La perforación con láser es el proceso de creación de orificios pasantes, conocidos como orificios "reventados" o "perforados por percusión", pulsando repetidamente energía láser enfocada sobre un material. El diámetro de estos agujeros puede ser tan pequeño como 0,002” (~50 μm). Si se requieren orificios más grandes, el láser se mueve alrededor de la circunferencia del orificio "reventado" hasta crear el diámetro deseado.
La perforación con láser es una de las pocas técnicas para producir orificios con una relación de aspecto alta: orificios con una relación profundidad-diámetro mucho mayor que 10:1. [1]
Los orificios de alta relación de aspecto perforados con láser se utilizan en muchas aplicaciones, incluida la galería de aceite de algunos bloques de motor , orificios de enfriamiento de motores de turbinas aeroespaciales, componentes de fusión láser [1] y microvías de placas de circuito impreso . [2] [3] [4] [5]
Los fabricantes de motores de turbina para propulsión de aviones y generación de energía se han beneficiado de la productividad de los láseres para perforar orificios cilíndricos pequeños (de 0,3 a 1 mm de diámetro típico) a 15 a 90° de la superficie en componentes mecanizados, de chapa y de fundición. Su capacidad para perforar orificios en ángulos poco profundos con respecto a la superficie a velocidades de entre 0,3 y 3 orificios por segundo ha permitido nuevos diseños que incorporan orificios de enfriamiento de película para mejorar la eficiencia del combustible , reducir el ruido y reducir las emisiones de NOx y CO.
Las mejoras graduales en las tecnologías de control y procesos láser han llevado a aumentos sustanciales en el número de orificios de enfriamiento utilizados en los motores de turbina. Para estas mejoras y el mayor uso de orificios perforados con láser es fundamental comprender la relación entre los parámetros del proceso y la calidad del orificio y la velocidad de perforación .
A continuación se presenta un resumen de conocimientos técnicos sobre el proceso de perforación por láser y la relación entre los parámetros del proceso y la calidad del orificio y la velocidad de perforación.
La perforación con láser de orificios cilíndricos generalmente se produce mediante la fusión y vaporización (también denominada " ablación ") del material de la pieza de trabajo mediante la absorción de energía de un rayo láser enfocado .
La energía necesaria para eliminar el material mediante fusión es aproximadamente el 25% de la necesaria para vaporizar el mismo volumen, por lo que a menudo se prefiere un proceso que elimine el material mediante fusión. [ cita necesaria ]
Que la fusión o la vaporización sea más dominante en un proceso de perforación con láser depende de muchos factores, y la duración y la energía del pulso del láser desempeñan un papel importante. En términos generales, la ablación domina cuando se utiliza un láser Nd:YAG Q-switched. [ cita necesaria ] Por otro lado, la expulsión del material fundido, el medio por el cual se crea un agujero al derretir el material, domina cuando se utiliza un láser Nd: YAG bombeado por tubo de flash . [ cita necesaria ] Un láser Nd:YAG con conmutación Q normalmente tiene una duración de pulso del orden de nanosegundos , una potencia máxima del orden de diez a cientos de MW/cm 2 y una tasa de eliminación de material de unos pocos micrómetros por pulso. Un láser Nd:YAG bombeado con lámpara de destello normalmente tiene una duración de pulso del orden de cientos de microsegundos a un milisegundo , una potencia máxima del orden de sub MW/cm 2 y una tasa de eliminación de material de diez a cientos de micrómetros por pulso. Para los procesos de mecanizado mediante cada láser, normalmente coexisten la ablación y la expulsión de la masa fundida. [ cita necesaria ]
La expulsión del material fundido surge como resultado del rápido aumento de la presión del gas (fuerza de retroceso) dentro de una cavidad creada por la evaporación . Para que se produzca la expulsión del material fundido, se debe formar una capa fundida y los gradientes de presión que actúan sobre la superficie debido a la vaporización deben ser suficientemente grandes para superar las fuerzas de tensión superficial y expulsar el material fundido del agujero. [6]
Lo "mejor de ambos mundos" es un sistema único capaz de expulsar material fundido tanto "fino" como "grueso". La expulsión de material fundido "fino" produce características con una excelente definición de pared y una pequeña zona afectada por el calor, mientras que la expulsión de material fundido "grueso", como la que se utiliza en la perforación por percusión , elimina el material rápidamente.
La fuerza de retroceso es una función importante de la temperatura máxima . El valor de T cr [ se necesita aclaración ] para el cual las fuerzas de retroceso y tensión superficial son iguales es la temperatura crítica para la expulsión del líquido. Por ejemplo, la expulsión del líquido del titanio puede tener lugar cuando la temperatura en el centro del agujero supera los 3780 K.
En trabajos iniciales (Körner, et al., 1996), [7] se encontró que la proporción de material eliminado por expulsión del fundido aumentaba a medida que aumentaba la intensidad. Un trabajo más reciente (Voisey, et al., 2000) [8] muestra que la fracción del material eliminado por expulsión de la masa fundida, denominada fracción de eyección de la masa fundida (MEF), disminuye cuando la energía del láser aumenta aún más. El aumento inicial en la expulsión del material fundido al aumentar la potencia del haz se ha atribuido tentativamente a un aumento en la presión y al gradiente de presión generado dentro del agujero por la vaporización.
Se puede lograr un mejor acabado si la masa fundida se expulsa en finas gotas. [ cita necesaria ] En términos generales, el tamaño de las gotas disminuye al aumentar la intensidad del pulso. Esto se debe a la mayor tasa de vaporización y, por lo tanto, a una capa fundida más delgada. Para una duración de pulso más larga, la mayor entrada de energía total ayuda a formar una capa fundida más gruesa y da como resultado la expulsión de gotas correspondientemente más grandes. [9]
Chan y Mazumder (1987) [10] desarrollaron un modelo de estado estacionario 1-D para incorporar la consideración de expulsión de líquido, pero la suposición 1-D no es adecuada para la perforación de orificios con una relación de aspecto alta y el proceso de perforación es transitorio. Kar y Mazumder (1990) [11] ampliaron el modelo a 2-D, pero no se consideró explícitamente la expulsión del material fundido. Ganesh et al. han presentado un tratamiento más riguroso de la expulsión del material fundido. (1997), [12] que es un modelo generalizado transitorio 2-D para incorporar sólidos, fluidos, temperatura y presión durante la perforación láser, pero es computacionalmente exigente. Yao, et al. (2001) [13] desarrollaron un modelo transitorio 2-D, en el que se considera una capa de Knudsen en el frente de vapor fundido, y el modelo es adecuado para la ablación con láser de pulso más corto y alta potencia máxima .
En el frente de vapor fundido, normalmente se aplica la condición de frontera de Stefan para describir la absorción de energía del láser (Kar y Mazumda, 1990; Yao, et al., 2001).
donde es la intensidad del láser absorbida, β es el coeficiente de absorción del láser que depende de la longitud de onda del láser y el material objetivo, e I(t) describe la intensidad del láser de entrada temporal, incluido el ancho del pulso, la tasa de repetición y la forma temporal del pulso. k es la conductividad del calor , T es la temperatura, z y r son distancias a lo largo de las direcciones axial y radial, p es la densidad , v la velocidad , L v el calor latente de vaporización. Los subíndices l , v e i denotan la fase líquida, la fase de vapor y la interfaz vapor-líquido, respectivamente.
Si la intensidad del láser es alta y la duración del pulso es corta, se supone que existe la llamada capa de Knudsen en el frente de vapor fundido donde las variables de estado sufren cambios discontinuos a lo largo de la capa. Al considerar la discontinuidad a través de la capa de Knudsen, Yao, et al. (2001) simularon la distribución Vv de la velocidad del receso en la superficie , a lo largo de la dirección radial en diferentes momentos, lo que indica que la tasa de ablación del material está cambiando significativamente a través de la capa de Knudsen. [ cita necesaria ]
Después de obtener la presión de vapor pv , el flujo de la capa fundida y la expulsión de la masa fundida se pueden modelar utilizando ecuaciones hidrodinámicas (Ganesh et al., 1997). La expulsión de la masa fundida se produce cuando se aplica presión de vapor sobre la superficie libre de líquido, lo que a su vez empuja la masa fundida en dirección radial. Para lograr una expulsión fina del material fundido, es necesario predecir con mucha precisión el patrón de flujo del material fundido, especialmente la velocidad del flujo del material fundido en el borde del orificio. Por lo tanto, se utiliza un modelo transitorio axisimétrico 2-D y, en consecuencia, se utilizan las ecuaciones de impulso y continuidad.
El modelo de Ganesh para la expulsión de material fundido es completo y se puede utilizar para diferentes etapas del proceso de perforación de pozos. Sin embargo, el cálculo lleva mucho tiempo y Solana, et al. (2001), [14] presentaron un modelo simplificado dependiente del tiempo que supone que la velocidad de expulsión del material fundido es sólo a lo largo de la pared del agujero y puede dar resultados con un esfuerzo computacional mínimo.
El líquido se moverá hacia arriba con velocidad u como consecuencia del gradiente de presión a lo largo de las paredes verticales, que viene dado a su vez por la diferencia entre la presión de ablación y la tensión superficial dividida por la profundidad de penetración x .
Suponiendo que el frente de perforación se mueve a una velocidad constante, la siguiente ecuación lineal del movimiento del líquido en la pared vertical es una buena aproximación para modelar la expulsión del material fundido después de la etapa inicial de perforación.
donde p es la densidad de la masa fundida, μ es la viscosidad del líquido, P(t)=(ΔP(t)/x(t)) es el gradiente de presión a lo largo de la capa líquida, ΔP(t) es la diferencia entre el vapor presión P v y la tensión superficial .
Roos (1980) [15] demostró que un tren de 200 µs compuesto por pulsos de 0,5 µs producía resultados superiores para perforar metales que un pulso de forma plana de 200 µs. Anisimov, et al. (1984) [16] descubrieron que la eficiencia del proceso mejoraba al acelerar la masa fundida durante el pulso.
Grad y Mozina (1998) [17] demostraron además el efecto de las formas del pulso. Se añadió un pico de 12 ns al principio, a la mitad y al final de un pulso de 5 ms. Cuando se añadió el pico de 12 ns al comienzo del pulso láser largo, donde no se había producido fusión, no se observó ningún efecto significativo en la eliminación. Por otro lado, cuando se añadió la púa en la mitad y al final del pulso largo, la mejora de la eficiencia de perforación fue del 80 y 90%, respectivamente. También se ha investigado el efecto de la conformación entre pulsos. Low y Li (2001) [18] demostraron que un tren de pulsos de magnitud linealmente creciente tenía un efecto significativo en los procesos de expulsión.
Forsman, et al. (2007) demostraron que una corriente de doble pulso produjo mayores tasas de perforación y corte con orificios significativamente más limpios. [1]
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