ES2317951T3 - Procedimiento de corte laser a alta velocidad con gas adaptado. - Google Patents
Procedimiento de corte laser a alta velocidad con gas adaptado. Download PDFInfo
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Abstract
Procedimiento de corte de una pieza de metal o una aleación metálica teniendo un espesor comprendido entre 0,1 y 2 mm, a una velocidad de corte superior a 15 m/min, mediante la utilización de al menos un haz láser y de al menos un gas de asistencia de dicho haz láser, caracterizado porque el gas de asistencia está formado por una mezcla de helio y de argón y/o de nitrógeno o de nitrógeno y de oxígeno.
Description
Procedimiento de corte láser a alta velocidad
con gas adaptado.
La presente invención concierne a un
procedimiento de corte por haz láser a alta velocidad utilizando un
lente para enfocar el haz láser y un gas de asistencia del haz
láser.
En el corte láser, para velocidades bajas de
corte, es decir típicamente inferiores a 15 m/min, es conocido que
el perfil de corte es simple y la evacuación del metal fundido se
realiza en el eje del haz.
Sin embargo, para los cortes realizados a
velocidad más elevada, es decir más allá de 15 m/min, se han puesto
en evidencia apariciones de plasma gaseoso al nivel de la ranura de
corte en curso de formación, limitando los desempeños de corte en
chapas de finos espesores, es decir inferiores a 2 m/min.
Esos dos tipos de fenómenos son descritos
específicamente en los documentos
US-A-5,578,228,
DE-A-41123716 o High Speed Laser
Cutting of Thin Metal Sheets, K.U. Preissig y, Fraunhöfer Institut
für Lasertechnik, SPIE Vol. 2207, 1996.
La formación de ese plasma se explica por los
movimientos inducidos en el perfil de corte. En efecto, los
movimientos hidrodinámicos que son generados durante el corte
provocan una evacuación del metal fundido hacia la parte trasera
del perfil de corte.
Por lo tanto, el perfil de corte puede ser
considerado como estando formado por dos partes, es decir una parte
no pasante que se parece a un capilar de vapor como en el caso de
los procedimientos de corte de fuerte densidad de energía, y una
parte pasante por la cual se efectúa la evacuación del metal
fundido.
Se puede hacer por tanto la analogía entre el
capilar formado en soladura de fuerte densidad de energía, por
ejemplo en soldadura plasma en modo keyhole (soladura pasante) y el
capilar formado en soldadura láser a alta veloci-
dad.
dad.
En efecto, debido al hecho de las potencias
específicas elevadas, la realización de la soldadura por haz láser
descansa sobre dos fenómenos de fusión localizada de la materia en
el punto de impacto del haz donde se forma un capilar llamado
"keyhole" lleno de vapores metálicos ionizados a alta
temperatura. Las paredes de ese capilar están hechas de metal en
fusión.
Ese capilar juega un rol importante porque
permite transferir la energía directamente al núcleo del
material.
El baño de fusión es así formado y mantenido, y
es desplazado entre las piezas a ensamblar.
El metal se solidifica después del paso del haz
asegurando así el ensamblaje de las piezas.
Dicho de otra manera, la aparición del capilar
se acompaña de la formación de un plasma de vapores metálicos, es
decir de un medio gaseoso ionizado, eléctricamente neutro y a
temperaturas elevadas.
Ese plasma de vapores metálicos resulta de un
acoplamiento eficaz entre el haz láser y la pieza.
Ese tipo de plasma absorbe una pequeña cantidad
de la energía incidente y no genera una modificación notable de la
anchura y de la profundidad del cordón de la soldadura.
En ciertas condiciones, específicamente de
potencia de velocidad, de espesor, de naturaleza del gas y de la
configuración, el plasma de vapores metálicos transfiere una parte
de su energía al gas de protección y existe el riesgo de formación
de un plasma de gas de protección que puede, en algunos casos,
absorber la energía del haz láser, lo que genera un cordón de
soldadura más ancho en superficie y mucho menos penetrado en el
material.
El problema que se plantea entonces es evitar la
formación de un plasma de gas de protección.
Para hacer eso, ya ha sido propuesto utilizar el
helio que es considerado entre los gases como el gas más apropiado
para limitar la aparición de es tipo de plasma.
Sin embargo, ese gas presenta el inconveniente
con relación a otros gases de tener una masa volumétrica
relativamente baja, lo que limita el efecto cinético y conduce a
utilizar presiones de corte relativamente fuertes.
Además, el documento
JP-A-11314191 describe un
procedimiento de corte láser de piezas de titanio, aluminio o acero
inoxidable utilizando mezclas gaseosas de argón y de hidrógeno o de
helio de manera de poder trabajar a potencias láser elevadas,
típicamente de 3kW o más, sin generar defectos de calidad de
corte.
Por lo tanto, el objetivo de la presente
invención es mejorar los procedimientos de corte por haz láser
conocidos proponiendo un procedimiento de corte láser, en el cual la
utilización de una mezcla gaseosa juiciosa permite limitar la
formación de dicho plasma indeseable y de mejorar así la energía
cinética del flujo gaseoso de manera de permitir un corte por haz
láser a velocidades elevadas, típicamente superiores a 15 m/min, de
las piezas de espesores comprendidos entre 0,1 y 2 mm.
La presente invención concierne entonces a un
procedimiento de corte de una pieza de metal o una aleación
metálica teniendo un espesor comprendido entre 0,1 y 2 mm, a una
velocidad de corte superior a 15 m/min, mediante la utilización de
al menos un haz láser y de al menos un gas de asistencia de dicho
haz láser, caracterizado porque el gas de asistencia está formado
por una mezcla de helio y de argón y/o de nitrógeno o de nitrógeno
y de oxí-
geno.
geno.
Según el caso, el procedimiento de la invención
puede comprender una o varias de las características
siguientes:
- -
- la velocidad de corte es superior a 18 m/min, de preferencia superior a 20 m/min, preferiblemente superiores a 25 m/min.
- -
- la velocidad de corte es inferior a 300 m/min.
- -
- el gas de asistencia está formado por una mezcla de helio y de argón, de helio y de nitrógeno o de nitrógeno y de oxígeno.
- -
- el gas de asistencia está constituido por una mezcla de helio y de argón conteniendo de 20% a 80% (en vol.) de helio y el resto siendo de argón, de preferencia de 25 a 75% de helio.
- -
- el gas de asistencia está formado por una mezcla de helio y de nitrógeno conteniendo de 20% a 80% (en vol.) de helio y el resto siendo de nitrógeno, de preferencia de 25 a 75% de helio.
- -
- el gas de asistencia está formado por una mezcla de nitrógeno y de oxígeno de 0,5% a 40% (en vol.) de oxígeno y el resto siendo de nitrógeno, de preferencia de 1 al 20% de oxígeno.
- -
- la pieza a cortar es seleccionada entre las placas, las chapas y los tubos.
- -
- el haz láser es entregado por un dispositivo láser de tipo CO_{2} o de tipo Nd:YAG.
- -
- se utiliza una boquilla de diámetro interno comprendido entre 0,5 mm y 10 mm, de preferencia entre 1 mm y 3 mm.
- -
- el medio óptico que permite enfocar el haz láser es seleccionado entre las lentes, los espejos y sus combinaciones, de preferencia una lente.
- -
- se utiliza una fuente láser comprendida entre 500 y 6000 Watt de potencia.
- -
- la pieza a cortar es seleccionada entre las placas, las chapas y los tubos.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención va a ser ahora mejor
comprendida gracias a las explicaciones siguientes, dadas a modo
ilustrativo pero no limitativo.
En el marco de la invención, se ha puesto en
evidencia que, para remediar o minimizar la formación indeseable de
un plasma de gas de protección, es necesario utilizar un gas de
fuerte potencial de ionización (en eV), es decir que contenga
preferentemente helio. Los potenciales de ionización de los
diferentes gases son dados en la tabla 1 seguidamente.
\vskip1.000000\baselineskip
Sin embargo, ateniéndose a este criterio, el
helio sería efectivamente el mejor de los gases a utilizar.
Ahora bien, como fue mencionado anteriormente,
eso no es suficiente porque el helio presenta el inconveniente de
tener una masa volumétrica relativamente baja, lo que limita el
efecto cinético y conduce a utilizar presiones de corte
relativamente fuertes.
Por lo tanto, el inventor de la presente
invención puso en evidencia que el otro parámetro a tener en cuenta
para el corte láser a alta velocidad es la masa volumétrica del gas
porque, para finos espesores (típicamente de 0,1 mm a 2 mm), el
aspecto expulsión de metal es preponderante con relación al aspecto
exotérmico porque, debido al hecho de las velocidades de corte
relativamente elevadas, el tiempo de reacción está limitado.
En efecto, ante todo, si se considera la energía
cinética (Ec) del flujo gaseoso utilizado durante el corte láser,
la misma está dada por la fórmula (1) siguiente:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
donde: \rho es la masa
volumétrica del gas (kg/m^{3}) y V^{2} es el cuadrado de la
velocidad de dicho gas (en
m/s).
Ahora bien, la velocidad es función del flujo
(q) y del diámetro de la boquilla (D) utilizado para expulsar el
gas de corte, o sea:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Se despeja entonces la ecuación (3)
siguiente:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
En otros términos, la energía cinética del gas
depende del flujo por tanto de la presión de gas, del diámetro de
la boquilla y de la masa volumétrica del gas.
Para aumentar las velocidades de corte, es
necesario por tanto una masa volumétrica importante.
\newpage
Las masas volumétricas, a 15ºC y 1.013 bar, de
los diferentes gases de la tabla I son dados en la tabla II
seguidamente.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Resulta por tanto de las tablas I y II que las
mezclas particularmente adaptadas al corte por haz láser a alta
velocidad (> 15 m/min) son las mezclas de helio y de argón y/o de
nitrógeno que combinan el potencial de ionización elevado del helio
con las masas volumétricas de los gases importantes del argón y/o
del nitrógeno.
De manera menos preferencial, las mezclas de
nitrógeno y de oxígeno podrían también convenir.
Claims (10)
1. Procedimiento de corte de una pieza de metal
o una aleación metálica teniendo un espesor comprendido entre 0,1 y
2 mm, a una velocidad de corte superior a 15 m/min, mediante la
utilización de al menos un haz láser y de al menos un gas de
asistencia de dicho haz láser, caracterizado porque el gas de
asistencia está formado por una mezcla de helio y de argón y/o de
nitrógeno o de nitrógeno y de oxígeno.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la velocidad de corte es superior a 18
m/min, de preferencia superior a 20 m/min.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la velocidad de
corte es inferior a 300 m/min.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el gas de
asistencia está formado por una mezcla de helio y de argón, de
helio y de nitrógeno o de nitrógeno y de oxígeno.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el gas de
asistencia está constituido por una mezcla de helio y de argón
conteniendo de 20% a 80% (en vol.) de helio y el resto siendo de
argón, de preferencia de 25 a 75% de helio.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el gas de
asistencia está formado por una mezcla de helio y de nitrógeno
conteniendo de 20% a 80% (en vol.) de helio y el resto siendo de
nitrógeno, de preferencia de 25 al 75% de helio.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el gas de
asistencia está formado por una mezcla de nitrógeno y de oxígeno de
0,5% a 40% (en vol.) de oxígeno y el resto siendo de nitrógeno, de
preferencia de 1 a 20% de oxígeno.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la pieza a
cortar es seleccionada entre las placas, las chapas y los
tubos.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el haz láser es
entregado por un dispositivo láser de tipo CO_{2} o de tipo
Nd:YAG.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque se utiliza una
boquilla de diámetro interno comprendido entre 0,5 mm y 10 mm, de
preferencia entre 1 mm y 3 mm.
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