La técnica de ultrasonidos mediante láser, o laser ultrasonics (LUS) en inglés, consiste en utilizar un láser pulsante para generar ondas acústicas sobre un cuerpo y luego utilizar otro láser acoplado a un sistema de interferometría para medir las vibraciones ultrasónicas en la superficie del cuerpo. Los sistemas de medición de ultrasonidos mediante láser son particularmente atractivos para la caracterización de estructuras y materiales sólidos debido, principalmente, a que son métodos sin contacto con la muestra, sin ser necesario un medio de acople para transmitir las ondas. Se podrá considerar un método de inspección no destructivo siempre y cuando la potencia óptica empleada sea lo suficientemente pequeña.
El objetivo principal de este Trabajo de Fin de Máster (TFM) ha sido la generación de un modelo (elástico y elasto-plástico) basado en el método de los elementos finitos (MEF) que permita determinar la existencia, o no, de daño en piezas metálicas (aluminio, acero inoxidable AISI 304 y acero al carbono AISI 1010), causado por la incidencia del pulso láser en la superficie del material. Las variables utilizadas para la determinación de la existencia de daño en la superficie han sido la distribución de tensión equivalente (o tensión de Von Mises), los niveles de deformación (elástica/plástica) y la distribución de temperaturas.
El modelo basado en el MEF se ha llevado a cabo mediante el software comercial Abaqus. Para el caso del acero inoxidable AISI 304, los resultados de simulación han sido validados mediante estudios de microestructura (microscopía óptica y electrónica), y ensayos de nanoindentación (determinación de la dureza en función de la profundidad de penetración). Asimismo, los ensayos de nanoindentación han permitido determinar el estado (a tracción o a compresión) de las tensiones residuales inducidas por el láser.
Los resultados de nanoindentación refuerzan los resultados obtenidos con el modelo basado en el MEF. En los resultados de simulación del acero AISI 304, la incidencia del pulso láser provoca la aparición de tensiones residuales de tracción desde la superficie para valores de flujo de calor absorbido por la superficie superiores a 3,125·107 mW/mm2. Sólo para valores por debajo de 3,125·107 mW/mm2, el estado de tensiones residuales resultante es a compresión desde superficie. Experimentalmente se ha comprobado que únicamente para el acabado superficial pulido especular (absortividad máxima del 2%), las tensiones que se introducen son de signo negativo, indicando un estado compresivo. Para los demás acabados superficiales (con valores de absortividades muy por encima del 2%), la incidencia del pulso láser en la superficie del material introduce tensiones residuales de tracción. Por lo tanto, la simulación ha quedado validada cualitativamente.
