Perforación láser

La perforación láser es el proceso de crear orificios pasantes, denominados orificios “perforados” o “perforados por percusión”, mediante la aplicación repetida de energía láser enfocada sobre un material. El diámetro de estos orificios puede ser tan pequeño como 0,002” (~50 μm). Si se requieren orificios más grandes, el láser se mueve alrededor de la circunferencia del orificio “perforado” hasta que se crea el diámetro deseado.

La perforación láser es una de las pocas técnicas para producir agujeros con una alta relación de aspecto: agujeros con una relación profundidad-diámetro mucho mayor que 10:1. ^[1]

Los orificios de alta relación de aspecto perforados con láser se utilizan en muchas aplicaciones, incluidas las galerías de aceite de algunos bloques de motor , los orificios de enfriamiento de motores de turbinas aeroespaciales, los componentes de fusión láser ^[1] y las microvías de placas de circuito impreso . ^{[2] [3] [4] [5]}

Los fabricantes de motores de turbina para propulsión de aeronaves y generación de energía se han beneficiado de la productividad de los láseres para perforar orificios cilíndricos pequeños (de 0,3 a 1 mm de diámetro típico) a 15–90° de la superficie en componentes fundidos, de chapa y mecanizados. Su capacidad para perforar orificios en ángulos poco profundos respecto de la superficie a velocidades de entre 0,3 y 3 orificios por segundo ha permitido nuevos diseños que incorporan orificios de refrigeración por película para mejorar la eficiencia del combustible , reducir el ruido y disminuir las emisiones de NOx y CO.

Las mejoras incrementales en las tecnologías de control y procesamiento láser han llevado a un aumento sustancial en la cantidad de orificios de enfriamiento utilizados en los motores de turbina. Un aspecto fundamental para estas mejoras y el mayor uso de orificios perforados con láser es la comprensión de la relación entre los parámetros del proceso y la calidad y velocidad de perforación de los orificios .

A continuación se presenta un resumen de conocimientos técnicos sobre el proceso de perforación láser y la relación entre los parámetros del proceso, la calidad del orificio y la velocidad de perforación.

La perforación láser de agujeros cilíndricos generalmente se produce mediante la fusión y vaporización (también denominada " ablación ") del material de la pieza de trabajo mediante la absorción de energía de un rayo láser enfocado .

La energía necesaria para eliminar material por fusión es aproximadamente el 25% de la necesaria para vaporizar el mismo volumen, por lo que a menudo se prefiere un proceso que elimine material por fusión. ^{[ cita requerida ]}

El que la fusión o la vaporización sean más dominantes en un proceso de perforación láser depende de muchos factores, y la duración del pulso láser y la energía juegan un papel importante. En términos generales, la ablación domina cuando se utiliza un láser Nd:YAG conmutado Q. ^{[ cita requerida ]} Por otro lado, la expulsión de la masa fundida, el medio por el cual se crea un orificio al fundir el material, domina cuando se utiliza un láser Nd:YAG bombeado con tubo de flash . ^{[ cita requerida ]} Un láser Nd:YAG conmutado Q normalmente tiene una duración de pulso del orden de nanosegundos , una potencia máxima del orden de diez a cientos de MW/cm2 ^y una tasa de eliminación de material de unos pocos micrómetros por pulso. Un láser Nd:YAG bombeado con lámpara de flash normalmente tiene una duración de pulso del orden de cientos de microsegundos a un milisegundo , una potencia máxima del orden de sub MW/cm2 ^y una tasa de eliminación de material de diez a cientos de micrómetros por pulso. En los procesos de mecanizado con cada láser, normalmente coexisten la ablación y la expulsión del material fundido. ^{[ cita requerida ]}

La expulsión de material fundido se produce como resultado de la rápida acumulación de presión de gas (fuerza de retroceso) dentro de una cavidad creada por la evaporación . Para que se produzca la expulsión de material fundido, debe formarse una capa fundida y los gradientes de presión que actúan sobre la superficie debido a la vaporización deben ser lo suficientemente grandes como para superar las fuerzas de tensión superficial y expulsar el material fundido del orificio. ^[6]

Lo "mejor de ambos mundos" es un sistema único capaz de realizar una expulsión de material fundido tanto "fino" como "grueso". La expulsión de material fundido "fino" produce características con una excelente definición de pared y una pequeña zona afectada por el calor , mientras que la expulsión de material fundido "grueso", como la que se utiliza en la perforación por percusión , elimina el material rápidamente.

La fuerza de retroceso es una función importante de la temperatura máxima . El valor de T _cr ^{[ aclaración necesaria ]} para el cual las fuerzas de retroceso y tensión superficial son iguales es la temperatura crítica para la expulsión de líquido. Por ejemplo, la expulsión de líquido del titanio puede tener lugar cuando la temperatura en el centro del orificio supera los 3780 K.

En un trabajo anterior (Körner, et al., 1996), ^[7] se descubrió que la proporción de material eliminado por expulsión de material fundido aumentaba a medida que aumentaba la intensidad. Un trabajo más reciente (Voisey, et al., 2000) ^[8] muestra que la fracción de material eliminado por expulsión de material fundido, denominada fracción de eyección de material fundido (MEF), disminuye cuando la energía del láser aumenta aún más. El aumento inicial en la expulsión de material fundido al aumentar la potencia del haz se ha atribuido tentativamente a un aumento en la presión y el gradiente de presión generado dentro del orificio por vaporización.

Se puede lograr un mejor acabado si el material fundido se expulsa en gotitas finas. ^{[ cita requerida ]} En términos generales, el tamaño de las gotitas disminuye a medida que aumenta la intensidad del pulso. Esto se debe a la mayor tasa de vaporización y, por lo tanto, a una capa fundida más delgada. Para una mayor duración del pulso, la mayor entrada total de energía ayuda a formar una capa fundida más gruesa y da como resultado la expulsión de gotitas correspondientemente más grandes. ^[9]

Chan y Mazumder (1987) ^[10] desarrollaron un modelo de estado estable 1-D para incorporar la consideración de expulsión de líquido, pero el supuesto 1-D no es adecuado para la perforación de agujeros con una alta relación de aspecto y el proceso de perforación es transitorio. Kar y Mazumder (1990) ^{[11] extendieron el modelo a 2-D, pero no se consideró explícitamente la expulsión de material fundido. Ganesh, et al. (1997), [12]} presentaron un tratamiento más riguroso de la expulsión de material fundido, que es un modelo transitorio generalizado 2-D para incorporar sólidos, fluidos, temperatura y presión durante la perforación láser, pero es computacionalmente exigente. Yao, et al. (2001) ^{[13] desarrollaron un modelo transitorio 2-D, en el que se considera una capa de Knudsen en el frente de vapor de material fundido, y el modelo es adecuado para} la ablación láser de pulso más corto y alta potencia de pico .

En el frente de vapor de fusión, normalmente se aplica la condición de límite de Stefan para describir la absorción de energía del láser (Kar y Mazumda, 1990; Yao, et al., 2001).

${\displaystyle I_{abs}+k\left({\frac {\partial T}{\partial z}}+r{\frac {\partial T}{\partial r}}\right)+\rho _{l}\nu _{i}L_{v}-\rho _{v}\nu _{v}(c_{p}T_{i}+E_{v})=0}$ (1)

donde es la intensidad del láser absorbido, β es el coeficiente de absorción del láser que depende de la longitud de onda del láser y del material del objetivo, e I(t) describe la intensidad del láser de entrada temporal, incluyendo el ancho de pulso, la frecuencia de repetición y la forma temporal del pulso. k es la conductividad térmica , T es la temperatura, z y r son distancias a lo largo de las direcciones axial y radial, p es la densidad , v la velocidad , L _v el calor latente de vaporización. Los subíndices l , v e i denotan fase líquida, fase de vapor e interfaz vapor-líquido, respectivamente.${\displaystyle I_{abs}=I(t)^{-\beta z}}$

Si la intensidad del láser es alta y la duración del pulso es corta, se supone que existe la denominada capa de Knudsen en el frente de vapor de fusión, donde las variables de estado experimentan cambios discontinuos a lo largo de la capa. Al considerar la discontinuidad a lo largo de la capa de Knudsen, Yao et al. (2001) simularon la distribución de la velocidad de receso de la superficie V _v a lo largo de la dirección radial en diferentes momentos, lo que indica que la tasa de ablación del material está cambiando significativamente a lo largo de la capa de Knudsen. ^{[ cita requerida ]}

Después de obtener la presión de vapor p _v , el flujo de la capa de material fundido y la expulsión de material fundido se pueden modelar utilizando ecuaciones hidrodinámicas (Ganesh et al., 1997). La expulsión de material fundido se produce cuando se aplica presión de vapor sobre la superficie libre de líquido, que a su vez empuja el material fundido en dirección radial. Para lograr una expulsión fina del material fundido, es necesario predecir con mucha precisión el patrón de flujo de material fundido, especialmente la velocidad de flujo de material fundido en el borde del orificio. Por lo tanto, se utiliza un modelo transitorio axisimétrico 2-D y, en consecuencia, se utilizan las ecuaciones de momento y continuidad.

El modelo de Ganesh para la expulsión de material fundido es completo y se puede utilizar para diferentes etapas del proceso de perforación de pozos. Sin embargo, el cálculo requiere mucho tiempo y Solana et al. (2001), ^[14] presentaron un modelo simplificado dependiente del tiempo que supone que la velocidad de expulsión de material fundido solo se produce a lo largo de la pared del pozo y puede arrojar resultados con un mínimo esfuerzo computacional.

El líquido se moverá hacia arriba con velocidad u como consecuencia del gradiente de presión a lo largo de las paredes verticales, que viene dado a su vez por la diferencia entre la presión de ablación y la tensión superficial dividida por la profundidad de penetración x .

Suponiendo que el frente de perforación se mueve a una velocidad constante, la siguiente ecuación lineal del movimiento del líquido en la pared vertical es una buena aproximación para modelar la expulsión del material fundido después de la etapa inicial de perforación.

${\displaystyle \rho {\frac {\parcial u(r,t)}{\parcial t}}=P(t)+\mu {\frac {\parcial ^{2}u(r,t)}{\parcial r^{2}}}}$ (2)

donde p es la densidad de fusión, μ es la viscosidad del líquido, P(t)=(ΔP(t)/x(t)) es el gradiente de presión a lo largo de la capa de líquido, ΔP(t) es la diferencia entre la presión de vapor P _v y la tensión superficial .${\displaystyle 2\sigma\sobre {\bar {\delta }}}$

Roos (1980) ^[15] demostró que un tren de 200 μs compuesto por pulsos de 0,5 μs producía resultados superiores para la perforación de metales que un pulso plano de 200 μs. Anisimov, et al. (1984) ^[16] descubrió que la eficiencia del proceso mejoraba al acelerar la masa fundida durante el pulso.

Grad y Mozina (1998) ^[17] demostraron además el efecto de las formas de pulso. Se agregó un pico de 12 ns al principio, medio y final de un pulso de 5 ms. Cuando el pico de 12 ns se agregó al principio del pulso láser largo, donde no se había producido fusión, no se observó ningún efecto significativo en la eliminación. Por otro lado, cuando el pico se agregó en el medio y el final del pulso largo, la mejora de la eficiencia de perforación fue del 80 y 90%, respectivamente. También se ha investigado el efecto de la conformación entre pulsos. Low y Li (2001) ^[18] demostraron que un tren de pulsos de magnitud que aumenta linealmente tuvo un efecto significativo en los procesos de expulsión.

Forsman et al. (2007) demostraron que una corriente de pulso doble produjo mayores velocidades de perforación y corte con agujeros significativamente más limpios. ^[1]

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