Del rayo a la perfección: El corte por láser de CO2

CO₂ El corte por láser emplea una lente de enfoque para dirigir rayos láser de CO2 sobre la superficie del material, provocando su fusión.

Simultáneamente, el material fundido se elimina mediante un flujo coaxial de gas comprimido, lo que permite que los rayos láser y el material se muevan uno respecto al otro a lo largo de una trayectoria definida, dando como resultado una forma de corte precisa.

Desde la década de 1970, el desarrollo de los láseres de CO2 y la tecnología de control numérico han convertido el corte por láser de CO2 en un método muy avanzado para cortar chapas.

En los años cincuenta y sesenta, corte de chapa métodos incluidos:

• Corte por llama oxiacetilénica para placas de espesor medio
• Cizallado y corte de chapas finas
• Estampación para la producción en serie de componentes complejos
• Corte por vibración de piezas individuales

En la década de 1970, para mejorar la calidad de los cortes con llama, la precisión del oxietano corte con llama y se popularizó el corte por plasma.

Para reducir el tiempo del ciclo de fabricación de moldes de estampación a gran escala, se promovió el estampado CNC y la tecnología de electroprocesado.

Cada tipo de método de corte y troquelado tiene sus propias limitaciones y se utiliza en aplicaciones específicas de producción industrial.

Ventajas evidentes del CO2 corte por láser sobre otros métodos:

 Buena calidad de corte:

• Ancho de incisión pequeño (generalmente 0,1-0,5 mm)
• Alta precisión (la desviación general del centro del orificio es de 0,1 - 0,4 mm, mientras que la desviación del contorno es de 0,1-0,5 mm).
• Bien rugosidad superficial de la incisión (generalmente Ra 12,5-25 micras)
• Las vigas de corte pueden soldarse sin necesidad de tratamiento posterior.

Alta velocidad de corte:

Por ejemplo, un láser de 2 kW con una velocidad de corte de 1,6 m/min puede cortar acero al carbono de 8 mm de grosor, mientras que se puede alcanzar una velocidad de corte de 3,5 m/min para acero inoxidable de 2 mm de grosor. El sitio proceso de corte por láser da lugar a una pequeña zona de influencia térmica y una deformación mínima.

Limpio, seguro y no contaminante:

El uso de CO2 corte por láser mejora significativamente el entorno de trabajo de los operarios. Aunque puede que no supere al electroprocesado en cuanto a precisión y rugosidad superficial de los cortes, y puede tener limitaciones en el espesor de corte en comparación con el oxicorte y el corte por plasma, sus ventajas han llevado a sustituir a las técnicas de corte tradicionales, sobre todo para el corte de metales no ferrosos.materiales metálicos.

En China, desde la década de 1990 y el desarrollo de la economía socialista de mercado, ha habido una intensa competencia entre las empresas, lo que ha hecho que cada una de ellas elija cuidadosamente tecnologías de fabricación avanzadas que satisfagan sus necesidades específicas para mejorar la calidad del producto y la eficiencia de la producción. Como resultado, el CO2 corte por láser ha experimentado un rápido crecimiento en China.

Industrial aplicación del láser de CO2 corte

Las primeras emisiones de CO₂ La máquina de corte por láser se inventó en la década de 1970. En las últimas tres décadas, la máquina ha experimentado continuas mejoras a medida que se ampliaban sus campos de aplicación.

En la actualidad, muchas empresas nacionales e internacionales producen diversos tipos de CO₂ máquinas de corte por láser para satisfacer la demanda del mercado, incluidas máquinas de corte de placas en 2D, máquinas de corte de curvas espaciales en 3D y máquinas de corte de tubos.

Entre las empresas extranjeras más destacadas en este campo figuran Trumpf (Alemania), Prima (Italia), Bystronic (Suiza), Amada y MAZAK (Japón), NTC (Japón) y HG Laser Lab (Australia).

Según el informe anual de 2000 de "Industrial Laser Solution", una de las principales revistas estadounidenses del sector del láser, las ventas totales de sistemas de corte por láser en todo el mundo (principalmente de CO₂ sistemas de corte por láser) en 1999 fueron 3.325, por un total de 1.174 millones de PT4T1.

En China, casi 100 emisiones de CO₂ máquinas de corte por láser se producen cada año, por un total de 150 millones de RMB, pero su uso en el país es relativamente bajo en comparación con los países desarrollados. En 2003, el número de máquinas de corte por láser de CO₂ sistemas de corte por láser utilizados en la producción industrial en China había alcanzado alrededor de 500, lo que representa aproximadamente 1,5% del total mundial.

Existen dos tipos principales de emisiones de CO₂ comprador de sistemas de corte por láser

Hay dos tipos principales de organizaciones que utilizan CO₂ tecnología de corte por láser: grandes y medianas empresas manufactureras y centros de transformación.

Las grandes y medianas empresas manufactureras disponen de grandes recursos económicos y técnicos y necesitan cortar y troquelar muchos de sus materiales.

Los centros de transformación, también conocidos como Job Shops en el extranjero, están especializados en proporcionar procesamiento láser servicios a terceros y no tienen sus propios productos dominantes. Estas estaciones pueden satisfacer las necesidades de las pequeñas y medianas empresas y también desempeñar un papel en la promoción de la adopción temprana de la tecnología de corte por láser.

En 1999, había 2.700 estaciones de procesamiento láser en Estados Unidos, de las cuales 51% estaban especializadas en el corte por láser.

En la década de 1980, las estaciones de procesamiento láser de China se centraban principalmente en el tratamiento térmico por láser. Sin embargo, desde la década de 1990, ha aumentado el número de estaciones de corte y procesamiento por láser.

A medida que continúen las reformas en el sistema de grandes y medianas empresas de China y aumente la fortaleza económica del país, se espera que cada vez más empresas adopten políticas de reducción de emisiones de CO₂ tecnología de corte por láser.

En el ámbito nacional, CO₂ El corte por láser se utiliza ampliamente para cortar placas de acero con bajo contenido en carbono de un grosor igual o inferior a 12 mm, placas de acero inoxidable de un grosor igual o inferior a 6 mm y materiales no metálicos de un grosor igual o inferior a 20 mm. También se ha utilizado en las industrias del automóvil y la aviación para cortar curvas espaciales tridimensionales.

En la actualidad, los productos adecuados para el corte por láser de CO2 pueden clasificarse a grandes rasgos en tres grupos:

• Chapa metálica piezas que no son económica o técnicamente factibles de fabricar mediante otros métodos, especialmente acero con bajo contenido en carbono con formas complejas, tamaños de lote pequeños y espesores inferiores a 12 mm, y acero inoxidable con espesores inferiores a 6 mm, con el fin de ahorrar en el coste y el tiempo de fabricación de moldes. Algunos ejemplos de estos productos son componentes de ascensores, paneles de ascensores, carcasas de máquinas herramienta y maquinaria, armarios eléctricos, armarios de distribución, piezas de maquinaria textil, piezas de maquinaria de ingeniería y motores de gran tamaño. chapas de acero al silicio.
• Acero inoxidable (generalmente de menos de 3 mm de grosor) o materiales no metálicos (generalmente de menos de 20 mm de grosor) utilizados en decoración, publicidad e industrias de servicios, como los motivos de los álbumes de fotos artísticas, los logotipos de empresas, organizaciones, hoteles y centros comerciales, y las fuentes chinas e inglesas de lugares públicos como estaciones y muelles.
• Piezas especiales que requieren un corte preciso, como los tableros troquelados utilizados en las industrias del embalaje y la impresión. Éstas requieren el corte de ranuras con anchuras de 0,7 a 0,8 mm en plantillas de madera con un grosor de 20 mm, que luego se utilizan para cortar una gran variedad de cajas de embalaje impresas. El corte por láser de CO2 también se utiliza en tuberías de cribado de aceite para evitar que entren sedimentos en las bombas, y en el corte de vigas de tamaño uniforme con anchuras inferiores a 0,3 mm en acero aleado tuberías con espesores de pared de 6 a 9 mm. El diámetro de perforación debe ser superior a 0,3 mm, algo difícil de conseguir, por lo que el corte por láser de CO2 es una solución popular para muchas empresas.

Además de las aplicaciones mencionadas, el corte por láser de CO2 se utiliza en un número cada vez mayor de industrias. Por ejemplo, se utilizan sistemas de corte por láser 3D o robots industriales para cortar curvas espaciales y se ha desarrollado software especializado para agilizar el proceso desde el dibujo hasta el corte de las piezas.

Los investigadores se centran en mejorar la eficacia de la producción desarrollando sistemas de corte especializados, sistemas de transporte de material y sistemas de accionamiento de motores lineales. Las velocidades de corte ya han superado los 100 m/min.

Con el fin de ampliar su uso en las industrias de maquinaria de ingeniería y construcción naval, el espesor de corte para el acero bajo en carbono se ha incrementado a más de 30 mm, y existe un interés creciente en la tecnología de corte de acero bajo en carbono con gas nitrógeno para mejorar la calidad de la incisión de la chapa.

Por lo tanto, sigue siendo muy importante para los técnicos de ingeniería en China ampliar el uso del corte por láser de CO2 y abordar algunos problemas técnicos en aplicaciones prácticas.

Los parámetros del rayo láser y el rendimiento y precisión de la máquina y Sistema CNC tienen un impacto directo en la eficacia y la calidad del corte por láser. Hay que dominar y resolver tecnologías clave como las necesarias para piezas con gran precisión de corte o materiales más gruesos.

Hay que dominar las tecnologías

1. Tecnología de control de posición Focus

Una de las ventajas del corte por láser es la alta densidad de energía de los haces, que suele ser superior a 10 W/cm2. La densidad de energía es inversamente proporcional a 4/πd^2, por lo que el diámetro del punto focal se mantiene lo más pequeño posible para producir una hendidura estrecha.

El diámetro del punto focal es directamente proporcional a la profundidad focal de la lente, lo que significa que cuanto menor sea la profundidad focal, menor será el diámetro del punto focal. Sin embargo, el corte puede provocar salpicaduras y, si el objetivo está demasiado cerca de la pieza, puede dañarse fácilmente.

Por lo tanto, el corte por láser de CO2 de alta potencia suele utilizar lentes con una longitud focal de 5″ a 7,5″ (127 a 190mm). El diámetro real del punto focal oscila entre 0,1 y 0,4 mm.

La profundidad focal efectiva también depende del diámetro de la lente y del material a cortar. Por ejemplo, al cortar acero al carbono con una lente de 5″, la profundidad focal debe estar dentro de un rango de +2% de la longitud focal, o unos 5 mm, para obtener una calidad de corte óptima.

Para garantizar los mejores resultados de corte, el enfoque es crucial y depende del grosor del material. Para materiales metálicos de menos de 6 mm, el enfoque debe estar en la superficie. Para acero al carbono de más de 6 mm de grosor, el enfoque debe estar por encima de la superficie. Para acero inoxidable de más de 6 mm de grosor, el foco debe estar por debajo de la superficie, pero el tamaño exacto debe determinarse mediante experimentación.

Tres métodos sencillos para localizar la posición del foco en la producción industrial:

Existen tres métodos para determinar el enfoque de la máquina de corte por láser de CO2:

• Método de impresión: En este método, el cabezal de corte se desplaza de arriba abajo y el haz láser se imprime en una placa de plástico. El diámetro más pequeño del haz indica el foco.
• Método de la placa inclinada: En este método, la placa de plástico se coloca con cierta inclinación respecto al eje vertical y se desplaza horizontalmente. El rayo láser más pequeño indica la ubicación del foco.
• Método de la chispa azul: Este método consiste en quitar la boquilla, soplar aire y golpear un inoxidable chapa de acero con un láser de impulsos. El cabezal de corte se mueve de arriba abajo hasta que una chispa azul alcanza su límite, lo que indica la ubicación del foco.

En las máquinas de corte con trayectoria de luz volante, la determinación del foco es más compleja, ya que el ángulo de divergencia de los haces láser provoca diferencias en la distancia entre el extremo cercano y el extremo distal, lo que da lugar a diferencias en el tamaño del haz antes del enfoque. Cuanto mayor sea el diámetro del haz incidente, menor será el punto focal.

Para minimizar la variación en el tamaño del punto focal causada por los cambios en el tamaño del haz antes del enfoque, los fabricantes de sistemas de corte por láser han ofrecido a los usuarios algunos dispositivos especiales entre los que elegir:

• Tubo de luz paralelo: Este es un método comúnmente utilizado que consiste en añadir un tubo de luz paralelo a la salida del haz láser de CO2 para expandir los haces. Esto aumenta el diámetro del haz y disminuye el ángulo de divergencia, haciendo que los tamaños de los extremos cercano y lejano del haz sean más similares antes del enfoque.
• Lente móvil: Otra opción es añadir una lente móvil independiente al cabezal de corte que sea independiente del eje Z y controle la distancia de la boquilla a la superficie del material. Cuando el banco de trabajo o el eje de la luz se mueven, el haz también se mueve simultáneamente desde el extremo cercano al extremo lejano del eje F, lo que garantiza que el diámetro del punto focal del haz se mantiene constante en toda el área de procesamiento.
• Control de la presión del agua: Algunos sistemas controlan la presión del agua de la lente de enfoque, que suele ser un sistema de enfoque por reflexión metálica. Cuando el tamaño del haz de enfoque disminuye y el diámetro del punto focal aumenta antes de enfocar, la presión del agua se ajusta automáticamente, cambiando la curvatura focal y haciendo que el diámetro del punto focal sea menor.
• Compensación de trayectoria óptica: Un sistema que añade compensación de trayectoria óptica en las direcciones x e y de la máquina de corte de trayectoria volante. Esto significa que la trayectoria de compensación óptica se acorta cuando aumenta la distancia óptica en el extremo distal del corte, y aumenta cuando disminuye la distancia óptica en el extremo cercano del corte, manteniendo constante la distancia de la trayectoria óptica.

2. Tecnologías de perforación de corte

La tecnología de corte por láser, salvo en unos pocos casos, suele requerir la perforación de un pequeño orificio en el material. En el pasado, las máquinas de estampación por láser utilizaban primero un punzón para taladrar un agujero y, a continuación, utilizaban un láser para cortar a partir del agujero. En el caso de las máquinas de corte por láser sin estampación, existen dos opciones básicas perforación métodos:

• Perforación por chorro: Tras una exposición continua al láser, se forma una fosa en el centro del material, que luego se elimina rápidamente mediante un flujo coaxial de oxígeno, formando un agujero. El diámetro medio del orificio es aproximadamente la mitad del grosor del material, por lo que, en el caso de placas más gruesas, la perforación por chorro crea orificios no circulares con un diámetro mayor, lo que la hace inadecuada para piezas con requisitos elevados (como tubos de cribado de aceite), pero adecuada para materiales de desecho. La presión de oxígeno utilizada en el taladrado es la misma que en el corte, lo que provoca muchas salpicaduras.
• Perforación por pulsos: Los láseres de pulsos de máxima potencia provocan la fusión o vaporización de algunos materiales, normalmente utilizando oxígeno o nitrógeno como gas auxiliar para reducir la expansión del agujero causada por la oxidación exotérmica. La presión del gas es inferior a la del oxígeno utilizado en el corte, y cada pulso láser produce sólo pequeñas partículas que se expulsan en profundidad, por lo que se tarda unos segundos en perforar placas más gruesas. Una vez finalizado el taladrado, el gas auxiliar se sustituye inmediatamente por oxígeno para el corte. El resultado es un diámetro de perforación menor y una mejor calidad de perforación en comparación con la perforación por chorro.

Para la perforación por pulsos, el láser utilizado no sólo debe tener una elevada potencia de salida, sino también unas elevadas características de tiempo y espacio de los haces. El proceso de perforación por impulsos también debe contar con un sistema fiable de control de la trayectoria del gas para controlar el tipo de gas, la conmutación de la presión del gas y el tiempo de perforación. También debe hacerse hincapié en la transición de la perforación por impulsos al corte continuo del material para conseguir cortes de alta calidad.

En la producción industrial, resulta más práctico modificar la potencia media del láser, como cambiar la anchura del pulso, la frecuencia o ambas simultáneamente. El tercer método ha demostrado tener el mejor efecto.

3. Diseño de la boquilla y técnica de control del flujo de aire

En acero de corte con un láser, el oxígeno y el rayo láser se dirigen a través de una boquilla hacia el material para formar un chorro. Para que el corte sea eficaz, el flujo de aire debe ser grande y rápido para producir suficiente oxidación y reacción exotérmica en el material cortado. Además, el flujo de aire debe tener suficiente impulso para eliminar el material fundido. El diseño de la boquilla y el control del flujo de aire, como la presión y la posición de la boquilla y la pieza, son factores cruciales que afectan a la calidad del corte.

Actualmente, las boquillas utilizadas en el corte por láser tienen un diseño sencillo, consistente en un cono con un pequeño orificio en la parte superior. El diseño de la boquilla suele realizarse mediante experimentos y métodos de derivación. Sin embargo, como la boquilla suele ser de cobre y es pequeña y vulnerable, requiere sustituciones frecuentes y no suele tenerse en cuenta en los cálculos y análisis de mecánica de fluidos.

Cuando está en uso, el gas con presión Pn entra en la boquilla y crea presión en la boquilla. El gas sale pulverizado de la boquilla y alcanza la superficie de la pieza después de cierta distancia, formando la presión de corte Pc. Finalmente, el gas se expande para formar la presión atmosférica Pa. La investigación ha demostrado que a medida que aumenta Pn, también aumentan la velocidad del flujo de aire y Pc.

La fórmula para calcular la velocidad del flujo de aire es:

V = 8,2d^2 (Pg + 1)

donde:

V = velocidad del flujo de aire en L/min
d = diámetro de la boquilla en mm
Pg = presión de la tobera (presión superficial) en bar

Cuando la presión de la tobera supera un determinado valor, el flujo de aire puede pasar de subsónico a supersónico y convertirse en una onda de choque oblicua normal. El valor umbral depende de la relación entre la presión de la tobera (Pn) y la presión atmosférica (Pa) y del grado de libertad (n) de las moléculas de gas. Por ejemplo, cuando n=5 para el oxígeno y el aire, el umbral Pn es de 1,89 bar.

Si la presión de la boquilla es mayor, es decir, Pn/Pa > 4 bar, la onda de choque oblicua normal del flujo de aire puede cambiar a un choque normal, haciendo que la presión de corte (Pc) disminuya, la velocidad del aire se reduzca y se forme un vórtice en la superficie de la pieza, lo que debilita el efecto del flujo de aire en la eliminación del material fundido y afecta a la velocidad de corte.

Para evitarlo, la presión de la boquilla de oxígeno suele mantenerse por debajo de 3 bares cuando se utiliza una boquilla con un cono y un pequeño orificio en la parte superior.

Para aumentar la velocidad del corte por láser, se ha diseñado una boquilla convergente-divergente denominada boquilla Laval basada en principios aerodinámicos. Esta boquilla aumenta la presión sin provocar ondas de choque normales. La estructura de la boquilla se representa en la figura 4 para facilitar su fabricación.

El centro láser de la Universidad de Hannover (Alemania) realizó experimentos combinando un láser de CO2 de 500 W (con una longitud focal de 2,5) con una boquilla de orificio cónico y una boquilla Laval. Los resultados de los experimentos se representan en las figuras, que muestran la relación entre la rugosidad superficial (Rz) y la velocidad de corte (Vc) para las boquillas nº 2, nº 4 y nº 5 bajo diferentes presiones de oxígeno.

Como se muestra en las figuras, cuando la presión (Pn) es de 400 Kpa (o 4 bar), la velocidad de corte de la boquilla de agujeros nº 2 sólo alcanza los 2,75 m/min (para una chapa de acero al carbono de 2 mm de espesor). Sin embargo, a Pn de 500 Kpa o 600 Kpa, la velocidad de corte de las boquillas Laval nº 4 y nº 5 alcanza 3,5 m/min y 5,5 m/min, respectivamente.

Es importante señalar que la presión de corte (Pc) depende de la distancia entre la pieza y la boquilla. La onda de choque oblicua se refleja repetidamente en el límite del flujo de aire, provocando que la presión de corte fluctúe periódicamente.

La primera zona de alta presión de corte se encuentra cerca de la salida de la boquilla, siendo la distancia entre la superficie de la pieza y la salida de la boquilla de aproximadamente 0,5 a 1,5 mm. El resultado es una presión de corte (Pc) elevada y estable, lo que la convierte en un parámetro muy utilizado en la producción industrial.

La segunda zona de alta presión de corte está aproximadamente de 3 a 3,5 mm de distancia de la salida de la boquilla y también presenta una alta presión de corte, lo que contribuye a obtener buenos resultados de corte y a proteger la lente, mejorando así su vida útil.

Sin embargo, otras zonas de alta presión de corte en las curvas están demasiado lejos de la salida de la boquilla para alinearse con el haz enfocado.

En conclusión, la tecnología de corte por láser de CO2 se utiliza cada vez más en la producción industrial de China. En el extranjero, se están realizando esfuerzos para estudiar tecnologías y equipos de corte que puedan alcanzar mayores velocidades de corte y manipular chapas de acero más gruesas.

Para satisfacer la creciente demanda de producción industrial de alta calidad y mayor eficiencia, es importante centrarse en resolver los problemas tecnológicos clave y aplicar normas de calidad, haciendo que esta nueva tecnología se adopte más ampliamente en nuestro país.