Corte con Láser
Corte con Láser

Corte con Láser

Contenido

Usos y Aplicaciones

Corte Láser (Laser Cutting)

El corte con rayo láser es un proceso térmico de alta precisión para cortar figuras con geometría compleja, que emplea un rayo láser de alta potencia que actúa como fuente de calor lineal con profundidad de foco limitada, que produce una pequeña perforación seguida del corte por fusión o vaporización local y expulsión del material fundido en la pieza de trabajo.

Ver más

1. Láser

Un láser es un dispositivo que produce un tipo especial de haz de luz, con alta intensidad, ancho de banda angosto y naturaleza coherente (conservan una relación de fase constante) de su salida.

El término láser se forma con las siglas del ingles “light amplification by stimulated emission of radiation”, es decir, luz amplificada mediante la emisión estimulada de radiación.

El láser se caracteriza por ser un haz monocromático (todos los fotones tienen la misma longitud de onda, lo que permite agruparse y concentrar su energía en una sola dirección y en un solo punto), coherente (las ondas de luz vibran en la misma fase, es decir, se pueden predecir las fluctuaciones del campo electromagnético), baja divergencia (las ondas de luz están casi perfectamente paralelas, es decir, tiene un margen de error mínimo) y poder de densidad (sobrepasa enormemente otras fuentes de luz convencionales, hasta 800,000 W/cm2).

1.2. Principio de funcionamiento del láser

El corazón del dispositivo es el medio de amplificación de la luz. Puede ser sólido, líquido o gaseoso. Éste se activa o bombea por medio de una corriente eléctrica la cual produce una emisión espontánea donde las moléculas excitadas colisionan generando trayectorias aleatorias. Para que estas trayectorias tengan un comportamiento de rayo láser, el medio activo es colisionado por moléculas que tienen la misma energía que las moléculas generadas en la emisión espontánea. Este tipo de choques produce una emisión estimulada donde las moléculas viajan en la misma dirección y están en fase con la moléculas que ocasionaron la emisión. Por tanto, la emisión es del todo coherente con la radiación que entra, en esta condición hay una pérdida por absorción, de moléculas que producen el estado excitado, por lo que se crea una inversión de la población (mayor cantidad de fotones por emisión estimulada) para amplificar el haz de luz y así obtener el rayo láser.

Fig. 1 Esquema de funcionamiento del láser.

1.3. Tipos de rayo láser

Existen muchos tipos de láser, pudiéndose clasificar de diversas maneras; a continuación se muestra la clasificación por medio activo de los láseres más importantes.

Fig. 2 Tipos de láseres según el medio activo.

El rayo láser puede ser emitido de forma continua (haz ininterrumpido) y en pulsos (flashes repetidos de corta duración).

Los láseres que intervienen en el proceso de corte son: el láser de HeNe para la alineación del cabezal de corte y medición de desplazamientos; y el láser con CO2 para la penetración y corte del material.

El láser de HeNe. Láser gaseoso que emite un haz continuo de luz visible de color rojo, de uso común en la óptica, metrología, holografía, topografía y procesamiento de imágenes, en la industria se emplea en la alineación de sistemas ópticos de precisión para la medición de micro-desplazamientos. El medio activo es una mezcla gaseosa de helio y neón, contenida en un tubo de cuarzo cerrado. La oscilación láser se lleva a cabo a una longitud de onda de 0.6328 μm.

Láser con dióxido de carbono (CO2). Es la fuente estándar para aplicaciones de corte de contorno, debido a que es el láser más potente, capaz de una potencia de salida continua por encima de 10 kV y operar por pulsos hasta 10 kHz. Opera en el rango de frecuencia del infrarrojo, por lo que no es visible.

El medio activo es una mezcla de dióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2) y helio (He), las transiciones láser se llevan a cabo en los niveles energéticos del CO2. A diferencia de las transiciones energéticas electrónicas del láser de HeNe que se encuentran en la región visible del espectro, las transiciones vibracionales y rotacionales moleculares del CO2 se encuentran en el rango infrarrojo, la principal longitud de onda del CO2 es 10.6 μm.

2. Proceso de corte con láser

El proceso de corte con rayo láser requiere la acción simultánea de un rayo láser (CO2) de salida continua enfocado con una densidad de potencia mayor que 100,000 W/mm2 y un chorro de gas auxiliar que puede ser nitrógeno (N2) para acero inoxidable, aluminio y aleaciones de níquel u oxígeno (O2) para acero al carbono, inoxidable y cobre; que juntos producen un área de material eliminado en la pieza de trabajo. El rayo láser actúa como fuente de calor lineal que produce una agujero calado una vez que las condiciones iniciales alcanzan un estado estable. El gas auxiliar expulsa el material fundido del agujero por la raíz (ranura central) de corte.

Dado que casi todos los materiales son altamente reflejantes a longitudes de onda de los láseres considerados, el acoplamiento del rayo y la pieza de trabajo es muy ineficiente y la absorción es baja. La absorción inicial débil en la superficie de la pieza de trabajo comienza a elevar la temperatura de ésta directamente bajo el haz óptico centrado en un solo punto, haciendo que disminuya la reflectividad con bastante rapidez. La temperatura y la absorción aumentan hasta alcanzar la temperatura de fusión, permitiendo perforar el material, a partir de este momento, el rayo láser actúa como fuente de calor lineal energética dentro del material formando un charco fundido. Cuando el charco recibe el impacto de un chorro de gas auxiliar a alta presión, el metal líquido sale despedido por la raíz (ranura central) en la pieza de trabajo, produciéndose el corte.

El diámetro de la perforación oscila entre 0.0025 a 1.5 mm (0.0001 a 0.060 pulgadas). Un láser de CO2 puede cortar acero al carbono de hasta 25 mm (1 pulgada) de espesor. Sin embargo, los cortes de buena calidad en acero normalmente se efectúan en espesores de menos de 9.5 mm (3/8 de pulgada) debido a que el rayo láser tiene una profundidad de foco limitada.

En éste intervalo de espesores delgados, el corte con láser en 2D es una alternativa al uso de punzones o al estampado, al corte con gas oxicombustible y con arco de plasma. En comparación con estos procesos, el ruido, la vibración y los humos producidos por el corte láser son de niveles bastante bajos.

Las ventajas del corte con láser respecto a otros procesos son: ancho del corte pequeño, zona afectada por el calor mínima, altas velocidades de corte, buena calidad de los bordes, adaptabilidad a la automatización, no hay contacto mecánico entre el dispositivo de corte y la pieza de trabajo.

3. Corte de figuras planas – 2D

El corte con láser en dos dimensiones (2D), se emplea para corte de láminas y placas, donde el movimiento del cabezal de corte, se realiza sobre la pieza de trabajo formando una perpendicular entre el rayo láser y la superficie del material.

El rayo láser por si sólo, no es capaz de realizar el proceso de corte. Por lo que antes antes de que el rayo incida sobre el material, éste tiene que ser dirigido, formado y enfocado. Esto es posible gracias a sus propiedades, las cuales son optimizadas por la máquina CNC, la cual hace posible, calcular, definir y controlar el proceso de corte con láser.

Fig. 3 Rayo láser en equipo de corte 2D.

El mecanismo emplea un control coordinado de 3 ejes en conjunto, que proveen de un movimiento preciso al cabezal de corte, para seguir trayectorias en dos dimensiones permitiendo realizar el corte de cualquier forma plana por muy compleja que sea la geometría. Los ejes que emplea para controlar el desplazamiento que son: eje X con un desplazamiento de 3000 mm, eje Y con un desplazamiento de 1500 mm y eje Z con un desplazamiento de 115 mm.

Se puede cortar placas de acero al carbono de hasta 20 mm, acero inoxidable de hasta 16 mm y aluminio de hasta 10 mm de espesor.

Fig. Estación de trabajo.

Para dar indicaciones a la máquina se hace uso de software especializado incorporado para programar y controlar las operaciones de la misma, permitiendo un proceso más fiable y con alto grado de precisión en la trayectoria del láser. El fabricante proporciona todo el 'Know-how' (saber-cómo) de corte y sus aplicaciones al control, por medio de tablas de tecnología que el operario selecciona y aplica con facilidad desde un panel de control en la estación de trabajo. El sistema permite incorporar archivos gráficos desde otros equipos que cuenten con software de diseño asistido por computadora (CAD) para crear las geometrías y programar el mecanizado.

Una vez definida la geometría de los cortes, mediante el software de programación, esta información pasa al control de la máquina a través del sistema CNC (Control Numérico por Computadora), el cual ejecuta automáticamente todas las operaciones requeridas en la secuencia que se han programado.

Fig. Corte de lámina.

4. Etiquetado y marcado de punto por láser

En el etiquetado por rayo láser, la superficie del material es erosionada ligeramente y decolorada, produciendo una hendidura superficial continua poco profunda que sigue una geometría establecida, con la cual se puede realizar la identificación de la pieza de trabajo, colocar marcas para procesos posteriores, crear formas en la superficie del material, para decoración, etc..

Fig. Esquema de marcado con láser.

Otra forma para la identificación de piezas es por medio del marcado de punto, éste crea una leve depresión en la superficie del material, obteniendo marcas en forma de puntos intermitentes a lo largo de la geometría.

Fig. Marcado con láser.

Estas marcas en caso de que no se requieran, pueden ocultarse con la aplicación de recubrimientos como la aplicación de laca.