CORTE DE LÁSER: DESDE LOS PRIMEROS PRINCIPIOS HASTA EL ESTADO DE LA ARTE

Abstracto

  Este documento presenta una visión general del tema del corte con láser.Los temas cubiertos incluyen;Interacciones láser-materiales, diferentes tipos de láser, el crecimiento técnico y comercial del corte por láser y el estado del arte.

Primeros principios

  La mayoría del corte por láser se lleva a cabo utilizando láseres de CO2 o Nd: YAG.Los principios generales de corte son similares para ambos tipos de láser, aunque los láseres de CO2 dominan el mercado por razones, que se analizarán más adelante en este documento.

  El mecanismo básico de corte por láser es extremadamente simple y se puede resumir de la siguiente manera:

  1.Un rayo de alta intensidad de luz infrarroja es generado por un láser.

  2.Este haz se enfoca en la superficie de la pieza de trabajo por medio de una lente.

  3.El haz enfocado calienta el material y establece una fusión muy localizada (generalmente más pequeña que 0,5 mm de diámetro) en toda la profundidad de la lámina.

  4.El material fundido es expulsado del área por un chorro de gas presurizado que actúa coaxialmente con el rayo láser como se muestra en la figura 1. (Nota: con ciertos materiales, este chorro de gas puede acelerar el proceso de corte haciendo tanto trabajo químico como físico.Por ejemplo, los aceros al carbono o leves generalmente se cortan en un chorro de oxígeno puro. El proceso de oxidación iniciado por el calentamiento del láser genera su propio calor y esto aumenta la eficiencia del proceso.

  5.Este área localizada de eliminación de material se mueve a través de la superficie de la hoja, generando así un corte.El movimiento se logra mediante la manipulación de la mancha láser enfocada (mediante espejos CNC) o moviendo mecánicamente la lámina en una mesa CNC X-Y.Los sistemas "híbridos" también están disponibles donde el material se mueve en un eje y el punto láser se mueve en el otro.Los sistemas totalmente robóticos están disponibles para perfilar formas tridimensionales.Los láseres Nd: YAG pueden utilizar fibras ópticas en lugar de espejos, pero esta opción no está disponible para el láser de CO2 de longitud de onda más larga.

  Figura 1. Un esquema de corte por láser.La montura de la lente o la boquilla (o ambas) se puede ajustar de izquierda a derecha o dentro y fuera del plano del boceto.Esto permite la centralización del haz enfocado con la boquilla.La distancia vertical entre la boquilla y la lente también se puede ajustar.

  Antes de pasar a una descripción más detallada del proceso de corte, este es un buen momento para resumir los beneficios del corte por láser.

  A.El proceso corta a alta velocidad en comparación con otros métodos de generación de perfiles.Por ejemplo, un láser de CO2 de 1500W cortará acero dulce de 2 mm de espesor a 7.5mmin-1.La misma máquina cortará láminas acrílicas de 5 mm de espesor a ~ 12min-1.

  B.En la mayoría de los casos (por ejemplo, los dos ejemplos dados anteriormente), los componentes de corte estarán listos para el servicio inmediatamente después del corte sin ninguna operación de limpieza posterior.

  C.El ancho de corte (ancho de corte) es extremadamente estrecho (típicamente de 0.1 a 1.0 mm).Se puede llevar a cabo un trabajo muy detallado sin las restricciones de un radio interno mínimo impuesto por las fresadoras y los métodos mecánicos similares.

  D.El proceso puede ser completamente controlado por CNC.Esto, combinado con la falta de necesidad de disposiciones de jigging complejas, significa que, un cambio de trabajo del componente de corte 'A' en acero al componente de corte 'B' en polímero puede llevarse a cabo en segundos.(Tenga en cuenta que los láseres Nd: YAG no pueden cortar la mayoría de los plásticos porque son transparentes a la luz láser Nd: YAG).

  E.Aunque el corte por láser es un proceso térmico, el área real calentada por el láser es muy pequeña y la mayor parte de este material calentado se elimina durante el corte.Por lo tanto, la entrada térmica al grueso del material es muy baja, las zonas afectadas por el calor se minimizan y generalmente se evita la distorsión térmica.

  F.Es un proceso sin contacto, lo que significa que el material solo necesita sujetarse ligeramente o simplemente colocarse debajo de la viga.Los materiales flexibles o endebles se pueden cortar con gran precisión y no se tuercen durante el corte, como ocurre cuando se cortan con métodos mecánicos.

  G.Debido a la naturaleza CNC del proceso, la estrechez del ancho de la cuchilla y la falta de fuerza mecánica en la lámina que se está cortando, los componentes se pueden arreglar para "anidar" muy juntos.Por lo tanto, los desechos materiales pueden reducirse al mínimo.En algunos casos, este principio puede extenderse hasta que no haya material de desecho en absoluto entre los bordes similares de los componentes adyacentes.

  H.Aunque el costo de capital de una máquina de corte por láser es sustancial, los costos de funcionamiento son generalmente bajos.Existen muchos casos industriales donde una gran instalación se amortizó en menos de un año.

  I.El proceso es extremadamente silencioso en comparación con las técnicas de la competencia, un factor que mejora el ambiente de trabajo y la eficiencia o el personal operativo.

  J.Las cortadoras láser son extremadamente seguras de usar en comparación con muchas de sus contrapartes mecánicas.

  Una comparación de CO2 y Nd: YAG Laser Cutting.

  Los láseres de CO2 y Nd: YAG generan haces de luz infrarroja de alta intensidad que se pueden enfocar y usar para cortar.

  Se venden menos láseres Nd: YAG como máquinas de corte en comparación con los láseres de CO2.Esto se debe a que para aplicaciones generales de corte, los láseres de CO2 son más efectivos.Los láser Nd: YAG solo son preferidos:

  A.Si se requiere un trabajo detallado muy fino en material de sección delgada.

  B.Si los materiales altamente reflectantes como el cobre o las aleaciones de plata deben cortarse regularmente,

O

  C.Si se va a utilizar una fibra óptica para transportar el rayo láser a la pieza de trabajo.

  Aunque los láseres de CO2 y Nd: YAG generan luz infrarroja, la longitud de onda de la luz láser de CO2 es diez veces mayor que la de las máquinas Nd: YAG (10.6 micras y 1.06 micras, respectivamente).Debido a que la luz láser Nd: YAG tiene una longitud de onda más corta, tiene tres ventajas sobre la luz láser de CO2:

  1.La luz láser Nd: YAG se puede enfocar a una mancha más pequeña * que la luz láser de CO2.Esto significa que se puede lograr un trabajo más fino y más detallado (por ejemplo, agujas de reloj ornamentales).

  2.La luz láser Nd: YAG se refleja menos fácilmente en las superficies metálicas.Por esta razón, los láseres Nd: YAG son adecuados para trabajar en metales altamente reflectantes como la plata.

  3.La luz Nd: YAG puede viajar a través del vidrio (la luz de CO2 no puede).Esto significa que se pueden usar lentes de vidrio de alta calidad para enfocar el haz hasta un tamaño de punto mínimo *.Además, las fibras ópticas de cuarzo se pueden emplear para llevar el haz de distancias relativamente largas a la pieza de trabajo.Esto ha llevado al uso generalizado de los láseres Nd: YAG en las líneas de producción de automóviles donde el espacio disponible en las líneas es escaso.

  * Nota: Si se utiliza una fibra óptica, la capacidad de la luz láser Nd: YAG para enfocarse en un punto muy pequeño puede perderse si la potencia promedio es superior a 100 vatios.El tamaño de punto enfocado después de viajar a través de una fibra óptica puede ser mayor que un punto de láser de CO2.

  La luz láser Nd: YAG de longitud de onda más corta también tiene una desventaja importante:

  1 La mayoría de los materiales orgánicos (por ejemplo, plásticos, productos basados ​​en madera, cuero, cauchos naturales, etc.) son transparentes a la luz láser Nd: YAG.Por esta razón, no pueden ser cortados por láser Nd: YAG.Si la potencia del láser es baja o el tamaño del punto enfocado es grande, la luz pasa a través del material sin calentarlo lo suficiente como para cortarlo.Si se aumenta la intensidad del rayo láser, al aumentar la potencia o al reducir el tamaño del punto, el material eventualmente responderá con una explosión localizada que puede producir una rasgadura u orificio.

  La situación con los no metales inorgánicos (por ejemplo, cerámica, vidrios, carbón, etc.) es bastante compleja.Los láseres de CO2 se pueden utilizar para cortar una gran proporción de estos materiales pero, una vez más, las máquinas Nd: YAG pueden tener problemas de transparencia de los materiales (esto es cierto para el vidrio y el cuarzo, por ejemplo).Una historia de éxito para ambos tipos de láser es el perfilado de sustratos cerámicos para la industria electrónica.En algunos casos, los rellenos inorgánicos que se utilizan para colorear o endurecer los plásticos pueden hacerlos adecuados para el corte de Nd: YAG.En general, sin embargo, el corte de polímeros se lleva a cabo solo por láseres de CO2.

  En resumen, los láseres Nd: YAG se pueden utilizar para cortar detalles finos, o se pueden usar con fibra óptica, en cuyo caso no será posible obtener detalles (excepto cuando se corten láminas o máscaras delgadas a menor potencia).Son particularmente adecuados para cortar aleaciones de alta reflectividad pero no pueden cortar muchos no metales.

  Los láseres de CO2, por otro lado, suelen ser una ruta de producción más económica y, por lo tanto, son preferidos para fines de ingeniería general.Los láseres de CO2 también tienen la ventaja de que pueden cortar una gama más amplia de materiales, desde metales hasta polímeros y madera.

Mecanismos de corte

  Los mecanismos de corte pueden cortar materiales por láser mediante una variedad de mecanismos diferentes que se describen a continuación.El subtítulo de cada mecanismo de corte incluye una mención de los grupos de materiales cortados y de los láseres involucrados.

  Melt Shearing o Fusion Cutting (mayoría de metales y termoplásticos: láseres de CO2 y Nd: YAG)

  Figura 2 Derretir 1. La mayoría de los materiales orgánicos

  La Figura 2 es un esquema del proceso de corte por fusión o corte por fusión.(También conocido como 'corte de gas inerte').[1] En este caso, el rayo láser enfocado funde la pieza de trabajo y la masa fundida se expulsa desde la parte inferior del corte mediante la acción mecánica del chorro de gas de corte.Los materiales que se cortan de esta manera incluyen la mayoría de los que se pueden fundir, es decir, metales y termoplásticos.Para cortar con láser estos materiales con éxito, debemos elegir cuidadosamente nuestro tipo de gas de corte y presión.

  El tipo de gas de corte se elige dependiendo de la naturaleza reactiva del material que se está cortando, es decir

  Los termoplásticos fundidos no reaccionan químicamente con nitrógeno u oxígeno, por lo que se puede usar aire comprimido como gas de corte.

  El acero inoxidable fundido reacciona con oxígeno pero no con nitrógeno, por lo que se utiliza nitrógeno en este caso.

  El titanio fundido reacciona con oxígeno o nitrógeno y, por lo tanto, el argón (que es químicamente inerte) se utiliza como gas de corte.

  La presión del gas empleado también depende de los materiales cortados, es decir, la eliminación del polímero fundido de la zona de corte (cuando se corta, por ejemplo, nylon) no requiere un chorro de gas a alta presión y la presión de suministro al cortela cabeza puede ser del rango 2-6 bar.El acero inoxidable fundido, por otro lado, requiere un empuje mecánico considerablemente mayor para eliminarlo de la zona de corte y, por lo tanto, las presiones de suministro empleadas estarán en el rango de 8 a 14 bar (la presión requerida aumenta con el espesor del acero).

  Corte de degradación química (polímeros termoestables y productos de madera - Láseres de CO2)

  Los plásticos termoestables y los productos de madera no se cortan con el mecanismo de cizallamiento por la simple razón de que no se pueden derretir.En este caso, el láser quema la pieza de trabajo, reduciendo el plástico o la madera a un humo formado por carbono y los otros componentes del material original.

  Este proceso se conoce como corte por degradación química.Debido a que este proceso requiere más energía que la simple fusión, las velocidades de corte y los espesores máximos para los termoestables son menores que para los termoplásticos, el borde cortado de dichos materiales es generalmente plano, liso y cubierto con una capa delgada de carbono.

  Corte por evaporación (acrílico y poliacetal - Láseres de CO2)

  Para los metales, la idea del corte con láser por evaporación no es nada atractiva porque la evaporación consume mucha más energía que la simple fusión necesaria para el corte por corte en estado fundido.Sin embargo, para ciertos polímeros, el corte por evaporación tiene lugar porque los puntos de fusión y ebullición de los materiales están muy juntos.El material más común que se corta de esta manera es el polimetilmetacrilato, que es más conocido como acrílico o por sus nombres comerciales;Perspex, Plexiglass, etc.

  Este material se utiliza ampliamente para trabajos de señalización y visualización, y es una suerte que, debido a su capacidad de evaporarse durante el corte con láser, se pueda producir un borde de corte pulido y brillante.

  Scribing (cerámica - Láseres de CO2 o Nd: YAG)

  La escritura es un proceso mediante el cual se pueden lograr velocidades de corte muy rápidas en cerámicas frágiles y de sección delgada (por ejemplo, AL2O3) para la industria de la electrónica.El láser se usa en su modo pulsado para evaporar una línea de agujeros poco profundos a través de la superficie de la lámina del material.El material se divide posteriormente a lo largo de estas líneas de debilidad.Por razones obvias, el proceso solo es apropiado para la producción de líneas rectas.

  Corte por oxidación (aceros suaves y aceros al carbono - Láseres de CO2 o Nd: YAG)

  Los aceros al carbono y los aceros al carbono se pueden cortar mediante el proceso de cizallamiento en estado fundido usando nitrógeno, pero se cortan más comúnmente utilizando oxígeno como gas de corte.El oxígeno reacciona químicamente con el hierro en la zona de corte y esto tiene dos ventajas para el proceso de corte:

  1.La reacción genera calor, lo que acelera el proceso de corte y, por lo tanto, mejora las velocidades de corte y aumenta el grosor máximo que se puede cortar.

  2.La reacción produce una masa fundida oxidada, que tiene una baja viscosidad y no se adhiere bien al acero sólido a ambos lados del corte.Esto significa que el líquido sale fácilmente de la zona de corte y no hay derretimiento residual (escoria) adherido al borde inferior del corte.

  La reacción química también tiene dos inconvenientes:

  1.La sensibilidad del proceso aumenta en lo que respecta a los siguientes parámetros de proceso;

  El rayo láser debe centrarse con precisión en el orificio de la boquilla del cabezal de corte (consulte la Figura 1).

  El rayo láser debe tener una distribución de energía que sea axialmente simétrica.

  2.La reacción química deja una fina capa de óxido de hierro (~ 100 "m) en el borde cortado, esta capa de óxido es quebradiza y no está unida de manera segura al acero subyacente. Esto generalmente no es un problema, pero puede desprenderse en servicio después de unase ha pintado una parte, llevándose la pintura con ella. Por esta razón, algunos clientes insisten en los componentes de acero dulce con corte de nitrógeno.

Caso de estudio

  Es engañoso elegir un solo componente y luego demostrar por qué el corte por láser es el método de producción preferido.Para dar una imagen más amplia, consideremos un tipo de componente, es decir, una placa plana, aproximadamente rectangular con diez agujeros, tres ranuras y algunos detalles de borde.Supongamos un tamaño total de 200 mm x 300 mm.

  La ruta hacia la fabricación estará determinada por una serie de factores:

  Tipo de material y grosor, cantidad de componentes requeridos, precisión requerida, calidad de borde requerida, tamaños de agujero / ranura, etc.

  La decisión dependerá de los costos asociados con la producción de partes de la calidad adecuada y luego se elegirá el método más económico.En muchos casos, el corte por láser será la ruta más barata, pero es interesante proporcionar algunos ejemplos diferentes del producto para demostrar cuándo se elegiría un método alternativo:

  1.Material: se elegiría un corte con láser de CO2 de acero de 3 mm de espesor, excepto en las siguientes condiciones.

  Si necesitamos más de 100000 componentes.Para la producción de grandes lotes, los costos iniciales asociados con el punzonado de herramientas fijas podrían ser justificables.

  Si el contorno general no implicara perfiles complejos y solo se necesitaran una o dos piezas, el corte por plasma o por llama seguido de mecanizado podría ser un competidor.

  Si las tolerancias de tamaño en los orificios o ranuras deben ser mucho mejores que los ± 0.1 mm típicos del corte con láser comercial de CO2.En este caso, se puede preferir el corte con láser Nd: YAG, el punzonado CNC o el mecanizado con descarga eléctrica.

  2.Material - metal grueso de 15 mm:

  En este caso, el corte con láser de CO2 generalmente se elegiría como la opción más económica si el metal en cuestión fuera de acero.Sin embargo, el corte con láser comercial no se puede utilizar para perfilar aluminio o aleaciones de cobre a este grosor y la alternativa habitual sería el corte con chorro de agua abrasivo.

  3.Material - Titanio de 5 mm:

  El corte con láser de CO2 se emplearía en este caso si la zona afectada por el calor creada a lo largo del borde cortado no es importante para el producto terminado.

  En aplicaciones críticas a la fatiga, la zona afectada por el calor sería problemática y, por lo tanto, se podría utilizar el mecanizado mecánico, el chorro de agua abrasivo o el mecanizado por descarga eléctrica.

  4.Material - polímero de 10 mm:

  En este caso, se emplearía el corte con láser de CO2 a menos que el número de componentes implicados justificara el uso de técnicas de moldeo por inyección.

El estado del arte

  El estado del arte de un tema tan diverso como el corte con láser no es un tema único.El rendimiento de una máquina dedicada a una sola aplicación puede ser muy diferente al de una instalación de taller más versátil.

  Por esta razón, el estado del arte se analiza mejor bajo una serie de encabezados:

  Taller de trabajos de corte por láser

  Desde el inicio del corte por láser como un proceso industrial a principios de la década de 1970, los fabricantes de máquinas han aumentado constantemente la potencia de los láseres involucrados.La potencia utilizada para cortar siempre ha quedado rezagada con respecto a las potencias máximas disponibles porque el corte con láser requiere un haz de alta calidad, que se puede enfocar hasta un punto pequeño con densidad de energía axialmente simétrica (esta simetría es necesaria si el haz va a cortar igualmente bientodas las direcciones).

  Las máquinas de corte modernas (2004) a menudo emplean potencias entre 3.5kW y 5.5kW que son capaces de tasas de producción muy altas.Dos parámetros importantes desde el punto de vista de un taller de trabajo son el grosor máximo de un material en particular que se puede cortar y las velocidades de corte disponibles.La Tabla 1 proporciona el grosor máximo aproximado, que se puede cortar a 4 y 5 kW con láseres de CO2.

  Tabla 1. Grosor máximo aproximado de los materiales para los láseres de CO2.

  Velocidades de corte

  El tema de las velocidades de corte está abierto a una gran cantidad de interpretaciones y las personas de ventas entusiastas han publicado una gran cantidad de información engañosa en las últimas tres décadas.En los últimos años, los fabricantes de máquinas se han dado cuenta de dos puntos importantes;

  1.No es solo la velocidad máxima de corte lineal lo que es importante;es el tiempo de ciclo para el componente.

  2.A menudo es mejor rechazar la potencia de una máquina multikilowatt para cortar materiales de sección más delgada.(Entonces, su máquina de 4 kW puede reducir automáticamente su potencia a 2kW para cortar acero dulce de 2 mm de grosor).

  Para maximizar la producción, los fabricantes de máquinas se han concentrado recientemente en la aceleración de la máquina y las velocidades de movimiento entre cortes.La mejora en estos campos y temas relacionados, como los tiempos de perforación y las tasas de retracción del cabezal, han hecho que la velocidad de corte del láser sea solo un pequeño componente en un cálculo complicado para estimar los tiempos del ciclo de los componentes.Hoy en día, la única forma precisa de comparar el rendimiento de dos máquinas es llevar a cabo ensayos con componentes reales.Sin embargo, la tabla 2 presenta algunas velocidades de corte típicas.

  Tabla 2. Velocidades típicas de corte por láser para líneas rectas de varios cientos de milímetros de longitud a una potencia de aproximadamente 5 kW.(Cifras promedio calculadas a partir de las dadas por Bystronic y Trumpf)

  Aplicaciones especializadas

  No se realizará una descripción general del estado del arte sin consultar algunas aplicaciones especializadas.Dos de estas aplicaciones son el desarrollo de corte de alta velocidad y corte de sección gruesa desarrollado en el Instituto Fraunhofer f. R Lasertechnik en Aachen, Alemania.Mediante un cuidadoso control de los parámetros del proceso, los equipos de Aachen han cortado acero inoxidable con un espesor superior a 40 mm. El desarrollo de una máquina de corte por láser para acero de sección delgada es aún más interesante porque involucra un tipo inusual de interacción láser-material en el cortezona.Se mencionó anteriormente que generalmente se debe evitar la evaporación al cortar metales, ya que consume mucha energía.Sin embargo, al cortar secciones delgadas a alta velocidad, el proceso de evaporación puede ayudar en el proceso de corte aplicando una presión localizada en la zona de corte que ayuda a expulsar la masa fundida.Al emplear este principio, el equipo de Aachen ha logrado velocidades de corte superiores a 145 m / min para un espesor de chapa de acero de 0,23 mm [2].

  Un área reciente de avance, que se ha vuelto muy popular en los últimos dos o tres años, es el desarrollo de máquinas de corte por láser.Las máquinas ahora están disponibles que pueden procesar tubos de casi cualquier sección transversal, con diámetros de hasta un par de cientos de milímetros.El advenimiento de tales máquinas ha fomentado nuevas actitudes para el diseño.En lugar de hacer, por ejemplo, dos patas de soporte y un travesaño de tres piezas, todo el conjunto se puede cortar con láser de un tramo de tubo y simplemente doblar en su forma antes de soldar, vea la figura 3.

  Figura 3. Un perfil especialmente diseñado para la producción de curvas curvas

  Además, se pueden emplear juntas tipo lengüeta y ranura para trabajar la madera para ayudar en el montaje o la fabricación de la soldadura final, consulte la figura 4.

  Figura 4. El diseño para corte por láser puede implicar el uso de juntas de machihembrado de tipo de carpintería.(Muestra cortesía de BLM: Adige)

  Otra área de reciente interés es el crecimiento del lásermicromecanizado.Esta área de aplicación se está convirtiendocada vez más popular en la electrónica y biomédicacampos.Los láseres involucrados generalmente necesitan tener un tamaño más pequeñopuntos enfocados que son posibles usando CO2 infrarrojo yláser estándar Nd: YAG.Por esta razón, los láseres quegenerar luz visible o ultravioleta se emplean y laproceso de corte es uno de evaporación o ablación en lugar deque el tipo de perfil Figura 3.

Conclusión

  Desde sus inicios a principios de los años setenta, el corte con lásercontinuamente expandido para llenar un mercado en constante crecimientocompartir.La rentabilidad del proceso es claramenteevidente en su amplio campo de aplicación.Está claro quemejoras incrementales en software y hardwareasegurará el éxito continuo del proceso.

Expresiones de gratitud

  Los autores desean agradecer el corte por láserfabricantes de máquinas Bystronic, Trumpf yBLM: Adige por su asistencia en la producción de este documento.También gracias a Laura Adams por preparar este documento.