ES2702626T3 - Procedimiento para la reducción de la velocidad de propagación de una grieta en un sustrato metálico - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la reducción de la velocidad de propagación de una grieta (10) en un sustrato metálico (20), en el que (a) se identifica una grieta (10) en el sustrato metálico (20), en donde la grieta (10) presenta dos o varios extremos de grieta (30), (b) se calienta el sustrato metálico (20) mediante un tratamiento térmico por láser en uno o varios extremos de grieta (30) en las direcciones de propagación de la grieta (10), caracterizado porque el rayo láser se guía sobre la superficie del sustrato, de modo que describe la forma de un óvalo (50), de un arco (60) o una curva (70), en donde el óvalo (50) es un círculo (80) o una elipse (90).

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para la reducción de la velocidad de propagación de una grieta en un sustrato metálico

La presente invención se refiere a un procedimiento para la reducción de la velocidad de propagación de una grieta en un sustrato metálico.

Antecedentes de la invención

Una de las exigencias futuras para la industria aeronáutica es el desarrollo de estrategias apropiadas para el mantenimiento y prolongación de la vida útil de la flota de aviones existente. A este respecto, la formación de grietas, en particular de grietas por fatiga, y su crecimiento en distintos componentes de aviones representan un problema especial. Las grietas indican habitualmente un fallo pronto de los componentes en cuestión, de modo que los componentes relevantes se deben controlar, mantener de forma regular y eventualmente incluso sustituirse. En el pasado ya se han desarrollado distintos enfoques para reducir el crecimiento de las grietas por fatiga en distintos componentes de aviones, como por ejemplo el fuselaje inferior, y por consiguiente prolongar la vida útil de los componentes. Son especialmente ventajosos tales procedimientos que se pueden aplicar de forma preventiva ya antes de la formación de grietas, a fin de reducir una formación de grietas o impedirla en el mejor de los casos. Actualmente habitualmente se usan los así denominados frenos de grieta o retardadores de grieta, que están fabricados por ejemplo de titanio o CFRP y deben reducir un crecimiento de grieta. Dado que en estos procedimientos se aplican habitualmente materiales adicionales sobre los componentes de aviones, estos procedimientos conducen en general a un aumento de peso del componente correspondiente. Además, las conexiones entre la piel del avión y el freno de grieta con frecuencia son laboriosas de soldar, lo que hace el proceso en conjunto muy laborioso y caro.

Por ello existe un gran interés en desarrollar procedimientos económicos y fácilmente realizables para la reducción de la velocidad de propagación de grietas, en particular de grietas de fatiga. Además, existe un interés en desarrollar procedimientos económicos y fácilmente realizables, con los que la superficie del sustrato ya se pueda tratar de forma preventiva antes de la aparición de una grieta, a fin de reducir ya la formación de una grieta por fatiga o impedirla completamente en el mejor de los casos. En este contexto, los procedimientos basados en esfuerzo internal representan un enfoque prometedor. Un procedimiento especialmente ventajoso para el aumento de la vida útil de los más diferentes componentes es el así denominado procedimiento de tratamiento térmico por láser. En este procedimiento se influye localmente cerca de la superficie en la microestructura y los esfuerzos internales en un sustrato metálico, por lo que se reduce la velocidad de propagación de una grieta. De esta manera se puede aumentar claramente la vida útil del sustrato metálico, sin que se suelden o remachen materiales adicionales. El componente original, es decir, el sustrato metálico, sólo se modifica por lo que se pueden ahorrar el peso y los costes.

Ya se han aplicados procedimientos de tratamientos térmicos por láser para la reducción de la velocidad de propagación de grietas. Así el documento US 5,701,492 describe, por ejemplo, un procedimiento en el que la superficie del sustrato se calienta en paralelo a las grietas originadas, en donde también se puede usar entre otros un láser.

D. Schnubel et. al. describen en “Material Science and Technology A 546 (2012) 8-14” el uso de un láser desenfocado para la influencia en los esfuerzos internales, a fin de reducir la velocidad de propagación de grietas por fatiga. A este respecto, el rayo láser se guía en forma lineal sobre la superficie del sustrato.

En los procedimientos ya conocidos el rayo láser se guía en forma puntual o lineal sobre la superficie del sustrato. DALONG CONG et al. da a conocer investigaciones para la reparación de grietas por fatiga térmica sobre la superficie de un acero de colada a presión mediante la fusión local de la superficie de la pieza mediante la radiación láser (Lasersuface Remelting). La nueva fundición de la superficie del sustrato mediante radiación láser se realiza en patrones diferentes, en donde se selecciona al azar la zona en la que tiene lugar la fundición.

El documento EP 2561 946 A1 describe el tratamiento térmico de un sustrato metálico / componente estructural de un vehículo, que se debe conectar con otro componente mediante soldadura por puntos. Para impedir la formación de grietas en la zona de los puntos de soldadura, el sustrato metálico se trata térmicamente en esta región antes de la soldadura con ayuda de la radiación láser. Esto provoca una reducción del alargamiento de rotura y por consiguiente un debilitamiento del sustrato.

El documento US 2005/039828 A1 da a conocer un procedimiento para el revenido de un sustrato metálico / chapa con ayuda de radiación láser. Mediante el procedimiento se disminuye una aparición de grietas condicionadas por tensión, que se originan durante el plegado de las aristas para la conexión de dos sustratos metálicos.

Por el documento EP 1752547 A1 se conoce un procedimiento para impedir la propagación de grietas, en donde se incorpora un patrón de abolladuras puntuales en el sustrato. En el marco de esta invención se ha mostrado ahora de manera inesperada, que el efecto de los esfuerzos internales generadas mediante el tratamiento térmico por láser sea claramente mayor cuando el rayo láser no se guía en forma de una línea o de un punto, sino en forma de un círculo, un arco o una curva sobre la superficie del material. Se ha encontrado que con el procedimiento según la invención se pueden conseguir vidas útiles claramente más elevadas de los materiales mecanizados con gastos y costes de proceso simultáneamente bajos. Sin querer vincularse a una teoría determinada, se supone que este efecto inesperado está fundamentado en la superposición positiva de los campos de esfuerzos internales.

Descripción de la invención

La presente invención tiene el objetivo de poner a disposición un procedimiento, con el que se prolongue aún más la vida útil de un sustrato metálico en comparación con procedimientos ya conocidos. En particular se debe poner a disposición un procedimiento con el que se reduzca la tasa de propagación de grietas por fatiga en comparación con procedimientos ya conocidos. Además, se debe poner a disposición un sustrato metálico que presente una tasa de propagación de grietas por fatiga reducida.

Los objetivos según la invención se consiguen mediante un procedimiento según la reivindicación 1, así como mediante un sustrato metálico según la reivindicación 8.

Con el procedimiento según la invención se pueden conseguir aumentos de ciclos de carga de más del 100% en comparación al sustrato base no tratado.

Por lo tanto, se pone a disposición un procedimiento, a través del que se puede reducir la velocidad de propagación de una grieta en un sustrato metálico. Para ello se identifica en primer lugar una grieta en un sustrato metálico, en donde la grieta presenta dos o varios extremos de grieta. Luego el sustrato metálico se calienta mediante un tratamiento térmico por láser en uno o varios extremos de grieta en las direcciones de propagación de la grieta. El rayo láser se guía a este respecto sobre la superficie del sustrato, de modo que describe la forma de un óvalo, un arco o una curva.

La fig. 1 muestra distintas formas de realización de la invención.

La fig. 2 muestra esquemáticamente los sustratos usados en el ejemplo.

La fig. 3 muestra el desarrollo de la longitud de grieta en función del número de los ciclos de carga aplicados y forma geométrica que describe el rayo láser durante el guiado sobre la superficie del sustrato.

Según una forma de realización, en primer lugar se identifican una o varias grietas (10) en el sustrato metálico (20), cuya vida útil se debe prolongar. La una o las varias grietas (10) presentan habitualmente dos extremos de grieta (30). Pero también es concebible que la grieta (10) presenta más de dos extremos de grieta (30). A continuación, el sustrato metálico (20) se calienta en uno o varios extremos de grieta (30) de la grieta (10) identificada anteriormente mediante un tratamiento térmico por láser. A este respecto, el rayo láser se guía sobre la superficie del sustrato (40), de modo que describe la forma de un óvalo (50), un arco (60) o una curva (70) (véase la fig. 1). Así mediante el tratamiento térmico por láser se incorpora una estructura oval, en forma de arco o curva en el sustrato metálico en uno o varios extremos de grieta (30). En el marco de esta invención el óvalo (50) se debe entender de modo que los círculos (80) y elipses (90) están comprendidos por él como casos especiales.

El especialista seleccionará la distancia entre los extremos de grietas (30) y la estructura incorporada mediante un tratamiento térmico por láser en el sustrato (20) debido a su conocimiento especializado general. Si la estructura incorporada en el sustrato (20) es un círculo, la distancia entre el extremo de grieta (30) y el centro de círculo es preferiblemente de 5 a 15 mm, más preferiblemente de 8 a 12 mm, lo más preferiblemente aproximadamente de 10 mm.

Según una forma de realización, el rayo láser se guía sobre la superficie del sustrato (40), de modo que describe la forma de un óvalo (50) (fig. 1). Preferiblemente describe la forma de un círculo (80) (fig. 1) o una elipse (90) (fig. 1), más preferiblemente de un círculo (80) (fig. 1). Preferiblemente los círculos (80) presentan un diámetro de 3-7 mm, más preferiblemente 4-6 mm, todavía más preferiblemente aproximadamente 5 mm. Los círculos (80) presentan preferiblemente una distancia entre centros de 20-30 mm, más preferiblemente aproximadamente 25 mm, entre sí. No obstante, también son concebibles otros diámetros de círculo y distancias entre centros, que puede seleccionar el especialista conforme a la grieta (10) en cuestión.

El especialista elegirá los parámetros del tratamiento térmico por láser gracias a su conocimiento especializado, de modo que el sustrato metálico (20) no se menoscabe tan intensamente. Preferiblemente el sustrato metálico (20) se calienta a una temperatura por debajo de la temperatura de fusión. Al usarse un sustrato de aluminio, el sustrato se caliente preferiblemente a una temperatura entre 300 y 800 °C, más preferiblemente entre 400 y 700 °C, todavía más preferiblemente a aproximadamente 600 °C. Por ejemplo, se puede usar un láser desenfocado con un diámetro de punto de aproximadamente 3,5 mm sobre la superficie del sustrato (40), una potencia de 600 W y una velocidad del láser de 1600 mm/min.

Según una forma de realización ilustrada en las figuras, la grieta (10) presenta dos extremos de grieta (30) y el sustrato (20) se calienta en ambos extremos de grieta (30) en las direcciones de propagación de la grieta (10) mediante un tratamiento térmico por láser. Según otra forma de realización, la grieta (10) presenta dos extremos de grieta (30) y el sustrato (20) se calienta sólo en un extremo de grieta (30) en la dirección de propagación de la grieta (10) mediante un tratamiento térmico por láser, en donde el sustrato (20) queda no tratado en el otro extremo de grieta (30). Según otra forma de realización, la grieta (10) presenta más de dos extremos de grieta (30) y el sustrato (20) se calienta en todos los extremos de grieta (30) mediante un tratamiento térmico por láser. No obstante, también es concebible que el sustrato se caliente en uno o varios extremos de grieta (30), pero no en todos los extremos de grieta (30) mediante un tratamiento térmico por láser. La estructura geométrica, que describe el rayo láser durante el guiado sobre la superficie del sustrato (40), se puede elegir libremente en cada extremo de grieta (30) en el que el rayo láser se guía sobre la estructura de sustrato (40). Por ejemplo, así es concebible que el rayo láser se guíe en un extremo de grieta (30) de una grieta (10) sobre la superficie del sustrato (40), de modo que describe la forma de un círculo (80) y en otro extremo de grieta (30) de la misma grieta (10) se guía sobre la superficie del sustrato (40), de modo que describe la forma de una curva (70). A este respecto, las estructuras geométricas se pueden seleccionar y combinar independientemente entre sí.

El sustrato metálico (20) puede comprender, por ejemplo, aluminio, acero, titanio o magnesio o estar hecho de ellos. Según una forma de realización preferida, el sustrato metálico (20) es una aleación de aluminio.

La presente invención se refiere además a un sustrato metálico (10), que está fabricado mediante el procedimiento según la invención.

El sustrato metálico (20) fabricado mediante el procedimiento según la invención se usa preferiblemente como componente en un vehículo terrestre, embarcación o aeronave. De forma especialmente preferida el sustrato metálico (20) se usa como componente en el fuselaje inferior de un avión.

Ejemplo:

La invención se explica ahora más en detalle mediante los siguientes ejemplos, en donde los ejemplos no limitan la invención de ninguna manera a esta forma de realización.

Se ha investigado el desarrollo de la longitud de grieta en un sustrato metálico (20) en función de los ciclos de carga aplicados y de la forma geométrica en el que el rayo láser se guía sobre la superficie del sustrato (40) durante el tratamiento térmico por láser. Los ensayos se han llevado a cabo sobre muestras de M(T)200 de AA2024T3 con un espesor de 2 mm. Se ha usado una potencia láser de 600 W, una velocidad del láser de 1600 mm/min y un láser desenfocado con un diámetro de punto de 3,5 mm sobre la superficie de la muestra. En primer lugar se ha incorporado (erosionado) una grieta de 7 mm en el centro de la muestra. A continuación, el sustrato (20) se ha expuesto a un número continuo de ciclos de carga y se ha determinado la longitud de grieta en función del número de los ciclos de carga. Se han examinado las muestras siguientes: sustrato de comparación a) sustrato no tratado (véase la fig. 2a); sustrato b) dos líneas (100) aplicadas en la dirección de propagación de la grieta (10) mediante un tratamiento térmico por láser a la distancia de 40 mm entre sí (una línea por lado de grieta (véase la fig. 2b), no según la invención); sustrato c) dos líneas (100) aplicadas en la dirección de propagación de la grieta (10) mediante un tratamiento térmico por láser a la distancia de 40 mm entre sí y dos líneas (110) que discurren en paralelo entre sí, aplicadas mediante un tratamiento térmico por láser a la distancia de 60 mm entre sí (dos líneas por lado de grieta (véase la fig. 2c), no según la invención); sustrato d) dos líneas (100) aplicadas en la dirección de propagación de la grieta (10) mediante un tratamiento térmico por láser a la distancia de 40 mm entre sí, dos líneas (110) que discurren en paralelo entre sí, aplicadas mediante un tratamiento térmico por láser a la distancia de 60 mm entre sí, así como dos líneas (120) que discurren en paralelo entre sí, aplicadas mediante un tratamiento térmico por láser a la distancia de 80 mm entre sí (tres líneas por lado de grieta (véase la fig. 2d), no según la invención); sustrato e) dos círculos (80) aplicados en la dirección de propagación de la grieta (10) mediante un tratamiento térmico por láser con respectivamente un diámetro de 5 mm y una distancia entre centros de 25 mm (véase la fig. 2e, según la invención).

Los resultados se muestran en la figura 3. Se muestra que mediante el procedimiento según la invención se pueden conseguir aumentos de ciclos de carga de más de 100% en comparación al material base. Mientras que el sustrato de comparación a) ya muestra con aproximadamente 40000 ciclos de carga un aumento brusco de la longitud de grieta, esto sólo es el caso en el sustrato e) según la invención con aproximadamente 80000 ciclos de carga, en donde el crecimiento de grieta mismo avanza con este elevado número de ciclos de carga claramente más despacio que en el sustrato de comparación a) después de 40000 ciclos de carga. El sustrato b) muestra una vida útil ligeramente elevada en comparación al sustrato de comparación a), que se puede elevar aún más mediante la aplicación de líneas adicionales (compárese sustrato c) y d)). Sorprendentemente el sustrato e) según la invención muestra una vida útil claramente eleva con sólo un círculo por lado de grieta en comparación al sustrato d), en el que se han aplicado tres líneas por lado de grieta mediante un tratamiento térmico por láser sobre el sustrato.

Para la mejor visión de conjunto se resumen el número de los ciclos de carga con una longitud de grieta de 65 mm para distintos sustratos en la tabla 1:

T l 1: i l r n n l n i ri mm.

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para la reducción de la velocidad de propagación de una grieta (10) en un sustrato metálico (20), en el que

(a) se identifica una grieta (10) en el sustrato metálico (20), en donde la grieta (10) presenta dos o varios extremos de grieta (30),

(b) se calienta el sustrato metálico (20) mediante un tratamiento térmico por láser en uno o varios extremos de grieta (30) en las direcciones de propagación de la grieta (10),

caracterizado porque el rayo láser se guía sobre la superficie del sustrato, de modo que describe la forma de un óvalo (50), de un arco (60) o una curva (70), en donde el óvalo (50) es un círculo (80) o una elipse (90).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el sustrato (20) se calienta mediante un tratamiento térmico por láser a una temperatura por debajo de la temperatura de fusión del sustrato (20).

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la grieta (10) presenta dos extremos de grieta (30) y el sustrato (20) se calienta en ambos extremos de grieta (30) en las direcciones de propagación de la grieta (10) mediante un tratamiento térmico por láser.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la grieta (10) presenta dos extremos de grieta (30) y el sustrato (20) se calienta en ambos extremos de grieta (30) en las direcciones de propagación de la grieta (10) mediante un tratamiento térmico por láser, en donde el rayo láser se guía en ambos extremos de grieta (30) sobre la superficie del sustrato (40), de modo que describe la forma de un círculo (80).

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque los círculos (80) presentan un diámetro de 3-7 mm, preferiblemente 4-6 mm, más preferiblemente aproximadamente 5 mm, y una distancia entre centros de 20-30 mm, preferiblemente aproximadamente 25 mm, entre sí.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sustrato metálico (20) es una aleación de aluminio.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque el material se calienta a una temperatura entre 300 y 800 °C, preferiblemente entre 400 y 700 °C, más preferiblemente a aproximadamente 600 °C.

8. Sustrato metálico, que presenta una grieta con dos o varios extremos de grieta, caracterizado porque está fabricado mediante un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7.