Optimización del comportamiento del sustrato tras la limpieza láser

Procedencia. Este texto es la traducción del apartado 4 del artículo de revisión de Deng et al. publicado en Materials (MDPI, 2022) en acceso abierto bajo licencia CC BY 4.0. Las referencias entre corchetes son las del artículo original y se conservan tal cual para que puedan rastrearse en él. La figura 7, la figura 8 y la figura 9 que se mencionan están en el original y no se reproducen aquí.

4. Optimización del comportamiento del sustrato

Al emplear un láser para retirar la película de óxido o la capa de pintura de una superficie de aleación de aluminio, puede conseguirse una limpieza controlada ajustando los parámetros de proceso: potencia del haz, densidad de energía y velocidad de barrido. Lo interesante es que optimizar esos parámetros no sólo retira con eficacia la película de óxido o la pintura, sino que además mejora el comportamiento del sustrato.

4.1 Resistencia a la corrosión

La resistencia a la corrosión de la superficie de aleación de aluminio mejora tras retirar con láser la película de óxido o la capa de pintura, y es superior a la que se obtiene por limpieza mecánica.

Al comparar la resistencia a la corrosión del sustrato y sus mecanismos después de la limpieza mecánica y de la limpieza láser, la investigación encontró que la resistencia a la corrosión de la aleación de aluminio tras el tratamiento láser es mayor porque el tamaño de grano no cambió [66].

Ahora bien, la aleación de aluminio sufrió oxidación térmica tras la limpieza láser, la superficie se refundió y el MgAl₂O₄ inicialmente presente se descompuso para dar una nueva capa nanoestructurada compuesta por MgO y Al₂O₃ [67], lo que hizo uniforme la distribución de elementos y afinó el grano [68].

Este resultado se aprecia con claridad en las estadísticas de tamaño de grano del sustrato tras la limpieza láser (figura 7 del original): el tamaño medio de grano de toda la región fue de 7,98 µm, y los granos de menos de 10 µm representaron el 65 % del total. En la región superior, el tamaño medio de grano fue de 7,30 µm, y el 73 % de los granos tenían un diámetro inferior a 10 µm.

Estos resultados hacen mínima la diferencia de composición entre el límite de grano y el interior del grano, lo que reduce la densidad de corriente de corrosión [69].

Zhu et al. [13] realizaron ensayos electroquímicos y verificaron que la limpieza láser no reduce la resistencia a la corrosión de las superficies de aleación de aluminio, y que la mejora del comportamiento frente a la corrosión guarda relación con la densidad de energía.

4.2 Comportamiento en soldadura

La soldabilidad de la aleación de aluminio aumenta al emplear la limpieza láser para retirar las películas de óxido de la superficie.

La investigación encontró que la limpieza láser retira la mayor parte de los lubricantes y contaminantes adheridos a la superficie, elimina el hidrógeno y otros gases generados por recubrimientos, lubricantes y contaminantes, y reduce la fuente de hidrógeno que produce microporos durante la soldadura, con lo que mejora sensiblemente la calidad del cordón [8, 62, 70, 71].

Al comparar la porosidad del cordón sobre una superficie de aleación de aluminio tras tres tratamientos previos, Zhou et al. [62] encontraron que, después de la limpieza láser al aire, la porosidad bajaba al 2,91 % desde el valor máximo del 9,68 % que presentaba la superficie sin tratar. Tras la limpieza láser en argón, la porosidad se redujo aún más, hasta un 1,59 %.

Haboudou et al. [70] obtuvieron resultados similares (figura 8 del original). Con cualquier preparación de superficie la tasa de porosidad tiende a bajar a las dos velocidades de soldadura ensayadas, pero la limpieza láser es la que tiene un efecto más notable: suprime prácticamente por completo los poros en A356 —la porosidad residual es inferior al 2 %— y los reduce a la mitad en AA5083.

Además, Chen [72] encontró que, tras la limpieza láser, la película de óxido de la superficie de aleación de aluminio formaba una microestructura y nanoestructura tales que la profundidad de soldadura primero disminuía y después aumentaba hasta estabilizarse en un valor un 23,4 % superior al de la superficie sin limpiar y un 10,1 % superior al de la superficie pulida mecánicamente.

4.3 Comportamiento de la adherencia

Las capas de pintura se retiran de las superficies de aleación de aluminio para el mantenimiento y el repintado, y el resultado de esa eliminación es el factor principal a considerar. La adherencia de la nueva capa de pintura es también una cuestión a tener en cuenta tras la limpieza láser.

El estudio mostró que la adherencia del recubrimiento sobre el sustrato mejora notablemente tras la limpieza láser, y que es superior a la obtenida con amolado mecánico [68]. La razón principal es que la rugosidad superficial del sustrato disminuye tras la limpieza láser y, en consecuencia, también lo hace la fuerza cortante sobre el recubrimiento bajo la misma carga.

Además, el tratamiento por ablación láser genera una nueva capa de óxido con mayor actividad superficial sobre el sustrato de aleación de aluminio [71, 73], lo que favorece el mojado completo del adhesivo y aumenta la resistencia de la unión.

4.4 Otras propiedades

La limpieza láser mejora la resistencia a la corrosión, el comportamiento en soldadura, la adherencia, las propiedades de tracción y de flexión, la microdureza superficial y el comportamiento frente a fricción y desgaste de la aleación de aluminio [35, 73, 74, 75, 76].

Wang et al. [35] encontraron que la microdureza superficial de la aleación de aluminio 7075 aumentaba entre un 5,62 % y un 8,45 % como consecuencia de las ondas de choque generadas por la explosión del plasma y por la explosión de aire y agua en el defecto (figura 9 del original).

Yuan et al. [76] emplearon un láser pulsado para retirar la capa de óxido de la superficie de una aleación de aluminio AA2024 de uso aeroespacial. Los resultados mostraron que la limpieza láser mejoraba el comportamiento frente a fricción y desgaste de la superficie AA2024 al alterar su microestructura. Además, la limpieza láser producía una capa endurecida en la superficie y aumentaba su microdureza.

Referencia

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/ma15155469