INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL CENTRO DE INVESTIGACION EN CIENCIA APLICADA Y TECNOLOGIA AVANZADA, UNIDAD ALTAMIRA

TRATAMIENTO DE SUPERFICIE DE ACERO ASTM A-36 ASISTIDO POR LASER

T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRIA EN TECNOLOGIA AVANZADA

PRESENTA ANGEL HUGO FIGON CEPEDA

DIRECTORES DE TESIS: DR. CARLOS ADOLFO HERNANDEZ CARREON DR. MIGUEL ANGEL ARRONTE GARCIA

DICIEMBRE 2006, ALTAMIRA, TAMAULIPAS

AGRADECIMIENTOS Este trabajo de tesis se realizó en el Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada Unidad Altamira del Instituto Politécnico Nacional.

A mis Directores de Tesis el Dr. Carlos Adolfo Hernández Carreón y Dr. Miguel Ángel Arronte García por su gran dirección y apoyo para la realización de este trabajo.

Al Dr. Luis Vidal Ponce Cabrera por el apoyo incondicional que me dio en todos los aspectos para la conclusión de este trabajo, y a la Dra. Juana Eloina Mancilla Tolama por sus útiles observaciones y consejos.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y Programa Institucional de Formación de Investigadores por el apoyo económico otorgado.

A los profesores del Cinvestav Querétaro: Dr. Juan Francisco Pérez Robles por su invaluable apoyo para realizar los estudios y análisis de las muestras, y por sus valiosas observaciones y retroalimentación al trabajo. A la Dra. Rebeca Castanedo por su amable disposición para ayudar y por ser el enlace entre nuestras instituciones.

A mis amigos del Cinvestav Querétaro: Luzma, Noe, Agustín, Eleazar y Cinthia, por el tiempo y apoyo que me prestaron para la preparación y caracterización de las muestras.

A mi July y a mis hijos por su amor incondicional, entrega, sacrificios y paciencia para que este proyecto se llevara a cabo. ¡Los amo!

v

RESUMEN En este trabajo se describe el diseño y puesta a punto de una instalación experimental para tratamiento de superficies mediante láser pulsado en muestras de acero estructural A-36 ASTM para obtener un anclaje de pinturas y recubrimientos como alternativa al proceso sandblast. Dicha instalación consta de un láser de Nd:YAG en régimen Q:Switch con una longitud de onda de 1064 nm, duración media del pulso de 10 ns y potencia de 10 MW/pulso.

Las superficies de las muestras fueron tratadas irradiando con secuencias de pulsos de entre 1 y 150 disparos hasta cubrir una superficie de aproximadamente 1 cm2 con un solapamiento cercano al 50%. La morfología y la microestructura de la superficie tratada se caracterizaron mediante microscopia óptica y electrónica de barrido, respectivamente.

La rugosidad de la superficie se midió empleando perfilometría de contacto y se realizaron pruebas de adherencia según norma ASTMD3359. Al evaluar las propiedades mecánicas de la superficie tratada se observó un incremento notable (hasta del 100%) en el valor de la microdureza superficial (HV) con respecto al material sin tratamiento láser.

vi

ABSTRACT The laser surface treatment of ASTM-A36 steel surface is presented as an alternative to sand blast technique in the surface cleaning, and painting and coating adherence profile improvement. A typical experimental set-up consists an Nd:YAG laser operating in Q:Switch regime, at 1064 nm wavelength, average pulse duration of 10 ns and peak power of 10 MW/pulse is described.

The surface of the samples was treated with laser pulses sequences between 1 and 150 shoots covering a surface of approximately 1 cm2 and 50% overlapping. The morphology and microstructure of the treated surface were characterized by means of optical and scanning electron microscopy, respectively.

The surface roughness was measured by contact profilometry and bonding tests were made according to ASTM-D3359 standard. The evaluation of the treated surface mechanical properties showed a remarkable increasing of the surface micro-hardness (over 100%) with respect to the untreated material.

vii

INDICE GENERAL Página

Índice de figuras

xi

Índice de tablas

xiii

Capítulo 1. Introducción

1.1

Ingeniería de superficie

1

1.1.1 Modelos de procesamiento de materiales por láser

2

1.1.2 Monitoreo y control del proceso

3

1.1.3 Desarrollo de aplicaciones y optimización del proceso 1.2 Estado del arte

4 4

1.3 Justificación

14

1.4Hipótesis

15

1.5 Objetivos

15

Capítulo 2. Antecedentes

2.1 Procesamiento de materiales por láser

17

2.1.1 Absorción de la energía láser

17

2.1.2 Reflectividad

18

2.1.3 Profundidad de penetración

18

2.1.4 Efectos térmicos y químicos

19

2.2 Tratamientos de superficie por láser en aceros

20

viii

2.2.1 Templado láser

21

2.2.2 Martillado láser

22

2.2.3 Recubrimiento láser

25

2.2.4 Fusión superficial por láser

27

2.2.5 Aleado superficial por láser

28

2.2.6 Metalurgia por interferencia láser

29

2.2.7 Mecanizado láser

30

2.2.8 Procesamiento por impacto láser

32

2.3 Anclaje de superficies metálicas

33

2.3.1 Proceso Sand blast

33

2.3.2 Anclaje láser

35

Capítulo 3. Materiales y métodos

3.1 Metodología experimental

37

3.1.1 Preparación de las muestras

37

3.1.2 Instalación experimental láser

38

3.1.3 Tratamiento de superficie por láser del acero ASTM A-36

42

3.2 Técnicas utilizadas para la caracterización de las muestras

43

3.2.1 Comparación del perfil de superficie

43

3.2.2 Microscopia óptica estereográfica

44

3.2.3 Perfilometria de contacto

45

3.2.4 Caracterización metalográfica

47

3.2.4.1 Preparación metalográfica

47

3.2.4.2 Microscopia electrónica de barrido.

48

ix

3.2.5 Ensayo de microdureza

49

3.2.6 Prueba de adherencia

51

Capítulo 4. Resultados y discusión

4.1 Resultados

53

4.1.1 Comparación del perfil de superficie

53

4.1.2 Microscopia óptica estereográfica

54

4.1.3 Perfilometria de contacto

58

4.1.4 Comparativo de parámetros láser vs. anclaje

59

4.1.5 Microscopia electrónica de barrido

60

4.1.6 Microdureza

63

4.1.7 Prueba de adherencia

64

4.2 Análisis y discusión de resultados 4.2.1 Determinación del perfil de adherencia

65 65

4.2.2 Deformación superficial y microestructural 67 4.2.3 Propiedades mecánicas

67

4.2.4 Adherencia

68

Capítulo 5. Conclusiones

69

Bibliografía

71

x

INDICE DE FIGURAS

Figura 2.1

Página Interacción de un haz láser y un material. Distribución

17

de la energía. 2.2

Descripción del proceso de martillado láser.

23

3.1

Microestructura del acero estructural ASTM A-36

38

obtenida por SEM (250 x). 3.2a.

Instalación experimental láser

40

3.2b:

1) Láser de pulsos de Nd:YAG, 2) Dispositivo móvil

41

automatizado x-y-z, con lentes y espejos. 3.3

Solapamiento de pulsos láser sobre la superficie del

42

acero ASTM A-36. 3.4

Comparador de perfil de superficie Keane-Tator: lupa

44

de 5x con lámpara y estrella. 3.5

Microscopio estereográfico digital Olympus MIC-D.

45

3.6

Perfilómetro de contacto marca Dektak.

47

3.7

Microscopio electrónico de barrido Philips XL 30

49

ESEM. 3.8

Huella de identación Vickers.

50

3.9

Microdurómetro digital MMT-3 Buehler

50

3.10

Clasificación de los resultados de la prueba de

52

adherencia. 4.1

Comparación del perfil de adherencia

54

xi

4.2

a) Placa normada Clemtex de 1.5 mpg de anclaje b)

54

Placa tratada a 1.5 mpg de anclaje por LST en régimen Q:Switch. 22X. 4.3

a) Placa normada Clemtex de 2 mpg de anclaje b) 2

56

mpg de anclaje por LST régimen Q:Switch. 22x.

4.4

a) Placa normada Clemtex de 3 mpg de anclaje b) 3

57

mpg de anclaje por LST en régimen libre. 50x. 4.5

4.6 4.7 4.8

Perfiles topográficos obtenidos por perfilometria de contacto de muestras de acero ASTM A-36: a) En régimen Q:Switch irradiada con 60 pulsos láser, b)en régimen libre a frecuencia de 2 Hz. Anclaje vs densidad de Energía: a) Régimen Q:Switch, b) Régimen libre. Rugosidad inducida en la superficie del acero A-36 mediante LST. 50x. Corte transversal de una muestra mostrando los

58

60 61 62

efectos del LST en el régimen Q:Switch. 250x. 4.9

Profundidad de penetración del tratamiento láser en

62

la muestra en régimen libre. 500x. 4.10

Microdureza superficial vs. número de pulsos láser.

63

4.11

Microdureza láser vs. Diámetro del spot.

64

4.12

Nivel 5B en la prueba de adherencia según la

65

clasificación de resultados bajo la norma ASTM D3359.

xii

INDICE DE TABLAS Tabla

Página

2.1

Características de los láseres utilizados para el LST

21

2.2

Perfiles típicos de rugosidad de acuerdo al tipo de

35

abrasivo 3.1

Composición química del acero estructural A-36 de

37

las probetas y según Norma ASTM (% en peso) 3.2

Parámetros del láser de Nd:YAG

43

.

xiii

1 INTRODUCCION

1.1

Ingeniería de superficie

La ingeniería de superficie es una actividad multidisciplinaria tendiente a modificar las propiedades de las superficies de los componentes de ingeniería de tal manera que sus funciones y condiciones de servicio puedan ser mejoradas. Algunas de las preocupaciones del ingeniero de diseño son el disponer de propiedades específicas de superficie para los materiales que puedan proveer protección bajo ciertas condiciones atmosféricas (corrosión por contaminantes como NaCl, SO2, NOx, etc., humedad, oxígeno), mejorar las propiedades mecánicas (dureza, resistencia, tenacidad, fatiga) o controlar la morfología de superficie (textura, rugosidad, anclaje etcétera).

Por lo anterior se puede afirmar que los tratamientos de superficie modifican a los materiales de ingeniería para: -

el control de la fricción y el desgaste

-

incrementar la resistencia a la corrosión

-

cambiar sus propiedades físicas

-

alterar sus dimensiones

-

variar su apariencia

1

-

reducir costos de operación y producción

Por otra parte, el tratamiento de superficies por láser es la rama de la ingeniería de superficie utilizada en el presente trabajo, que se basa en la transferencia localizada de energía a un material empleando la irradiación con un haz láser bajo condiciones específicas. En la superficie del material, la luz láser se transforma en calor, lo cual es conveniente para el proceso. En este trabajo se aplicará al tratamiento de superficie de un acero estructural ASTM A36.

1.1.1

Modelos de procesamiento de materiales por láser

Antes de explicar el estado actual de las diferentes técnicas de tratamiento de superficie por láser y los usos de que son objeto, se mencionarán los propósitos por los cuales se desarrollan modelos de proceso, su monitoreo y control mediante automatización y las aplicaciones potenciales que se pueden obtener así como la optimización del proceso.

Las

razones

más

importantes

para

desarrollar

modelos

de

procesamiento son las siguientes:

1. Para obtener detalles físicos a partir del comportamiento del proceso, como por ejemplo analizar la dependencia de las salidas del proceso sobre la operación de los parámetros (potencia láser, velocidad del proceso). O para relacionar los resultados del proceso con las cantidades medibles. 2. Para

el

diseño

del

modelo

basado

en

procesos

de

automatización.

2

Los modelos teóricos vienen de la solución de un grupo de ecuaciones diferenciales parciales, las cuales describen el fenómeno físico del tratamiento de superficies por láser. Adicionalmente, los modelos son determinados mediante la identificación de sistemas. Básicamente, el proceso de identificación consiste del ajuste de los parámetros al proceso (por ejemplo, una función de transferencia) tal que las salidas del proceso coincidan bien con las series medidas de entradas y salidas.

1.1.2

Monitoreo y control del proceso

Los resultados del tratamiento de superficies por láser pueden variar debido a la sensibilidad del proceso a perturbaciones, tales como variación en la absortividad y en las dimensiones de una pequeña pieza de trabajo. Para incrementar la reproducibilidad del proceso, sistemas de control de retroalimentación en tiempo real son diseñados y probados.

Esto incluye: -

La caracterización de la interacción láser-material, mediante diferentes técnicas de análisis y medición que permitan determinar las propiedades del material procesado.

-

La definición de las cantidades a ser controladas (salidas)

-

El desarrollo de sensores para medir esas salidas.

-

El desarrollo de controladores electrónicos que permitan la manipulación de esas salidas.

-

Análisis de la correlación entre los señales medidas e interferencias (modelos de proceso e identificación de sistemas)

3

Establecimiento y diseño de una modelo de control, basada en los

-

modelos de proceso.

1.1.3

Desarrollo de aplicaciones y optimización del proceso

Los resultados de la estandarización y control del proceso se prueban en productos reales. El conocimiento resultante se transfiere a la industria.

Las aplicaciones se desarrollan de manera cercana en cooperación con la industria, que se puede dar en forma de: -

Estudios de factibilidad.

-

Estudios de proceso o producto relacionados con productos reales.

Ejemplos de aplicaciones son el corte láser de aceros de alta tensión, cortado de papel a alta velocidad, taladrado láser de hojas metálicas delgadas para filtros de gas o soldadura láser de partes estructurales [27] y automotrices, tratamiento superficial anticorrosivo [32].

1.2

Estado del arte

En muchas aplicaciones industriales, el mayor requerimiento se sitúa sobre la superficie de la pieza de trabajo o por debajo de ella [1]. Tales requerimientos son distintos en su naturaleza, ya que se refieren a cuestiones mecánicas, tribológicas, electroquímicas, etcétera. Por ejemplo, dos piezas que estén en contacto mecánico, sometidas a esfuerzos cíclicos y fricción, sufrirán un acelerado desgaste y deformación debido a sus pobres propiedades de superficie. Por tanto, tales materiales son candidatos para que se realice en ellos un

4

tratamiento de superficie, que puede ser simplemente un tratamiento térmico sin modificar su composición química (endurecimiento de superficie, por ejemplo), o un tratamiento que induzca una modificación en la composición química del material, como es el caso de recubrimientos de superficie (cincado, niquelado, cromado, pavonado, etcétera).

El ejemplo anterior evidencia la gran importancia de los tratamientos de superficie, por lo cual es fácil entender el porqué de la gran variedad de técnicas que se han desarrollo a través de los años. Entre estas técnicas podemos encontrar algunos procesos de tipo químico tales como el CVD, CVI o sol-gel, y otros de tipo físico como el PVD, y por supuesto el tratamiento de superficies por láser.

Encontramos varias posibilidades al tratar la superficie de los materiales con láser, en donde la interacción del láser con el material depende de distintos parámetros.

Algunos relacionados con el propio haz láser: •

Longitud de onda. Del UV (láser de excímeros)[29][41] al infrarrojo (Nd:YAG o CO2).

•

Duración de la irradiación. Sólo unos pocos nanosegundos para pulsos láser ultracortos (Nd:YAG o excímeros) o un segundo o más para lásers continuos (CO2 o Nd:YAG)

•

Densidad de energía (J/cm2) o densidad de potencia (W/cm2)

Otros que dependen de la naturaleza del material (si es un metal, un cerámico o un polímero): •

Reflectividad.

5

•

Difusión térmica.

•

Temperatura de fusión, etcétera.

En el caso que nos ocupa, el tratamiento láser se efectuó en un material metálico, en este caso un acero estructural. El propósito principal de este tratamiento láser fue el de generar un perfil de adherencia (anclaje) como preparación del substrato metálico para la posterior aplicación de pinturas y recubrimientos, además se busca obtener mediante el mismo tratamiento un templado láser para incrementar las propiedades mecánicas del material. Hasta el momento en la literatura especializada sólo se ha reportado la limpieza láser de superficies de aceros al realizar la remoción de óxidos ferrosos [2][31], así como la generación de textura sobre superficies de componentes de ingeniería que en condiciones de trabajo se encuentran bajo fricción o deslizamiento, como es el caso de los rodamientos o partes automotrices [3][24][38]. En el primer caso sólo se busca la limpieza de la superficie al tratar de hacer eficiente el proceso láser, en el segundo su aplicación es más bien tribológica. Por tanto hasta el momento no se ha reportado una técnica láser que sirva como preparación de superficie para aplicación de pinturas y que además cumpla la normatividad establecida para este tipo de preparación.

Las últimas tendencias en el tratamiento de superficie por láser en aceros muestran una diversidad de aplicaciones que se logran a través de las distintas técnicas existentes [33]. Una de ellas es el endurecimiento de superficies conocida también como templado láser (laser hardening). Oros encontró que el endurecimiento de distintos materiales metálicos (incluido el acero estructural), depende de la variación de los siguientes parámetros del láser pulsado de Nd:YAG:

6

densidad de potencia láser, duración del pulso láser, número de disparos del láser y diámetro del haz láser (área que abarca la huella dejada por el pulso sobre la superficie del material). En sus experimentos demostró que la dureza de la superficie se incrementa al aumentar la densidad de potencia, la duración del pulso láser, el número de disparos y al disminuir el tamaño del haz; por el contrario la dureza disminuye al decrecer la densidad de potencia láser, la duración del pulso láser, el número de disparos y al aumentar el tamaño del haz [4].

Por otra parte una demanda presente en la actualidad es la de tener materiales con interior dúctil y superficie endurecida. Un gran número de aplicaciones requiere de superficies que sean duras, tenaces y resistentes al uso y a la deformación al estar en servicio. En este caso, estructuras interiores relativamente suaves proveen la ductilidad deseada la cual es de vital importancia con relación al tiempo de vida del material por su resistencia a la fatiga. Ambos requerimientos sólo se satisfacen mediante el endurecimiento de la superficie.

Otra técnica que mejora las propiedades mecánicas de las superficies en aleaciones ferrosas y no ferrosas es la conocida como martillado láser (láser penning), donde los materiales endurecidos mediante este tratamiento se utilizan en la industria aeroespacial, en la fabricación de plantas de energía nuclear o en aplicaciones militares.

El martilleo láser, mejor que ninguna otra técnica de tratamiento de superficie ha demostrado extender el tiempo de vida de fatiga de metales y componentes de aleación. En el proceso de martilleo láser un haz láser de alta energía genera una intensa onda de presión (cercana

7

a 7 GPa) sobre la superficie del metal, deformando el metal y dejando un esfuerzo residual de compresión tanto en la parte superior como en el interior de la superficie del metal. Si el esfuerzo de compresión es intenso y suficientemente profundo, entonces cuando el componente se flexione bajo una carga, la superficie permanecerá en compresión, y una microfractura o grieta sobre la superficie no podrá crecer.

Lloyd A. Hackel y col., produjeron esfuerzos de compresión residuales que alcanzaron una profundidad de 3.8 mm en una aleación de base Ni de 20 mm de espesor, lo cual representa casi el 20% del espesor del material,

encontrándose

que

dicha

profundidad

depende

significativamente del número de pasadas del tratamiento láser y ligeramente del nivel de irradiación. Por medio de pruebas a un aluminio estructural estos investigadores encontraron que aumenta el tiempo de vida por fatiga de 10 a 15 veces con respecto al mismo material sin tratamiento láser. En otro experimento se aceleró la velocidad de la fractura por corrosión bajo esfuerzo de abrazaderas de acero inoxidable 304 SAE inmersas en una solución acuosa de cloruro de magnesio bajo esfuerzos elevados. Las abrazaderas sin tratamiento se fracturaron dentro de las primeras dos horas, mientras que las que recibieron el tratamiento no mostraron signos de fractura hasta después de seis días. Pruebas similares se hicieron en piezas soldadas de acero inoxidable 316 SAE con resultados exitosos, concluyendo que el martilleo láser retarda la fractura por corrosión bajo esfuerzo de componentes de ingeniería [5].

La tecnología del martilleo láser se comercializó para la industria a partir del 2002, y ahora se encuentra dando tratamiento a partes las 24 horas

8

del día, de cinco a seis días por semana, a una velocidad nominal de un metro cuadrado por hora.

Otros estudios realizados con la técnica de martilleo láser son los efectuados por Gilberto Gómez, y col., que lograron introducir esfuerzos residuales de compresión en un acero estructural 1040 AISI utilizando una técnica similar al martilleo láser, a la que llamaron procesamiento por impacto láser (PIL)[6]. En su estudio proponen una configuración para tratamientos de superficies metálicas, con radiación láser bajo el agua, producida por un láser de Nd:YAG de 10 Hz de frecuencia a 1064 nm de longitud de onda, densidad de energía de 2.5 J/cm2, pulsos láser de 8 ns, con spot de 0.8 mm de diámetro. Emplearon una densidad de pulsos desde 5000 pulsos/cm2. En sus experimentos se produjeron esfuerzos de compresión residuales elevados a 1064 nm (–650 MPa) a profundidades mayores a 150 micras. Se demostró que el nivel de los esfuerzos residuales es comparable al alcanzado por la técnica convencional por chorro de arena, pero con una mayor penetración. Se demostró que el PIL es una técnica efectiva para el tratamiento de superficies que mejora las propiedades de fatiga del acero estructural 1040 AISI, además incrementa significativamente la resistencia al desgaste, por lo cual este método se puede aplicar al tratamiento superficial de productos metálicos finales.

Otra técnica ampliamente usada en la actualidad es la del recubrimiento láser (láser cladding) que se utiliza para crear superficies metálicas resistentes a la corrosión y al desgaste, así como a la reparación de piezas usadas o dañadas. A. Weisheit, y col., explican que en el recubrimiento láser, la entrega del material de aporte es uno de los

9

factores clave que controlan el proceso, donde el método más apropiado es el de inyección de polvo [7].

En el recubrimiento láser, el material de aporte y una capa delgada del substrato se funden por el haz láser, lo cual garantiza un aleado metalúrgico entre la capa de material de aporte y el substrato.

En cuanto al método de inyección de polvo se mencionan tres conceptos: •

Inyección de polvo fuera de eje (un flujo de polvo es alimentado lateralmente dentro del haz láser).

•

Inyección coaxial continua (un flujo cónico de polvo envuelve el haz láser).

•

Inyección coaxial discontinua (tres o más flujos de polvo son alimentados coaxialmente al haz láser).

La aplicación para el primero es en piezas de dos dimensiones tales como rodamientos de cigüeñal, válvulas, tuercas de pistón; las dos últimas tienen aplicaciones en dos y tres dimensiones tales como sellos de turbina, y reparación o modificación de herramientas de forja o de fundición.

Karl-Hermann Richter y col.[8], diseñaron un procedimiento para reparar las alabes integradas a un disco rotatorio que forman parte de los motores aéreos. Estos discos de alabes fueron construidos con la aleación Ti6242 como material base.

10

En el Fraunhofer Center for Surface and Laser Processing, A. Groth, y col., han desarrollado una nueva técnica de recubrimiento utilizando un láser de diodo directo de 3 kW y una tobera coaxial para la alimentación de polvo. Este proceso permite reducir los costos operacionales de un sistema convencional de CO2 por un factor de por lo menos tres veces menor en costos de inversión al utilizar sistemas láseres más pequeños. La primera aplicación que se ha dado a esta tecnología es en la industria petrolera, en especial a taladradoras y herramientas utilizadas en la explotación de yacimientos petrolíferos, a las cuales se les aplicó capas resistentes al desgaste y a la corrosión de carburo de tungsteno (WC) en una matriz de aleación base níquel, utilizando como sustrato aleaciones Inconell y aceros inoxidables austeníticos [9].

Por medio de la técnica de fusión por láser se pueden generar cambios microestructurales en un acero inoxidable y el endurecimiento de su superficie. A.S.C.M. d’Oliveira, y col. [10], lograron esto en un acero inoxidable austenítico 304 AISI, utilizando para ello un láser de CO2 de 3 kW de potencia. La fusión de la superficie por medio del láser resultó en un fina estructura solidificada, lo cual se atribuye a las rápidas velocidades de enfriamiento desarrollados como consecuencia de los gradientes de temperatura generados en el material [34][39]; estas altas velocidades de enfriamiento involucradas en el proceso dieron como resultado una región de baja dureza, cerca de la interfase del material sin fundir, debido probablemente al alto contenido de ferrita delta.

Para lograr aleaciones superficiales se utiliza la técnica de aleado láser, la que permite la aplicación de recubrimientos que cumplan con ciertos requerimientos de protección para algunos componentes de ingeniería.

11

Es capaz de producir una delgada capa superficial sobre el substrato aleado con el elemento deseado.

Raid A. Ismail [11] realizó la aleación de polvos de B+Si, C, y B+C mediante la deposición de estos elementos de aleación en forma de polvos diluidos en una goma orgánica utilizando la técnica de pintado, para después fusionarlos mediante pulsos láser sobre el acero 1008 AISI. Para este experimento se utilizó un láser de Nd:YAG con pulsos de 10 ms. La zona de aleación presentó un incremento en la dureza con respecto al material original de 3 a 4 veces y se logró una profundidad de la aleación de hasta 350 µm.

C. Blanco-Pinzón, y col. [12] con el fin de incrementar la resistencia a la corrosión en hojas finas de titanio de 50 µm de espesor, alearon este con níquel y paladio, utilizando para ello un láser de excímeros. Capas de níquel y paladio de alrededor de 40 a 310 nm de grosor, se depositaron sobre el substrato por PVD y después irradiadas con pulsos de 25 ns de duración logrando de esta manera la aleación. Lo anterior resultó en una mejora a la resistencia a la corrosión al someterla en una solución de ácido sulfúrico a 80 º C, mejora que está asociada con el cambio de potencial a la región de pasividad del titanio.

El proceso de mecanizado láser se utiliza en procesos análogos al proceso tradicional, como lo es el maquinado de piezas, corte y taladrado. En sus estudios sobre este proceso, Chen, y col. [13][28], encontraron que el gas de asistencia utilizado en el proceso de mecanizado láser para proveer una fuerza mecánica que expulse el material fundido así como para enfriar la zona de corte tiene un efecto adverso en la calidad del acabado de la pieza, por lo que la eficiencia

12

del proceso depende en gran parte de la interacción mecánica del gas con la pieza de trabajo.

Y. Lawrence Yao, y col. [14], estudiaron los efectos de la escala de tiempo en la remoción de material por el láser durante el maquinado. En cuanto al maquinado usando un láser de estado sólido en régimen QSwitch, (como el usado en el presente trabajo), con anchos de pulso en el orden de los nanosegundos, concluyeron que el principal mecanismo de remoción de material para este caso es la ablación, pero una fusión substancial está presente en lo que a materiales metálicos se refiere, que es el caso de la presente investigación.

En sus trabajos C. Daniel, y col. [15] presentaron una nueva técnica de modificación de superficie a la que llamaron metalurgia por interferencia láser, la cual permite la creación de patrones periódicos de características definidas en un orden de largo alcance sobre superficies metálicas en la escala de microestructuras típicas. Por medio de la interferencia de haces láser con pulsos de alta potencia una microestructura con características metalúrgicas conocidos, tales como fusión, recristalización, templado, formación de fases o defectos, pueden ser aprovechados. Como ejemplo de la aplicación de esta técnica se presenta el siguiente resultado: Se irradió con tres haces láser una película de oro que fue depositada mediante PVD sobre una oblea de silicio, con el fin de crear un patrón interferencia que generó una estructura topográfica definida y largo alcance sobre la superficie de la muestra, por lo cual es posible tener un alto grado de control sobre la rugosidad que se desee obtener.

13

1.3

Justificación

Uno de los problemas presentes en la industria es el deterioro superficial de los materiales que son parte de los componentes de ingeniería, por lo cual se hace necesario utilizar técnicas y procesos, que mejoren el desempeño de dichos materiales en condiciones de servicio, incrementando sus propiedades mecánicas, su resistencia a la corrosión, sus propiedades tribológicas y el anclaje como método de preparación para la aplicación de películas y pinturas, así como otro tipo de recubrimientos.

Una solución ampliamente usada para el tratamiento de aceros es el tratamiento de superficies por láser. Por tanto este será el proceso utilizado para tratar la superficie del acero estructural ASTM A-36 en el presente trabajo.

A nivel industrial sería muy importante el desarrollo de nuevas tecnologías de preparación de superficies metálicas, que sean amigables con el medio ambiente y sobretodo poco dañinas para la salud de las personas. El presente trabajo pretende ofrecer una nueva alternativa para las técnicas de tratamiento superficial que se utilizan para generar anclaje para la posterior aplicación de pinturas y recubrimientos, así como para la limpieza y remoción de la corrosión de la superficie de elementos de ingeniería actualmente en servicio, en contraposición al método más empleado y que es la limpieza o anclaje mediante chorro de arena.

14

1.4

Hipótesis

La hipótesis a probar es que es posible mediante el tratamiento de superficies por láser inducir un cambio en la rugosidad (textura) y en las propiedades mecánicas de la superficie del acero ASTM A-36 de tal magnitud que sirva como perfil de adherencia (anclaje) para la aplicación de pinturas y recubrimientos, además de incrementar la dureza superficial del material por la transformación metalúrgica ocurrida durante el proceso.

La hipótesis alternativa es que no es posible lograr ninguna textura en la superficie (anclaje) ni que existe modificación alguna en las propiedades mecánicas ni metalúrgicas por efecto del tratamiento láser.

1.5 •

Objetivos Implementar los prototipos de la instalación experimental láser para tratamiento de superficies en materiales metálicos.

•

Generar una superficie con morfología y textura tal que sirva como anclaje para la aplicación de pinturas y recubrimientos en el acero estructural A-36, comparable a las requeridas por la norma ISO 8501-1: 1988 ó SSPC- SP10 en el proceso de chorro de arena [16].

•

Alcanzar el nivel de adherencia 5b según la norma ASTM-D3359 [17] sobre la superficie del acero estructural A-36 mediante la rugosidad inducida durante el tratamiento láser.

•

Mejorar las propiedades mecánicas en la superficie del acero estructural A-36 al alcanzar un incremento hasta del 100% o más, en la microdureza superficial del material debido al tratamiento láser, con respecto al material sin tratar.

15

16

2 ANTECEDENTES 2.1. Procesamiento de materiales por láser Antes de mostrar algunos ejemplos que ilustran el amplio campo del tratamiento de superficie por láser se presentan algunos conceptos básicos acerca del mecanismo físico de la interacción láser-material y de las modificaciones inducidas durante el proceso, para luego describir los efectos resultantes. 2.1.1

Absorción de la energía láser

En la Fig. 2.1 se presenta de forma esquemática lo que sucede cuando un haz láser con una energía E irradia la superficie de un material; la energía entrante se divide en tres partes: E R*E

A*E

T*E

Fig. 2.1 Interacción de un haz láser y un material. Distribución de la energía.

17

-

Energía reflejada R * E (R: reflectividad)

-

Energía absorbida A * E (A: absortividad)

-

Energía transmitida T * E (T: transmitividad)

Estas tres energías en general cumplen con la condición de que R + A + T = 1. Las energías correspondientes a R y T se consideran pérdidas durante el procesamiento del material.

2.1.2

Reflectividad

La energía reflejada, R, depende de varios parámetros como son la naturaleza del material, la composición química, las características geométricas de las probetas, la temperatura, la longitud de onda, etcétera. Por ejemplo, en el rango del infrarrojo (longitud de onda del haz de 1064 nm), los materiales metálicos tienen reflectividad alta y, en consecuencia, los tratamientos por láser de metales con un láser de CO2 son de hecho difíciles de realizar.

2.1.3

Profundidad de penetración

La energía absorbida, A, entra en el material y se absorbe de manera progresiva según la Ley de Beer-Lambert: E = EO exp (-µz), siendo E y EO la cantidad de energía que penetra z y la energía inicial en la superficie, respectivamente; µ es el coeficiente de absorción lineal. Se define a la profundidad de penetración como p = 1/µ. Alrededor del 65% de la energía inicial se absorbe en una capa de espesor p.

18

En materiales metálicos como el aluminio, la fuerte interacción fotónelectrón genera una elevada absorción del haz láser y, en consecuencia, la energía absorbida es casi del 100% (no se transmite energía)

independientemente

del

espesor

de

la

probeta.

El

conocimiento de los parámetros R y µ es fundamental para entender la parte fisicoquímica del fenómeno y para un uso apropiado de la técnica láser para el tratamiento superficial de un determinado material.[47]

2.1.4

Efectos térmicos y químicos

La energía de un fotón está relacionada con su longitud de onda. Los fotones UV son mucho más energéticos que los infrarrojos y por lo tanto pueden inducir el rompimiento de enlaces más energéticos. Por ejemplo, la radiación del láser de Nd:YAG tiene una longitud de onda de 1064 nm (infrarrojo) y por tanto la energía del fotón para este caso será de 1.17 eV, la suficiente para romper un enlace oxígeno-oxígeno, pero no la de un enlace carbono-oxígeno.

Cuando la energía de los fotones incidentes es mayor que la energía de los enlaces, un simple fotón podrá romper dicho enlace presentándose la siguiente secuencia: irradiación-absorción-rompimiento de enlacesablación (expulsión de fragmentos). Si la intensidad del haz incidente es suficientemente pequeña podrá presentarse esta situación sin efecto térmico o deformación aparente. En contraste, cuando la energía de los fotones incidentes en inferior a la energía de enlace de los átomos o moléculas del material irradiado, estos enlaces sólo pueden disociarse por medio de fenómenos no lineales como la absorción multi-fotónica. En este caso se requiere en general mayor intensidad del haz incidente, siendo inevitables los efectos térmicos y de deformación.

19

En los materiales metálicos, la absorción de la radiación se debe principalmente a los electrones libres, esto modifica notablemente la naturaleza de la interacción y se presentan los efectos térmicos de calentamiento, fusión o aún vaporización.

La evolución de la temperatura depende de una serie de parámetros, por ejemplo, difusividad térmica α y temperatura de fusión Tf (o en algunos materiales, temperatura de disociación). Los valores de α son mucho más pequeños en los polímeros comparados con los materiales metálicos; de esta manera la evolución de la temperatura ocurrirá en un volumen mucho más limitado. La difusifividad térmica es esencial para la extensión volumétrica de los efectos térmicos [1].

2.2 Tratamientos de superficie por láser en aceros De manera general, los tratamientos de superficie se pueden dividir en dos grupos principales: tratamientos que cubren la superficie, mediante depósitos de recubrimientos o aplicación de pinturas, y tratamientos que alteran la superficie, que es el caso del presente trabajo.

El tratamiento de superficies por láser en los aceros se utiliza para mejorar las condiciones de servicio [54] y la resistencia a la corrosión [59], así como para el depósito de películas [49]. Esta técnica se basa en la inducción de calor a través de la absorción de la radiación láser. Las principales características del tratamiento láser son su limpieza química, un perfil controlado de temperatura y penetración, además de la ausencia de contacto físico con el material tratado[40].

20

Entre las técnicas de tratamiento láser más empleadas tanto en la industria como para investigación [51], se encuentran las siguientes: templado láser, martillado láser, recubrimiento láser, fusión por láser, aleado láser, metalurgia por interferencia láser. En la tabla 2.1 se muestran los tipos de láser más utilizados en la industria.

CO2

Nd:YAG Lamppumped

Nd:YAG Diodepumped

HDPL

Longitud de onda (µm)

10.6

1.06

1.06

0.8-0.94

Eficiencia (%)

5-10

1-3

10-12

30-50

Potencia (kW)

40

5

5

6

106-8

105-7

106-9

103-5

1000-2000

200

5000-10000

5000-10000

Tipo de láser Propiedad

Densidad de potencia promedio (kW/cm2) Tiempo de servicio (h)

Tabla 2.1. Características de los láseres utilizados para el LST.

2.2.1 Templado láser

El tratamiento de superficie en fase sólida de un acero, hierro ó cualquier tipo de material en el cual exista una transformación alotrópica, puede darse el fenómeno de templado [57][58]. Las condiciones apropiadas para dicho tratamiento son las siguientes:

-

La temperatura pico debe estar en el intervalo de Ac–TM, siendo Ac: temperatura de transformación y tf: temperatura de fusión.[46]

21

-

Se requiere de una velocidad de enfriamiento más alta que un valor crítico (dT/dt), con el fin de mantener a temperatura ambiente, la microestructura estable a alta temperatura [1].

En el tratamiento de superficie por láser, la energía del haz se transmite a la superficie del material para crear una región endurecida por transformación de fase. El haz láser se utiliza como una fuente de calor, lo cual incrementa rápidamente la temperatura de la superficie del material hasta la región austenitica, seguido de un enfriamiento rápido que produce un temple para formar una estructura martensítica de alta dureza [18].

Algo importante a considerar es el contenido de carbono en el acero, ya que produce un mayor o menor endurecimiento. Otra consideración importante es que la dureza de un material se relaciona íntimamente con su tipo de enlace, por lo cual aunque el enlace metálico no es el que proporciona la mayor dureza, sí es el que permite una cierta cantidad de deformación plástica [4].

Esta técnica permite el templado de áreas localizadas bien definidas en el material, un calentamiento local de alta intensidad y altas velocidades de enfriamiento, logrando buenos resultados en varias aleaciones férreas [26].

2.2.2 Martillado láser

Para el martillado láser (láser penning) se emplean pulsos láser de alta energía de un láser de estado sólido de Nd:glass que crean intensas

22

ondas de choque en un material [35]. Los principios básicos del láser peenning se ilustran en la figura 2.2. Onda de choque Plasma de alta presión

Haz láser

Muestra

Capa inercial (agua) Capa ablativa (pintura o cinta)

Muestra

Capa inercial (agua) Capa ablativa (pintura o cinta)

Fig. 2.2 Descripción del proceso de martillado láser.

Un haz láser de alta intensidad con potencia pico mayor a 1 GW produce un spot de alrededor de 5 x 5 mm e irradia el substrato metálico a ser tratado.

La densidad de energía del láser se encuentra típicamente en el rango de 50 a 200 J/cm2 y la duración del pulso es de 5 a 30 nanosegundos. El láser peenning punto a punto con una densidad de potencia del orden de 2 a 10 GW/cm2. A escala industrial, un sistema apropiado para láser peenning requiere de una potencia promedio en el rango de los cientos y miles de watts y pulsos de energía de alrededor de 20 a 100 J.

Previo a la irradiación láser, el área que se tratará se cubre localmente con dos diferentes capas de material. Primero, una capa protectiva a la superficie; esta es llamada capa ablativa debido a que su superficie se evapora

durante el tratamiento. Los materiales típicos de una capa

ablativa incluyen cinta plástica o metálica ó pintura de 1 a 2 milésimas de espesor, aunque en muchas aplicaciones donde el acabado final de

23

la superficie no es un resultado crítico, la superficie metálica a ser tratada puede actuar como la capa ablativa. Enseguida, una capa inercial transparente es aplicada sobre la capa ablativa, la cual actúa como un tapón para confinar la expansión del plasma de alta presión que se generará por el pulso láser. Los materiales típicos para la capa inercial (de taponamiento) incluyen vidrio ó agua (1 a 2 mm de espesor). Después de que estas dos capas se posicionan, el proceso de láser peenning se lleva a cabo [5].

Cuando el haz láser ilumina la superficie, se absorbe y rápidamente forma un plasma de alta intensidad. El plasma se confina en la capa inerte y crece a una presión de aproximadamente 6.9 GPa (un millón de psi). Aunque la capa inercial es muy delgada, durante los muy cortos 20 ns de duración del pulso láser, su inercia sólo le permite moverse más que unas micras, y por tanto, se confina la presión de una manera muy efectiva. Este pulso de corta duración causa que una onda de choque viaje a través del material y lo deforme plásticamente. La deformación plástica (o densidad de deformación) causada por la onda de choque genera esfuerzos residuales compresivos que pueden extenderse a muchos milímetros de profundidad, haciendo al material más resistente a la fatiga y la fractura por corrosión bajo esfuerzo [37]. Para inducir un esfuerzo residual compresivo en el material, se debe de llevar la intensidad al nivel de los GW para generar una superficie de presión que es más grande que el límite elástico dinámico del metal. Por medio de un sistema de entrega óptico, los pulsos del láser peenning se aplican rápidamente, y cubren en su totalidad el área deseada [42] [56].

24

2.2.3 Recubrimiento láser

El propósito del recubrimiento láser (láser cladding) [48] es modificar la composición química de la superficie, mediante la adición de elementos apropiados, usualmente en forma de polvos (con una granulometría en el rango de 10-100 µm)1). El polvo es inyectado en el haz láser a través de una tobera lateral o coaxial. Materiales metálicos, cerámicos o compósitos se utilizan para el cladding [52]. Concerniente al criterio empleado para diferentes alternativas, se menciona lo siguiente:

-

La aplicación real y por lo tanto la naturaleza precisa del requerimiento que se cubrirá (fricción, erosión, corrosión, etcétera.)

-

La composición del material predominante [55]. Por ejemplo, la fabricación de ciertos claddings puede ser difícil o aún imposible sobre ciertos substratos: cuando la temperatura de vaporización del material sometido al proceso es más baja que la temperatura de fusión del substrato, ó cuando el rango de temperatura entre la fusión y vaporización es limitada.

En estos casos, las condiciones experimentales se deben controlar rigurosamente y, debido a esto algunos pares de materiales se evitan. Para un compósito de matriz metálica, la interacción láser-material induce la fusión de los elementos metálicos (por la manufactura de la matriz) sin la transformación de los elementos de refuerzo (carburos por ejemplo).

Esta técnica se puede utilizar tanto en productos nuevos como usados y se usa para reparar soldaduras o superficies dañadas, para endurecer

25

la superficie de materiales susceptibles al desgaste o en superficies susceptibles a la corrosión, oxidación, ó combinación de estas [19].

Los depósitos se fusionan por completo a la superficie del substrato en espesores que van desde 0.1 hasta varios milímetros (se pueden depositar capas múltiples). El bajo calor inducido que se asocia al tratamiento resulta en una dilución baja en extremo con el substrato lo que también resulta en una zona afectada por el calor (HAZ) relativamente baja y con mínima distorsión.

Estas son algunas ventajas adicionales del láser cladding: •

El daño metalúrgico debido a la zona afectada por el calor (HAZ) y el crecimiento de grano es muy reducido.

•

Las microestructuras son mucho más finas, más duras y resistentes a la corrosión comparada con otros procesos.

•

Una capa creada mediante este proceso equipara la composición del consumible soldable.

•

Áreas seleccionadas de un componente sensitivo de alto valor pueden ser tratadas.

•

Se obtienen capas homogéneas altamente reproducibles con superficies relativamente uniformes.

Aplicaciones típicas del láser cladding: •

Recubrimientos resistentes a la corrosión y al desgate: -

Válvulas

-

Bombas

-

Alabes de turbina

26

•

•

-

Moldes y herramientas

-

Barras cilíndricas

-

Flechas (incluye cigüeñales y árbol de levas)

Reparación y modificación -

Engranes y flechas

-

Moldes

-

Hojas de turbina

-

Asientos de válvula y flecha

Moldeo láser directo -

Prototipos metálicos en tercera dimensión.

2.2.4 Fusión superficial por láser

En esta técnica se logra fundir la superficie al usar un haz enfocado o cercanamente enfocado [43]. La superficie a fundir se protege con un gas inerte. Al usar este procedimiento se pueden obtener finas estructuras homogéneas debido a las rápidas velocidades de enfriamiento y baja penetración térmica, lo que genera poca distorsión y superficies lisas. Con ello se reduce el trabajo después del procesamiento y se obtiene flexibilidad en el proceso debido a las posibilidades de automatización que presenta [10].

La fusión superficial por láser es de interés industrial para aquellos materiales que no se endurecen durante la transformación martensítica, tales como hierro fundido, algunos aceros inoxidables, titanio, aceros grado herramienta, etcétera [45][53]. Los resultados en la literatura muestran que esta técnica resulta en un incremento de su resistencia al

27

desgaste y baja resistencia a la fatiga debido al alto nivel de esfuerzos residuales tensiles.

El entendimiento del fenómeno metalúrgico involucrado en el láser melting es realmente importante así como la aplicación de varias técnicas que requieren fusión superficial tales como fundición[60], aleación y recubrimiento de superficies, ó aun soldadura por láser [27][44].

2.2.5 Aleado superficial por láser

El proceso de aleación superficial por rayo láser (laser surface alloying o LSA) es similar al proceso de láser melting, con la excepción de que los elementos de aleación son adicionados externamente al cráter de fundición con el fin de alterar la composición química de la superficie, así como una mejor adecuación de la parte a tratar [11][50].

Tal modificación de la composición de la superficie para alcanzar las propiedades deseadas se efectúa introduciendo los elementos de aleación en la forma de polvos o gases como una primera capa [36]. El espesor de la capa de aleación puede alcanzar hasta las 2000 micras.

La mayor ventaja del LSA es que sólo una parte se fabrica a partir de un cierto metal base, seleccionado sobre la base de su costo y de sus propiedades mecánicas. La superficie de trabajo se modifica utilizando pulsos de alta energía para proveer las características necesarias tanto para aplicaciones civiles como militares. Por medio del uso de la técnica de LSA, se obtienen materiales de más bajo costo que a la vez presentan alta resistencia mecánica y a la corrosión como la de algunos

28

materiales que son más caros. Los materiales adicionales requeridos para el cambio de composición de la capa procesada se sustituyen en forma de una capa que se deposita o inyecta en la región de fusión bajo el haz láser.

2.2.6 Metalurgia por interferencia láser

El proceso conocido como láser surface structuring es un método que se desarrollo para la modificación de superficies en materiales, por medio del cual varios patrones de interferencia se transforman directa, permanente, y de manera eficiente sobre las superficies de distintos tipos de materiales tales como metales, semiconductores, cerámicos o polímeros. Comparado con los métodos más comunes de litografía, la novedad de esta técnica es el procesamiento directo del material en lugar de

la exposición a un material intermedio tal como una foto

resistencia.

La irradiación de interferencia láser logra producir patrones periódicos con micro/nano estructuras superficiales en la escala de tamaño de grano en policristales. Debido a la corta duración de la exposición térmica por el pulso láser, las fases y morfología de las películas depositadas se pueden modificar bajo un control preciso [20].

En general, esta técnica es una aproximación al inicio de procesos metalúrgicos tales como fusión, recristalización, reactivación, formación de defectos y fases en la escala lateral de la microestructura y con un orden de largo alcance adicional dado por la periocidad de la interferencia. Por lo que a este proceso se le conoce como metalurgia por interferencia láser [25][30].

29

2.2.7 Mecanizado láser

El proceso de mecanizado láser (laser machining), transporta energía fotonica dentro del material a tratar en la forma de energía térmica ó energía

fotoquímica,

removiendo

el

material

por

fusión

y

desprendimiento o por vaporización/ablación directa. Por otro lado, los procesos de maquinado tradicional dependen de los esfuerzos mecánicos inducidos por las herramientas para romper los enlaces de los materiales. Esta diferencia básica de los mecanismos de remoción del material decide las ventajas y desventajas del láser machining comparado con los métodos tradicionales de maquinado [21].

1. El maquinado láser es localizado, se maquina sin contacto y prácticamente libre de fuerzas resultantes, mientras que el maquinado tradicional usualmente tiene contacto mecánico directo y necesita dispositivos para balancear la fuerza de maquinado, además que la pieza de trabajo necesita ser sujetada con alguna abrazadera. Las fuerzas en el láser machining están a micro escala. La presión del fotón sobre el material es despreciable con respecto al resto del material. De esta manera el proceso ofrece flexibilidad en el maquinado de piezas delicadas sobres las cuales no deben actuar grandes fuerzas mecánicas. 2. El maquinado láser puede remover material en cantidades muy pequeñas, mientras que el maquinado tradicional remueve material en macro escala. Por lo que se puede decir que el maquinado láser remueve material átomo por átomo. Por esta razón, la ranura hecha por corte láser es muy angosta, la

30

profundidad del taladrado láser se puede controlar a menos de un micrón por pulso láser, y se pueden hacer marcas permanentes poco profundas con gran precisión. De este modo se puede ahorrar material, lo cual es importante al tratarse de materiales preciosos ó para estructuras delicadas en micro fabricación. Pero se debe tener en mente que esto también significa una baja tasa de remoción en el maquinado láser comparado con el maquinado tradicional. El corte láser de materiales con espesores menores a 20 mm puede hacerse rápido, flexible y de alta calidad. 3. La zona afectada por el calor (HAZ) en el maquinado láser es muy estrecha, usualmente existe una capa resolidificada muy delgada cuyas dimensiones están en micras, por lo que la distorsión será despreciable. Y en el maquinado láser ultra-corto la HAZ será despreciable. En el maquinado tradicional grandes áreas de endurecimiento por trabajado son casi inevitables. 4. El maquinado láser se puede aplicar a cualquier material que absorba apropiadamente la radiación láser. Mientras que los procesos tradicionales de maquinado tienen que escoger las herramientas

adecuadas

para

materiales

con

dureza

y

abrasibilidad diferente. Es difícil maquinar materiales duros o quebradizos como algunos cerámicos, el láser es una buena opción para resolver esas dificultades. 5. La técnica puede alcanzar una calidad de maquinado final en un solo proceso, mientras que en el maquinado tradicional se requiere de muchos procesos. Los cortes láser pueden hacerse planos y limpios, y no requerir ningún tratamiento adicional. Al taladrar usando láser, se evita la adhesión de impurezas y la

31

formación de viruta, ya que la precisión de la geometría se controla cuidadosamente. 6. Pequeños hoyos ciegos, ranuras, texturado de superficie y marcado se logran hacer con alta calidad mediante el maquinado láser. El maquinado tradicional puede tener más ventajas para aplicaciones a macro escala, es más económico y eficiente usar el maquinado láser para aplicaciones a micro escala. 7. El maquinado láser tiene el potencial para una mayor flexibilidad. Se puede realizar un preciso control de posicionamiento en tercera dimensión. La combinación de la energía láser transmitida a través de una fibra óptica y el posicionamiento de la misma usando robots provee un sistema con gran libertad dimensional.

2.2.8 Procesamiento por impacto laser

Entre los diferentes métodos para la mejora de las de propiedades de la superficie en los materiales el procesamiento por impacto láser (Laser shock processing ó LSP) es considerado uno de los más prometedores en términos de su capacidad para inducir transformación metalúrgica al proveer un aumento en la resistencia del material y de resistencia a la fractura por corrosión bajo esfuerzo.

La técnica se desarrollo inicialmente para la aplicación específica de mejorar la resistencia a la fractura por fatiga de los materiales usados en la industria aeronáutica. Hasta el momento, muchos materiales tales como las aleaciones de aluminio y titanio y diferentes tipos de acero inoxidable han sido extensamente investigados, sin embargo lo inasequible a recursos láser más poderosos capaces de cubrir las

32

intensidades necesitadas inhibe momentáneamente cualquier desarrollo industrial [22].

2.3 Anclaje de superficies metálicas

Para que un sistema de recubrimiento protector tenga éxito, es esencial una preparación adecuada de la superficie. El rendimiento de los recubrimientos

protectores

aplicados

al

acero

es

afectado

significativamente por el estado del substrato de acero anterior a la pintura. Los factores principales que afectan el rendimiento son los siguientes:

a) contaminación de la superficie incluyendo sales, aceites, grasas y compuestos de taladrado y corte b) óxido y restos de laminación c) el perfil de la superficie.

El objetivo principal de la preparación de la superficie es asegurarse de eliminar toda la contaminación para reducir la posibilidad de iniciar la corrosión, de forma que se cree un perfil de la superficie (anclaje) que permita la adherencia satisfactoria del recubrimiento que se va aplicar. Los procedimientos

recomendados se describen en la norma

internacional ISO 8504:1992 (E) y especificaciones SSPC SP [23].

2.3.1 Proceso Sand blast

La limpieza por chorreo de arena también conocida como proceso sand blast, es hasta el momento el método mas eficaz para eliminar los

33

restos de laminación, el óxido y los recubrimientos antiguos, utilizando abrasivos como la arena, grava o granalla a alta presión.

Como norma general, cuando los productos están recomendados para inmersión o condiciones atmosféricas agresivas (ambiente salobre o áreas de proceso industrial), la norma de chorreo requerida será conforme a Sa 2 ½ ISO 8501-1:1988 ó SSPC-10, al acabado que se obtiene sobre la superficie al efectuar el proceso bajo esta norma se le conoce como metal casi blanco [16].

Antes del chorreo el acero debe estar desengrasado y se deben eliminar todas las salpicaduras de soldadura. Si la superficie contiene sales, grasa o aceite, en apariencia serán eliminados por el proceso de chorreo, pero en realidad no sucede así. Aunque no resulte visible, la contaminación continúa presente en una capa muy fina, y afectará la adherencia de las capas siguientes. Se deben esmerilar las juntas de soldadura y los bordes afilados, esto se debe a que los recubrimientos de pintura tienden a alejarse de los bordes afilados, lo cual da lugar a capas finas y a una protección menor. Las salpicaduras de soldadura son

casi

imposibles

de

cubrir

de

forma

uniforme;

además,

frecuentemente son zonas de baja adherencia, por lo que suelen ser una causa habitual de fallo prematuro del recubrimiento.

Es importante el perfil de la superficie que se obtiene durante el proceso y dependerá del abrasivo utilizado, la presión del aire y la técnica de chorreo. Un perfil demasiado bajo, puede que no proporcione un anclaje suficiente para el recubrimiento, mientras que un perfil demasiado alto, puede originar un recubrimiento desigual con picos altos y agudos que

34

posiblemente

causen

el

fallo

prematuro

del

recubrimiento,

especialmente en los recubrimientos de película fina. En la tabla 2.2 se da una breve guía de los perfiles típicos de rugosidad que se obtienen utilizando distintos tipos de abrasivos.

Tipo de abrasivo

Tamaño de la malla

Altura máxima del perfil

Arena muy fina

80

1.5 mils (37 micras)

Arena gruesa

12

2.8 mils (70 micras)

Granalla de hierro

14

3.6 mils (90 micras)

“Escoria de cobre”

---

3-4 mils (75-100

no

metálico

típico,

micras)

grano de 1.5-2.0 mm Grava de hierro No.

12

8.0 mils (200 micras)

G16

Tabla 2.2 Perfiles típicos de rugosidad de acuerdo al tipo de abrasivo.

2.3.2 Anclaje láser

Como se mencionó anteriormente, el presente trabajo pretende ofrecer una nueva alternativa para las técnicas de tratamiento superficial que se utilizan para generar anclaje sobre superficies de acero para la posterior aplicación de pinturas y recubrimientos, así como para la limpieza y remoción de la corrosión en tales superficies, en contraposición al método de limpieza o preparación de substratos de acero por chorreo de arena, previo a la aplicación de pinturas y productos afines.

35

Se sabe que es posible remover óxidos ferrosos de la superficie de acero mediante irradiación por pulsos láser [2][31] como una técnica de limpieza superficial, por lo que el objetivo principal del presente trabajo no radica en hacer lo anterior, sino a través del tratamiento de superficies por láser obtener un anclaje que cumpla las normas de preparación de superficies metálicas para la posterior aplicación de recubrimientos y pinturas, mediante la optimización de la características del haz láser.

36

3 MATERIALES Y MÉTODOS En el presente capitulo se describe el procedimiento que se utilizó para generar un perfil de adherencia (anclaje) y transformación metalúrgica sobre la superficie de muestras de acero ASTM A-36 mediante el proceso de Tratamiento de Superficies Asistido por Láser (LST), así como las técnicas utilizadas para la caracterización de las muestras antes y después del tratamiento. 3.1 Metodología experimental 3.1.1 Preparación de las muestras

Se prepararon muestras de acero estructural ASTM A-36 cortando placas de 51 x 32 mm, que fueron sometidas a tratamiento de superficie por láser. En la Tabla 3.1 se presenta la composición química del material de las probetas y la de la norma ASTM. A-36

C

S

Mn

Cr

Ni

Mo

Si

Probetas

0.267

0.0361

0.54

…

…

…

0.125

ASTM

0.29

0.05

0.80-1.20

…

…

…

0.15-0.40

Tabla 3.1 Composición química del acero estructural A-36 de las probetas y según Norma ASTM (% en peso).

37

Con el fin de obtener imágenes de la microestructura de las muestras de acero ASTM A-36 antes del tratamiento de superficies por láser, se siguieron procedimientos de preparación metalográfica convencionales para dicho material y se obtuvieron micrografías mediante la técnica de microscopia electrónica de barrido (SEM), más adelante se dará una breve explicación de esta técnica de caracterización de materiales. En la figura 3.1 se observa la microestructura típica del acero estructural ASTM A-36 obtenida por SEM.

Fig. 3.1 Microestructura del acero estructural ASTM A-36 obtenida por SEM (250 x).

3.1.2 Instalación experimental láser

La instalación experimental láser que se utilizó para hacer los tratamientos de superficie en el acero estructural A-36 consta de un láser de pulsos de Nd:YAG que funciona tanto en régimen Q: Switch (pulsos cortos del orden de los ns) como en régimen libre (pulsos largos del orden de los µs), con una longitud de onda de 1064 nm, frecuencia máxima de 150 Hz y potencia de 3kW.

38

De manera complementaria a este prototipo láser, la instalación experimental cuenta con un dispositivo móvil automatizado x-y-z , donde se coloca la muestra para darle el tratamiento láser, para fines del presente trabajo sólo se utilizaron las coordenadas x-y del dispositivo. Tanto el láser como el dispositivo móvil están alineados por dispositivos ópticos (espejos y lentes), de manera adicional un láser diodo rojo se utiliza para fijar la posición del haz láser sobre la muestra. La sincronización del láser con el dispositivo móvil se realiza mediante un software que se diseñó para cada uno de los prototipos. En la figura 3.2a se representa de manera esquemática la instalación experimental láser y en la figura 3.2b una fotografía de los prototipos de dicha instalación.

39

O t r o s Láser Nd:YAG Espejo

Lente Haz láser Muestra Movil x-y

d i s p o s i t i v o s

Computadora

Fig. 3.2a. Instalación experimental láser

Cabe mencionar que los prototipos de la instalación experimental láser se diseñaron, fabricaron y se pusieron a punto en el laboratorio de tecnología láser del CICATA IPN Unidad Altamira con el fin de ser utilizados en diferentes proyectos de investigación incluyendo el presente trabajo.

40

1)

2) Fig. 3.2b: 1) Láser de pulsos de Nd:YAG, 2) Dispositivo móvil automatizado x-y-z, con lentes y espejos.

41

3.1.3 Tratamiento de superficie por láser del acero ASTM A-36

El tratamiento de superficies por láser se realizó de la siguiente manera: la pieza de trabajo se colocó sobre el dispositivo móvil x-y-z, se fijó la posición inicial del haz láser sobre la pieza con la ayuda del láser diodo rojo y se programó el recorrido del tratamiento. La superficie de las muestras se irradió con secuencia de pulsos de entre 1 y 30 Hz de frecuencia en el régimen Q:Switch y de entre 2 y 20 Hz de frecuencia en el régimen libre hasta cubrir un área de 27 mm2 de la superficie con un solapamiento cercano al 30%, como se muestra

de manera

esquemática en la figura 3.3.

Haz láser

Spot

Muestra

Fig. 3.3 Solapamiento de pulsos láser sobre la superficie del acero ASTM A-36.

Las características adicionales del láser y los parámetros utilizados durante los experimentos se presentan en la tabla 3.2.

42

Régimen

Q: Switch

Régimen libre

Longitud de onda, nm

1064

1064

Duración pulso, ns

10

0.2

Potencia

100 MW/pulso

4.0825 kW/pulso

Frecuencia, Hz

1-30

2-20

Diámetro del spot, mm

0.9, 2

0.7, 0.8, 0.9

Energía, J

1.95

0.8165

Densidad de energía, J/mm2 3.06

2.12

0.62

1.62 1.28

Densidad MW/mm2

de

potencia, 157207 31847

2.652 2.031 160.43

Tabla 3.2 Parámetros del láser de Nd:YAG

3.2 Técnicas utilizadas para la caracterización de las muestras

3.2.1 Comparación del perfil de superficie El primer paso después de generar un perfil de adherencia (anclaje) mediante tratamiento de superficies por láser es comparar el perfil obtenido contra un juego de placas normadas con un anclaje definido, y de este modo determinar visualmente la medida del anclaje que se generó. Para tal efecto se uso el equipo de comparación de perfil de superficie marca Keane-Tator el cual se utiliza de manera regular después de la limpieza por chorreo de arena de superficies metálicas. Dicho equipo consta de una lupa de cinco aumentos con lámpara y una estrella de acero inoxidable donde están reproducidos los perfiles de

43

adherencia con medidas de ½, 1, 2, 3 y 4 milésimas. En la figura 3.4 se muestra el equipo.

Fig. 3.4 Comparador de perfil de superficie Keane-Tator: lupa de 5x con lámpara y estrella.

De forma adicional se utilizaron placas normadas marca Clemtex con medidas de ½, 1, 1 ½, 2, 2 ½, y 3 milésimas (aproximadamente 77 micras) para realizar comparaciones previas durante los tratamientos realizados en las muestras.

3.2.2 Microscopia óptica estereográfica

Después del paso anterior las muestras se analizaron mediante microscopia óptica

estereográfica, los cambios ocurridos en la

morfología de la superficie debido al tratamiento láser. La técnica permite observar una imagen estereoscópica(en tercera dimensión) de la muestra, por lo cual fue útil para observar el patrón de rugosidad inducido a las muestras mediante el tratamiento láser así como para ver la profundidad del anclaje. Para este fin se utilizó el microscopio

44

estereográfico digital marca Olympus modelo MIC-D, el cual permite observar imágenes desde 22 a 270 aumentos, adicionalmente cuenta con un sistema de iluminación que permite la observación de materiales sólidos con luz reflejada, por lo que fue posible utilizarlo para el análisis de las muestras de acero A-36. En la figura 3.5 se observa una imagen de dicho aparato.

Fig. 3.5 Microscopio estereográfico digital Olympus MIC-D. Mediante esta técnica se tomaron imágenes a más altos aumentos de las placas normadas marca Clemtex para compararlas con las imágenes del anclaje producido mediante tratamiento láser.

3.2.3 Perfilometria de contacto.

Esta técnica se utilizó para medir la rugosidad de la superficie de las muestras sometidas a tratamiento láser. El perfilómetro (rugosímetro) en el que se realizaron las mediciones es el Sloan Dektak II un equipo que consta de un monitor, un teclado, una cabina de vidrio y una

45

impresora. En el interior de la cabina de vidrio se encuentra una aguja la cual registra el estado superficial de las muestras ensayadas. El principio de funcionamiento del rugosímetro consiste en mover la aguja sobre una longitud representativa de la superficie examinada. La aguja se mueve sobre la superficie rugosa lo que produce un movimiento oscilatorio mostrando crestas y valles que representan el perfil real de la superficie examinada.

Para la medición de la rugosidad se coloca la muestra a ensayar sobre la platina que se encuentra en el interior de la cabina de vidrio y por medio de la aguja se realiza el barrido sobre la superficie del material. El barrido se realiza en una zona de interés y en una sola dirección. En el monitor se representa de manera grafica (dos dimensiones) el estado superficial del material que está siendo ensayado y al que se llama perfilograma.

El perfilómetro contiene un programa que incluye de fabricación y solamente determina un parámetro de rugosidad (Rt); es decir, determina la distancia que existe entre el valle más profundo y el pico más alto en unidades Ángstrom, que para efectos del presente trabajo se convierten a micras. Finalmente se obtiene el perfilograma original para cada una de las muestras tratadas y se imprime éste resultado mostrando el perfilograma original. En la figura 3.6 se muestra un perfilómetro similar al utilizado durante las mediciones.

46

Fig. 3.6 Perfilómetro de contacto marca Dektak.

3.2.4 Caracterización metalográfica.

3.2.4.1 Preparación metalográfica

Un paso previo para la observación y caracterización de superficies metálicas mediante técnicas de microscopia óptica y electrónica es la preparación metalográfica, la cual permite revelar la microestructura y topografía de la muestra dependiendo de la preparación que se le haya hecho.

Las muestras de acero A-36 irradiadas con pulsos láser se cortaron por la sección transversal de la superficie tratada con la cortadora

47

automática de disco diamantado Accutom-5 de Struers. Esta sección transversal se desbastó finamente con lijas 1000, 1200 y 2400 en la pulidora Struers Rotopol-25, recibiendo finalmente un acabado espejo con paño y pasta de diamante en la pulidora DAP-7 de Struers.

Una vez obtenido el acabado espejo la superficie pulida se atacó químicamente con el reactivo Nital al 5% (una solución del 1 al 5% de ácido nítrico en etanol) durante 30 segundos y entonces se lava la muestra al chorro de agua. Por último, las muestras fueron sometidas a limpieza por ultrasonido durante 5 minutos para eliminar cualquier rastro de abrasivo en la superficie de las probetas, con el equipo UltraSonik Ney.

Se preparó de la misma manera una muestra sin tratamiento láser para hacer una comparación de la microestructura del material cual fue fabricado, con respecto a la microestructura obtenida después del tratamiento láser.

3.2.4.2 Microscopia electrónica de barrido (SEM)

La preparación metalográfica reveló la microestructura, morfología y topografía de las muestras que se sometieron a tratamiento de superficie por láser, lo que permitió examinarlas mediante microscopia electrónica de barrido. En esta técnica es necesario que la superficie a observar sea conductora, que es el caso del acero estructural ASTM A36 por lo que no fue necesaria ninguna preparación para la observación de las muestras. En la microscopia electrónica de barrido la muestra es barrida con un haz de electrones enviados desde un cañón, un detector mide la cantidad de electrones enviados que arroja la intensidad de la

48

zona de muestra, siendo capaz de mostrar figuras en tres dimensiones, proyectados en un monitor.

El microscopio electrónico de barrido que se utilizo para el análisis de las muestras fue el Philips XL 30 ESEM, el cual se muestra en la figura 3.7.

Fig. 3.7 Microscopio electrónico de barrido Philips XL 30 ESEM.

3.2.5 Ensayo de microdureza

Las propiedades mecánicas de la superficie del acero sometida a tratamiento de superficie por se evaluaron utilizando el ensayo de microdureza, aunque este termino es comúnmente aceptado, el termino micro-identación de dureza sería quizás una mejor descripción, siendo la dureza la resistencia que presentan los materiales a ser penetrados o rayados. En la figura 3.8 se muestra la huella de identación típica de la microdureza Vickers (HV) que fue el ensayo que se uso en el presente trabajo.

49

Fig. 3.8 Huella de identación Vickers.

Se utilizo una carga de 100 gf para medir la microdureza Vickers en muestras representativas, la primera de acero A-36 sin tratamiento, y las restantes que se prepararon por el régimen Q:Switch y por régimen libre se hicieron 10 mediciones en cada una de las muestras. Dichas mediciones se hicieron en el Microdurómetro digital MMT-3 Buehler, el cual se muestra en la figura 3.9.

Fig. 3.9 Microdurómetro digital MMT-3 Buehler

50

3.2.6 Prueba de adherencia Para comprobar que el anclaje generado en las muestras de acero por el tratamiento de superficie asistido por láser tanto en régimen libre como en régimen Q:Switch cumplía con la normatividad internacional establecida en los estándares ISO 8501-1:1988(E) e ISO 8501-2:1994, para la preparación de superficies de acero para la posterior aplicación de pinturas y recubrimientos, se aplicó en las muestras tratadas el recubrimiento anticorrosivo RP4 de Dupont y posteriormente se realizó la prueba de adherencia según la norma ASTM D 3359. Dicha prueba consiste en crear una malla sobre la superficie del material mediante el uso de una herramienta que hace un corte en X a 90 grados uno del otro. Una vez creada la malla sobre la superficie de la muestra se pega una cinta sensitiva que se remueve posteriormente; la adhesión se estima cualitativamente en la escala del 0 al 5 de acuerdo a la tabla mostrada en la figura 3.10.

51

Fig. 3.10 Clasificación de los resultados de la prueba de adherencia.

52

4 RESULTADOS Y DISCUSION En el presente capítulo se presentan los resultados y la discusión del tratamiento de superficie asistido por láser del acero ASTM A-36, derivados de las diferentes mediciones obtenidas como lo son comparación

del

perfil

de

la

superficie,

microscopia

óptica

estereográfica, perfilometria de contacto, microscopia electrónica de barrido, microdureza y prueba de adherencia.

4.1 Resultados

4.1.1 Comparación del perfil de superficie

Al comparar el perfil de adherencia producido por el tratamiento de superficie por láser con el equipo Keane-Tator se determinó que las muestras tratadas en el régimen Q:Switch presentaban en su mayoría un anclaje de entre una y media y de dos milésimas de pulgada, y las muestras tratadas mediante el régimen libre presentaban anclajes de entre tres y cuatro mpg. En la figura 4.1 se observa la comparación entre una sección de la muestra tratada con láser y una parte sin tratamiento junto a la placa normada.

53

Fig. 4.1 Comparación del perfil de adherencia 4.1.2 Microscopia óptica estereográfica

De los resultados obtenidos en microscopia estereográfica, se hizo un comparativo entre los perfiles de adherencia ó rugosidad inducida en la muestra por tratamiento de superficie asistido por láser (LST) y las placas normadas marca Clemtex para determinar el nivel de anclaje, como se muestra a continuación:

a)

54

b) Fig. 4.2 a) Placa normada Clemtex de 1.5 mpg de anclaje b) Placa tratada a 1.5 mpg de anclaje por LST en régimen Q:Switch. 22X.

La figura 4.2a muestra la textura generada sobre la superficie por el proceso sand blast con un anclaje de dos en un placa normada, donde se observa una rugosidad multidireccional. En la figura 4.2b se observa el anclaje generado mediante LST el cual muestra un patrón unidireccional y de largo alcance sobre la superficie de la muestra de acero ASTM A-36. Se presentan dos ejemplos más:

55

a)

b) Fig. 4.3 a) Placa normada Clemtex de 2 mpg de anclaje b) 2 mpg de anclaje por LST régimen Q:Switch. 22x.

56

a)

b) Fig. 4.4 a) Placa normada Clemtex de 3 mpg de anclaje b) 3 mpg de anclaje por LST en régimen libre. 50x.

57

En las figuras 4.3b y 4.4b, que muestran el anclaje que se generó por medio del tratamiento láser, se observa el mismo efecto direccional y de largo alcance en el patrón de rugosidad de la superficie de la muestra del acero A-36, a diferencia de sus contrapartes normadas que muestran una textura multidireccional. En la figura 4.4b se puede observar además el solapamiento de los pulsos láser sobre la superficie de la muestra que fue tratada en el régimen libre, que como ya se mencionó con anterioridad el anclaje que se obtiene al usar esta modalidad del láser es mayor a las tres milésimas.

4.1.3 Perfilometria de contacto.

Las siguientes perfilogramas de las figuras 4.5a y 4.5b muestran el nivel de rugosidad generado por el tratamiento de superficie asistido por láser.

a)

58

b)

Fig. 4.5 Perfiles topográficos obtenidos por perfilometria de contacto de muestras de acero ASTM A-36: a) En régimen Q:Switch irradiada con 60 pulsos láser, b)en régimen libre a frecuencia de 2 Hz.

4.1.4 Comparativo de parámetros láser vs anclaje. De manera adicional a las mediciones del perfil de adherencia (anclaje) que se hicieron por los métodos antes presentados, en la Figura 4.6 a y b se muestran las siguientes curvas donde se muestra la relación entre parámetros láser y la rugosidad que se obtuvo.

59

2.0

Anclaje (mils)

1.9

1.8

1.7

1.6

1.5

a) 0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

2

Densidad de Energía (J/mm )

4.0

Anclaje (mils)

3.8

3.6

3.4

3.2

3.0

b) 1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2

Densidad de Energía (J/mm )

Fig. 4.6 Anclaje vs densidad de Energía: a) Régimen Q:Switch, b) Régimen libre. 4.1.5 Microscopia electrónica de barrido. Las

metalografías

obtenidas

mediante

microscopía

electrónica

muestran en primer lugar la rugosidad de la superficie del acero estructural ASTM A-36 después del tratamiento láser, previo a la preparación metalográfica. Como se muestra en la figura 4.7.

60

Fig. 4.7 Rugosidad inducida en la superficie del acero A-36 mediante LST. 50x. En la micrografía anterior se observa un patrón de rugosidad uniforme y direccionada sobre la superficie de la muestra de acero A-36. En las siguientes metalografías se observan los efectos del tratamiento láser en la sección transversal de las muestras después de la preparación metalográfica.

61

Fig. 4.8 Corte transversal de una muestra mostrando los efectos del LST en el régimen Q:Switch. 250x.

Fig. 4.9 Profundidad de penetración del

tratamiento láser en la

muestra en régimen libre. 500x.

62

En la Fig. 4.8 y en la Fig. 4.9 se observan un contraste en los efectos causados sobre la superficie del material. En la Fig. 4.8, que fue tratada con pulsos cortos de 10 ns en el régimen Q:Switch, se observan cambios más atenuados en la microestructura del material en comparación a la tratada con pulsos largos de 200 µs en régimen libre (Fig. 4.9) apreciándose una notable deformación de la microestructura original en la superficie tratada (alrededor de 38 µm).

4.1.6 Microdureza

El perfil de microdureza de las muestras tratadas variando el número de disparos en el régimen Q:Switch se presenta en la figura 4.10. Se observa un incremento notable de la microdureza del material de hasta un 100% respecto del material sin tratar, se nota sin embargo un decremento en la microdureza a partir de los 60 disparos, que es todavía alta respecto al material sin tratamiento.

Microdureza Vickers (HV) 100 gf

160

150

140

130

120

110 0

20

40

60

80

100

120

140

160

Número de Pulsos

Fig. 4.10 Microdureza superficial vs. número de pulsos láser.

63

En la figura 4.11 se presenta un perfil de la microdureza donde el parámetro que se varió fue el diámetro del spot utilizando el régimen libre; aquí la densidad de energía fue mayor conforme se hizo más pequeño el diámetro del spot. Se observa que la microdureza es mayor al ser más pequeño el diámetro del spot y que decrece mientras tiende a la microdureza del material sin tratar.

Microdureza Vickers (HV) 100 gf

300

250

200

150

100 0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

Diametro del Spot (mm)

Fig. 4.11 Microdureza láser vs. Diámetro del spot.

4.1.7 Prueba de adherencia

Los resultados obtenidos en la prueba de adherencia realizada tanto en las muestras preparadas por régimen libre como por régimen Q:Switch, alcanzaron el nivel 5B a diferentes perfiles de adherencia desde una y media hasta 3 mpg. En la figura 4.12 se muestra que hubo 0% de desprendimiento en la trama formada sobre el recubrimiento aplicado al substrato.

64

Fig. 4.12 Nivel 5B en la prueba de adherencia según la clasificación de resultados bajo la norma ASTM D-3359.

4.2 Análisis y discusión de resultados

4.2.1 Determinación del perfil de adherencia

Para la determinación del perfil de adherencia (anclaje) se presentaron dos técnicas de comparación: la primera y de uso más común en la industria es la de comparación del perfil de la superficie utilizando una lupa y comparando la superficie tratada del acero contra una placa normada con un anclaje dado en milésimas; la segunda que se propuso fue la utilización de la microscopia estereográfica para comparar a más altos aumentos la superficie tratada contra las placas normadas y a la vez obtener sus respectivas metalografías. En base a los resultados obtenidos mediante estas dos técnicas se puede afirmar que al utilizar

65

los parámetros láser en régimen Q:Switch es posible obtener anclajes de entre 1.5 y 2 milésimas (37 y 50 micras), semejantes a los obtenidos en el proceso sand blast utilizando arena muy fina de tamaño de malla 80. En cuanto a los parámetros láser en régimen libre se puede afirmar que es posible obtener perfiles de adherencia de entre 3 y 4 milésimas (75 a 100 micras), semejantes a los que se obtienen en el proceso sand blast al utilizar arena gruesa ó granalla de hierro de tamaño de malla 12 y 14, así como con “escoria de cobre” no metálico.

En cuanto a las mediciones hechas al perfil de adherencia mediante perfilometria de contacto, el perfilógrama de la figura 3.14a obtenido de una muestra tratada con 60 disparos en el régimen Q:Switch muestran una altura máxima del perfil de 70 micras (alrededor de dos milésimas) lo que corrobora las mediciones hechas por comparación visual al utilizar esta modalidad del láser. El perfilograma de la figura 3.14b concuerda con la comparación visual del tratamiento láser en régimen libre al mostrar perfiles de adherencia de alrededor de 100 micras.

Al realizar un comparativo entre la densidad de energía utilizada en los tratamientos y el nivel de anclaje que se obtuvo, se observa que al aumentar la densidad de energía al irradiar la muestra durante el tratamiento láser se incrementa el anclaje de la misma por lo que mediante las curvas mostradas en la figura 3.15 es posible determinar los parámetros láser adecuados para obtener un perfil de adherencia deseado.

66

4.2.2 Deformación superficial y microestructural

A través de las metalografías obtenidas por SEM se observa que la deformación superficial producida en la microestructura del material es menor al tratar el acero en el régimen Q:Switch, lo que se atribuye a la corta duración del pulso de apenas 10 ns lo que da muy poco tiempo a que ocurra alguna transformación en el material, en el régimen libre sin embargo, el efecto de la penetración de la energía láser transmitida y absorbida por el material produce una deformación notable con respecto a la microestructura original del material, se deduce que es posible llevar a cabo dicha deformación debido a que se irradia con pulsos láser de 200 µs, lo que da el tiempo necesario para que se produzca una transformación metalúrgica.

4.2.3 Propiedades mecánicas.

Tal como ha sido objeto de estudio [4] se puede observar en la figura 3.20 que mediante el tratamiento de superficies por láser es posible incrementar la microdureza superficial de los materiales metálicos, en este caso del acero estructural A-36, ya sea aumentando el número de disparos o variando el diámetro del haz láser.

Tal aumento en la microdureza se explica como un proceso de endurecimiento por deformación, ya que como se observa en las curvas de microdureza y en relación con los cambios microestructurales observados en las metalografías obtenidas por SEM, la máxima microdureza obtenida en el regimen Q:Swicht es casi la mitad de la obtenida en el régimen libre, esto en proporción con el grado de deformación microestructural observado para ambos casos.

67

4.2.4 Adherencia

Debido a que es posible obtener el anclaje deseado con un alto grado de control en la instalación experimental láser, manipulando los parámetros láser, se obtienen perfiles de rugosidad que cumplen con normas internacionales en cuanto a la preparación de las superficies para la aplicación de pinturas y recubrimientos. Por lo que fue posible obtener anclaje con excelente adherencia en el nivel 5B según la tabla de clasificación de la norma ASTM D-3359, de muestras de acero estructural A-36 que fueron tratadas tanto en el régimen libre como en régimen Q:Switch.

68

5 CONCLUSIONES •

Se

implementó

una

instalación

experimental

láser

para

tratamientos de superficie en aceros, en este caso el acero estructural ASTM A-36, que consta de un láser de Nd:YAG de pulsos que trabaja tanto en régimen libre como en régimen Q:Switch, con un dispositivo móvil automatizado alineado al láser mediante dispositivos ópticos. •

Es posible generar perfiles de adherencia (anclaje) de entre 1 y 2 milésimas en el régimen Q:Switch y de 3 milésimas y mayores en el régimen libre, según se estimó por comparación visual mediante

el

uso

de

placas

normadas

y

microscopia

estereográfica, las que coincidieron con las mediciones hechas por perfilometria de contacto. Los anclajes obtenidos cumplen por tanto con las normas internacionales ISO 8501-1:1988(E) e ISO 8501-2:1994. •

El incremento en la densidad de energía utilizada para irradiar la superficie de la muestra es directamente proporcional al incremento en el anclaje de la superficie. Por lo cual se pueden generar curvas de calibración que permitan manipular los parámetros láser para obtener un anclaje dado.

•

Es posible establecer una relación entre el anclaje generado por láser y el consumo o gasto de energía por unidad de área para

69

generar dicho anclaje, a través de la medición de la densidad de potencia para obtener el gasto de energía eléctrica en kW/hr. •

El tratamiento de superficie asistido por láser es capaz de incrementar la dureza del acero ASTM A-36 hasta en un 100% con respecto al material sin tratar de acuerdo a los resultados obtenidos en las mediciones de microdureza.

•

El aumento en la microdureza del material se atribuye a un proceso de endurecimiento por deformación, lo cual se comprueba

mediante

la

comparación

de

los

cambios

microestructurales en las imágenes obtenidas por SEM tanto Q:Switch como en régimen libre, en relación a las curvas de endurecimiento obtenidas para ambos casos. •

Se obtuvo un anclaje con excelente adherencia en el nivel 5B según la tabla de clasificación de la norma ASTM D-3359, de muestras de acero estructural A-36 que fueron tratadas tanto en el régimen libre como en régimen Q:Switch, debido a que el perfil de adherencia obtenido cumple con la normatividad internacional para la preparación de superficies de acero para la aplicación de pinturas y recubrimientos.

•

Mediante inspección visual se observó que las muestras tratadas con láser presentan una apariencia muy similar después de cierto tiempo (un día o más), mientras las tratadas con Sand Blast mostraban claras evidencias de corrosión después de cuatro horas.

70

BIBLIOGRAFIA: 1. J.M. Pelletier, Laser surface treatment: state of the art and prospect. Proc. SPIE, High-Power Lasers: Applications and Emerging Applications. M. R. Osborne and G. Sayegh. Vol. 2789, 1996, p. 54-64 2. P. Pasquet, R. del Coso, Laser Cleaning of oxide iron layer: efficiency enhancement due electrochemical induced absorptivity change, Appl. Phys. A 69 [Suppl.], S727-S730,1999. 3. I. Etsion, State of the Art in Laser Surface Texturing, Journal of Tribology, Vol. 127, January 2005, p. 248-253. 4. C. Oros, Laser surface hardness. Journal of Optoelectronics and Advance Materials. Vol. 6, No. 1, March 2004, p. 325-328. 5. L. Hackel, H. L. Chen, Laser peening: a processing tool to strengthen metals or alloys to improve fatigue lifetime and retard stress corrosion cracking, Report UCRL-ID-155327, Lawrence Livermore National Laboratory, September 2003. 6. G. Gomez-Rosas, C. Rubio-González, Laser shock processing on AISI 1040 steel surface. Proc. of SPIE. Vol. 6046, 2006. 7. A. Weisheit, Powder injection: the key to reconditioning and generating components using laser cladding, Fraunhofer-Institut Laser Technik, Aachen Germany. 8. K.H. Richter, Laser cladding of the titanium alloy Ti6242 to restore damage blades. Proc. of the 23rd International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics. 2004. 9. A. Groth, New innovations in diode laser cladding, Fraunhofer USA Center for Surface and Laser Processing, Plymouth Michigan. 2004.

71

10. A.S.C.M. d’ Oliveira, R.S.C. Paredes, Microestructural Changes due to laser surface melting of an AISI 304 Stainless Steel, Materials Research. Vol. 4, No. 2, 2001, 93-96. 11. R.A. Ismail, Alloying of AISI 1008 steel surfaces by 10 ms Nd:YAG laser pulses, Tr. Journal of Physics. (22) 1998, p. 983988. 12. C. Blanco-Pinzón, Z. Liu, Excimer laser surface alloying of titanium with nickel and palladium to increase corrosion resistance, Central Laser Facility Annual Report 2003/2004. 13. K Chen, Y.L. Yao, V. Modl, Gas jet-workpiece interactions in laser

machining.

Journal

of

Manufacturing

Science

and

Engineering. Vol. 122, August 2000, p. 429-438. 14. Y. L. Yao, H. Chen, W. Zhang, Time Scale Effects in Laser Material Removal: A Review. International Journal

Advance

Manufacturing Technology. 2004. 15. C. Daniel, F. Mücklich, Z. Liu, Periodical micro-nano-structuring of metallic surfaces by interfering laser beams. Applied Surfaces Science. 208-209. 2003, p. 317-321. 16. International Standard ISO 8501-1:1988(E) e ISO 8501-2:1994. Preparación del substrato de acero antes de la aplicación de pinturas y productos afines. Evaluación visual de la superficie. 17. Designation: D 3359-02, Standard Test Methods for Measuring Adhesion by Tape Test, ASTM International, Aug. 10, 2002. 18. N. B. Dahotre, Laser surface engineering, Advanced Materials & processes 160 no7 July 2002 19. P. Vuoristo, J. Vihinen, High performance laser coatings for manufacturing and maintenance of industrial, Kunnossapito 5 2002.

72

20. M. Veith, Periodical micro-structuring of hydride containing metastable Aluminumoxide using laser interference metallurgy, Advance Engineering Materials 2005, 7, No. 1-2 21. L. Yao, Combined research and curriculum development of nontraditional manufacturing, European Journal Of Engineering Education, Vol. 30, No. 3, September 2005, p. 363-376. 22. J.L. Ocaña, C. Molpeceres, Experimental assessment of the influence of irradiation parameters on surface deformation and residual stresses in laser shock processed metallic alloys, Applied Surface Science 238 (2004) 501-505. 23. International Protective Coatings, información técnica sobre la preparación de superficies de acero. 24. G. Fenske, A. Erdemir, L. Ajayi, A. Kovalchenko, R. Erck, Laser surface texturing of seal faces, FY 2003 Annual Report, p. 79-84. 25. C. Daniel, T.J. Balk, T. Wübben, F. Müncklich, Bio-mimetic scaling of mechanical behavior of thin films, coatings and surfaces by laser interference metallurgy, Advance Engineering Materials 2005, 7, No. 9, p. 823-826. 26. R. Kern, Ask Roy: Lasers for steel hardening, American Machinist, 144, No. 6, June 2000, p.105-107. 27. E.Capello, M.Castelnuovo, B.Previtali, M.Vedani, Laser surface treatment of laser welded duplex stainless steel, 7th EUSLANET meeting, Frascati 8-9 Nov. 2004. 28. K. Chen, Y.L. Yao, V. Modi, Gas dynamics effects on laser cut quality, Journal of Manufacturing Processes, Vol. 3, No.1, 2001, p. 38-49. 29. C. P. Chan, T.M. Yue, H.C. Man, Effect of excimer laser surface treatment on corrosion behavior of aluminum alloy 6013,

73

Materials Science and Technology, May 2002, Vol.18, p. 575580. 30. F.

Mücklich,

A.

metallurgy—periodic

Lasagni, surface

C.

Daniel,

patterning

Laser and

interference formation

of

intermetallics, Intermetallics 13 (2005), p. 437–442. 31. R. Oltra, E. Arenholz, P. Leiderer, Modelling and diagnostic of pulsed laser-solid interactions. Aplications to laser cleaning, TMR 2002, p. 1-10. 32. D. Pirzada, E. G. Baburaj, R. Govindaraju, and F. H. Froes, Laser surface coating of TiC on H13 die steel: effects on corrosion and erosion behavior, Surface Engineering 2000, Vol. 16, No. 2, p. 164-168. 33. J. Meijer, Laser beam machining (LBM), state of the art and new opportunities, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 149, Issues 1-3, 10 June 2004, p. 2-17. 34. D.S. Ivanov, L. V. Zhigilei, Combined atomistic-continuum modeling of short pulse laser melting and disintegration of metals films, Physical Review B 68, 064114 (2003), p. 1-22. 35. L. A. Hackel, M. R. Hill, R. Specht, Laser peening technology, Advance Materials and Processes, 161, No. 8, Ag. 2003, p.65-67. 36. S. Bysakh, S.K. Mitra, G. Phanikumar, Characterization of Microstructure in Laser-Surface-Alloyed Layers of Aluminum on Nickel, Metallurgical And Materials Transactions A, Volume 34A, November 2003 37. J. Teresko, Peening with light: new laser, new benefits, Industry Week, 253, No. 3, March 2004, p. 20. 38. G. Ryk, Y. Kligerman, I. Etsion, Experimental investigation of laser surface texturing for reciprocating automotive components, Tribology Transactions, Vol. 45 (2002), 4, p. 444-449.

74

39. D.S. Ivanov, L. V. Zhigilei, Effect of Pressure Relaxation on the Mechanisms of Short-Pulse Laser Melting, Physical review letters, Vol. 91, No. 10, 2003, p. 1-4. 40. G. Králik, P. Fülöp, B. Veró, D. Zsámbók, Laser surface treatment of steels, Materials Science Forum, Vols. 414-415 (2003), p. 2130. 41. A. Lang, K. Schutte, H. W. Bergmann, Surface treatment using excimer laser radiation, Lambda Highlights, No. 53, December 1997. 42. I. Altenberger, E.A. Stach, G. Liu, R.K. Nalla, R.O. Ritchie, An in situ transmission electron microscope study of the thermal stability of near-surface microstructures induced by deep rolling and laser-shock peening, Scripta Materialia, 48 (2003), p. 1593– 1598. 43. X.Y. Wang, Z. Liu, P.H. Chong, Effect of overlaps on phase composition and crystalline orientation of laser-melted surfaces of 321 austenitic stainless steel, Thin Solid Films, 453 –454 (2004), p. 72–75. 44. L.W. Tsay, M.C. Young, C. Chen, Fatigue crack growth behavior of laser-processed 304 stainless steel in air and gaseous hydrogen, Corrosion Science, 45 (2003), p. 1985– 1997. 45. Z. Liu, P.H. Chong, P. Skeldon, P.A. Hilton, J.T. Spencer, B. Quayle,

Fundamental

understanding

of

the

corrosion

performance of laser-melted metallic alloys, Surface & Coatings Technology, 200 (2006), p. 5514 – 5525. 46. T. Miokovic, V. Schulze, O. Vöhringer, D. Löhe, Influence of cyclic temperature changes on the microstructure of AISI 4140

75

after laser surface hardening, Acta Materialia, 55 (2007), p. 589–599. 47. C.J. Copola, I. Avram, M.C. Terzzoli, Influence of laser parameters on the nitriding of low carbon steel, Applied Surface Science, 197–198 (2002), p. 896–903. 48. C. Navas, A. Conde, B.J. Fernández, Laser coatings to improve wear

resistance

of

mould

steel,

Surface

&

Coatings

Technology, 194 (2005), p. 136–142. 49. M. Kulka, A. Pertek, Laser surface modification of carburized and borocarburized 15CrNi6 steel, Materials Characterization, (2006), p. 1-10. 50. J.H. Abboud, K.Y. Benyounis , A.G. Olabi, M.S.J. Hashmi, Laser

surface

automotive

treatments

application,

of

Journal

iron-based of

substrates

Materials

for

Processing

Technology, 182 (2007), p. 427–431. 51. A. Pereira, P. Delaporte, M.Sentis, Laser treatment of a steel surface in ambient air, Thin Solid Films, 453 –454 (2004), p. 16–21. 52. Jyrki Suutala, Jari Tuominen, Petri Vuoristo, Laser-assisted spraying and laser treatment of thermally sprayed coatings, Surface & Coatings Technology, 201 (2006), p. 1981–1987. 53. M. Kulka, A. Pertek, Microstructure and properties of borided 41Cr4 steel after laser surface modification with re-melting, Applied Surface Science, 214 (2003), p. 278–288. 54. M.

Kulka,

A.

Pertek,

Microstructure

and

properties

of

borocarburized 15CrNi6 steel after laser surface modification, Applied Surface Science, 236 (2004), p. 98–105.

76

55. J. Grum, J.M. Slabe, Possibility of introducing laser surfacing into maintenance service of die-casting dies, Surface and Coatings Technology, 180 –181 (2004), p. 596–602. 56. Kan Ding, Lin Ye, Simulation of multiple laser shock peening of a

35CD4

steel

alloy,

Journal

of

Materials

Processing

Technology, 178 (2006), p. 162–169. 57. R. Komanduri, Z.B. Hou, Thermal analysis of the laser surface transformation hardening process, International Journal of Heat and Mass Transfer, 44 (2001), p. 2845-2862. 58. R. Komanduri, Z.B. Hou, Thermal analysis of the laser surface transformation hardening-optimization of process parameters, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 44 (2004), p. 991-1008. 59. D.I. Pantelis, E. Bouyiouri, N. Kouloumbi, Wear and corrosion resistance of laser surface hardened structural steel, Surface and Coatings Technology, 298 (2002), p. 125-134. 60. Yahong Sun, Satoshi Hanaki, Masato Yamashita, Fatigue behavior and fractography of laser-processed hot work tool steel, Vacuum, 73 (2004), p. 655–660.

77