Tesis:
Desarrollo de Métodos para la Caracterización Predictiva Acoplada de Tensiones y Deformaciones en Procesos de Tratamiento Superficial mediante Ondas de Choque Generadas por Láser.
- Autor: CORREA GUINEA, Carlos
- Título: Desarrollo de Métodos para la Caracterización Predictiva Acoplada de Tensiones y Deformaciones en Procesos de Tratamiento Superficial mediante Ondas de Choque Generadas por Láser.
- Fecha: 2014
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: FISICA APLICADA A LA INGENIERIA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/32924/
- Director/a 1º: OCAÑA MORENO, José Luís
- Resumen: El tratamiento superficial mediante ondas de choque generadas por láser (LSP) se ha revelado como una tecnología innovadora para inducir tensiones residuales de compresión en profundidad en materiales metálicos a fin de mejorar su resistencia a la fatiga, a la corrosión y al desgaste. Los procesos LSP consisten en la aplicación de pulsos láser de alta intensidad (varios GW/cm2 y con duración de nanosegundos) sobre la superficie de un blanco metálico. sobre la que se sitúa una fina capa de un material confinante y transparente a la radiación láser, denominado medio confinante (típicamente agua). El pulso láser atraviesa el medio confinante e interacciona con el metal vaporizando una fina capa de su superficie. El vapor continúa absorbiendo energía hasta que se ioniza y se convierte en plasma, que se expande rápidamente y genera alta presión, propagándose esta a través del metal en forma de onda de choque. Cuando el pico de presión de la onda de choque es mayor que el límite elástico dinámico del material, se inducen en el mismo deformación plástica y tensiones residuales de compresión. Para mejorar la vida en fatiga, la distribución de las tensiones residuales es de suma importancia, ya que influye decisivamente en el inicio y la propagación de grietas superficiales. La distribución de las tensiones residuales depende de varios parámetros láser (longitud de onda, energía, duración del pulso, el tamaño de la superficie de interacción y la distancia de solape), del medio confinante, de la geometría, de las propiedades del material y de la secuencia de los pulsos. Tal cantidad de variables hace que la optimización experimental de los parámetros de aplicación para un componente dado requiera un gran número de experimentos. En este sentido, el modelado numérico surge como una herramienta efectiva para la optimización paramétrica del proceso y la predicción de las tensiones residuales resultantes. Sin embargo, la mayoría de los estudios numéricos recogidos en la bibliografía, se centran únicamente en la simulación de unos pocos pulsos, considerando geometrías simplificadas y condiciones de sujeción durante el tratamiento que no son realistas. De esta forma, no se pueden estudiar ni las deformaciones a escala macro generadas por tratamientos LSP con solapamiento de pulsos sobre áreas extensas, las tensiones residuales en geometrías complejas y en los bordes del material ni la influencia de la secuencia de pulsos en la distribución final de las tensiones residuales. La motivación de la presente Tesis es desarrollar un modelo numérico que permita estudiar de manera sistemática los puntos mencionados y hasta ahora nunca investigados. El modelo numérico desarrollado (SHOCKLAS) se compone de tres niveles: análisis de la ruptura dieléctrica del agua, simulación de los fenómenos hidrodinámicos asociados a la expansión del plasma confinado y la simulación masiva, paralelizada y 3D por elementos finitos de la propagación de las ondas de choque y la inducción de deformaciones y tensiones residuales considerando geometrías reales, mallados optimizados para cada caso específico y condiciones de contorno y carga realistas. El modelo numérico desarrollado se ha validado mediante la comparación entre los resultados de las simulaciones y medidas experimentales mostrando una gran similitud, lo que ha posibilitado el estudio de los objetivos planteados. Las simulaciones han permitido explicar las diferencias recogidas en la bibliografía entre las componentes transversales de las tensiones residuales y que están directamente relacionadas con la secuencia de pulsos aplicada. De hecho, las simulaciones demostraron la importancia de la secuencia de pulsos en la optimización de las tensiones residuales y su gran influencia en los efectos de borde. Estos resultados de simulación fueron confirmados mediante ensayos de fatiga en especímenes reales de Al2024-T351 con forma de hueso y entalla previa que experimentaron un gran incremento de vida en fatiga tras la aplicación de la secuencia de pulsos optimizada. Como aportación adicional, el tratamiento LSP a doble cara con parámetros láser optimizados se implementó numérica y experimentalmente consiguiendo introducir tensiones residuales de compresión mejoradas en todo el espesor de paneles delgados de Al2024-T351y retardando el crecimiento de grietas superficiales.