CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE ONDAS DE CHOQUE LÁSER EN ALUMINIO 6061-T6

Abstract

Las ondas de choque pueden observarse en la naturaleza en diversas formas, como lo son: un rayo, un meteorito o la explosión de un volcán. Así mismo, pueden ser producidas por el hombre mediante diversas técnicas, como lo son: una palmada, un cinto, un láser, entre otros. El estudio de estas ondas de choque es de gran interés debido su gran amplitud y a los efectos que producen en el medio de propagación y se han desarrollado técnicas para producirlas en el laboratorio. En general, una onda de choque es una onda de presión donde la amplitud cambia de manera abrupta mientras se propaga a velocidades superiores a la velocidad del sonido en el medio de propagación. Bajo esta definición, existe una gran variedad de ondas de choque que se nombran de acuerdo al mecanismo usado para la producción de la onda, teniendo así: ondas de choque independientes, adjuntas, de detonación y mecánicas. Las ondas de choque mecánicas, propagándose en sólidos, juegan un papel importante en el mejoramiento de las propiedades físicas de los materiales y en el análisis de su interacción con el medio de propagación. Estas ondas pueden ser generadas mediante diversas técnicas mecánicas, explosivas o mediante radiación electromagnética. Actualmente, la técnica más utilizada es la inducida por la radiación de láseres pulsados sobre la superficie del sólido, en la cual se genera plasma por el fenómeno de ablación del sólido, y en el mismo instante se induce una onda de choque en el interior del material debido a la expansión adiabática llamada onda de choque láser, la cual es una onda mecánica de presión de varias órdenes de magnitud mayor a 9 atmosferas y con una duración de apenas unos cuantos nanosegundos que se propaga a Página | 21 velocidades supersónicas dentro del sólido, cambiando de manera discontinua la temperatura, presión, densidad de partículas, entre otras variables físicas. La presión de la onda de choque generada por el plasma está indirectamente relacionada con la densidad de potencia del láser y el área de incidencia de la radiación en el sólido. En trabajos anteriores se ha estudiado la interacción con el medio de propagación y se han desarrollado modelos matemáticos de la propagación de onda de choque láser, permitiendo una mejor comprensión de la interacción de la onda con el medio de propagación, donde la impedancia acústica del sólido y el medio confinante influyen en la presión obtenida de la onda de choque. Diversos autores han modelado la presión y velocidad de la onda de choque láser. Destacan los realizados por Remy Fabbro 1990, en los cuales se relaciona la densidad de potencia del láser y la presión inducida por la onda de choque en la superficie de incidencia de la radiación y el comportamiento del plasma, así como la estimación del pico de presión y la velocidad de la onda de choque en el tiempo de duración del pulso láser. Por su parte, los trabajos realizados para la caracterización de la presión de la onda de choque láser en sólidos han avanzado significativamente, destacando los trabajos realizados por Z. Rosenberg en 1980 con sensores piezoresistivos, demostrando que éste sensor presenta características destacables como lo son: alta velocidad de respuesta, linealidad, amplio rango de detección, entre otros. Las características de propagación de la onda de choque restringen la medición de la presión de la onda a un rango limitado de sensores y técnicas. No obstante, los métodos de medición de presión electro-mecánicos presentan buenos resultados en comparación con otras técnicas Página | 22 de medición. Dentro de los métodos de medición electro-mecánicos destacan los métodos utilizando sensores piezoresistivos y sensores piezoeléctricos, los cuales se adhieren a la muestra a tratar mediante pegamentos especiales y soportan ser sometidos a altas magnitudes de deformación sin llegar a la ruptura. Los sensores piezoresistivos se basan en principios mecánicos de deformación generados por la onda mecánica de presión, lo que produce un cambio en el valor resistivo del elemento. Estos sensores necesitan de acondicionadores de señal complejos y especializados, pero tienen una respuesta significativamente rápida en comparación con otros sensores, amplio rango de detección de presión, linealidad, área activa pequeña permitiendo un error por carga mínimo, entre otras cualidades. Por su parte, los sensores piezoeléctricos están basados en principios eléctricos que convierten la deformación producida por la onda en una corriente eléctrica. Estos sensores no necesitan de acondicionadores de señal complejos por la característica de sensor generador, esto es, la energía de salida es producida por la entrada, pero presentan tiempos de respuesta significativamente lentos en comparación con los sensores piezoresistivos, no linealidad, rangos de detección limitados, entre otros. En el presente trabajo de tesis se mide la onda de choque producida por la irradiancia de una radiación láser con una alta densidad de energía y corta duración de un láser pulsado mediante métodos de detección piezoresistivos y piezoeléctricos, en eventos separados. La onda de choque se propaga desde la superficie de incidencia hasta la parte posterior del sólido, deformándolo plásticamente de manera proporcional a la presión. La deformación produce cambios proporcionales de elongación para el sensor piezoresistivo produciendo un cambio en el valor resistivo y en consecuencia una caída de tensión y cambios de volumen para el sensor piezoeléctrico produciendo una corriente eléctrica y a su vez una caída de potencial. Página | 23 Las señales son acondicionadas y registradas por el osciloscopio y posteriormente convertida en presión por medio de los modelos matemáticos descritos en el presente trabajo de tesis. Los resultados obtenidos demuestran que el método piezoresistivo es capaz de caracterizar la presión de la onda de choque láser respondiendo a la velocidad, duración y presión de la onda en sólidos, manteniendo una correspondencia sustancial entre ambos experimentos, ambos métodos de detección y lo reportado en la literatura. Además, se observa que la pérdida de energía de la onda de choque disminuye con cada reflexión, lo que concuerda con la diferencia de la presión detectada por el sensor en la parte posterior y la presión superficial reportada por otros autores. Por lo anterior, el método de detección desarrollado demuestra ser de utilidad para caracterizar la presión de la onda de choque láser y la obtención de la información necesaria para la comprobación de los modelos matemáticos de la onda de choque.