Limpieza láser controlada de superficies de aleación de aluminio — estado del arte

Procedencia y alcance de esta traducción. Es la traducción del artículo de revisión de Deng et al., publicado en Materials (MDPI, 2022) en acceso abierto bajo CC BY 4.0, licencia que permite traducir y redistribuir citando la fuente.

El apartado 4 no se repite aquí. Está publicado como entrada propia, Optimización del comportamiento del sustrato, por ser la parte que más se consulta. Esta ficha recoge los apartados 1, 2, 3, 5 y 6.

Las referencias entre corchetes son las del original y se conservan tal cual para que puedan rastrearse en él. Las figuras no se reproducen; se indica a cuál corresponde cada comentario.

Autores: Jian Deng, Guanrong Zhao, Jieheng Lei, Lin Zhong y Zeyong Lei. Escuelas de Ciencia y Tecnología Nuclear, de Ingeniería Mecánica y de Ingeniería Eléctrica, University of South China (Hengyang 421001, China).

Resumen

Las aleaciones de aluminio se emplean ampliamente en automoción, aeronáutica, estructuras de edificación y ferrocarril de alta velocidad por sus excelentes propiedades estructurales y mecánicas. Retirar la película de óxido antes de soldar, y retirar la pintura vieja antes de repintar, son factores decisivos para garantizar la calidad de la soldadura y la vida útil de la pieza.

Por sus ventajas —respeto ambiental y control preciso—, la limpieza láser controlada tiene un gran potencial como tecnología de preparación de superficie. Este trabajo analiza el mecanismo de la limpieza láser de películas de óxido y capas de pintura sobre aluminio, examina en detalle la influencia de los distintos parámetros de proceso, expone cómo mejoran tras la limpieza la resistencia a la corrosión, el comportamiento en soldadura y la adherencia, y revisa varias tecnologías de detección en tiempo real.

1. Introducción

Las aleaciones de aluminio se utilizan de forma generalizada en aeronáutica, construcción, automoción y ferrocarril de alta velocidad por su baja densidad, su buena conformabilidad, su elevada resistencia específica y su excelente resistencia a la corrosión [1–4].

Ahora bien, si hay una película de óxido en la superficie, ésta absorbe con facilidad agua y aceite, de modo que durante la soldadura aparece un gran número de poros en el cordón, lo que afecta gravemente a su formación y al comportamiento de la unión [5, 6]. Para mejorar la calidad de la soldadura hay que retirar rigurosamente las películas de óxido antes de soldar [7, 8].

Por otra parte, las capas de pintura de los equipos fabricados en aleación de aluminio acaban envejeciendo, agrietándose y desprendiéndose parcialmente tras un uso prolongado, con lo que pierden su función protectora [9]. De ahí que haya que repintarlos con cierta frecuencia, y antes del repintado debe realizarse un decapado sin dañar el sustrato [10, 11].

Por ejemplo, una aeronave necesita una revisión general periódica, normalmente cada cinco o seis años. Durante esa revisión hay que retirar la capa de pintura del entorno del revestimiento para poder repintarlo y para poder identificar grietas y defectos en el revestimiento de aleación y en los elementos estructurales [12, 13].

Los métodos tradicionales para retirar la película de óxido o la capa de pintura son principalmente el mecánico y el químico. El procedimiento mecánico —rascado, cepillado y proyección de granalla (shot peening)— es más eficiente que el trabajo manual, pero resulta ineficaz sobre superficies curvas o estructuras complejas.

2. El mecanismo de la limpieza láser

La fuerza de unión entre la película de óxido o la capa de pintura y el sustrato comprende fundamentalmente el enlace covalente, la interacción dipolo-dipolo, la acción capilar, el enlace de hidrógeno, las fuerzas de Van der Waals y las fuerzas electrostáticas [36, 37].

La tecnología de limpieza láser aprovecha que el haz tiene una gran densidad de energía y coherencia espacial para vaporizar directamente la película de óxido o la capa de pintura, o bien para vencer la fuerza de adhesión que la mantiene unida al sustrato [38]. El mecanismo de actuación comprende principalmente los efectos de gasificación por ablación, desprendimiento por vibración y desprendimiento por explosión [39, 40] (figura 1 del original).

La limpieza láser es un proceso físico y químico muy complejo, y en la limpieza de cada sustancia suelen intervenir varios efectos acoplados [34].

2.1 Efecto de gasificación por ablación

Cuando un haz láser de alta energía incide sobre la película de óxido o la capa de pintura, parte de la luz se refleja. El resto lo absorbe la película o la capa, que acumula esa energía superficial y eleva rápidamente su temperatura.

Cuando la energía recibida supera su punto de gasificación, la película de óxido o la capa de pintura se vaporiza y volatiliza de forma instantánea, se separa de la superficie y se produce la limpieza [41, 42].

En paralelo, durante la gasificación, el gas generado y el aire circundante se ionizan y forman un plasma que se agrupa. Cuando ese grupo de plasma alcanza cierto tamaño, produce sobre la superficie del material una onda de choque de alta presión que desprende la película de óxido o la capa de pintura [43].

2.2 Efecto de desprendimiento por vibración

Cuando el láser actúa sobre la película de óxido o la capa de pintura, la energía luminosa se convierte en energía térmica y la capa se dilata con rapidez [44, 45].

La tensión térmica que se produce durante esa dilatación es mayor que el enlace químico o las fuerzas de Van der Waals entre los materiales, y supera la fuerza de adhesión entre la capa y el sustrato. En consecuencia, la película de óxido o la capa de pintura puede desprenderse de la superficie del sustrato [46, 47].

Además, cuando el haz atraviesa la capa y alcanza finalmente la superficie del sustrato, una parte se refleja. El haz incidente provoca interferencias en el interior de la capa durante esa reflexión, lo que genera ondas resonantes de alta energía cuya energía impacta sobre la capa y acelera su eliminación [13].

2.3 Efecto de desprendimiento por explosión

Los poros y huecos de la película de óxido o de la capa de pintura suelen estar ocupados por aire o por agua. Ese aire o esa agua absorben energía al quedar expuestos a un láser de alta intensidad, se calientan rápidamente y se expanden o estallan [48].

Cuando la presión provocada por esa expansión explosiva, o la fuerza de impacto, vence la adhesión entre la capa y el sustrato, la película de óxido o la capa de pintura se rompe y puede desprenderse de la superficie [49].

3. Optimización de los parámetros de proceso

El resultado de la limpieza láser controlada se evalúa principalmente según la tasa de eliminación de la película de óxido o de la capa de pintura y el grado de daño al sustrato. Optimizar los parámetros es determinante para lograr una limpieza realmente controlada.

Los parámetros se dividen en dos grupos:

• Parámetros del haz: potencia, densidad de energía, frecuencia de repetición y anchura de pulso.
• Parámetros espaciales: velocidad de limpieza, velocidad de barrido y distancia de desenfoque.

3.1 Parámetros del haz

Los láseres empleados para retirar películas de óxido y capas de pintura de aleaciones de aluminio son, de forma general, el láser pulsado de fibra de nanosegundo y el Nd:YAG. La variación de los parámetros del haz influye de forma significativa en el resultado. Para cada recubrimiento concreto existe un valor ideal, determinado por la tasa de eliminación de oxígeno, las fluctuaciones de temperatura y la variación de rugosidad superficial, entre otros factores.

Tabla 1. Optimización de los parámetros del haz.

Sustrato	Tipo de láser	Material retirado	Espesor	Parámetro	Rango	Umbral	Método de evaluación	Sin limpiar	Limpiado	Ref.
7050	Fibra pulsado ns	Película de óxido	—	Potencia (W)	16–160	80	Contenido de oxígeno	8,18 %	1,36 %	[50]
5A12	Nd:YAG	Película de óxido	—	Potencia (W)	50–110	98	Contenido de oxígeno	14,4 %	8,3 %	[51]
6061	Fibra pulsado ns	Película de óxido	—	Potencia (W)	15–25	20	Contenido de oxígeno	44,86 %	7,72 %	[52]
5083	Fibra pulsado ns	Película de óxido	5 µm	Potencia (W)	26–74	42	Contenido de oxígeno	50,85 %	4,79 %	[53]
2024	Fibra pulsado ns	Capa de pintura	50 µm	Potencia (W)	10,5–25,5	16,5	Rugosidad superficial	—	1,615 µm	[54]
2024	Fibra pulsado ns	Capa de pintura	150 µm	Potencia (W)	400–600	556,17	Daño al sustrato	0	0	[12]
AA5083	Fibra pulsado ns	Película de óxido	—	Fluencia (J/cm²)	3,5–8,5	7,1	Espectro UV-vis	≈ 25 %	≈ 75 %	[55]
5083	Fibra pulsado ns	Película de óxido	—	Fluencia (J/cm²)	3,5–35	17,5	Contenido de oxígeno	11,16 %	2,76 %	[33]
AA7024-T4	Fibra pulsado ns	Película de óxido	—	Fluencia (J/cm²)	3,5–11,3	7,1	Contenido de MgAl₂O₄	11,05 %	0	[56]
2024	Nd:YAG	Capa de pintura	130 µm	Fluencia (J/cm²)	2–6	5	Contenido de Al	0	79,5 %	[13]
7075	Fibra pulsado ns	Capa de pintura	40 µm	Fluencia (J/cm²)	8–28	24	Temperatura	0	769 K	[57]
Serie Al-Mg	Fibra pulsado ns	Capa de pintura	40 ± 5 µm	Fluencia (J/cm²)	1,2–8	3,2	Contenido de oxígeno	1,64 %	1,57 %	[58]
2024	Fibra pulsado ns	Capa de pintura	100 µm	Fluencia (J/cm²)	5–40	25	Temperatura	0	509 °C	[59]
2024	Fibra pulsado ns	Capa de pintura	50 µm	Fluencia (J/cm²)	14,15–35,39	21,23	Contenido de oxígeno	—	0,96 %	[60]
6160	Fibra pulsado ns	Película de óxido	—	Frecuencia (kHz)	40–140	100	Contenido de oxígeno	—	4 %	[61]
2024	Fibra pulsado ns	Capa de pintura	50 µm	Frecuencia (kHz)	20–45	30	Tasa de eliminación	0	100 %	[54]
5083	Fibra pulsado ns	Película de óxido	5 µm	Anchura de pulso (ns)	26–240	100	Contenido de oxígeno	—	5,03 %	[53]

La fila destacada es la referencia [13], el trabajo de Zhu et al. sobre revestimiento de aeronave. Es de donde sale la cifra de 5 J/cm² que atraviesa toda la documentación del FP-300. Véase la ficha Corrosión y desgaste del revestimiento.

Obsérvese también, en el conjunto de la tabla, algo que conviene entender: los umbrales varían en un orden de magnitud según la aleación, el tipo de capa y su espesor —de 1,2 a 40 J/cm²—. No existe «el» parámetro de la limpieza láser: existe el parámetro de su material. Es la justificación técnica de por qué siempre se valida sobre probeta.

3.1.1 Potencia del haz

La potencia determina la energía que recibe la superficie por unidad de área y de tiempo, y es uno de los factores decisivos. Los estudios muestran que el resultado de la eliminación mejora progresivamente al aumentar la potencia. Sin embargo, a partir de cierto punto la película de óxido o la capa de pintura ya está retirada y el exceso de energía pasa a actuar sobre el propio sustrato, que se ablaciona.

3.2 Parámetros espaciales

Los parámetros espaciales se refieren al desplazamiento relativo entre el cabezal y la superficie, y a la velocidad a la que el haz recorre la pieza: velocidad de limpieza, velocidad de barrido y distancia de desenfoque.

Tabla 2. Optimización de los parámetros espaciales.

Sustrato	Tipo de láser	Material retirado	Espesor	Parámetro	Rango	Umbral	Método de evaluación	Sin limpiar	Limpiado	Ref.
5A12	Nd:YAG	Película de óxido	—	Velocidad de limpieza (mm/min)	60–1242	246	Contenido de oxígeno	14,4 %	8,3 %	[51]
2219	Fibra pulsado ns	Película de óxido	24 µm	Velocidad de limpieza (mm/min)	500–3500	3500	Contenido de oxígeno	21,67 %	2,8 %	[63]
7075	Fibra pulsado ns	Película de óxido	—	Velocidad de barrido (mm/min)	20–3000	1000	Rugosidad superficial	—	0,122 µm	[50]
5083	Fibra pulsado ns	Película de óxido	5 µm	Velocidad de barrido (mm/min)	3000–7000	4725	Contenido de oxígeno	50,85 %	3,89 %	[53]
2024	Fibra pulsado ns	Capa de pintura	50 µm	Velocidad de barrido (mm/min)	200–1200	600	Rugosidad superficial	—	1,205 µm	[54]
7075	Fibra pulsado ns	Capa de pintura	40 µm	Velocidad de barrido (mm/min)	1600–2400	2000	Compuesto superficial	Aparece	Desaparece	[57]
2024	Fibra pulsado ns	Capa de pintura	200 µm	Desenfoque (mm)	−4 a +4	0	Topografía superficial	—	Gasifica	[64]
6005A	Fibra pulsado ns	Capa de pintura	—	Desenfoque (mm)	−3 a +3	0	Color de la superficie	Negro	Blanco brillante	[65]

3.2.1 Velocidad de limpieza

Es la velocidad de desplazamiento del cabezal durante el proceso. Su variación afecta sobre todo al tiempo de irradiación por unidad de área.

Los estudios muestran que el resultado sobre la película de óxido primero mejora y después empeora a medida que se reduce la velocidad de limpieza. Con la velocidad adecuada, la capa se retira dejando una rugosidad mínima. Al aumentar progresivamente la velocidad, el valor de rugosidad crece y la superficie queda más rugosa que la muestra original [51]. Pero si se reduce demasiado la velocidad, la tensión térmica del láser daña el sustrato [63].

Como se aprecia en la figura 5 del original, a una velocidad de limpieza de 10,4 mm/s la superficie parecía más rugosa y, sin embargo, presentaba menos estructuras anulares y menos huecos.

En términos prácticos: ni muy deprisa ni muy despacio. Ir despacio no es la opción conservadora que parece —concentra energía y daña—, y es un error frecuente en quien empieza.

4. Optimización del comportamiento del sustrato

Publicado como entrada propia: Optimización del comportamiento del sustrato tras la limpieza láser — resistencia a la corrosión, comportamiento en soldadura, adherencia, microdureza y desgaste.

5. Detección en tiempo real de la limpieza láser

El resultado de la limpieza depende de los parámetros espaciales, de los del haz y de las propiedades físicas del material. Para garantizar que se cumplen los requisitos es necesaria la detección en tiempo real del proceso; además, es la condición para llegar a una limpieza verdaderamente controlada e inteligente.

Las tecnologías de detección se centran en tres vías: señales acústicas, espectroscopía de plasma inducido por láser (LIBS) y visión artificial [77–87].

El fundamento físico

Cuando el láser irradia la película de óxido o la capa de pintura, ésta se vaporiza y volatiliza rápidamente si la energía recibida supera el punto de vaporización del material. Las partículas vaporizadas siguen absorbiendo energía.

• Si la superficie absorbe energía por encima de la energía de ionización, se produce la ionización y se forma una nube de plasma a alta temperatura y alta presión que genera ondas de choque [77].
• Si la superficie absorbe energía por debajo del punto de fusión del material, éste se dilata al aumentar la temperatura. En ese caso, la deformación periódica de la capa superficial provocada por los pulsos radia ondas acústicas termoelásticas regulares [78].

Tanto la onda acústica de plasma como la termoelástica dependen de las propiedades térmicas y ópticas del material y de las del láser incidente. Durante el proceso de limpieza, esas propiedades térmicas y ópticas cambian —porque cambia el material que hay en la superficie—, y con ellas cambia la señal acústica.

Ese es el hallazgo aprovechable: es posible supervisar la limpieza en línea detectando la señal acústica que genera. En la práctica, un micrófono capta la señal acústica de la superficie que se está limpiando y la señal analógica se digitaliza para su análisis.

Es el fundamento de la «supervisión acústica» que mencionan los documentos operativos del FP-300: la pintura y el aluminio suenan distinto al ser alcanzados por el láser, y ese cambio de firma indica que el recubrimiento ha desaparecido y el sustrato está expuesto.

6. Resumen y perspectivas

Este trabajo revisa el mecanismo de la limpieza láser, la influencia de los distintos parámetros de proceso sobre el resultado, la optimización del comportamiento del sustrato y las tecnologías de detección en tiempo real.

Sobre el mecanismo. La gasificación por ablación, el desprendimiento por vibración y el desprendimiento por explosión son los tres mecanismos de la limpieza láser. Cuando la energía recibida por la superficie de la aleación supera el punto de vaporización del material, la película de óxido o la capa de pintura se vaporiza y se retira directamente. En caso contrario, la capa se desprende del sustrato por efecto de la dilatación y de las ondas de choque.

Sobre los parámetros. El resultado depende de forma crítica de los parámetros de proceso. Aumentar la potencia, la densidad de energía, la frecuencia de repetición o la anchura de pulso, o bien reducir la velocidad de limpieza, la velocidad de barrido o el área del punto enfocado, favorece la limpieza. Pero si se sigue aumentando o reduciendo, el sustrato acaba ablacionándose. De ahí que sea imprescindible determinar los umbrales de limpieza y de daño antes de empezar.

Sobre el sustrato. Con los parámetros adecuados mejoran la resistencia a la corrosión, el comportamiento en soldadura, la adherencia, las propiedades de tracción y flexión, la microdureza superficial y el comportamiento frente a fricción y desgaste.

Sobre la detección. Las tecnologías en tiempo real —señales acústicas, LIBS y visión artificial— son la vía sensata para implantar una limpieza controlada e inteligente.

Retos abiertos

Aunque el láser retira con éxito la película de óxido y la capa de pintura, los autores señalan líneas de trabajo pendientes. La primera, y la más relevante para quien opera un equipo:

Perfeccionar el mecanismo de la limpieza láser. Aunque la literatura describe mecanismos distintos según las condiciones, no se ha estudiado cómo afectan los distintos mecanismos al resultado de la limpieza. Existe riesgo de oxidación secundaria o de ablación del sustrato durante el proceso. Por tanto, la investigación futura sobre el mecanismo debería centrarse en el acoplamiento cruzado entre óptica, calor y mecánica en la interacción entre el haz y los materiales.

Merece la pena retener esa reserva. La literatura respalda con solidez que la limpieza láser funciona y que, bien parametrizada, mejora el sustrato. Lo que todavía no está cerrado es el modelo completo de por qué, y con él la capacidad de predecir el umbral de un material nuevo sin ensayarlo. Mientras eso siga abierto, la probeta no es una precaución burocrática: es el método.

Cita

Deng, J.; Zhao, G.; Lei, J.; Zhong, L.; Lei, Z. «Research Progress and Challenges in Laser-Controlled Cleaning of Aluminum Alloy Surfaces». Materials 2022, 15, 5469. https://doi.org/10.3390/ma15165469

Editor académico: Beat Neuenschwander. Recibido el 26 de mayo de 2022; aceptado el 3 de agosto de 2022; publicado el 9 de agosto de 2022. © 2022 de los autores. Licenciataria: MDPI, Basilea, Suiza. Artículo en acceso abierto bajo licencia Creative Commons Attribution (CC BY) 4.0.