ES2319329T3 - Procedimiento de corte de una pieza de acero c-mn con ayuda de una fibra que contiene iterbio. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de corte por rayo láser de una pieza (10) de acero C-Mn, caracterizado porque se utilizan medios (1, 2) de generación de rayo láser (3) que comprenden al menos una fibra que contiene iterbio para generar el rayo láser (3) y porque el factor de calidad del rayo láser está comprendido entre 0,33 y 8 mm.mrad.

Description

Procedimiento de corte de una pieza de acero C-Mn con ayuda de una fibra que contiene iterbio.

La invención se basa en un procedimiento de corte por rayo láser de acero carbono-manganeso (C-Mn) utilizando una fuente láser de tipo fibra a base de iterbio de conformidad con el preámbulo de la reivindicación 1 (ver, por ejemplo, US 2003/209049 A1).

El corte por rayo láser utilizando una fuente láser de tipo CO_{2} para generar un rayo láser de longitud de onda igual a 10.6 \mum y de una potencia que llega hasta 6 kW actualmente, es ampliamente extendido en la industria.

Este procedimiento es utilizado fundamentalmente para el corte de los aceros C-Mn. En el marco de la invención, se entiende por "acero C-Mn" todo acero no aleado o pobremente aleado cuyos contenidos de carbono y de manganeso son inferiores a 2% en peso y los contenidos de los otros elementos de aleación eventualmente presentes son inferiores a 5% en peso.

Sin embargo, las velocidades de corte que pueden ser alcanzadas y la calidad de corte que resulta de ello son muy variables según el material a cortar, y por otra parte, según los parámetros del procedimiento de corte adoptados, tales como la naturaleza del gas auxiliar diámetro del rayo focalizado y potencia del rayo incidente...

De esta forma, los láseres de tipo CO_{2} no pueden ser utilizados con un gas auxiliar que posea un potencial de ionización débil, tales como el argón por ejemplo, bajo riesgo de generar plasmas parásitos que pueden dañar el procedimiento.

Además los láseres de tipo CO_{2} tienen una potencia limitada, lo que afecta directamente la velocidad de corte.

Además, el hecho de que haya que guiar el rayo láser desde el generador láser hasta el cabezal de focalización, es decir el cabezal de corte, presenta inconvenientes, fundamentalmente al nivel de la alineación de las ópticas del camino óptico. En efecto, las ópticas de guiado son generalmente espejos de cobre pulido y/o revestido y su posición determina el camino tomado por el rayo láser. De este hecho, la alineación de los espejos debe ser perfecta para garantizar una entrada óptima del rayo láser en el cabezal de focalización o cabezal de corte. Ahora bien, el ajuste de la posición de esos espejos es garantizado generalmente por medios mecánicos, que pueden fácilmente desajustarse en función del desgaste de las piezas y de las condiciones ambientales, tales como la temperatura ambiente, el índice de humedad...

Además, el camino óptico del rayo también debe ser imperativamente mantenido en una atmósfera inerte para evitar toda contaminación y debe ser conservado un medio de índice óptico constante necesario para la buena propagación del rayo. Estas condiciones permiten en efecto conservar las propiedades relativas al diámetro del rayo y a la distribución transversal de la energía en este último, así como propiedades de calidad del rayo satisfactorias para el procedimiento; el factor de calidad (BPP) de los rayos láser CO_{2} de fuerte potencia aplicado en el corte estando generalmente comprendido entre 3 mm.mrad y 6 mm.mrad. Una atmósfera de este tipo permite también preservar las ópticas de guiado y evitar su deterioro.

Sin embargo, esto no es práctico en el plano industrial ya que ello complejiza la instalación y engendra costos adicionales.

Para intentar paliar estos problemas, ha sido propuesto realizar el corte con un dispositivo láser de tipo Nd:YAG en el seno del cual el rayo es generado por un resonador que contiene un medio amplificador sólido, a saber una barra de neodimio (Nd), y luego convoyado seguidamente hasta el cabezal de focalización, mediante una fibra óptica.

Sin embargo, esta solución ya no es satisfactoria en el plano industrial.

Más precisamente, se ha constatado que un corte por rayo láser a partir de una fuente láser de tipo Nd:YAG de longitud de onda de 1.06 \mum arroja malos resultados en términos de calidad y de velocidad de corte, en particular durante el corte de una pieza de acero C-Mn.

En efecto, los láseres Nd:YAG tienen factores de calidad (BPP) inadaptados al proceso de corte láser ya que estos están en el orden de los 15 mm.mrad a 30 mm/mrad según las fuentes láser.

Ahora bien, es necesario saber que mientras más elevado sea el factor de calidad de un láser, más grande será el producto del diámetro de rayo focalizado y de la divergencia del rayo, y por tanto menos efectivo será el rayo láser para el proceso de corte por láser.

Además, la distribución transversal de la energía en un rayo láser Nd:YAG focalizado no es gaussiana sino en anillo (llamado "top hat" en inglés); más allá del punto de focalización, la distribución transversal de la energía es aleatoria.

Se comprenden entonces de inmediato los límites de la utilización de los láseres Nd:YAG en corte láser, en particular de acero C-Mn.

De una forma más general, el corte láser de una pieza de acero C-Mn con los láseres Nd:YAG está lejos de ser evidente cuando se desea alcanzar velocidades y una calidad de corte aceptables en el plano industrial.

Así, el documento US-A-2003/0209049 da a conocer un procedimiento de corte de piezas de acero C-Mn con un láser Nd:YAG.

Además, el documento US-A-2005/0169326 propone un sistema para generar una radiación láser, fundamentalmente por medio de una fibra dopada con iterbio. Por otra parte, el documento US-A-2005/0041697 describe, de manera general, un dispositivo láser portátil de corte que puede comprender un generador láser de tipo CO_{2}, Nd:YAG, sólido o con fibra Yb.

El problema que se plantea es entonces proponer un procedimiento industrialmente aceptable de corte por rayo láser de los aceros C-Mn mejorado, el cual pueda permitir alcanzar, de acuerdo con el espesor considerado, velocidades que lleguen hasta 15 a 20 m/min, incluso más elevadas, y una buena calidad de corte, es decir caras de corte rectas, sin fisura, con una rugosidad limitada...

La solución de la invención es entonces un procedimiento de corte por rayo láser de una pieza de acero C-Mn de acuerdo con la reivindicación 1.

Los medios de generación del rayo láser comprenden al menos un elemento excitador, de preferencia varios elementos excitadores, que cooperan con al menos un elemento excitado, también llamado medio amplificador, para generar el rayo láser. Los elementos excitadores son de preferencia varios diodos láser, mientras que el o los elementos excitados es o son fibras, de preferencia de silicio, con núcleo dopado con iterbio.

Además, en el marco de la invención, se utilizarán indistintamente los términos "medio de generación de rayo láser" y "resonador".

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

- la (o las) fibra(s) está(n) formada(s) por un núcleo dopado con iterbio recubierto de sílice.

- el rayo láser generado por la fibra a base de iterbio tiene una longitud de onda entre 1 y 5 \mum, de preferencia entre 1.04 y 3 \mum.

- el rayo láser generado por la fibra a base de iterbio tiene una longitud de onda entre 1.07 y 1.1 \mum, de preferencia igual a 1.07 \mum.

- el rayo láser tiene una potencia comprendida entre 0.1 y 25 kW, de preferencia entre 0.5 y 15 KW.

- el rayo láser es continuo o pulsado, de preferencia continuo.

- la pieza a cortar tiene un espesor entre 0.25 y 30 mm, de preferencia entre 0.40 y 20 mm.

- la velocidad de corte está comprendida entre 0.1 y 20 m/min, de preferencia de 1 a 15 m/min.

- el gas auxiliar del rayo láser es seleccionado entre el nitrógeno, el helio, el argón, el oxígeno, el CO_{2} y sus mezclas, y eventualmente, contiene, además, uno o varios compuestos adicionales seleccionados entre H_{2} y CH_{4}.

- el factor de calidad del rayo láser está comprendido entre de preferencia 1 y 8 mm.mrad, de preferencia superior a 2 mm.mrad, de preferencia aún superior a 3 mm.Mrad, y/o de preferencia inferior a 7 mm.mrad, de preferencia aún inferior a 5 mm.Mrad.

- la velocidad de corte de una pieza de acero de un espesor comprendido entre 0.4 mm y 3 mm, utilizando oxígeno como gas auxiliar a una presión comprendida entre 0.2 y 6 bar, está comprendida entre 6 y 15 m/min.

- la velocidad de corte de una pieza de acero de un espesor comprendido entre 3 mm y 6 mm, utilizando oxígeno como gas auxiliar a una presión comprendida entre 0.2 y 6 bar, está comprendida entre 2 y 6 m/min.

- la velocidad de corte de una pieza de acero de un espesor comprendido entre 6 mm y 10 mm, utilizando oxígeno como gas auxiliar a una presión comprendida entre 0.2 y 6 bar, está comprendida entre 1 y 3 m/min.

- la velocidad de corte de una pieza de acero de un espesor comprendido entre 10 mm y 20 mm, utilizando oxígeno como gas auxiliar a una presión comprendida entre 0.2 y 6 bar, está comprendida entre 0.1 y 2 m/min.

- más generalmente, la presión de gas auxiliar está comprendida entre aproximadamente 0,1 bar y 10 bar, y es escogida en función del espesor a cortar.

- el diámetro del orificio de inyección del gas está comprendido entre 0.5 y 5 mm, típicamente entre 1 y 3 mm.

La Figura 1 adjunta es un esquema de principio de una instalación de puesta en práctica de un procedimiento de corte por rayo láser 3 de una pieza 10 de acero C-Mn, utilizando una fuente láser 1 con resonador 2 ó medios de generación de rayo láser que comprenden una fibra de sílice con núcleo dopado con iterbio para generar el rayo
láser 3.

La fuente láser 1 permite generar un rayo láser 3 de longitud de onda comprendida entre 1 \mum y 5 \mum, más precisamente a 1.07 \mum.

El rayo 3 se propaga a través de los medios de conducción del rayo 4, tal como una fibra óptica de sílice fundido de diámetro comprendido 20 \mum y 300 \mum, hasta la zona de interacción 11 entre el rayo 3 y la pieza 10 donde el rayo va a incidir sobre la pieza de acero C-Mn y fundir el material constitutivo de dicha pieza formando así la incisión de corte.

A la salida de esta fibra 4, el rayo láser 3 posee características ópticas particulares y un factor de calidad (BPP) comprendido entre 1 y 8 mm.rad. El rayo 3 es entonces colimado con un colimador óptico 5 equipado con un objetivo doble de colimación de sílice fundido revestido de manera que limite la divergencia del rayo en la salida de la fibra y lo haga paralelo.

El rayo 3 paralelo, cuya divergencia ha sido considerablemente limitada por el colimador, es focalizado entonces sobre o en la pieza 10 a cortar mediante una lentilla 6 de sílice fundido revestida de longitud focal comprendida entre 80 mm y 510 mm, de preferencia entre 100 mm y 250 mm.

Antes de incidir en la pieza 10, el rayo 3 atraviesa axialmente el cabezal láser 5 equipado de una boquilla 7 que comprende un orificio 8 de salida axial situado frente a la pieza a cortar 10 por el cual pasan el rayo 3 y el gas auxiliar. El orificio de la boquilla puede estar comprendido entre 0.5 mm y 5 mm, de preferencia entre 1 mm y 3 mm.

El cabezal láser 5 es alimentado, él mismo, con gas auxiliar a través de una entrada 9 de gas, por ejemplo un gas inerte tal como el nitrógeno, el argón, el helio o una mezcla de varios de estos gases o también un gas activo, tal como el oxígeno, por ejemplo, incluso mezclas de gas activo y gas inerte.

El gas auxiliar bajo presión sirve para evacuar el metal en fusión fuera de la incisión 12 de corte que se forma en la pieza 10, durante el desplazamiento relativo de la pieza con respecto al cabezal láser 5 según la trayectoria de corte deseada. La solución inversa consistente en mover el cabezal de corte conservando la pieza estática conduce al mismo resultado.

La Figura 3 es un esquema ilustrativo de la configuración durante el corte al nivel de la incisión de corte (material de espesor e), donde han sido representados el ángulo \theta de divergencia del rayo láser después de la focalización, el diámetro 2Wo del rayo focalizado y el ángulo \alpha del frente delantero de corte.

El factor de calidad del rayo donde BPP es definido como el producto del ángulo \theta de divergencia mediante su rayo Wo.

El proceso de corte está regido por la absorción de la energía del rayo láser en el material durante el corte. En función de la longitud de onda del rayo láser utilizada, existe entonces un ángulo óptimo de absorción de la energía por el material. Fuera de este ángulo óptimo, una parte de la energía es reflejada y/o perdida.

La Figura 3 ilustra el hecho de que en condiciones óptimas de corte el ángulo del frente delantero \alpha corresponde a una exposición de todo el espesor e del material bajo el rayo de diámetro 2Wo.

La Figura 4 muestra la evolución del ángulo \alpha óptimo del frente delantero en función del espesor de corte. La curva superior corresponde a la obtenida con un láser CO_{2} de 4 kW en modo Tem 01*, mientras que la curva inferior corresponde a la obtenida con un láser de fibra de iterbio de 2 kW de acuerdo con la invención. Las dos curvas no son confundidas debido a la diferencia de ángulo de absorción óptima de la energía a 10.6 \mum, que es la longitud de onda del láser CO_{2}, y a 1.07 \mum que es la longitud de onda del láser de fibra con iterbio.

A la vista de estas curvas, aparece claramente que para los espesores finos, el ángulo óptimo del frente delantero es más importante que para espesores más gruesos. El ángulo máximo de transmisión de la energía láser a la materia es obtenido geométricamente y es la suma de los ángulos \alpha + \theta.

Se comprende entonces que, cuando se cortan espesores delgados (algunos mm), conviene utilizar un ángulo de divergencia de rayo débil, es decir un BPP pequeño, ya que el diámetro de spot es fijado por el diámetro de fibra utilizado, y esto, para mantener el ángulo óptimo de absorción de la energía constante.

De ello también se deduce que más allá de un valor de 8 mm.mrad, la transmisión de la energía del rayo a la materia se hace menos efectiva.

En el marco de la invención, se utiliza un rayo láser cuyo factor de calidad está de preferencia comprendido entre 1 y 8 mm.mrad, de preferencia entre 2 y 8 mm.mrad.

Ejemplo

A fin de demostrar la eficacia del procedimiento de la invención, han sido realizados varios ensayos de corte de piezas de acero C-Mn utilizando un resonador para generar el rayo láser que contiene un medio amplificador compuesto por fibras ópticas de sílice cuyo núcleo está dopado con iterbio excitadas por diodos de acuerdo con el procedimiento de la invención. Los resultados de estos ensayos son presentados en el ejemplo que aparece a continuación.

De manera más precisa, la fuente láser utilizada en el ejemplo que aparece a continuación está compuesta por un medio amplificador formado por fibras de sílice dopadas con iterbio, de potencia 2 kW y de longitud de onda igual a 1.07 \mum, propagado en una fibra óptica de 100 \mum de sílice fundido revestida, que posee un factor de calidad (BPP) de salida de fibra de 4 mm.mrad. El colimador situado en la salida de fibra está equipado con un objetivo doble de 55 mm de longitud focal.

Para determinar los rangos de velocidades que pueden ser alcanzados con el procedimiento de la invención en función del espesor de las piezas a cortar, y de la presión y de la composición del gas auxiliar utilizado, han sido realizadas pruebas de corte en piezas de acero C-Mn con espesores comprendidos entre 2 mm y 20 mm.

El gas utilizado es inyectado en la zona de interacción del rayo con la pieza a presiones variables comprendidas entre 0.6 y 20 bar según el gas utilizado, a través de las boquillas de corte láser que presentan orificios de diámetros comprendidos entre 0.5 y 3 mm según el caso.

Cuando se utiliza un gas activo, tal como el oxígeno, se trabaja a una presión de 0.2 a 6 bar, mientras que con un gas inerte, tal como el nitrógeno, son generalmente necesarias presiones más elevadas, a saber presiones del orden de los 8 a 20 bar. Por supuesto pueden ser utilizadas presiones intermedias con mezclas de gas inerte y activo, por ejemplo con mezclas de oxígeno y de nitrógeno, incluso con aire.

En este caso, las pruebas han sido realizadas con oxígeno a presiones comprendidas entre 0.4 bar y 1 bar, típicamente de 0.7 bar, para boquillas de diámetro de 1 mm a 2.5 mm. Mientras mayor sea el espesor a cortar, mayor será el diámetro de boquilla a utilizar, la selección del diámetro a retener siendo hecha empíricamente realizando pruebas de rutina.

Se han utilizado lentillas de focalización de longitud focal comprendida entre 127 mm y 190.5 mm para focalizar el rayo láser generado por un resonador con fibras dopadas con iterbio. De manera más precisa, un espesor de 2 mm ha sido cortado con una lentilla de focal de 127 mm y los otros espesores con una focal de 190.5 mm. Este rayo es dirigido hacia la lentilla de focalización del cabezal de corte por medios de conducción óptica, tal como una fibra óptica de 100 \mum de diámetro.

Los resultados obtenidos han sido consignados en la Figura 2 adjunta donde se ha representado la velocidad obtenida (eje de las ordenadas) en función del espesor a cortar (eje de las abscisas).

Se observa que en una lámina de 2 mm de espesor, en las condiciones expuestas anteriormente, se ha alcanzado una velocidad de 10 m/min y que, de manera lógica, la velocidad de corte decrece con un aumento del espesor del material cortado.

Además, es necesario subrayar que después de un examen visual, para todos los espesores de corte comprendidos entre 2 y 15 mm, la calidad de corte, en términos de fisura, bordeada de óxidos y estriaciones, ha sido evaluada de muy satisfactoria desde un punto de vista industrial. El espesor máximo de corte en estas condiciones y que arroja buenos resultados está en el orden de los 20 mm.

Dicho de otro modo, el procedimiento de la invención ha demostrado su eficacia en términos de velocidad de corte y de calidad de corte, en particular para los espesores inferiores a 20 mm.

Claims (10)

1. Procedimiento de corte por rayo láser de una pieza (10) de acero C-Mn, caracterizado porque se utilizan medios (1, 2) de generación de rayo láser (3) que comprenden al menos una fibra que contiene iterbio para generar el rayo láser (3) y porque el factor de calidad del rayo láser está comprendido entre 0,33 y 8 mm.mrad.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la fibra está formada por un núcleo dopado con iterbio recubierto de sílice.

3. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el rayo láser (3) generado por la fibra a base de iterbio tiene una longitud de onda entre 1 y 5 \mum, de preferencia entre 1.04 y 3 \mum.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el rayo láser (3) generado por la fibra a base de iterbio tiene una longitud de onda entre 1.07 y 1.1 \mum, de preferencia de 1.07 \mum.

5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el rayo láser (3) tiene una potencia comprendida entre 0.1 y 25 kW, de preferencia entre 0.5 y 15 kW.

6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el rayo láser (3) es continuo o pulsado, de preferencia continuo.

7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la pieza (10) a cortar tiene un espesor entre 0.25 y 30 mm, de preferencia entre 0.40 y 20 mm.

8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la velocidad de corte está comprendida entre 0.1 y 20 m/min, de preferencia de 1 a 15 m/min.

9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el gas auxiliar del rayo láser (3) es seleccionado entre el nitrógeno, el helio, el argón, el oxígeno, el CO_{2} y sus mezclas, y eventualmente, contiene, además, uno o varios compuestos adicionales seleccionados entre H_{2} y CH_{4}.

10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el factor de calidad del rayo láser (3) está comprendido entre 1 y 8 mm.mrad, de preferencia superior a 2 mm.mrad, de preferencia aún superior a 3 mm.Mrad, y/o de preferencia inferior a 7 mm.mrad, de preferencia aún inferior a 5 mm.Mrad.