ES2339273T3 - Procedimiento de corte de fibra de acero inoxidable con un laser. - Google Patents

Procedimiento de corte de fibra de acero inoxidable con un laser. Download PDF

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Abstract

Procedimiento de corte de una pieza (10) de acero inoxidable por haz láser (3), en el cual se utilizan medios (1, 2) de generación de haz láser (3) que comprenden al menos una fibra que contiene iterbio para generar el haz láser (3) que sirve para fundir la pieza (10) y de este modo realizar el corte propiamente dicho, caracterizado porque: - el factor de calidad del haz láser (3) está comprendido entre 1 y 8 mm.mrad, y - la pieza (10) a cortar tiene un espesor entre 0,40 y 30 mm.

Description

Procedimiento de corte de fibra de acero inoxidable con un láser.
La invención se refiere a un procedimiento de corte de acero inoxidable por haz láser que utiliza una fuente láser de tipo fibra de iterbio según el preámbulo de la reivindicación 1 (véase, por ejemplo, el documento US-A-6.208.458).
El corte por haz láser utilizando una fuente láser de tipo CO_{2} para generar un haz láser de longitud de onda igual a 10,6 \mum y de una potencia que alcanza hasta 6 kW se encuentra actualmente ampliamente extendido en la industria. Este procedimiento se utiliza especialmente para el corte de aceros inoxidables.
Sin embargo, las velocidades de corte que se pueden alcanzar y la calidad de corte resultante 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 de asistencia, diámetro del haz focalizado y potencia del láser incidente.
De este modo, los láseres de tipo CO_{2} no se pueden utilizar con gases de asistencia que poseen un potencial de ionización reducido, tales como por ejemplo, el argón, sin riesgo de generar plasmas parásitos que pueden ser nocivos para el procedimiento.
Además, los láseres de tipo CO_{2} son de potencia limitada, lo cual tiene un impacto directo sobre la velocidad de corte.
Además, el hecho de tener que guiar el haz de corte desde el generador láser hasta la cabeza de focalización, es decir la cabeza de corte, presenta inconvenientes, especialmente 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 la posición de éstos últimos determina el camino tomado por el haz láser. En consecuencia, la alineación de estos espejos debe ser perfecta para garantizar una entrada óptima del haz láser en la cabeza de focalización o cabeza de corte. Ahora bien, el ajuste de la posición de estos espejos se garantiza generalmente por medios mecánicos, los cuales pueden desajustarse fácilmente en función del tiempo, el desgaste de las piezas y las condiciones ambientales, especialmente la temperatura ambiente, el grado de humedad...
Además, el camino óptico del haz debe mantenerse imperativamente en una atmósfera inerte para evitar cualquier contaminación y conservar un medio de Índice óptico constante necesario para una buena propagación del haz. Estas condiciones permiten conservar las propiedades relativas al diámetro del haz y a la distribución transversal de la energía en este último, y conservar propiedades de calidad del haz satisfactorias para el procedimiento, estando el factor de calidad (BPP) de los haces láser CO_{2} de gran potencia aplicados en corte comprendido entre 3 mm.mrad y 6 mm.mrad. Tal atmósfera permite igualmente salvaguardar las ópticas de guiado y evitar su deterioro.
Ahora bien, esto no tiene aplicación práctica en el plano industrial y genera costes suplementarios.
Para intentar paliar estos problemas, se ha propuesto realizar el corte del acero inoxidable con un dispositivo láser de tipo Nd:YAG en cuyo interior se genera el haz mediante un resonador que contiene un medio amplificador sólido, es decir de barra de neodimio (Nd), y a continuación se transporta hasta la cabeza de focalización por una fibra óptica.
Sin embargo, esta solución tampoco es totalmente satisfactoria desde el punto de vista industrial.
En efecto, se ha constatado que un corte por haz láser obtenido con una fuente láser de tipo Nd:YAG de longitud de onda de 1,06 \mum da malos resultados en cuanto a calidad y velocidad de corte.
En efecto, los láseres de tipo Nd:YAG tienen factores de calidad inadaptados al proceso de corte láser. Los factores de calidad (BPP) de estos láseres son típicamente del orden de 15 mm.mrad a 30 mm.mrad según las fuentes. Ahora bien, cuanto más elevado es el factor de calidad de un láser, mayor es el producto del diámetro de haz focalizado y de la divergencia del haz y menos eficaz es el haz para el proceso de corte láser.
Además, la distribución transversal de la energía en un haz láser Nd:YAG focalizado no es gaussiana sino en almena (o "top hat" en inglés) y más allá del punto de focalización, la distribución transversal de la energía es aleatoria.
De manera más general, el corte de acero inoxidable por láser, con láseres Nd:YAG está lejos de ser evidente cuando se desea alcanzar velocidades y una calidad de corte aceptables desde el punto de vista industrial.
Por otra parte, el documento US-A-6.208.458 da a conocer un procedimiento y un dispositivo para convertir las pulsaciones ópticas generadas por fuentes de bombeo de pulsaciones largas de baja intensidad, tales como dispositivos láser de fibra, de diodo o sólido, en pulsaciones ópticas ultracortas de alta energía que utilizan medios de amplificación ópticos. Los dispositivos láser de fibra mencionados son de tipos de fibra dopada Er, Nd o Yt. Los dispositivos láser descritos se pueden utilizar en numerosos campos, especialmente en el campo científico, médico e industrial, especialmente para perforación, corte, soldeo, soldeo fuerte, mecanizado, tratamiento de superficies, eliminación de pintura, litografía..., materiales varios, tales como sílices, acero, cobre, oro, polímeros...
El documento US-A-2004/089643 describe un procedimiento de fabricación de una endoprótesis a partir de un tubo de acero inoxidable que se corta mediante un dispositivo láser de fibra a una velocidad de 3 a 5 mm/s.
El documento US-A-2005/169326 divulga una arquitectura que genera un haz láser de menos de 200 nm de longitud de onda, especialmente mediante un dispositivo láser de fibra dopada Nd y de un segundo dispositivo láser de fibra dopada Yb. Esta arquitectura se destina a la fotolitografía de semiconductores.
El documento US-A-2005/041697 se refiere a un láser de fibra dopada Yb portátil, que se puede utilizar en corte láser, especialmente de acero dulce, mientras que el documento WO-A-2005/074573 se refiere a un amplificador láser que produce una luz de polarización dada que se puede utilizar en un láser de fibra dopada Er y/o Yb.
El problema que se plantea es entonces proponer un procedimiento de corte de los aceros inoxidables por haz láser, mejorado e industrialmente aceptable, pudiendo éste permitir alcanzar, según el espesor considerado, velocidades que varían entre 15 y 20 m/min, incluso más, y una buena calidad de corte, es decir caras de corte rectas, sin rebaba y con una rugosidad reducida.
La solución de la invención es entonces un procedimiento de corte de una pieza de acero inoxidable por haz láser según la reivindicación 1.
Los medios de generación de haz láser comprenden al menos un elemento excitador, preferiblemente varios elementos excitadores, que cooperan con al menos un elemento excitado, también denominado medio amplificador, para generar el haz láser. Los elementos excitadores son preferiblemente diversos diodos láser, mientras que el o los elementos excitados es o son fibras, preferiblemente de sílice, con núcleo de iterbio.
En el marco de la invención, se utilizarán indistintamente los términos "medios de generación de haz láser" y "resonador".
Según el caso, el procedimiento de la invención puede comprender una o varias de las siguientes características:
-
la (o las) fibra (s) se forma (n) a partir de un núcleo dopado con iterbio recubierto de sílice
-
el haz láser generado por la fibra basada en iterbio tiene una longitud de onda de entre 1 y 5 \mum, preferiblemente entre 1,04 y 3 \mum.
-
el haz láser generado por la fibra basada en iterbio tiene una longitud de onda de entre 1,07 y 1,09 \mum, preferiblemente de 1,07 \mum.
-
el haz láser tiene una potencia comprendida entre 0,1 y 25 kW, preferiblemente entre 0,5 y 15 kW.
-
el haz láser es continuo o pulsado, preferiblemente continuo.
-
la pieza a cortar tiene un espesor de entre 0,40 y 20 mm.
-
la velocidad de corte está comprendida entre 0,1 y 25 m/min, preferiblemente entre 2 y 20 m/min.
-
el gas de asistencia del haz láser se selecciona entre nitrógeno, helio, argón y sus mezclas, y eventualmente contiene, además, uno o más compuestos adicionales seleccionados entre O_{2}, CO_{2}, H_{2}, CH_{4}...
-
el factor de calidad del haz láser es superior a 2 mm.mrad, preferiblemente superior a 3 mm.mrad, y/o inferior a 7 mm.mrad, preferiblemente inferior a 5 mm.mrad.
-
más generalmente, la presión de asistencia está comprendida entre aproximadamente 800 kPa (8 bares) y 2.500 kPa (25 bares), y se selecciona en función del espesor a cortar.
-
el diámetro del orificio de inyección del gas está comprendido entre 0,5 y 4 mm; típicamente entre 1 y 3 mm; aumentando el diámetro con el espesor de la pieza a cortar.
La figura 1 anexada es un esquema de principio de una instalación de aplicación de un procedimiento de corte por haz láser 3 de una pieza 10 de acero inoxidable, que aplica una fuente láser 1 con resonador o medios de generación de haz 2 formado por una fibra de sílice con núcleo dopado con iterbio para generar el haz láser 3.
La fuente láser 1 permite la generación de un haz láser 3 de longitud de onda comprendida entre 1 \mum y 5 \mum, más precisamente de 1,07 \mum.
El haz 3 se propaga hasta la zona de interacción 11 entre el haz 3 y la pieza 10, es decir la zona donde aparece la sangría de corte, a través de los medios de transporte de haz 4, tal como una fibra óptica de sílice fundida de diámetro comprendido entre 20 \mum y 300 \mum.
A la salida de esta fibra 4, el haz láser 3 posee características ópticas particulares y un factor de calidad (BPP) comprendido entre 1 y 8 mm.mrad.
El haz 3 se colima a continuación con un colimador óptico 5 equipado con un doblete de colimación de sílice fundida revestida para limitar la divergencia del haz a la salida de la fibra y hacer que el haz láser sea paralelo.
El haz paralelo 3, cuya divergencia se ha limitado considerablemente por el colimador, se focaliza a continuación sobre o en la pieza 10 a cortar por una lente 6 de silicio fundida revestida de longitud focal comprendida entre 80 mm y 510 mm, preferiblemente entre 100 mm y 250 mm.
Antes de golpear la pieza 10, el haz 3 atraviesa axialmente la cabeza láser 5 equipada con una boquilla 7 que comprende un orificio axial 8 de salida situado enfrente de la pieza 10 a cortar por el cual pasan el haz 3 y el gas de asistencia. El orificio de la boquilla puede estar comprendido entre 0,5 mm y 5 mm, preferiblemente entre 1 mm y
3 mm.
En lo relativo a la cabeza láser 5, ésta se alimentada de gas de asistencia por una entrada 9 de gas, por ejemplo un gas inerte tal como nitrógeno, argón, helio o una mezcla de varios de estos gases o también un gas activo, tal como por ejemplo oxígeno, incluso mezclas de gas activo e inerte.
El gas de asistencia sirve para evacuar el metal en fusión fuera de la sangría 12 de corte que se forma en la pieza 10 durante el desplazamiento relativo de la pieza respecto de la cabeza láser 5 según la trayectoria de corte deseada. La solución inversa que consiste en desplazar la cabeza de corte manteniendo la pieza estática da el mismo resultado.
La figura 3 es un esquema ilustrativo de la configuración en proceso de corte a nivel de la sangría de corte (material de espesor e), donde se ha representado el ángulo \theta de divergencia del haz láser después de la focalización, el diámetro 2 Wo del haz focalizado y el ángulo \alpha del frente delantero de corte.
El factor de calidad del haz o BPP se define como el producto del ángulo \theta de divergencia por su radio Wo.
El proceso de corte se rige por la absorción de la energía del haz láser en el material en el transcurso del corte. En función de la longitud de onda del haz láser aplicado, existe por lo tanto un ángulo óptimo de absorción de la energía por el material. Fuera de este ángulo óptimo, una parte de la energía se refleja y/o se pierde.
La figura 3 ilustra el hecho de que en condición óptima de corte, el ángulo del frente delantero \alpha corresponde a una exposición de cualquier espesor e del material bajo el haz de diámetro 2 Wo.
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 según la invención. Las dos curvas no se confunden debido a la diferencia de ángulo de absorción óptimo 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 de iterbio.
A la vista de estas curvas, es evidente que para los espesores reducidos, el ángulo óptimo del frente delantero es más importante que para espesores más importantes. El ángulo máximo de transmisión de la energía láser a la materia se obtiene geométricamente y es la suma de los ángulos \alpha + \theta.
Se entiende entonces que, cuando se cortan espesores delgados (algunos mm), conviene utilizar un ángulo de divergencia de haz reducido, es decir un BPP pequeño, ya que el diámetro de spot se fija mediante el diámetro de fibra utilizado para mantener de este modo el ángulo óptimo de absorción de la energía constante.
De este se deduce también que más allá de un valor de 8 mm.mrad, la transmisión de la energía del haz a la materia se vuelve menos eficaz.
Por lo tanto, en el marco de la invención, se aplica un haz láser cuyo factor de calidad está preferiblemente comprendido entre 1 y 8 mm.mrad, más preferiblemente entre 2 y 8 mm.mrad.
Ejemplo
Con el fin de demostrar la eficacia del procedimiento de la invención, se han realizado diversos ensayos de corte de piezas de acero inoxidable utilizando un resonador que contiene un medio amplificador o un medio de generación de haz compuesto por fibras ópticas cuyo núcleo está dopado con iterbio según el procedimiento de la invención y los resultados obtenidos se representan en la figura 2.
Más precisamente, la fuente láser utilizada en el siguiente ejemplo se compone de un medio amplificador formado por fibras dopadas con iterbio y excitadas por diodos, de una potencia de 2 kW y de una longitud de onda igual a 1,07 \mum, propagado en una fibra óptica de 100 \mum de sílice fundida revestida, que posee un factor de calidad (BPP) a la salida de la fibra de 4 mm.mrad. El colimador situado en la salida de la fibra va equipado con un doblete de 55 mm de longitud focal.
Para determinar los intervalos de velocidades que se pueden alcanzar 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 de asistencia aplicadas, se han realizado ensayos de corte sobre piezas de acero inoxidable que tienen espesores comprendidos entre 1,5 mm y 8 mm.
El gas utilizado es un gas inerte, es decir nitrógeno, inyectado en la zona de interacción del haz con la pieza a presiones variables comprendidas entre 800 y 2.500 kPa (8 y 25 bares) según el gas utilizado, a través de las boquillas de corte láser que presentan orificios de diámetros comprendidos entre 0,5 y 4 mm según el caso, típicamente entre 1 mm y 3 mm de diámetro. Cuanto más importante es el espesor a cortar, mayor debe ser el diámetro de boquilla.
Se han utilizado lentes de focalización de longitud focal comprendida entre 127 mm y 190,5 mm para focalizar el haz láser generado por medio amplificador que contiene fibras dopadas con iterbio excitadas por diodos y encaminado hasta la lente de focalización de la cabeza de corte por medios de transporte óptico, tal como una fibra óptica de
100 \mum de diámetro.
Más precisamente, los espesores inferiores o iguales a 4 mm se cortan usualmente con lentes de focal de 127 mm y los espesores más elevados con lentes de focal de 190,5 mm.
Los resultados obtenidos con una presión de nitrógeno de 1.500 kPa (15 bares), que han sido considerados satisfactorios desde el punto de vista de la calidad de corte obtenida figuran en la figura 2 anexa donde se ha representado la velocidad obtenida (eje de ordenadas) en función del espesor a cortar (eje de abscisas).
Se observa que el procedimiento de la invención permite obtener una velocidad del orden de 16 m/min sobre una pieza de 2 mm de espesor, en las condiciones experimentales anteriores. Sin embargo, se observa también que la velocidad de corte se reduce lógicamente con un aumento del espesor del material cortado.
Tras examinar las caras cortadas, hay que resaltar que la calidad de los cortes obtenidos es muy satisfactoria, en cuanto a rebaba y estrías, para todos los espesores cortados.
Sin embargo, el espesor máximo cortado en las condiciones experimentales anteriormente mencionadas es de 8 mm con la potencia láser aquí aplicada.
El procedimiento de la invención es por lo tanto eficaz tanto en términos de velocidad de corte como en términos de calidad de corte sobre acero inoxidable.

Claims (11)

1. Procedimiento de corte de una pieza (10) de acero inoxidable por haz láser (3), en el cual se utilizan medios (1, 2) de generación de haz láser (3) que comprenden al menos una fibra que contiene iterbio para generar el haz láser (3) que sirve para fundir la pieza (10) y de este modo realizar el corte propiamente dicho, caracterizado porque:
-
el factor de calidad del haz láser (3) está comprendido entre 1 y 8 mm.mrad, y
-
la pieza (10) a cortar tiene un espesor entre 0,40 y 30 mm.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la fibra está formada por un núcleo dopado con iterbio recubierto de sílice.
3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el haz láser (3) generado por la fibra basada en iterbio tiene una longitud de onda de entre 1 y 5 \mum, preferiblemente entre 1,04 y 3 \mum.
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el haz láser (3) generado por la fibra basada en iterbio tiene una longitud de onda de entre 1,07 y 1,09 \mum, preferiblemente de 1,07 \mum.
5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el haz láser (3) tiene una potencia comprendida entre 0,1 y 25 kW, preferiblemente entre 0,5 y 15 kW.
6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el haz láser (3) es continuo o pulsado, preferiblemente continuo.
7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la pieza (10) a cortar tiene un espesor de entre 0,40 y 20 mm.
8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la velocidad de corte está comprendida entre 0,1 y 25 m/min, preferiblemente entre 2 y 20 m/min.
9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el gas de asistencia del haz láser (3) se selecciona entre nitrógeno, helio, argón y sus mezclas, y eventualmente, contiene, además, uno o más compuestos adicionales seleccionados entre O_{2}, CO_{2}, H_{2}, CH_{4}.
10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el factor de calidad del haz láser (3) es superior a 2 mm.mrad, preferiblemente superior a 3 mm.mrad.
11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el factor de calidad del haz láser (3) es inferior a 7 mm.mrad, preferiblemente inferior a 5 mm.mrad.
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