Issue 11

A. Pantano et alii, Frattura ed Integrità Strutturale, 11 (2009) 49-63; DOI: 10.3221/IGF-ESIS.11.05 54 Studio sul coefficiente di assorbimento e sul diametro dell’areola d’impatto Per calcolare esattamente l’entità del flusso di calore da utilizzare nelle analisi numeriche, per la modellazione del fenomeno, a partire dall’energia totale proveniente dal laser, è stato eseguito uno studio sperimentale per ricavare il coefficiente di assorbimento della superficie del provino di acciaio. Si è mantenuta costante l'energia e diminuita progressivamente l’area d’impatto in modo da aumentare la densità di potenza incidente. Si è osservato che la risposta è rimasta della tipologia tipica di un regime termoelastico fino ad una densità pari a circa 48.5 MW/cm 2 che è nettamente superiore al limite teorico calcolato per il materiale del provino (31 MW/cm 2 ). Ciò significa che la radiazione incidente sul provino viene in parte assorbita ed in parte riflessa, e poiché 31 MW/cm 2 è circa il 64% di 48.5 MW/cm 2 si può dichiarare che il coefficiente di assorbimento della superficie metallica del provino è pari a α=0.64, mentre il coefficiente di riflessione equivale a ρ=0.36. Si è preferito ricavare sperimentalmente il coefficiente di riflessione, piuttosto che affidarsi a qualche valore, reperibile nelle tabelle, perché esso varia notevolmente con la tipologia di finitura superficiale e con la lunghezza d’onda della radiazione (nel nostro caso 1064nm). Nella tabella seguente sono riportate le prove eseguite per la determinazione del coefficiente α e sono rappresentati i segnali acquisiti nella sezione di sparo. PROVA 1 Energia: 10 mJ Diametro area: 3 mm Densità di potenza: 23.6 MW/cm 2 PROVA 2 Energia: 10 mJ Diametro area: 2,5 mm Densità di potenza: 34 MW/cm 2 PROVA 3 Energia: 10 mJ Diametro area: 2,2 mm Densità di potenza: 44 MW/cm 2 PROVA 4 Energia: 10 mJ Diametro area: 2 mm Densità di potenza: 54 MW/cm 2 Tabella 1 : Prove sperimentali per ricavare il coefficiente di riflessione della superficie metallica. Il coefficiente di riflessione trovato, comunque, non è molto diverso da quello che si può calcolare tramite una nota espressione analitica [3] : 2 2 2 2 2 2 R          dove ε = μ 0 σcδ essendo c = 300000Km/s la velocità della luce nel vuoto, μ 0 = 4π 10 -7 Hm -1 la permeabilità magnetica nel vuoto, σ la conducibilità elettrica e δ lo skin depth. Quest’ultimo si può ricavare tramite la seguente espressione [3]:   1 2 0 r       dove μ r è la permeabilità magnetica relativa e υ = 2.82 10 14 Hz è la frequenza della radiazione (assumendo λ =1064nm). Sostituendo i seguenti valori riguardanti un acciaio da costruzione al carbonio, μ r =1900 e σ= 7.04 10 6 (Ωm) -1 , otteniamo δ = 0.258nm e ε = 0.68 e quindi R =0.30. Poiché ρ risulta essere prossimo al valore calcolato analiticamente, R , si conclude che il valore sperimentale della riflessività approssima bene il valore reale, con un errore dell’ordine di qualche punto percentuale. In Fig. 2 e 3 è riportato il setup sperimentale per effettuare le prove a diametro dell'areola variabile. Si è visto che aumentando il diametro della sorgente termoelastica, a parità di energia del fascio laser, si evidenzia uno spostamento del massimo della curva dell’ampiezza dell’onda longitudinale in funzione dell’angolo di ricezione, come rappresentato in Fig. 4. Altre prove numeriche e sperimentali, che verranno presentate in un successivo articolo, hanno permesso di determinare che il fenomeno della regressione del massimo dell’ampiezza del segnale relativo all’onda longitudinale verso valori minori dell’angolo di ricezione è dovuto alla distribuzione gaussiana dell’energia sulla superficie d’incidenza. Tale fenomeno può essere trascurato per areole molto piccole ma non per aree circolari di diametro maggiore di 3 mm.