BRPI0616606B1

BRPI0616606B1 - Método para martelagem a laser e produto

Info

Publication number: BRPI0616606B1
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: 2014-10-29
Also published as: BRPI0616606A2; EP1960154A2; JP2009509771A; CN101277780A; EP1960154B1; WO2007086953A2; US20070075062A1; WO2007086953A3; ATE523285T1; RU2433896C2; ES2377475T3; CN101277780B; RU2008117136A; US9409254B2

Description

“MÉTODO PARA MARTELAGEM A LASER E PRODUTO” O Governo dos Estados Unidos tem direitos nesta invenção possuindo ao Contrato N° W-7405-ENG-48 entre o Departamento de Energia dos Estados Unidos e a Universidade da Califórnia para a operação de Lawrance Livermore National Laboratory.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Campo da invenção A presente invenção refere-se a martelagem a laser, e mais especificamente, ela se refere a técnicas para aplicar uma camada ablativa que não 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 bem conhecido. 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 System and Method", um aparelho e método para martelagem a laser para martelar uma peça de trabalho utilizando um feixe de laser são descritos. O sistema inclui uma folha alinhada com uma superfície da peça de trabalho a ser martelada e aplicação de laser à superfície de folha alinhada. A folha absorve energia do feixe e uma porção da folha se vaporiza, o que cria um plasma quente dentro da folha. O plasma cria uma onda de choque que passa através da folha e martela a superfície da peça de trabalho.

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

No processo de martelagem a laser, um laser de alta potência é feito com que incida sobre uma superfície de metal, submetendo à ablação ou removendo uma delgada camada superficial, criando um plasma e um consequente intenso choque.

Este intenso choque plasticamente deforma o material e resulta em uma camada compressiva de tensão residual na superfície. Para evitar contato do plasma quente com a superfície de metal, uma camada ou camadas de material são aplicadas na superfície de substrato para atuarem como uma fonte de material de ablação e para prover isolamento com relação ao calor do plasma. Este plasma é a fonte de uma onda de choque que se forma e consequentemente martela o material. Originalmente, tinta foi usada como a camada de ablação, mas tinta não tem suficiente resistência à tração para mantê-la contra localmente se cisalhar quando o choque localmente comprime a superfície. Ela também se fratura e se desliga quando o choque termina e a superfície se liga novamente. Fitas com suportes adesivos provaram ser um melhor material de ablação. Elas são facilmente aplicadas, aderem à superfície e têm suficiente resistência à tração para permitir contínua martelagem lado a lado sem em geral cisalhamento ou decomposição. Todavia, foi percebido que na aplicação da fita às superfícies, pequenas bolsas de ar, frequentemente tão pequenas quanto 20 qm de tamanho e semiesféricas, podem ser aprisionadas sob a fita e em contato com a superfície de metal. Quando essas bolsas são comprimidas por meio da onda de choque, elas se aquecem em uma maneira adiabática e transmitem este calor para o metal. Para metais que se fundem em baixa temperatura, tal como alumínio, este calor transmitido pode ser suficiente para localmente fundir o metal e criar uma pequena cova de material fundido, que subsequentemente se solidifica como uma cratera sólida. Esta cova é indesejável, pois ela se solidifica em um estado de tração que forma uma tira de elevação de tensão sobre a superfície de metal e potencialmente reduz a resistência à fadiga e resistência à corrosão da amostra martelada.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO É um objetivo da presente invenção prover um método para martelagem a laser, que previne que o processo de martelagem crie covas no material a ser martelado. É outro objetivo da invenção prover camadas de ablação híbridas para aplicação sobre um material a ser martelado a laser para prevenir que o material martelado sofra covas.

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

Para prevenir formação de covas que resultam de martelagem a laser, uma camada de ablação híbrida que compreende uma subcamada é aplicada em um material a ser martelado. A subcamada está em contato com a superfície a ser martelada e é aplicada em uma maneira de modo que ela não tem bolhas e espaços vazios que excedem um tamanho aceitável. Uma ou mais sobrecamadas, tais como folha de metal ou fita, são aplicadas sobre a subcamada. A subcamada pode, por exemplo, ser um adesivo pulverizado por cima ou uma camada de tinta que desce sem bolhas.

Subsequentemente, quaisquer bolhas formadas sob as sobrecamadas são isoladas a partir da superfície a ser martelada. O processo foi testado e significantemente reduz a incidência de covas sobre superfícies marteladas. A invenção é útil em uma variedade de aplicações de martelagem a laser, tais como a martelagem a laser de metais, conformação por martelagem a laser de metais e marcação por martelagem a laser de metais.

BREVE DESCRICÂQ DOS DESENHOS O desenho acompanhante, que é incorporado na e forma parte desta exposição, ilustra uma forma de concretização da invenção e conjuntamente com a descrição, serve para explicar os princípios da invenção. A figura 1 mostra um material com uma superfície que foi preparada de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Uma camada de ablação híbrida que compreende duas ou mais camadas é aplicada em uma superfície a ser martelada a laser. A camada de ablação 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 pode ser aplicada de modo que o tamanho máximo de bolhas ou espaços vazios não exceda uma medida definida, como discutido abaixo. Esta subcamada é aplicada em contato com uma superfície 12 a ser martelada e então uma ou mais sobrecamadas 14, tal como folha de metal ou fita, são aplicadas, as quais proveem a necessária resistência à tração. Em uma forma de concretização da invenção, a subcamada não contém espaços vazios ou bolhas maiores que 10 mícrons em diâmetro. Fita de alumínio que é em torno de 3 mil de espessura e tem 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, ser adesivo pulverizado por cima ou uma camada de tinta que desce sem bolhas devidas à natureza de pulverização. A tinta pode ser em torno de 4 a 5 mil de espessura. Uma outra proposta é revestir em profundidade a subcamada e permitir que ela se cure, ou, por exemplo, que ela seja curada por meio da aplicação de calor apropriado em um forno ou com lâmpadas de aquecimento. A tinta precisa ser do tipo que apresenta boa ligação à superfície. Tal material de tinta pode incluir camadas de fundo de metal, de alta qualidade, e epóxidos termicamente curados. A pulverização sobre adesivos, tais como aqueles produzidos por 3M Corporation (Camada base de metal da 3M EC3901, Camada base de Adesivo Estrutural da 3M EC-1593 ou EC-1660) pode ser feita para uniformemente cobrir a superfície e permitir que a fita sem adesivo seja aplicada sobre o topo. Com a subcamada pulverizada por cima e assim aplicada sem bolhas, a camada superior ou camadas de folha podem em seguida ser aplicadas. Tipicamente na aplicação de camadas sólidas de fita em uma superfície, bolhas de ar serão aprisionadas sob a superfície. É quase impossível removê-las por meio de bombeamento a vácuo porque elas estão aprisionadas. Todavia com a subcamada aplicada sem bolhas, quaisquer bolhas formadas entre a subcamada e as sobrecamadas são isoladas com relação à superfície a ser martelada. Quando estas bolhas se comprimem em virtude da compressão do choque, o calor gerado dentro seria dissipado na subcamada e, assim, não entraria em contato com ou se fundiría ou formar cova no metal a ser martelado. O processo foi testado e significantemente reduz a incidência de covas em superfícies marteladas. O potencial de uma bolha de ar aprisionada sob a fita de criar covas na martelagem a laser pode ser calculado. Para verificar se uma bolha de ar tem suficiente capacidade térmica e elevação de temperatura para fundir uma pequena cova embaixo da fita no processo de martelagem a laser, é feito um cálculo da capacidade térmica e elevação de temperatura de uma bolha semiesférica tendo um diâmetro de 1 mm, e a energia térmica requerida para fundir uma cova de tamanho razoável e o potencial para esta transferência de calor ocorrer são avaliados.

Usando, como um exemplo, o volume, massa e energia cinética em uma bolha semiesférica tendo diâmetro de 1 mm, os seguintes cálculos são providos. O volume de uma bolha de 1 mm é V = 2/3πΓ3 = 2,6 x 10'1° m3. Partindo com PV=nRT, podemos calcular quantos kmoles de gás e quanta massa estão na bolha no ponto de partida sob condição ambiente de temperatura e pressão normais (STP). Na STP, P = 1 atmosfera = 105 N/m2 e T = 300 K. R é a constante universal de gás cujo valor é 8314,4 J/kmol*K deg. n = PV/RT = (105 * 2,6 x 1CT10)/ (831 * 300) = 1 x 10-10kmol. Vez que ar tem uma massa de aproximadamente 28 kg/kmol, esta bolha tem uma massa de 2,8 x 10"9 kg. A energia cinética das moléculas na bolha é aproximadamente E = n(5/2)RT = 17 mJ. A elevação de temperatura da bolha durante compressão de choque do laser é calculada. Quando a onda de choque do processo de martelagem a laser impacta a fita e bolha, a pressão se eleva de 1 atmosfera para 105 atmosferas. O gás se eleva em uma maneira aproximadamente adiabática para uma temperatura de T/To = (p/po)<r'1)/>.

Nesta equação, γ é a relação entre o calor específico em volume constante e o calor específico em pressão constante. Para um gás diatômico, tal como ar, γ é aproximadamente 5/3. Considere a fusão de um pequeno volume de alumínio. Assim, para uma súbita elevação de pressão por um fator de 105, como criado pelo laser, a temperatura podería potencialmente aumentar para T = 300 (105) 2/5 = 30.000. A temperatura quase seguramente não aumentará isto devido aos outros efeitos de mitigação, tais como as instabilidades de Rayleigh Taylor que limitam a compressão e taxas de difusão limitadas do gás para o metal. Todavia, uma significante elevação de temperatura acima do ponto de fusão de alumínio de 650 C é prevista.

Para determinar quanta energia térmica é requerida para fundir uma cova, o seguinte cálculo é feito. Se uma pequena cova tem 20 mícrons de diâmetro e 5 mícrons de profundidade, então o volume e massa de alumínio fundido é V = (d * π * diâmetro2) /4 = (5 x 10'6 * p * (20 x 10_6)2)/2 = 1,6 x 1015 m3. m = 2700 kg/m3 * 1,6 x 10'15 m3 = 4 x 10'12 kg. A quantidade de calor requerida para fundir este alumínio é aquela requerida para que a temperatura do material se eleve para o ponto de fusão de 650 C mais o calor de fusão para levar o metal do estado sólido para o estado líquido. Tomando a capacidade térmica de alumínio como C=0,212 kcal/kg-C, calcularemos o calor requerido para elevar a temperatura por 650 C como segue: Q(AT) = m*C*AT = 4 x 10'12 kg * 0,212 kcal/K deg * 650 K deg = 5 x 10'1° kcal = 2,2 x 10'6 J. Q(calor de fusão) = 93 kcal/kg * 4 x 10'12 kg * 1 J/2,4 x 10'4 kcal = 1,5 x 10'6 J. Assim, o calor total requerido é 3,7 μϋ, o qual é muito menor que os disponíveis 17 mJ, disponíveis n a energia cinética do gás. Assim, existe uma grande quantidade de calor disponível no gás 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 em que calor pode se difundir para dentro dele, é dada pela relação entre a condutividade térmica k e o produto da densidade, p e capacidade térmica específica, Cp. Para alumínio, estes valores são k = 0,048 kcal/s*m*C deg, p = 2700 kg/m3 e Cp=0,212 kcal/kg*C deg. D = k/(p * Cp) = 8,2 x 10'5 m2/s.

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

Profundidade de difusão = 2*Raiz Quadrada de (Dt) = 2 * Raiz quadrada de (8,4 x 10'12) = 6 mícrons. Este comprimento de difusão é aproximadamente igual à profundidade de covas observadas. A partir desta análise simples, se pode concluir que existe suficiente energia no gás em uma pequena bolha para fundir covas e que o gás sofre razoável elevação de temperatura durante o período da elevação de pressão de choque.

Existem outros efeitos que podem concentrar a energia da onda de choque em uma área local e elevar a temperatura ou a pressão e expulsar fluxo de líquido. A bolha sob a superfície é uma região de baixa densidade e se refrata e tende a focalizar a onda de choque tal como uma lente óptica faria. Esta intensidade de choque elevada podería induzir fusão. A camada de proteção aplicada sem bolhas no topo do metal tornaria difusa a intensidade de focagem da onda de choque e reduziría o potencial para criar uma cova induzida por choque. A descrição precedente da invenção foi apresentada para finalidades de ilustração e descrição e não tem a pretensão de ser exaustiva ou limitar a invenção para a precisa forma revelada. Muitas modificações e variações são possíveis à luz do ensinamento dado acima. As formas de concretização reveladas tiveram a intenção somente de explicar os princípios da invenção e sua aplicação prática para permitir assim que outros versados na técnica usem melhor a invenção em várias formas de concretização e com várias modificações apropriadas para o uso particular contemplado. O escopo da invenção deve ser definido pelas seguintes reivindicações.

Claims

1. Método para martelagem a laser, caracterizado pelo fato de que compreende prover uma peça de trabalho (12), aderir uma primeira camada (10) sobre dita peça de trabalho (12), e aderir uma segunda camada (14) sobre dita primeira camada (10), e propagar um pulso de luz de laser sobre dita segunda camada (14), em que o dito pulso compreende suficiente densidade de energia para submeter à ablação uma porção de dita segunda camada (14), ejetando assim um plasma, em que o dito plasma produz uma onda de choque que se propaga sobre dita primeira camada (10) e sobre a dita peça de trabalho (12), martelando assim a dita peça de trabalho (12), em que os espaços vazios ou bolhas, quando presentes na dita primeira camada (10), são menores que um tamanho de espaço vazio ou um tamanho de bolha suficientemente grandes para produzir, sob a influência de dita onda de choque, pelo menos uma cova tendo um tamanho de cova inaceitável.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dita segunda camada (14) é opaca ao comprimento de onda de dito pulso de luz de laser.

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

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dita segunda camada (14) compreende uma pluralidade de camadas.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dita segunda camada (14) compreende folha de metal.

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

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dita segunda camada (14) compreende fita.

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

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

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

11. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dita primeira camada (10) compreende adesivo pulverizado por cima.

12. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dita primeira camada (10) compreende tinta.

13. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dita primeira camada (10) compreende tinta pulverizada por cima.

14. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dita primeira camada (10) compreende uma tinta aplicada em imersão.

15. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dita primeira camada (10) compreende camada base de metal.

16. Produto, caracterizado pelo fato de que compreende uma primeira camada (10) aderida em uma peça de trabalho (12) a ser martelada a laser, e uma segunda camada (14) aderida em dita primeira camada (10), em que os espaços vazios ou bolhas, quando presentes na dita primeira camada (10), são menores que um tamanho de espaço vazio ou um tamanho de bolha suficientemente grandes para produzir, sob a influência de dita onda de choque, pelo menos uma cova tendo um tamanho de cova inaceitável.

17. Produto de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que dita segunda camada (14) é opaca ao comprimento de onda de dito pulso de luz de laser.

18. Produto de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que dito tamanho de bolha ou dito tamanho de cova compreende 10 mícrons em diâmetro.

19. Produto de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que dita segunda camada (14) compreende uma pluralidade de camadas.

20. Produto de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que dita segunda camada (14) compreende folha de metal.

21. Produto de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que dita folha de metal compreende adesivo.

22. Produto de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que dita segunda camada (14) compreende fita.

23. Produto de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que dita fita compreende adesivo.

24. Produto de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que dita fita compreende fita de metal.

25. Produto de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que dita fita de metal compreende fita de alumínio.

26. Produto de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que dita primeira camada (10) compreende adesivo pulverizado por cima.

27. Produto de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que dita primeira camada (10) compreende tinta.

28. Produto de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que dita primeira camada (10) compreende tinta pulverizada por cima.

29. Produto de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que dita primeira camada (10) compreende uma tinta aplicada em imersão.

30. Produto de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que dita primeira camada (10) compreende camada base de metal.