ES2836285T3

ES2836285T3 - Un procedimiento de procesamiento láser de un material metálico con control de la distribución de potencia transversal del rayo láser en un plano de trabajo, y una máquina y programa informático para la implementación de dicho procedimiento

Info

Publication number: ES2836285T3
Application number: ES17749750T
Authority: ES
Inventors: Maurizio Sbetti
Original assignee: Adige SpA
Current assignee: Adige SpA
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2021-06-24
Anticipated expiration: 2037-07-06
Also published as: IT201600070352A1; TW201811475A; WO2018007967A1; ZA201900105B; IL263807B; JP2019519377A; EP3481584A1; CA3028129A1; AU2017292404B2; BR112019000194A2; JP6943889B2; CN109641319B; RU2019100855A; KR102426820B1; US20190151985A1; PT3481584T; AU2017292404A1; MX2018015866A; US11273519B2; SG11201811327RA

Abstract

Un procedimiento de procesamiento láser de un material metálico (WP; M), en particular para el corte, perforación o soldadura por láser de dicho material, por medio de un rayo láser (B) enfocado que tiene una distribución de potencia transversal predeterminada en al menos un plano de trabajo (π) del material metálico (WP; M; M), que comprende las etapas de: - proporcionar una fuente de emisión de rayos láser (10); - guiar el rayo láser (B) emitido por dicha fuente de emisión (10) a lo largo de una trayectoria óptica de transporte de rayo a un cabezal de trabajo (14) dispuesto cerca de dicho material metálico (WP; M; M); - colimar el rayo láser (B) a lo largo de un eje óptico de propagación incidente en el material metálico (WP; M; M); - enfocar dicho rayo láser (B) colimado en un área de un plano de trabajo (π) de dicho material metálico (WP; M; M); y - conducir dicho rayo láser (B) enfocado a lo largo de una trayectoria de trabajo (T; F) en el material metálico (WP; M) que comprende una sucesión de áreas de trabajo (A), comprendiendo el procedimiento conformar el rayo láser (B), en el que la conformación del rayo láser (B) comprende: - reflejar el rayo (B) colimado por medio de un elemento reflexivo de superficie controlada deformable (200) que tiene una superficie reflexiva con una curvatura continua que incluye una pluralidad de áreas de reflexión movibles independientemente (200a-200r), y - controlar la disposición de dichas áreas de reflexión (200a-200r) para establecer una distribución de potencia transversal predeterminada del rayo (B) en al menos un plano de trabajo (π) del material metálico (WP; M) en función del área del plano de trabajo (π) actual y/o la dirección actual de la trayectoria de trabajo (T; F) en el material metálico (WP; M), caracterizado por que el procedimiento comprende además las etapas de: - suministrar un flujo de gas auxiliar hacia dicha área del plano de trabajo (π) del material metálico (WP; M) a lo largo de un eje del flujo de gas auxiliar, - trasladar relativamente el eje del flujo de gas auxiliar a lo largo de una trayectoria de trabajo predeterminada (T; F) en el material metálico, - detectar la posición actual y/o la dirección de la traslación actual del eje del flujo de gas auxiliar, - en el que la conformación del rayo láser comprende además: controlar automáticamente la distribución de potencia transversal del rayo láser (B) en función de la posición actual detectada y/o la dirección de traslación actual detectada del eje del flujo de gas auxiliar controlando la disposición de dichas áreas de reflexión (200a-200r) para establecer dicha distribución de potencia transversal predeterminada del rayo (B) en un área del plano de trabajo (π) en el material metálico (WP; M), comprendido en una proximidad predeterminada alrededor del eje del flujo de gas auxiliar y dentro de un área de suministro de dicho flujo.

Description

DESCRIPCIÓN

Un procedimiento de procesamiento láser de un material metálico con control de la distribución de potencia transversal del rayo láser en un plano de trabajo, y una máquina y programa informático para la implementación de dicho procedimiento

La presente invención se refiere al procesamiento láser de un material metálico, más específicamente, a un procedimiento de procesamiento láser de un material metálico, una máquina para el procesamiento láser de un material mecánico de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 19 (véase, por ejemplo, el documento US 5101091 A), y a un programa informático, véase la reivindicación 20.

En la siguiente descripción y en las reivindicaciones, el término “material metálico” se usa para definir cualquier pieza de trabajo metálica, tal como una lámina o perfil alargado que tiene indiferentemente una sección transversal cerrada, por ejemplo, una forma hueca circular, rectangular o cuadrada, o una abierta, por ejemplo, una sección plana o una sección en forma de una L, C, U, etc.

En los procedimientos industriales de procesamiento de metales, y en particular los de láminas y perfiles metálicos, el láser se usa como herramienta térmica para una amplia variedad de aplicaciones que dependen de los parámetros de interacción del rayo láser con el material que se procesa, específicamente de la densidad de energía por volumen de incidencia del rayo láser en el material y en el intervalo de tiempo de interacción.

Por ejemplo, al dirigir una densidad de energía baja (en el orden de decenas de W por mm2 de superficie) por un tiempo prolongado (en el orden de segundos) se logra un proceso de endurecimiento, mientras se dirige una densidad de energía alta (en el orden de decenas de MW por mm2 de superficie) por un tiempo en el orden de femtosegundos o picosegundos, se logra un proceso de fotoablación. En el intervalo intermedio de densidad de energía creciente y tiempo de trabajo decreciente, el control de estos parámetros posibilita llevar a cabo procesos de soldadura, corte, perforación, grabado y marcaje.

En muchos procesos, incluyendo procesos de perforación y corte, un flujo de gas auxiliar se debe proporcionar a la región de trabajo en la que se produce la interacción entre el rayo láser y el material que tiene las funciones mecánicas de propulsión del material fundido, o las funciones químicas de ayudar a la combustión, o incluso las funciones tecnológicas de proteger a la región de trabajo del ambiente circundante.

En el campo del procesamiento láser de materiales metálicos, el corte, perforación y soldadura láser son operaciones de procesamiento que se pueden llevar a cabo por la misma máquina que se adapta para generar un rayo láser enfocado de alta energía que tiene una distribución de potencia transversal predeterminada en al menos un plano de trabajo del material metálico, típicamente un rayo láser con una densidad de potencia que varía de 1 a 10000 kW/mm2, y para gobernar la dirección del rayo y posición de incidencia a lo largo del material. La diferencia entre los diversos tipos de procesamiento que se pueden realizar en un material es sustancialmente atribuible a la potencia del rayo láser usado y al tiempo de interacción entre el rayo láser y el material sujeto a procesamiento. Las máquinas de procesamiento láser, de acuerdo con la técnica anterior, se muestran en las figuras 1 y 2.

La figura 1 muestra esquemáticamente una máquina de procesamiento industrial con un láser de CO²con una trayectoria óptica del rayo láser en el aire, que comprende una fuente de emisión 10, tal como un dispositivo generador de rayos láser de CO², que puede emitir un rayo láser unimodal o multimodal B, y una pluralidad de espejos reflexivos 12a, 12b y 12c adaptados para conducir el rayo láser, emitido desde la fuente de emisión, a lo largo de una trayectoria óptica de transporte de rayo hacia un cabezal de trabajo, indicado conjuntamente en 14, dispuesto cerca de un material WP. El cabezal de trabajo 14 comprende un sistema de enfoque óptico 16 del rayo láser, que consiste en general en una lente de enfoque, adaptada para enfocar el rayo láser a lo largo de un eje óptico de propagación incidente en el material metálico. Una boquilla 18 se dispone corriente abajo de la lente de enfoque y se cruza por el rayo láser dirigido hacia un área de un plano de trabajo del material. La boquilla se adapta para dirigir un rayo de un gas auxiliar, inyectado por un sistema correspondiente no mostrado, hacia el área de trabajo en el material. El gas auxiliar se usa para controlar la ejecución de un proceso de trabajo, así como la calidad del procesamiento obtenible. Por ejemplo, el gas auxiliar puede comprender oxígeno que favorece una reacción exotérmica con el metal, lo que permite incrementar las velocidades de corte, o un gas inerte, tal como nitrógeno que no contribuye a la fusión del material, sino protege el material de la oxidación indeseable en los bordes del perfil de trabajo, protege el cabezal de trabajo de cualquier salpicadura de material fundido, y también se puede usar para enfriar los lados de la ranura producida en el material, confinando la expansión del área térmicamente alterada. La figura 2 muestra esquemáticamente una máquina de procesamiento industrial con el rayo láser canalizado a través de fibra óptica. Comprende una fuente de emisión 10, tal como un dispositivo generador de rayos láser que puede introducir un rayo láser en una fibra de transporte, por ejemplo, una fibra láser dopada con iterbio, o un láser de diodo directo, adaptado para emitir un rayo láser unimodal o multimodal, y un cable de fibra óptica 12d adaptado para conducir el rayo láser emitido desde la fuente de emisión al cabezal de trabajo 14 dispuesto cerca del material M. En el cabezal de trabajo, el rayo láser que emerge de la fibra con su divergencia controlada se colima por un sistema colimador dióptrico 20 y se refleja por un sistema catóptrico 22 antes de enfocarse a través de un sistema de enfoque óptico 16, que consiste en general en una lente de enfoque, a lo largo de un eje óptico de propagación incidente en el material de WP que pasa a través de la boquilla de emisión 18.

La figura 3 ilustra un cabezal de trabajo ejemplar 14, de acuerdo con la técnica anterior. En 30 se representa un canal tubular que tiene secciones cilíndricas o cónicas dentro de las que se transmite el rayo láser, indicado en B. El rayo láser B, generado por la fuente de emisión 10 y transportado al cabezal de trabajo por medio de una trayectoria óptica en el aire con múltiples reflexiones o en fibra óptica, se colima en un elemento deflector reflexivo 32 que desvía su eje óptico de propagación en una dirección de incidencia en el material que se procesa. El sistema de enfoque óptico 16 es intermedio entre el elemento deflector reflexivo 32 y una corredera protectora 34 dispuesta corriente abajo, adaptada para proteger el sistema de enfoque de cualquier salpicadura de material fundido, y comprende una unidad portadora de lente 36 a la que se acoplan los mecanismos de ajuste mecánico 38 para calibrar la colocación de la lente transversalmente a la dirección de propagación del rayo (ejes X-Y) y en la dirección de propagación del rayo (eje Z).

El procesamiento óptico al que se somete el rayo láser en el cabezal de trabajo se diagrama en las figuras 4 y 5.

El rayo láser B que se origina de una fuente de emisión S, a través de una trayectoria óptica de transporte en el espacio libre o en la fibra, alcanza el cabezal de trabajo con una divergencia predeterminada. Un sistema de colimación óptica, mostrado en la figura 4 por la lente C, hace posible la colimación del rayo láser B, dirigiéndolo a un sistema de enfoque óptico dispuesto corriente abajo, representado por la lente F, que puede producir un rayo láser enfocado. En la primera aproximación, un rayo láser ideal, es decir, un rayo láser colimado en forma ideal en rayos paralelos, corriente abajo de un sistema de enfoque óptico, se concentra en un punto focal de acuerdo con las leyes de la óptica geométrica. Las leyes físicas de la difracción, sin embargo, indican que el rayo láser tiene, incluso en la mejor configuración de colimación y enfoque, corriente abajo del sistema de enfoque óptico, un punto focal finito en su cintura. Esto se representa en la figura 4 por la región indicada W, que corresponde al área focal del rayo B. En general, en usos de procesamiento industrial, el plano de trabajo de un material coincide con el plano transversal en la cintura del rayo.

La figura 5 muestra la distribución de la densidad de potencia de un rayo láser normalmente colimado, que típicamente es gaussiana en su conformación con simetría rotacional en el caso de un rayo unimodal, es decir, con potencia concentrada alrededor del eje longitudinal del rayo (eje Z) y gradualmente decreciente a lo largo de un faldón periférico, o se puede describir como la envoltura de perfiles gaussianos con simetría rotacional en el caso de un rayo multimodal.

El uso de rayos con una radiación láser unimodal o multimodal, que se pueden describir en una primera aproximación como gaussianos, cumple con los requerimientos de control tecnológico en el campo de las aplicaciones láser de alta potencia. En efecto, un rayo gaussiano se describe fácilmente por unos cuantos parámetros y es fácilmente controlable en su propagación a lo largo de una trayectoria óptica de transporte de una fuente de emisión al cabezal de una máquina de procesamiento porque tiene la característica de propagarse por sí mismo sin modificar la distribución de potencia, con lo que se puede describir por medio de un valor de radio y un valor de divergencia en condiciones de propagación de campo lejano (caso en el que se puede usar una aproximación de óptica geométrica). En las condiciones de propagación del rayo enfocado en el campo cercano a lo largo de una trayectoria de trabajo, donde la aproximación de óptica geométrica ya no es válida, el rayo en cualquier caso mantiene el patrón de distribución de potencia gaussiana en cada una de sus secciones transversales.

Un rayo láser que comprende modos transversales de orden superior tiene, por el contrario, una distribución de potencia no gaussiana. Típicamente, estas condiciones se obtienen al usar sistemas dióptricos (sistemas ópticos del tipo transmisor, es decir, lentes) que modifican la conformación de rayo que inicia a partir de una distribución gaussiana. Un rasgo característico típico de los sistemas ópticos usados para este propósito es su “naturaleza estática” o “rigidez” con respecto a la configuración óptica de la máquina. De hecho, un sistema óptic o particular se diseña para producir una y solo una geometría de distribución de potencia, por ejemplo, una distribución de potencia más amplia que la distribución gaussiana para operaciones de corte en materiales gruesos (donde se pretende que “grueso” quiere decir, para un láser con una longitud de onda en el infrarrojo cercano, un grosor de aproximadamente 4 mm a aproximadamente 20 mm), o una distribución de potencia estrecha en comparación con la distribución gaussiana para operaciones de corte rápido en materiales delgados (donde se pretende que “delgado” quiere decir un grosor igual o menor a 4 mm) y se instala de antemano en el cabezal de trabajo de la máquina, con lo que la geometría de la distribución de potencia no se puede modificar sin reemplazar el sistema de cabezal óptico.

En la técnica se conocen otras soluciones, en las que la conformación de la distribución de potencia del rayo láser se puede seleccionar entre dos estados predeterminados, por ejemplo, obtenidos al controlar el transporte de rayo de la fuente al cabezal de trabajo a través del núcleo de la fibra de transporte o a través de un blindaje intermedio, modificando de este modo el diámetro efectivo del rayo que entra en el sistema de colimación óptica del cabezal de trabajo, o al controlar el BPP (producto de los parámetros del rayo), es decir, el producto del radio de punto focal y el ángulo de semidivergencia del rayo, o la divergencia en la fuente, antes de introducirla en la fibra de modo de producir, corriente abajo del enfoque, rayos correspondientes con diferentes diámetros y divergencias. En estos dos casos, no es posible romper la simetría rotacional, debido a la construcción de los dispositivos por sí mismos.

A diferencia de las soluciones mencionadas anteriormente, se propuso, en el pasado reciente por el Profesor Fleming Ove Olsen, un modelo descriptivo del proceso de corte de acuerdo con el que la ruptura de la simetría rotacional podría aportar una ventaja al proceso: generar una distribución de potencia secundaria en forma de media luna detrás de una distribución de potencia pico primaria con una forma gaussiana (en la dirección de avance del proceso) es posible irradiar tanto el frente de avance del corte (por la distribución de potencia primaria) como la parte del material fundido generado por la distribución de potencia primaria que tiende a descender a lo largo de los bordes de la ranura de corte producida así y que se enfría rápidamente (a través de la distribución de potencia secundaria). Un modelo de este tipo se puede implementar de acuerdo con la técnica anterior a través de un aparato complicado y voluminoso para la recombinación de un rayo láser exhaustivo que tiene una distribución de potencia obtenida por la combinación de una pluralidad de rayos láser componentes, de los que cada uno se genera y controla independientemente de los otros. La solicitud de patente internacional WO 2008/052547 se refiere a una solución de este tipo. También, en este caso, la solución constructiva no permite a una máquina reconfigurarse fácil y rápidamente durante un proceso de trabajo sin tener que hacer cambios sustanciales a la estructura de los componentes ópticos.

Aunque es posible controlar una fuente láser o un sistema de transporte óptico de un rayo láser de modo de generar modos electromagnéticos transversales de un orden superior al del modo fundamental TEM⁰⁰(correspondiente al rayo gaussiano), estos tienen la desventaja de no propagarse mientras son los mismos, de tal modo que, aunque en general es posible obtener conformaciones de la distribución de potencia transversal del rayo láser diferente a la conformación gaussiana y posiblemente con simetría distinta a la rotacional, y esto solo se puede obtener en una posición de propagación bien definida (plano focal) del rayo.

Por estos motivos, en el campo del procesamiento láser, siempre ha existido la necesidad de controlar la propagación del rayo láser, de modo que tenga una distribución de potencia transversal gaussiana (o aproximadamente gaussiana), y de establecer, de una vez por todas, la posición mutua entre el eje óptico de propagación del rayo láser y el eje baricéntrico del flujo de gas auxiliar.

Esta elección de diseño que, en el caso de un rayo puramente unimodal, respeta la simetría rotacional del rayo y el flujo de gas auxiliar, dictados respectivamente por la distribución gaussiana de la potencia del rayo láser y por la sección circular de la abertura de la boquilla de flujo saliente del gas auxiliar, garantiza la isotropía del comportamiento de cada proceso de trabajo (corte, soldadura, etc.) con respecto a las direcciones que el procesamiento puede seguir.

La isotropía del proceso con respecto a las trayectorias de trabajo en el material siempre se ha considerado favorable en casos donde un proceso de trabajo con láser se controla por medios electrónicos de procesamiento, de acuerdo con cualquier trayectoria y geometría, predeterminadas en los sistemas CAD/CAM.

Se considera ampliamente que un sistema físicamente “desbalanceado”, o sin simetría rotacional en los puntos de incidencia del rayo láser y el gas auxiliar en el material, da como resultado complejidad y dificultades en el control de las trayectorias de trabajo, o peor calidad de los resultados de procesamiento.

El objetivo de la presente invención es proporcionar un procedimiento de procesamiento láser con un rendimiento mejorado en términos de la velocidad operativa, calidad de resultados y rentabilidad del proceso.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un procedimiento de procesamiento láser controlable en tiempo real para obtener resultados precisos de procesamiento en todas las condiciones operativas, alcanzables sin incrementar el tamaño de las máquinas existentes.

De acuerdo con la presente invención, estos objetivos se logran por medio de un procedimiento de procesamiento láser de un material metálico, que tiene los rasgos característicos referidos en la reivindicación 1.

Los modos de realización particulares son objeto de las reivindicaciones dependientes, en las que su contenido se entenderá como parte integral de la presente descripción.

Otro objetivo de la invención es una máquina para el procesamiento láser de un material metálico y un programa informático, como se define en las reivindicaciones 19 y 20, respectivamente.

En resumen, la presente invención se inspira en la consideración de que el control de la distribución de potencia de un rayo láser, y posiblemente la ruptura de la simetría rotacional del rayo, puede permitir un mejor rendimiento en términos de velocidad, calidad y rentabilidad del proceso de trabajo, dado que permite a la distribución de potencia localizarse o expandirse donde es necesario en relación con la trayectoria de trabajo y aprovechar una parte de la potencia láser disponible para operaciones complementarias al procesamiento principal, por ejemplo, para calentar/mantener el material fundido en una operación de corte o de perforación, lo que facilita el retiro del mismo del material que se procesa por medio del flujo de gas auxiliar, y permite una pureza de los perfiles y superficies de corte que se va a alcanzar que es mayor a la obtenible por procesos basados en una distribución de potencia de una forma gaussiana con el mismo nivel de rendimiento.

De acuerdo con la invención, la aplicación de las consideraciones mencionadas anteriormente a los sistemas de la técnica anterior se logra al realizar un control eficaz de la distribución de potencia transversal del rayo láser de procesamiento por medio del control de la conformación en tiempo real del rayo láser. La conformación del rayo láser se controla en forma conveniente para obtener, en el plano de trabajo, una distribución de potencia transversal, por ejemplo, de entre una distribución de tipo gaussiano de un diámetro predeterminado, una distribución anular (donut), una distribución de perfil plano de un diámetro predeterminado (parte superior plana o borda superior), una distribución de simetría circular compleja obtenible por superposición concéntrica de una distribución gaussiana y una distribución anular externamente concéntrica a la distribución gaussiana, una distribución asimétrica compleja que comprende una distribución de potencia pico primaria en forma gaussiana y una distribución de potencia secundaria en forma de media luna detrás de la distribución de potencia primaria, descritas en la literatura (F. O. Olsen, K. S. Hansen y J. S. Nielsen, “Multibeam fiber laser cutting”, J. Laser Appl., vol. 21, p. 133, 2009), una distribución astigmática con sección transversal elíptica, y diversas combinaciones de las mismas.

La conformación del rayo láser también se puede controlar en forma conveniente para determinar, en el plano de trabajo, una distribución de potencia transversal que corresponde a una pluralidad (por ejemplo, un par) de rayos gaussianos correlacionados espacialmente, por ejemplo, acoplados de acuerdo con una relación predeterminada de evolución temporal y contiguos dentro de una zona de suministro del flujo de gas auxiliar, en la que su posición mutua y/o la posición en relación con el baricentro de la distribución mencionada anteriormente, dentro del área de suministro del flujo de gas, se puede controlar en forma sincrónica o asincrónica en el tiempo.

La presente invención se basa en el principio del uso de un sistema óptico con deformación controlada conocida per se en aplicaciones científicas para el procesamiento de señales ópticas (por consiguiente de radiación óptica de baja potencia) para conformar un rayo láser de alta potencia para aplicaciones industriales.

La aplicación de un sistema óptico de deformación controlada en un sistema de transporte óptico de rayos láser permite extender el intervalo de conformaciones del rayo láser obtenible de manera rápidamente modificable y, en consecuencia, mejorar el rendimiento en los procesos de maquinado o implementar procesos de maquinado innovadores.

De forma ventajosa, el procedimiento de la invención permite controlar un proceso de trabajo láser en tiempo real al conformar la distribución de potencia del rayo láser alrededor del eje óptico original, obviando por tanto la necesidad de adoptar sistemas ópticos específicos para las geometrías de distribución de potencia respectivas, lo que depende de la aplicación deseada, o de controlar determinados parámetros de rayos en la generación de rayos o fase de transporte, es decir, lejos del cabezal de trabajo, lo que solo se puede lograr a través de la intervención de un operario cuando se configura la máquina para un proceso predeterminado.

Todavía de forma más ventajosa, el procedimiento de la invención permite controlar la distribución de potencia transversal del rayo láser de acuerdo con una pluralidad de formas predefinidas con un rápido tiempo de asentamiento de modo que dicho control no solo se puede realizar como “configuración preparatoria” en vista de un ciclo de trabajo, sino que se puede implementar en tiempo real durante un proceso de trabajo para controlar la distribución de potencia transversal del rayo láser a lo largo de la trayectoria de trabajo en el material.

En otras palabras, el procedimiento de la invención permite ajustar una estrategia de distribución de potencia transversal predeterminada del rayo láser automáticamente y desarrollarse durante un proceso de trabajo, por ejemplo, al controlar instantáneamente la distribución de potencia transversal del rayo láser en un plano de trabajo predeterminado del material en relación con su superficie libre y en una posición predeterminada, y de acuerdo con determinada orientación en relación con la dirección actual de la trayectoria de trabajo (la dirección de avance del proceso).

El procedimiento de la invención también permite ajustar automáticamente una estrategia de modificación variable para la distribución de potencia transversal del rayo láser durante un proceso de trabajo, por ejemplo, dependiendo de la posición espacial del área de trabajo en el material a lo largo de una trayectoria de trabajo predeterminada, o la dirección instantánea de dicha trayectoria, todo en función, por ejemplo, del grosor del material que se procesa. Para grosores grandes, por ejemplo, iguales o mayores a 4 mm, la necesidad tecnológica del proceso es crear una ranura amplia que permita el fácil retiro del material fundido, y mantener una alta viscosidad del material fundido por sí mismo garantiza una adhesión reducida o nula del material fundido en las paredes de la ranura por sí misma, lo que en última instancia proporciona un corte libre de rebabas y con una aspereza reducida en comparación con lo obtenible con un rayo gaussiano. Una distribución asimétrica del rayo, tal como, por ejemplo, en el que el rayo se compone de un componente central gaussiano y un componente en forma de media luna detrás de la dirección de avance, satisface la necesidad de mejorar el proceso y, al mismo tiempo, la necesidad de rotarse con respecto a la superficie del material, de acuerdo con la dirección instantánea de la trayectoria de corte, por su naturaleza típicamente no fija. En el caso del uso de dos rayos acoplados de acuerdo con una relación de evolución temporal predeterminada, la invención permite controlar su posición tanto en el plano de incidencia en el material como en profundidad en el grosor del material por sí mismo, para iluminar instantáneamente y en alta frecuencia un volumen del material mientras el procesamiento continúa a lo largo de una trayectoria predeterminada (es decir, mientras la distribución de potencia óptica global sigue el borde frontal del corte). En este caso también se obtiene una viscosidad reducida del volumen fundido expulsado de la ranura.

El control de la distribución de potencia transversal del rayo en un área del plano de trabajo en el material metálico se implementa, de acuerdo con la invención, en una proximidad predeterminada del eje del flujo de gas auxiliar que define una zona de suministro del flujo. La zona de suministro del flujo de gas auxiliar, que representa el campo volumétrico de acción del procedimiento de control de la invención, es identificable como el “volumen afectado” de la boquilla de un cabezal de trabajo, una boquilla que típicamente tiene una abertura con un diámetro que se encuentra entre 1 mm y 3,5 mm, y dimensiones que son típicas de un cono truncado con una altura de 6 mm a 20 mm, una base menor (en la boquilla) que tiene un diámetro igual al diámetro de la abertura de boquilla incrementado en de 1 a 3 mm, y una base mayor con una dimensión característica que es una función de la altura del volumen troncocónico y del ángulo de inclinación de la línea de generación, típicamente entre 15 y 30 grados. En forma apropiada, el volumen de la boquilla es tan pequeño como sea posible, y tiene la apariencia más delgada posible, de modo que también puede funcionar dentro de las concavidades de las superficies que se van a procesar.

De forma ventajosa, el control automático realizado por el procedimiento de la invención se puede llevar a cabo en tiempo real con frecuencias operativas entre 100 Hz y 10 kHz.

Además, a diferencia de las soluciones conocidas para configurar o poner en marca una máquina para un procesamiento específico, en el que la distribución de potencia transversal del rayo láser se puede ajustar por medio de una intervención manual por un operario para reemplazar óptica específica, o en el que la modificación de la distribución de potencia transversal del rayo láser se implementa entre un número muy limitado de formas predefinidas, el procedimiento de la invención permite controlar eficazmente, en tiempo real, la distribución de potencia transversal del rayo láser en función de la localización del rayo a lo largo de una trayectoria de trabajo, con lo que es posible modificar la distribución de potencia transversal del rayo láser de manera precisa, dependiendo de las condiciones de trabajo programadas que se producen en posiciones predeterminadas a lo largo de la trayectoria de trabajo. Dichas condiciones de procesamiento programadas incluyen, a modo de ejemplo no limitante, la posición de trabajo actual (o, más en general, el área del plano de trabajo actual) a lo largo de una trayectoria de trabajo predeterminada y/o la dirección actual de la trayectoria de trabajo en el material y/o la dirección actual de traslación del eje del flujo de gas auxiliar, así como el tipo de procesamiento esperado en determinada posición de trabajo (por ejemplo, cambiar entre una perforación, aproximar el corte y el proceso de corte).

En un proceso de perforación de un material, el procedimiento de la invención mejora el proceso al hacerlo controlable en tiempo real y más eficaz, por ejemplo, al realizar una sucesión de operaciones de procesamiento que comprenden al menos una primera fase que incluye una irradiación de una serie predeterminada de primeros pulsos de rayos estrechos en una posición fija predeterminada en el material de trabajo, y una segunda fase que incluye una irradiación de un rayo láser que avanza a lo largo de una trayectoria de trabajo predeterminada con un diámetro en expansión para permitir la liberación del material fundido.

De acuerdo con otro ejemplo de un proceso de perforación, se realiza una sucesión de operaciones de procesamiento que comprenden, en una primera etapa, una irradiación de una primera serie predeterminada de pulsos de rayos estrechos en una coordenada de perforación predeterminada en el material de trabajo, con un eje de propagación que se centra en el volumen afectado del flujo de gas auxiliar y, en una segunda etapa, una irradiación (continua o por pulsos) de un rayo láser de acuerdo con un movimiento circular o espiral concéntrico a dicha coordenada de perforación predeterminada, adaptado para “revolver” el material fundido mientras la perforación se concluye.

En un proceso de corte de un material, el procedimiento de la invención permite mejorar el proceso al hacerlo controlable en tiempo real y más eficaz, por ejemplo, al realizar una sucesión de operaciones de procesamiento que comprenden:

- la modificación del diámetro de rayo en función del grosor local del material que se va a cortar, o de la operación de corte específica requerida (por ejemplo, corte de ranura continua o bisel con borde en pendiente); y/o

- la modificación contextual de la distribución de potencia de rayo en favor de un modo de perfil plano para reducir, en comparación con la distribución gaussiana, el porcentaje de potencia del rayo láser irradiado tanto en el centro de la ranura de corte como en sus lados, lo que de otro modo se podría calentar innecesariamente generando así una dispersión de energía por conducción lateral, dando como resultado la generación de material fundido de baja temperatura, que se redeposita antes de salir de la ranura, creando rebabas; y/o - la modificación contextual de la distribución de potencia de rayo en favor de un modo de tipo anular, posiblemente combinado al superponerse con una distribución gaussiana localizada axialmente, adaptado para incrementar la temperatura de la cauda del material fundido, para eliminar las rebabas; y/o

- la ruptura de la simetría rotacional y la distribución de cada una de las formas previamente descritas en la dirección de corte, y el correspondiente truncamiento en las otras direcciones y en la dirección de expulsión del material de la ranura; y/o

- la ruptura de la simetría rotacional y el énfasis en la distribución de potencia en la dirección de avance del procesamiento, por un rayo elíptico dirigido instantáneamente a lo largo de la dirección de corte.

De forma ventajosa, además de lograr diferentes distribuciones de potencias transversales del rayo láser, la invención también se refiere a la capacidad para controlar otras dos dimensiones del proceso: profundidad y tiempo. De hecho, las distribuciones de potencias transversales descritas anteriormente solo se pueden obtener en un plano focal bien definido, con un intervalo de coherencia (o “grosor”) a lo largo de la dirección de propagación del rayo (mordaces del rayo alrededor del mejor plano de enfoque), lo que depende del sistema de enfoque óptico usado. La solución técnica de la invención permite controlar la posición del plano focal a lo largo de la dirección de propagación del rayo, en la que se establece la distribución de potencia deseada, de modo que la profundidad del plano de trabajo en relación con la superficie del material es otro parámetro de proceso modificable en línea. Este rasgo característico es relevante porque permite la flexibilidad tridimensional en el control de un proceso de trabajo de un material que es diferente que en los sistemas de la técnica conocida, incluyendo sistemas de escáneres con espejos galvanométricos, que típicamente tienen solo una posición focal, que no se puede ajustar además de por el movimiento de todo el cabezal de trabajo con respecto al material.

Además, al controlar rápidamente la distribución del rayo y su colocación en el espacio, es decir, a frecuencias mayores a las correspondientes a los tiempos de interacción típicos del proceso (por encima de 100 Hz, pero también hasta 10 kHz), es posible definir un volumen aparente de interacción entre el rayo láser y el material de una forma arbitraria al controlar simplemente, en un tiempo reducido, una secuencia de distribuciones de potencias de rayos, con una envoltura que constituye dicho volumen aparente.

Se describirán otros rasgos característicos y ventajas de la invención con mayor detalle en la siguiente descripción detallada de un modo de realización de la misma, dada a modo de ejemplo no limitante con referencia a los dibujos anexos, en los que:

Las figuras 1 y 2 son ejemplos de máquinas para procesamiento láser, de acuerdo con la técnica anterior; la figura 3 muestra un ejemplo de la estructura de un cabezal de trabajo de una máquina láser, de acuerdo con la técnica anterior;

las figuras 4 y 5 muestran una representación esquemática de la conformación de un rayo láser para aplicaciones de procesamiento industrial de materiales metálicos, de acuerdo con la técnica anterior;

la figura 6 es un diagrama esquemático de una trayectoria óptica de un rayo láser en un cabezal de trabajo, adaptado para realizar el procedimiento de la invención;

la figura 7 es una representación esquemática de un elemento reflexivo de superficie controlada para la conformación del rayo óptico, para la implementación del procedimiento de la invención;

la figura 8 es un diagrama de bloques de la electrónica de control de una máquina de procesamiento láser, adaptada para realizar un procedimiento de procesamiento de acuerdo con la invención;

la figura 9 es una gráfica que muestra una distribución de potencia transversal con conformación gaussiana, respectivamente por medio de una representación tridimensional de la intensidad del rayo y una representación bidimensional de la distribución de la intensidad del rayo en el plano de enfoque transversal;

la figura 10a es una gráfica que muestra una distribución de potencia transversal de perfil plano, respectivamente por medio de una representación tridimensional de la intensidad del rayo y una representación bidimensional de la distribución de la intensidad del rayo en el plano de enfoque transversal;

la figura 10b es una gráfica que muestra la configuración tridimensional de la superficie del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, adaptado para generar la distribución de potencia transversal de la figura 10a;

la figura 10c es una gráfica que muestra la evolución de la distribución de intensidad del rayo (en representación bidimensional) a lo largo de la dirección de propagación del mismo rayo, que tiene un perfil plano en el plano de trabajo;

la figura 11a es una gráfica que muestra una distribución de potencia transversal con un perfil anular real, respectivamente por medio de una representación tridimensional de la intensidad del rayo y una representación bidimensional de la distribución de la intensidad del rayo en el plano de enfoque transversal;

la figura 11b es una gráfica que muestra la configuración tridimensional de la superficie del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, adaptado para generar la distribución de potencia transversal de la figura 11a;

la figura 11c es una gráfica que muestra la evolución de la intensidad de distribución del rayo (en representación bidimensional) a lo largo de la dirección de propagación del mismo rayo, que tiene un perfil anular en el plano de trabajo;

la figura 12a es una gráfica que muestra una distribución de potencia transversal anular obtenible con un elemento reflexivo inclinado en 45° en relación con la dirección de incidencia del rayo, respectivamente por medio de una representación tridimensional de la intensidad del rayo y una representación bidimensional de la distribución de la intensidad del rayo en el plano de enfoque transversal;

la figura 12b es una gráfica que muestra la configuración tridimensional del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, adaptado para generar la distribución de potencia transversal de la figura 12a;

la figura 13a es una gráfica que muestra una distribución de potencia transversal con un perfil simétrico circular obtenible por la superposición concéntrica de una distribución gaussiana y una distribución anular externamente concéntrica a la distribución gaussiana, respectivamente por medio de una representación tridimensional de la intensidad del rayo y una representación bidimensional de la distribución de intensidad del rayo en el plano de enfoque transversal;

la figura 13b es una gráfica que muestra la configuración tridimensional de la superficie del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, adaptado para generar la distribución de potencia transversal de la figura 13a;

la figura 13c es una gráfica que muestra la evolución de la distribución de intensidad del rayo (en representación bidimensional) a lo largo de la dirección de propagación del mismo rayo, que tiene un perfil del tipo descrito en la figura 13a (también describible como gaussiano-anular) en el plano de trabajo;

la figura 14a es una gráfica que muestra una distribución de potencia transversal con un perfil elíptico, respectivamente por medio de una representación tridimensional de la intensidad del rayo y una representación bidimensional de la distribución de intensidad del rayo en el plano de enfoque transversal;

la figura 14b es una gráfica que muestra la configuración tridimensional del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, adaptado para generar la distribución de potencia transversal de la figura 14a;

la figura 14c es una gráfica que muestra la evolución de la distribución de intensidad del rayo (en representación bidimensional) a lo largo de la dirección de propagación del mismo rayo, que tiene un perfil elíptico en el plano de trabajo;

la figura 15a es una gráfica que muestra una distribución de potencia transversal como se describe por Olsen, respectivamente por medio de una representación tridimensional de la intensidad del rayo y una representación bidimensional de la distribución de intensidad del rayo en el plano de enfoque transversal;

la figura 15b es una gráfica que muestra la configuración tridimensional de la superficie del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, adaptado para generar la distribución de potencia transversal de la figura 15a;

la figura 15c es una gráfica que muestra la evolución de la distribución de intensidad del rayo (en representación bidimensional) a lo largo de la dirección de propagación del mismo rayo, que tiene un perfil como se describe por Olsen en el plano de trabajo;

las figuras 16 y 17 son representaciones esquemáticas de ejemplos de procesamiento de acuerdo con el procedimiento de la presente invención; y

la figura 18 es un modo de realización ejemplar de un elemento reflexivo de superficie controlada para la conformación del rayo óptico.

Las figuras 1 a 5 se han descrito previamente con referencia a la técnica anterior, y sus contenidos se refieren por el presente documento como comunes a la fabricación de una máquina de procesamiento controlada para llevar a cabo un proceso de trabajo de acuerdo con las enseñanzas de la presente invención.

Una trayectoria óptica de un rayo láser en el cabezal de trabajo de una máquina para el procesamiento láser de materiales metálicos de acuerdo con la invención se diagrama en la figura 6.

El sistema óptico de la figura 6 comprende un dispositivo de entrada 100 de un rayo láser B, tal como, por ejemplo, el extremo de un cable de fibra óptica o un sistema de recolección óptica de un rayo propagado por una fuente de emisión a lo largo de una trayectoria óptica en el espacio libre, desde la que el rayo láser B emerge con una divergencia predeterminada.

Corriente abajo del dispositivo de entrada 100 se dispone un sistema de colimación óptica 120, por ejemplo, una lente de colimación (típicamente una lente de colimación para un cabezal de trabajo de una máquina de corte láser tiene una longitud focal de 50 mm a 150 mm), corriente abajo de la que el rayo láser colimado se conduce a un sistema de enfoque óptico 140, por ejemplo, una lente de enfoque (típicamente una lente de enfoque para un cabezal de trabajo de una máquina de corte láser tiene una longitud focal de 100 mm a 250 mm, en el caso de soldadura láser, la longitud focal puede incluso alcanzar 400 mm), dispuesta para enfocar el rayo en un plano de trabajo n a través de una pantalla o cristal protector 160.

En la trayectoria óptica entre el sistema óptico de colimación 120 y el sistema de enfoque óptico 140 se interponen los medios de conformación de rayo óptico 180.

En particular, con referencia a la esquematización de la trayectoria óptica de un rayo láser mostrado en la figura 6, la presente invención se refiere a la elaboración de los medios ópticos 180 para conformar el rayo láser y al control de dichos medios para lograr una distribución de potencia transversal del rayo láser de manera controlada en un plano de trabajo predeterminado del material. En la figura, los medios ópticos 180 para conformar el rayo láser se muestran en un modo de realización ilustrativo, en el que se disponen con su propio eje de simetría en 45° en relación con la dirección de propagación del rayo.

Para este fin, los medios ópticos 180 para conformar el rayo láser se elaboran como un elemento reflexivo deformable 200 con una superficie controlada, que comprende una pluralidad de áreas de reflexión movibles independientemente, como se diagrama en la figura 7, que, en un estado de reposo, definen una superficie reflexiva que yace en un plano de reflexión de referencia. Dicho elemento reflexivo de superficie controlada deformable 200 proporciona un espejo laminar continuo, con una superficie reflexiva que es modificable tridimensionalmente con respecto a la superficie reflexiva plana de referencia adoptada en el estado de reposo. Dicho elemento reflexivo de superficie controlada deformable 200 tiene una superficie reflexiva con curvatura continua que incluye una pluralidad de áreas de reflexión con las que posteriormente se asocia una correspondiente pluralidad de módulos de movimiento mostrados en la figura con 200a, 200b, ... y se trata apropiadamente para el uso con alta potencia óptica en virtud del uso conjunto de un recubrimiento altamente reflexivo (al menos un 99 %) a la longitud de onda del rayo láser, y un montaje en un soporte de contacto, enfriado con agua por canalización directa. Los módulos de movimiento se integran a la superficie reflexiva de curvatura continua y son movibles independientemente. Las áreas de reflexión de la superficie reflexiva con curvatura continua no tienen bordes entre las mismas, es decir, la superficie reflexiva global tiene derivados locales continuos en todas direcciones. El movimiento de dicha pluralidad de módulos de movimiento 200a, 200b incluye movimientos de traslación de las áreas de reflexión correspondientes, tales como movimientos hacia adelante o hacia atrás, en relación con la superficie reflexiva plana de referencia adoptada en el estado de reposo, o movimientos rotacionales de las áreas de reflexión correspondientes alrededor de un eje paralelo a la superficie reflexiva plana de referencia adoptada en el estado de reposo, o incluso una combinación de los mismos. Las deformaciones de la superficie reflexiva, es decir, los movimientos de los módulos de movimiento 200a, 200b, se accionan preferentemente por técnicas piezoeléctricas conocidas, que hacen posible controlar el movimiento de los módulos de movimiento y la consecuente posición de las áreas de reflexión, es decir, su modificación de posición que resulta de una combinación de movimiento por traslación y/o rotación de cada módulo en un número predeterminado de grados de libertad independientemente de los otros, típicamente en recorridos en el orden de /- 40 pm, por medio de lo que es posible obtener aproximaciones de superficies de curvatura continua definidas por combinaciones de polinomios de Zernike, a través de lo que es posible (al menos en teoría y con suficiente aproximación en la práctica para los propósitos deseados) aplicar un ajuste de la posición del eje óptico de propagación del rayo láser o, más en general, un control de la distribución de potencia transversal del rayo láser, de acuerdo con los objetivos de las aplicaciones de procesamiento deseadas.

La figura 7 muestra un modo de realización preferente del elemento reflector 200 con un perfil elíptico y los módulos de movimiento posterior relacionados, adoptados para un ángulo de incidencia del rayo láser colimado de 45°, como se muestra en el diagrama de la figura 6. Dicho modo de realización se entenderá como puramente ilustrativo y no limitante para la implementación de la invención. En un modo de realización preferente diferente, en el que la incidencia del rayo láser colimado es perpendicular o casi perpendicular a la superficie del elemento 200 en el estado de reposo, el perfil del elemento reflexivo 200 es un perfil circular.

En el modo de realización del elemento reflexivo con un perfil elíptico, el mismo tiene un eje mayor de 38 mm y un eje menor de 27 mm, correspondientes al tamaño de apertura transversal máxima del rayo láser incidente en el espejo, obtenible por el sistema óptico de colimación 120.

Específicamente, en un modo de realización preferente, dicho elemento reflexivo de superficie controlada deformable 200 incluye una pluralidad de áreas de reflexión movibles independientemente por medio de una pluralidad correspondiente de módulos de movimiento que comprenden un área central y una pluralidad de hileras de sectores coronarios circulares concéntricos a dicha área central. En el modo de realización actualmente preferente, las hileras de sectores coronarios circulares concéntricos son 6 en total, los sectores coronarios circulares son 8 en total para cada hilera, y la altura de los sectores coronarios circulares se incrementa de la primera a la tercera hilera y de la cuarta a la sexta hilera en dirección radial al exterior del elemento reflexivo. La altura de los sectores coronarios circulares de la cuarta hilera es intermedia entre la altura de los sectores coronarios circulares de la primera y la segunda hilera. Preferentemente, para simplificar la estructura de control del elemento reflexivo 200 como se diseña, la pluralidad de sectores circulares que forman la corona circular periférica se puede fijar, y solo las hileras de los sectores coronarios circulares internos son movibles de modo que pueden emplear un número total de activadores limitado a 41.

En general, las cifras de filas de sectores circulares, el número de sectores coronarios circulares y la altura de los sectores coronarios circulares se determinan de acuerdo con las geometrías de superficies reflexivas necesarias para obtener distribuciones de potencias transversales deseables predeterminadas del rayo láser, a través de procedimientos de simulación de las tendencias de las distribuciones de potencias transversales de un rayo láser incidente en el elemento reflexivo para un número seleccionado de áreas de reflexión. De hecho, la capacidad de deformación controlada de la superficie de reflexión del elemento 200 induce variaciones controladas de la intensidad del rayo láser en el plano focal al actuar sobre la fase del rayo láser. En el modo de realización actualmente preferente, la deformación de la superficie del elemento reflexivo 200 se controla de modo de determinar una superficie reflexiva atribuible a una combinación de polinomios de Zernike. Por tanto, la distribución de la intensidad del rayo láser en el plano focal de acuerdo con las variaciones de fases controladas por el movimiento de las áreas de reflexión del elemento reflexivo 200 se puede simular de forma ventajosa usando procedimientos de cálculo matemático.

La geometría de la subdivisión de la superficie del elemento reflexivo 200 ilustrado en la figura 7, correspondiente a la geometría de los módulos de movimiento de las áreas de reflexión, se ha determinado por los autores de la invención a través de un procedimiento de simulación para obtener diferentes formas de distribución de potencia transversal con una gran libertad en la conformación de rayo, incluso sin relación con la retención de la simetría rotacional del mismo. De otro modo, para aplicaciones estrictamente relacionadas con la distribución de potencia gaussiana, en la que un cambio en la conformación de la distribución de potencia no se requiere, sino solo el desplazamiento de la misma con respecto al eje óptico de propagación, es posible usar geometrías más simples, por ejemplo, hileras espaciadas por igual, es decir, en las que la altura de los sectores coronarios circulares es constante entre todas las hileras de los sectores. Para aplicaciones en las que una simetría rotacional de la distribución de potencia de rayo se ha de retener, es posible proporcionar una pluralidad de áreas de reflexión y módulos de movimiento respectivos en forma de coronas circulares radialmente independientes.

La figura 8 muestra un diagrama de circuitos de un sistema de control electrónico de una máquina para el procesamiento láser de materiales metálicos, para la implementación del procedimiento de la invención.

El sistema comprende medios electrónicos de procesamiento y control mostrados en la figura conjuntamente en ECU, que se pueden integrar en una única unidad de procesamiento en una máquina, o implementarse en forma distribuida, comprendiendo por tanto módulos de procesamiento dispuestos en diferentes partes de la máquina, incluyendo, por ejemplo, el cabezal de trabajo.

Los medios de memoria M, asociados con los medios electrónicos de procesamiento y control ECU, almacenan un patrón o programa de procesamiento predeterminado, por ejemplo, que comprende una trayectoria de trabajo predeterminada en forma de instrucciones de movimiento para el cabezal de trabajo y/o para el material que se procesa, y parámetros de procesamiento físico que indican la distribución de potencia del rayo óptico, la intensidad de potencia del rayo, y los tiempos de activación de rayo láser en función de la trayectoria de trabajo.

Los medios electrónicos de procesamiento y control ECU se disponen para acceder a los medios de memoria M para adquirir una trayectoria de trabajo y para controlar la aplicación del rayo láser de procesamiento a lo largo de dicha trayectoria. El control de la aplicación del rayo láser a lo largo de la trayectoria de trabajo predeterminada incluye el control del suministro de un flujo de gas auxiliar y el control de la radiación de una distribución de potencia predeterminada del rayo láser hacia un área de trabajo predeterminada por la referencia al patrón o programa de procesamiento predeterminado, es decir, de acuerdo con la información de trayectoria de trabajo y parámetros de trabajo adquiridos de los medios de memoria.

Los medios sensores SENS se disponen en la máquina para detectar, en tiempo real, la posición mutua entre el cabezal de trabajo y el material que se procesa, así como el cambio en el tiempo de dicha posición.

Los medios electrónicos de procesamiento y control ECU se disponen para recibir, de los medios sensores SENS, señales indicativas de la posición mutua entre el cabezal de trabajo y el material que se procesa en el tiempo, es decir, el cambio del área del plano de trabajo actual y/o de la dirección actual de la trayectoria de trabajo en el tiempo.

Los medios electrónicos de procesamiento y control ECU comprenden un primer módulo de control CM1 para controlar los parámetros mecánicos del procesamiento, dispuesto para emitir las primeras señales de comandos CMD1 a un ensamblaje conocido de medios activadores, que comprende medios activadores para mover el cabezal de trabajo a lo largo de los grados de libertad permitidos al mismo por el modo de realización específico de la máquina, y medios activadores para mover el material que se procesa con respecto a la posición del cabezal de trabajo, adaptados para cooperar con los medios activadores para mover el cabezal de trabajo para presentar una trayectoria de trabajo programada en el material que se procesa en la boquilla del cabezal de trabajo. Estos medios activadores no se describen con detalle porque se conocen en la técnica.

Los medios electrónicos de procesamiento y control ECU comprenden un segundo módulo de control CM2 para controlar los parámetros físicos del procesamiento, dispuesto para emitir las segundas señales de comandos CMD2 a los medios de suministro de flujo de gas auxiliar y medios de control para generar y transmitir el rayo láser.

Los medios electrónicos de procesamiento y control ECU comprenden un tercer módulo de control CM3 para controlar los parámetros de procesamiento óptico, dispuesto para emitir las terceras señales de comandos CMD3 al elemento reflexivo de superficie controlada deformable 200 de los medios de conformación de rayo óptico para la implementación de los módulos de movimiento de las áreas de reflexión movibles independientemente de dicho elemento, es decir, para controlar su desplazamiento espacial mutuo (traslación a lo largo del eje óptico del elemento reflexivo o inclinación en relación con el mismo). Las señales de comandos CMD3 se procesan por medio de un programa informático que comprende uno o más módulos de códigos que tienen instrucciones de un modelo o programa de control, para la implementación del procedimiento de la invención de acuerdo con la conformación predeterminada del rayo láser que se va a obtener, es decir, para establecer una distribución de potencia transversal predeterminada del rayo láser y, en consecuencia, una posición predeterminada del eje óptico de propagación del rayo láser, en función de las condiciones de procesamiento instantáneo a lo largo de un eje óptico de propagación incidente en el material en un área de al menos un plano de trabajo del material metálico, siendo el plano de trabajo del material el plano de superficie del material o un plano que varía en profundidad en el grosor del material, por ejemplo, para el corte o perforación de materiales gruesos, es decir, típicamente con grosores mayores a 1,5 veces la longitud de Rayleigh del rayo enfocado (en el caso típico, grosores mayores a 4 mm y de hasta 30 mm). Las señales de comandos CMD3 mencionadas anteriormente también se procesan por el programa informáti establecer la distribución de potencia transversal predeterminada del rayo láser en una proximidad predeterminada del eje del flujo de gas auxiliar y dentro de un área de suministro de dicho flujo de acuerdo con las condiciones de trabajo instantáneo, es decir, el área del plano de trabajo actual y/o la dirección actual de la trayectoria de trabajo en el material metálico.

Los medios electrónicos de procesamiento y control ECU, por lo tanto, se disponen, de acuerdo con la presente invención, para detectar la posición actual y/o la dirección de traslación actual del eje del flujo de gas auxiliar, para controlar la traslación relativa del eje del flujo de gas auxiliar a lo largo de una trayectoria de trabajo predeterminada en el material metálico, y para ajustar automáticamente la posición del eje óptico de propagación del rayo láser o para controlar automáticamente la distribución de potencia transversal del rayo láser de acuerdo con la posición actual y/o la dirección actual detectada de la traslación del eje del flujo de gas auxiliar.

Una distribución de potencia convencional de un rayo láser con un perfil gaussiano, en una sección transversal a la dirección de propagación correspondiente al plano de trabajo se muestra en la figura 9, donde la gráfica superior es una representación tridimensional de la intensidad normalizada del rayo, y la gráfica inferior es una representación bidimensional de la distribución de intensidad del rayo en el plano de enfoque para un rayo típico que tiene un radio de punto de enfoque en el área del plano de trabajo, del orden de 60 micrómetros.

De acuerdo con un modo de realización del procedimiento de la invención, se implementa una disposición de las áreas de reflexión del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, adaptada para establecer una distribución de potencia transversal del rayo en un área del plano de trabajo en el material metálico que tiene un perfil gaussiano de un diámetro predeterminado. Esta disposición de las áreas de reflexión permite una superficie esférica del elemento reflexivo deformable, que es convexa o cóncava en relación con la superficie plana de referencia en el caso de una incidencia casi normal, o una superficie tórica proporcional a un alargamiento elíptico en el caso de una incidencia a 45 grados. En esta condición, el rayo experimenta una variación de divergencia (aunque mínima). La distribución de potencia transversal resultante del rayo tiene aplicaciones en los casos donde es necesario mover la posición del punto focal entre diferentes planos de trabajo del material, o ampliar o estrechar el diámetro del rayo incidente en la superficie del material por sí misma.

De acuerdo con otro modo de realización del procedimiento de la invención, se implementa una disposición de las áreas de reflexión del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, adaptada para establecer una distribución de potencia transversal del rayo en un área del plano de trabajo en el material metálico que tiene un perfil plano (parte superior plana o borda superior) de un diámetro predeterminado. La distribución de potencia de perfil plano se muestra en la figura 10a, donde la gráfica superior es una representación tridimensional de la intensidad normalizada del rayo y la gráfica inferior es una representación bidimensional de la distribución de intensidad del rayo en el plano focal, para un rayo típico que tiene un radio de punto focal, en el área de plano de trabajo, del orden de 120 micrómetros. La gráfica de la figura 10b muestra la configuración tridimensional de la superficie del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, en la que los ejes de la gráfica no están a escala, expresándose el eje vertical en micrómetros (al contrario de los ejes horizontales expresados en milímetros) para permitir una mejor vista del perfil. El recorrido máximo de los módulos de movimiento de las áreas de reflexión movibles se encuentra en el orden de 0,5 micrómetros. La evolución de la distribución de intensidad del rayo, a lo largo de la dirección de propagación, se muestra en la gráfica en la figura 10c, donde el cambio en la distribución de potencia se simula a diferentes profundidades a partir del plano de trabajo (indicado por la coordenada 0 a lo largo del eje vertical z). En particular, la evolución de la distribución de potencia se ha simulado en un intervalo de profundidades entre 3 milímetros arriba y 3 milímetros debajo del plano de trabajo, con incrementos de 1 milímetro.

De acuerdo con otro modo de realización del procedimiento de la invención, se implementa una disposición para las áreas de reflexión del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, que se adapta para establecer una distribución de potencia transversal del rayo en un área del plano de trabajo en el material metálico que tiene un perfil anular de diámetro predeterminado (donut). La distribución de potencia de perfil anular se muestra en la figura 11a, donde la gráfica superior es una representación tridimensional de la intensidad normalizada del rayo y la gráfica inferior es una representación bidimensional de la distribución de intensidad de rayo en el plano de enfoque, para un rayo típico que tiene un tamaño de punto de enfoque en el área de plano de trabajo con un radio externo del orden de 180 micrómetros y un radio interno del orden de 40 micrómetros, en la que la potencia dentro del perfil anular no excede de un 1 % de la potencia de rayo global. Las gráficas en la figura 11b muestran la configuración tridimensional de la superficie del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, en las que los ejes de la gráfica no están a escala, expresándose el eje vertical en micrómetros (al contrario de los ejes horizontales expresados en milímetros) para permitir una mejor vista del perfil. El recorrido máximo de los módulos de movimiento de las áreas de reflexión movibles es del orden de 5 micrómetros. Para lograr un perfil anular ideal, sería necesario modular el elemento reflexivo para formar una superficie cónica con un ángulo en el vértice no factible debido a la presencia de un área central del elemento reflexivo con dimensiones finitas. En consecuencia, un perfil anular real se puede lograr al recurrir a la definición de una superficie similar, pero con un perfil biselado en el vértice que es físicamente factible. En cualquier caso, la aproximación de la superficie cónica no deteriora excesivamente la distribución de potencia del rayo en términos de cantidad de energía dispersa en el centro del punto. La evolución de la distribución de intensidad del rayo a lo largo de la dirección de propagación se muestra por la gráfica de la figura 11c, donde el cambio de la distribución de potencia se simula a diferentes profundidades a partir del plano de trabajo (indicado por la coordenada 0 a lo largo del eje vertical z). En particular, la evolución de la distribución de potencia se ha simulado en un intervalo de profundidades entre 10 milímetros por encima y 50 milímetros por debajo del plano de trabajo, con incrementos de 10 milímetros.

Las figuras 12a y 12b muestran, respectivamente, la distribución de potencia con un perfil anular (donut) y la configuración tridimensional de la superficie del elemento reflexivo deformable en una condición en la que el elemento reflexivo se dispone a 45 grados en relación con la dirección de incidencia del rayo colimado. El recorrido máximo de los módulos de movimiento de las áreas de reflexión movibles se encuentra en el orden de 6 micrómetros.

De acuerdo con otro modo de realización del procedimiento de la invención, se implementa una disposición de las áreas de reflexión del elemento reflexivo de superficie controlada deformable que se adapta para establecer una distribución de potencia transversal del rayo en un área del plano de trabajo en el material metálico que tiene un perfil gaussiano de diámetro predeterminado que se superpone a un perfil anular fuera del perfil gaussiano. La distribución de potencia de acuerdo con el perfil mencionado anteriormente se muestra en la figura 13a, donde la gráfica superior es una representación tridimensional de la intensidad normalizada del rayo y la gráfica inferior es una representación bidimensional de la distribución de intensidad del rayo en el plano de enfoque para un rayo típico que tiene un tamaño de punto de enfoque, en el área del plano de trabajo, del orden de 130 micrómetros, en el que la potencia del perfil central es un 25 % de la potencia global del rayo. La gráfica en la figura 13b muestra la configuración tridimensional de la superficie del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, en la que los ejes de la gráfica no están a escala, expresándose el eje vertical en micrómetros (al contrario de los ejes horizontales expresados en milímetros) para permitir una mejor vista del perfil. El recorrido máximo de los módulos de movimiento de las áreas de reflexión movibles es del orden de 5 micrómetros. En función del diámetro del área plana central del elemento reflexivo, es posible producir diferentes perfiles en la asignación de la potencia global del rayo entre el perfil central y el perfil anular circundante. La evolución de la distribución de intensidad del rayo a lo largo de la dirección de propagación se muestra en la gráfica en la figura 13c, donde el cambio en la distribución de potencia se simula a diferentes profundidades a partir del plano de trabajo (indicado por la coordenada 0 a lo largo del eje vertical z). En particular, la evolución de la distribución de potencia se ha simulado para un intervalo de profundidades entre el plano de trabajo y 60 milímetros por debajo del plano de trabajo, con incrementos de 10 milímetros.

Como es evidente a partir de las gráficas mostradas, para aplicaciones vinculadas a la modificación de la distribución de potencia gaussiana, para obtener una distribución de potencia transversal con un perfil plano (parte superior plana) o anular (donut), o en combinación gaussiano-anular, que retienen la simetría circular, el elemento reflexivo de superficie controlada deformable 200 puede incluir una pluralidad de áreas de reflexión movibles independientemente en forma de coronas circulares radialmente independientes.

De acuerdo con otro modo de realización del procedimiento de la invención, se implementa una disposición de las áreas de reflexión del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, que se adapta para establecer una distribución de potencia transversal del rayo en un área del plano de trabajo que tiene un perfil gaussiano con una sección elíptica, que preferentemente tiene un eje de simetría en el área del plano de trabajo orientado de acuerdo con la dirección local de la trayectoria de trabajo, por ejemplo, orientado en la dirección de avance de la trayectoria de trabajo. La distribución de potencia con un perfil elíptico gaussiano se muestra en la figura 14a, donde la gráfica superior es una representación tridimensional de la intensidad normalizada del rayo y la gráfica inferior es una representación bidimensional de la distribución de intensidad del rayo en el plano de enfoque para un rayo típico (unimodal) que tiene ejes del punto de enfoque en el área del plano de trabajo del orden de 50 micrómetros y 85 micrómetros, respectivamente. La gráfica de la figura 14b muestra la configuración tridimensional de la superficie del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, en la que los ejes de la gráfica no están a escala, expresándose el eje vertical en micrómetros (al contrario de los ejes horizontales expresados en milímetros) para permitir una mejor vista del perfil. El recorrido máximo de los módulos de movimiento de las áreas de reflexión movibles es del orden de 10 micrómetros. La evolución de la distribución de intensidad del rayo a lo largo de la dirección de propagación se muestra en la gráfica de la figura 14c, donde el cambio en la distribución de potencia se simula a diferentes profundidades a partir del plano de trabajo (indicado por la coordenada 0 a lo largo del eje vertical z). En particular, la evolución de la distribución de potencia se simuló en un intervalo de profundidades entre 20 milímetros arriba y 20 milímetros debajo del plano de trabajo, con incrementos de 5 milímetros.

De acuerdo con otro modo de realización del procedimiento de la invención, se implementa una disposición de las áreas de reflexión del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, que se adapta para establecer una distribución de potencia transversal del rayo en un área del plano de trabajo en el material metálico que tiene un perfil tal como el descrito por Olsen, es decir, un perfil complejo asimétrico que comprende una distribución de potencia primaria pico con forma gaussiana y una distribución de potencia secundaria en forma de media luna posterior a la distribución de potencia primaria, que preferentemente tiene un eje de simetría en el área del plano de trabajo y orientado de acuerdo con la dirección local de la trayectoria de trabajo, por ejemplo, orientado en la dirección de avance de la trayectoria de trabajo. La distribución de potencia de acuerdo con el perfil mencionado anteriormente se muestra en la figura 15a, donde la gráfica superior es una representación tridimensional de la intensidad normalizada del rayo y la gráfica inferior es una representación bidimensional de la distribución de intensidad del rayo en el plano de enfoque, para un rayo que típicamente tiene un tamaño de punto de enfoque, en el área del plano de trabajo, del orden de 120 micrómetros, en la que la potencia del perfil primario es del orden de un 30 % de la potencia global del rayo. La gráfica en la figura 15b muestra la configuración tridimensional de la superficie del elemento reflexivo de superficie controlada deformable, en la que los ejes de la gráfica no están a escala, expresándose el eje vertical en micrómetros (al contrario de los ejes horizontales expresados en milímetros) para permitir una mejor vista del perfil. El recorrido máximo de los módulos de movimiento de las áreas de reflexión movibles es del orden de 4 micrómetros. El elemento reflexivo se deforma por una disposición de las áreas de reflexión que es no radialmente simétrica: es posible describir una disposición de este tipo como la superposición entre una deformación que genera una distribución de tipo donut-gaussiana y una disposición que reconstruye un plano inclinado con respecto al de referencia. Dependiendo del tamaño de la ruptura en simetría de la distribución de las áreas de reflexión, es posible producir diferentes perfiles en la asignación de la potencia global del rayo entre el perfil central primario y el perfil secundario circundante. La evolución de la distribución de intensidad del rayo a lo largo de la dirección de propagación se muestra en la gráfica de la figura 15c, donde el cambio en la distribución de potencia se simula a diferentes profundidades a partir del plano de trabajo (indicado por la coordenada 0 a lo largo del eje vertical z). En particular, la evolución de la distribución de potencia se simuló en un intervalo de profundidades entre el plano de trabajo y 60 milímetros por debajo del plano de trabajo, con incrementos de 10 milímetros.

Como se puede observar en la figura 15c, la distribución de potencia, como se describe por Olsen, se caracteriza por la posibilidad de realizar y controlar simultáneamente una distribución de potencia primaria gaussiana y una distribución de potencia secundaria en forma de media luna, con una asignación que es una función de la propagación a lo largo del eje óptico del rayo, es decir, la profundidad del plano de trabajo. Esto permite de forma ventajosa un control en tiempo real de la tridimensionalidad del procesamiento en el material, por ejemplo, al generar una distribución de potencia en la que la distribución de potencia gaussiana primaria es prevalente en un plano de trabajo en la superficie del material donde se requiere iluminación, y por lo tanto calentamiento, del frente de avance en la ranura, y la distribución de potencia secundaria en forma de media luna es prevalente en un plano de trabajo dentro del volumen del material donde se requiere iluminar la cauda del material fundido hundido en el material y que surge de la misma ranura, y que se puede adherir a las paredes de la misma ranura debido al enfriamiento progresivo que resulta de la falta de iluminación por el rayo láser, en el caso gaussiano.

Un ejemplo del procesamiento de acuerdo con el procedimiento de la presente invención se muestra en la figura 16, y en particular una operación de corte de un hueco rectangular R en un material M.

En la figura, una trayectoria de trabajo programada se indica en T. La trayectoria de trabajo incluye un área de perforación H, un perfil de aproximación o conexión C y un perfil de corte P que comprende, a modo de ejemplo, una sucesión de secciones rectas y secciones conectoras curvadas que forman una línea cerrada.

Una máquina de corte láser se programa para realizar un procesamiento ininterrumpido al variar la distribución de potencia del rayo láser incidente en el material de acuerdo con la fase de procesamiento actual.

El accionamiento de la disposición de áreas de reflexión de los medios de conformación de rayo láser se controla para establecer una primera distribución de potencia transversal del rayo del tipo gaussiano con el punto de enfoque más pequeño posible en el área de perforación H, para establecer una segunda distribución de potencia transversal del tipo gaussiano más amplio a la parte superior plana y a continuación donut, para ampliar la perforación para la extrusión del material fundido mientras, simultáneamente, se permite un flujo fácil de material y la iluminación de frente de onda apropiada cuando, con la perforación completa, el rayo comienza a ir a través del perfil de aproximación o conexión A. Una tercera distribución de potencia transversal del rayo del tipo asimétrico, obtenida por la combinación gaussiana-en forma de media luna, se usa en el perfil de corte C, orientado de acuerdo con la dirección local de la trayectoria de trabajo en la sucesión de secciones rectas y secciones curvadas del perfil de corte. En cualquier modificación de trayectoria de borde afilado, por consiguiente, en las detenciones locales del movimiento, la distribución de potencia transversal también tiene en cuenta el valor de velocidad, lo que facilita el cambio de dirección de la expulsión del material fundido y del gas auxiliar, por ejemplo, a través de una distribución de potencia elíptica.

La figura 17 muestra un ejemplo de procesamiento de acuerdo con el procedimiento de la presente invención y, en particular, una sucesión temporal de la evolución de la distribución de potencia aplicable durante un proceso de corte realizado a lo largo de una trayectoria predeterminada no mostrada en su totalidad, pero con una dirección y sentido de recorrido que se indican en la figura con la flecha F.

Una máquina de corte láser se programa para realizar el trabajo sin interrupción al variar la distribución de potencia del rayo láser incidente en el material en el tiempo, y cíclicamente de acuerdo con una ley descrita a continuación con referencia a las vistas de las figuras 17a, 17b y 17c, donde se muestran respectivamente, una vista superior, posterior y lateral de un área de procesamiento A que se mueve continuamente a lo largo de la trayectoria predeterminada siguiendo el movimiento relativo entre el cabezal de trabajo y el material.

S1, ..., S4 indican los puntos de incidencia del rayo láser en el material que se procesa, circunscritos alrededor de las posiciones del eje óptico del rayo láser e incluidos en una zona de suministro del flujo de gas auxiliar en el material de trabajo, que es común a toda el área de trabajo A. Cabe destacar que, típicamente, para operaciones de corte y/o perforación en acero al carbono con grosores de 4 mm a 30 mm, acero inoxidable con grosores de 4 mm a 25 mm, aleaciones de aluminio con grosores de 4 mm a 15 mm, y cobre y latón con grosores de 4 mm a 12 mm, el tamaño típico de la zona de suministro del flujo de gas auxiliar varía de 1,8 mm a 4 mm.

La distribución de potencia controlada en el área de trabajo A se obtiene por la combinación de dos rayos gaussianos separados, alineados transversalmente con respecto a la dirección de la trayectoria de trabajo y, por lo tanto, se puede describir como un modo electromagnético transversal TEM10. Esta distribución se puede obtener al dividir el elemento reflector 200 de los medios de conformación de rayo láser en dos semielementos 200', 200'' asociados a lo largo de un eje (diámetro) del elemento reflexivo y por medio del área central, y orientables para formar un ángulo diedro cóncavo (del orden de 0,1-0,3 grados) que se orienta hacia el espacio de propagación del rayo láser, como se muestra en la figura 18. Se entenderá que el diámetro de empalme de los dos semielementos del elemento reflexivo puede ser cualquiera de los diámetros identificados por la disposición de los módulos de movimiento. Cada semielemento reflexivo 200', 200'' se adapta para generar una distribución de potencia transversal gaussiana (al separar el rayo original), y los respectivos módulos de movimiento se controlan de modo de hacer movimientos generales predeterminados de inclinación del semielemento en su totalidad, en relación con sus estados de reposo respectivos, preferentemente en forma sincrónica entre sí y reflejándose entre sí, que determinan el desplazamiento espacial del punto de rayo láser en el material de trabajo.

La posición relativa del eje óptico de propagación respectivo de los dos rayos gaussianos varía en el tiempo de acuerdo con la ley espacial mostrada en las figuras. El movimiento de los dos rayos en el área de trabajo se produce en sincronía de acuerdo con la dirección local de la trayectoria de trabajo y en una sucesión de planos de trabajo. Se puede describir, con referencia a las figuras 17a, 17b y 17c, al combinar los siguientes movimientos:

1) El baricentro de la distribución de potencia global avanza en el tiempo de acuerdo con la dirección local de la trayectoria de trabajo F, y coincide con el eje de suministro del flujo de gas auxiliar o se encuentra a una distancia del eje de suministro del flujo de gas auxiliar que no excede la mitad del radio de la abertura de boquilla, en una posición por delante de la dirección de avance de la trayectoria de trabajo.

2) En la proyección en el plano horizontal de la figura 17a, el eje óptico de cada uno de los dos rayos gaussianos se mueve en forma local de acuerdo con una trayectoria elíptica alrededor de un baricentro geométrico predeterminado respectivo de revolución temporal, respectivamente en el sentido de las manecillas del reloj a la derecha del baricentro de la distribución de potencia global con respecto a la dirección de avance del proceso, y en sentido contrario a las manecillas del reloj a la izquierda del baricentro de la distribución de potencia global con respecto a la dirección de avance del proceso, a una distancia del respectivo baricentro de revolución entre 0,3 veces y 2 veces el radio del punto de enfoque del rayo individual en la cintura.

3) Durante el movimiento de revolución temporal alrededor del respectivo baricentro predeterminado, la localización del plano de enfoque de cada uno de los dos rayos gaussianos a lo largo del eje óptico de propagación respectivo varía en profundidad en el grosor del material, con una evolución retrógrada de acuerdo con una trayectoria en paralelogramo en la proyección en plano sagital de la figura 17c, que determina la evolución del eje óptico de cada uno de los dos rayos gaussianos en la proyección en plano frontal mostrada en la figura 17b.

4) Los baricentros de revolución del eje óptico de cada uno de los dos rayos gaussianos avanzan en el tiempo de acuerdo con direcciones paralelas a la dirección de movimiento del baricentro de la distribución de potencia global, respectivamente a la derecha y a la izquierda de la misma, lo que determina, en la proyección en el plano frontal y en el plano sagital, una evolución global de acuerdo con un patrón sinusoidal.

Los movimientos descritos en las etapas previas 1-4 se representan en la figura por las líneas orientadas. S1 indica el punto de enfoque de cada rayo gaussiano en la superficie del material en la posición localmente más avanzada, de acuerdo con la trayectoria de trabajo F. S2' y S2'' indican los puntos de enfoque separados de los rayos gaussianos a una primera profundidad intermedia en el volumen de material, y en una primera posición intermedia retraída en comparación con la posición S1 con respecto a la trayectoria de trabajo F, durante el movimiento de revolución alrededor de un baricentro geométrico predeterminado respectivo de revolución temporal. S3' y S3'' indican puntos de enfoque separados de los rayos gaussianos a una profundidad máxima en el volumen de material y en una segunda posición retraída intermedia en comparación con la posición S1 y además retraída en comparación con las posiciones S2' y S2'' con respecto a la trayectoria de trabajo F, durante el movimiento de revolución alrededor del baricentro geométrico predeterminado respectivo de revolución temporal. Finalmente, S4 indica el punto de enfoque de cada rayo gaussiano a una segunda profundidad intermedia en el volumen de material y en una tercera posición retraída intermedia en comparación con la posición S1 con respecto a la trayectoria de trabajo F, durante el movimiento de revolución alrededor del baricentro geométrico predeterminado respectivo de revolución temporal.

Dicho procesamiento se lleva a cabo, por ejemplo, para cortar una placa de acero de 10 mm de grosor en una atmósfera de nitrógeno con una velocidad de suministro típica a lo largo de una trayectoria de trabajo predeterminada de entre 1000 y 2000 mm/min. Una frecuencia de control cíclico de la distribución de potencia de rayo de al menos 500 Hz y preferentemente de 1 kHz, o más en general, que es un múltiplo entero de v/2d , donde v es la velocidad de avance del baricentro de la distribución de potencia global expresada en micrómetros/segundo y D es el diámetro del punto de enfoque de rayo láser en la cintura expresado en micrómetros, permite obtener un volumen de interacción aparente estructurado creado por el desplazamiento local rápido del par de rayos gaussianos. Los dos rayos se reúnen en la superficie del material en la posición S1 para proporcionar la máxima cantidad de energía al borde frontal del corte, a continuación descienden en profundidad y en las caudas del material que se van a expulsar para conservarlo fluido. De forma ventajosa, este procedimiento de procesamiento permite en principio mantener o incrementar el esfuerzo de corte en el frente de avance, para incrementar la fuerza de autoexpulsión del material por sí mismo, lo que da como resultado una reducción de la necesidad de gas auxiliar. Se sobreentiende que, en el modo de realización ejemplar precedente, lo que se refiere a distribuciones de potencias gaussianas se puede extender a otros tipos de distribución de potencia del rayo láser generado por cada semielemento, iguales o diferentes entre sí, y otros movimientos, reflejados o no, de cada rayo.

Naturalmente, sin alterar el principio de la invención, los modos de realización y los detalles de implementación pueden variar ampliamente con respecto a lo que se describe e ilustra por los ejemplos no limitantes detallados anteriormente, sin apartarse de este modo del alcance de la protección de la invención definida por las reivindicaciones anexas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento de procesamiento láser de un material metálico (WP; M), en particular para el corte, perforación o soldadura por láser de dicho material, por medio de un rayo láser (B) enfocado que tiene una ^{distribución de potencia transversal predeterminada en al menos un plano de trabajo (} n ^{) del material metálico}(WP; M; M), que comprende las etapas de:

- proporcionar una fuente de emisión de rayos láser (10);

- guiar el rayo láser (B) emitido por dicha fuente de emisión (10) a lo largo de una trayectoria óptica de transporte de rayo a un cabezal de trabajo (14) dispuesto cerca de dicho material metálico (WP; M; M); - colimar el rayo láser (B) a lo largo de un eje óptico de propagación incidente en el material metálico (WP; M; M);

^{- enfocar dicho rayo láser (B) colimado en un área de un plano de trabajo (} n ^{) de dicho material metálico}(WP; M; M); y

- conducir dicho rayo láser (B) enfocado a lo largo de una trayectoria de trabajo (T; F) en el material metálico (WP; M) que comprende una sucesión de áreas de trabajo (A),

comprendiendo el procedimiento conformar el rayo láser (B), en el que la conformación del rayo láser (B) comprende:

- reflejar el rayo (B) colimado por medio de un elemento reflexivo de superficie controlada deformable (200) que tiene una superficie reflexiva con una curvatura continua que incluye una pluralidad de áreas de reflexión movibles independientemente (200a-200r), y

- controlar la disposición de dichas áreas de reflexión (200a-200r) para establecer una distribución de ^{potencia transversal predeterminada del rayo (B) en al menos un plano de trabajo (} n ^{) del material metálico (WP; M) en función del área del plano de trabajo (} n ^{) actual y/o la dirección actual de la}trayectoria de trabajo (T; F) en el material metálico (WP; M),

caracterizado por que el procedimiento comprende además las etapas de:

^{- suministrar un flujo de gas auxiliar hacia dicha área del plano de trabajo (} n ^{) del material metálico (WP;}M) a lo largo de un eje del flujo de gas auxiliar,

- trasladar relativamente el eje del flujo de gas auxiliar a lo largo de una trayectoria de trabajo predeterminada (T; F) en el material metálico,

- detectar la posición actual y/o la dirección de la traslación actual del eje del flujo de gas auxiliar, - en el que la conformación del rayo láser comprende además: controlar automáticamente la distribución de potencia transversal del rayo láser (B) en función de la posición actual detectada y/o la dirección de traslación actual detectada del eje del flujo de gas auxiliar controlando la disposición de dichas áreas de reflexión (200a-200r) para establecer dicha distribución de potencia transversal predeterminada del rayo ^{(B) en un área del plano de trabajo (} n ^{) en el material metálico (WP; M), comprendido en una proximidad}predeterminada alrededor del eje del flujo de gas auxiliar y dentro de un área de suministro de dicho flujo.

2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el control automático de la distribución de potencia transversal del rayo láser (B) en función de la posición actual y/o de la dirección de traslación actual detectada del eje del flujo de gas auxiliar se realiza por la referencia a un patrón o programa de control predeterminado.

3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, que comprende la etapa de controlar la disposición de dichas áreas de reflexión (200a-200r) para establecer una distribución de potencia transversal del rayo (B) en ^{un área de al menos un plano de trabajo (} n ^{) en el material metálico (WP; M) que tiene una forma gaussiana}con un diámetro predeterminado.

4. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, que comprende la etapa de controlar la disposición de dichas áreas de reflexión (200a-200r) para establecer una distribución de potencia transversal del rayo (B) en ^{un área de al menos un plano de trabajo (} n ^{) en el material metálico (WP; M) que tiene una conformación}anular.

5. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, que comprende la etapa de controlar la disposición de dichas áreas de reflexión (200a-200r) para establecer una distribución de potencia transversal del rayo (B) en ^{un área de al menos un plano de trabajo (} n ^{) en el material metálico (WP; M) que tiene una conformación de}perfil plano con un diámetro predeterminado.

6. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, que comprende la etapa de controlar la disposición de dichas áreas de reflexión (200a-200r) para establecer una distribución de potencia transversal del rayo (B) en ^{un área de al menos un plano de trabajo (} n ^{) en el material metálico (WP; M), que incluye una distribución}gaussiana con un diámetro predeterminado y una distribución anular externamente concéntrica a la distribución gaussiana.

7. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, que comprende la etapa de controlar la disposición de dichas áreas de reflexión (200a-200r) para establecer una distribución de potencia transversal del rayo (B) en ^{un área de al menos un plano de trabajo (} n ^{) en el material metálico (WP; M), que incluye una distribución}gaussiana con un diámetro predeterminado y una distribución semianular externamente concéntrica a la distribución gaussiana.

8. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende la orientación del eje de simetría de dicha distribución de potencia transversal del rayo (B), que incluye una distribución gaussiana con un diámetro predeterminado y una distribución semianular externamente concéntrica a la distribución gaussiana en el área ^{del plano de trabajo (} n ^{), dependiendo de la dirección local de la trayectoria de trabajo (T; F).}

9. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, que comprende la etapa de controlar la disposición de dichas áreas de reflexión (200a-200r) para establecer una distribución de potencia transversal del rayo (B) en ^{un área de al menos un plano de trabajo (} n ^{) en el material metálico (WP; M) que tiene una forma gaussiana}con una sección elíptica.

10. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, que comprende la orientación del eje de simetría de dicha distribución de potencia transversal del rayo (B), que tiene una forma gaussiana con una sección elíptica en el ^{área del plano de trabajo (} n ^{), dependiendo de la dirección local de la trayectoria de trabajo (T; F).}

11. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende la traslación relativa del eje del flujo de gas auxiliar a lo largo de una trayectoria de trabajo (T; F) predeterminada en el material metálico (WP; M), la detección de la posición actual y/o la detección de la dirección actual de la traslación del eje del flujo de gas auxiliar, y el ajuste automático de la posición del eje óptico de propagación del rayo láser (B) en función de la posición actual detectada y/o la dirección actual detectada de la traslación del eje del flujo de gas auxiliar.

12. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, en el que el ajuste automático de la posición del eje óptico de propagación del rayo láser (B), en función de la posición actual detectada y/o la dirección actual detectada de la traslación del eje del flujo de gas auxiliar, se realiza por la referencia a un patrón o programa de ajuste predeterminado.

13. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende la etapa de controlar la disposición de dichas áreas de reflexión (200a-200r) para establecer una distribución de potencia transversal global del rayo ^{(B) en un área de al menos un plano de trabajo (} n ^{) en el material metálico (WP; M) correspondiente a un modo}electromagnético transversal TEM10, incluyendo una combinación de dos distribuciones gaussianas con un diámetro predeterminado alineado transversalmente con respecto a la dirección de la trayectoria de trabajo (F), en el que la posición relativa del eje óptico de propagación y el plano de enfoque de dichas dos distribuciones gaussianas varía cíclicamente en el tiempo, dependiendo de la dirección local de la trayectoria de trabajo (F) de acuerdo con una ley que incluye la combinación de los siguientes movimientos:

- avance del baricentro de la distribución de potencia global a lo largo de la dirección local de la trayectoria de trabajo (F);

- cuando se proyecta sobre un plano horizontal, movimiento del eje óptico de cada una de dichas dos distribuciones gaussianas de acuerdo con una trayectoria giratoria elíptica alrededor de un baricentro geométrico predeterminado respectivo de revolución temporal, respectivamente en el sentido de las manecillas del reloj a la derecha del baricentro de la distribución de potencia global con respecto a la dirección de progresión del trabajo, y en sentido contrario a las manecillas del reloj a la izquierda del baricentro de la distribución de potencia global con respecto a la dirección de progresión del trabajo; - durante el movimiento de revolución temporal alrededor del baricentro predeterminado respectivo, variación de la localización del plano de enfoque de cada una de dichas dos distribuciones gaussianas a lo largo del eje óptico de propagación respectivo, con evolución retrógrada a lo largo de una trayectoria en paralelogramo en la proyección en un plano sagital;

- progreso de los baricentros de revolución del eje óptico de cada una de dichas dos distribuciones gaussianas a lo largo de direcciones que son paralelas a la dirección de movimiento del baricentro de la distribución de potencia global, respectivamente a la derecha y a la izquierda de la misma.

14. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 13, en el que la variación cíclica de la posición relativa del eje óptico de propagación, de cada una de dichas dos distribuciones gaussianas y de la localización del plano de enfoque de cada una de dichas dos distribuciones gaussianas a lo largo de su eje óptico de propagación respectivo, se produce con una frecuencia que es un múltiplo entero de v/2D, donde v es la velocidad de progresión del baricentro de la distribución de potencia global y D es el diámetro del punto de enfoque del rayo láser (B) en la cintura.

15. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el control de la disposición de dichas áreas de reflexión (200a-200r) del elemento reflexivo de superficie controlada (200) comprende controlar una combinación de movimientos de dichas áreas (200a-200r) con respecto a una superficie plana reflexiva de referencia.

16. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 15, en el que el control de una combinación de movimientos de dichas áreas de reflexión (200a-200r) del elemento reflexivo de superficie controlada (200) comprende controlar el movimiento de traslación de dichas áreas (200a-200r) a lo largo del eje óptico del elemento reflexivo (200), y/o la rotación de dichas áreas (200a-200r) para obtener una inclinación con respecto al eje óptico del elemento reflexivo (200).

17. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende proporcionar un elemento reflexivo de superficie controlada deformable (200) que tiene una superficie reflexiva con una curvatura continua que incluye una pluralidad de áreas de reflexión movibles independientemente (200a-200r) por medio de una pluralidad correspondiente de módulos de movimiento que incluyen un área central y una pluralidad de hileras de sectores coronarios circulares concéntricos a dicha área central.

18. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 17, en el que dichas hileras de sectores coronarios circulares concéntricos son en total 6, los sectores coronarios circulares son en total 8 para cada hilera, y la altura de los sectores coronarios circulares se incrementa de la primera a la tercera hilera y de la cuarta a la sexta hilera en dirección radial hacia el exterior del elemento reflexivo, la altura de los sectores coronarios circulares de la cuarta hilera es intermedia entre la altura de los sectores coronarios circulares de la primera y la segunda hilera.

19. Una máquina para procesamiento láser de un material metálico, en particular para el corte, perforación o soldadura por láser de dicho material, por medio de un rayo láser (B) enfocado que tiene una distribución de ^{potencia transversal predeterminada en al menos un plano de trabajo (} n ^{) del material metálico (WP; M), que}comprende:

- una fuente de emisión de rayos láser (10);

- medios (12a, 12b, 12c; 12d) para guiar el rayo láser (B) emitido por dicha fuente de emisión (10) a lo largo de una trayectoria óptica de transporte de rayo a un cabezal de trabajo (14) dispuesto cerca de dicho material metálico (WP; M);

- medios ópticos (120) para colimar el rayo láser (B) a lo largo de un eje óptico de propagación incidente en el material metálico (WP; M);

- medios ópticos (16; 140) para enfocar dicho rayo láser (B) colimado en un área de un plano de trabajo ⁽ n ^{) de dicho material metálico (WP; M),}

en la que al menos dichos medios ópticos de enfoque (16; 140) de dicho rayo láser (B) colimado se llevan por dicho cabezal de trabajo (14) a una distancia controlada de dicho material metálico (WP; M);

- medios para ajustar la posición mutua entre dicho cabezal de trabajo (14) y dicho material metálico (WP; M), adaptados para conducir dicho rayo láser (B) enfocado a lo largo de una trayectoria de trabajo (T; F) en el material metálico (WP; M) que comprende una sucesión de áreas de trabajo,

- medios ópticos (180) para conformar el rayo láser (B) que incluyen un elemento reflexivo de superficie controlada deformable (200) que tiene una superficie reflexiva con una curvatura continua que incluye una pluralidad de áreas de reflexión movibles independientemente (200a-200r), adaptadas para reflejar el rayo láser (B) colimado, adaptándose la disposición de dichas áreas de reflexión (200a-200r) para establecer una distribución de potencia transversal predeterminada del rayo (B) en al menos un plano ^{de trabajo (} n ^{) del material metálico (WP; M); y}

estando caracterizada por:

- una boquilla (18) adaptada para dirigir un flujo de un gas auxiliar hacia el área de trabajo en el material (WP; M), y

- medios electrónicos de procesamiento y control (ECU, CM1, CM2, CM3) dispuestos para controlar la disposición de dichas áreas de reflexión (200a-200r) para establecer una distribución de potencia ^{transversal predeterminada del rayo (B) en al menos un plano de trabajo (} n ^{) del material metálico (WP; M) en función del área del plano de trabajo (} n ^{) actual y/o la dirección actual de la trayectoria de trabajo}(T; F) en el material metálico (WP; M),

* trasladar el eje del flujo de gas auxiliar relativamente a una trayectoria de trabajo (T; F) predeterminada en el material metálico (WP; M),

* detectar la posición actual y/o la dirección de la traslación actual del eje del flujo de gas auxiliar, y además controlar automáticamente la distribución de potencia transversal del rayo láser (B) en función de la posición actual detectada y/o la dirección de traslación actual detectada del eje del flujo de gas auxiliar.

20. Programa informático que comprende uno o más módulos de códigos que comprenden instrucciones para hacer que la máquina de la reivindicación 19 ejecute las etapas del procedimiento de la reivindicación 1 para obtener una conformación predeterminada del rayo láser.