La perforación con láser es el proceso de crear orificios pasantes, denominados orificios "reventados" o "perforados por percusión", pulsando repetidamente energía láser enfocada en un material. El diámetro de estos orificios 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 que se crea el diámetro deseado; esta técnica se llama "trepanación".
Aplicaciones
La perforación con láser es una de las pocas técnicas para producir orificios con una relación de aspecto alta: orificios con una relación entre la profundidad y el 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, los orificios de enfriamiento del motor de turbina aeroespacial, los componentes de fusión láser [1] y las microvías de la placa de circuito impreso . [2] [3] [4] [5]
Los fabricantes de motores de turbina para propulsión de aeronaves y para generación de energía se han beneficiado de la productividad de los láseres para perforar pequeños orificios cilíndricos (de 0,3 a 1 mm de diámetro típico) a 15–90 ° de la superficie en piezas fundidas, de chapa y mecanizadas. 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 incrementales en las tecnologías de control y proceso láser han llevado a aumentos sustanciales en el número de orificios de enfriamiento utilizados en los motores de turbina. Para estas mejoras y un mayor uso de los orificios perforados con láser es fundamental comprender la relación entre los parámetros del proceso y la calidad del orificio y la velocidad de perforación .
Teoría
A continuación se presenta un resumen de los conocimientos técnicos sobre el proceso de perforación con láser y la relación entre los parámetros del proceso y la calidad del pozo y la velocidad de perforación.
Fenomeno fisico
La perforación con láser de orificios cilíndricos generalmente se produce mediante 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 favorece un proceso que elimina el material mediante fusión. [ cita requerida ]
El hecho de que la fusión o la vaporización sean más dominantes en un proceso de perforación con láser depende de muchos factores, y la duración y la energía del pulso del láser juegan un papel importante. En términos generales, la ablación domina cuando se utiliza un láser Nd: YAG de conmutación Q. [ cita requerida ] Por otro lado, la expulsión de la masa fundida, el medio por el cual se crea un agujero al derretir el material, domina cuando se usa un láser Nd: YAG bombeado con tubo de destello . [ cita requerida ] Un láser Nd: YAG de 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 flash 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 por cada láser, la ablación y la expulsión de la masa fundida suelen coexistir. [ cita requerida ]
La expulsión de la masa fundida surge como resultado de la rápida acumulación de presión de gas (fuerza de retroceso) dentro de una cavidad creada por la evaporación . Para que se produzca la expulsión de la masa fundida, debe formarse una capa fundida y los gradientes de presión que actúan sobre la superficie debido a la vaporización deben ser lo suficientemente grandes para superar las fuerzas de tensión superficial y expulsar el material fundido del orificio. [6]
Lo "mejor de ambos mundos" es un sistema único capaz de expulsar la masa fundida tanto "fina" como "gruesa". La expulsión de masa fundida "fina" produce características con una excelente definición de pared y una pequeña zona afectada por el calor, mientras que la expulsión de masa fundida "gruesa", como la que se utiliza en la perforación y trepanado por percusión , elimina el material rápidamente.
La fuerza de retroceso es una función importante de la temperatura máxima . El valor de T cr [ aclaración necesaria ] para el que las fuerzas de retroceso y tensión superficial son iguales es la temperatura crítica para la expulsión del líquido. Por ejemplo, la expulsión de líquido del titanio puede tener lugar cuando la temperatura en el centro del orificio supera los 3780 K.
En trabajos iniciales (Körner, et al., 1996), [7] se encontró que la proporción de material eliminado por expulsión de la masa fundida 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 láser aumenta aún más. El aumento inicial en la expulsión de la masa fundida al aumentar la potencia del haz se ha atribuido tentativamente a un aumento en la presión y el gradiente de presión generado dentro del orificio por la vaporización.
Se puede lograr un mejor acabado si la masa fundida se expulsa en gotitas finas. [ cita requerida ] En términos generales, el tamaño de las gotas disminuye al aumentar la intensidad del pulso. Esto se debe al aumento de la velocidad de vaporización y, por tanto, a una capa fundida más fina. Para una mayor duración del pulso, la mayor entrada de energía total ayuda a formar una capa fundida más gruesa y da como resultado la expulsión de gotitas correspondientemente más grandes. [9]
Modelos anteriores
Chan y Mazumder (1987) [10] desarrollaron un modelo de estado estacionario 1-D para incorporar la consideración de la expulsión de líquidos, pero el supuesto 1-D no es adecuado para la perforación de orificios de alta relación de aspecto y el proceso de perforación es transitorio. Kar y Mazumder (1990) [11] ampliaron el modelo a 2-D, pero la expulsión de la masa fundida no se consideró explícitamente. Ganesh, et al. Han presentado un tratamiento más riguroso de la expulsión de la masa fundida. (1997), [12] que es un modelo generalizado transitorio 2-D para incorporar sólidos, fluidos, temperatura y presión durante la perforación con láser, pero es computacionalmente exigente. Yao y col. (2001) [13] desarrollaron un modelo transitorio 2-D, en el que se considera una capa de Knudsen en el frente de vapor de fusión, y el modelo es adecuado para pulsos más cortos y ablación con láser de alta potencia máxima.
Absorción de energía láser y frente de vapor fundido
En el frente de vapor fundido, la condición de límite de Stefan se aplica normalmente para describir la absorción de energía del láser (Kar y Mazumda, 1990; Yao, et al., 2001).
- (1)
dónde es la intensidad del láser absorbida, β es el coeficiente de absorción del láser que depende de la longitud de onda del láser y del material objetivo, e I (t) describe la intensidad del láser de entrada temporal que incluye el ancho del pulso, la tasa de repetición y la forma temporal del pulso. k es la conductividad de calor , T es la temperatura, z y r son distancias a lo largo 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 fase líquida, fase vapor e 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 experimentan cambios discontinuos a través de la capa. Al considerar la discontinuidad a través de la capa de Knudsen, Yao, et al. (2001) simularon la distribución V v de la velocidad del receso superficial , 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 requerida ]
Derretir expulsión
Después de obtener la presión de vapor p v , el flujo de la capa de masa fundida y la expulsión de masa fundida se pueden modelar utilizando las 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 de la masa fundida, el patrón de flujo de la masa fundida debe predecirse con mucha precisión, especialmente la velocidad del flujo de la masa fundida en el borde del orificio. Por lo tanto, se utiliza un modelo transitorio simétrico en 2-D y, en consecuencia, se utilizan las ecuaciones de momento y continuidad.
El modelo de Ganesh para la expulsión de masa fundida 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 asume que la velocidad de expulsión de la masa fundida es solo a lo largo de la pared del pozo y puede dar resultados con un mínimo esfuerzo computacional.
El líquido se moverá hacia arriba con velocidad u como consecuencia del gradiente de presión a lo largo de las paredes verticales, que a su vez viene dado 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 de la masa fundida después de la etapa inicial de perforación.
- (2)
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.
Efecto de forma de pulso
Roos (1980) [15] mostró que un tren de 200 µs que constaba de pulsos de 0,5 µs producía resultados superiores para perforar metales que un pulso de forma plana de 200 µs. Anisimov y col. (1984) [16] descubrió que la eficiencia del proceso mejoraba acelerando la fusión durante el pulso.
Grad y Mozina (1998) [17] demostraron además el efecto de las formas de pulso. Se añadió un pico de 12 ns al principio, en 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 sobre la eliminación. Por otro lado, cuando se agregó el pico a la mitad y al final del pulso largo, la mejora de la eficiencia de perforación fue de 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 y col. (2007) demostraron que una corriente de doble pulso producía mayores tasas de perforación y corte con agujeros significativamente más limpios. [1]
Conclusión
Los fabricantes están aplicando los resultados del modelado de procesos y los métodos experimentales para comprender y controlar mejor el proceso de perforación con láser. El resultado es procesos de mayor calidad y más productivos que, a su vez, conducen a mejores productos finales, como aviones y motores de turbina con generación de energía más eficientes y limpios .
Ver también
- Corte por láser
- Lista de artículos láser
Referencias
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