Desde la producción del primer láser funcional en la década de 1960, los ingenieros de materiales se han centrado mucho en cómo utilizar los láseres en el procesamiento para superar diversos problemas. Los láseres se introdujeron en la industria del recubrimiento de superficies a fines de la década de 1970, pero se prefirieron los métodos tradicionales debido a la naturaleza costosa del revestimiento láser. [1] Sin embargo, con la introducción de fuentes láser más económicas y aplicaciones recientemente descubiertas para los láseres, el revestimiento láser ha comenzado a resurgir.
Contenido
¿Qué es el revestimiento láser?
El revestimiento por láser es una forma de recubrimiento de superficies que incorpora el uso de láseres y un mecanismo de alimentación para recubrir el sustrato con una capa del metal o material cerámico deseado. El láser funde el metal y recubre el sustrato en movimiento con una fina capa. El metal de alimentación se funde por completo mientras el láser también transfiere parte de su energía al sustrato. Esto permite la creación de una fuerte unión metalúrgica entre el sustrato y el revestimiento. El espesor del revestimiento puede variar de 0,05 mm a 2 mm en una sola pista, lo que permite un gran control de la precisión de la pieza. [1]
Mecanismos de alimentación
Hay tres métodos comunes de suministro de metal al sustrato.
- Polvo pre-colocado
- Alimentación de alambre
- Inyección de polvo
Polvo precolocado
El primer método de aplicación de metal es una técnica bastante simple y obvia. Se considera que se trata de un procedimiento de revestimiento láser de dos etapas. [1] La primera etapa consiste en cubrir el sustrato con el polvo previamente colocado: el haz láser transfiere su energía al metal en polvo y lo licúa. La segunda etapa es la transferencia de calor del recubrimiento líquido al sustrato; en este punto, el recubrimiento comienza a solidificarse. La energía del recubrimiento parcialmente solidificado y el láser continúan fundiendo parcialmente el sustrato y proporcionando una unión metalúrgica entre el recubrimiento y la superficie.
Este método ya no es el método preferido de deposición de polvo para revestimiento láser debido a varios problemas. Es difícil colocar el polvo en una forma geométrica compleja y requiere más tiempo que los otros dos métodos de deposición de polvo. [2] Otra desventaja del método de polvo precolocado son las múltiples etapas del método.
Alimentación de alambre
El segundo método de suministro de revestimiento es a través de un alimentador de alambre. El alambre se alimenta desde un tambor al láser. Este es el primero de varios problemas que encuentra la alimentación de alambre durante el proceso de revestimiento. El tambor de alambre debe ser lo suficientemente grande para evitar problemas con cualquier deformación plástica, además de estar en línea con el movimiento del sustrato para permitir una alimentación suave. [3] El mayor problema que rodea la alimentación de alambre es cómo actúa el alambre fundido en la punta del alambre. El metal fundido no fluye bien sobre el sustrato y esto conduce a una alta dilución del revestimiento en el sustrato.
Inyección de polvo
El tercer método de aplicación del material de recubrimiento vuelve al principio del metal en polvo, pero el polvo se inyecta en la trayectoria del haz. El polvo se transporta a través de la tubería utilizando un gas inerte que permite que el material de recubrimiento se inyecte en la trayectoria del haz. Las partículas de metal en polvo insufladas se funden parcialmente por el haz. El láser crea un pequeño charco de metal fundido en la superficie del sustrato que funde completamente el metal en polvo. [4] El charco de metal fundido que se crea corresponde a un solo nivel de revestimiento. Esto crea una fuerte unión metalúrgica entre el sustrato y el recubrimiento con una tasa de dilución mínima. [3]
Existen dos enfoques diferentes para el sistema de suministro de revestimiento. El primer método se considera en línea y el metal en polvo se suministra al sustrato mediante el uso de un sistema coaxial . El láser tiene una línea de alimentación de polvo conectada directamente al láser y viaja en la misma trayectoria que el láser. Esto significa que el movimiento del sustrato es perpendicular a la trayectoria direccional del sustrato en todas las condiciones. Esto proporciona al sistema de alimentación coaxial la capacidad de ser independiente del movimiento del sustrato y producir recubrimientos de superficie iguales en todas las direcciones. [4]
La alternativa al método en línea es el método fuera de línea o método de inyección lateral. El método de inyección lateral tiene la posición de la boquilla de alimentación al costado del láser. Sin embargo, la posición de la boquilla de alimentación lateral afecta la concentración del revestimiento. Si la boquilla de alimentación lateral se coloca en la dirección en la que se mueve el sustrato, el revestimiento se vuelve más eficiente porque el polvo queda atrapado entre el baño de material fundido y el sustrato. Esto afectará las propiedades del revestimiento de la superficie si se requiere que la boquilla de alimentación cambie de posición debido a la forma geométrica. [1]
Mejoramiento
Sistemas de alimentación combinados
Desde el desarrollo del revestimiento láser, el material de revestimiento se ha aplicado mediante uno de los tres métodos mencionados en la sección anterior. Se ha descubierto que, mediante el revestimiento láser, se producen dos problemas con el revestimiento de la superficie: un acabado superficial deficiente y una eficiencia de deposición. La eficiencia de deposición es la relación entre el peso del depósito de revestimiento y el peso del revestimiento pulverizado.
Si bien el método de inyección de polvo es el sistema de alimentación más popular que se utiliza en la actualidad, todavía existe interés en la alimentación por alambre, ya que tiene varias ventajas. Cuando una muestra se reviste mediante inyección de polvo lateral, la muestra tiene una rugosidad superficial (Ra) de 70 a 90 um, mientras que una muestra alimentada por alambre tiene una Ra que es un 30 % menor. [5] El sistema de alimentación por alambre también supera el problema de la eficiencia de deposición porque no se pierden partículas debido a la incapacidad de quedar atrapadas en el baño de fusión.
El problema que rodea al método de alimentación por alambre es la incapacidad de producir un recubrimiento de superficie sólida con un rango adecuado de ángulos de alimentación. Si el ángulo de alimentación del alambre de alimentación no está entre los rangos ideales de 20 a 60°, el revestimiento es discontinuo y, por lo tanto, no es adecuado para el recubrimiento de superficies debido a la presencia de espacios. [5] Se realizó un estudio para comparar las eficiencias de una boquilla coaxial independiente con el sistema de alimentación combinado mencionado anteriormente. Cuando el único mecanismo del sistema de alimentación era la inyección coaxial de polvo, la deposición varió del 27 % para un láser de 1100 kW al 33 % para un láser de 1500 kW. [6]
Mediante el uso de la inyección de polvo coaxial en combinación con un sistema de alimentación lateral por cable, se han logrado mejoras en el proceso de revestimiento láser. Estos dos métodos contribuyen al mismo baño de fusión para mejorar la eficiencia del sistema. Dado que hay un baño de fusión más grande y continuo debido a la alimentación por cable, la eficiencia de deposición aumenta para la pulverización de polvo. La eficiencia de deposición de la pulverización de polvo aumentó al 47%. [6] La eficiencia del láser se mejoró en este estudio porque se observó que cuando se utilizaba un cable de forma independiente, una gran parte de la energía del láser se reflejaba y se desperdiciaba. Dado que la pulverización de polvo actuaba como una barrera y absorbía una parte del haz antes de que este alcanzara el cable de alimentación, había menos energía que el cable podía desperdiciar. [6]
La calidad general del revestimiento se puede mejorar mediante el método de combinación. Cuando se utilizan un polvo y un alambre de forma codependiente, la porosidad de una muestra mejora en casi un 25%. Otra mejora del revestimiento es la disminución de la rugosidad del acabado de la superficie . El acabado de la superficie desciende hasta un valor Ra de 47, mejorando así el acabado de la superficie y la precisión dimensional de la pieza. La teoría más actual que relaciona la porosidad y el acabado de la superficie con la eficiencia del láser del proceso es que el baño de fusión absorbe más energía del láser para crear un flujo más suave y tranquilo en el baño de fusión. [6]
Cabezal de revestimiento con sensores integrados
Un problema grave que afecta al revestimiento láser con una boquilla coaxial es la suciedad de varios componentes del láser. El vidrio protector, las lentes dicromáticas y la lente de enfoque pueden ensuciarse debido a la pulverización. Esto reduce la eficacia del láser porque la energía del haz es absorbida por los componentes del láser en lugar de transferirse a la pulverización de polvo. Dado que la energía se absorbe antes de que llegue al polvo, el sistema de revestimiento láser comienza a producir un revestimiento de mala calidad que no es homogéneo. Cuando se ven estos resultados, no tiene sentido utilizar el revestimiento láser en lugar de otras técnicas de revestimiento, como la pulverización térmica o de plasma , ya que el revestimiento láser no produce un revestimiento homogéneo de alta calidad. [1]
Se ha aplicado un nuevo enfoque al revestimiento por láser. El montaje de varios sensores en el cabezal de revestimiento puede mejorar la eficiencia del sistema, ya que permite el control en tiempo real de las condiciones de las distintas piezas del cabezal. Una gama de sensores térmicos, fotodiodos y cámaras pueden contribuir a mejorar el acabado de la superficie y la precisión neta general de la pieza. [7]
El uso de sensores de calor para controlar el aumento de temperatura de las lentes protectoras y dicromáticas puede utilizarse para determinar si las lentes se están ensuciando o manchando. Cuando una lente se ensucia, menos energía del láser llega al polvo en aerosol y, en cambio, es absorbida por este. La lente protectora puede ensuciarse porque el gas inerte protector en el polvo en aerosol no puede eliminar las partículas de la lente durante la producción. [7]
Se puede incorporar un dispositivo de carga acoplada (CCD) al proceso de revestimiento montándolo perpendicularmente al cabezal de revestimiento para permitir una visión en tiempo real del punto de contacto entre el láser y el sustrato.
Se ha determinado que el baño de fusión se ve muy afectado por la altura del cabezal revestido porque el tamaño del haz cambia mucho desde su punto focal. La distribución de energía de un haz láser se puede modelar como una distribución gaussiana en la ecuación (1), donde se puede determinar la concentración de energía del haz.
- g es el valor pico de la distribución gaussiana
- h es la altura de la boquilla al sustrato
- ø es el medio ángulo de la pulverización del polvo.
A medida que la altura de la boquilla disminuye más allá del punto focal, el tamaño del haz disminuye y crea un charco de material fundido que reduce la eficiencia de deposición del sistema. A medida que la altura del sustrato aumenta más allá del punto focal del láser, el aumento del ancho del haz láser comienza a desperdiciar energía. Debido a la naturaleza de distribución gaussiana del haz, la concentración del haz se reduce a medida que aumenta demasiado. A través de la incorporación del CCD para monitorear la diferencia de altura entre la boquilla y el sustrato, es posible monitorear y controlar el tamaño del charco de material fundido para crear un entorno ideal para que se absorba el polvo en aerosol. [7]
Si el sustrato está en ángulo, surgen diferentes problemas para la colocación de la boquilla. Como se ve en las ecuaciones (2) y (3), la distribución del revestimiento varía con el ángulo. El ángulo de la boquilla con el sustrato debe permanecer perpendicular al sustrato para proporcionar un revestimiento distribuido uniformemente.
- ø es el ángulo entre el sustrato y el horizonte
Ahora es posible utilizar el CCD para controlar tanto el ángulo del sustrato en relación con el horizonte como el ángulo de la boquilla respecto del sustrato inclinado. Esto permite que la concentración del revestimiento se distribuya de manera uniforme a lo largo de la superficie inclinada, al mismo tiempo que se controla la altura de la boquilla respecto del sustrato para garantizar que el ancho del haz láser sea ideal para producir un baño de fusión adecuado. [7]
Sin el uso de la monitorización en tiempo real y de sensores integrados, el acabado de la superficie de la pieza es rugoso y de mala calidad, y la precisión dimensional puede verse comprometida. Mediante la integración de sensores, el proceso de revestimiento se puede ajustar durante la fabricación para evitar que aparezcan defectos en la pieza terminada.
Referencias
- ↑Saltar a:1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Corbin, Stephen, Amir Khajepour y Ehsan Toyserkani. Revestimiento láser. Boca Raton: CRC, 2004. Impreso.
- ↑ de Oliveira, U., V. Ocelı´k y J.Th.M. De Hosson. "Análisis de las condiciones de procesamiento del revestimiento con láser coaxial". Surface and Coatings Technology 195 (2004): 127-136. Impreso.
- ↑Saltar a:3.0 3.1 Ion, John. Procesamiento láser de materiales de ingeniería: principios, procedimientos y aplicaciones industriales. St. Louis: Butterworth-Heinemann, 2005. Impreso.
- ↑Saltar a:4.0 4.1 Partes, Knut. "Modelo analítico de la eficiencia de captación en revestimientos láser de alta velocidad". Surface and Coatings Technology 204 (2009): 366-371. Impreso.
- ↑Saltar a:5.0 5.1 Ul Haq Syed, Waheed, Andrew J. Pinkerton y Lin Li. "Un estudio comparativo de la alimentación por alambre y la alimentación por polvo". Applied Surface Science 247 (2005): 268 - 276. Versión impresa.
- ↑Saltar a:6.0 6.1 6.2 6.3 Ul Haq Syed, Waheed, Andrew J. Pinkerton y Lin Li. "Combinación de alimentación de polvo coaxial y por alambre en la deposición directa de metal por láser para la creación rápida de prototipos". Applied Surface Science 252 (2006): 4803 - 4808. Versión impresa.
- ↑Saltar a:7.0 7.1 7.2 7.3 Liua, Jichang y Lijun Lia. "Ajuste de movimiento en tiempo real en el proceso de fabricación de revestimientos por láser para mejorar la precisión dimensional y el acabado superficial de la pieza formada". Optics; Laser Technology 36 (2004): 477 - 384.
