Estudio de procesos de tratamientos de materiales mediante ondas de choque generadas con pulsos láser de picosegundos

Abstract

El presente trabajo tiene como objetivo el estudio de los procesos LSP mediante la realización de experimentos físicos en los que se busca conocer la influencia y dependencia del resultado con algunas de las variables que intervienen en dicho proceso como la utilización de un medio confinante o la separación entre los pulsos láser disparados sobre la superficie de la pieza ensayada. Además, se pretende reproducir los resultados mediante simulaciones utilizando disparos simplificados que faciliten la realización de las mismas y reduzcan el coste computacional. El objetivo final de este proyecto radica en la comparación de los resultados obtenidos por ambos métodos y la validación o búsqueda de fallos en los pulsos equivalentes desarrollados.
Tras la investigación de los procesos LSP y los distintos avances a lo largo de los últimos años, se busca conseguir el doblado de piezas de Acero Inoxidable 316 mediante pulsos láser de picosegundos, 1064 nm de longitud de onda y 110 μJ de energía. Tras el reconocimiento de las variables que intervienen en los procesos LSP, entre las que destacan la energía del pulso, la frecuencia de disparo, la velocidad de avance, el medio confinante utilizado, la separación horizontal y vertical entre pulsos, el área irradiada, el enfoque, etc., se lleva a cabo el análisis de la relación entre el resultado obtenido (ángulo doblado) y la variación de algunos de los parámetros citados anteriormente.
Por un lado, en cuanto a lo que al medio confinante se refiere, se observa que cuanto mayor es la densidad del material utilizado para concentrar el plasma producido tras la irradiación, mayor es la presión ejercida y en consecuencia mayores tensiones residuales de compresión. Esto a su vez conlleva un ángulo doblado más elevado. La justificación de la anterior conclusión viene dada por el ángulo de 11,4˚ doblado con agua como medio confinante frente a los 6,5˚ utilizando únicamente aire y las mismas variables de proceso.
Por otro lado, si se analiza la influencia del paso vertical y el paso horizontal sobre el resultado, se puede concluir que, cuando la separación entre pulsos es menor (en cualquiera de los dos ejes) manteniendo el resto de las variables constantes, aumenta la cantidad de pulsos disparados sobre la misma área de la pieza ensayada, aumentando de esta forma la densidad de energía irradiada por unidad de superficie. Esto conlleva una presión por unidad de superficie mayor, una mayor concentración de tensiones residuales de compresión y un ángulo de doblado más grande.
En el último de los experimentos físicos realizados, se analiza la dependencia del ángulo deformado con el área afectada en el proceso. De este ensayo se deduce que, cuanto mayor sea el área irradiada, mayor es la energía total que recibe la pieza y por tanto mayor es la concentración de tensiones de compresión bajo la superficie. Por lo tanto, se consigue un mayor ángulo de curvatura como resultado.
Finalizada la experimentación, se procede a simular los disparos láser utilizados en los ensayos, con el fin de reproducir los resultados anteriores y simplificar al máximo las simulaciones para reducir el tiempo y coste computacional. Para ello, se utiliza un conjunto de códigos que generan y adaptan la información necesaria para dichas simulaciones.
En primer lugar, utilizando el código de Matlab denominado LSPSIM, en el que se modelizan todas las fórmulas físicas que intervienen en el proceso de formación del plasma y la onda de presión, se introducen los parámetros del láser y material utilizados en la experimentación para conseguir la evolución temporal del pulso de presión. En segundo lugar, gracias al código desarrollado en Fortran, se configura la forma espacial del pulso de presión y la secuencia de pulsos que configuran las pasadas de disparos utilizadas en la parte experimental. Finalmente, con toda esta información, se analiza la evolución de las ondas de choque y las tensiones residuales en una pieza modelizada gracias al programa de simulación mediante elementos finitos llamado Abaqus.
Utilizando los códigos anteriores, se analizan los resultados que se obtienen con un único pulso de presión con diferentes formas espaciales, así como diferentes configuraciones de agrupaciones de pulsos que llevan a definir un pulso único equivalente a todas las pasadas efectuadas en la experimentación. Sin embargo, cuando se simula un caso real, a pesar de esperar una deformación simulada menor, se obtiene un ángulo de doblado mayor que el experimental.
Con el objetivo de buscar una relación en los resultados obtenidos, se divide entre diez el pulso de presión temporal y se vuelve a aplicar el pulso equivalente sobre la pieza real. En este nuevo caso, variando el área irradiada, se observa una gran similitud con los resultados obtenidos en los ensayos de variación del área irradiada en laboratorio.
Por ello, se concluye que es necesario reducir el valor del parámetro α hasta dos órdenes de magnitud (de 0,2 a 0,002) con el fin de conseguir la presión diez veces menor a la utilizada. Esto podría deberse a que casi la totalidad de la energía del pulso láser es invertida en la generación de plasma en los láseres de picosegundos.
Palabras clave: procesado mediante ondas de choque (LSP), conformado por ondas de choque láser (LPF), picosegundos, simulación, Abaqus, Matlab, ondas de choque, medio confinante, Acero Inoxidable 316.