ES2347683T3

ES2347683T3 - Procedimiento de mecanizacion de materiales mediante un laser guiado por un chorro de agua asi como dispositivo para llevar a cabo el procedimiento.

Info

Publication number: ES2347683T3
Application number: ES06721961T
Authority: ES
Inventors: Franz Hatebur
Original assignee: Technikus AG
Current assignee: Technikus AG
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2010-11-03
Anticipated expiration: 2026-05-16
Also published as: ATE471784T1; DE502006007281D1; EP1940579B1; EP1940579A1; WO2006122441A1; PL1940579T3

Abstract

- Procedimiento de mecanización de materiales por medio de un láser (L) guiado en el interior de un chorro de agua (W), en el que el láser (L) se acopla desde atrás, a través de una lente, con un chorro de agua (W) expulsado por una boquilla (D) desde un recinto de alimentación, caracterizado porque el láser (L) es enfocado por medio de una lente sobre un diámetro tal que sea a lo sumo la mitad de grande que el del chorro de agua, y el plano de enfoque (F) está dispuesto entonces en el chorro de agua generado (W) a una distancia del plano (E) de la abertura de la boquilla al menos igual al doble del diámetro del chorro.

Description

Esta invención concierne a un procedimiento de mecanización de materiales según el preámbulo de la reivindicación 1 y a un dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento según el preámbulo de la reivindicación 6.

La radiación de láser se utiliza de múltiples maneras para la mecanización de materiales en la industrial, por ejemplo para el corte, taladrado, soldadura, marcado y erosión de materiales. Se pueden mecanizar casi todos los materiales, tales, por ejemplo, acero, aleaciones de acero, metales no férreos, plásticos y cerámicas. En casi todos estos procedimientos se enfoca el rayo láser por medio de un elemento óptico, tal como, por ejemplo, una lente, sobre el material que se debe mecanizar a fin de generar la intensidad necesaria para el proceso de mecanización. Debido a este enfoque forzoso de la radiación era posible trabajar únicamente en el lugar de ubicación del punto focal o en su entorno inmediato.

Para obtener una alta intensidad en el lugar de mecanización es necesario un diámetro del rayo lo más pequeño posible. Cuanto más pequeño sea el diámetro del rayo con tanto menores potencias de salida de la fuente de radiación de láser se podrá trabajar. Cuanto más pequeña sea la potencia de salida del láser tanto más pequeño será también su coste de adquisición.

Se han dado a conocer en el documento EP 0 762 947 B1 un procedimiento y un dispositivo de esta clase. En el procedimiento allí presentado se alimenta un láser desde el resonador en una fibra de vidrio y finalmente se le acopla con un chorro de agua. Sirve para esto un recinto de alimentación de agua discoidal en forma de un disco horizontalmente dispuesto, es decir, un tramo cilíndrico discoidal cuyo lado superior forma una ventana a través de la cual el láser que incide verticalmente desde arriba es conducido al recinto de alimentación de agua. En el centro del lado inferior del tramo cilíndrico y, por tanto, concéntricamente a éste está conformada una boquilla. Ésta forma una abertura circular de aproximadamente 60 µm de diámetro. El diámetro del recinto de alimentación en forma del tramo cilíndrico discoidal asciende a un múltiplo de este diámetro. La abertura de la boquilla es de aristas vivas y se ensancha cónicamente hacia abajo. El agua es presionada por la boquilla desde el recinto de alimentación a presiones de 200 a 300 bares y forma así un afilado chorro de agua con alta velocidad y grosor constante. El láser es enfocado ahora exactamente sobre el plano de la abertura de la boquilla, de modo que dicho láser presenta allí el mismo diámetro que el chorro de agua. Seguidamente, el láser es reflejado por la superficie de limitación exterior del chorro de agua y sigue siendo guiado en el interior de dicho chorro de agua. El chorro de agua y el rayo láser casi son coincidentes uno con otro. Se necesita el agua para transmitir la energía del láser y evacuar del sitio de mecanización los materiales quemados y desprendidos por el láser.

En esta construcción se manifiesta como desventajoso el hecho de que el láser con un diámetro de 60 µm es relativamente romo. Ciertamente, se pueden mecanizar así muchos materiales. Sin embargo, sería deseable un rayo láser más fino, puesto que entonces se podrían lograr cortes más finos, es decir que tendría que retirarse una cantidad de material correspondientemente más pequeña y se necesitaría correspondientemente menos potencia, o sea que se podría trabajar con un láser más barato. Otro inconveniente de esta construcción reside en el hecho de que el láser es conducido desde el resonador en una fibra de vidrio, en parte a lo largo de distancias relativamente grandes, pero en cualquier caso a lo largo de al menos 2 metros o más, y entonces se producen tanto una pérdida de potencia como una pérdida de calidad óptica.

El problema de la presente invención consiste en indicar un procedimiento de mecanización de materiales por medio de un láser guiado en un chorro de agua, que trabaje con un láser de menor diámetro, ofrezca al menos la misma potencia de corte con una potencia más pequeña del láser y, sobre todo, siga suministrando una mejor calidad de los cantos de corte. Otro problema consiste en la indicación de un dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento. Además, se tiene que acoplar el rayo láser con el chorro de agua de modo que no resulte dañada la boquilla.

Este problema se resuelve con un procedimiento de mecanización de materiales por medio de un láser (L) guiado concéntricamente en el interior de un chorro de agua (W), en el que el láser (L) se acopla desde atrás, a través de una lente, con un chorro de agua (W) expulsado a presión por una boquilla (D) desde un recinto de alimentación, cuyo procedimiento se caracteriza porque el láser (L) se enfoca por medio de una lente sobre un diámetro tal que a lo sumo sea la mitad de grande que el del chorro de agua, y el plano de enfoque (F) está dispuesto entonces en el chorro de agua generado (W) a una distancia del plano (E) de la abertura de la boquilla igual a al menos el doble del diámetro del chorro.

Este problema se resuelve, por otro lado, con un dispositivo de mecanización de materiales por medio de un láser (L) guiado concéntricamente en el interior de un chorro de agua (W), en el que se acopla el láser (L) desde atrás, a través de una lente, con un chorro de agua (W) expulsado a presión por una boquilla (D) desde un recinto de alimentación, cuyo dispositivo se caracteriza porque está presente una lente por medio de la cual el láser (L) puede ser enfocado al menos sobre un diámetro tan grande que a lo sumo sea la mitad de grande que el del chorro de agua, y el plano de enfoque (F) puede ser acoplado entonces con el chorro de agua generado (W) a una distancia del plano (E) de la abertura de la boquilla igual a al menos el doble del diámetro del chorro.

Ayudándose de las figuras se clarifican y explican el procedimiento y el dispositivo.

Muestran:

La figura 1, una sección a través de una cabeza de corte con el recinto de alimentación de agua y la boquilla de salida para la generación del chorro de agua; y

La figura 2, una representación esquemática del enfoque del láser en el chorro de agua generado.

Como muestra la figura 1, la cabeza de corte es una pieza de acero fresa-da a partir de su estado macizo. Se ha practicado desde abajo un taladro ciego cuya zona extrema superior forma el recinto de alimentación de agua 6. Se practica desde arriba un fresado 6 de forma de embudo que se comunica con el taladro ciego. Se inserta después desde abajo una ventanilla 5 de un vidrio de cuarzo que cierra el taladro ciego en su extremo superior. Seguidamente, se inserta desde abajo el cuerpo de boquilla en forma de un denominado bloque de boquilla 2 que está sellado lateralmente con la pared del taladro ciego por medio de un anillo tórico 11. El bloque de boquilla 2 forma en su extremo superior un fino taladro 8 que se ensancha hacia abajo en forma de embudo. El bloque de boquilla 2 es prensado desde abajo hacia arriba por medio de un elemento de sujeción 12. Este elemento de sujeción 12 está atornillado con el taladro ciego a través de una rosca interior del mismo. El sellado se efectúa por medio de un anillo tórico 3. Este elemento de sujeción 12 presenta en la periferia unos tornillos distanciadores

11. Por medio del elemento de sujeción 12 se forma por debajo de la boquilla 8 un recinto de chorro 13 en cuyo centro el chorro de agua discurre a lo largo de la línea de puntos y trazos. En el interior de este recinto de chorro 13 se genera una sobrepresión a través del taladro de alimentación 14, a cuyo fin se bombea aire por medio de una bomba hacia dentro de este recinto de chorro 13. El chorro de agua es solicitado así lateralmente con una presión de gas, lo que hace posible que su superficie envolvente se mantenga más lisa y reduce la fluidización de la capa de gas adyacente al chorro de agua. El líquido es alimentado al recinto de alimentación de agua a través de un taladro horizontal a una presión de 200 a 500 bares. Con el tornillo 10 que penetra en el taladro se puede regular la cantidad de agua alimentada por unidad de tiempo girando para ello el tornillo en la cabeza 9 del mismo.

El láser es aproximado a la ventana 5 desde arriba, de modo que dicho láser incide sobre la ventana en dirección perpendicular al plano de la misma, tal como se ha dibujado con la línea de trazos y puntos. El diámetro del rayo láser en el resonador, inicialmente de 28 mm, se ensancha primeramente hasta 36 mm con una primera lente de colimación, luego se desvía en un espejo y es enfocado con otras lentes de colimación para restringirlo a 18 mm, y después es enfocado con una lente F50 sobre 1/50, es decir, sobre 1/50 de 18 mm, lo cual equivale a 36 micrómetros. No obstante, es posible enfocar el láser aún más lejos hasta por debajo de 20 a 22 micrómetros. El láser necesita recorrer simplemente todavía un camino de aproximadamente 50 cm desde el resonador hasta el punto focal. Como quiera que el láser es guiado libremente de esta manera, se pueden evitar pérdidas de potencia y pérdidas de calidad óptica, las cuales se presentan irremisiblemente con un guiado de láser en una fibra de vidrio. Por encima de la ventana está dispuesta una lente de colimación que no se ha dibujado aquí y con la cual se enfoca el láser, de modo que su plano de enfoque viene a quedar situado en el sitio deseado del chorro de agua por debajo de la boquilla. Como láser se utiliza, por ejemplo, un láser de Nd/YAG con una longitud de onda de 1064 nanómetros y una potencia de 100 vatios. Este láser es acoplado con el chorro de agua generada meramente por la atmósfera a través de espejos de desviación y a través de lentes de colimación. Este acoplamiento se describe con ayuda de la figura 2.

En el ejemplo dibujado las condiciones geométricas se han elegido de modo que el punto de enfoque está situado 300 micrómetros por debajo del canto de entrada de la boquilla, es decir, 282 longitudes de onda de láser, presentando la boquilla una anchura libre de 60 micrómetros. Con esta anchura de 60 micrómetros de la boquilla se logra con esta clase de enfoque mantener concentrado un rayo láser de simplemente todavía 20 micrómetros de grosor dentro del chorro de agua W, del mismo modo que una mina del lapicero discurre en el interior de un lapicero. Este rayo láser está fuertemente concentrado y se ensancha tan solo muy ligeramente a lo largo de una distancia de 30 mm. Para conseguir esto es sumamente importante acoplar el láser con el chorro de agua W generado por la boquilla D en este sitio en el que este chorro de agua presenta un flujo laminar. Sin embargo, esto no es posible en el plano de la abertura de entrada del canto de la boquilla, ya que allí el flujo no puede ser idealmente laminar. Según las enseñanzas del documento EP 0 762 947 B1, se enfoca el rayo láser siempre sobre el diámetro de la boquilla y del chorro de agua generado con ésta, y, además, se coloca el plano de enfoque exactamente en el plano del canto de la boquilla. Sin embargo, con un enfoque sobre el diámetro de la boquilla no es posible colocar el plano de enfoque dentro del chorro de agua propiamente dicho, en un sitio en el que este chorro sea de flujo laminar. En el canto de entrada inmediato de la boquilla el flujo no es óptimo. Si se enfocara ahora más hacia abajo y, por tanto, hacia dentro del chorro de agua con un cono de enfoque que enfoque el láser sobre el diámetro de la abertura de la boquilla, el rayo láser se cortaría entonces en el cono de enfoque con los cantos de la boquilla y el bloque de boquilla se quemaría en seguida. Por tanto, es de importancia muy esencial que el láser se enfoque sobre un diámetro sensiblemente más pequeño que el del chorro de agua generado. En efecto, se ha visto que un rayo láser enfocado concéntricamente en el interior de un chorro de agua y que ocupe solamente una parte de la sección transversal de dicho chorro se mantiene enfocado en esta parte y seguidamente discurre en el interior de un chorro de agua del mismo modo que una mina de lapicero discurre dentro de un lapicero. Por tanto, el rayo láser está envuelto en todos los lados por un chorro de agua que no guía la luz del láser. Solamente en el centro del chorro de agua discurre el rayo láser concéntricamente a éste. Este conocimiento conduce a que, para un grosor determinado del chorro de agua, se puede guiar un rayo láser sensiblemente más afilado, es decir, más fuertemente enfocado y, por tanto, más fino. Sin embargo, un rayo láser más fino

– cuando se le utiliza para la mecanización de material – erosiona y elimina muchísimo menos material, es decir que genera cortes muchísimo más finos. La superficie de la sección transversal del láser de 20 µm de diámetro presenta una superficie de sección transversal de 314 µm2, mientras que un láser de 60 µm de diámetro presenta una superficie de sección transversal de 2826 µm2, es decir, una superficie de sección transversal nueve veces mayor. Por tanto, durante la mecanización se quema y elimina una cantidad de material nueve veces mayor. Se aprecia en esto lo dramáticamente que repercute la reducción de tamaño o el adelgazamiento del rayo láser. Con el enfoque y acoplamiento aquí presentados del láser con el chorro de agua, en donde el láser puede ser enfocado de tal manera que su diámetro mida a lo sumo la mitad del diámetro del chorro de agua y el plano de enfoque esté dispuesto en el chorro de agua a una distancia de la boquilla de salida al menos igual al doble del diámetro de dicho chorro de agua,

5 se pueden emplear rayos láser mucho más finos que hasta ahora. Con este acoplamiento son posibles enfoques de hasta 10 a 15 micrómetros de diámetro del rayo láser en el interior de un chorro de agua de 60 micrómetros, y enfoques con 20 a 22 micrómetros han dado ya buenos resultados en su aplicación.

Con una potencia del láser cinco veces más pequeña – es decir, utilizando

10 un láser de 100 W en lugar de un láser de 500 W – se lograrían iguales velocidades de corte y al mismo tiempo mejores calidades de corte. Además, un láser finamente enfocado del orden de magnitud de 20 micrómetros de diámetro o menos inaugura aplicaciones enteramente nuevas, particularmente en la técnica médica, en donde se trata de conseguir dimensiones finísimas.

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Claims

REIVINDICACIONES

1.-Procedimiento de mecanización de materiales por medio de un láser (L) guiado en el interior de un chorro de agua (W), en el que el láser (L) se acopla desde atrás, a través de una lente, con un chorro de agua (W) expulsado por una boquilla (D) desde un recinto de alimentación, caracterizado porque el láser (L) es enfocado por medio de una lente sobre un diámetro tal que sea a lo sumo la mitad de grande que el del chorro de agua, y el plano de enfoque (F) está dispuesto entonces en el chorro de agua generado (W) a una distancia del plano (E) de la abertura de la boquilla al menos igual al doble del diámetro del chorro.
2.-Procedimiento de mecanización de materiales según la reivindicación 1, caracterizado porque el láser es aproximado libremente en la atmósfera desde el resonador generador hasta la ventana de un recinto de alimentación de agua en la cual se transforma el líquido en un chorro por medio de una boquilla.
3.-Procedimiento de mecanización de materiales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se enfoca el láser por medio de una lente de colimación sobre un diámetro que mide un tercio del diámetro del chorro de agua, y el plano de enfoque está dispuesto entonces en el chorro de agua a una distancia del plano (E) de la abertura de la boquilla igual a cinco veces el diámetro del chorro de agua.
4.-Procedimiento de mecanización de materiales según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el láser es enfocado sobre un diámetro de 10 a 15 micrómetros en un chorro de agua (W) de 60 micrómetros de diámetro, y el plano de enfoque (F) está dispuesto entonces en el chorro de agua a una distancia del plano (E) de la abertura de la boquilla igual a cinco veces el diámetro del chorro de agua (W).
5.-Procedimiento de mecanización de materiales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se opera con un láser de una potencia de 50 a 100 vatios.
6.-Dispositivo de mecanización de materiales por medio de un láser (L) guiado concéntricamente en el interior de un chorro de agua (W), en el que el láser (L) se acopla desde atrás, a través de una lente, con un chorro de agua (W) expulsado por una boquilla (D) desde un recinto de alimentación, caracterizado porque está presente una lente por medio de la cual se puede enfocar el láser (L) sobre al menos un diámetro tal que a lo sumo sea la mitad de grande que el del chorro de agua, y el plano de enfoque (F) se puede acoplar entonces con el chorro de agua generado (W) a una distancia del plano (E) de la abertura de la boquilla al menos igual al doble del diámetro del chorro.
7.-Dispositivo de mecanización de materiales según la reivindicación 6, caracterizado porque están presentes unos medios para guiar libremente el láser, es decir, para ensanchar, enfocar y desviar el láser, y porque está presente un recinto de alimentación de agua con una boquilla de salida para formar un chorro de agua, así como porque está presente una lente de colimación por medio de la cual se enfoca el láser (L) sobre un diámetro tal que sea a lo sumo igual a un tercio del diámetro del chorro de agua, y el plano de enfoque (F) puede acoplarse entonces con el chorro de agua generado (W) a una distancia del plano (E) de la abertura de la boquilla igual a al menos cinco veces el diámetro del chorro de agua.
8.-Dispositivo de mecanización de materiales según cualquiera de las reivindicaciones 6 ó 7, caracterizado porque está presente una lente de colimación por medio de la cual se puede enfocar un láser con un diámetro inicial de 28 mm sobre un diámetro de 20 micrómetros, y porque el plano de enfoque (F), en el caso de un diámetro del chorro de agua de 60 micrómetros, puede acoplarse entonces con el chorro de agua generado (W) a una distancia del plano (E) de la abertura de la boquilla igual a 300 micrómetros.
9.-Dispositivo de mecanización de materiales según cualquiera de las reivindicaciones 6 u 8, caracterizado porque a continuación de la boquilla está dispuesta una cámara de presión que está destinada a ser atravesada por el chorro de agua y el rayo láser y que presenta en el lado opuesto al de la boquilla una abertura que es mayor que el diámetro del chorro de agua, pudiendo ponerse el interior de la cámara de presión bajo una presión de gas por medio de una bomba y a través de un taladro.
10.-Dispositivo de mecanización de materiales según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizado porque el láser es un láser de 100 vatios del tipo Nd/YAG.