ES2311946T3 - Laser de corte con lentilla con doble focalizacion de piezas metalicas de gran grosor. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de corte por haz de láser de una pieza metálica que tiene un grosor comprendido entre 5 y 20 mm, en el cual se utiliza una lentilla con doble focalización que permite focalizar el haz de láser en al menos un primer (PF1) y un segundo (PF2) puntos de focalización distintos el uno del otro y situados sobre el eje del haz de láser, caracterizado porque la lentilla presenta una longitud focal (FL) comprendida entre 170 y 300 mm, y porque la lentilla presenta una parte central con diámetro (2H) que presenta un primer radio de curvatura para focalizar el primer punto de focalización (PF1) en la longitud focal (FL), dicho diámetro (2H) es inferior a 20 mm.

Description

Láser de corte con lentilla con doble focalización de piezas metálicas de gran grosor.

La invención se refiere a un procedimiento de corte por haz de láser de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 que utiliza una lentilla con doble focalización y con longitud focal seleccionada.

Un procedimiento de corte láser utiliza clásicamente un haz de láser resultante, por ejemplo de una máquina láser de tipo CO_{2}(\lambda=10,6 \mum) o YAG, cuyo haz es focalizado por un elemento óptico, generalmente una lentilla o un espejo, con longitud focal dada, sobre la pieza a cortar. Un gas de asistencia a presión es inyectado habitualmente en la ranura de corte de manera que evacue el metal fundido. La ranura de corte es entonces creada por desplazamiento relativo, en relación con la pieza a cortar, de la cabeza de corte que comprende el elemento de focalización que emite el haz y que emite el gas de asistencia.

Las ópticas de focalización transmisibles, es decir las lentillas, son los elementos más utilizados para el corte láser, porque ellas permiten crear una cavidad hermética bajo presión en la cabeza de corte en la cual el gas de asistencia puede ser inyectado y salir luego por un conducto de escape coaxial al haz de láser.

Una lentilla de focalización comprende dos dioptras o caras, sobre las cuales es depositado un tratamiento anti-reflectante destinado a limitar las pérdidas de potencia por reflexión.

El material del "núcleo" de la lentilla es frecuentemente seleniuro de zinc para los láseres de tipo CO_{2} y de sílice fundida, de vidrio (bk7), de cuarzo o análogo para los láseres de tipo YAG.

Actualmente, las diferentes formas de lentilla principalmente utilizadas son:

- las lentillas plana-convexa compuestas por una dioptra esférica y una dioptra plana,

- las lentillas de meniscos compuestas por dos dioptras esféricas. Esta forma de lentilla tiene la ventaja de minimizar las aberraciones de esfericidad en relación con las lentillas plana-convexa y, es por esta razón, muy ampliamente utilizada en corte láser.

- las lentillas asféricas, por las cuales la forma de la primera dioptra ya no es una esfera con radio constante sino es optimizada de manera que se reduzcan aún más las aberraciones geométricas en relación con la lentilla de menisco con dioptras esféricas y obtener así mayores densidades de potencia en el punto de focalización, en particular en el caso de las longitudes focales cortas, es decir inferiores a 95,25 mm (3,75''). La dioptra de salida de las lentillas asféricas es generalmente plana para reducir su costo de fabricación.

Todas esas lentillas tienden a focalizar el haz de láser en un punto de focalización único con tamaño mínimo.

Un procedimiento de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, de corte láser que utiliza una óptica con varios puntos de focalización que mejoran los resultados óptimos del procedimiento de corte láser es divulgado por el documento WO-A-98/14302. La forma de esta óptica, que es tipo lentilla o espejo, es tal que el haz incidente ya no está focalizado en un solo punto sino en dos (lentilla con doble focal) o más puntos de focalización (lentilla con multi-focal).

Más precisamente, como es mostrado en la figura 1, cuando se utiliza una lentilla LF con doble focal, la parte del haz incidente situada en el exterior de un diámetro igual a 2H es focalizada en un primer punto focal PF1 situado en una longitud focal principal FL; La parte del haz de láser incidente situada en el interior del diámetro igual a 2H es, por sí misma, focalizada en un segundo punto focal PF2 situado a una distancia DF después del primer punto focal PF1 en el sentido de la propagación de la luz. Esta lentilla de focalización LF con doble punto de focalización es realizada con un rayo de curvatura de una de las dioptras, la de la cara convexa por ejemplo, diferente en el interior y en el exterior del diámetro 2H.

Ese tipo de óptica de focalización permite obtener ganancias de velocidad, de calidad de corte y de tolerancia en relación con variaciones de la distancia entre la lentilla y la pieza y permite también cortar materiales más gruesos que las lentillas convencionales en un solo punto de focalización.

A pesar de la enseñanza de este documento, se ha constatado en la práctica que obtener un corte efectivo y de calidad para algunos grosores a cortar podía ser problemático.

Así, un problema recurrente se presenta durante el corte de placas o piezas metálicas que tengan un grosor comprendido entre 4 y 25 mm, de preferencia entre 5 y 20 mm para las cuales se ha constatado que era necesario utilizar lentillas con longitud focal superiores a 130 mm para obtener resultados de corte óptimos aceptables.

Generalmente esos grosores se cortan con focales estandarizados de 190.5 mm (7.5 pulgadas) ó 228.6 mm (9 pulgadas) estando dado porque con focales más cortas, es muy difícil cortar esos grosores. Así, más allá de 5 mm de grosor, se forman sistemáticamente marcas en la parte inferior de la ranura de corte en particular.

La finalidad de la presente invención es proponer una solución a este problema, es decir proponer un procedimiento de corte por láser con lentilla con doble focal efectivo de piezas que tengan un grosor comprendido entre 5 y 20 mm.

La solución de la invención es un procedimiento de corte por haz de láser de una pieza metálica de acuerdo con la reivindicación 1.

Según sea el caso, el procedimiento de la invención puede comprender una o varias de las características siguientes:

- la lentilla presenta una longitud focal comprendida entre 180 y 200 mm.

- la lentilla presenta una longitud focal igual a 190.5 mm.

- el diámetro de la lentilla está comprendido entre 4 y 15 mm.

- se corta una pieza que tenga un grosor comprendido entre 5 y 20 mm, de preferencia entre 6 y 12 mm.

- la distancia entre los dos puntos de focalización está comprendida entre 5 y 12 mm.

- la distancia entre los puntos de focalización está comprendida entre 7 y 10 mm.

- la pieza metálica es de acero inoxidable, acero suave, de aluminio o una aleación de aluminio, de titanio o aleación de titanio, de cobre o aleación de cobre.

- se utiliza un gas de asistencia que contenga nitrógeno.

- el haz de láser a una potencia comprendida entre 0,5 y 20 kW, de preferencia entre 1 y 6 kW.

- el haz de láser es emitido por un dispositivo láser de tipo CO_{2}.

Cuando estos se han unido a la solución del problema precedente, los inventores de la presente invención han señalado que el proceso de corte láser con lentilla con doble focal estaba condicionado por los parámetros de la lentilla utilizada, a saber su longitud focal FL, su 2H y su DF, como es representado en la figura 1.

El 2H de la lentilla corresponde al diámetro de la parte situada en el centro de la lentilla que presenta un radio de curvatura diferente al de la parte exterior de la lentilla. La parte del haz incidente situada en el exterior del diámetro 2H está focalizada en un primer punto focal PF1 situado en una longitud focal principal FL. La parte del haz incidente situada en el interior del diámetro 2H está focalizada en un segundo punto focal PF2 situado en una longitud focal principal FL2. El tamaño del diámetro del 2H determina la cantidad de energía focalizada al nivel del segundo punto de focalización PF2.

La distancia DF corresponde, por sí misma, a la diferencia entre las longitudes focales FL y FL2, como es mostrado en la Figura 1.

Ejemplo

Pruebas realizadas en acero inoxidable con grosor de 6 mm y 8 mm, cuyos resultados son representados en las Figuras 2 y 3, respectivamente, confirman que para grosores comprendidos entre 4 y 20 mm, respectivamente, conviene utilizar lentillas con doble focalización de longitud focal FL=190.5 mm y que tengan, además, valores de 2H comprendidos entre 4 mm y 15 mm.

Los resultados han sido obtenidos:

- para presiones de 16 bar (barras grisáceas) y de 19 bar (barras ennegrecidas) en la Figura 2 utilizando, en los dos casos, una lentilla con doble focal.

- para una presión de 19 bar (en figura 3) y utilizando ya sea una lentilla con doble focal (barra ennegrecida), ya sea, a modo comparativo, una lentilla clásica monofocal (barras grisáceas).

Resalta que, para la longitud focal FL=190.5 mm y los valores de 2H precedentes, los mejores resultados de corte láser han sido obtenidos para valores de DF comprendidos entre 7 y 10 mm, como es visible en la Figura 2.

Para el grosor de chapa de 8 mm (Fig. 3), la lentilla doble focal con una distancia DF igual a 8 mm permite obtener ganancias de velocidad con una calidad de corte inigualada con los otros valores de DF probados, en particular en ausencia de marca.

Para estos valores de FL, de DF y de 2H, la repartición energética de energía láser absorbida en la ranura de corte deviene óptima. Además, el ancho de la ranura deviene suficiente para permitir una buena penetración del gas y una evacuación óptima del metal fundido.

Claims (11)

1. Procedimiento de corte por haz de láser de una pieza metálica que tiene un grosor comprendido entre 5 y 20 mm, en el cual se utiliza una lentilla con doble focalización que permite focalizar el haz de láser en al menos un primer (PF1) y un segundo (PF2) puntos de focalización distintos el uno del otro y situados sobre el eje del haz de láser, caracterizado porque la lentilla presenta una longitud focal (FL) comprendida entre 170 y 300 mm, y porque la lentilla presenta una parte central con diámetro (2H) que presenta un primer radio de curvatura para focalizar el primer punto de focalización (PF1) en la longitud focal (FL), dicho diámetro (2H) es inferior a 20 mm.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la lentilla presenta una longitud focal (FL) comprendida entre 180 y 200 mm.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la lentilla presenta una longitud focal (FL) igual a 190.5 mm.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el diámetro (2H) de la lentilla está comprendido entre 4 y 15 mm.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 a 4, caracterizado porque se corta una pieza que tiene un grosor comprendido entre 6 y 12 mm.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 a la 5, caracterizado porque la distancia (DF) entre los dos puntos de focalización (PF1, PF2) está comprendida entre 5 y 12 mm.

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque la distancia (DF) entre los dos puntos de focalización (PF1, PF2) está comprendida entre 7 y 10 mm.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 a 7, caracterizado porque la pieza metálica es de acero inoxidable, acero suave, de aluminio o de aleación de aluminio, de titanio o aleación de titanio, de cobre o aleación de cobre.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 a 8, caracterizado porque se utiliza un gas de asistencia que contiene nitrógeno.

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 a 9, caracterizado porque el haz de láser tiene una potencia comprendida entre 0,5 y 20 kW, de preferencia entre 1 y 6 kW.

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 a 10, caracterizado porque el haz de láser es emitido por un dispositivo láser de tipo CO_{2}.