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Corte por haz de láser ( Laser Beam Cutting – LBC)

Es un proceso de corte que secciona los metales fundiendo localmente o vaporizando con el calor de un haz láser. El proceso es usado con o sin asistencia de gas para remoción de material fundido o vaporizado.

Cabe recordar los conceptos de haz de láser. Un dispositivo que produce un haz de luz coherente concentrado por transiciones electrónicas o moleculares estimuladas para bajar los niveles de energía. La palabra laser es un acrónimo de “light amplification by stimulated emission of radiation” .

El láser es un has de luz enfocado monocromático, coherente y de alta potencia. El láser fue inventado independientemente en 1960 por dos científicos, uno en los Laboratorios Bell y el otro en la Hughes Aircraft. La mayoría de las aplicaciones iniciales desarrolladas fueron conducidas por los laboratorios Bell. El dispositivo láser original consistía en una barra de rubí rodeada por una lámpara de destello de xenón, que excitaba los átomos de cromo en el rubí para elevar los estados de energía. Simultáneamente estimuladas y retornando al estado base, los átomos emiten un intenso haz de luz amplificada.

El rápido destello de la lámpara de xenón producía un aparente estado firme de luz emitida. Sólo un haz de luz enfocado, monocromático se permitía que deje el aparato. La aplicación inicial estaba limitada al bajo poder del láser de rubí.

Los tres tipos básicos de láser incluyen los de estado sólido, por descarga de gas y de inyección de semiconductor. Las salidas de alta potencia pulsantes en el rango de los megavatios son provistas con láseres de estado sólido. Los láseres de descarga gaseosa usan helio, neón, kriptón o xenón para proporcionar salidas de frecuencia de baja potencia que son continuas. Los láseres de inyección de semiconductor tienen salida de potencia limitada, son dependientes de las temperaturas operativas del nitrógeno, y no necesitan una lámpara de destello para excitar los átomos, dado que éstos convierten directamente electricidad en luz.

Figura : Diagrama esquemático de un laser de rubí.

Las aplicaciones iniciales de trabajo estaban limitadas, pero con el advenimiento de los láseres de alta potencia, las aplicaciones incluyen hoy soldadura común, soldadura al bronce, corte, microperforación y remoción de metal. Los láseres de alta potencia pueden cortar acero de hasta 25 mm de espesor.

La fuente de calor para un corte por haz de láser es un has de luz concentrado coherente que incide sobre la pieza a ser cortada. Una combinación de fusión  y vaporización proporciona el mecanismo para la remoción del material de la ranura de corte o kerf. Los láseres de alta potencia tienen ventajas únicas para aplicaciones de corte, incluyendo la capacidad para cortar cualquier metal y producir un kerf delgado y poca zona afectada por el calor. Altas velocidades de corte son alcanzadas, y el equipo es adaptable a control de computadora.

EL láser es una fuente de calor con algunas características únicas. Relativamente modestas cantidades de energía de láser pueden ser enfocadas sobre tamaños de puntos muy pequeños, resultando en altas densidades de potencias. En corte y perforación, estas densidades de potencia están en el rango de 104 a 106 W/mm2. Tan alta concentración de energía causa la fusión y vaporización del material de la pieza de trabajo. Dependiendo del material, un chorro de gas reactivo como el oxígeno puede ser aplicado coaxialmente con el haz, mejorando la velocidad del proceso y la calidad del borde de corte.

Entre las aplicaciones de proceso de material del láser, el corte es el proceso mas común; su uso se ha extendido rápidamente en forma mundial. La primera aplicación de proceso de material del láser fue la perforación de diamantes para moldes de formación de cables. En la actualidad, el corte por láser y los procesos relacionados de perforación, recorte y tallado contabilizan mas del 50% de las instalaciones internacionales de láser industrial.

Un láser de CO2 de alta potencia puede cortar hasta 25 mm de espesor de acero al carbono. Sin embargo, los cortes de buena calidad sobre acero son típicamente hechos sobre metales de espesor superior a 9,5 mm, debido a la limitada profundidad de foco del haz láser. Los láseres de CO2 en el rango de 400 a 1500 W dominan el área de corte.

El corte de láser tiene las ventajas de elevadas velocidades, anchos estrechos de kerf, bordes de alta calidad, poca entrada de calor y mínima distorsión de la pieza de trabajo. Es un proceso fácilmente automatizado que puede cortar la mayoría de los materiales. La geometría de corte puede ser cambiada sin el rearmado del trabajo requerido con las herramientas mecánicas; no hay desgaste de herramientas involucrado, y las operaciones de terminación no son usualmente requeridas. Dentro de si rango de espesores, es una alternativa al punzonado o troquelado, y al gas oxicombustible y al corte por arco de plasma. El corte por láser es especialmente ventajoso para estudios de prototipos y para series de baja producción. Comparado con la mayoría de los procesos convencionales, el ruido, la vibración y los niveles de humos en el corte por láser son muy bajos.

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Los metales que pueden ser cortados por un proceso de haz láser incluyen en acero al carbono, aleaciones de acero, acero inoxidable, aluminio, cobre, aleaciones de cobre, aleaciones con base de níquel y el titanio y sus aleaciones. Lo no metales tales como la alúmina y el cuarzo pueden también ser cortados, así como materiales orgánicos, tales como tela y el espectro de los plásticos. Algunos tipos de materiales compuestos con matrices orgánicas pueden ser cortados. Los láseres han sido usados satisfactoriamente para cortar varios tipos de compuestos de matriz de metal.

La figura siguiente muestra un laser de CO2 cortando agujeros en acero 4130 de 6 mm de espesor.

Figura: ejemplo de una cortadora laser Amada LCV-6510 II

Figura: Ejemplo de cortadora/perforadora láser US Laser Corp. Laser

Perforación láser.

Los diámetros de las perforaciones producidas por el haz de láser típicamente van desde 0,0025 a 1,5 mm. Las profundidades alcanzadas son usualmente menores que 25mm debido a las limitaciones de enfoque del haz.

El proceso produce agujeros limpios con pocas capas para remodelar. Cuando se requieren agujeros grandes, una técnica de trepanado es usada donde el haz corta un círculo con el diámetro requerido.

La perforación con láser es una operación pulsante que involucra grandes densidades de potencia y tiempos de permanencia mas cortos que el corte láser. Las perforaciones son producidas por pulsos únicos o múltiples. La perforación láser es una alternativa económica a la perforación mecánica, al maquinado electroquímico y al maquinado por descarga eléctrica para hacer perforaciones de relativamente poca profundidad.

La perforación láser comparte la mayoría de las ventajas encontradas en el corte por láser. Es especialmente ventajosa cuando los diámetros de perforación requeridos son menores que 0,5 mm, y cuando las perforaciones van a ser hechas en áreas inaccesibles para las herramientas convencionales. Los ángulos de entrada del haz pueden ser muy cercanos a cero, una situación donde las herramientas mecánicas son susceptibles de romperse. El área industrial de las perforaciones láser está dominada por los láseres Nd-YAG (acrónimo del inglés neodymium-doped yttrium aluminium garnet) que es una emisión láser en medio sólido que utiliza el dopaje con neodimio de cristales de óxido de itrio y aluminio.

Soldadura por haz láser ( Laser Beam Welding – LBW)

Es un proceso de soldadura que produce coalescencia con el calor de un haz láser incidente sobre una junta. El proceso es usado sin gas de protección y sin la aplicación de presión.

El haz de luz coherente monocromático enfocado de alta potencia usado en la soldadura láser hace que el metal en el punto de soldadura se evapore, produciendo una profunda columna de vapor penetrante dentro del metal base. Los láseres YAG ( por “Yttrium aluminum garnet” en Inglés) son usados para soldadura de punto y costura de materiales de poco espesor. Para soldar materiales mas gruesos, están disponibles los sistemas de láser multi-kilovatios de gas dióxido de carbono. Tales sistemas proporcionan densidades de potencia de 10 kW/mm2. Una potencia continua proporciona un láser de alta potencia con capacidad de soldadura de penetración profunda.

La soldadura láser es un proceso de alta velocidad idealmente adaptado a la automatización, a pesar de que requiere una buena adaptación de juntas. El elevado costo del equipamiento relega las aplicaciones a un alto volumen de producción o a requerimientos críticos de soldadura con características únicas. El equipamiento es muy sofisticado pero está diseñado para su uso por operarios de soldadura quienes no necesariamente son soldadores manuales experimentados.

Ventajas del proceso.

Las principales ventajas de la soldadura por haz láser incluye lo siguiente:

    1. La entrada de calor es cercana al mínimo requerido para fundir el metal; así, los efectos metalúrgicos en las zonas afectadas por el calor son reducidas, y la distorsión de la pieza de trabajo inducida por el calor es minimizada.
    2. Procedimientos de pasos únicos de soldadura la láser han sido calificados en materiales de hasta 32 mm de espesor, permitiendo así que tiempo de soldar grandes espesores ser reducido y la necesidad de material de aporte ( y la elaboración de la preparación de la junta) sean eliminadas.
    3. No se requieren electrodos; la soldadura es llevada a cabo con la libertad de la contaminación de los electrodos, hendiduras o daños debidos a elevadas corrientes de soldadura de alta resistencia. Dado que la soldadura por haz de láser en un proceso sin contacto, la distorsión es minimizada y el desgaste de herramientas es esencialmente eliminado.
    4. Los rayos láser son fácilmente enfocados, alineados y direccionados por elementos ópticos. Así el láser puede ser localizado a una distancia conveniente de la pieza de trabajo, y redireccionado alrededor de herramientas y obstáculos en la pieza de trabajo. Esto permite la soldadura en áreas poco accesibles con otros medios de soldadura.
    5. La pieza de trabajo puede ser colocada y herméticamente soldada en una ubicación que esté evacuada o que contenga una atmósfera controlada.
    6. El rayo láser puede ser enfocado en un área pequeña, permitiendo la unión de componentes chicos y cercanamente espaciados con pequeñas soldaduras.
    7. Una gran variedad de materiales pueden ser soldados, incluyendo varias combinaciones de diferentes tipos de materiales.
    8. El haz láser puede ser fácilmente mecanizado para soldadura mecanizada de alta velocidad, incluyendo el control numérico y por computadores.
    9. Las soldaduras en materiales delgados y sobre alambres de pequeño diámetro son menos susceptibles de  tiempos de recalentamiento del hilo (burn-back) que en el caso de la soldadura por arco.
    10. Las soldaduras por láser no son influenciadas por la presencia de campos magnéticos, como en el caso de las soldaduras por arco y haz de electrones; las mismas tienden a seguir la junta de soldadura a través de la raíz de la pieza de trabajo, aún cuando el haz y la junta no estén perfectamente alineadas.
    11. Metales con propiedades físicas disimilares, tales como resistencia eléctrica, pueden ser soldados.
    12. No se requiere de protección para rayos X.
    13. Relaciones de aspecto ( o sea, relaciones de profundidad a ancho ) del orden de  10:1 son alcanzables cuando la soldadura es hecha formando una cavidad en el metal, como en la soldadura ojo de llave (keyhole).
    14. El haz puede ser transmitido a mas de una estación, usando ópticas de conmutación, permitiendo así tiempo compartido de haz.

Limitaciones del proceso

La soldadura con haz de láser tiene ciertas limitaciones al ser comparada con otros métodos de soldadura, entre los cuales está lo siguiente:

    1. Las juntas deben estar posicionadas con precisión lateralmente bajo el rayo y en una posición controlada con respecto al punto de enfoque.
    2. Cuando se sueldan superficies que deben ser forzadas mecánicamente, los mecanismos de soporte deben asegurar que la posición final de la junta sea precisamente alineada con el punto de incidencia del haz.
    3. El máximo espesor de junta que un haz láser puede soldar está un poco limitado. Así penetraciones de soldadura mayores que 19 mm no son actualmente consideradas en la producción práctica en la soldadura por láser.
    4. La alta reflectividad y la elevada conductibilidad térmica de algunos materiales, tales como las aleaciones de aluminio y el cobre, pueden afectar su soldabilidad con los láseres.
    5. Al llevar a cabo soldaduras láser de potencia moderada a elevada, un dispositivo de control de plasma apropiado debe ser empleado para asegurar que la reproducibilidad de la soldadura sea alcanzada.
    6. Los láseres tienden a tener bastante baja conversión de eficiencia de energía, generalmente menos del 10%.
    7. Como consecuencia de la característica de rápida solidificación de la soldadura por láser, algo de porosidad y fragilidad puede esperarse.

 

Aplicaciones

La soldadura por haz láser está siendo usada en una extensa variedad de aplicaciones tales como en la producción de transmisión de y embragues de automóviles y aire acondicionados. En la última aplicación, la soldadura láser permita el uso de un diseño que no podría ser desarrollado de otra manera. El proceso es además usado en la producción de relés y contenedores de relés, y para sellar dispositivos electrónicos y marcapasos para el corazón. Otras aplicaciones incluyen la soldadura continua de cañerías de aluminio para ventanas térmicas y para puertas de refrigeradores.

Soldaduras por láser exitosas incluyen componentes de transmisión (tales como engranajes de sincronismo, engranajes de arrastre y cajas de embragues) para la industria automotriz. Estas soldaduras giratorias anulares y circunferenciales necesitan de 3 a 6 kw de potencia de haz, dependiendo de la velocidad de soldadura que está siendo empleada, y requiere penetraciones que típicamente no exceden los 3,2 mm. Los materiales soldados son tanto aceros al carbono como aleaciones. En algunos casos, como en el caso de los dientes de engranajes, los mismos han sido selectivamente templados antes de soldar. Hay muchas ventajas en la soldadura láser en tales ensambles. La baja entrada de calor proporcionada por el láser no afecta a las zonas previamente templadas  adyacentes a la soldadura. Además, esta baja entrada de calor produce una cantidad de distorsión mínima de manera que estampados de precisión pueden siempre ser soldados a dimensiones con terminaciones. Considerando la facilidad en la capacidad de automatización y alta velocidad del proceso láser, el mismo se vuelve ideal para producción de automotores, y un gran número de éstos han sido instalados en la industria automotriz.

Además de soldadura, los rayos láser también se utilizan en las siguientes aplicaciones:

  • Tratamiento térmico de pequeña escala, localizado en metales y cerámicos para modificar sus propiedades mecánicas y tribológicas superficiales.
  • Fabricación de partes, como números, letras, códigos, etc. El marcado también se puede efectuar mediante (a) tinta; (b) dispositivos mecánicos como punzones, pernos, estiletes, rodillos o mediante estampado, y (c) por ataque químico. Aunque el equipo es más costoso que el utilizado en otros métodos, el marcado y grabado con láser se ha vuelto muy común debido a su precisión, reproducibilidad, flexibilidad, facilidad de automatización y aplicación en línea en la manufactura.

La flexibilidad inherente del proceso de corte con láser, incluyendo la aplicación del rayo con fibra óptica, la simplicidad de los soportes, los bajos tiempos de configuración y la disponibilidad de máquinas con capacidades eléctricas múltiples y sistemas robóticos tridimensionales de corte con láser controlados por computadora, es una característica atractiva. Por lo tanto, el corte de láminas con rayo láser puede competir exitosamente con los procesos tradicionales de troquelado. Se debe tener extrema precaución con los rayos láser. Incluso los de baja potencia pueden provocar daños a la retina si no se siguen las precauciones apropiadas.

Consideraciones de diseño para el maquinado por rayo láser. Los lineamientos generales de diseño para el maquinado por rayo láser son los siguientes:

  • Deben evitarse los diseños con esquinas agudas, ya que es difícil producirlas.
  • Los cortes profundos producen paredes cónicas.
  • La reflectividad de la superficie de la pieza de trabajo es un factor que debe considerarse en el maquinado por rayo láser; se prefieren las superficies mate y sin pulir, ya que reflejan menos.
  • Debe investigarse cualquier efecto adverso en las propiedades de los materiales maquinados que haya sido provocado por las altas temperaturas locales y la zona afectada por el calor.

Combinación de corte de rayos láser y punzonado de láminas metálicas

Los procesos de corte por rayos láser y punzonado tienen sus respectivas ventajas y limitaciones en relación con los aspectos tanto técnicos como económicos.

En general, las ventajas del corte con láser son: (a) lotes menores; (b) flexibilidad de operación; (c) una amplia variedad de espesores; (d) capacidad para producir prototipos; (e) materiales y compósitos que sería difícil cortar de otra manera, y (f) las complicadas geometrías que se pueden programar.

Las ventajas y desventajas del punzonado incluyen: (a) se requieren grandes tamaños de lote para justificar económicamente la compra del herramental; (b) partes un tanto simples; (c) una gama pequeña de espesores de partes; (d) geometrías fijas y limitadas (incluso cuando se utilizan torretas); (e) producción rápida, y (f) integración con el proceso posterior después del punzonado.

Es evidente que los dos procesos cubren áreas diferentes pero complementarias. No es difícil visualizar partes con algunas características que se pueden producir mejor mediante uno de los procesos y otras con particularidades que se pueden trabajar mejor con el otro proceso.

Se han diseñado y construido máquinas de modo que los procesos y dispositivos de soporte se puedan utilizar de manera conjunta a su mayor capacidad, aunque sin interferir en los límites operativos de cada uno de ellos. El propósito de combinarlos es aumentar la eficacia global y la productividad de los procesos de manufactura para partes que se encuentran dentro de las capacidades de cada uno de los dos procesos. Por ejemplo, se han equipado prensas de punzonado de torreta con un cabezal láser integrado; la máquina puede punzonar o cortar con láser, pero no puede hacer ambas cosas de manera simultánea.

Deben considerarse muchos factores en dicha combinación, relacionados con las características de cada operación: (1) la variedad de tamaños, espesores y formas a producir, y cómo deben anidarse; (2) los tiempos de proceso y de configuración, incluyendo la carga, fijación y descarga de las partes; (3) la programación para el corte, y (4) las capacidades de proceso de cada método, incluyendo las características dinámicas, vibraciones e impacto del punzonado (y el aislamiento) que pueden alterar los ajustes y alineaciones de los componentes láser.

 

 

 

 

 

 

 
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