Imagine reducir drásticamente sus costes de corte por láser a la vez que aumenta la eficiencia con un simple cambio. Este artículo explora cómo el uso de aire como gas auxiliar en el corte por láser puede lograr precisamente eso. Conocerá las ventajas del aire frente a gases tradicionales como el nitrógeno y el oxígeno, y comprenderá cómo este método puede mejorar su proceso de corte. Descubra cómo esta alternativa rentable puede transformar sus operaciones, reducir gastos y mantener cortes de alta calidad. Sumérjase para ver cómo el aire puede cambiar las reglas del juego en su flujo de trabajo de fabricación.
El corte por láser, una tecnología transformadora introducida en la década de 1960, se ha convertido en parte integrante de diversas industrias gracias a su precisión y eficacia inigualables en el procesamiento de materiales. Este avanzado método de corte ha agilizado considerablemente los procesos de producción en múltiples sectores.
Sin embargo, la adopción generalizada de la tecnología de corte por láser ha intensificado la competencia en el mercado, provocando presiones sobre los precios y reduciendo los márgenes de beneficio de los fabricantes de equipos y proveedores de servicios. Para mantener la competitividad, las empresas deben centrarse en optimizar sus procesos de producción y mejorar la eficiencia operativa general.
Una estrategia eficaz para reducir costes en las operaciones de corte por láser es la utilización de aire como gas de asistencia. Este enfoque ofrece varias ventajas sobre los gases de asistencia tradicionales como el nitrógeno o el oxígeno:
Para aplicar eficazmente el corte por láser asistido por aire, tenga en cuenta las siguientes prácticas recomendadas:
Aunque el corte asistido por aire puede no ser adecuado para todas las aplicaciones, en particular las que requieren cortes sin óxido o el corte de materiales muy reflectantes, puede reducir significativamente los costes operativos de una amplia gama de tareas de corte.
La implantación del corte por láser asistido por aire debe formar parte de una estrategia global para mejorar los procesos de producción, aumentar la eficiencia y centrarse en actividades de valor añadido. Este enfoque, combinado con inversiones continuas en investigación y desarrollo, puede ayudar a las empresas a mantener una ventaja competitiva en el cambiante mercado del corte por láser.
En primer lugar, examinemos la proceso de corte por láser:
El láser generado por el generador láser se enfoca a través de una lente y converge para formar un pequeño punto luminoso intenso. La distancia entre la lente y la placa se controla cuidadosamente para garantizar la estabilidad del punto láser en la dirección del grosor del material.
En este punto, la lente enfoca la luz en un punto con una alta densidad de potencia, que suele alcanzar los 106-109 W/cm2. El material absorbe la energía del punto de luz, lo que provoca su fusión instantánea, y el material fundido se retira mediante una corriente de gas auxiliar, completando así el proceso de corte.
A lo largo de todo el proceso de corte, el gas auxiliar cumple dos funciones principales: proporcionar la fuerza necesaria para el corte y eliminar el material fundido de la pieza.
En este proceso, los distintos tipos de gases tienen efectos diferentes sobre los materiales y las secciones:
El oxígeno, como gas auxiliar en el corte por láser, cumple una doble función: acelera la eliminación del metal fundido y cataliza una reacción de oxidación exotérmica. Este efecto sinérgico aumenta significativamente la capacidad de corte del láser, en particular para materiales más gruesos. La reacción de oxidación genera calor adicional, lo que aumenta la densidad de energía en la zona de corte y mejora la eficacia general del proceso.
Sin embargo, el uso de oxígeno tiene sus desventajas. La superficie de corte sufre una oxidación considerable, lo que puede hacer necesario un tratamiento posterior para aplicaciones que requieran superficies inmaculadas. Curiosamente, el rápido enfriamiento inducido por el chorro de oxígeno crea una zona afectada por el calor (HAZ) localizada con mayor dureza. Este cambio metalúrgico puede ser ventajoso para ciertos procesos posteriores, reduciendo potencialmente la necesidad de pasos adicionales de tratamiento térmico.
(2) Nitrógeno
El nitrógeno, un gas inerte, crea una atmósfera protectora durante el corte por láser, protegiendo eficazmente el metal fundido de la oxidación. Esto da como resultado superficies de corte de alta calidad y libres de óxido, lo que resulta crucial para materiales sensibles a la oxidación o aplicaciones que exigen un acabado superficial superior. Sin embargo, a diferencia del oxígeno, el nitrógeno carece de la capacidad de aportar energía térmica adicional a través de reacciones exotérmicas, lo que limita su capacidad de corte en comparación con el oxígeno, especialmente para materiales más gruesos.
El uso de nitrógeno como gas auxiliar suele requerir caudales más elevados para lograr un blindaje eficaz y la expulsión del metal fundido. Este mayor consumo, unido al mayor coste del nitrógeno en comparación con el aire o el oxígeno, se traduce en unos gastos operativos elevados. Sin embargo, estos costes deben sopesarse frente a los beneficios de la mejora de la calidad del corte y la reducción de los requisitos de postprocesado para muchas aplicaciones.
(3) Aire
El aire, una opción económica y fácilmente disponible, ofrece un enfoque equilibrado para el corte por láser. Su composición de aproximadamente 78% de nitrógeno y 21% de oxígeno proporciona una combinación única de oxidación parcial y blindaje parcial. El resultado es una oxidación moderada en el borde de corte, mientras que el contenido predominante de nitrógeno mitiga la oxidación excesiva y contribuye a la transferencia de calor por convección.
El rendimiento de corte con aire se sitúa entre el del oxígeno puro y el del nitrógeno puro. Aunque puede que no alcance la velocidad de corte del oxígeno para materiales gruesos o la calidad de superficie que se consigue con el nitrógeno, el aire ofrece una solución versátil y económica para una amplia gama de aplicaciones. Los principales costes asociados al uso de aire son el consumo de energía del compresor de aire y el mantenimiento del sistema de filtración de aire, que suelen ser inferiores a los gastos ocasionados por los sistemas de gas puro.
La elección entre estos gases auxiliares depende de factores como el tipo de material, el grosor, la calidad de corte deseada y consideraciones económicas. Los sistemas de corte por láser modernos suelen permitir el cambio dinámico de gases, lo que permite a los operarios optimizar la selección de gases en función de los requisitos específicos del trabajo.
La FIG. 1 ilustra el efecto de la sección de corte de 1.5 mm de grosor Acero inoxidable 304 utilizando nitrógeno y aire como gas auxiliar. Como se observa en la figura, cuando se utiliza nitrógeno como gas auxiliar, la sección es brillante y luminosa, mientras que cuando se utiliza aire, la sección es de color amarillo pálido.
En la Tabla 1 se presenta una comparación de los costes de corte del aire y el nitrógeno como gases auxiliares para acero inoxidable 304 de 1,5 mm de espesor. En la comparación se utiliza la última generación de máquinas de corte por láser de fibra equipados con generadores láser de fibra de desarrollo propio.
El análisis de costes revela que el uso de aire como gas auxiliar supone una disminución de 23,7% en los costes de corte por hora en comparación con el uso de nitrógeno. Esta reducción de los costes de corte puede tener un impacto significativo en la reducción de los costes generales de procesamiento de la fábrica.
Además, el consumo de energía del compresor de aire se analiza del siguiente modo:
Muchas empresas utilizan actualmente compresores de aire de tornillo no variables. Si se utiliza un compresor de aire de tornillo de frecuencia con imanes permanentes, puede suponer un ahorro de hasta 50% de electricidad solo en el compresor de aire.
Cuando se utiliza aire como gas auxiliar, el coste de corte es 36,2% inferior que cuando se utiliza nitrógeno.
Cuadro 1 Comparación de los costes de corte
| Artículo | SUS304-1,5 | SUS304-1,5 |
|---|---|---|
| Velocidad de procesamiento (mm/min) | 35000 | 35000 |
| Gas auxiliar | Aire | Nitrógeno |
| Presión del aire (Mpa) | 0.8 | 0.8 |
| Caudal de gas auxiliar (NL/min) | 296.7 | 296.7 |
| Tiempo de procesamiento por metro (seg) | 1.7 | 1.7 |
| Coste de la electricidad (yuanes/hora) | 14.675 | 14.675 |
| Coste eléctrico del compresor de aire (yuanes/hora) | 12.25 | 5.25 |
| Coste del gas auxiliar (yuanes/hora) | 0 | 15.347 |
| Subtotal (yuanes/hora) | 26.925 | 35.272 |
| Coste de la electricidad (yuanes/m) | 0.012 | 0.012 |
| Coste eléctrico del compresor de aire (yuanes/m) | 0.006 | 0.002 |
| Coste del gas auxiliar (yuanes/m) | 0 | 0.015 |
| Total (yuanes/m) | 0.018 | 0.029 |
Nota:
(1) El análisis de costes antes mencionado se calculó con los siguientes supuestos:
(2) El consumo de energía del compresor de aire al cortar con aire se calculó para un compresor de aire de tornillo no variable con una capacidad de 17,5 kW, una presión de 1,26 MPa y un caudal de 2,3 m.3/min.
(3) Cuando se utiliza nitrógeno como gas auxiliar para el corte, el compresor de aire sigue necesitando suministrar gas a la máquina, lo que se traduce en costes de electricidad.
(a) La sección de corte cuando el nitrógeno es el gas auxiliar
(b) La sección de corte cuando el aire es el gas auxiliar
(c) Comparación en sección de dos partes (nitrógeno a la izquierda y aire a la derecha)
Fig.1 Efecto de la sección de corte al utilizar nitrógeno y aire como gas auxiliar
Cuando el grosor de la placa es superior a 1,5 mm, se genera una cierta cantidad de rebabas en la sección de corte. Sin embargo, las rebabas no son lo suficientemente afiladas como para rayar el papel.
El espesor máximo que se puede cortar con aire como gas auxiliar varía en función de la potencia y de tipo de láser generador.
La sección de corte produce una capa de óxido amarillo.
En rebaba cortante se reducirá en comparación con el uso de nitrógeno como gas auxiliar.
La tabla 2 muestra el rango de corte cuando se utiliza aire como gas auxiliar para ambas máquinas de corte por láser de dióxido de carbono y corte por láser de fibra máquinas.
Tabla 2 El espesor máximo de la placa se corta cuando el aire se utiliza como gas auxiliar
| Materiales | Gas | 4KW CO2 Cortadora láser | 4KW Láser de fibra óptica Cortador |
|---|---|---|---|
| Chapa de acero Q235 | Aire | 3 mm | 3 mm |
| Oxígeno | 20 mm | 22 mm | |
| Placa de acero SUS304 | Aire | 3 mm | 3 mm |
| Nitrógeno | 12 mm | 18 mm | |
| Placa de aluminio A1050 | Aire | 6 mm | 2 mm |
| Nitrógeno | 6 mm | 8 mm | |
| Placa de aleación de aluminio A5052 | Aire | 6 mm | 2 mm |
| Nitrógeno | 10 mm | 16 mm |
(1) Para chapa de acero al carbono
Cuando se utiliza aire como gas auxiliar durante el corte por láser de acero al carbono, se producen secciones de corte con rebabas mínimas. Estas rebabas suelen ser menos afiladas y más manejables que las producidas por otros gases. Este resultado es especialmente ventajoso para componentes con requisitos moderados de tolerancia a las rebabas. La reacción de oxidación entre el aire y el acero fundido crea una fina capa de óxido que puede ayudar a expulsar el material fundido, lo que produce cortes más limpios.
(2) Para chapa de acero inoxidable
El empleo de aire como gas auxiliar en el corte de chapas de acero inoxidable induce a la oxidación, lo que puede dar lugar a varios problemas. Los bordes cortados pueden desarrollar defectos como la formación de escoria y porosidad (estoma) en la zona de soldadura prospectiva. Estas imperfecciones pueden comprometer significativamente la integridad de las operaciones de soldadura posteriores, reduciendo potencialmente la resistencia y la calidad de la unión soldada.
Para mitigar estos problemas, es fundamental aplicar un proceso de preparación de la superficie tras el corte. Esto suele implicar la eliminación mecánica de la capa de óxido de los bordes cortados mediante un esmerilado o pulido cuidadoso. Este paso es esencial para restaurar la superficie a un estado adecuado para la soldadura de alta calidad, garantizando una resistencia y un rendimiento óptimos de la unión.
Además, la sección cortada desarrollará una capa característica de óxido amarillo-marrón. Esta decoloración puede ser problemática para piezas visibles externamente en las que la estética es importante. La capa de óxido también interfiere en los procesos de soldadura al introducir impurezas y alterar las propiedades superficiales del material. Por lo tanto, es imperativo eliminar esta capa mediante pulido o tratamiento químico antes de cualquier operación de soldadura para garantizar una fusión y una integridad de la unión adecuadas.
(3) Para chapa de aluminio y chapa de aleación de aluminio
En el caso de las planchas de aluminio y aleaciones de aluminio, el uso de aire como gas auxiliar durante el corte ofrece una clara ventaja en términos de reducción de rebabas. El proceso de oxidación que se produce con el aire ayuda a gestionar el flujo de metal fundido, lo que resulta en rebabas más pequeñas y controladas a lo largo de los bordes de corte. Esto contrasta con el uso de nitrógeno como gas auxiliar, que, aunque proporciona un corte limpio, tiende a producir rebabas más grandes debido a la ausencia del efecto de oxidación.
La elección entre aire y nitrógeno para el corte de aluminio depende a menudo de la composición específica de la aleación, el espesor de la chapa y la aplicación prevista de las piezas cortadas. Para aplicaciones en las que se desea un postprocesado mínimo y se acepta una ligera oxidación, el aire puede ser la opción preferida. Sin embargo, para componentes de alta precisión o cuando se requiere una superficie completamente libre de óxido, el nitrógeno puede seguir siendo preferible a pesar de las rebabas más grandes, ya que éstas pueden eliminarse más fácilmente en las operaciones de acabado posteriores.
Cuando se utiliza aire como gas auxiliar en procesos de fabricación de metales, es esencial una presión constante de 0,9 MPa. Para cumplir este requisito, se recomienda utilizar un compresor de aire de tornillo con una presión de trabajo nominal de 1,26 MPa y un caudal de 2,3 m³/min. Esta especificación garantiza una presión y un volumen adecuados para un rendimiento óptimo.
La calidad del aire es crucial para las aplicaciones de corte y soldadura de precisión. El aire comprimido debe alcanzar una tasa de secado de 99% con un contenido de humedad inferior a 1/100. Para mantener este alto nivel, implante un sistema de filtración multietapa en la tubería de aire comprimido, que incorpore filtros de partículas de aire de alta eficiencia (HEPA) y filtros coalescentes. El mantenimiento y la sustitución periódicos de estos elementos filtrantes son fundamentales para mantener la calidad del aire a lo largo del tiempo.
Para eliminar eficazmente la humedad, existen dos opciones principales de secadores: los secadores de adsorción regenerativa y los secadores refrigerados. Aunque ambos tienen sus ventajas, se prefieren los secadores de adsorción regenerativa por su mayor estabilidad, sus menores requisitos de mantenimiento y su mayor vida útil. Estos sistemas utilizan materiales desecantes para eliminar la humedad y ofrecen un rendimiento constante incluso en condiciones ambientales variables.
Al diseñar el sistema de distribución de aire comprimido, debe prestarse especial atención al diámetro de la tubería y a la selección del reductor de presión. Estos componentes deben dimensionarse en función del caudal y la presión de salida del compresor para minimizar la caída de presión y garantizar un suministro de aire estable en el punto de uso. La implementación de un sistema de bucle con colectores y tramos de caída del tamaño adecuado puede mejorar aún más la estabilidad de la presión y la eficiencia del sistema.
Para optimizar el consumo de energía, considere la posibilidad de invertir en un compresor de aire de tornillo con accionamiento de frecuencia variable (VFD) de imán permanente. Estos avanzados sistemas pueden reducir el consumo eléctrico hasta 50% en comparación con las alternativas de velocidad fija. La tecnología VFD permite al compresor ajustar su potencia en función de la demanda, lo que se traduce en un importante ahorro de energía durante los periodos de menor consumo de aire.
Además, la implantación de un sistema integral de gestión del aire puede mejorar aún más la eficiencia mediante la supervisión de los patrones de uso del aire, la detección de fugas y la optimización del funcionamiento de los compresores. Las auditorías periódicas del sistema de aire comprimido pueden identificar oportunidades de mejora tanto del rendimiento como de la eficiencia energética.
En el panorama industrial actual, altamente competitivo, las empresas pueden obtener una ventaja significativa optimizando sus procesos de producción, elevando la sofisticación del diseño de sus productos y aplicando estrategias de fabricación innovadoras.
Un enfoque especialmente eficaz para lograr una ventaja competitiva consiste en reducir los costes de procesamiento dentro de los flujos de trabajo existentes. Esto puede lograrse mediante la adopción de tecnologías avanzadas y la optimización inteligente de los procesos.
Una de estas soluciones rentables es la utilización de aire como gas auxiliar en las operaciones de corte, especialmente para determinados materiales y espesores. Este enfoque puede reducir sustancialmente los costes de corte, especialmente si se compara con los métodos tradicionales que utilizan nitrógeno u oxígeno. Las ventajas van más allá del mero ahorro de costes:
Al aplicar el corte asistido por aire cuando sea necesario, las empresas no sólo pueden aumentar sus márgenes de beneficio, sino también asignar recursos de forma más eficaz a otras áreas críticas del desarrollo empresarial. Este cambio estratégico en la asignación de recursos puede proporcionar un apoyo vital para iniciativas de transformación y mejora más amplias, permitiendo a las empresas seguir siendo competitivas en un panorama industrial en constante evolución.
No obstante, es importante tener en cuenta que la idoneidad del aire como gas auxiliar depende de factores como el tipo de material, el grosor y la calidad de corte requerida. Las empresas deben realizar análisis exhaustivos de costes y beneficios y evaluaciones de calidad antes de implantar esta tecnología en sus líneas de producción.
A medida que las industrias sigan evolucionando, la adopción de estas tecnologías rentables y eficientes será crucial para las empresas que pretendan mantener una ventaja competitiva al tiempo que persiguen el crecimiento sostenible y la innovación.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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