Imagine cortar acero inoxidable de gran espesor con la precisión y la velocidad de la luz. Los láseres de fibra de potencia ultraalta, que ahora alcanzan hasta 40 kW, están revolucionando la industria del corte. Este artículo explora cómo estos láseres consiguen una calidad de corte y una productividad sin precedentes, haciendo que el corte por aire sea más rápido y económico. Conozca los últimos avances, las aplicaciones prácticas y las importantes ventajas de adoptar esta tecnología de vanguardia en sus procesos de fabricación.
El láser de fibra de ultra alta potencia puede lograr un corte de placas gruesas rápido y de alta calidad, incluyendo el uso de aire como gas auxiliar para cortar acero inoxidabley muchas ventajas sobre otras soluciones de corte.
En los últimos años, los láseres de fibra de potencia ultraelevada (UHP) con potencias que oscilan entre 10 kW y 40 kW se han aplicado rápidamente en el mercado del corte, y se espera que la potencia láser más alta utilizada para aplicaciones de corte siga aumentando.
Demostraremos el efecto de la aplicación de corte en este rango de potencia y analizaremos los principales factores que impulsan la aplicación de los láseres de fibra de potencia ultraalta: importantes ventajas de productividad, mejora de la calidad de corte y capacidad para cortar hasta el grosor límite (por ejemplo, como se muestra en este artículo, cortar acero inoxidable de 230 mm de grosor con una potencia de 40 kW).
En este artículo, la potencia de los láseres de potencia ultraalta se define como láseres con una potencia superior a 10 kW. Permiten nuevos métodos de proceso para promover corte por láser expansión a nuevos mercados (por ejemplo, utilizando aire como gas auxiliar para cortar acero inoxidable de hasta 50 mm de grosor a velocidades 4 veces superiores a las del corte por plasma de alta potencia).
Los resultados de la aplicación demuestran que los láseres de potencia ultraelevada están cambiando la forma de cortar acero inoxidable al utilizar la tecnología de corte por aire en lugar de nitrógeno y oxígeno para conseguir un corte de alta calidad, rápido y económico.
Tendencia de desarrollo en 6 años: La más alta Potencia láser Para aplicaciones de corte
Hace más de 50 años surgió la tecnología de corte por láser. Desde entonces, el corte por láser ha entrado en un periodo de rápido desarrollo tecnológico.
En la década de 1970 se introdujeron las máquinas comerciales de corte por láser, y los primeros usuarios las utilizaron para la producción a gran escala.
En la década de 1980, se generalizó el uso de equipos de corte por láser de dióxido de carbono (CO2).
A finales de los 90 y principios de los 2000, se introdujeron los láseres de fibra de alta potencia.
El desarrollo del nivel de kilovatios máquinas de corte por láser de fibra a finales de la década de 2000 transformó el corte por láser de una aplicación a pequeña escala a un proceso de fabricación generalizado.
Las máquinas de corte por láser de fibra ocupan un lugar importante en la chapa metálica de corte por láser, debido principalmente a la facilidad de integración, fiabilidad, bajo mantenimiento, costes de inversión y funcionamiento relativamente bajos, alto rendimiento de corte y posibilidad de escalado de potencia de los láseres de fibra.
A finales de la década de 2010 y principios de la de 2020, existen dos vías de crecimiento en el mercado del corte por láser.
La primera tendencia se refiere al segmento de baja potencia del mercado, en el que la demanda de máquinas de corte de 1-3 kW se ha disparado debido a los menores costes de capital de los equipos.
La segunda tendencia se sitúa en el extremo de alta potencia del mercado, lo que ha provocado un aumento de la demanda de láseres de fibra de potencia ultraelevada.
Esto se debe a la gran rentabilidad de los láseres de potencia ultraelevada, que proporcionan una gran productividad y capacidad técnica.
Además, el campo del corte por láser ha experimentado un revolucionario "cambio de poder", que no tiene precedentes en otras fabricación de chapa metálica durante el mismo periodo.
En las exposiciones de fabricación, podemos ver que la mayor potencia láser exhibida en las máquinas de corte ha aumentado de 6 kW en 2015 a los 40 kW previstos para 2022, un crecimiento de casi siete veces (consulte la Figura 1).
En sólo los últimos tres años, la potencia máxima de los equipos láser ha pasado de 15 kW a 40 kW, ¡un aumento de 2,5 veces!
Los láseres de fibra de alta potencia fiables ya habían aparecido unos años antes de que se iniciara la tendencia del corte de potencia ultraalta. Ya en 2013 había láseres de fibra industriales con una potencia de 100 kW.
Sin embargo, no ha sido hasta los últimos años, cuando el precio por kilovatio de los equipos láser ha disminuido rápidamente, que se ha reducido el umbral para entrar en el corte por láser de potencia ultraelevada, y también han aparecido cabezales de corte capaces de soportar una potencia láser tan elevada en entornos de corte difíciles.
Además, las bases de datos de corte adaptables a los equipos de corte de potencia ultraelevada también son cada vez más sofisticadas.
La tabla muestra la velocidad de corte y la calidad de diferentes metales evaluados utilizando los láseres de fibra YLS-40000 con 40 kW e YLS-30000-ECO2 con 30 kW de alta eficiencia de conversión óptico-eléctrica de IPG configurados con un diámetro de núcleo de fibra de 100μm y un cabezal de corte IPGCut-HP.
Según los conocimientos actuales, la potencia láser de 40 kW con un diámetro de núcleo de fibra de 100 μm es actualmente la potencia láser más alta que puede proporcionar una fuente láser utilizada en el corte por láser industrial.
Elegimos un diámetro de núcleo de fibra de 100μm porque proporciona un increasese de 10-25% en la velocidad de corte en comparación con un diámetro de núcleo de fibra de 150μm.
Nuestros experimentos demostraron que para todos los metales probados, incluidos el acero inoxidable, el acero al carbono y el aluminio, las velocidades de corte por láser aumentaban con el incremento de la potencia media (hasta 40 kW).
La figura 2 muestra el aumento de la velocidad de corte con la potencia del láser para cortar acero al carbono de 6-40 mm de grosor utilizando tecnología de corte por aire en el rango de 12 kW a 40 kW.
La tasa de aumento de la velocidad aumenta con el incremento del espesor del metal.
Por ejemplo, al cortar acero al carbono de 12 mm de grosor, la velocidad de corte a 40 kW es 280% más rápida que a 15 kW (con un aumento de potencia de 270%), mientras que para el acero al carbono de 20 mm de grosor, la velocidad de corte a 40 kW es 420% más rápida que a 15 kW. En el caso del acero al carbono de 30 mm de espesor, al aumentar la potencia de 30 kW a 40 kW (con un aumento de potencia de 33%), la velocidad de corte aumenta en 66%.
Por lo tanto, los láseres de potencia ultraelevada más potentes mejorarán aún más la productividad de los láseres gruesos. corte de chapa.
Para aprovechar la mayor velocidad de corte que proporcionan los láseres de potencia ultraelevada y acortar considerablemente los ciclos de producción, es necesario cortar las piezas a gran aceleración, especialmente las más delgadas.
En los últimos años, la aceleración máxima de las máquinas de corte por láser ha aumentado de 1G a 3G para adaptarse a la mayor potencia del láser.
En el mercado de gama alta, la aceleración máxima de las máquinas de corte por láser de potencia ultraalta puede alcanzar los 6G, y su diseño mecánico puede garantizar que la trayectoria de corte no se desvíe significativamente.
En comparación con una potencia inferior, el corte por láser de potencia ultraelevada reduce significativamente el coste de procesamiento por unidad y aporta un retorno de la inversión más rápido y una mayor rentabilidad.
En el corte por láser, el coste de procesamiento procede principalmente del consumo de gas, que suele aumentar significativamente al aumentar el grosor de la pieza.
El corte por láser de ultra alta potencia requiere una presión de gas y un tamaño de boquilla iguales o menores que el corte de baja potencia.
Sin embargo, los láseres de potencia ultraalta tienen velocidades de corte más rápidas, lo que reduce el tiempo de corte por unidad y reducir en gran medida el consumo de gas.
Por ejemplo, en comparación con un láser de 15 kW, un láser de 30 kW puede cortar una pieza típica de acero inoxidable de 16 mm de grosor en la mitad del ciclo de producción, reduciendo el consumo de gas a la mitad.
El consumo de energía de los láseres y enfriadores de agua suele aumentar linealmente con la potencia del láser.
Sin embargo, el resto del consumo de energía de las máquinas de corte sigue siendo prácticamente el mismo. Por tanto, en el caso anterior, en el que el ciclo de producción por unidad se redujo a la mitad, redujimos el consumo total de energía por unidad aumentando la potencia del láser.
Con el continuo desarrollo de la tecnología PG, la eficiencia de conversión electro-óptica de los láseres de fibra de alta potencia supera los 50%, lo que favorece el ahorro de energía.
Además de velocidades de corte más rápidas, los láseres de potencia ultraelevada también pueden ahorrar en el consumo de gas. En comparación con el corte con nitrógeno, más caro, o con oxígeno, más lento, los láseres de potencia ultraalta permiten cortar rápidamente y sin escoria acero al carbono grueso utilizando aire a alta presión.
Con el corte con amoníaco y aire, la potencia ultraelevada permite reducir la presión de gas necesaria para un corte sin escoria.
Por ejemplo, para cortar acero al carbono de 20 mm de espesor sin escoria con un láser de 15 kW, se requiere una presión de gas superior a 16ba, mientras que 10-12bar es suficiente cuando se utiliza una potencia de 20 kW o superior.
Dado que el consumo de gas varía aproximadamente de forma lineal con la presión (con el mismo tamaño de boquilla), una despresurización significativa ayuda a reducir el consumo de gas y a simplificar las especificaciones de los equipos de generación de gas.
La eficiencia de producción de los equipos de corte por láser de alta potencia es el doble que la de los equipos de corte por láser de baja potencia, pero el precio del equipo no es el doble. Esto se debe a que el coste por kilovatio disminuye al aumentar la potencia del láser.
Además, el coste de los láseres de mayor potencia se incluye en el coste total del equipo, que aumenta marginalmente (en comparación con los equipos láser de menor potencia).
Por lo tanto, las máquinas de corte por láser de potencia ultra alta pueden lograr el doble de eficiencia de producción gracias a una mayor potencia del láser, mientras que los costes del equipo sólo aumentan en 30-40%.
Gracias a una eficiencia de producción significativamente mejorada, los equipos de potencia ultraelevada pueden sustituir a múltiples equipos de baja potencia, reduciendo así el espacio, el número de operarios y la preparación de las instalaciones.
Por otro lado, para garantizar la eficiencia de la producción, los requisitos de fiabilidad de las fuentes láser y los cabezales de corte son mayores en las máquinas de corte por láser de fibra de potencia ultra alta.
Es decir, para las fuentes láser de fibra, se requiere una potencia de salida y una calidad del haz estables a largo plazo, que se ven afectadas por la calidad de los diodos, los componentes y la integración óptica.
En cuanto a los cabezales de corte de potencia ultraelevada, deben soportar una elevada potencia láser, gas a alta presión, polvo, calor de proceso y alta aceleración para lograr un procesamiento estable y fiable.
| Oxígeno | Nitrógeno | Aire a alta presión | |
| Coste de corte con gas equipo | bajo | De bajo a alto | alta |
Coste de explotación del corte de gas | bajo | alta | Muy bajo |
Flux | bajo | Muy alta | Muy alta |
Escoria | Ninguno/Bajo | medio | Ninguno/Bajo |
Repetibilidad a largo plazo de la calidad de la producción | Medio/Alto | Muy alta | Muy alta |
Sensibilidad al entorno de la superficie del material | medio | bajo | bajo |
Sensibilidad a composición del material | alta | bajo | bajo |
Zona afectada por el calor | medio | Pequeño | Pequeño |
Capacidad para cortar piezas complejas o con una elevada relación profundidad/anchura | medio | alta | alta |
Grado de oxidación de la superficie durante el corte | serio | nada | moderado |
| Rugosidad de la superficie después del corte (Rz) | bajo | secundario | Medio/Alto |
| Estética de la superficie tras el corte | bien | secundario | Pobre |
Anchura del corte | grande | Pequeño | Pequeño |
Potencia láser necesaria para un corte sin escoria | bajo | N/A | medio |
El acero al carbono puede cortarse utilizando oxígeno, nitrógeno o aire como gas auxiliar.
La figura 3 resume las ventajas e inconvenientes de utilizar cada tipo de gas auxiliar.
Aunque el oxicorte es bueno para cortar acero al carbono de gran espesor con una potencia de láser inferior debido a su energía de oxidación adicional, la eficacia de la producción disminuye ya que la velocidad de corte no es proporcional a la potencia del láser.
En cambio, la velocidad de corte del acero al carbono asistido por aire es proporcional a la potencia (véase la figura 2).
Por ejemplo, para acero al carbono de 16m con una potencia entre 10kW y 30kW, la velocidad de corte por oxígeno permanece invariable en unos 2 m/min, mientras que la velocidad de corte por aire es de más de 9m/min a 30kW, que es 4,5 veces más rápida que la velocidad de corte por oxígeno.
El grosor que antes sólo se cortaba con oxígeno a menor potencia y velocidad ahora se puede procesar con láseres de potencia ultraalta y aire, lo que ha mejorado mucho la velocidad y la calidad.
En el caso de los láseres de baja potencia, el corte por aire puede provocar escoria difícil de eliminar y una mala calidad de la superficie.
Para industrias como la fabricación de equipos de construcción y la industria pesada con grandes cantidades de procesamiento de chapa gruesa, este innovador y eficiente plan de procesamiento de ultra alta potencia es muy bienvenido.
(a) Corte de acero inoxidable de 70 mm de espesor con nitrógeno a una potencia de 30 kW;
(b) Corte de acero al carbono de 230 mm de espesor con aire a una potencia de 40 kW.
Las pruebas han demostrado que, a medida que aumenta la potencia de los láseres de potencia ultraalta, también aumenta el grosor de corte. Por ejemplo, la figura 4 muestra el corte de acero inoxidable de 70 mm de grosor con nitrógeno a 30 kW y el corte de acero al carbono de 230 mm de grosor con aire a 40 kW, ambos realizados en modo de corte por pulsos.
(a) Corte por aire de acero al carbono de 28 mm de espesor a 4,5 m/min (177ipm) con láser IPG40 KW YLS;
(b) Corte por aire de acero inoxidable de 40 mm de espesor a 2,3 m/min (90ipm) con láser IPG40 kW YLS;
(c) Corte con nitrógeno de acero inoxidable de 3-25 mm de espesor perfiles de acero con láser IPG30 kW YLS-ECO;
(d) Corte de acero al carbono de 30 mm de espesor con oxígeno a una potencia de 15 kW.
En el modo de corte de onda continua (CW) a toda velocidad, se utiliza aire sin escoria de 20 kW para cortar acero al carbono de 20 mm de grosor, aire sin escoria de 40 kW para cortar acero al carbono de 30 mm de grosor y aire sin escoria de 40 kW para cortar acero al carbono de 40 mm de grosor (véanse las figuras 2 y 5 anteriores). Para corte de acero inoxidablees más fácil conseguir un efecto de no escoria, por lo que el espesor máximo de corte es mayor que el del acero al carbono (véanse la Figura 5b y la Figura 5c).
Para el corte continuo con nitrógeno y aire, sólo un cierto espesor puede lograr un corte sin escoria y una buena superficie de corte con una potencia determinada. A partir de un determinado espesor, debe utilizarse el corte por impulsos (velocidad más lenta que en continuo) para conseguir una calidad cualificada; de lo contrario, debe aumentarse la potencia del láser.
Normalmente, una velocidad de corte inferior a 2 m/min significa que la potencia del láser es insuficiente en modo continuo para lograr la mejor calidad de corte.
Para el oxicorte de acero al carbono, el aumento de la potencia incrementará el grosor máximo de corte al tiempo que garantiza una "superficie de corte lisa". Por ejemplo, el grosor máximo de corte con 4kW es de unos 6-8mm, mientras que el grosor máximo de corte con 15kW es de 30mm. La figura 5d muestra una muestra de acero al carbono de 30 mm de grosor cortada con un láser de 15 kW.
Al utilizar la alta potencia de pico del láser de potencia ultraalta en modo de pulso, los metales gruesos pueden perforarse rápidamente con menos salpicaduras. El tiempo de perforación de acero inoxidable de 16 mm se ha reducido considerablemente de >1 segundo a 6 kW a 0,5 segundos a 10 kW y a 0,1 segundos a 20 kW.
En aplicaciones prácticas, los tiempos de perforación de ≤0,1 segundos suelen considerarse "instantáneos". La mayor potencia de pico aumenta la relación profundidad-anchura del baño de fusión, lo que permite un puenteado más rápido del espesor con menos fusión lateral. La reducción de la fusión lateral del material también reduce al máximo las salpicaduras de la superficie superior.
En los últimos seis años, varios avances tecnológicos han impulsado la mejora del rendimiento del corte por láser, entre ellos:
Aunque las necesidades de las distintas industrias son diferentes y todas las tecnologías de capacitación se utilizan en áreas específicas, el corte por láser de potencia ultra alta es una tendencia tecnológica líder que impulsa la mejora del rendimiento del corte por láser.
Prueba de ello es la adopción generalizada de láseres de potencia ultraalta en máquinas de corte por láser en todo el mundo.
A medida que cada vez más ingenieros de aplicaciones adoptan los láseres de potencia ultraelevada, comprenden que las ventajas de producción y calidad de las máquinas de corte de potencia ultraelevada son polifacéticas y superan a las de las tecnologías de potencia láser inferior con menos complejidad.
Los láseres de potencia ultraelevada presentan ventajas significativas en cuanto a espesor de corte, calidad y rentabilidad para el corte de chapas gruesas, especialmente a potencias de 15 kW y superiores, lo que los hace más competitivos que los láseres de alta corriente. corte por plasma máquinas.
Las pruebas comparativas muestran que, para acero inoxidable de hasta 50 mm de grosor, un láser de fibra de 20 kW es entre 1,5 y 2,5 veces más rápido que una máquina de corte por plasma de alta corriente (300 A). En el caso del acero al carbono, también se demuestra que la velocidad de corte para espesores de hasta 15 mm es más del doble.
Los cálculos muestran que, para acero al carbono de 15 mm de grosor, el coste total de corte por metro con un láser de 20 kW es aproximadamente la mitad que con plasma.
Debido a su mayor velocidad de corte para secciones de acero inoxidable de 12-50 mm de grosor y secciones de acero con bajo contenido en carbono de 12-30 mm de grosor en comparación con el corte por plasma de alta potencia, el uso de un láser de 40 kW para estos materiales produce una diferencia de productividad aún mayor.
En comparación con los láseres de baja potencia y otros procesos de corte (como el corte por plasma), la principal fuerza impulsora de la adopción de láseres de potencia ultraalta para el corte es la mayor productividad y los menores costes de corte por pieza.
Las ganancias de velocidad derivadas del uso de láseres de potencia ultraalta proporcionan economías de escala a los fabricantes; por ejemplo, aumentar la potencia de 30 kW a 40 kW incrementa la velocidad de corte en 66%.
Los láseres de potencia ultraelevada permiten un corte por aire rápido y de alta calidad de acero al carbono, que es más ventajoso que el corte por oxígeno, más lento, y el corte por nitrógeno, más caro. En nuestras pruebas, el uso de un corte por aire de 40 kW para cortar acero al carbono de hasta 50 mm de grosor fue de tres a cuatro veces más rápido que el corte por plasma de alta potencia.
Los láseres de potencia ultraelevada hacen que el corte por láser sea más competitivo en muchos otros aspectos. Por ejemplo, aumentando el grosor y la calidad del corte (se pueden cortar materiales de hasta 230 mm de grosor), reduciendo o eliminando los costes de postprocesado (reduciendo al máximo la escoria colgante), reduciendo la huella y los costes de las instalaciones, disminuyendo los requisitos de mano de obra y mejorando la calidad y el rendimiento de la perforación.
A medida que la potencia y la eficacia de los láseres de potencia ultraalta sigan mejorando, estas ventajas se harán aún más evidentes, aumentando su capacidad para cambiar de forma rápida y económica las aplicaciones de corte en distintos sectores.
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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