Generación de un campo de tensiones residuales de compresión en aluminio 2024-t351 mediante tratamiento por onda de choque generada por láser
(laser shock processing)
Compressive residual stress field generation in aluminium 2024-t351 using laser shock processing
J. A. Porro
(*), C. Molpeceres, M. Morales, J. L. Ocaña
ETSIIMLAS - Departamento de Física Aplicada y Centro Láser de la UPM E.T.S.I.I.-UPM. C/ José Gutiérrez Abascal, 2. 28006 Madrid. ESPAÑA. * Email de contacto: [email protected]
REFERENCIAS Y ENLACES
[1] C. S. Montross, T. Wei, L. Ye, G. Clark, Y.-W. Mai, “Laser shock processing and its effects on microstructure and properties of metal alloys: a review”, Int. J. Fatigue 24, 1021-1036 (2002).
[2] A. H. Clauer, C. T. Walters, S. C. Ford, “The effects of laser shock processing on the fatigue properties of 2024-T3 aluminum”, Lasers in Materials Processing, American Society for Metals, Metals Park, Ohio 7-22 (1983).
[3] B. P. Fairand, A. H. Clauer, “Laser generation of high-amplitude stress waves in materials”, J. Appl. Phys.
45, 1497-1505 (1979).
[4] J. L. Ocaña, C. Molpeceres, J. A. Porro, G. Gómez, M. Morales, “Experimental assessment of the influence of irradiation parameters on surface deformation and residual stresses in laser shock processed metallic alloys”, Appl. Surf. Sci. 238, 501-505 (2004).
[5] ASTM 2002 Annual book of ASTM standards, v.03.01 No. E837-01. “Standard test method for determining residual stresses by the hole-drilling strain gage method”.
RESUMEN:
El laser shock processing (LSP) o laser peening es una nueva técnica de generación de tensiones residuales de compresión en la superficie de materiales. El laser shock processing ha sido propuesto como una tecnología alternativa competitiva a los tratamientos superficiales clásicos (shot peening) de mejora de la resistencia de los metales a la fatiga, corrosión y desgaste. En el presente artículo se expone un resumen de los distintos resultados obtenidos de los experimentos de LSP realizados por los autores en las instalaciones del Centro Láser de la Universidad Politécnica de Madrid.
Palabras clave: Tratamiento Superficial, Shot Peening, Laser Shock Processing, Tensiones Residuales de Compresión.
ABSTRACT:
Laser shock processing (LSP) or laser peening is a new technique of introducing compressive residual stresses into the surface of metals. Laser shock processing has been proposed as a competitive alternative technology to classical surface treatments (shot peening) for improving fatigue, corrosion and wear resistance of metals. In the present paper a summary is provided of different experimental results obtained from the LSP experiments carried out by the authors in the Centro Láser facilities of the Universidad Politécnica de Madrid.
Keywords: Surface Treatment, Shot Peening, Laser Shock Processing, Compressive Residual Stresses.
[6] G. S. Schajer, “Measurement of non-uniform residual stresses using the hole drilling method: Part I. Stress calculation procedures”, J. Eng. Mater.-T. ASME 110, 338-343 (1988).
[7] G. S. Schajer, “Measurement of non-uniform residual stresses using the hole drilling method: Part II.
Practical application of the integral method”, J. Eng. Mater.-T. ASME 110, 344-349 (1988).
1. Introducción
Tradicionalmente, la técnica empleada para inducir un campo de tensiones residuales de compresión en materiales metálicos ha sido el perdigoneado o shot peening. Mediante el lanzamiento controlado a elevadas velocidades de pequeñas bolas esféricas de diferentes materiales (generalmente acero, cerámica o vidrio) se consigue plastificar en frío la superficie de un metal. De esta forma se mejoran las propiedades mecánicas del material frente a procesos de fatiga, de desgaste y/o corrosión.
A pesar de su demostrada eficacia el shot peening posee algunas desventajas por lo que es necesario el desarrollo de una técnica competitiva industrialmente. Entre las desventajas existentes en el proceso de perdigoneado se puede destacar la necesidad de reciclado de los perdigones empleados en el tratamiento. Los perdigones se deforman y aparecen aristas al golpear contra la superficie metálica. Por otro lado el constante impacto de los perdigones sobre la superficie de la pieza tratada genera una superficie rugosa que, dependiendo de la aplicación en la cual vaya a ser empleada, requerirá de un post-procesado que conllevará la retirada de una parte de la capa donde el tratamiento es efectivo.
Finalmente la profundidad alcanzada por el tratamiento no supera los 0.3 milímetros lo cual para determinadas piezas sujetas a severas condiciones de trabajo no es suficiente.
A partir de 1960 se empezó a estudiar la posibilidad de generar ondas de choque mediante el empleo de láseres pulsados. Estas ondas de choque provocan deformación plástica permanente en materiales metálicos generando zonas con tensión residual de compresión y mejorando las propiedades mecánicas en la superficie del metal [1].
El desarrollo de dispositivos láseres adecuados para la realización del proceso de generación de ondas de choque mediante pulsos láser (laser shock processing, laser peening o LSP) lo convierten en una alternativa real y competitiva frente al shot peening.
En este artículo se exponen los resultados obtenidos en las instalaciones de LSP disponibles en el Centro Láser de la Universidad Politécnica de Madrid al tratar la aleación de aluminio 2024-T351 [2]. Se estudian diferentes parámetros de proceso y se presentan los resultados obtenidos al medir las
tensiones residuales utilizando la técnica del
“agujero ciego”.
2. Laser shock processing
La generación de ondas de choque mediante láser es posible mediante el empleo de equipos láser pulsados de alta energía. En la actualidad los láseres que cumplen estos requisitos son los de estado sólido, que incorporan un dispositivo denominado Q-switch, que permite emitir pulsos en el rango de los nanosegundos. De esta forma, es posible alcanzar potencias de pico del orden de los gigavatios suficientemente elevadas como para poder provocar, en unas determinadas condiciones, deformaciones plásticas permanentes en metales [3].
La llegada de un pulso láser enfocado de estas características a la superficie de un metal provoca la generación de un plasma de elevada temperatura que inmediatamente se propaga en la dirección del haz y sentido contrario. Por conservación de la cantidad de movimiento, la expansión del plasma provoca la generación de una onda de choque que se propaga hacia el interior del material provocando deformación y generando un campo de tensiones residuales de compresión.
En condiciones normales la presión alcanzada por la onda de choque no es lo suficientemente elevada como para generar un campo de tensiones residuales de compresión en metales. Por ello, se coloca un medio transparente a la radiación delante de la superficie del material con el fin de evitar la propagación rápida del plasma. En los primeros estudios realizados sobre LSP se propuso el cristal de cuarzo como una buena opción de confinar el plasma. En la actualidad por disponibilidad y flexibilidad se emplea el agua como medio confinante. De esta forma el plasma permanece más tiempo en contacto con la superficie metálica provocando que la presión generada por la onda de choque sea mayor y lo suficientemente elevada como para modificar el estado de tensiones del metal generando un campo de tensiones residuales de compresión. Se considera que si la amplitud de la onda de choque generada supera el límite elástico de Hugoniot del material las modificaciones estructurales que se producen mejoran las propiedades mecánicas del mismo [4].
Algunos autores recomiendan el empleo de un recubrimiento absorbente sobre la superficie del metal objeto de la irradiación. La función de este tipo de recubrimientos (generalmente pintura negra comercialmente disponible) es proteger la superficie metálica tratada de los posibles efectos térmicos que sobre ella puedan producirse durante el proceso.
Además, al tratarse de un recubrimiento absorbente el aprovechamiento de la energía del pulso láser será mayor mejorando la eficacia de la interacción láser- materia. El fenómeno de protección está especialmente indicado para materiales blandos como pueden ser las aleaciones de aluminio. En la figura 1 se muestra un esquema de un proceso general LSP.
Fig.1. Esquema general de un proceso LSP.
3. Montaje experimental
El dispositivo clave del montaje experimental de LSP es el equipo láser. En el Centro Láser de la Universidad Politécnica de Madrid se dispone de un Nd:YAG pulsado (modelo Quanta-Ray PRO 350 de Spectra-Physics) con una energía máxima de 2850 mJ/pulso en el armónico fundamental. Mediante un generador de armónicos es posible obtener el 2º y 3er armónico con energías de 1520 mJ/pulso y 770 mJ/pulso respectivamente.
El equipo cuenta con un Q-switch electro-óptico que permite generar anchos de pulso de aproximadamente 10 nanosegundos. Por consiguiente, la potencia de pico suministrada en cada pulso es del orden de los gigavatios. La frecuencia de emisión del láser es fija e igual a 10 hercios (10 pulsos/s). El trabajo desarrollado del que se ocupa el presente artículo se realizó irradiando en infrarrojo (1064 nm), con una energía de 1.9 J/pulso y un ancho de pulso de 8 nanosegundos aproximadamente.
El resto del montaje consta de un espejo y una lente de enfoque (óptica de guiado del haz), una vasija y un sistema de suministro de agua mediante una manguera (medio confinante) y un sistema de posicionamiento XY programable (figura 2).
En la figura 3 se muestra una fotografía con el montaje experimental existente en el Centro Láser de la Universidad Politécnica de Madrid.
Fig.2. Esquema del montaje experimental de LSP disponible en el Centro Láser de la UPM.
Fig.3. Montaje experimental de LSP disponible en el Centro Láser de la UPM.
El aporte del agua se ha mostrado como un aspecto fundamental a la hora de confinar el plasma.
En el montaje experimental el agua se suministra mediante una manguera. El chorro de agua se hace incidir en la vecindad del punto donde impacta el haz láser generando una fina película de agua lo suficientemente intensa como para confinar el plasma. En un principio se empezó a trabajar con la vasija completamente llena de agua. Esta configuración presenta el problema del elevado coeficiente de absorción que tiene el agua para la radiación infrarroja. Por ello, si el haz láser a 1064 nm atraviesa un espesor de agua grande (como es el de la vasija llena de agua) se producen elevadas pérdidas de energía que afectan a la eficacia del proceso. Las pérdidas para el 2º armónico (532 nm) son menores pero aun así es recomendable emplear un aporte de agua similar al sugerido. La cantidad de agua suministrada puede ser controlada mediante un caudalímetro para garantizar unas condiciones de proceso repetibles.
4. Solape programado de pulsos
El tamaño del pulso láser a la salida del resonador es de aproximadamente de 12 milímetros. Mediante la lente de enfoque el haz puede focalizarse sobre la pieza generando manchas focales de diferentes diámetros. La lente está montada sobre un carril móvil que permite su movimiento variando de esta forma la mancha focal generada sobre la pieza.
El perfil del pulso láser es gaussiano (figura 4) hasta una determinada altura para a continuación presentar una distribución de energía casi homogénea en la sección eficaz del haz. Este tipo de perfiles (pseudogaussianos) son típicos de los láseres de estado sólido de elevada energía. Al enfocar un pulso sobre la probeta forma una mancha focal circular. Por ello el parámetro encargado de caracterizar el tamaño del pulso vendrá dado por el diámetro de spot (realmente diámetro de la mancha focal). El diámetro de spot empleado es de 1.5 milímetros.
Fig.4. Perfil del pulso láser para 1064 nanómetros.
Mediante el guiado óptico el pulso impacta siempre en el mismo punto. Por tanto, para poder solapar diferentes pulsos, es necesario mover la pieza objeto de tratamiento empleando el sistema de posicionamiento. La frecuencia de irradiación del láser es fija e igual a 10 hercios. Es decir, cada segundo el láser emite 10 pulsos. Dependiendo del número de pulsos que quieran introducirse por unidad de área será necesario mover los ejes del sistema de posicionamiento a una velocidad mayor o menor. Por tanto, cuando se pretenda introducir un número mayor de pulsos por unidad de área será necesario aumentar el solape, es decir, se deberá disminuir la velocidad de movimiento de los ejes.
De la misma manera, la distancia entre un pulso y el siguiente se verá recortada. A esta distancia entre pulsos se le asigna la letra x en la tabla I, donde se representan los parámetros típicos del sistema de posicionamiento durante la realización de un proceso de LSP. En la figura 5 se muestra un esquema del solape en 2D
TABLA I
Parámetros típicos de programación del sistema de posicionamiento XY.
Solape (pulsos/cm2)
Velocidad (mm/s)
x (mm)
625 4 0.4
900 3.33 0.33
2500 2 0.2
Fig.5. Esquema del solape en 2D.
5. Medida de tensiones residuales
Una vez finalizado un proceso de LSP es necesario comprobar si el tratamiento se ha realizado de forma óptima generando un campo de tensiones residuales de compresión en la superficie del material. Para ello es necesario disponer de algún sistema de medida de tensiones residuales.
Se define con tensiones residuales a aquellas que existen en un material cuando no hay (y a veces cuando ni siquiera ha habido anteriormente) solicitaciones o cargas externas. Los procesos de conformado son las causas más comunes generadoras de tensiones residuales. Los efectos provocados por las tensiones residuales pueden ser beneficiosos o perjudiciales dependiendo de su magnitud, signo y distribución, con respecto a las tensiones inducidas por cargas.
Existen diversos métodos de medida de las tensiones residuales pero los más ampliamente utilizados son la difracción de rayos X y el método del taladro empleando bandas extensométricas [5]
(comúnmente conocido como método del “agujero ciego”). Cada uno de estos métodos tiene sus ventajas e inconvenientes pero para medir tensiones residuales en profundidad el método que se recomienda por su sencillez es el del taladro empleando bandas extensométricas.
El método del taladro empleando bandas extensométricas consiste en realizar un taladro en el centro de una banda extensométrica especial de tres elementos colocada en la zona donde se quieran determinar las tensiones residuales. La banda extensométrica se conecta a un indicador extensométrico estático que permite gravar las medidas de las deformaciones producidas según se va realizando el taladro. El taladro se realiza de forma incremental recogiéndose los datos de la deformación en las tres direcciones de los elementos de la banda extensométrica para cada profundidad.
Las lecturas obtenidas son causadas por la relajación de las deformaciones del material, las cuales están relacionadas con las tensiones residuales iniciales.
Utilizando ecuaciones especiales de reducción de datos se calculan las tensiones residuales principales y su orientación, a partir de las deformaciones medidas. Para medida de campos de tensiones residuales variables con la profundidad como los producidos por shot peening y LSP el método recomendado de reducción de datos es el método integral [6,7].
Las bandas extensométricas empleadas en la medida de tensiones residuales son especiales y constan de tres elementos. Las hay con distintas geometrías pero las empleadas en el Centro Láser de la Universidad Politécnica de Madrid son las CEA- 06-062UM-120 (figura 6).
Para el cálculo de las tensiones residuales a partir de las deformaciones es necesario conocer dos propiedades mecánicas del material: el módulo de Young y el coeficiente de Poisson. Además es necesario medir el diámetro del agujero una vez finalizado el proceso de taladrado. La sensibilidad de este tipo de bandas extensométricas solo permite realizar medidas en profundidad hasta 1.03 milímetros.
Fig.6. Bandas extensométricas especiales para la medida de tensiones residuales del tipo CEA-06-062UM-120.
6. Resultados obtenidos
El material elegido para el estudio es el aluminio 2024-T351. Esta aleación de aluminio contiene un elevado porcentaje de cobre. Posee unas propiedades específicas que lo hacen indicado para aplicaciones en la industria aeronáutica y aeroespacial. Su modulo de Young es de 73.1 GPa y su coeficiente de Poisson es de 0.33.
El tratamiento se ha realizado con los parámetros de solape indicados en la tabla I. El diámetro de spot es de 1.5 milímetros y la longitud de onda de trabajo es 1064 nanómetros. La energía es de 1.9 Julios/pulso. Como medio confinante se emplea un chorro de agua y no se utiliza recubrimiento absorbente ya que no se ha demostrado su eficacia.
Las figuras 7, 8 y 9 muestran el aspecto de las probetas de aluminio 2024-T351 una vez tratadas mediante LSP. El área tratada es de 20x20 milímetros con una entrada y salida del láser para garantizar una zona central tratada uniformemente.
En la figura 10 se presentan los resultados de la medida de la tensión residual mínima para cada solape en probetas de aluminio 2024-T351 tratadas mediante LSP.
Fig.7. Probeta de aluminio 2024-T351 tratada mediante LSP (625 pulsos/cm2).
Fig.8. Probeta de aluminio 2024-T351 tratada mediante LSP (900 pulsos/cm2).
Fig. 9. Probeta de aluminio 2024-T351 tratada mediante LSP (2500 pulsos/cm2).
Fig. 10. Representación de la tensión residual mínima para distintos solapes frente a la profundidad.
7. Conclusiones
El proceso de LSP se muestra como una herramienta efectiva en la generación de campos residuales de compresión en materiales metálicos.
El material base, antes de recibir tratamiento, no presenta tensiones residuales relevantes (ni de tracción ni de compresión). Como se puede apreciar en la figura 10 tras el tratamiento se han inducido unas tensiones residuales de compresión elevadas cerca de la superficie para todos los solapes. En esta zona superficial se observan diferencias entre los distintos solapes. Los valores de compresión son mayores cuando se aumenta el solape (2500 pulsos/cm2). A partir aproximadamente de 0.4 milímetros de profundidad la tensión residual mínima es similar para los distintos solapes.
Se puede observar la existencia de compresión hasta valores superiores a 1 milímetro. Teniendo en cuenta que con shot peening las profundidades a las que se induce compresión, para esta aleación de aluminio, no superan los 0.3 milímetros las mejoras obtenidas mediante LSP son evidentes.
Medioambientalmente el proceso es beneficioso al evitar el reciclado de los perdigones utilizados en el perdigoneado. Una inspección visual de las probetas muestra un acabado superficial bueno produciéndose un aumento de la rugosidad cuando se aumenta el solape.
Agradecimientos
Trabajo subvencionado parcialmente por MCYT (España; Proyecto DPI2005-09152-C02-01) y EADS-España.
