Análisis de deformaciones inducidas por tratamientos superficiales mediante ondas de choque generadas por láser en AL2024-T351

Resumen

La caracterización de los perfiles de deformación plástica inducidos en la aleación de Aluminio 2024-T351, material de gran relevancia en la industria aeroespacial, después de aplicar un tratamiento superficial de Laser Shock Processing (LSP), ha sido el objetivo principal de este Trabajo Fin de Máster (TFM). De esta manera, para estudiar dichas deformaciones se ha implementado una metodología que combina la simulación numérica con una rigurosa validación experimental. El LSP destaca frente a otras tecnologías como el Shot Peening (SP), porque proporciona un mejor control, una mayor profundidad en las compresiones residuales y tiene un impacto menor en la rugosidad superficial, lo que lo hace ideal para su uso en geometrías complejas. Su impacto positivo se extiende más allá de la técnica óptima, contribuyendo a la sostenibilidad. Al prolongarse la vida útil de los componentes y reducirse la necesidad de ser reemplazados provoca una disminución del consumo de recursos y la generación de residuos, lo que se alinea con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) relacionados con la producción y el consumo responsables. Para poder reproducir dicho tratamiento se ha adaptado un modelo numérico avanzando, utilizando el software de elementos finitos ABAQUS y el código SHOCKLAS implementado por el Centro Láser de la UPM (CLUPM). En este modelo se han aplicado y se han comparado dos modelos constitutivos para la definición de las propiedades del material: el de Johnson-Cook y una versión modificada del mismo, buscando una mayor precisión ante las altas velocidades de deformación. Las primeras simulaciones ponen de manifiesto una diferencia significativa con respecto a los resultados obtenidos experimentalmente, mostrando la subestimación de la deformación inducida. Para ajustar dicha desviación, se realizaron una serie de mejoras en el modelo, destacando entre ellas la redefinición de las dimensiones de la probeta, añadir una segunda etapa al proceso (empotramiento y liberación), y la incorporación de un nuevo coeficiente de amortiguamiento variable en el tiempo, reduciéndose notablemente el coste computacional. De esta manera, se ha conseguido adaptar los modelos disponibles para la simulación del tratamiento LSP en componentes delgados. Como consecuencia de estos cambios, los nuevos resultados se aproximan a los valores obtenidos en la experimentación, más concretamente aquellos tratamientos con un mayor número de pulsos. No obstante, persisten algunas diferencias cuantitativas, que pueden ser causa de los fenómenos propios del proceso, como la sensibilidad a la velocidad de deformación y a la generación localizada de calor. A pesar de estas limitaciones, el modelo numérico se considera válido para describir la tendencia general del proceso LSP, demostrando cualitativamente el comportamiento observado. Con el incremento del número de pulsos, se genera una acumulación de tensiones residuales y deformaciones plásticas que provocan el arqueo progresivo esperado, validando de esta manera la efectividad del modelo. Por último, el estudio confirma que la combinación de un modelo avanzado y la experimentación constituye un recurso eficaz para la optimización del LSP a nivel industrial, especialmente en componentes donde la integridad estructural tiene prioridad. Además, se abren líneas futuras relacionadas con la optimización del modelo hidrodinámico del plasma, la integración del LSP en entornos de fabricación inteligente e Industria 4.0, y la evaluación del tratamiento en otros materiales y geometría complejas