thumb|Proceso de corte por láser en una hoja de acero thumb|CAD (arriba) y hoja acero inoxidable cortada con láser (parte inferior) thumb|Esquema de una cortadora láser. El corte con láser es una técnica empleada para cortar piezas de chapa caracterizada en que su fuente de energía es un láser que concentra luz en la superficie de trabajo. Para poder evacuar el material cortado es necesario el aporte de un gas a presión como por ejemplo oxígeno, nitrógeno o argón. Es especialmente adecuado para el corte previo y para el recorte de material sobrante pudiendo desarrollar contornos complicados en las piezas. Entre las principales ventajas de este tipo de fabricación de piezas se puede mencionar que no es necesario disponer de matrices de corte y permite efectuar ajustes de silueta. También entre sus ventajas se puede mencionar que el accionamiento es robotizado para poder mantener constante la distancia entre el electrodo y la superficie exterior de la pieza.
Para destacar como puntos desfavorables se puede mencionar que este procedimiento requiere una alta inversión en maquinaria y cuanto más conductor del calor sea el material, mayor dificultad habrá para cortar. El láser afecta térmicamente al metal pero si la graduación es la correcta no deja rebaba. Las piezas a trabajar se prefieren opacas y no pulidas porque reflejan menos. Los espesores más habituales varían entre los 0,5 y 6 mm para acero y aluminio. Los potencias más habituales para este método oscilan entre 3000 y 5000 W.
El corte por haz láser (LBC) es un proceso de corte térmico que utiliza fundición o vaporización altamente localizada para cortar el metal con el calor de un haz de luz coherente, generalmente con la asistencia de un gas de alta presión. Se utiliza un gas de asistencia para eliminar los materiales fundidos y volatilizados de la trayectoria del rayo láser. Con el proceso de rayo láser pueden cortarse materiales metálicos y no metálicos. El haz de salida con frecuencia se pulsa a potencias máximas muy altas en el proceso de corte, aumentando la velocidad de propagación de la operación de corte.
Los dos tipos más comunes de láser industrial son dióxido de carbono (CO2) y granate de aluminio de itrio dopado con neodimio (Nd:YAG) (Láser de fibra). Un láser CO₂ utiliza un medio gaseoso para producir la acción láser mientras que el Nd:YAG utiliza un material cristalino. El láser CO2 está disponible comercialmente en potencias de hasta 6kW y los sistemas Nd:YAG están disponibles en hasta 6kW. Con los láseres de fibra, la luz se emite en una longitud de onda estrecha que hace que la luz siga enfocada después de viajar a través de la fibra.
Si se realiza con equipo mecanizado, los cortes láser brindan resultados altamente reproducibles con anchuras de ranuras angostas, mínimas zonas afectadas por el calor y prácticamente ninguna distorsión. El proceso es flexible, fácil de automatizar y ofrece altas velocidades de corte con excelente calidad, pues el láser tiene la capacidad de operar perfiles de corte muy complejos y con radios de curvatura muy pequeños. Además, es una tecnología limpia, no contamina ni utiliza sustancias químicas. Los costos del equipo son altos pero están bajando a medida que la tecnología de resonadores es menos costosa.
Historia
En 1965, se utilizó la primera máquina de corte por láser para perforar agujeros en los troqueles de diamantes. Esta máquina fue realizada por el Western Electric Engineering Research Center. En 1967, los británicos fueron pioneros en el corte de metales por chorro de oxígeno asistido por láser. En la década de 1970, esta tecnología fue puesta en producción para cortar titanio en aplicaciones aeroespaciales. Al mismo tiempo, se adaptaron láseres de CO2 para cortar elementos no metálicos, como el textil, ya que eran absorbidos por los metales.
Tipos thumb|Cortadora láser CO2 de 4000 watt de potencia. Existen tres tipos principales de láser utilizados en el corte por láser. El láser de CO2 es adecuado para cortar, taladrar y grabar. Los láseres de neodimio (Nd) y de neodimio itrio-aluminio-granate (Nd:YAG) son idénticos en estilo y sólo difieren en su aplicación. El Nd se utiliza para taladrado y donde se requiere alta energía pero baja repetición. El láser Nd:YAG se utiliza cuando se necesita una potencia muy alta y para el mandrinado y el grabado. Tanto el láser como el Nd/Nd:YAG pueden utilizarse para soldadura.Todd, p. 186.
Los láseres de suelen "bombearse" haciendo pasar una corriente a través de la mezcla de gases (excitados por CC) o utilizando energía de radiofrecuencia (excitados por RF). El método de RF es más reciente y se ha hecho más popular. Dado que los diseños de CC requieren electrodos dentro de la cavidad, pueden sufrir erosión de electrodos y recubrimiento de material de electrodos en elementos de vidrio y óptica. Dado que los resonadores de RF tienen electrodos externos, no son propensos a estos problemas. Los láseres se utilizan para el corte industrial de muchos materiales, como titanio, acero inoxidable, acero dulce, aluminio, plástico, madera, madera de ingeniería, cera, tejidos y papel. Los láseres YAG se utilizan principalmente para cortar y trazar metales y cerámica.
Además de la fuente de energía, el tipo de flujo de gas también puede afectar al rendimiento. Las variantes comunes de los láseres de incluyen flujo axial rápido, flujo axial lento, flujo transversal y losa. En un resonador de flujo axial rápido, la mezcla de dióxido de carbono, helio y nitrógeno circula a gran velocidad por una turbina o soplante. Los láseres de flujo transversal hacen circular la mezcla de gases a menor velocidad, por lo que requieren un soplante más sencillo. Los resonadores refrigerados por losa o difusión tienen un campo de gas estático que no requiere presurización ni cristalería, lo que permite ahorrar en turbinas de recambio y cristalería.
El generador láser y la óptica externa, incluida la lente de enfoque, requieren refrigeración para mantener una temperatura adecuada de funcionamiento. Según el tamaño y la configuración del sistema, el calor residual puede disiparse mediante un refrigerante o transferirse directamente al aire. El agua es uno de los refrigerantes más utilizados y, por lo general, circula a través de un enfriador o de un sistema de transferencia de calor.
Un "microchorro láser" es un láser guiado por chorro de agua en el que un rayo láser pulsado se acopla a un chorro de agua a baja presión. Esto se usa para realizar funciones de corte por láser mientras se usa el chorro de agua para guiar el rayo láser, como una fibra óptica, mediante reflexión total interna. Las ventajas de esto son que el agua también elimina los desechos y enfría el material. Las ventajas adicionales sobre el corte por láser "en seco" tradicional son las altas velocidades de corte en cubitos, kerf paralelo y el corte omnidireccional.Perrottet, D et al., "Heat damage-free Laser-Microjet cutting achieves highest die fracture strength", Photon Processing in Microelectronics and Photonics IV, edited by J. Fieret, et al., Proc. SPIE Vol. 5713 (SPIE, Bellingham, WA, 2005)
Los láser de fibra son un tipo de láser de estado sólido que está creciendo rápidamente en la industria del corte de metales. A diferencia del CO2, la tecnología fibra utiliza un medio de ganancia sólido, a diferencia de un gas o un líquido. La "semilla láser" produce el rayo láser y luego se amplifica dentro de una fibra de vidrio. Con una longitud de onda de solo 1064 nanómetros, los láseres de fibra producen un punto extremadamente pequeño (unas cien veces más pequeño comparado con el del láser de CO2) lo cual lo convierte en una tecnología ideal para cortar metales reflectivos. Esta es una de las ventajas principales del láser de fibra comparado con el de CO2.
Las ventajas del corte mediante láser de fibra incluyen:-.
Tiempos de procesamiento rápidos. Reducción del consumo de energía y de las facturas gracias a una mayor eficiencia. Mayor fiabilidad y rendimiento - sin ópticas que ajustar o alinear y sin lámparas que sustituir. Mantenimiento mínimo. La capacidad de procesar materiales altamente reflectantes como el cobre y el latón. Mayor productividad - los menores costes operativos ofrecen un mayor rendimiento de su inversión.
Procedimiento
El corte térmico por láser consta de dos procesos simultáneos. Por un lado, se basa en el hecho de que el rayo láser enfocado se absorbe en el frente de corte y proporciona así la energía necesaria para el corte. Por otro lado, la tobera de corte dispuesta concéntricamente al láser proporciona el gas de proceso o gas de soplado, que protege la óptica de enfoque de vapores y salpicaduras y, además, impulsa el material eliminado fuera del corte. Dependiendo de la temperatura alcanzada en la zona efectiva y del tipo de gas de proceso suministrado, se producirán diferentes estado de agregación del material de la junta. Dependiendo de si el material se retira de la ranura como líquido, producto de oxidación o vapor, se distingue entre las tres variantes Corte por fusión de haz láser, Corte por llama de haz láser y Corte por sublimación de haz láser.
Actualmente, los espesores máximos de chapa procesables para acero son de unos 40 mm, para acero inoxidable de unos 50 mm; el aluminio se corta hasta unos 25 mm con láser. En comparación con el acero, es técnicamente más complejo cortar aluminio o cobre, por ejemplo, porque la mayor parte de la radiación introducida se refleja inicialmente y, por tanto, se requiere una potencia o densidad de flujo de potencia mucho mayor para perforar. Aunque durante el corte se absorba una mayor proporción de potencia en la ranura de corte, el rendimiento de corte es muy inferior al de los materiales férricos, ya que la conductividad térmica del aluminio y el cobre es mucho mayor y no es decisiva la oxidación de apoyo.
El cobre y otros metales con buena conductividad térmica son difíciles o imposibles de cortar con el láser de CO2. Sin embargo, esto no depende sólo de la conductividad térmica, sino más bien del hecho de que una proporción muy grande de la radiación introducida se refleja y, por tanto, el material apenas se calienta. Sin embargo, para chapas metálicas delgadas se pueden utilizar láseres Nd:YAG pulsados, con los que se pueden cortar todos los materiales.
El proceso más crítico en el corte por llama láser y fusión es la perforación. Lleva mucho tiempo, ya que a menudo hay que trabajar en modo pulsado con una potencia láser media reducida para evitar la reflexión trasera y las salpicaduras de metal que podrían poner en peligro la óptica de enfoque. Las máquinas láser modernas disponen de sensores que pueden detectar cuándo se ha realizado un corte, con lo que se ahorra tiempo y se garantiza que el corte no comience antes de que el material se haya perforado por completo.
Al cortar acero con láser, se produce un endurecimiento en los bordes de corte debido a las elevadas diferencias de temperatura. Esto puede dar lugar a problemas durante el procesamiento posterior.
El material plano descansa sobre un soporte (dientes, puntas, filos) durante el corte, que debe cumplir varias condiciones: área de contacto lo más pequeña posible: los residuos o las piezas pequeñas deben caer a través de ella. baja reflexión trasera - de lo contrario, posibles daños en las piezas de trabajo desde abajo o también en la fuente del haz láser alta resistencia a la abrasión del rayo láser - largos intervalos de mantenimiento
Los procesos se clasifican del siguiente modo:
Corte por fusión con rayo láser