¿Qué es el corte por láser? Descripción general del proceso de corte por láser
El corte por láser es un proceso sin contacto en el que un rayo láser enfocado con precisión funde el material seleccionado.
La óptica láser está controlada por control numérico computarizado (CNC), lo que garantiza una precisión y confiabilidad excepcionales. Dado que no hay contacto entre el cortador láser y el material cortado, no hay riesgo de distorsión ni defectos, y no hay necesidad de un procesamiento posterior al corte.
El corte por láser se introdujo en 1965 y se utilizó para taladrar orificios en troqueles de diamante. La primera aplicación incluyó el corte de aleaciones de alta resistencia y metales como el titanio para aplicaciones aeroespaciales.
Debido a la precisión, la cuadratura de los bordes y el control de entrada de calor, el corte por láser está reemplazando lentamente a otras técnicas de corte, como el corte por plasma y oxicorte. Hoy en día, existen cortadoras láser significativamente mejoradas con alta potencia láser, que ofrecen una excelente velocidad de corte en materiales más gruesos, placas de acero y madera.
Métodos de corte por láser
Básicamente, el rayo láser se usa para cortar el material, pero existen varios métodos diferentes de corte por láser. Estos se utilizan para cortar diferentes tipos de metal, y se diferencian en que desintegran el metal que está a punto de cortar. Los procesos de corte por láser más comunes son el corte por fusión, el corte por llama y el corte remoto, pero en aplicaciones específicas, se utilizan otros procesos de corte térmico como el agrietamiento por tensión, el trazado, el corte en frío y el corte por láser estabilizado por combustión.
- En el corte por fusión, se usa un gas inerte (típicamente nitrógeno) para expulsar el material fundido fuera de la ranura. El material es fusionado por la energía del rayo láser. El nitrógeno no reacciona con el material fundido, por lo que no afecta la entrada de energía. Este método de corte por láser protege el metal cortado de la oxidación, por lo que se utiliza principalmente con acero inoxidable, aluminio y sus aleaciones.
- En el corte con llama, se utiliza oxígeno como gas auxiliar. El material se calienta mediante luz láser hasta la temperatura de combustión. El oxígeno a media presión oxida el material y expulsa la escoria de la ranura. La reacción exotérmica del oxígeno y el material ceba la energía para el proceso de corte. Sin embargo, dto corte económico se utiliza para el corte económico de acero al carbono a velocidades de corte muy altas.
- En el corte remoto, el material se evapora parcialmente mediante un rayo láser de alta intensidad. Este método no utiliza ningún gas de asistencia, pero se usa comúnmente para el corte de láminas de metal y espesores de material más bajos.
Tipos de láseres utilizados en el corte por láser
Dependiendo de los materiales utilizados para generar el rayo láser, existen varios tipos de láseres que se utilizan en el corte por láser. Hoy en día, la mayor parte del corte por láser de chapa industrial se realiza con láseres de CO2 y de fibra óptica, aunque también existen láseres de Nd-YAG (neodimio itrio-aluminio-granate).
Láseres de CO2
El láser de CO2 (dióxido de carbono) se genera en una mezcla de gases, generalmente compuesta de dióxido de carbono (CO2), helio y nitrógeno (10 a 20 % de dióxido de carbono, 10 a 20 % de nitrógeno, trazas de hidrógeno y xenón, y helio para equilibrio.)
Como resultado, el bombeo láser se realiza mediante la descarga de una corriente eléctrica en lugar de una amplificación de luz. Las máquinas de corte por láser de CO2 incluyen varios tipos de configuración, donde el cabezal de corte por láser se mueve de manera diferente.
Estos láseres emiten una longitud de onda de 10,6 µm o 9,6 µm y son capaces de generar una potencia decente. La eficiencia de un láser de CO2 ronda el 30%, lo que lo hace más eficiente que otros tipos de láseres. Además, los láseres de CO2 pueden cortar materiales más gruesos más rápido que los láseres de fibra de la misma potencia, al mismo tiempo que producen un acabado superficial más suave al cortar materiales más gruesos.
Láseres de fibra óptica
Los láseres de fibra óptica son los tipos más populares, ya que pueden generar diferentes longitudes de onda para un corte más preciso. Con los láseres ND:YAG, se denominan láseres de estado sólido, ya que el haz es generado por un medio sólido, a diferencia de los láseres de gas con CO2. Como resultado, hay un cable de fibra óptica hecho de vidrio de sílice para guiar la luz. El rayo láser de los láseres de fibra óptica es más recto y más pequeño, lo que lo hace adecuado para un corte más preciso.
Los láseres de fibra óptica ofrecen dos modos diferentes: simple y múltiple. Los láseres monomodo producen un diámetro de núcleo de entre 8 µ y 9 µ, mientras que los láseres multimodo tienen diámetros de 50 µ a 100 µ. Como resultado, los láseres monomodo son más eficientes y producen un haz de luz de mejor calidad.
Láseres de cristal (Nd: YAG)
Los láseres de cristal utilizan un cristal sintético como medio láser, lo que los convierte en parte de un láser de estado sólido. Entre estos tipos, el más utilizado es el cristal YAG (Y3Al5O12) dopado con neodimio ionizado al 1% (Nd3+), también conocido como corte por láser ND:YAG.
Dentro de este tipo, el bombeo láser se logra mediante lámparas de destellos de criptón o diodos láser.
El bombeo excita los iones Nd a niveles de energía más altos. A continuación, los iones de Nd excitados pasan a un estado inferior y más estable. Este proceso continúa hasta que el medio se llena con iones Nd excitados. Desde su estado metaestable, los iones Nd liberan luz infrarroja con una longitud de onda de 1064 nm.
Láseres de diodo directo
La tecnología de láser de diodo directo está emergiendo en el campo de los láseres de estado sólido. Como resultado, varios rayos láser emitidos por diodos emisores de láser de diferentes longitudes de onda se superponen utilizando técnicas de combinación de rayos.
A diferencia de los láseres de fibra, los láseres de diodo directo no incluyen una etapa de mejora del brillo, lo que les brinda menores pérdidas ópticas y una mayor eficiencia de conexión a la pared. Sin embargo, por la misma razón, los láseres de diodo directo actualmente tienen una calidad de haz inferior en comparación con los láseres de fibra.
Los láseres de diodo directo a niveles de potencia de varios kilovatios están disponibles comercialmente y se han utilizado con éxito para aplicaciones de corte de chapa.
Potencia de corte del corte por rayo láser
Hay muchos factores que pueden afectar la potencia de corte y la calidad de corte general de los cortes con rayo láser. Más comúnmente, estos son el tipo de láser, la potencia del láser, las propiedades de la máquina de corte por láser, la lente, el gas de corte y muchos más. Dado que discutimos muchos de estos factores anteriormente, nos centraremos en la potencia del láser, la lente y las propiedades del metal cortado.
Potencia láser
Antes de su aplicación de corte por rayo láser, debe ajustar la potencia del láser de acuerdo con el grosor del material. Por el contrario, puede ser necesario reducir la potencia del láser para lograr una alta precisión en formas geométricas complejas o piezas muy pequeñas.
Por lo general, necesitará al menos 1000 W para cortar acero al carbono con un grosor superior a 5/16″. Mientras tanto, la frecuencia del pulso láser se puede adaptar a la tarea de mecanizado relevante y puede hacerlo más fácil.
Importancia de la lente
Enfocar un rayo láser aumentará la capacidad de corte y, por lo general, se hizo con una lente (a veces con un espejo cóncavo). La lente se define por su distancia focal, que es la distancia desde la lente hasta el punto enfocado. Los factores cruciales que afectan la eficiencia del proceso láser son el diámetro del punto enfocado y la profundidad de enfoque.
Dado que estos dos factores pueden afectar la eficiencia del resonador láser, es posible optimizarlos para cada espesor de material. Sin embargo, esto aumentaría el tiempo de configuración al cambiar los proyectos de corte por láser, lo que tendría que equilibrarse con el aumento de la velocidad. En realidad, cambiar la lente es raro. Se utiliza una velocidad de corte comprometida a menos que un trabajo específico tenga requisitos especiales.
Propiedades de los metales
Cada material tiene sus propiedades mecánicas únicas que pueden afectar la eficiencia del corte por láser. La conductividad térmica, la absorción y la reflectancia son solo algunas de ellas. Por lo tanto, cortar diferentes tipos de materiales y espesores de material requerirá diferentes métodos de corte por láser, y mencionamos los más utilizados.
Otra cosa que puede causar problemas con un rayo láser son las propiedades reflectantes de los materiales. Por ejemplo, los materiales altamente reflectantes, como el aluminio puro, producen un fuerte reflejo del rayo láser y, por lo tanto, también dan como resultado procesos de corte y marcado por láser deficientes.
Ventajas y desventajas del corte por láser
Ventajas
- Técnica sin contacto
- Un método muy exacto y preciso.
- Poco o ningún procesamiento posterior al corte del borde de corte
- Un procedimiento de corte adecuado para materiales difíciles de cortar
- Sin estrés residual con pequeña HAZ
- Amplias opciones de tipos, adecuados para diferentes espesores de material.
- cortes superiores
- Capaz de cortar piezas pequeñas y complejas
Desventajas
- Alta inversión inicial
- Alta experiencia necesaria para la operación y el mantenimiento
- Otros procesos como el corte por plasma pueden cortar materiales más gruesos con la misma potencia