Máquina de corte por láser

contorno

• Parámetros de procesamiento de materiales

• Descripción del proceso

• Mecanismos de corte por láser

Efecto de la densidad de potencia

• La densidad de potencia es el controlador clave del proceso

• Densidad de potencia (Intensidad) = P / pr2

Variables de proceso para procesamiento de material

• Las otras variables de proceso importantes:

Gráfico de tiempo de interacción y proceso empírico

• Tiempo de interacción, t = 2 r / v

donde r = radio del haz yv = velocidad

Acero estructural

Corte

• El corte por láser puede cortar más rápido y con mayor calidad que los procesos que compiten:

- Punzón, plasma, chorro de agua abrasivo, ultrasonido, oxyflame, aserrado y fresado

• Se puede automatizar

• 80% de láser industrial en Japón se utilizan para corte de metales

Configuración de corte típica

Características del proceso

• Es uno de los procesos de corte más rápidos.

• La pieza de trabajo no necesita sujeción, pero se recomienda sujetarla para evitar que se mueva con la aceleración de la mesa y para localizarla cuando se utiliza un programa CNC.

• El desgaste de la herramienta es cero ya que el proceso es un proceso de corte sin contacto.

• Los cortes pueden realizarse en cualquier dirección, la polarización puede afectar la Eficiencia del proceso.

• El nivel de ruido es bajo.

• El proceso puede automatizarse fácilmente con buenas perspectivas de control adaptativo en el futuro.

• Ningún cambio costoso de herramientas es principalmente "suave".Es decir, solo son cambios de programación.Por lo tanto, el proceso es altamente flexible.

• Algunos materiales pueden cortarse en pila, pero puede haber un problema con la soldadura entre capas.

• Casi todos los materiales de ingeniería se pueden cortar.Pueden ser conductores friables, frágiles, eléctricos o no conductores, duros o blandos.

- Solo los materiales altamente reflectantes, como el aluminio y el cobre, pueden plantear un problema, pero con un control del haz adecuado estos pueden cortarse satisfactoriamente.

Respuesta de proceso

• El corte puede tener un ancho de corte muy estrecho que permite un ahorro sustancial de material.(Kerf es el ancho de la abertura de corte)

• Los bordes cortados pueden ser cuadrados y no redondeados como en la mayoría de los procesos de inyección en caliente u otras técnicas de corte térmico.

• El borde cortado puede ser liso y limpio.Es un corte terminado, que no requiere más limpieza o tratamiento.

• El borde cortado se puede volver a soldar directamente con poca o ninguna preparación en la superficie.

• No hay rebabas de borde como con las técnicas de corte mecánico.La adhesión de la escoria generalmente se puede evitar.

• Hay una HAZ (zona afectada por el calor) muy estrecha y una capa resolidificada muy delgada de pocos μm, particularmente en cortes sin escoria.Hay una distorsión insignificante.

• Se pueden hacer cortes ciegos en algunos materiales, particularmente en los que se volatilizan, como la madera o el acrílico.

• La profundidad de corte depende de la potencia del láser.10-20 mm es el rango actual para cortes de alta calidad.Algunos láseres de fibra de muy alta potencia podrían cortar 50 mm.

Escoria

Mecanismos de proceso

• El rayo se atraviesa en una trayectoria programada y la eliminación de material se produce debido a múltiples mecanismos.

• Derritiendo

- El material que presenta una fase fundida de baja viscosidad, especialmente metales y aleaciones, y termoplásticos, se corta mediante la acción de calentamiento de un haz de densidad de potencia del orden de 104Wmm-2.

- La fusión es asistida por la acción de cizallamiento de una corriente de gas auxiliar activo o inerte, resulta en la formación de un canal fundido a través del material llamado corte (ranura).

• Vaporización

- Adecuado para materiales que no se derriten fácilmente (algunos vidrios, cerámicas y composites)

- Los materiales se pueden cortar mediante vaporización inducida por una mayor densidad de potencia del haz (> 104Wmm-2)

• Degradación química

- Se puede formar una ranura en muchos materiales orgánicos por degradación química causada por la acción de calentamiento del haz.

Mecanismo de eliminación de material en diferentes materiales

Inert Gas Melt Shearing o Melt and Blow

Derretir y soplar

• Una vez que se hace un agujero de penetración o el corte se inicia desde el borde

• Un chorro de gas suficientemente fuerte podría expulsar el material fundido de la ranura de corte para evitar que la temperatura suba aún más al punto de ebullición.

• El corte con chorro de gas inerte requiere solo una décima parte de la potencia requerida para la vaporización

• Tenga en cuenta que la proporción de calor latente de fusión a vaporización es 1:20.

Modelado del proceso

Derretir y soplar

• El grupo [P / tV] es constante para el corte de un material dado con un haz dado.

Acción de corte

• El rayo incide en la superficie

- La mayor parte de la viga pasa al orificio o la entalladura

- algunos se reflejan en la superficie sin fundir

- Algunos pueden pasar directamente.

• A bajas velocidades, la masa fundida comienza en el borde anterior de la viga y gran parte de la viga pasa a través de la ranura sin tocarse si el material es lo suficientemente delgado.

Mecanismo detallado de fusión por soplado

• La absorción es por dos mecanismos:

- Principalmente por absorción de Fresnel, es decir, interacción directa del haz con el material -

- Por absorción y reradiación de plasma.La acumulación de plasma en el corte no es muy significativa debido a que el gas lo elimina.

• La densidad de potencia en el frente de corte es Fsinq.Esto provoca una fusión que luego es arrastrada por las fuerzas de arrastre de la corriente de gas que fluye rápidamente.

• En la parte inferior de la ranura, la masa fundida es más gruesa debido a la desaceleración de la película y la tensión superficial que retrasa la fusión para evitar que se desprenda.

• La corriente de gas expulsa las gotas fundidas en la base de

el corte en la atmósfera.

Formación de estriaciones

• A medida que aumenta la velocidad de corte, la viga se acopla automáticamente a la pieza de trabajo de manera más eficiente debido a las pérdidas reducidas a través de la ranura.

• Además, la viga tiende a avanzar hacia el material no fundido.Cuando esto ocurre, la densidad de potencia aumenta ya que la superficie no está inclinada.

• La masa fundida procede más rápido y se arrastra hacia la ranura como un paso.A medida que se baja el escalón, deja una marca en el borde cortado llamada estriación.

• La causa de las estriaciones está en disputa, hay muchas teorías:

- La teoría del paso

- Tamaño crítico de gota que hace que la masa fundida vibre en tamaño antes de que pueda ser soplada libremente.

- La teoría de la quema lateral.

• Hay condiciones bajo las cuales no se producen estrías.Estos se rigen por el flujo de gas o pulsando a la frecuencia de la estriación natural.

Estriaciones

Corte por fusión reactiva

• Si el gas de asistencia también es capaz de reaccionar exotérmicamente, se agrega una fuente de calor adicional al proceso.

• El gas que pasa a través de la ranura no solo arrastra la masa fundida sino que también reacciona con la masa fundida.

• Por lo general, el gas reactivo es oxígeno o alguna mezcla que contenga oxígeno.

• La reacción de quemado comienza generalmente a la temperatura de ignición en la parte superior.

• El óxido se forma y se sopla dentro de la ranura y cubrirá la masa fundida más abajo, lo que ralentiza la reacción e incluso puede ocasionar roturas en las líneas de estriación.

Fusión reactiva

• La cantidad de energía suministrada por la reacción de combustión varía con el material

- con acero suave / inoxidable es 60%

- con un metal reactivo como el titanio, es alrededor del 90%.

• Las velocidades de corte podrían duplicarse con esta técnica.

• Por lo general, cuanto más rápido sea el corte, menor será la penetración de calor y mejor será la calidad.

• Se puede producir un cambio químico en la pieza de trabajo debido a la fusión reactiva.

- Con titanio, esto puede ser crítico ya que el borde tendrá algo de oxígeno y será más difícil y más propenso a agrietarse.

- Con acero dulce no hay un efecto notable, excepto una capa de óxido re-solidificada muy delgada en la superficie del.

Fusión reactiva ...

• La escoria es un óxido (en lugar de metal)

- El acero dulce fluye bien y no se adhiere al metal base

- Con el acero inoxidable, el óxido está compuesto de componentes de alto punto de fusión, como Cr2O3 (punto de fusión ~ 218 ° C) y, por lo tanto, se congela más rápidamente y causa un problema de escoria.

- El aluminio exhibe un comportamiento similar

• Debido a la reacción de quemado se introduce una nueva causa de estrías

- En el corte lento (más bajo que las velocidades de reacción de combustión) se alcanzará la temperatura de ignición y se producirá la combustión desde el punto de ignición hacia afuera en todas las direcciones.

Estriaciones en corte por fusión reactiva

Proceso de fractura controlada

• El material quebradizo es vulnerable a las fracturas térmicas y puede cortarse rápida y cuidadosamente guiando una grieta con una punta fina calentada por un láser

• El láser calienta un pequeño volumen de la superficie y hace que se expanda y, por lo tanto, provoque tensiones de tracción a su alrededor.

• Si hay una grieta en este espacio, actuará como un aumento de estrés y el craqueo continuará en dirección del punto caliente

• La velocidad a la que se puede guiar una grieta es del orden de m / s

• Cuando la grieta se aproxima a un borde, los campos de tensión se vuelven más complejos

Fractura controlada

• Ventajas:

- La velocidad, la calidad del borde y la precisión son muy buenas en el corte de vidrio.

- Eficaz para cortes rectos

• Desventajas:

- Difíciles de crear cortes perfilados como para la fabricación de espejos de ala de automóvil

- Difícil de modelar y predecir cerca de los bordes

Rango de procesamiento para la fractura controlada

Scribing

• Este es un proceso para hacer un surco o una línea de agujeros que penetran total o parcialmente

• Esto debilita suficientemente la estructura para que se pueda romper mecánicamente

• Por lo general, los materiales procesados ​​son chips de silicio y sustratos de alúmina

• La calidad se mide por la falta de desechos y la zona afectada por el calor bajo

• Por lo tanto, se utilizan impulsos de baja energía y alta densidad de potencia para eliminar el material principalmente en forma de vapor

Corte de vaporización

• El haz enfocado en el corte por vaporización primero calienta la superficie hasta el punto de ebullición y genera un ojo de cerradura.

• El ojo de la cerradura causa un aumento repentino en la absortividad debido a reflejos múltiples y el agujero se profundiza rápidamente.

• A medida que se profundiza, se genera vapor y escapa expulsando el eyector del orificio o la ranura y estabilizando las paredes fundidas del agujero

• Este es el método habitual de corte para láseres pulsados ​​o en el corte de materiales que no se derriten, como la madera, el carbón y algunos plásticos.

Vaporización

• La tasa de penetración de la viga en la pieza de trabajo se puede estimar a partir de una agrupación

cálculo de capacidad de calor asumiendo

- Flujo de calor 1D

- La conducción se ignora

- La tasa de penetración es similar o más rápida que la tasa de conducción

- volumen eliminado por segundo por unidad de área = velocidad de penetración, V m / s

Vaporización

Corte en frío

• Los láseres Excimer UV de alta potencia exhiben corte en frío

- La energía del fotón ultravioleta es 4.9eV, que es similar a la energía de enlace para muchos materiales orgánicos.

- Si un enlace es golpeado por un fotón de este tipo, puede romperse

- Cuando se irradia esta radiación sobre plástico con un flujo suficiente de fotones que hay al menos un fotón / enlace, entonces el material simplemente desaparece sin calentar dejando un agujero sin residuos o daños en los bordes

Efecto del tamaño de punto

• Los principales parámetros son la potencia del láser, la velocidad de desplazamiento, el tamaño del punto y el grosor del material.

• El tamaño de punto actúa de dos maneras:

- En primer lugar, una disminución en el tamaño del punto aumentará la densidad de potencia que afecta la absorción y

- En segundo lugar, disminuirá el ancho de corte.

• Láser con potencia estable y modos de orden bajo: por lo general, los modos TEMoo verdaderos disminuyen considerablemente mejor que otros modos

Longitud de onda

• Cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es la capacidad de absorción para la mayoría de los metales

• Por lo tanto, la radiación YAG es preferible a la radiación de CO2, pero la estructura de modo deficiente de la mayoría

Láseres YAG el beneficio está compensado

• Los láseres de fibra con un buen modo de haz podrían tener una ventaja.

Resumen

• Conceptos básicos de corte por láser

• Mecanismos

• Factores que afectan el corte por láser