IWE - Tema 1.12.4 Soldeo por Láser PDF

TEMA 1.12.4 CESOL SOLDEO POR LÁSER IWE–MÓDULO 1 En la elaboración de este texto han colaborado: D. José Ramón Ibars Almonacil D. Rafael Bermejo Guillamón SOLICITUD DE COLABORACIÓN: MEJORA DE LA CALIDAD CESOL agradecerá la comunicación de las posibles erratas que puedan aparecer en el texto. Dicha información podrá remitirse a: [email protected] Este texto es propiedad íntegra de la Asociación Española de Soldadura y Tecnologías de Unión, en adelante CESOL. Queda terminantemente prohibida cualquier reproducción del mismo sin autorización expresa por parte de CESOL. ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL ÍNDICE 1. DEFINICIÓN.......................................................................................................................................... 1 2. GENERACIÓN DEL HAZ LÁSER............................................................................................................... 1 3. PARÁMETROS DEL HAZ LÁSER.............................................................................................................. 3 3.1. POTENCIA E INTENSIDAD DEL HAZ LÁSER.................................................................................................... 3 3.2. MODO DEL HAZ LÁSER........................................................................................................................... 3 3.3. LONGITUD DE ONDA.............................................................................................................................. 4 3.4. POLARIZACIÓN DEL HAZ.......................................................................................................................... 5 3.5. MODO DE OPERACIÓN CONTINUO O PULSADO........................................................................................... 6 3.6. DISTANCIA FOCAL Y PROFUNDIDAD DE FOCO.............................................................................................. 6 3.7. CALIDAD DEL HAZ LÁSER........................................................................................................................ 7 3.8. POSICIÓN DEL FOCO.............................................................................................................................. 8 4. TIPOS DE LÁSER EN EL PROCESADO DE MATERIALES............................................................................ 8 4.1. LÁSER DE CO2...................................................................................................................................... 8 4.2. LÁSER DE EXCÍMERO............................................................................................................................ 11 4.3. LÁSER DE ND:YAG.............................................................................................................................. 11 4.4. LÁSER DE DIODOS............................................................................................................................... 13 5. EL CORTE LÁSER..................................................................................................................................15 5.1. INTRODUCCIÓN.................................................................................................................................. 15 5.2. EL PROCESO...................................................................................................................................... 15 5.2.1. Tipos de Procesos de Corte por Láser...................................................................................... 15 5.2.2. Láseres de Corte...................................................................................................................... 17 5.2.3. Parámetros del Corte Láser..................................................................................................... 17 5.2.4. Corte de Aceros al Carbono y de Baja Aleación...................................................................... 23 5.2.5. Corte de Aceros Inoxidables y Otros Aceros de Alta Aleación................................................. 25 5.2.6. Corte del Aluminio y sus Aleaciones........................................................................................ 28 5.2.7. Corte del Titanio...................................................................................................................... 30 5.2.8. Corte de Aleaciones base Níquel............................................................................................. 30 5.2.9. Corte de Aleaciones base Cobre.............................................................................................. 31 5.2.10. Corte de No Metales............................................................................................................. 31 6. SOLDEO LÁSER....................................................................................................................................31 6.1. INTRODUCCIÓN.................................................................................................................................. 31 6.2. PROCESOS DE SOLDEO LÁSER................................................................................................................. 33 6.2.1. Principios básicos del soldeo láser.......................................................................................... 33 6.2.2. Tipos de junta de Unión.......................................................................................................... 34 6.2.3. Diferentes métodos de soldeo................................................................................................. 35 6.2.4. Formación del Plasma de Inducción Térmica.......................................................................... 37 6.3. PARÁMETROS EN LA SOLDADURA POR LÁSER............................................................................................. 38 6.3.1. Potencia del haz láser............................................................................................................. 38 6.3.2. Diámetro del haz láser............................................................................................................ 38 6.3.3. Absorción de radiación por el metal base............................................................................... 38 6.3.4. Velocidad de soldeo................................................................................................................ 39 6.3.5. Función del gas de soldadura.................................................................................................. 39 6.3.5.1. Tendencia a la formación de plasma................................................................................ 39 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser III ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL 6.3.5.2. Propiedades mecánicas..................................................................................................... 40 6.3.5.3. Efecto de protección del gas.............................................................................................. 40 6.3.6. Tipos de Boquilla..................................................................................................................... 43 6.3.7. Colocación de las boquillas..................................................................................................... 44 6.4. EJEMPLOS DE APLICACIONES................................................................................................................. 45 6.4.1. Soldeo láser de acero al carbono............................................................................................ 45 6.4.2. Soldeo de acero inoxidable austenítico.................................................................................. 48 6.4.3. Soldeo del acero inoxidable ferrítico....................................................................................... 49 6.4.4. Soldeo láser de acero inoxidable austenítico-ferrítico............................................................ 49 6.4.5. Gases para la soldadura de aluminio con láser de CO2.......................................................... 50 6.4.6. Resumen de parámetros para soldeo láser de alta potencia................................................. 51 6.5. TÉCNICAS ESPECIALES.......................................................................................................................... 53 6.5.1. Soldeo Híbrido: Láser-MIG...................................................................................................... 53 6.5.2. Soldeo Remoto........................................................................................................................ 53 7. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES CON LÁSER....................................................................................... 55 7.1. TEMPLE SUPERFICIAL POR LÁSER............................................................................................................ 56 7.2. MODIFICACIÓN DE SUPERFICIES CON LÁSER.............................................................................................. 57 7.3. ALEACIÓN CON LÁSER.......................................................................................................................... 57 7.4. PLAQUEADO MEDIANTE LÁSER............................................................................................................... 58 8. SEGURIDAD E HIGIENE........................................................................................................................ 58 8.1. RIESGOS ELÉCTRICOS........................................................................................................................... 58 8.2. RIESGOS ÓPTICOS............................................................................................................................... 59 8.3. RIESGOS PARA LA PIEL......................................................................................................................... 60 8.4. RIESGOS QUÍMICOS............................................................................................................................. 60 Revisión 3–Enero 2016 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser IV ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL LASER: Light -Amplification -Stimulated -Emission-Radiation Una traducción literal nos diría lo siguiente: Luz amplificada por emisión estimulada de la radiación. El láser es una fuente de luz intensa de carácter monocromático (radiación electromagnética de una longitud de onda definida) de haces esencialmente paralelos, lo que permite que sea transferido a largas distancias (baja divergencia). Figura 1. Propiedades de una lámpara incandescente y de un láser El haz láser puede concentrarse en un foco de reducidas dimensiones (del orden de décimas del milímetro), alcanzándose, de esta forma, altas densidades de potencia (del orden de 10 6-108 W/cm2 para un láser de CO2) y en consecuencia altas temperaturas en su interacción con la materia. La generación del haz láser precisa de un medio activo, que tras un ciclo de excitación - desexcitación, emita fotones de una determinada longitud de onda. El medio activo puede ser un gas, como por ejemplo CO2, un sólido, como los iones de neodimio embebidos en un cristal de itrio-granate-aluminio, o un líquido. En la figura 2 se muestra esquemáticamente el medio activo en un láser de CO2: las moléculas de CO2. Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 1 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Figura 2. Medio activo en un láser de CO2 Las moléculas de CO2 son excitadas mediante una descarga eléctrica, provocando que estas abandonen su nivel energético cuántico inferior (000) y se posicionen en su nivel cuántico superior (001). En la figura 3 se muestran los estados cuánticos de la molécula de CO2. Las moléculas de CO2 en su estado cuántico superior (001) transmiten parte de su energía por emisión espontánea, poblando entonces niveles inferiores de energía (100). El salto energético que produce, se traduce en la emisión de un fotón cuya longitud de onda es de =10.6 m. Los fotones así emitidos impactan con moléculas de CO2 en estado cuántico superior (001) (moléculas excitadas), provocando la emisión de un nuevo fotón en fase con el primero. A este mecanismo se le conoce como emisión estimulada. Figura 3. Niveles cuánticos de la molécula de CO2 Si hacemos atravesar repetidas veces la radiación láser a través del medio activo conseguiremos, apoyándonos en el mecanismo de la emisión estimulada, un efecto de amplificación de la propia radiación láser. Revisión 3–Enero 2016 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 2 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Esto se consigue mediante un amplificador o resonador óptico, que consiste en una cavidad limitada en un extremo por un espejo totalmente reflectante, y por el otro extremo por un espejo parcialmente reflectante que permite la salida de la radiación láser al exterior. (A) (B) Figura 4. Resonador de un láser de CO2 3.1. Potencia e intensidad del haz láser La potencia del láser es la energía emitida en forma de luz por unidad de tiempo. La unidad utilizada es el vatio (W). El tamaño de las máquinas láser, en cuanto a su capacidad de procesado y velocidades esperadas, se mide en términos de potencia láser. La intensidad del haz se define como el cociente entre la potencia del láser y el área irradiada en el foco. Por ejemplo al focalizar un haz láser de 1000 W sobre un punto de diámetro 0,1 mm, la intensidad láser resultante será de 125.000 W/mm2. 3.2. Modo del haz láser El modo del haz o TEM (Transversal Electromagnetic Mode), representa la distribución de energía en la sección transversal del haz, y afecta: Al tamaño de foco, que condiciona la intensidad del haz. La calidad del haz, que determina la posibilidad de enfocar éste en un tamaño de foco pequeño. Pueden presentarse múltiples modos, entre ellos el modo más puro es el gausiano (TEM 00, orden cero). Permite enfocar el haz en un foco de reducidas dimensiones, lo que supone una ventaja en procesos como el corte láser. Los láseres de alta potencia, normalmente, emiten en Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 3 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL modos de orden superior. En la figura 5 se representa de forma esquemática alguno de los modos más frecuentes. El modo del haz está condicionado entre otros factores por el diseño (geometría) del propio resonador. La calidad del haz se ve afectada por el modo del mismo. En un láser de CO2 convencional el factor de calidad K oscila entre 0,5 y 0,6. En la designación TEMxx, el número de “1” presentes en la misma indica que eje o ejes dividen la sección transversal del haz en áreas de concentración de energía. (A) (B) Figura 5 Modo transversal del haz láser. (A) Orden cero y (B) órdenes superiores 3.3. Longitud de onda Es la longitud de un ciclo de la onda electromagnética (constituida por un campo eléctrico E y un campo magnético H perpendicular al primero) que constituye la radiación láser. La longitud de onda puede condicionar el procesado de ciertos materiales, así por ejemplo el vidrio es transparente a la radiación láser con longitudes de onda en el visible o en el infrarrojo cercano como es el caso del láser de estado sólido Nd:YAG, o en el caso del Aluminio donde se absorbe mejor la radiación de longitud de onda 1,06 m (Nd:YAG) que la de 10,6 m (CO2). No obstante el efecto que tiene la longitud de onda en el nivel de absorción de la radiación láser por parte del material, no es comparable al que tiene la intensidad del haz láser. Revisión 3–Enero 2016 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 4 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Figura 6. Longitud de onda de la radiación láser 3.4. Polarización del haz Se dice que el haz láser está polarizado cuando la dirección del vector campo eléctrico E, que forma parte de la radiación electromagnética, está definida. La polarización del haz influye en el corte láser de los materiales. Cuando la dirección del vector campo eléctrico E coincide con la dirección de corte, se favorece la absorción de la radiación por parte del material. La polarización puede ser: circular (la dirección del vector campo eléctrico varía barriendo una circunferencia), lineal (la dirección del vector campo eléctrico está definida según una recta determinada), elíptica (la dirección del vector campo eléctrico varía barriendo una elipse) o aleatoria (la dirección del vector campo eléctrico no sigue ningún patrón). Figura 7. Efectos de la polarización del haz Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 5 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Si el corte no es lineal (corte de geometrías complejas) se precisa una polarización circular. En un láser de CO2, se utilizan espejos despolarizadores para proporcionar una polarización circular, y facilitar el corte de piezas complejas. Un láser de Nd:YAG, proporciona directamente un haz láser con polarización aleatoria. 3.5. Modo de Operación Continuo o Pulsado Hace referencia a como el resonador suministra el haz láser, en forma de una onda continua, modo continuo (CW), o en forma discontinua, mediante pulsos. Generalmente los láseres pueden emitir en continuo (CW) o pulsado, obteniéndose, normalmente, las mayores velocidades de corte lineal con el láser operando en modo CW. La calidad del corte cuando se trabaja con altas potencias disminuye cuando utilizamos el modo CW. La potencia pico, en modo pulsado, puede oscilar entre 1-10 kW, con una duración de pulso de 1-3 ms (según espesor a procesar). (A) (B) Figura 8. Modo pulsado -modo continuo 3.6. Distancia Focal y Profundidad de Foco La distancia focal de las lentes determina el tamaño del haz en el foco y viene dado por la expresión: Ecuación 1 donde K es el factor de calidad del haz (capacidad del mismo para ser enfocado),  es la longitud de onda de la radiación láser, f es la distancia focal, longitud que va del plano medio de la lente a la posición del foco, D es el diámetro del haz sin enfocar y d es el diámetro del haz en el foco. Revisión 3–Enero 2016 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 6 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Desde el punto de vista del procesado de materiales por corte láser interesa un tamaño de foco pequeño, pudiéndose éste conseguir con:  Una lente con longitud focal f corta.  Diámetro sin enfocar alto. D  Mejorando modo electromagnético transversal (TEM), con lo que aumenta la calidad del haz y por ende el factor K.  Longitud de onda corta . La profundidad de foco se puede definir como el segmento centrado en el plano focal, cuyos extremos marcan una variación máxima del tamaño del foco de un 5%. Ésta determina la tolerancia en la variación de la posición de la lente a la pieza. Generalmente distancias focales pequeñas se corresponden con profundidades de foco cortas. Figura 9. Distancia y Profundidad de foco. 3.7. Calidad del Haz Láser. La calidad del haz define la capacidad del mismo para ser enfocado en un foco de reducidas dimensiones La calidad del haz se cuantifica a través del parámetro K ó M2. Estos se definen a partir de parámetros ópticos del haz como: Ecuación 2 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 7 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Cuanto más cerca de la unidad esté el valor del factor K, mayor será la calidad de haz. 3.8. Posición del Foco Otro factor determinante en el procesado láser de los materiales, especialmente en el corte es la posición relativa del foco con respecto a la superficie de la pieza a procesar. De este modo la posición del foco determina la calidad de corte láser, ya que: Distancias focales cortas conducen a altas intensidades de haz, pero también a profundidades de foco cortas, por lo que el proceso se muestra más sensible a las variaciones de la posición relativa pieza -boquilla. Figura 10. Corte láser Según sea el espesor y naturaleza del material a procesar se requerirá una determinada posición focal. Así en el corte de chapa fina de acero al carbono el foco se sitúa en la superficie superior de la pieza, mientras que para el corte de acero inoxidable, el foco debe posicionarse en el interior del espesor de la pieza, cerca de la superficie inferior. Variaciones en el TEM del haz o en la temperatura del fluido que refrigera los elementos ópticos, que guían el haz láser, pueden alterar la posición del foco. 4.1. Láser de CO2. En un láser de CO2 el medio activo es una mezcla de CO2, N2 y He (en algunos casos con otros aditivos, como el CO, O2 o Xe). El medio activo es excitado por descarga eléctrica o por radiofrecuencia. En el primer caso los electrodos se sitúan en el interior del resonador, en el segundo son exteriores, garantizando la Revisión 3–Enero 2016 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 8 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL no contaminación del resonador con partículas procedentes de los electrodos, y asegurando, en general, un menor consumo de gas de resonador. Puede funcionar en modo continuo (CW), o en modo pulsado. En modo continuo puede proporcionar potencias máximas de hasta 40 kW, en modo pulsado algunos, consiguen potencias de pico cinco veces superiores. Figura 11. Características generales de un haz de CO2. Los principales tipos de láser de CO2, son: de flujo lento, de flujo axial rápido, de flujo transversal rápido y SLAB. Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 9 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Figura 12. Esquema de Láser de CO2 de flujo longitudinal rápido El gas del resonador circula a alta velocidad por el interior del mismo, mientras el calor generado se extrae con un intercambiador externo. Se puede generar 500 W por metro de resonador, con alta calidad de haz. Estos pueden actuar en modo continuo o pulsado (este último con cierta inestabilidad). Su principal aplicación es el corte de materiales, siendo su rango de potencias de 500 a 20.000 W (en corte 500-6000 W).Un láser de CO2 de flujo transversal rápido se caracteriza por un diseño altamente compacto, y debe su nombre a que la descarga eléctrica, el flujo de gas y el haz láser son perpendiculares entre sí. En este caso la descarga láser supera 1 kW por metro de longitud de resonador. Su modo de operación es continuo, siendo difícil su pulsación. Se caracteriza por modos de haz de orden superior. Su rango de potencias se extiende de 1 a 40 kW., siendo sus principales aplicaciones la soldadura y los tratamientos superficiales. Figura 13. Esquema de Láser de CO2 de flujo transversal rápido. En un láser de CO2 tipo SLAB la excitación del gas se produce por descargas de alta frecuencia entre dos electrodos de aleación de cobre de gran área. El espacio entre los electrodos es muy pequeño lo que facilita la evacuación de calor a través del sistema de refrigeración. El haz originalmente rectangular es rectificado a forma circular por óptica exterior obteniéndose calidades de haz del orden de K=0,8. El resonador está totalmente sellado por lo que el consumo de haz láser es muy bajo. Se caracterizan por tener una vida útil larga, superior a 20.000 horas. En modo pulsado proporcionan alta potencia de pico (con frecuencias de pulsación de hasta 10kHz), un diámetro de haz sin enfocar 7mm, con una divergencia menor de 1 mrad. Revisión 3–Enero 2016 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 10 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Figura 14. Láser de CO2 tipo SLAB. 4.2. Láser de Excímero. En 1975 aparecen los primeros dispositivos de baja potencia. A diferencia de otros láseres utilizados en la industria, el láser de excímero trabaja en el rango del ultravioleta, dependiendo su longitud de onda de la mezcla de gases utilizadas (0,15-0,35 mm). Es un láser de estado gaseoso. Basado en la excitación de moléculas de gases como el xenón, flúor, HCl..., gases bastante nocivos, por lo que requiere medidas de alta seguridad para su manipulación. El haz se caracteriza por un perfil rectangular y alta divergencia (baja calidad).Trabaja en pulsado (Duración del pulso: 5-50 ns, con energía del pulso: 0,1-2 J y frecuencia: 500 Hz) proporcionando potencias promedio de 100-200 W. Con este láser el material es procesado por ablación, la energía del haz actúa sobre el enlace químico de los materiales, rompiéndolo, por esto se le conoce también como el corte frío. 4.3. Láser de Nd:YAG El término Nd: YAG, es la abreviatura de Neodimium-Ytrium-Aluminium-Granet, que supone el medio activo donde se genera la radiación láser. El elemento generador del haz es el neodimio, Figura 14. Láser de excímero. que se encuentra embebido en un cristal de aluminio-itrio- granate. Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 11 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Figura 15. La excitación se efectúa mediante lámparas de kriptón, el láser trabaja entonces en régimen pulsado, o con lámparas de xenón, que permite al láser trabajar en modo continuo (CW). Recientemente se ha conseguido una mayor eficiencia energética excitando el medio láser con baterías de diodos. (A) (B) Figura 16. Esquema de un láser de Nd:YAG (A) excitado con lámpara y (B) excitado con diodos Los dispositivos de baja potencia se utilizan en el corte en modo pulsado, de espesores de hasta 10 mm. En este último caso se utilizan potencias pico de 10 kW, con potencias promedio de unas decenas de vatios. El modo continuo con mayores potencias se utiliza principalmente en soldadura. También se aplica al corte 3D con el apoyo de Robots Revisión 3–Enero 2016 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 12 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Figura 17. Características de un láser de Nd:YAG. 4.4. Láser de Diodos. Originalmente se utilizaron como sistema de excitación para el láser de Nd:YAG, pero se pudo comprobar que combinando varios emisores se podía generar un láser con entidad propia para el procesado de materiales. (A) (B) (C) Luz de transmisión pn (5 mW) Barra Láser (3 W) Montaje Sobre Refrigerador (30 W) Figura 18. Principios del láser de diodos Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 13 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL El láser de diodos goza de un alto rendimiento energético, es portátil, tiene una vida útil larga (más de 15.000 h) y permite su transmisión por fibra óptica lo que lo hace fácil de robotizar. Figura 19. Características del láser de diodos Su principal desventaja radica en su baja calidad de haz, lo que condiciona su uso para aplicaciones de corte y soldadura de alta penetración. Figura 20. Corte láser de Tubo Revisión 3–Enero 2016 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 14 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL 5.1. Introducción Durante la última década el corte láser ha demostrado ser una tecnología en plena implantación. Se estima que existen, en todo el mundo, alrededor de 22.000 sistemas de corte láser de alta potencia, para el procesado de materiales metálicos y no metálicos. En aplicaciones láser de baja potencia, como el corte de papel o plásticos, el número de dispositivos láser es incluso mayor. Aplicaciones relevantes del corte láser en nuestros días son:  Corte de piezas hidrocomformadas y de tubos.  Corte de chapa fina de alta velocidad.  Corte de grandes espesores. El desarrollo de láseres de alta potencia, sin pérdida de calidad del haz, ha supuesto un notable avance en el pasado. A su vez se han mejorado los sistemas auxiliares de manipulación de materiales, y aquellos que gobiernan el movimiento y posicionado del cabezal láser. Figura 20. Corte láser de Los avances del corte láser en un futuro próximo se centran en unTubo incremento en la velocidad de corte, una disminución del desgaste de útiles y herramientas, y una mayor flexibilidad en la fabricación, lo que desplazará a los procesos de corte directamente competidores del láser. Según previsiones del mercado del láser, el número de máquinas de corte láser para chapa se duplicará durante los próximos 10 años, asimismo los fabricantes de sistemas de láser para corte abordarán nuevos mercados como el corte de tubos y tuberías. Los gases utilizados para la generación del haz láser, y los utilizados como apoyo en el proceso para desplazar el material de la ranura de corte son consumibles de alta importancia. Éstos pueden alargar la vida de los componentes ópticos, incrementar la velocidad de corte y aumentar la calidad de la superficie de corte, lo que, en común, conduce a una mayor rentabilidad del proceso. 5.2. El Proceso 5.2.1. Tipos de Procesos de Corte Por Láser El láser es conducido desde el resonador mediante espejos, hasta el cabezal de corte, donde es concentrado, mediante una lente en un foco de reducidas dimensiones (figura 21). Dependiendo del trabajo a realizar, el foco se posiciona en la superficie de la pieza a cortar, o en el interior de la misma. Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 15 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Figura 21. Principios del corte láser El haz de luz láser, de alta densidad de energía, calienta rápidamente la superficie de la pieza de trabajo, provocando su fusión. El gas de apoyo (también llamado gas de corte) es utilizado para desplazar el metal fundido de la ranura de corte. Dependiendo del gas de apoyo, podemos distinguir dos tipos diferentes de procesos de corte:  Corte con Oxígeno. Durante el corte con oxígeno el material es quemado y vaporizado, después de que ha sido calentado por el haz láser hasta su temperatura de ignición. La reacción química entre el oxígeno y el metal, a dicha temperatura, aporta energía en forma de calor, gracias al cual se sustenta el proceso de corte. Estas reacciones exotérmicas son las responsables de que con oxígeno se puedan cortar grandes espesores y materiales con alta reflectividad (como el aluminio).  Corte con gas no activo. En el corte con gases no activos, como por ejemplo con nitrógeno o con argón., el material es calentado hasta su punto de fusión, solamente por el haz láser, y el material fundido es desalojado de la ranura de corte por la energía cinética del chorro de gas de corte (a elevada presión). Dado que los gases utilizados no son activos, y por tanto no hay aporte extra de calor por combustión, la potencia del haz láser que debemos utilizar será mucho mayor que la utilizada en el corte con oxígeno para espesores similares. El corte con gases no activos se conoce también como corte limpio o corte de alta presión. Otros procesos de corte son el corte por sublimación y el corte frío. En el corte por sublimación el metal sólido pasa a estado gaseoso sin pasar por la fase líquida. Los gases que se utilizan en este caso como soporte, tienen la misión de expulsar el vapor metálico. En el corte frío la energía del haz láser se utiliza en romper los enlaces químicos del material produciendo residuos en forma de polvo. La energía del haz debe ajustarse a la energía de enlace químico, siendo normalmente no necesario el uso de gas de soporte. Revisión 3–Enero 2016 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 16 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL 5.2.2. Láseres de Corte Para el corte se pueden utilizar varios tipos de láseres en tanto sean capaces de focalizar el haz en un foco de pequeñas dimensiones, con la intensidad suficiente como para fundir el material, y con una longitud de onda tal que la radiación láser pueda ser absorbida por el material en proceso. En la actualidad, el láser CO2, el láser de Nd:YAG y el láser de excímero son los comúnmente utilizados en el procesado de materiales. 5.2.3. Parámetros del Corte Láser Operación del Láser en Modo Continuo (CW) o Modo Pulsado. Las mayores velocidades de corte se consiguen con el modo continuo operando a las potencias más altas. En modo continuo la potencia de salida del láser es constante. A alta velocidad la mayor parte de la potencia del láser se utiliza en fundir y vaporizar el frente de corte, siendo mínimas las pérdidas por conducción. Sin embargo cuando el láser tiene que invertir el sentido de corte, o el corte se efectúa trazando un ángulo agudo, la velocidad se reduce, y una parte significativa de la potencia del láser se pierde por conducción, produciendo el calentamiento de la pieza y disminuyendo la calidad del corte. Obtener una calidad adecuada en el corte de geometrías agudas o en la perforación de espesores grandes es tarea difícil cuando se opera con el láser en modo continuo. El modo pulsado puede obtener mejores resultados en estas circunstancias. La alta potencia de pico en pulsos cortos, produce el suficiente calentamiento para la fusión y vaporización del material, y la efectiva eliminación del mismo de la ranura de corte, manteniendo, a su vez, la pieza fría debido al bajo promedio de potencia. Las velocidades conseguidas con el modo pulsado son mucho más pequeñas que las alcanzadas con el modo continuo. Con objeto de obtener un incremento significativo en la calidad del corte, la potencia media del láser disminuye por debajo de los 200 W, resultando en velocidades de corte del orden del 10% de las obtenidas con el modo continuo. En el corte de materiales metálicos, la potencia de pico oscila entre 1 a 10 kilovatios, y cada pulso tiene la duración suficiente para producir la fusión del frente de corte, que normalmente oscila entre 1 a 3 milisegundos. Potencia e Intensidad del Láser. Valores altos de intensidad producen un rápido calentamiento del material, lo que se traduce en la existencia de poco tiempo para que el calor se disipe por conducción en el interior de la pieza, resultando una alta velocidad y calidad de corte. La intensidad del haz también determina el espesor de material que puede cortarse. Cuanto mayor es el espesor a cortar, mayor será la intensidad del láser necesaria. Una intensidad alta se puede alcanzar utilizando mayores potencias, o concentrando más el haz mediante lentes de Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 17 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL longitud focal menor. No obstante la reducción de la distancia focal, también se traduce en disminución de la profundidad de foco, lo que limita su uso en espesores grandes. Las altas intensidades se pueden alcanzar en modo continuo o pulsado. La potencia de pico en el modo pulsado o la potencia media en el modo continuo, determinarán la capacidad de penetración. La velocidad de corte está determinada por el nivel medio de potencia. Cuanto más alto sea este nivel, mayor será la velocidad de corte (figura 22). Sin embargo, no siempre potencias de haz altas conducen a altas intensidades. Las lentes, utilizadas para focalizar el haz, tienen gran importancia en la determinación de la velocidad de corte. Figura 22. Velocidades de corte láser típicas Distancia Focal de las Lentes. La distancia focal afecta al tamaño del foco y por tanto a la intensidad del haz láser en dicho punto, lo que a su vez condiciona la velocidad de corte. Un haz con mayor intensidad láser, puede desarrollar mayores velocidades de corte. La profundidad focal, que define la tolerancia a la variación de la posición relativa de la lente a la pieza y el espesor máximo que se puede cortar, dependen de los mismos parámetros. En general, tamaños pequeños de punto focal se corresponden con profundidades focales pequeñas. Esto significa que las lentes con distancias focales cortas producen puntos focales pequeños y profundidades de foco reducidas, lo que se traduce en alta velocidad de corte y alta calidad en espesores pequeños. No obstante se deberá tener un cuidado exquisito en mantener constante la distancia de la lente a la pieza (distancia de trabajo). Cuando se van a cortar espesores Revisión 3–Enero 2016 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 18 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL grandes, la profundidad de foco se tiene que adaptar al espesor a cortar seleccionando la adecuada distancia focal (figura 23). Debido a que longitudes focales grandes producen tamaños de foco altos, se debe compensar con potencias de láser mayores, con objeto de obtener la intensidad de haz necesaria. Figura 23. Capacidad del haz para ser enfocado en función de la distancia focal Modo del Haz. Un buen modo determina el resultado del corte. El mejor modo es el gausiano que se caracteriza por facilitar la focalización del haz en un punto de pequeño tamaño. El modo gausiano se conoce con la designación TEM00. Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 19 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Figura 24. Modo del haz Longitud de Onda de la Radiación Láser. La longitud de onda de la radiación láser determina en que porcentaje es ésta absorbida por el material a cortar (figura 25). La proporción de radiación láser de CO2 absorbida por el acero frío es del 15%, lo que supone que el 85% es reflejado. El porcentaje de radiación láser de Nd:YAG absorbida en el mismo caso es del 25%. La alta reflectividad inicial de los metales se supera, tanto en láseres de CO2, como de Nd:YAG, aportando la suficiente intensidad de haz láser. La proporción de radiación absorbida aumenta al aumentar la temperatura del material. El vidrio no puede cortarse con un láser con longitud de onda en la franja visible o en el infrarrojo cercano (Nd: YAG), ya que el haz es transmitido sin absorber energía del mismo. Materiales con alto índice de reflexión, como el aluminio o el cobre absorben unas longitudes de onda mejor que otras, no obstante a la hora de seleccionar un equipo láser prevalecen otros parámetros láser como: potencia pico, longitud del pulso o capacidad de enfoque. Así cuando se dice, por ejemplo, que el láser de Nd: YAG, corta con mejor calidad que el láser de CO2, sólo es cierto si se compara el láser Nd: YAG en modo pulsado, frente al láser de CO2 en modo continuo. Figura 25. Absorción de la radiación láser en función de la longitud de onda Posición del Foco con respecto a la Pieza. El reducido tamaño del foco, nos proporciona un alto valor de densidad de energía para el procesado de los materiales. Por encima y por debajo del plano que contiene al foco, la densidad de energía se reduce. Una medida para cuantificar la reducción de la densidad de energía, con el crecimiento del diámetro del foco, es la profundidad focal. Una distancia focal pequeña determina un tamaño de foco pequeño, pero también una profundidad de foco pequeña. Fijada Revisión 3–Enero 2016 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 20 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL la posición del foco con respecto a la superficie de la pieza, es preciso mantenerla constante durante el corte. El foco puede situarse sobre la superficie (en el caso de corte con oxígeno) o una profundidad de hasta 75% del espesor del material (figura 26). Con láseres de alta potencia la operación de focalizar el haz es menos sensible que con láseres de baja potencia. Ciertos materiales son más sensibles que otros a la posición del foco sobre la pieza de trabajo. La posición del foco es un parámetro que debe controlarse con objeto de garantizar un buen comportamiento durante el corte. Esta está sujeta a:  Las variaciones de material a cortar y de espesor requieren ajustes en la posición del foco.  Variaciones en el modo (TEM) del haz, así como cambios en la temperatura del agua de refrigeración, o la posible contaminación de las lentes, pueden inducir cambios en la posición del foco. Figura 26. Posición del foco sobre la pieza Tamaño de la Boquilla y Distancia Boquilla -Pieza. El gas de proceso (el de corte) es esencial en el corte con láser. Por esta razón el tamaño de boquilla y la distancia boquilla -pieza son importantes. El diseño de las toberas, así como la dinámica del fluido gaseoso a través de las mismas, difiere mucho de otros procesos de corte térmico (figura 27). Esto es debido a lo compacto de las boquillas en el corte láser, y su diámetro, que producen una ranura en el material de tamaño más pequeño que sus dimensiones. No obstante sólo una porción del gas perteneciente al chorro generado por la boquilla penetra en la ranura practicada en el material. La distancia boquilla -pieza depende del diseño de la boquilla. Las distancias boquilla -pieza en aplicaciones de corte láser estándar, no se prolongan más allá del valor del diámetro de la boquilla, de lo contrario el chorro de corte sufrirá variaciones de presión e incluso turbulencias. Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 21 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Cuando se utilizan distancias boquilla -pieza pequeñas, la propia ranura de corte actúa como boquilla, y el diseño de esta última ya no es tan crítico. Cuando se utilizan distancias boquilla - pieza altas, se debe prestar especial atención al diseño de la boquilla especialmente cuando la presión de trabajo excede los 2-3 bar. Los diámetros de boquilla más usuales caen en el rango de 0,8 -3 mm, lo que implica que la distancia boquilla -pieza está en el rango de 0,5 -1,5 mm, con objeto de lograr buenos resultados. Figura 27. Efecto de la distancia boquilla-pieza en el corte láser Gases de Corte: Caudal y Presiones. La selección del gas de proceso es fundamental en el resultado del corte. El oxígeno muestra buen comportamiento en el corte de acero al carbono y de baja aleación. Sin embargo, la superficie de corte estará cubierta con una película de óxido, e incluso se puede producir la difusión de oxígeno en la matriz de la aleación. Por esta razón los aceros de alta aleación se cortan preferentemente con N2, siempre y cuando se disponga de la suficiente potencia láser. También se está extendiendo el uso del nitrógeno como gas de corte para aceros al carbono, cuando las piezas resultantes van a ser metalizadas. Cualquier capa de óxido presente en la pieza puede impedir la unión efectiva entre el acero y el material de recubrimiento, disminuyendo la resistencia a la corrosión de dichas piezas. El cambio de oxígeno a nitrógeno como gas de corte, requiere ciertos ajustes en la máquina láser. Se pueden seguir las siguientes reglas como orientación en el corte con oxígeno y con nitrógeno: Regla General para el Corte de Acero al Carbono con Oxígeno: “Cuanto mayor es el espesor del acero menor es la presión de oxígeno. Máximo de presión 6 bar” Regla General para el Corte de Acero Inoxidable con Nitrógeno: Revisión 3–Enero 2016 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 22 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL “Cuanto mayor es el espesor del Acero Inoxidable mayor es la presión de nitrógeno. Mínima presión 8 bar”. Los últimos desarrollos de la industria láser nos proporcionan máquinas de corte de hasta 6 kW de potencia. Lo que permite abordar trabajos de corte de aceros inoxidables que antes no se podía por falta de potencia. Dado que no contamos con la ayuda de una reacción química exotérmica, el corte de espesores crecientes se aborda con presiones de gas crecientes igualmente. Dado que la lente del cabezal láser forma parte de la cámara de gas, la presión de trabajo está limitada por la resistencia de dichos elementos ópticos, así en dispositivos más antiguos, la presión se limitaba a 12 bar, en función de la composición de la lente y de sus dimensiones. Actualmente se dispone de lentes más gruesas que permiten el uso de presiones de hasta 20 bar, lo que representa una ventaja en el corte de aceros inoxidables y aluminio. En la siguiente sección se indican los parámetros de corte adecuados al corte de los materiales más comunes. 5.2.4. Corte de Aceros al Carbono y de Baja Aleación El oxígeno es el gas de corte normalmente utilizado en el corte de chapa de acero al carbono y baja aleación con láser de CO2. Los perfiles forjados y estructuras tubulares, típicas en fabricaciones dentro del sector de la automoción, se cortan preferentemente con láser de Nd: YAG, transportado por fibra óptica y con el cabezal de soldeo montado en un robot. Hoy en día chapas de hasta 18 mm de acero al carbono se pueden cortar con un láser de potencia 3 kW. El foco se sitúa muy cerca de la superficie superior de la chapa. Una guía que contempla los parámetros de corte más importantes se recoge en la tabla 1. Las tablas incluidas en el presente documento deben utilizarse sólo como guías. Se pueden producir desviaciones en función del tipo de láser, el sistema de transporte del haz, disposición de la boquilla y condiciones del foco. Es el caso precisamente cuando se cortan perfiles de acero. La velocidad de corte es más baja en este último caso que en el corte de chapa, debido a que los automatismos utilizados (un robot, por ejemplo), no son capaces de seguir a suficiente velocidad el contorno de la pieza. Cuando se cortan chapas de espesor hasta 6 mm, se suelen utilizar lentes de distancia focal de 125 mm. Para el corte de chapa con espesores por encima de 6 mm se utilizan preferentemente lentes con distancia focal de 182 mm. Para cortar chapas con espesor entre 12 -24 mm se precisa un láser con una potencia mínima de 3 kW. La presión de oxígeno se limita normalmente a 1 bar, siendo el diámetro de la boquilla de 2-3 mm. El foco se posiciona 1,3 mm sobre la superficie superior de corte. Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 23 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Un factor de gran trascendencia en el corte de los aceros al carbono y de baja aleación es la pureza del oxígeno. La velocidad de corte se puede incrementar utilizando oxígeno de alta pureza (99,9 -99,99 %), en lugar de oxígeno de pureza convencional (99,7 %). El incremento en la velocidad de soldeo oscila entre el 10 -20 %, dependiendo del tipo de acero y espesor a cortar, aunque la ganancia de productividad depende fundamentalmente del tipo de pieza que se está procesando. El incremento de productividad, es mayor en piezas de gran tamaño, frente a piezas de geometría complicada, donde el proceso está limitado por la capacidad del sistema de desplazamiento mecánico, más que por el proceso de corte en sí mismo. Figura 28. Efecto de la pureza del oxígeno en la velocidad de corte láser y el consumo de oxígeno Cuando se corta acero al carbono o de baja aleación con oxígeno se forma una fina capa de óxido sobre la superficie de corte. En la mayoría de las ocasiones esto no revierte ningún problema, salvo cuando las piezas vayan a ser pintadas o recubiertas, en cuyo caso la adhesión de la pintura y en consecuencia la resistencia a la corrosión se ven mermadas. En tales casos el corte con nitrógeno a alta presión es una alternativa para obtener superficies libres de óxido. Para espesores altos, esto conduce a una disminución en la velocidad de corte. Para espesores pequeños, los láseres más modernos proporcionan velocidades incluso superiores al corte con oxígeno. El estado superficial de estos materiales tiene una gran influencia en el resultado del corte. El corte con oxígeno de chapas oxidadas aumenta la tendencia a la formación de escoria y muescas en la superficie de corte. En el mismo sentido superficies pintadas producen el mismo efecto. Esto se aplica más concretamente a chapas recubiertas con imprimaciones a base de zinc u óxido de hierro. En el corte con oxígeno los problemas comienzan cuando la pintura se encuentra sobre la superficie que encara la tobera. El corte presenta entonces escorias y mellas. Si la pintura se encuentra en la cara opuesta a la tobera no se producen problemas. Los problemas en el corte de chapas pintadas se solventan utilizando el corte con nitrógeno con alta presión, aunque, evidentemente la velocidad será menor. Revisión 3–Enero 2016 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 24 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL El corte de chapa de acero al carbono cubierta de Zn (galvanizado o por inmersión en caliente) presenta grandes problemas cuando se utiliza el oxígeno como gas de corte. Siempre hay presencia de escoria en el fondo del corte, y la superficie de corte se muestra muy rugosa. En la industria, en este caso, se utiliza el corte con nitrógeno con alta presión. La calidad de corte es aceptable y está libre de escorias adherentes. Tabla 1. Parámetros para el corte láser de acero al carbono y de baja aleación con oxígeno, incluyendo los requisitos de presión y volumen. Espesor de Potencia Distancia Diámetro Tobera Presión de Velocidad Material Láser Tobera- Oxígeno de corte Pieza mm (inch) W mm mm (inch) bar (psi) m/min (inch/min) 0.5 (0.02”) 500 0.3-0.6 0.6-0.8 (0.03-0.04) 3.5-6.0 (50-90) 15 (600) 1.0 (0.04”) 800 0.3-0.6 0.6-0.8 (0.03-0.04) 3.5-5.0 (50-75) 11 (440) 2.0 (0.08”) 1000 0.3-0.8 0.6-1.2 (0.03-0.05) 2.5-4.0 (35-60) 7 (280) 4.0 (0.16”) 1000 0.3-0.8 0.8-1.2 (0.03-0.05) 2.0-4.0 (30-60) 4 (160) 6.0 (1/4”) 1000 0.5-1.0 1.0-1-5 (0.04-0.06) 1.5-3.0 (20-45) 2.5 (100) 8.0 (0.32”) 1500 0.5-1.0 1.2-1.5 (0.05-0.06) 1.5-2.5 (20-35) 2.0 (80) 12.0 (1/2”) 1500 0.5-1.0 1.2-1.5 (0.05-0.06) 1.0-2.0 (15-30) 1.0 (40) 18.0 (3/4”) 2000 0.5-1.0 1.2-1.5 (0.05-0.06) 0.5-1.0 (7-15) 0.5 (20) 25.0 (1”) 3000 0.5-1.0 1.5-2.0 (0.06-0.08) 0.5-0.7 (7-10) 0.5 (20) 5.2.5. Corte de Aceros Inoxidables y Otros Aceros de Alta Aleación En la industria se utiliza tanto el oxígeno como el nitrógeno en el corte de los aceros inoxidables y de alta aleación. En el corte con oxígeno se logran mayores velocidades gracias a la contribución energética de la reacción exotérmica de combustión que se produce. Los máximos espesores que se tratan en la actualidad son de 18 -20 mm. La posición optima del foco es sobre la superficie o justo debajo de la misma. En contraste con el acero al carbono, el corte de acero inoxidable con oxígeno requiere mayores presiones (en torno a 5 bar), incluso con espesores altos. El uso de oxígeno de alta pureza, 99,9 % ó 99,95 %, proporciona mayores velocidades de corte que el oxígeno convencional 99,5 %. En la tabla 2 se recoge un conjunto de parámetros de corte. La principal desventaja del uso del oxígeno en el corte de inoxidable es la presencia de escoria y la decoloración de la superficie de corte debido a la oxidación del cromo y el hierro. Estos óxidos entorpecen el procesado posterior por soldadura. En el soldeo TIG, por ejemplo, la raíz del cordón presenta puntos negros de óxido, y en algunos casos faltas de penetración. Así mismo la oxidación de los bordes de corte acelera la corrosión de la aleación. Los inconvenientes del corte con oxígeno son importantes, ya que requieren costosas operaciones de reprocesado. Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 25 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL El corte con nitrógeno a alta presión proporciona cortes libres de escoria y superficies oxidadas, con el inconveniente de que la velocidad de proceso se ve reducida, en comparación con el corte con oxígeno. Se puede aumentar la velocidad incrementando la potencia del láser. Láseres de CO2 con potencia de 2.500 W son normalmente utilizados con este propósito. El espesor máximo que puede cortarse con esta técnica en la actualidad es de 12 -16 mm. Con objeto de obtener cortes libres de escoria, el foco se sitúa lo más próximo posible de la superficie inferior de la chapa. La ranura de corte es más ancha que en el corte con oxígeno, lo que facilita el acceso del nitrógeno y el desplazamiento por éste del metal fundido. Una consecuencia de la posición del foco en el corte con nitrógeno es el incremento de la ranura de corte, asimismo el diámetro del haz láser sobre la superficie es mayor, requiriéndose por tanto mayores diámetros de boquilla, para facilitar el paso del haz a través de tobera sin que se produzca la interferencia del haz con la tobera. Figura 29. Posición del foco en el corte con O2 y con N2 Se requiere al menos una tobera de 1,5 mm de diámetro para el corte con nitrógeno de alta presión. En la tabla 3 se recogen parámetros de corte con nitrógeno a alta presión. La pureza del oxígeno tiene un efecto pequeño sobre la velocidad de corte, siempre que como mínimo ésta sea de 99,8 %. Pequeñas cantidades de oxígeno presentes en el nitrógeno como impurezas pueden producir oxidación en la superficie de corte. En el caso del corte de acero inoxidable esto se manifiesta con un oscurecimiento de la superficie de corte y una disminución de la resistencia a la corrosión en el borde de corte. Revisión 3–Enero 2016 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 26 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL El oxígeno, debe limitarse a 20 ppm (0,002%). Este requisito es aconsejable para el corte láser con nitrógeno, para otras aplicaciones industriales pueden utilizarse purezas menores. Las impurezas de oxígeno están más asociadas al suministro de gas en botellas o bloques. El nivel de impurezas de oxígeno en el nitrógeno líquido es muy bajo, por lo que el uso de este producto no produce decoloración de la superficie de corte. Tabla 2. Parámetros para el corte láser del acero inoxidable con oxígeno incluyendo presiones y caudales. Espesor de Potencia Distancia Diámetro Presión de gas Velocidad material láser tobera- tobera de corte pieza mm (inch) W mm mm (inch) bar (psi) m/min (inch/m) 0.5 (.02”) 1000 0.3-0.6 0.6-1.2 (.03-.05) 4.0-6.0 (60-90) 15 (600) 1.0 (.04”) 1000 0.3-0.6 0.6-1.2 (.03-.05) 4.0-6.0 (60-90) 11 (440) 2.0 (.08”) 1000 0.3-0.6 0.6-1.2 (.03-.05) 4.0-6.0 (60-90) 7 (280) 4.0 (.16”) 1500 0.3-0.6 0.8-1.5 (.03-.06) 4.0-5.0 (60-90) 3 (120) 6.0 (1/4”) 1500 0.5-0.8 1.0-1.5 (.04-.06) 3.5-5.0 (50-75) 0.6 (24) 9.0 (3/8”) 1500 0.5-0.8 1.5 (.06) 3.5-4.0 (50-60) 0.3 (12) Nota: la presión y el caudal de oxígeno son altos en comparación con el acero al carbono. Tabla 3. Parámetros para el corte láser de acero inoxidable con nitrógeno incluyendo requisitos de caudal y presión. Nota: a mayor espesor, mayor presión. Espesor de Potencia láser Distancia Diámetro Presión de gas Velocidad de Material Tobera- Tobera Corte Pieza mm (inch) W mm mm (inch) Bar (psi) m/min (inch/m) 1.0 (.04”) 1500 0.3-0.6 1.5 (.06) 6 (90) 7 (280) 2.0 (.08”) 1500 0.3-0.6 1.5 (.06) 9 (135) 4 (160) 4.0 (.16”) 3000 0.3-0.8 2.0 (.08) 13 (195) 3 (120) 6.0 (1/4”) 3000 0.5-1.0 2.5-3.0 (.1-.12) 14 (210) 1.5 (60) 9.0 (3/8”) 4000 0.5-1.0 2.5-3.0 (.1-.12) 16 (240) 1 (40) 12.0 (1/2”) 4000 0.5-1.0 3.0 (.12) 19 (285) 0.5 (20) 16.0 (.02’) 4000 0.5-1.0 3.0 (.12) 20 (300) 0.25 (10) Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 27 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Figura 30. Consumo de nitrógeno en el corte de acero inoxidable 5.2.6. Corte del Aluminio y sus Aleaciones Con el término aluminio designamos tanto al aluminio puro como a las aleaciones de aluminio. El aluminio puro es demasiado blando, por lo que se alea con pequeñas cantidades de magnesio, cobre, manganeso, silicio y zinc, para incrementar su resistencia mecánica. El corte del aluminio con láser de CO2, resulta difícil debido a la alta reflectividad y conductividad térmica del aluminio. Las aleaciones de aluminio resultan más fáciles de cortar que el aluminio puro consiguiéndose mayores velocidades. El aluminio anodizado se corta más fácilmente que el aluminio puro debido a la mejora de la absorción de la radiación láser como consecuencia de la presencia de la gruesa capa de óxido de aluminio presente en estos materiales. Una potencia láser elevada, del orden de 2 kW junto con una buena calidad de haz, mejoran el corte del aluminio. Lentes con una distancia focal pequeña, del orden de 63 mm, proporcionan una mayor densidad de potencia en el foco, lo que facilita el procesado de espesores pequeños. Los espesores máximos que pueden cortarse en la actualidad varían de 6-8 mm. El aluminio se puede cortar con oxígeno o con nitrógeno. No obstante no se incrementa de forma sensible la velocidad de corte al pasar de nitrógeno a oxígeno. La explicación de este efecto es la alta temperatura de fusión de la capa de óxido de aluminio, 2072 ºC. Una capa de óxido de aluminio en estado sólido o plástico, se sitúa en el frente de corte evitando la acción directa del oxígeno sobre el aluminio. La capa de óxido puede romperse como consecuencia de la turbulencia del baño fundido, permitiendo que se produzca cierta reacción entre el oxígeno y el aluminio, pero a baja velocidad. Revisión 3–Enero 2016 Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 28 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL No obstante el corte de aluminio con oxígeno a baja presión, menor de 6 bar, es muy común. El haz debe enfocarse en la superficie superior de la chapa. Un oxígeno de calidad normal (99,7%) es suficiente, no obteniéndose mejores resultados al aumentar la pureza del gas. La principal desventaja del corte de aluminio con oxígeno son los bordes con escoria adherida y superficies de corte rugosas. Superficies de corte libre de escoria y lisas, se obtienen con el corte con oxígeno o nitrógeno a alta presión. Se ha demostrado que el nitrógeno es la mejor alternativa para el corte a alta presión de las aleaciones de aluminio, mientras el oxígeno ofrece mejores resultados para el corte de aluminio puro. Esto queda reflejado en la figura 31 donde se recoge el rango de parámetros que permite la obtención de cortes libres de escorias, para el aluminio puro y la aleación (AlMg3). Figura 31. Corte libre de escorias para chapa de 2 mm de Al y aleación de Al. Con 1500 W de potencia láser Cuando se corta aluminio con nitrógeno a alta presión, el foco se sitúa próximo a la superficie inferior de la chapa. En la tabla 4 se resumen los parámetros característicos para el corte de la aleación AlMg 2.5. Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE Revisión 3–Enero 2016 Módulo I. Tema 1.12.4 Soldeo por Láser 29 ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN –CESOL Tabla 4.Parámetros para el corte láser de la aleación AlMg 2.5. La tabla contempla parámetros libres de escorias. Gas de corte: Nitrógeno. 1 bar = 14.5 psi. 1 mm = 0.0394 in. 1 m/min = 39.4 ipm. Espesor de Potencia Distancia Diámetro Presión de Velocidad de Material láser Tobera-Pieza Tobera gas Corte mm (inch) W mm mm (inch) Bar (psi) m/min (inch/m) 1.0 1500 0.3-0.6 1.5 9 310 2.0 1500 0.3-0.6 1.5 12 130 3.0 3000 0.3-0.8 2.0 14 100 4.0 3000 0.3-0.8 2.0 15 40 6.0 4000 0.5-1.0 2.5-3.0 16 30 9.0 4000 0.5-1.0 2.5-3.0 17 8 5.2.7. Corte del Titanio No se puede utilizar ni el nitrógeno ni el oxígeno para el corte del titanio, ya que estos penetran en la superficie de este material generando una capa de compuestos intermetálicos frágiles, como ocurre si se absorbe hidrógeno. Esto compuestos pueden agrietarse, y la grieta progresar a lo largo del material. El corte a alta presión con un gas completamente inerte es la alternativa más viable. Asimismo la pieza es fijada en el interior de un contenedor relleno de gas inerte. Se utiliza argón de alta pureza o mezclas de argón -helio, con contenidos muy bajos en oxígeno (99.996%, 99.999%). El uso de ciertas cantidades de He en la mezcla de gas de corte controla la formación de plasma cuando se utilizan altas intensidades de corte y que puede provocar escorias adheridas. El uso de posiciones de foco profundas, tomando como referencia la superficie de la pieza, representa una ventaja. 5.2.8. Corte de Aleaciones base Níquel El níquel es el elemento base de aleaciones de gran importancia industrial como: Inconel (Ni-Cr), Nimonic (Ni-Cr-Co), Hastelloy (Ni-Mo-Cr) and Monel (Ni-Cu). Se puede utilizar el corte con oxígeno a baja presión (

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