Tecnología de perforación láser para mecanizado de aleaciones de titanio de alta-precisión

Las aleaciones de titanio, con su alta dureza Vickers y baja conductividad térmica, presentan desafíos notables para la perforación mecánica convencional, incluido el desgaste acelerado de las herramientas, una deformación térmica severa y una precisión de mecanizado deficiente. La perforación láser, que utiliza las ventajas del procesamiento sin-contacto, la alta precisión y la alta eficiencia, rompe las barreras del mecanizado de precisión de aleaciones de titanio. Puede permitir la actualización de la fabricación-de alta gama hacia una producción inteligente y de nivel micrométrico-.

 

 

La perforación láser enfoca un rayo láser de alta-energía-densidad sobre la superficie de la aleación de titanio, lo que hace que el material se derrita, se vaporice y se convierta instantáneamente en plasma. Los residuos son expulsados ​​por gas a alta-presión para formar agujeros de alta-precisión. Su naturaleza avanzada radica en el control preciso de los procesos de procesamiento y energía, con avances fundamentales en la iteración de la tecnología de pulsos y la optimización de los modos de procesamiento.

 

La tecnología de pulso ha avanzado desde láseres ultrarrápidos de nanosegundos a picosegundos y femtosegundos. Consigue la vaporización directa del material, reduciendo la zona afectada por el calor-(HAZ) por debajo de 5 μm y evitando defectos como las capas refundidas. El procesamiento con láser infrarrojo de femtosegundo de aleación de titanio da como resultado una rugosidad de la pared del orificio (Ra), una precisión del diámetro del orificio de ±2 μm y una precisión de posicionamiento repetido de ±1,5 μm, lo que cumple con los requisitos de precisión de la fabricación de alta-.

 

Los modos de procesamiento principales son la perforación por percusión y la perforación por trepanación:

La perforación por percusión controla la profundidad mediante pulsos, lo que la hace altamente eficiente para la producción en masa de micro{0}}agujeros normales;

 

La perforación con trepanación se basa en un movimiento relativo circular, lo que logra una forma de orificio y una calidad de pared superiores, y puede procesar orificios de alta-precisión con una relación de aspecto superior a 50:1. Combinado con el enfoque dinámico de enlace de 5-ejes y la tecnología de posicionamiento visual CCD, también puede procesar orificios con formas especiales en superficies curvas complejas y en ángulos de inclinación menores o iguales a 45 grados, con una desviación entre el eje del orificio y la línea normal diseñada menor o igual a 1,5 grados.

 

 

Fuente de la imagen: sciencedirect sobre perforación láser

 

 

En comparación con la perforación mecánica tradicional y el mecanizado por descarga eléctrica (EDM), la perforación láser constituye una competitividad técnica cuatro{0}}en-una de "precisión, eficiencia, flexibilidad y respeto al medio ambiente" en el mecanizado de precisión de aleaciones de titanio, con amplias ventajas. Lo más destacado son los dos avances en eficiencia y precisión ultra-altas:

 

Los láseres de fibra de alta-potencia combinados con pulsos de alta-frecuencia de 200 kHz permiten el procesamiento de un solo-orificio en 0,05-0,5 segundos, 10-1000 veces más eficiente que la electroerosión. La capacidad de producción de procesamiento de álabes de turbinas de motores de aviación se ha incrementado en más de un 300%. El tamaño del punto enfocado es menor o igual a 15 μm, con una precisión del diámetro del orificio de ±15 μm y una redondez mayor o igual al 95 %, lo que permite un procesamiento estable de microagujeros que van desde 0,001 mm a 1 mm, que es mucho más preciso que el procesamiento mecánico tradicional.

 

El procesamiento sin-contacto y la adaptabilidad total del material amplían los límites de la aplicación: sin deformación inducida por fuerza de corte-, adecuado para aleaciones de titanio con espesores de 0,1-50 mm; La conmutación inteligente de longitudes de onda, la compensación del gradiente de energía y el gas auxiliar de alta presión-de 0,2-0,8MPa logran un procesamiento de orificio pasante sin rebabas-y estrés-concentración, con HAZ inferior o igual a 50 μm, adecuado para componentes de aleación de titanio con revestimientos de barrera térmica.

 

La inteligencia y la fabricación ecológica se alinean con la actualización industrial: el equipo integra inteligencia artificial y monitoreo en tiempo real- para optimizar dinámicamente los parámetros de procesamiento, lo que aumenta la tasa de calificación del diámetro del orificio al 98 % y reduce el tiempo de depuración manual en un 90 %; El uso de lubricación de cantidad mínima (MQL) o CO₂ supercrítico en lugar de fluidos de corte reduce la descarga de aguas residuales en más de un 90 %, con una eficiencia de conversión electro-óptica superior al 30 % y un consumo de energía unitario reducido en un 60 %, cumpliendo con los objetivos de doble carbono y los requisitos medioambientales de la fabricación de alta-.

 

 

La aplicación madura de la tecnología de perforación láser está remodelando los procesos de fabricación de componentes de aleación de titanio en la industria aeroespacial, dispositivos médicos, vehículos de nueva energía y otros campos, convirtiéndose en un soporte técnico central para la producción en masa de componentes centrales clave.

 

En el campo aeroespacial, esta tecnología traspasa los límites de fabricación de componentes de extremo caliente-: el procesamiento con láser de femtosegundo de orificios de enfriamiento en palas de turbinas de aleación de titanio con recubrimientos de barrera térmica evita daños en el recubrimiento, mejora la uniformidad del flujo de aire de enfriamiento y la eficiencia térmica del motor, extiende la vida útil de las palas y mejora la eficiencia del procesamiento de conjuntos de orificios de reducción de peso en los revestimientos del fuselaje, lo que contribuye al aligeramiento de las aeronaves.

 

En el campo de los dispositivos médicos, sienta una base estructural sólida para la medicina de precisión: la red tridimensional de orificios pasantes-de los implantes ortopédicos acelera la osteointegración, el procesamiento de micro-ranuras de los stents cardiovasculares mejora la resistencia a la fatiga, y el procesamiento de micro-agujeros de los osículos artificiales acorta el tiempo quirúrgico y aumenta la tasa de recuperación de la audición postoperatoria.

En los campos de vehículos de nueva energía y electrónica de consumo, promueve el aligeramiento de productos y la mejora del rendimiento: el procesamiento de carcasas de baterías eléctricas reduce significativamente los residuos de escoria y los riesgos de cortocircuito-, y el procesamiento de micro-agujeros de las placas bipolares de pilas de combustible de hidrógeno aumenta sustancialmente la capacidad de producción; El procesamiento de las bisagras de las pantallas plegables logra una reducción de peso y una larga vida útil del plegado, y el procesamiento de los orificios de los altavoces en los marcos intermedios de los teléfonos móviles garantiza un rendimiento acústico estable.

 

 

Ruihang Group está especializado en producir materias primas de titanio de alta-calidad para su mecanizado de precisión. Para obtener más detalles, comuníquese con nosotros a través del correo electrónico:Sam.Rui@bjrh-titanium.com

 

Referencia:
Voisey, KT y col. "Perforación láser". Temas de ScienceDirect, Elsevier, 2010-2022, https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/laser-drilling.