BRPI0616606A2

BRPI0616606A2 - método para martelagem a laser, e, aparelho

Info

Publication number: BRPI0616606A2
Application number: BRPI0616606-7A
Authority: BR
Inventors: Lloyd A Hackel
Original assignee: L Livermore Nat Security Llc
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2011-06-28
Also published as: RU2433896C2; US20070075062A1; RU2008117136A; WO2007086953A2; US9409254B2; BRPI0616606B1; EP1960154A2; EP1960154B1; CN101277780B; ATE523285T1; WO2007086953A3; ES2377475T3; JP2009509771A; CN101277780A

Abstract

MéTODO PARA MARTELAGEM A LASER, E, APARELHO. Uma camada de ablação híbrida que compreende uma subcamada é aplicada em um material para prevenir formação de cova que resulta de martelagem a laser. A subcamada adere à superficie da peça de trabalho a ser martelada e não tem bolhas e espaços vazios que excedem um tamanho aceitável. Uma ou mais sobrecamadas são colocadas sobre e em contato com a subcamada. Quaisquer bolhas formadas sob as sobrecamadas são isoladas a partir da superficie a ser martelada. O processo significantemente reduz a incidência de covas sobre superficies marteladas.

Description

"MÉTODO PARA MARTELAGEM A LASER, E, APARELHO"

O Governo dos Estados Unidos tem direitos nesta invençãopossuindo ao Contrato N0 W-7405-ENG-48 entre o Departamento de Energiados Estados Unidos e a Universidade da Califórnia para a operação deLawrance Livermore National Laboratory.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Campo da invenção

A presente invenção refere-se a martelagem a laser, e maisespecificamente, ela se refere a técnicas para aplicar uma camada ablativa quenão criará covas quando da realização de martelagem a laser.

Descrição da Técnica Pertinente

O uso de uma camada de ablação em martelagem a laser é bemconhecido. Ver, por exemplo, a Patente U.S. 4.937.421 e CS. Montross et al.,que são resumidamente discutidos abaixo.

Na Patente U.S. 4.937.421, intitulada "Laser Peening Systemand Method", um aparelho e método para martelagem a laser para martelaruma peça de trabalho utilizando um feixe de laser são descritos. O sistemainclui uma folha alinhada com uma superfície da peça de trabalho a sermartelada e aplicação de laser à superfície de folha alinhada. A folha absorveenergia do feixe e uma porção da folha se vaporiza, o que cria um plasmaquente dentro da folha. O plasma cria uma onda de choque que passa atravésda folha e martela a superfície da peça de trabalho.

Em um panfleto de CS. Montross et. al., intitulado: "Ainfluência de Revestimento sobre Propriedades Mecânicas Subsuperficiais deAlumínio 2011-T3 Martelado a Laser", Journal of Material Science 36 (2001)1801-1807, um revestimento ablativo, de sacrifício, tal como tinta ou folha demetal, é discutido para uso visando proteger o componente de alumínio contraa fusão da superfície pelo pulso de laser, o que afeta adversamente aresistência à fadiga. Este panfleto, usando nano-entalhamento, analisa o efeitoda tinta e revestimentos de folha sobre a propagação de onda de choquedentro do espécime de alumínio e a alteração resultante das propriedadesmecânicas contra profundidade. Próximo à superfície, foi verificado que adureza é aumentada por meio da martelagem a laser, todavia este processodiminuiu o módulo de elasticidade medido. Foi verificado que a densidade epropriedades de energia de pulso de laser da folha, incluindo sua adesão à ligade alumínio, influenciam a alteração em propriedades mecânicas da superfície.

No processo de martelagem a laser, um laser de alta potência éfeito com que incida sobre uma superfície de metal, submetendo à ablação ouremovendo uma delgada camada superficial, criando um plasma e umconseqüente intenso choque. Este intenso choque plasticamente deforma omaterial e resulta em uma camada compressiva de tensão residual nasuperfície. Para evitar contato do plasma quente com a superfície de metal,uma camada ou camadas de material são aplicadas na superfície de substratopara atuarem como uma fonte de material de ablação e para prover isolamentocom relação ao calor do plasma. Este plasma é a fonte de uma onda de choqueque se forma e conseqüentemente martela o material. Originalmente, tinta foiusada como a camada de ablação, mas tinta não tem suficiente resistência àtração para mantê-la contra localmente se cisalhar quando o choquelocalmente comprime a superfície. Ela também se fratura e se desliga quandoo choque termina e a superfície se liga novamente. Fitas com suportesadesivos provaram ser um melhor material de ablação. Elas são facilmenteaplicadas, aderem à superfície e têm suficiente resistência à tração parapermitir contínua martelagem lado a lado sem em geral cisalhamento oudecomposição. Todavia, foi percebido que na aplicação da fita às superfícies,pequenas bolsas de ar, freqüentemente tão pequenas quanto 20 μηι detamanho e semi-esféricas, podem ser aprisionadas sob a fita e em contato coma superfície de metal. Quando essas bolsas são comprimidas por meio da ondade choque, elas se aquecem em uma maneira adiabática e transmitem estecalor para o metal. Para metais que se fundem em baixa temperatura, tal comoalumínio, este calor transmitido pode ser suficiente para localmente fundir ometal e criar uma pequena cova de material fundido, que subseqüentemente sesolidifica como uma cratera sólida. Esta cova é indesejável pois ela sesolidifica em um estado de tração que forma uma tira de elevação de tensãosobre a superfície de metal e potencialmente reduz a resistência à fadiga eresistência à corrosão da amostra martelada.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

E um objetivo da presente invenção prover um método paramartelagem a laser, que previne que o processo de martelagem crie covas nomaterial a ser martelado.

E um outro objetivo da invenção prover camadas de ablaçãohíbridas para aplicação sobre um material a ser martelado a laser paraprevenir que o material martelado sofra covas.

Esses e outros objetivos serão aparentes para aqueles versadosna técnica com base nesta exposição.

Para prevenir formação de covas que resultam de martelagem alaser, uma camada de ablação híbrida que compreende uma subcamada éaplicada em um material a ser martelado. A subcamada está em contato com asuperfície a ser martelada e é aplicada em uma maneira de modo que ela nãotem bolhas e espaços vazios que excedem um tamanho aceitável. Uma oumais sobrecamadas, tais como folha de metal ou fita, são aplicadas sobre asubcamada. A subcamada pode, por exemplo, ser um adesivo pulverizado porcima ou uma camada de tinta que desce sem bolhas. Subseqüentemente,quaisquer bolhas formadas sob as sobrecamadas são isoladas a partir dasuperfície a ser martelada. O processo foi testado e significantemente reduz aincidência de covas sobre superfícies marteladas. A invenção é útil em umavariedade de aplicações de martelagem a laser, tais como a martelagem a laserde metais, conformação por martelagem a laser de metais e marcação pormartelagem a laser de metais.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

O desenho acompanhante, que é incorporado na e forma partedesta exposição, ilustra uma forma de concretização da invenção econjuntamente com a descrição, serve para explicar os princípios da invenção.

A figura 1 mostra um material com uma superfície que foipreparada de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Uma camada de ablação híbrida que compreende duas ou maiscamadas é aplicada em uma superfície a ser martelada a laser. A camada deablação híbrida é formada de uma subcamada e uma ou mais sobrecamadas.Com referência à figura 1, a subcamada 10 tem que ser uma camada que podeser aplicada de modo que o tamanho máximo de bolhas ou espaços vazios nãoexceda uma medida definida, como discutido abaixo. Esta subcamada éaplicada em contato com uma superfície 12 a ser martelada e então uma oumais sobrecamadas 14, tal como folha de metal ou fita, são aplicadas, as quaisprovêem a necessária resistência à tração. Em uma forma de concretização dainvenção, a subcamada não contém espaços vazios ou bolhas maiores que 10mícrons em diâmetro. Fita de alumínio que é em torno de 3 mil de espessura etem em torno de 1 mil de adesivo é aplicada em uma forma de concretização.Duas camadas de fita podem ser usadas. A subcamada pode, por exemplo, seradesivo pulverizado por cima ou uma camada de tinta que desce sem bolhasdevidas à natureza de pulverização. A tinta pode ser em torno de 4 a 5 mil deespessura. Uma outra proposta é revestir em profundidade a subcamada epermitir que ela se cure, ou, por exemplo, que ela seja curada por meio daaplicação de calor apropriado em um forno ou com lâmpadas de aquecimento.A tinta precisa ser do tipo que apresenta boa ligação à superfície. Tal materialde tinta pode incluir camadas de fundo de metal, de alta qualidade, e epóxidostermicamente curados. A pulverização sobre adesivos, tais como aquelesproduzidos por 3M Corporation (Camada base de metal da 3M EC3901,Camada base de Adesivo Estrutural da 3M EC-1593 ou EC-1660) pode serfeita para uniformemente cobrir a superfície e permitir que a fita sem adesivoseja aplicada sobre o topo. Com a subcamada pulverizada por cima e assimaplicada sem bolhas, a camada superior ou camadas de folha podem emseguida ser aplicadas. Tipicamente na aplicação de camadas sólidas de fita emuma superfície, bolhas de ar serão aprisionadas sob a superfície. É quaseimpossível removê-las por meio de bombeamento a vácuo porque elas estãoaprisionadas. Todavia com s subcamada aplicada sem bolhas, quaisquerbolhas formadas entre a subcamada e as sobrecamadas são isoladas comrelação à superfície a ser martelada. Quando estas bolhas se comprimem emvirtude da compressão do choque, o calor gerado dentro seria dissipado nasubcamada e, assim, não entraria em contato com ou se fundiria ou formarcova no metal a ser martelado. O processo foi testado e significantementereduz a incidência de covas em superfícies marteladas.

O potencial de uma bolha de ar aprisionada sob a fita de criarcovas na martelagem a laser pode ser calculado. Para verificar se uma bolhade ar tem suficiente capacidade térmica e elevação de temperatura para fundiruma pequena cova embaixo da fita no processo de martelagem a laser, é feitoum cálculo da capacidade térmica e elevação de temperatura de uma bolhasemi-esférica tendo um diâmetro de 1 mm, e a energia térmica requerida parafundir uma cova de tamanho razoável e o potencial para esta transferência decalor ocorrer são avaliados.

Usando, como um exemplo, o volume, massa e energia cinéticaem uma bolha semi-esférica tendo diâmetro de 1 mm, os seguintes cálculossão providos. O volume de uma bolha de 1 mm é V = 2/3πΓ3 = 2,6 χ IO"10 m3.Partindo com PV=nRT, podemos calcular quantos kmoles de gás e quantamassa estão na bolha no ponto de partida sob condição ambiente detemperatura e pressão normais (STP). Na STP, P=I atmosfera = IO5 N/m2 eT = 300 K. R é a constante universal de gás cujo valor é 8314,4 J/kmol*Kdeg. η = PV/RT = (IO5 * 2,6 χ IO"10)/ (831 * 300) = 1 χ 10-10kmol. Vez que artem uma massa de aproximadamente 28 kg/kmol, esta bolha tem uma massade 2,8 χ 10"v kg. A energia cinética das moléculas na bolha éaproximadamente E = n(5/2)RT =17 mJ.

A elevação de temperatura da bolha durante compressão dechoque do laser é calculada. Quando a onda de choque do processo demartelagem a laser impacta a fita e bolha, a pressão se eleva de 1 atmosferapara IO5 atmosferas. O gás se eleva em uma maneira aproximadamenteadiabática para uma temperatura de T/To = (ρ/ρο)(γ"1)/γ. Nesta equação, γ é arelação entre o calor específico em volume constante e o calor específico empressão constante. Para um gás diatômico, tal como ar, γ é aproximadamente5/3. Considere a fusão de um pequeno volume de alumínio. Assim, para umasúbita elevação de pressão por um fator de IO5, como criado pelo laser, atemperatura poderia potencialmente aumentar para T = 300 (IO5) 2/5 = 30.000.A temperatura quase seguramente não aumentará isto devido aos outrosefeitos de mitigação, tais como as instabilidades de Rayleigh Taylor quelimitam a compressão e taxas de difusão limitadas do gás para o metal.Todavia, uma significante elevação de temperatura acima do ponto de fusãode alumínio de 650 C é prevista.

Para determinar quanta energia térmica é requerida para fundiruma cova, o seguinte cálculo é feito. Se uma pequena cova tem 20 mícrons dediâmetro e 5 mícrons de profundidade, então o volume e massa de alumíniofundido é

V = (d * π * diâmetro2) /4 = (5 χ IO"6 * ρ * (20 χ 10"6)2)/2 = 1,6χ ΙΟ"15 m3. m = 2700 kg/m3 * 1,6 χ IO-15 m3 = 4 χ IO-12 kg. A quantidade decalor requerida para fundir este alumínio é aquela requerida para que atemperatura do material se eleve para o ponto de fusão de 650 C mais o calorde fusão para levar o metal do estado sólido para o estado líquido. Tomandoa capacidade térmica de alumínio como C=0,212 kcal/kg-C, calcularemos ocalor requerido para elevar a temperatura por 650 C como segue:

Q(AT) = m*C*AT Mx 1012 kg * 0,212 kcal/K deg * 650 Kdeg = 5 χ 10^10 kcal = 2,2 χ 10^6 J. Q(calor de fusão) = 93 kcal/kg * 4 χ 10^12kg * 1J/2,4 χ 10^4 kcal = 1,5 χ 10^6 J. assim, o calor total requerido é 3,7 μl oqual é muito menor que os disponíveis 17 mJ, disponíveis η a energiacinética do gás. Assim, existe uma grande quantidade de calor disponível nogás para fundir cova.

O calor difundido dentro do alumínio durante o pulso de laser é

determinado. A capacidade de difusão de um material, que está na taxa emque calor pode se difundir para dentro dele, é dada pela relação entre acondutividade térmica k e o produto da densidade, ρ e capacidade térmicaespecífica, Cp. Para alumínio, estes valores são k = 0,048 kcal/s*m*C deg, ρ= 2700 kg/m3 e Cp=O,212 kcal/kg*C deg.

D = k/(p * Cp) = 8,2 χ IO"5 m2/s.

Uma vez que a difusão é um problema de passo aleatório, ocalor se difunde como a raiz quadrada do produto da capacidade de difusão ea duração de pulso de choque de t = 100 ns.

Profundidade de difusão = 2*Raiz Quadrada de (Dt) = 2 * Raizquadrada de (8,4 χ IO"12) = 6 mícrons. Este comprimento de difusão éaproximadamente igual à profundidade de covas observadas.

A partir desta análise simples, se pode concluir que existesuficiente energia no gás em uma pequena bolha para fundir covas e que o gássofre razoável elevação de temperatura durante o período da elevação depressão de choque.

Existem outros efeitos que podem concentrar a energia da ondade choque em uma área local e elevar a temperatura ou a pressão e expulsarfluxo de líquido. A bolha sob a superfície é uma região de baixa densidade ese refrata e tende a focalizar a onda de choque tal como uma lente óptica faria.Esta intensidade de choque elevada poderia induzir fusão. A camada deproteção aplicada sem bolhas no topo do metal tornaria difusa a intensidadede focagem da onda de choque e reduziria o potencial para criar uma covainduzida por choque.

A descrição precedentes da invenção foi apresentada parafinalidades de ilustração e descrição e não tem a pretensão de ser exaustiva oulimitar a invenção para a precisa forma revelada. Muitas modificações evariações são possíveis à luz do ensinamento dado acima. As formas deconcretização reveladas tiveram a intenção somente de explicar os princípiosda invenção e sua aplicação prática para permitir assim que outros versadosna técnica usem melhor a invenção em várias formas de concretização e comvárias modificações apropriadas para o uso particular contemplado. O escopoda invenção deve ser definido pelas seguintes reivindicações.

Claims

1. Método para martelagem a laser, caracterizado pelo fato deque compreende:prover uma peça de trabalho;aderir uma primeira camada sobre dita peça de trabalho;aderir uma segunda camada sobre dita primeira camada; epropagar um pulso de luz de laser sobre dita segunda camada, emque dito pulso compreende suficiente densidade de energia para submeter àablação uma porção de dita segunda camada, ejetando assim um plasma, emque dito plasma produz uma onda de choque que se propaga sobre ditaprimeira camada e sobre dita peça de trabalho, martelando assim dita peça detrabalho, em que dita primeira camada não contém espaços vazios tendo umtamanho de espaço vazio ou bolhas tendo um tamanho de bolha que são pelomenos suficientemente grandes para produzir, sob a influência de dita onda dechoque, pelo menos uma cova tendo um tamanho de cova inaceitável.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que dita segunda camada é opaca ao comprimento de onda de ditopulso de luz de laser.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que dito tamanho de bolha ou dito tamanho de cova compreende 10mícrons em diâmetro.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que dita segunda camada compreende uma pluralidade de camadas.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que dita segunda camada compreende folha de metal.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelofato de que dita folha de metal compreende adesivo.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que dita segunda camada compreende fita.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelofato de que dita fita compreende adesivo.

9. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelofato de que dita fita compreende fita de metal.

10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelofato de que dita fita de metal compreende fita de alumínio.

11. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que dita primeira camada compreende adesivo pulverizado por cima.

12. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que dita primeira camada compreende tinta.

13. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que dita primeira camada compreende tinta pulverizada por cima.

14. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que dita primeira camada compreende uma tinta aplicada em imersão.

15. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que dita primeira camada compreende camada base de metal.

16. Aparelho, caracterizado pelo fato de que compreende:uma primeira camada aderida em uma peça de trabalho a sermartelada a laser;uma segunda camada aderida em dita primeira camada; eem que dita primeira camada não contém espaços vazios tendoum tamanho de espaço vazio ou bolhas tendo um tamanho de bolha que sãopelo menos suficientemente grandes para produzir, sob a influência de umaonda de choque de uma especificada densidade de energia, pelo menos umacova tendo um tamanho de cova inaceitável.

17. Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que ainda compreende meios para propagar um pulso de luz delaser sobre dita segunda camada, em que dito pulso compreende suficientedensidade de energia para submeter à ablação uma porção de dita segundacamada, ejetando assim um plasma, em que dito plasma produz dita onda dechoque que se propaga sobre dita primeira camada e sobre dita peça detrabalho, martelando assim dita peça de trabalho.

18. Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que dita segunda camada é opaca ao comprimento de onda de ditapulso de luz de laser.

19. Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que dito tamanho de bolha ou dito tamanho de cova compreende10 mícrons em diâmetro.

20. Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que dita segunda camada compreende uma pluralidade decamadas.

21. Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que dita segunda camada compreende folha de metal.

22. Aparelho de acordo com a reivindicação 21, caracterizadopelo fato de que dita folha de metal compreende adesivo.

23. Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que dita segunda camada compreende fita.

24. Aparelho de acordo com a reivindicação 23, caracterizadopelo fato de que dita fita compreende adesivo.

25. Aparelho de acordo com a reivindicação 23, caracterizadopelo fato de que dita fita compreende fita de metal.

26. Aparelho de acordo com a reivindicação 25, caracterizadopelo fato de que dita fita de metal compreende fita de alumínio.

27. Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que dita primeira camada compreende adesivo pulverizado porcima.

28. Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que dita primeira camada compreende tinta.

29. Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que dita primeira camada compreende tinta pulverizada por cima.

30. Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que dita primeira camada compreende uma tinta aplicada emimersão.

31. Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que dita primeira camada compreende camada base de metal.