Corte por láser Es un proceso de fabricación preciso y eficiente, ampliamente utilizado en diversas industrias para cortar y dar forma a materiales. Utiliza un rayo láser enfocado para fundir, quemar o vaporizar el material, creando cortes limpios y precisos. Este método ofrece numerosas ventajas sobre las técnicas de corte tradicionales, como alta precisión, velocidad y la capacidad de cortar formas complejas. En este artículo, exploraremos el principio del corte láser, sus diferentes tipos, características clave y su aplicación en metales.
El principio del corte por láser
El corte por láser utiliza un haz láser enfocado de alta densidad de potencia para escanear la superficie de la pieza de trabajo, calentando localmente el material a varios miles o decenas de miles de grados Celsius en muy poco tiempo, de modo que el material irradiado se funde, vaporiza, ablaciona o alcanza el punto de ignición rápidamente. Al mismo tiempo, utiliza un flujo de aire de alta velocidad coaxial con el haz para soplar el material fundido y cortar la pieza de trabajo para lograr el propósito del corte del material. Si el gas soplado y el material cortado producen una reacción térmica, esta reacción proporcionará energía adicional necesaria para el corte; el flujo de aire también tiene la función de enfriar la superficie de corte, reduciendo la zona afectada por el calor y asegurando que el espejo de enfoque no se contamine. El corte por láser es un proceso de corte térmico.
Ya sea que se utilice un láser de CO2 o un láser Nd:YAG para cortar, el principio es básicamente el mismo. En la práctica, se instala una lente en el cabezal de corte láser para enfocar el láser a un punto focal muy pequeño (punto), donde la densidad de potencia es extremadamente alta, y el enfoque se ajusta a la superficie de la pieza de trabajo para fundir o vaporizar el material cortado.
El proceso de corte por láser se produce en la superficie al final del corte, denominada frente de ablación. El láser y el flujo de aire entran en el corte en este punto, y parte de la energía láser es absorbida por el frente de ablación, mientras que otra parte pasa a través del corte o se refleja en el espacio de corte a través de este. El frente de ablación se calienta, se funde o se vaporiza por el láser absorbido y la reacción exotérmica durante el proceso de corte, y es disipado por el flujo de aire. Parte del calor se transfiere al material base por conducción térmica o es disipado por el flujo de aire mediante pérdida de radiación y transferencia de calor por convección.
Un factor importante en el corte láser es la absorción del láser incidente en el frente de ablación de la pieza de trabajo, lo cual es fundamental para un corte láser eficaz. La absorción del láser está determinada por la polarización, el modo y el ángulo de convergencia, así como por la forma e inclinación del frente de ablación, las propiedades del material y el grado de oxidación.
El corte por láser utiliza láseres de alta energía para fundir o vaporizar el material en el punto de corte y utiliza un flujo de aire auxiliar de alta velocidad para expulsarlo y completar el corte. La densidad de potencia del corte por láser puede alcanzar entre 10^4 y 10^5 W/cm². La fuente láser generalmente utiliza un haz láser de CO2 con una potencia operativa de 2 a 500 W. Esta potencia es inferior a la que requieren muchos calentadores eléctricos domésticos, pero el láser se enfoca en un área muy pequeña a través de lentes y reflectores. La alta concentración de energía puede calentar rápidamente el material localmente y evaporarlo.
Además, gracias a la alta concentración de energía, solo se transfiere una pequeña cantidad de calor a otras partes del material, lo que causa poca o ninguna deformación. El láser permite cortar formas complejas con gran precisión, sin necesidad de procesar el material. Aunque los láseres de CO2 de alta energía pueden cortar placas de acero al carbono de hasta 25 mm de espesor, para obtener un corte de alta calidad, el espesor de la placa no debe superar los 10 mm.
Clasificación del corte por láser
El corte por láser puede utilizar gas auxiliar para eliminar materiales fundidos o vaporizados, o puede realizarse sin él. Según el gas auxiliar utilizado, el corte por láser se divide en cuatro categorías: corte por vaporización, corte por fusión, corte por oxidación con fundente y corte por fractura controlada.
(1) Corte por vaporización
La pieza de trabajo se calienta mediante un rayo láser de alta densidad energética, lo que provoca un rápido aumento de la temperatura superficial del material, alcanzando su punto de ebullición en muy poco tiempo, lo cual es suficiente para evitar la fusión por conducción térmica. El material comienza a vaporizarse y parte de él se evapora y desaparece. El vapor se expulsa rápidamente. Simultáneamente, parte del material es expulsado por el flujo de gas auxiliar, formando una incisión en el material. Durante el proceso de corte por vaporización, el vapor arrastra las partículas fundidas y arrastra los residuos, formando agujeros.
Durante el proceso de vaporización, aproximadamente el 40 % del material se evapora, mientras que el 60 % se elimina por el flujo de aire en forma de gotitas fundidas. El calor de vaporización del material suele ser muy elevado, por lo que el corte por vaporización láser requiere una alta potencia y densidad de potencia. Algunos materiales infundibles, como la madera, los materiales de carbono y algunos plásticos, se cortan y moldean mediante este método. El corte por vaporización láser se utiliza principalmente para cortar materiales metálicos y no metálicos extremadamente delgados (como papel, tela, madera, plástico, caucho, etc.).
(2) Corte por fusión
El material metálico se funde mediante calor con un rayo láser. Cuando la densidad de potencia del rayo láser incidente supera un valor determinado, el material en su interior comienza a evaporarse y forma un agujero. Una vez formado, este pequeño agujero absorbe toda la energía del rayo incidente como un cuerpo negro. El pequeño agujero se rodea con la pared de metal fundido y, a continuación, se pulveriza un gas no oxidante (Ar, He, N, etc.) a través de una boquilla coaxial con el rayo. La fuerte presión del gas se utiliza para descargar el metal líquido alrededor del agujero.
A medida que la pieza se mueve, el pequeño orificio se mueve sincronizadamente en la dirección de corte para formar una incisión. El rayo láser continúa irradiando a lo largo del borde frontal de la incisión, y el material fundido se expulsa de forma continua o pulsante. El corte por fusión láser no requiere que el metal se vaporice completamente, y la energía requerida es solo una décima parte de la del corte por vaporización. El corte por fusión láser se utiliza principalmente para cortar materiales difíciles de oxidar o metales activos, como el acero inoxidable, el titanio, el aluminio y sus aleaciones.
(3) Corte por flujo de oxidación
El principio es similar al del corte oxiacetilénico. Utiliza láser como fuente de calor de precalentamiento y oxígeno u otros gases activos como gas de corte. Por un lado, el gas expulsado reacciona con el metal cortado, liberando una gran cantidad de calor de oxidación; por otro, expulsa el óxido fundido y la masa fundida de la zona de reacción para formar una incisión en el metal. Dado que la reacción de oxidación durante el proceso de corte genera una gran cantidad de calor, la energía requerida para el corte láser con oxígeno es solo la mitad de la del corte por fusión, y la velocidad de corte es mucho mayor que la del corte láser por vaporización y el corte por fusión.
Los principios básicos del corte por flujo de oxidación son los siguientes:
①Utilice oxígeno u otros gases activos. La superficie del material se calienta rápidamente hasta la temperatura de ignición bajo la irradiación del rayo láser, y se produce una violenta reacción de combustión con el oxígeno, liberando una gran cantidad de calor. Bajo la acción de este calor, se forman pequeños orificios llenos de vapor en el interior del material, rodeados por paredes de metal fundido.
②El material de combustión se transfiere a la escoria para controlar la velocidad de combustión del oxígeno y el metal. Cuanto mayor sea el caudal de oxígeno, más rápida será la reacción química de combustión y la eliminación de la escoria. Cuanto mayor sea el caudal de oxígeno, mejor, ya que un caudal demasiado alto provocará un enfriamiento rápido de los productos de reacción (es decir, óxidos metálicos) a la salida de la ranura, lo cual perjudica la calidad del corte.
③ Existen dos fuentes de calor en el proceso de corte por flujo de oxidación: la energía de la irradiación láser y la energía térmica generada por la reacción química entre el oxígeno y el metal. Al cortar acero, el calor liberado por la reacción de oxidación representa aproximadamente el 60 % de la energía total necesaria para el corte. En comparación con el gas inerte, el uso de oxígeno como gas auxiliar permite alcanzar una mayor velocidad de corte.
④ En el proceso de corte por oxidación con fundente con dos fuentes de calor, si la velocidad de combustión del oxígeno es superior a la del rayo láser, la ranura resulta ancha y rugosa; si la velocidad del rayo láser es superior a la velocidad de combustión del oxígeno, la ranura resultante es estrecha y lisa. El corte por oxidación con fundente láser se utiliza principalmente para cortar acero y es el método de corte más utilizado.
(4) Corte de fractura controlada
Para materiales frágiles que se dañan fácilmente con el calor, se utiliza un rayo láser de alta densidad energética para escanear su superficie y crear una pequeña ranura al calentarse. A continuación, se aplica cierta presión para calentar el material y el rayo láser permite un corte a alta velocidad y controlable. El material frágil se agrietará a lo largo de la pequeña ranura. El principio de este proceso de corte consiste en que el rayo láser calienta una zona específica del material frágil, lo que provoca un gran gradiente térmico y una grave deformación mecánica en la zona, lo que resulta en grietas. Mientras el gradiente de calentamiento se mantenga equilibrado, el rayo láser puede guiar la grieta para que se genere y se expanda en cualquier dirección deseada.
La fractura controlada consiste en aprovechar la distribución de temperatura pronunciada generada por el ranurado láser para generar tensión térmica local en el material frágil, de modo que este se rompa a lo largo de la ranura. Cabe destacar que este corte por fractura controlada no es adecuado para cortar ángulos agudos ni ranuras en las esquinas. Tampoco es fácil cortar con éxito formas cerradas extragrandes. El corte por fractura controlada ofrece una velocidad de corte rápida y no requiere una potencia excesiva, ya que, de lo contrario, la superficie de la pieza se fundirá y dañará el borde de la ranura. Los principales parámetros de control son la potencia del láser y el tamaño del punto.
Características del corte por láser
La tecnología de corte láser presenta ventajas evidentes sobre otros métodos de corte térmico. Sus características generales son la alta velocidad de corte y la alta calidad. Sus características específicas se pueden resumir de la siguiente manera:
(1) Buena calidad de corte
Debido al pequeño punto láser, la alta densidad de energía y la rápida velocidad de corte, el corte por láser puede lograr una buena calidad de corte. La incisión de corte por láser es estrecha y la precisión dimensional de las piezas cortadas puede alcanzar ±0.05 mm. La superficie de corte es lisa y hermosa, con una rugosidad superficial de solo decenas de micras (generalmente Ra es 12.5 ~ 25 um). El corte por láser puede incluso utilizarse como el último proceso. La costura de corte generalmente no necesita ser procesada de nuevo antes de la soldadura, y las piezas se pueden utilizar directamente. Después de que el material se corta por láser, el ancho de la zona afectada por el calor es muy pequeño y el rendimiento del material cerca del corte casi no se ve afectado. Además, la deformación de la pieza de trabajo es pequeña, la precisión de corte es alta, la forma geométrica de la costura de corte es buena y la forma de la sección transversal de la costura de corte presenta una forma rectangular relativamente regular.
(2) Alta eficiencia de corte
Debido a las características de transmisión del láser, las máquinas de corte láser suelen estar equipadas con múltiples bancos de trabajo CNC, lo que permite controlar completamente el proceso de corte. Durante la operación, solo es necesario modificar el programa CNC para aplicarlo al corte de piezas de diferentes formas, pudiendo realizar cortes tanto bidimensionales como tridimensionales.
(3) Velocidad de corte rápida
Al cortar una placa de acero de bajo carbono de 2 mm de espesor con una potencia láser de 1.2 kW, la velocidad de corte puede alcanzar los 600 cm/min; al cortar una placa de resina de polipropileno de 5 mm de espesor, la velocidad de corte puede alcanzar los 1200 cm/min. Al cortar una placa de acero al carbono de 8 mm de espesor con una potencia láser de 2 kW, la velocidad de corte es de 1.6 m/min, y al cortar una placa de acero inoxidable de 2 mm de espesor, la velocidad de corte es de 3.5 m/min. La zona afectada por el calor es pequeña y la deformación es extremadamente baja. El material no necesita sujeción ni fijación durante el corte láser, lo que permite ahorrar herramientas y accesorios, así como tiempo auxiliar de carga y descarga.
(4) Limpio, seguro y libre de contaminación.
Durante el corte láser, la antorcha no entra en contacto con la pieza y no se produce desgaste de la herramienta. Para procesar piezas de diferentes formas, no es necesario cambiar la herramienta; basta con modificar los parámetros de salida del láser. El proceso de corte láser ofrece un bajo nivel de ruido, baja vibración y cero contaminación, lo que mejora considerablemente las condiciones de trabajo de los operarios.
(5) Una amplia variedad de materiales de corte
En comparación con el corte oxiacetilénico y el corte por plasma, el corte láser permite cortar una amplia variedad de materiales, incluyendo metales, no metales, materiales compuestos metálicos y no metálicos, cuero, madera y fibra. Los diferentes materiales tienen distinta adaptabilidad al corte láser debido a sus propiedades termofísicas y a las distintas tasas de absorción del láser.
La desventaja del corte láser es que, debido a la potencia del láser y el volumen del equipo, solo permite cortar placas y tubos de espesor medio y pequeño. Además, la velocidad de corte disminuye significativamente a medida que aumenta el espesor de la pieza. Los equipos de corte láser son costosos y requieren una gran inversión única.
En cuanto a precisión de corte y rugosidad superficial, el corte por láser de CO2 no supera al mecanizado eléctrico; en cuanto a espesor de corte, es difícil alcanzar el nivel del corte por llama y plasma. Sin embargo, las importantes ventajas mencionadas demuestran que el corte por láser de CO2 ha sustituido, y sigue sustituyendo, a algunos métodos de corte tradicionales, especialmente el corte de diversos materiales no metálicos. Se trata de un método de procesamiento avanzado en rápido desarrollo y cada vez más utilizado.
Ámbito de aplicación del corte por láser
En la producción industrial, la tecnología de corte por láser es uno de los métodos de procesamiento más utilizados para el procesamiento láser y representa aproximadamente el 60% de toda la aplicación del procesamiento láser de materiales.
La mayoría de las máquinas de corte láser se controlan mediante programas CNC o se convierten en robots de corte. Como método de procesamiento de precisión, el corte láser permite cortar prácticamente cualquier material, incluyendo el corte bidimensional o tridimensional de placas metálicas delgadas. El corte láser se utiliza ampliamente en la fabricación de equipos eléctricos, maquinaria de transporte, petroquímica, automoción, maquinaria de ingeniería, equipos médicos, decoración, embalaje, etc. En el sector de la automoción, la tecnología de corte láser para curvas espaciales, como las ventanillas superiores, se ha utilizado ampliamente. Volkswagen, de Alemania, utiliza un láser de 500 W para cortar paneles de carrocería complejos y diversas piezas curvas.
En el sector aeroespacial, la tecnología de corte láser se utiliza principalmente para cortar materiales especiales de aviación, como aleaciones de titanio, aluminio, níquel y cromo, acero inoxidable, óxido de berilio, materiales compuestos, plásticos, cerámica y cuarzo. Entre las piezas aeroespaciales procesadas por corte láser se incluyen tubos de llama de motores, carcasas de paredes delgadas de aleación de titanio, cuadernillos de aeronaves, revestimientos de aleación de titanio, tramos de alas, paneles de cola, rotores principales de helicópteros y placas aislantes cerámicas de transbordadores espaciales, entre otras.
La tecnología de corte láser también se utiliza ampliamente en el campo de los materiales no metálicos. La potencia requerida para el corte láser es relativamente baja. Generalmente, un láser de CO2 continuo de menos de 1 kW es suficiente para cortar piezas delgadas. No solo puede cortar materiales de alta dureza y fragilidad, como nitruro de silicio, cerámica, cuarzo, etc., sino también materiales flexibles como tela, papel, placas de plástico, caucho, cuero, etc. Por ejemplo, el uso de láseres para cortar ropa puede ahorrar entre un 10 % y un 12 % de materiales y triplicar la eficiencia.
La densidad de energía del rayo láser es ligeramente inferior a la del rayo de electrones, y la capacidad de corte de ambos rayos es prácticamente la misma. En comparación con el corte por rayo de electrones, el corte láser permite cortar metales de hasta 25 mm de espesor en atmósfera atmosférica y se puede cortar a gran velocidad con equipos de corte automáticos. La incisión es muy estrecha, el ángulo de corte es casi vertical y la calidad de corte es excelente.
Además de las aplicaciones anteriores, corte por láser También está ampliando continuamente sus áreas de aplicación, como se detalla a continuación:
① Utilice un sistema de corte láser 3D o configure un robot industrial para cortar curvas espaciales y desarrolle varios software de corte 3D para acelerar el proceso desde el dibujo hasta el corte de piezas.
② Para mejorar la eficiencia de la producción, se han estudiado y desarrollado diversos sistemas de corte especiales, sistemas de transporte de materiales, sistemas de accionamiento por motor lineal, etc. Actualmente, la velocidad de corte del sistema supera los 100 m/min.
③ Para expandir la aplicación de maquinaria de ingeniería, industria de construcción naval, etc., el espesor de corte de placas de acero con bajo contenido de carbono ha superado los 30 mm, y la tecnología de proceso de corte de placas de acero con bajo contenido de carbono con nitrógeno se estudia especialmente para mejorar la calidad de corte de placas gruesas.
Ampliar el campo de aplicación del corte por láser de CO2 y resolver algunos problemas técnicos en nuevas aplicaciones siguen siendo temas importantes para el personal técnico y de ingeniería.
Corte por láser de diferentes materiales metálicos
(1) Corte láser de materiales metálicos. Aunque casi todos los materiales metálicos presentan una alta reflectividad a la energía de las ondas infrarrojas a temperatura ambiente, los láseres de CO₂ que emiten haces en la banda del infrarrojo lejano (2 µm) se utilizan con éxito para el corte láser de muchos metales. Los materiales metálicos presentan una baja absorción de los haces láser de 10.6 µm, con una tasa de absorción inicial de tan solo el 10.6 % al 0.5 %. La tasa de absorción de la mayoría de los metales en estado fundido aumenta considerablemente, generalmente entre el 10 % y el 60 %.
① Acero al carbono. El espesor de las placas de acero al carbono cortadas con láser puede alcanzar los 25 mm. El ancho de corte de las placas de acero al carbono cortadas con máquinas de corte por oxidación se puede controlar dentro de un rango satisfactorio, y el ancho de corte de las placas delgadas puede ser de tan solo 0.1 mm.
② Acero aleado. La mayoría de los aceros estructurales y de herramientas aleados pueden lograr una buena calidad de filo mediante corte láser. Al utilizar oxígeno como gas de procesamiento, el filo se oxida ligeramente. Para placas de hasta 4 mm de espesor, se puede utilizar nitrógeno como gas de procesamiento para el corte a alta presión. En este caso, el filo no se oxida. Para placas con un espesor superior a 10 mm, se pueden obtener mejores resultados utilizando placas especiales en el láser y aplicando aceite a la superficie de la pieza durante el procesamiento. Para acero de alta resistencia, siempre que los parámetros del proceso se controlen adecuadamente, también se pueden obtener filos rectos y sin escoria. Sin embargo, en aceros para herramientas de alta velocidad y aceros para matrices de forja en caliente que contienen tungsteno, es probable que se produzcan procesos de fusión y escoria durante el corte láser.
③ Acero inoxidable. El corte por láser es un método de procesamiento eficaz para la industria manufacturera, que produce principalmente placas delgadas de acero inoxidable. Mediante un estricto control del calor aplicado al corte por láser, se puede limitar el ancho de la zona afectada por el calor del filo, garantizando así una buena resistencia a la corrosión del acero inoxidable. Se puede utilizar oxígeno cuando la oxidación del filo no es un problema, y nitrógeno para obtener un filo sin oxidación ni rebabas, sin necesidad de ningún tratamiento adicional. La aplicación de una capa de aceite sobre la superficie de la placa permite obtener un mejor efecto de perforación sin reducir la calidad del procesamiento.
④ Aluminio y sus aleaciones. El corte láser de aluminio y sus aleaciones se realiza mediante un mecanismo de corte por fusión. El gas auxiliar se utiliza principalmente para expulsar el producto fundido del área de corte, obteniendo generalmente una buena calidad de corte. En algunas aleaciones de aluminio, se debe tener cuidado para evitar la formación de microfisuras intergranulares en la superficie de corte. Aunque las aleaciones de aluminio presentan alta reflectividad y buena conductividad térmica, el corte láser permite cortar materiales de aluminio con un espesor inferior a 6 mm, dependiendo del tipo de aleación y la potencia del láser. Con oxígeno, la superficie de corte es rugosa y dura; con nitrógeno, la superficie de corte es lisa. El aluminio puro es muy difícil de cortar. Solo se puede cortar con un dispositivo de absorción de reflexión instalado en el sistema; de lo contrario, la reflexión dañará los componentes ópticos.
⑤ Cobre y sus aleaciones. El cobre puro (cobre rojo) no se puede cortar con un rayo láser de CO2 debido a su alta reflectividad. El latón (aleación de cobre) debe cortarse con una mayor potencia láser. Se utiliza aire u oxígeno como gas auxiliar, y se pueden cortar placas más delgadas. Tanto el cobre puro como el latón tienen alta reflectividad y muy buena conductividad térmica. Las placas de latón con un espesor inferior a 1 mm se pueden cortar con nitrógeno; las placas de cobre con un espesor inferior a 2 mm se pueden cortar, utilizando oxígeno como gas de procesamiento. El cobre y el latón puros solo se pueden cortar con un dispositivo de absorción de reflexión instalado en el sistema; de lo contrario, la reflexión dañará los componentes ópticos.
⑥Titanio y sus aleaciones. El titanio puro absorbe muy bien la energía térmica convertida por el haz láser enfocado. Si se utiliza oxígeno como gas auxiliar, la reacción química es violenta y la velocidad de corte es rápida, pero es fácil generar una capa de óxido en el filo, lo que puede causar sobrecalentamiento. El uso de aire como gas auxiliar garantiza la calidad del corte. La calidad del corte láser con aleaciones de titanio, comúnmente utilizado en la industria aeronáutica, es buena. Aunque se forma una pequeña escoria pegajosa en la base del corte, esta es fácil de eliminar. Las placas de titanio se cortan con xenón y nitrógeno como gases de procesamiento.
⑦ Aleaciones a base de níquel. También conocidas como aleaciones de alta temperatura, existen diversas variedades, la mayoría de las cuales pueden oxidarse con láser y cortarse con fundente.
La calidad de la incisión es buena. El equipo de corte láser puede cortar placas de acero inoxidable de menos de 4 mm, y añadiendo oxígeno al haz láser se pueden cortar placas de acero al carbono de 25 mm de espesor. Sin embargo, tras el corte con oxígeno, se formará una fina película de óxido en la superficie de corte. El espesor máximo del corte láser puede alcanzar los 30 mm, pero el error dimensional de las piezas cortadas es considerable.
La tasa de absorción del material por el rayo láser desempeña un papel importante en la etapa inicial del calentamiento. Una vez formado el pequeño orificio en la pieza de trabajo, el efecto de cuerpo negro del mismo hace que el material absorba el rayo casi al 100 %. En la práctica del corte láser, la influencia del estado de la superficie del material en la tasa de absorción del rayo puede aprovecharse para mejorar el rendimiento de corte. Por ejemplo, aplicar una capa de material absorbente sobre la superficie de aluminio puede aumentar significativamente la velocidad de corte.
