Fibra Óptica, la Novedad del Corte Láser - Revista Metal Actual

24
PROCESOS
La nueva
opción para
mecanizar
chapa hasta
6 mm de
espesor.
Fibra Óptica,
la Novedad del Corte Láser
Andrés Gaitán García
Periodista Metal Actual
El uso de este
conductor
aumenta la
velocidad de
transmisión del
rayo hasta 5 veces,
incrementando
la producción y
rentabilidad del
empresario.
Foto: Cortesía Makser Ltda.
La tecnología para cortar y soldar materiales con rayo
láser fue inventada hace 50 años, en ese entonces se decía
que era “una solución en espera de un problema”,
porque aun no se descubrían sus aplicaciones prácticas.
Hoy en día, el láser es parte integral de la vida del ser
humano y se usa en la industria, la medicina, la informática,
las comunicaciones, la tecnología militar, etc.
La primera aplicación práctica del láser (1969) fue el corte
y soldadura de láminas metálicas para diversos usos,
como la industria automovilística y la construcción. Esta
operación se denominó mecanizado de chapa y todavía
es uno de los usos industriales más sobresalientes del láser.
Actualmente, la novedad en este campo es la transmisión
del rayo a través de la fibra óptica.
WWW.METALACTUAL.COM

Antes de entrar en materia es bueno
anotar que existen diversas formas de
generar un rayo láser. A grosso modo
se pueden clasificar en dos grupos: las
que usan gas (como dióxido de carbono
- CO 2 -) para generar el haz de luz;
y las que producen el mismo efecto
“en seco”, a través de la excitación de
cristales, o lámparas tipo led.
El láser de gas genera el haz de luz
excitando el núcleo del CO 2 mediante
el voltaje alterno o continuo, el
resultado es un fotón (o haz de luz)
que es controlado con espejos que lo
reflejan y lo conducen hasta una óptica
que lo concentra y enfoca en un
mismo punto para generar el rayo
de corte.
Sin embargo, el CO es inestable
2
después de la excitación del gas y
se debe combinar con helio (H) para
estabilizarlo, y nitrógeno (N ) para
2
reducir el aumento de temperatura
que genera el proceso, el cual ronda
los 260 oC. La longitud de onda del
láser por CO es de 10 micras (µm),
2
dato muy importante debido a que
constituye la diferencia fundamental
con respecto al láser de fibra.
La longitud de onda del láser de CO 2
es muy buena para trabajar láminas
metálicas de todos los espesores, sobre
todo cuando el láser se combina
con oxígeno como gas de corte. “La
razón es que se genera oxidación en
la pieza, esto libera energía adicional
(reacción exotérmica), lo que aumenta
la velocidad de corte en chapa
gruesa”, explica Edwar González
Sánchez, técnico especialista en láser.
Por su parte, las máquinas de corte
láser de estado sólido generan el haz
Foto: Cortesía Makser Ltda.
CO 2
~ 10µm
WWW.METALACTUAL.COM
de luz excitando cristales (itrio, neodimio,
etc.) o módulos de lámparas
tipo led u otros elementos. La primera
diferencia es que en el proceso no
intervienen gases; y la segunda que
la longitud de onda del rayo es de 1
µm, nueve veces inferior a la generada
por CO 2 .
Al tener una longitud de onda tan
pequeña, los materiales transparentes
(en este caso la fibra de vidrio)
son los indicados para transmitir el
rayo sin que el material lo absorba
y lo deforme. Gracias a esta mejora
las máquinas que usan el sistema de
conducción se denominan, popularmente,
láseres de fibra. No por el
método de generación del rayo, sino
por la forma de transportarlo.
Velocidad, Precisión y
Exactitud
La tecnología para transmitir el rayo
láser a través de fibra óptica data
de mediados de los 90, pero en ese
FKL
~ 1µm
En este grafico se aprecia la diferencia entre la longitud
de onda del láser de CO 2 y el láser de fibra óptica.
Foto: Cortesía Makser Ltda.
Las máquinas de fibra óptica toman su nombre
del sistema de conducción del rayo láser.
:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
FKL: Estado Solido
PROCESOS
momento la calidad del medio de
conducción (fibra óptica) era deficiente
y deformaba el rayo. Está limitación
impedía que las máquinas
realizaran buenos cortes y fueran
rentables y competitivas frente a los
aparatos de CO 2 .
Sin embargo, en los 90 ciertas empresas
comercializaron el láser de
fibra para realizar trabajos muy específicos
y que requieran gran precisión
y finura, como corte y marcado
de carcasas de celulares, también se
usó en aplicaciones de soldaduras
muy finas.
En los últimos cinco años la calidad
de la fibra óptica mejoró y fue posible
transmitir el rayo sin deformarlo,
inmediatamente las máquinas
con este sistema se transformaron
en aparatos prácticos, rentables y
funcionales para mecanizar (cortar y
soldar en 2D y 3D) encontrando una
alta productividad en láminas de
hasta 6mm de espesor, especialmente.
Sin embargo, el rango de trabajo
para un láser de fibra óptica de
3000W puede llegar a 20mm acero
al carbón, 15mm inoxidable y 12mm
aluminio.
Edwar González, técnico especialista
en láser, explica que el corte con el
láser de fibra óptica es hasta cinco
veces más rápido que el corte con el
láser de CO (la comparación se hace
2
con un láser de CO de 3,2Kw) “Esa
2
velocidad se logra en láminas del espesor
nombrado cumpliendo ciertos
requisitos; el primero de ellos es en el
25

26
PROCESOS
cual el proceso se realiza con N 2 como
gas de corte”, aclara el especialista ya
que el proceso con O 2 , en términos
de velocidad, es prácticamente igual
entre los dos tipos de láser.
En la máquina de fibra, la longitud
de onda de 1 µm concentra el rayo
y le otorga un mejor ángulo de incidencia
con respecto a los materiales,
por lo que estos absorben mejor el
láser y se vaporizan más rápido. “El
láser de fibra óptica es ideal para
ejecutar trabajos precisos, rápidos y
limpios en láminas de hasta 6 mm de
espesor, de ahí en adelante, en términos
de velocidad, es mejor utilizar
el láser de CO 2 ”, anota el técnico.
Esta limitante se debe a que el ángulo
de incidencia que genera la
longitud de 1 µm no es tan efectiva
al mecanizar chapa gruesa, por
eso los especialistas recomiendan
usar la máquina de corte láser por
fibra óptica como un complemento
al aparato de CO 2 , y de esta manera
el industrial puede abarcar todos los
espesores de chapa.
La Importancia del
Nitrógeno
Todos los láseres comparten un principio
básico: generar un haz de luz,
transmitirlo y concentrarlo de manera
eficiente para vaporizar un material,
pero ¿qué sucede cuando el rayo
Foto: Cortesía Makser Ltda.
A[%]
100
80
60
40
1
Nd: YAG
1,06
2
20
3
0
0,2 0,3 0,5 1,0 2 3 4 5 6 8 10
Absorción del laser
1. Vidrio
2 Acero, Niquiel, Tungsteno
λ [mm]
3. Otros materiales (cobre, aluminio, plata, oro)
choca contra el material?, ¿Cómo es
expulsado el producto sobrante?
Antes de cortar, la máquina realiza
una pequeña perforación puntiforme
en el material, la cual se puede
hacer con rapidez al usar toda la potencia
del generador láser, o lentamente
mediante el “funcionamiento
de rampa”, proceso que aumenta
progresivamente la potencia del láser,
la mantiene hasta que se ha perforado
el agujero de inicio y posteriormente
la reduce lentamente.
Enseguida, el láser calienta el material,
lo funde y, en parte, lo evapora.
El material residual se expulsa
de la ranura de corte mediante una
corriente de gas que sale de la tobera
que está junto a la boquilla de la
máquina. Tanto al perforar como al
cortar, la velocidad y el acabado de
la pieza dependen, en gran parte,
La máquina de fibra concentra el rayo y le otorga un mejor ángulo de
incidencia con respecto a los materiales, así estos absorben mejor el láser
y se vaporizan más rápido.
Foto: Cortesía Makser Ltda.
Absorción del láser
CO 2
10,6
El ángulo de incidencia del láser depende del
espesor de la chapa
• Hay ángulos pequeños (α 1 )
cuando corta lámina delgada
• Hay ángulos grandes (α 2 )
cuando corta lámina gruesa
El vidrio no absorbe casi el láser
de 1µm.
Desventaja
Se requieren medida especiales de
seguridad sobre el láser.
Ventajas
Guía del rayo es posible mediante
fibra de vidrio.
Dirección
de corte
Dirección
de corte
Por el ángulo
de incidencia,
los expertos
recomiendan usar
la maquina de
corte láser con
fibra óptica como
un complemento
del aparato con
CO 2 .
del tipo de gas que se use para el
corte.
Para la máquina de corte láser por
fibra óptica, los especialistas recomienda
usar N como gas de corte,
2
porque es un elemento inerte, de
alta pureza y volumen, que no causa
oxidación y no genera rebabas en la
pieza. Gracias a la alta presión el N2 es despedido a muy alta velocidad
por la tobera, hecho que expulsa
con prontitud el material fundido.
“Por lo general para el corte láser se
usa N , argón (Ar) u oxígeno (O ). La
2 2
presión del gas de corte oscila entre
8 y 20 bares (bar). La pureza del N2 es del 99,999 por ciento en volumen
(5.0). En el Ar es de 99,996 por ciento
en volumen (4.6)”, afirma Edwar
González, técnico especialista en láser
quien añade que el N y el Ar son
2
gases inertes y, por las características
anteriormente enunciadas, son ideales
para trabajar como gas de corte
en la máquina de fibra óptica. Sin
embargo, el N es más puro, tiene
2
mayor volumen y es más económico;
por lo que suele ser elegido por los
industriales.
Versatilidad y Economía
El láser de fibra óptica también permite
cortar cobre y latón; metales
que no se pueden mecanizar con un
láser de CO 2 , debido a que no absorben
la longitud de onda de 10 µm, y
cuando se les aplica el láser de Co2
generan una burbuja que puede
causar una reflexión y dañar la óptica
del aparato.
WWW.METALACTUAL.COM

Foto: Cortesía Makser Ltda.
Porcentaje de energia láser
convertido en calor (absorción)
El láser de fibra óptica es muy veloz
mecanizando láminas delgadas; el de CO es 2
ideal para láminas gruesas.
Asimismo, el láser de fibra es más económico en gasto
de consumibles, porque no tiene un sistema de espejos
(como si ocurre en la maquina de CO 2 ) que requieran
mantenimiento, y tampoco es necesario invertir dinero
en los gases que intervienen en la generación del láser
(CO 2 , H y N 2 ). Además, el aparato de fibra óptica consume,
en promedio, un tercio menos de energía que la
máquina de CO 2 .
“El consumo eléctrico en una máquina de CO 2 (5 Kilovatios)
es de unos 72 Kw. En un aparato de corte de estado
sólido o fibra (3 Kw) es de 29 kilovatios, incluida
la unidad de refrigeración. En consecuencia, el consumo
energético con fibra óptica es más eficiente; es decir con
menos energía se fabrican más piezas. Es importante
aclarar que en términos de costo por pieza, la electricidad
es inferior al 5 por ciento del valor neto de la pieza”,
cuenta el especialista.
No obstante, más allá de su economía, la máquina de
láser por fibra óptica también requiere mantenimiento
de rutina. La mayoría de los fabricantes recomiendan
hacerle una revisión cada 10 mil horas de trabajo. Este
Foto: Cortesía Makser Ltda.
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0% 70 o 72 o 74 o 76 o 78 o 80 o 82 o 84 o 86 o 88 o 90 o
WWW.METALACTUAL.COM
Ángulo de incidencia del láser
CO (10,6 µm)
2
“Fiber” (1,06 µm)
Ventaja Fiber Ventaja CO 2
Los especialistas recomiendan usar N 2
como gas de corte para maximizar las
capacidades de la máquina de corte láser
por fibra óptica.

28
PROCESOS
Foto: Cortesía Makser Ltda.
La máquina de fibra óptica permite producir más piezas
en una hora de trabajo usando la misma cantidad de
.
consumibles que en un aparato de corte por CO2 dinero se puede programar como un
ahorro a partir de una pequeña parte
del costo de producción por hora
de uso del láser.
“Aproximadamente entre el 50 y 60
por ciento del costo de fabricar una
pieza corresponde al gas de corte;
el resto se divide en la energía usada,
el mantenimiento, consumibles
de la máquina y la rentabilidad del
industrial. La gran ventaja de la máquina
de fibra óptica es que permite
aumentar la producción por hora
entre 40 y 60 por ciento en contornos
simples, utilizando casi la misma
cantidad de gas de corte (N 2 ), así es
posible producir más piezas con el
mismo costo por hora, reduciendo
drásticamente el valor por pieza”,
explica el técnico Edwar González.
Los expertos recomiendan también
limpiar el lente de enfoque cada
1.200 horas en ambas máquinas (fibra
y CO 2 ) porque esta pieza sufre
degradación térmica al calentarse y
enfriarse constantemente.
Sin embargo, gracias a un adelanto
tecnológico reciente, el tiempo para
realizar está intervención puede aumentar
y la misma máquina alerta el
momento de realizar la inspección,
bien sea para limpieza o para cambio.
No obstante, el mantenimiento
general de ambas máquinas depende
en gran medida del cuidado y el
abuso (lámina con excesos de aceite,
sucias, etc.) de los responsables de su
operación.
Foto: Cortesía Makser Ltda.
Cortar y Soldar con la Misma
Máquina
La transmisión del láser por fibra óptica
nos abre una amplia gama de
aplicaciones; por ejemplo, la posibilidad
de cortar y soldar con el mismo
generador láser, manipulando
el foco del rayo con una óptica externa.
Es importante señalar que el
láser de fibra solda sin tener contacto
mecánico con la pieza, algo muy
impresionante visualmente.
Básicamente, la diferencia entre cortar
y soldar es la forma del rayo definida
como el Tem 0.0 para cortar
y el Tem0.1 para soldar. El Tem 0.0
significa que toda la potencia está
enfocada en el diámetro del rayo, y
por eso el material se vaporiza. Por
otro lado, el Tem 0.1 alude a un rayo
con forma dividida que permite fundir
el material y unirlo sin necesidad
de material de aporte en algunas
aplicaciones.
En materia de seguridad, la máquina
de fibra está completamente cerrada
para prevenir accidentes, ya que
la longitud de onda de 1 µm podría
causar un daño devastador si toca
el ojo humano. Por el contrario, la
longitud de onda de 10 µm de la
máquina de C0 no genera un daño
2
devastador en el ojo humano, y por
ellos los aparatos están cerrados sólo
parcialmente.
La máquina de fibra óptica permite cortar y soldar sin
tener que cambiar el cabezal, en ciertas aplicaciones.
WWW.METALACTUAL.COM

Foto: Cortesía Makser Ltda.
Foto: Cortesía Makser Ltda.
Por último, Edwar González Sánchez, técnico especialista
en láser, aclara que la máquina de corte láser por
fibra óptica no es el remplazo del CO a corto plazo; al
2
contrario funciona como su complemento y es una opción
excelente para el industrial que mecanice láminas
de hasta 6 mm de espesor, porque brinda alta velocidad
a bajo costo y maximiza las ganancias.
“Seguramente la transmisión por fibra óptica será el futuro
del corte láser, pero todo depende de los avances
tecnogicos de los próximos cinco años. Particularmente,
en las mejoras al medio de transmisión y los resultados
que tengan los científicos e ingenieros que día a día trabajan
para mejorar el ángulo de incidencia del rayo”,
explica González.
Fuentes
• Edward González Sanchez. Técnico especialista en láser. e.gonzalez@
makserweb.com
WWW.METALACTUAL.COM
Esta es la longitud de onda del Team 0.0
Esta es la longitud de onda del Team 0.1