaño micrométrico. El rápido aumento de la temperatura provoca la fusión de la superficie hasta 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 los aceros y otras aleaciones con puntos de fusión más altos, las profundidades pueden ser de tan solo 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 a causa de productos de oxidación. Estos efectos perjudiciales del procesamiento de la superficie desnuda, tanto estéticos como metalúrgicos, se pueden eliminar después del granallado láser mediante un ligero pulido o bruñido. Con una capa opaca colocada, la superficie objetivo experimenta aumentos de temperatura de menos de 50–100 °C (90–180 °F) en una escala de tiempo de nanosegundos.
Los pulsos láser se aplican generalmente de forma secuencial sobre el objetivo para tratar áreas más grandes que el tamaño del punto láser. Las formas de los pulsos láser se pueden personalizar en forma circular, elíptica, cuadrada y otros perfiles para proporcionar las condiciones de procesamiento más convenientes y eficientes. El tamaño del punto aplicado depende de una serie de factores que incluyen el HEL del material, las características del sistema láser y otros factores de procesamiento. El área que se va a granallar con láser generalmente está determinada por la geometría de la pieza, la extensión del área crítica de fatiga y las consideraciones sobre el traslado de las tensiones de tracción compensatorias fuera de esta área.
El proceso de granallado láser desarrollado más recientemente, el proceso LPwC de Toshiba, 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 de ≤ 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 energía del haz mientras viaja a través del agua hasta el objetivo. Debido a las limitaciones de acceso, no se aplica ninguna capa opaca a la superficie del 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 de fusión. Sin embargo, a medida que se añaden más capas, la tensión de compresión subsuperficial creciente "se filtra" 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 densidades de puntos de entre 18 puntos/mm2 y 70 puntos/mm2 o mayores, aproximadamente 100 veces las densidades de puntos del proceso de alta energía de pulso. Los efectos de las densidades de puntos más altas en los tiempos de procesamiento se compensan en parte con la frecuencia de pulso más alta, 60 Hz, de los láseres de baja energía. Se prevé que las generaciones más nuevas de estos sistemas láser funcionen a frecuencias más altas. Este proceso de baja energía logra magnitudes y profundidades de tensión residual de compresión 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 de punto más pequeño no permitirá profundidades mayores que esta.
El proceso de granallado por láser controlado por ordenador se describe en AMS 2546. Al igual que 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 controlan de cerca durante el procesamiento. También hay otros sistemas de control de calidad disponibles que se basan en mediciones de presión, como transductores acústicos electromagnéticos (EMAT), sistemas de interferómetro de velocidad para cualquier reflector (VISAR), medidores de PVDF y radiómetros de plasma. También se utilizan tiras Almen , pero funcionan como una herramienta de comparación y no proporcionan una medida definitiva de la intensidad del granallado por 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 fines de optimización del proceso y garantía de calidad.
Los sistemas láser iniciales utilizados durante el desarrollo del granallado láser eran 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 láser presentaban un tamaño cada vez más pequeño y frecuencias de pulso más altas, ambas más deseables para entornos de producción. Los sistemas de granallado láser incluyen sistemas láser de varilla y un sistema láser de losa. Los sistemas 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 operan típicamente a 10-40 J por pulso con una longitud de pulso de 8-25 ns a una tasa de repetición nominal de 0,5-1 Hz, tamaños de punto nominales de 2 a 8 mm; (2) láseres de energía intermedia, tasa de repetición intermedia que operan a 3-10 J con un ancho de pulso de 10-20 ns a una tasa de repetición de 10 Hz, tamaños de punto nominales de 1-4 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 tasa de repetición de 60+ Hz, tamaño de punto de ≤ 1 mm . El sistema láser de placa funciona en el rango de 10–25 J por pulso con una duración de pulso de 8–25 ns a una tasa de repetición de 3–5 Hz, tamaños de punto nominales de 2–5 mm. Los sistemas comerciales incluyen láseres de varilla representados por los tres grupos y el sistema láser de placa.
En cada sistema de granallado láser, el haz de salida del láser se dirige a una celda de granallado láser que contiene las piezas o partes 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 que se van a procesar se introducen normalmente en la celda en lotes. A continuación, los robots u otros sistemas de manipulación de piezas personalizados recogen las piezas y las colocan en la trayectoria del haz. 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 o lentes. Si se utiliza cinta, se aplica antes de que la pieza entre en la celda de trabajo, mientras que las capas de agua o RapidCoater se aplican dentro de la celda individualmente para cada punto. La pieza de trabajo, o a veces el haz láser, se reposiciona para cada disparo según sea necesario a través de un robot u otro sistema de manipulación de piezas. Cuando se han procesado las áreas seleccionadas de cada pieza, el lote se reemplaza en la celda de trabajo por otro.
El trabajo en frío (deformación plástica) generado por la onda 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 de compresión en la superficie de la pieza de trabajo y gradualmente se desvanecen 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 del granallado con láser previenen y mitigan la fatiga de alto ciclo (HCF), la fatiga de bajo ciclo (LCF), el agrietamiento por corrosión bajo tensión, la fatiga por frotamiento y, en cierto grado, el desgaste y las picaduras por corrosión . Es excelente para mitigar el daño por objetos extraños en las palas de turbinas.
La deformación plástica introducida por el granallado 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 más intensamente. Esto permite que las tensiones de compresión producidas por el granallado láser se mantengan a temperaturas de funcionamiento más altas durante exposiciones prolongadas que en el caso de las otras tecnologías. Entre las aplicaciones que se benefician de esto se encuentran los álabes de los ventiladores y compresores de las turbinas de gas y los componentes de las 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 a fin de lograr una vida útil más prolongada, un peso más ligero y, tal vez, un diseño más sencillo de fabricar.
Originalmente, el uso de ondas de choque inducidas por láser sobre metales para lograr beneficios funcionales o de propiedades se conocía como procesamiento por choque láser, un término más amplio e inclusivo. En realidad, el granallado por láser fue el primer aspecto comercial del procesamiento por choque láser. Sin embargo, las ondas de choque inducidas por láser han encontrado usos en otras aplicaciones industriales más allá de las tecnologías de mejora de superficies.
Una de las aplicaciones es el conformado o modelado de metales. Al aplicar láser de forma selectiva sobre la superficie de láminas o placas de metal, o de 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 dar una forma particular a un componente o se puede devolver la forma deseada a un componente deformado. 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 variante es utilizar la onda de choque para realizar pruebas de espalación de materiales. Esta aplicación se basa en el comportamiento de las ondas de choque al reflejarse desde la superficie libre posterior de una pieza de trabajo como una onda de tracción. Dependiendo de las propiedades del material y de 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 incluso "arrancar" o descascarar material de la superficie posterior. Este enfoque tiene cierto valor para realizar pruebas de materiales balísticos.
El uso de ondas de choque láser para medir la resistencia de unión de los recubrimientos sobre metales se ha desarrollado durante un período de años en Francia, con el nombre de LASAT (Laser Adhesion Test). [26] Esta aplicación también se basa en el comportamiento de las ondas de choque que se reflejan desde la superficie libre trasera de una pieza de trabajo como una onda de tracción. Si la superficie trasera está recubierta con un recubrimiento adherente, la onda de tracción se puede adaptar para que fracture la unión al reflejarse desde la superficie. Al controlar las características de la onda de choque, se puede medir la resistencia de unión del recubrimiento o, alternativamente, determinarla en un sentido comparativo. [27]
La adaptación cuidadosa de la forma y la intensidad de la onda de choque también ha permitido la inspección de estructuras compuestas adheridas mediante choques láser. [28] [29] La tecnología, denominada inspección de unión por láser, inicia una onda de choque que se refleja en la parte posterior de una estructura adherida y regresa como una onda de tracción. A medida que la onda de tracción pasa de nuevo a través de la unión adhesiva, dependiendo de la fuerza de la unión y la tensión de tracción máxima de la onda de tensión, la onda de tracción pasará a través de 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 juntas adheridas. Esta tecnología se encuentra con mayor frecuencia en aplicación a estructuras de materiales compuestos de fibra adherida , 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 láser dentro de estos materiales complejos. [30] [31] [32]
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