Desarrollo y validación de un modelo computacional para la predicción y caracterización de procesos de tratamiento térmico superficial de materiales con láser

Resumen

La presente tesis se enmarca dentro de la línea de investigación que el Grupo de Ingeniería y Aplicaciones Láser del Departamento de Física Aplicada a la Ingeniería Industrial de la E.T.S. de Ingenieros Industriales de Madrid desarrolla dentro del área del modelado teórico y caracterización experimental de los procesos industriales de los láseres de potencia. El objetivo de la presente tesis es contribuir a la compresión de los procesos de tratamiento térmico superficial de materiales con láser con vistas a su caracterización mediante el establecimiento de un sistema de predicción, análisis y control de dichos procesos. Como consecuencia, se pretende definir de forma rigurosa para cada aplicación los parámetros óptimos asociados a las mismas mediante sistemas de predicción basados en simulaciones numéricas, simplificando la aplicación práctica de los procesos y reduciendo los costes de diseño y desarrollo, para finalmente, evaluar y asegurar la calidad de los resultados mediante los correspondientes sistemas de diagnosis y control. En la actualidad hay una fuerte demanda, por parte de la comunidad científica y técnológica, de conocimientos de los procesos físicos característicos de la interacción láser-materia en las aplicaciones industriales de los láseres de potencia. El motivo de esta demanda reside en la interpretación particular de los diferentes efectos producidos por la interacción de los parámetros implicados y sus consecuencias con vistas a la optimización de los procesos. Sin embargo, y debido a factores de rentabilidad inmediata, la investigación sobre las aplicaciones industriales de los láseres se ha limitado fundamentalmente a determinar, por vía empírica, intervalos o ventanas de valores de los parámetros de proceso sobre los que definir los mismos con una mayor o menor incertidumbre derivada del desconocimiento particular de los fenómenos de la interacción láser-materia. Por otra parte, unas cada vez mayores exigencias económicas y de fiabilidad en distintos sectores de la industria, como la automoción, la aeronáutica o la electrónica, implican la necesidad de mejorar la calidad y precisión de los procesos realizados, de la limitación de sus posibilidades y variaciones, así como del control en tiempo real de su ejecución. El control, tanto a priori como en tiempo real, del mismo es indispensable para la aplicación industrial y requiere una compresión total del proceso y de cómo afectan los distintos parámetros en los resultados. Entender los mecanismos de la interacción laser-materia es la llave para incrementar el rendimiento y optimizar los resultados de los procesos realizados con los sistemas láser en todos los aspectos. Para llevar a cabo este objetivo, en este trabajo se desarrolla un modelo de predicción, análisis y caracterización de los procesos de tratamiento térmico superficial de materiales con láser basados en códigos de cálculo numérico de elementos finitos y una metodología completa y novedosa basada en un conjunto de algoritmos que permite definir los parámetros y condiciones de contorno de los modelos teóricos. En general, los modelos desarrollados por distintos autores de la bibliografía responden a necesidades muy específicas o consideran hipótesis de trabajo muy simplificadas: propiedades termofísicas de los materiales independientes de la temperatura, desconsideración de las propiedades ópticas de los materiales, régimen estacionario, procesos estáticos, modo de funcionamiento del haz continuo y/o distribución de intensidad del haz incidente uniforme. El modelo desarrollado en este trabajo parte de dos códigos numéricos de elementos finitos implícitos (uno bidimensional y otro tridimensional) para geometrías arbitrarias y propiedades termofísicas de los materiales dependientes de la temperatura, que han sido adaptados adecuadamente al tipo de procesos analizados. Gracias a la metodología conjuntamente aplicada posee una gran versatilidad respecto a los datos de entrada. En primer lugar, los materiales susceptibles de ser procesados mediante un tratamiento térmico superficial con láser, pueden ser muy diferentes. Esto implica la posibilidad de trabajar con un amplio espectro de materiales cuyas propiedades termofísicas, que entran en juego en este tipo de procesos (densidad, capacidad calorífica a presión constante y conductividad térmica), pueden ser muy distintas y dependientes de la temperatura. Adicionalmente, es necesario considerar las propiedades ópticas: la absortividad del material y la absortancia de la superficie, que determinan cómo y cuánto se absorbe la intensidad incidente en el material en el curso del proceso. Además, en este sentido la absortancia de la superficie, o fracción de intensidad incidente que se absorbe, puede ser también dependiente de la temperatura. En segundo lugar, el modelo permite simular cualquier tipo de geometría del material. Esta consideración permite tener en cuenta sus límites físicos y las consecuencias a las que den lugar. Por otro lado, el modelo posibilita el trabajo con regímenes transitorios. En tercer lugar, y en cuanto a los parámetros de proceso, el modelo puede considerar tanto procesos estáticos como dinámicos, y también modos de funcionamiento del haz láser continuos o pulsados. Otro parámetro característico en los procesos de tratamiento térmico superficial de materiales es la distribución transversal de intensidad del haz incidente. Dicha distribución puede influir sensiblemente en la homogeneidad de los resultados del proceso. El modelo admite cualquier distribución transversal de intensidad del haz, ya sea la originada por la fuente láser u otra, conformada posteriormente, por un sistema óptico ad hoc. Como datos de salida, el modelo facilita los resultados de los procesos de tratamiento térmico superficial: los ciclos térmicos y de velocidades de calentamiento y enfriamiento, magnitudes fundamentales observables, en todos los puntos de la probeta discretizada durante el transcurso del proceso correspondiente. Estos datos deben determinar, de manera inequívoca, las zonas de la probeta modelizada que han sufrido las transformaciones esperadas debido a la evolución térmica correspondiente. El modelo de predicción y caracterización de procesos de tratamiento térmico superficial de materiales con láser desarrollado culmina un trabajo dentro del grupo de investigación ETSIIMLAS, dando como resultado una herramienta muy versátil y provechosa en el análisis de este tipo de aplicaciones realizadas con láser. El modelo queda disponible como instrumento de trabajo de gran ayuda en la línea de investigación abierta por el grupo investigador o de cualquier grupo perteneciente a este área de aplicación de los láseres de potencia.