En el presente artículo se plantea un estudio sobre la medida de tensiones residuales mediante el método del taladro en banda extensométrica (o agujero ciego) aplicado en probetas de aluminio 2024-T351, previamente tratadas superficialmente mediante laser shock processing (método de tratamiento superficial por ondas de choque generadas por láser, conocido como LSP). Finalmente, se realiza una comparación entre los resultados experimentales obtenidos al medir las tensiones residuales obtenidas en probetas tratadas mediante LSP y los valores obtenidos mediante un modelo de simulación

Molpeceres Álvarez, Carlos Luis

Morales Furió, Miguel

Ocaña Moreno, José Luis

Porro González, Juan Antonio

Sanchez Perez, Angel M.

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica  815 
Análisis de Tensiones Residuales Inducidas en Aleaciones 
Metálicas por Tratamientos Superficiales mediante Ondas de 
Choque Generadas por Láser 
  
J.A. Porro(1), M. Morales(1), C. Molpeceres(1), 
A.M. Sánchez-Pérez(2), J.L. Ocaña(1) 
 
(1) Centro Láser UPM. Universidad Politécnica de Madrid. Campus Sur UPM. 
Edificio La Arboleda Ctra. de Valencia, km. 7,300. 28031 Madrid. SPAIN 
Tel.:(+34) 913365541, email: japorro@etsii.upm.es 
 
(2) Laboratorio de Metrología y Metrotecnia, Universidad Politécnica de Madrid  
C/ José Gutiérrez Abascal 2, 28006 MADRID 
 
 
Resumen 
En el presente artículo se plantea un estudio sobre la medida de tensiones residuales 
mediante el método del taladro en banda extensométrica (o agujero ciego) aplicado en 
probetas de aluminio 2024-T351, previamente tratadas superficialmente mediante laser 
shock processing (método de tratamiento superficial por ondas de choque generadas por 
láser, conocido como LSP). Finalmente, se realiza una comparación entre los resultados 
experimentales obtenidos al medir las tensiones residuales obtenidas en probetas tratadas 
mediante LSP y los valores obtenidos mediante un modelo de simulación. 
 
Palabras Clave: Tratamiento Superficial por Ondas de Choque Generadas por Láser, 
Tensiones Residuales, Método del Taladro en Banda Extensométrica. 
 
Abstract  
In the present paper a study about the residual stresses measurement using the hole drilling 
method in aluminium 2024-T351 test pieces is presented. Previously, test pieces have been 
treated using laser shock processing (surface treatment using laser induced shock waves 
known as LSP). Finally, a comparison between the experimental results obtained by 
measuring the residual stresses in test pieces treated using LSP and the values obtained 
using a simulation model has been made. 
 
Keywords: Residual Stresses, Laser Shock Processing, Improvement of Mechanical 
Properties, Hole Drilling Method. 
 
 
1. Introducción 
Los procesos de tratamiento superficial de materiales metálicos mediante ondas de 
choque generadas por láser (conocidos como laser shock processing, laser shock 
peening o LSP) se han convertido, en los últimos años, en una alternativa competitiva a 
los métodos de mejora de las propiedades mecánicas mediante generación de campos de 
tensiones residuales de compresión empleados tradicionalmente (perdigoneado o shot 
peening). 
En el presente artículo se presentan los resultados de la medida de tensiones residuales 
en probetas de aluminio 2024-T351 previamente tratadas mediante LSP. Para 
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comprobar la validez de las medidas experimentales realizadas se han comparado con 
los resultados numéricos obtenidos a través de la simulación de dichos procesos 
mediante el sistema de cálculo desarrollado por los autores. 
 
2. El tratamiento superficial por ondas de choque generadas por láser 
Un pulso láser de elevada intensidad (del orden de GW) enfocado sobre la superficie de 
un material metálico forma un plasma de elevada temperatura que inmediatamente se 
propaga generando, por conservación de la cantidad de movimiento, una onda de 
choque de elevada amplitud que se propaga hacia el interior del material provocando 
deformaciones plásticas permanentes que son las responsables de la inducción de un 
campo de tensiones residuales de compresión [1]. Para aumentar la intensidad de la 
onda de choque se confina el plasma de tal forma que permanece más tiempo en 
contacto con la superficie del metal aumentando el impulso efectivo de la onda de 
choque. El medio confinante usado habitualmente es el agua [2]. 
Algunos autores sugieren el empleo de un recubrimiento absorbente (pintura negra) a la 
radiación láser con el fin de proteger la superficie de la pieza. La mejora del proceso 
utilizando este recubrimiento absorbente no ha sido demostrada por lo que en el 
presente estudio no se ha empleado.  
 
3. Montaje experimental 
En las instalaciones de LSP del Centro Láser de la UPM se dispone de un láser de 
estado sólido (Nd:YAG) pulsado (10 hercios). La energía es de 1.9 Julios por pulso y en 
ancho de pulso es de 9 nanosegundos. Es posible trabajar a diferentes longitudes de 
onda mediante la utilización de un generador de armónicos pero en el experimento del 
presente artículo se irradió únicamente en infrarrojo (1064 nanómetros). 
El pulso láser se guía hacia la superficie metálica de la probeta mediante un espejo y se 
enfoca mediante un lente. La forma de la mancha focal es circular y su tamaño es de 1.5 
milímetros de diámetro. 
El medio confinante empleado es agua que se suministra en forma de chorro de agua 
con control de caudal. El agua se recoge en una vasija de metacrilato que se vacía de 
forma continua en un desagüe. Para realizar el recubrimiento de áreas extensas es 
necesario mover la probeta mediante un sistema de posicionamiento programable XY. 
 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica  817 
El solape programado de pulsos permite la realización de recubrimientos con diferentes 
intensidades de tratamiento. En la Figura 1 se puede observar un esquema del montaje 
experimental de LSP disponible en el Centro Láser de la UPM [3,4]. 
 
Figura 1. Esquema del montaje experimental de LSP disponible en el Centro Láser de la UPM 
 
4. Medida de tensiones residuales 
Existen diferentes técnicas de medida de tensiones residuales pero las más empleadas 
son la difracción de rayos X y el método del taladro en banda extensométrica. Cada una 
de las técnicas tiene sus ventajas e inconvenientes pero para la medida de tensiones 
residuales en profundidad se recomienda el empleo del método del taladro en banda 
extensométrica ya que la difracción de rayos X se limitada a medidas muy cercanas a la 
superficie (salvo en el caso que se realice un complejo decapado químico). 
El método del taladro en banda extensométrica consiste en realizar un taladro en el 
centro de una banda extensométrica de tres elementos especialmente diseñada para 
medir tensiones residuales. Las lecturas obtenidas son causadas por la relajación de las 
deformaciones del material que están relacionadas con las tensiones residuales iniciales. 
Empleando ecuaciones especiales de reducción de datos se calculan las tensiones 
residuales principales y su orientación a partir de las microdeformaciones medidas. 
La norma ASTM E837-01 [5] desarrolla un procedimiento para la realización de medida 
de tensiones residuales mediante el método del taladro en banda extensométrica pero 
presenta limitaciones cuando se requiere realizar medidas en materiales cuyas tensiones 
son variables con la profundidad (como es el caso de materiales tratados mediante shot 
peening o LSP). Por ello, se han desarrollado métodos complementarios de reducción 
de datos que permiten calcular las tensiones residuales a partir de las deformaciones 
medidas en materiales con tensiones residuales variables con la profundidad. 
 818  XVII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica 
Para campos de tensiones residuales variables con la profundidad se recomienda el 
empleo del método integral [6]. Se requieren diferentes conjuntos de coeficientes para 
relacionar los cambios de la deformación superficial con las tensiones residuales para 
cada profundidad de la tensión y profundidad del agujero. En el método integral, el 
cálculo de estos coeficientes se realiza mediante un cálculo mediante el método de 
elementos finitos. Los datos necesarios para calcular las tensiones residuales a partir de 
las microdeformaciones medidas en las direcciones de los tres elementos son el 
diámetro final del agujero, el módulo de Young del material y el coeficiente de Poisson.  
El software disponible en el Centro Láser de la UPM para calcular las tensiones 
residuales [7] a partir de las microdeformaciones medidas permite estimar la 
incertidumbre de las tensiones obtenidas teniendo en cuenta cuatro de las fuentes de 
incertidumbre experimental. Las cuatro fuentes de incertidumbre son [8]: 
- Incertidumbre asociada al valor del módulo de Young empleado. 
- Incertidumbre asociada a la medida del diámetro final del agujero. 
- Incertidumbre asociada a la medida de las microdeformaciones. 
- Incertidumbre asociada a la medida de la profundidad en cada uno de los 
incrementos. 
5. Resultados y conclusiones 
En la Figura 2 se presenta una gráfica donde se comparan los resultados de la medida 
experimental de tensiones residuales a partir el método del taladro en banda 
extensométrica, para una probeta de aluminio 2024-T351 tratada mediante LSP con un 
solape de 625 pulsos/cm2, con los resultados obtenidos mediante la simulación del 
proceso a través del sistema de cálculo SHOCKLAS. Las barras de incertidumbre 
representadas en la gráfica son las calculadas por el software de cálculo de tensiones 
residuales a partir de las estimaciones de los valores de las distintas fuentes de 
incertidumbre anteriormente citadas. 
 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica  819 
 
Figura 2. Estudio comparativo de las tensiones residuales medidas experimentalmente para 
probetas de aluminio 2024-T351 tratadas mediante LSP con un solape de 625 pulsos/cm2 y las 
obtenidos mediante simulación a través del sistema de cálculo SHOCKLAS 
 
En la gráfica se observa como en la zona cercana a la superficie es donde los valores 
simulados y experimentales difieren más. Está zona es crítica desde el punto de vista 
experimental por la dificultad de la detección del cero en profundidad y es donde se 
acumula una mayor incertidumbre. Por otro lado, S1 y S3 (tensiones residuales en la 
dirección de las resistencias 1 y 3) presentan en la simulación unos valores muy 
similares mientras que en las medidas experimentales se observa una diferencia 
importante. Este contraste es debido a que las propiedades del material empleados en la 
simulación son las de un material homogéneo e isótropo. En cambio, el material 
empleado en el ensayo experimental ha sido sometido previamente a procesos de 
conformado (laminación) por lo que las propiedades del material no son las mismas que 
las utilizadas en el modelo simulado. 
De forma general se puede concluir que los resultados obtenidos experimentalmente 
mediante el método del taladro en banda extensométrica concuerdan esencialmente con 
los resultados de la simulación del proceso obtenidos a través del sistema de cálculo 
SHOCKLAS. 
 820  XVII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica 
6. Referencias 
1. Clauer, A.H., Fairand, B.P., “Interaction of laser-induced stress waves with metals”. 
Presentado en Proc. ASM Conference Applications of Lasers in Materials 
Processing; Washington DC; 1979. 
2. Sano, Y., Mukai, N., Sudo, A. y Konagai, C., “Underwater laser processing to 
improve residual stress on metal surface”, Proceedings of the 6th International 
Welding Symposium of Japan Welding Society, Nagoya, Japón, 1996. 
3. Ocaña, J.L. et al.: “Predictive assessment and experimental characterization of the 
influence of irradiation parameters on surface deformation and residual stresses in 
laser shock processed metallic alloys”. In: High-Power Laser Ablation V, Phipps 
C.R., Ed.. SPIE Vol. 5548, 642-653 (2004). 
4. Ocaña, J.L. et al.: “Laser Shock Processing as a Method for Surface Properties 
Modification of Metallic Materials”. In: Shot Peening and other Mechanical Surface 
Treatments. V. Schulze, A. Niku-Lari, Eds. I.I.T.T. Paris, 466-471 (2005). 
5. ASTM 2002 Annual book of ASTM standards, v.03.01 No. E837-01. “Standard test 
method for determining residual stresses by the hole-drilling strain gage method”. 
6. Schajer G. S., “Measurement of non-uniform residual stresses using the hole drilling 
method: Part I & II Stress calculation procedures”, J. Eng. Mater.-T. ASME 110, 
338-349 (1988). 
7. Schajer G. S., H-Drill software, V 2.33, Vishay Measurements Group. 
8. Grant, P.V., Lord, J.D. and Whitehead, P.S., “The Measurement of Residual 
Stresses by the Incremental Hole Drilling Technique”, NPL Good Practice Guide 
No.53, August 2002. 
 
7. Agradecimientos 
Trabajo subvencionado parcialmente por MCYT (Proyecto DPI2005-09152-C02-01) y 
EADS-España. 
 


Análisis de Tensiones Residuales Inducidas en Aleaciones Metálicas por Tratamientos Superficiales mediante Ondas de Choque Generadas por Láser

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http://oa.upm.es/2344/1/INVE_MEM_2008_55051.pdf

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