Cómo el corte de aluminio con láser cambió las reglas de la fabricación de metales

El corte de aluminio con láser nunca ha sido pan comido, considerando la alta conductividad térmica y la reflectividad óptica del material. Pero en muchos sentidos, el láser de fibra ha cambiado las reglas del juego. imágenes falsas

El láser de fibra cambió el juego del corte por láser, no solo por su velocidad sino también por su longitud de onda. La longitud de onda de 10,6 micrones del rayo láser de CO2 tuvo décadas de éxito desde el nacimiento de la industria del corte por láser, pero cuando se trataba de materiales no ferrosos, la reflectividad óptica asomó su fea cara. Este complicado corte por láser de materiales no ferrosos a lo grande. El corte de cobre y latón con láser de CO2 era (y sigue siendo) poco común, aunque algunos fabricantes tenaces lograron la hazaña.

Por supuesto, cortar aluminio con un láser de CO2 es bastante común. Pero la longitud de onda de 10,6 micrones del CO2 todavía no es ideal, por lo que el proceso sigue siendo un poco como apretar una pequeña clavija redonda en un agujero cuadrado más grande. No es imposible; la clavija todavía pasa por el agujero, pero asegurarla requiere algo de esfuerzo.

Luego, a principios de este siglo, entró en escena el láser de fibra con su longitud de onda de 1 micrón. Los metales más comunes en el taller fab absorben más y reflejan menos de esa longitud de onda de 1 micra que la longitud de onda de 10,6 micras. De hecho, en el ámbito del láser de fibra, el aluminio corta muy bien, al igual que el cobre y el latón.

Entonces, cuando un fabricante logra un corte limpio en aluminio u otro material no ferroso con el láser de fibra, ¿qué ocurre exactamente en la ranura misma? Para responder a esta pregunta, The FABRICATOR habló con Charles Caristan, PhD, miembro técnico y director de mercado global, fabricación y construcción de metales, en la oficina de Air Liquide en Conshohocken, Pensilvania. Caristan, experto desde hace mucho tiempo en corte por láser, es autor de la Guía de corte por láser para fabricación, publicada por SME.

Como explicó Caristan, la receta de corte de metales no ferrosos implica mucho más que la longitud de onda del haz. Otros componentes incluyen la densidad de potencia, el enfoque del haz, el ancho de la ranura y el tipo de gas de asistencia y el caudal. Combine todo esto de la manera correcta y obtendrá velocidades de corte asombrosas y cortes limpios del láser de fibra, incluso en una variedad de materiales no ferrosos que alguna vez se consideraron demasiado reflectantes para cortarlos con un rayo de luz láser de CO2.

Tenga en cuenta que lo que sigue no cubre los parámetros de corte específicos, que en la mayoría de las máquinas de corte los establece el fabricante del equipo. Algunos fabricantes utilizan estas configuraciones de fábrica, otros las ajustan según los requisitos de la aplicación. Lo que sigue describe, en términos básicos, propios de una revista no fotónica, por qué esos parámetros funcionan como lo hacen.

Si alguien dice que algo en el corte por láser es imposible o poco práctico, es probable que un fabricante en algún lugar lo haya hecho posible y práctico. Por ejemplo, Caristan recordó haber visitado a un fabricante hace años que cortó una aleación de cobre de 0,125 pulgadas de espesor utilizando un láser de CO2 de 2,5 kW. "El fabricante hizo esto durante años", dijo. “El cabezal de corte se movía lentamente y el operador tuvo que detener el ciclo de corte a mitad del proceso para dejar que se enfriara. No fue bonito, pero era factible”.

El corte por láser de materiales no ferrosos tiene un historial de enfrentar y superar obstáculos. Como explicó Caristan, los primeros usuarios del láser de CO2 experimentaron serios problemas al cortar material reflectante. Al principio, vieron los efectos de las características de baja absorción del aluminio que producían reflejos inversos.

“Así que no sólo el proceso de corte por láser fue menos eficiente”, dijo Caristan, “sino que tuvieron que lidiar con la retrorreflexión a través de los sistemas ópticos, llegando hasta las cavidades de los resonadores láser, destruyéndolas a menudo. Hemos aprendido mucho desde entonces. La mayoría de las máquinas, incluidos los sistemas láser de fibra, tienen ópticas y controles numéricos incorporados que mitigan o previenen la retrorreflexión”.

Los fabricantes de herramientas y matrices prestan atención a la resistencia y las propiedades de corte del material. Los ingenieros y técnicos que desarrollan parámetros de corte por láser dirigen su atención a otra parte, incluidas las características de absorción y reflectividad de un material; punto de fusion; viscosidad del material fundido; conductividad térmica; y condiciones de la superficie del material, incluidas películas y revestimientos.

La reflectividad de la superficie de los metales en incidencia normal y a temperatura ambiente (300 K) varía con la longitud de onda del haz de luz incidente. Fuente: Guía de corte por láser para fabricación de Charles Caristan.

"La dificultad al cortar aluminio es hacer un corte limpio con un mínimo de escoria", dijo Caristan. "Con el gas de asistencia, la entrega y el flujo adecuados, se puede minimizar la generación de escoria".

La viscosidad juega un papel aquí. Todo metal tiene un cierto nivel de viscosidad a la temperatura de fusión, pero la viscosidad no es constante a medida que el metal se calienta más. El láser lleva el aluminio mucho más allá de su temperatura de fusión de poco más de 1200 grados F. Como Caristan describió en su libro, la viscosidad del aluminio en realidad se reduce a más de la mitad a medida que su temperatura aumenta entre su temperatura de fusión hasta 1328 grados F, una diferencia de sólo un poco más de 100 grados F, un cambio de temperatura diminuto en el mundo del corte térmico. A medida que el material de baja viscosidad se enfría, su viscosidad aumenta a más del doble a medida que se acerca a la resolidificación, y evacuarlo de manera efectiva antes de que se solidifique se convierte en un asunto complicado.

"La baja viscosidad se convierte en un importante contribuyente a la acumulación de escoria", afirmó Caristan, "particularmente si la temperatura de fusión del material es relativamente baja, como ocurre con el aluminio".

Algunos desafíos de corte tienen que ver con la temperatura de fusión, especialmente cuando se trata de la fina capa de película de óxido de aluminio (Al2O3), que se forma en la superficie del aluminio cuando se expone a la atmósfera. La película evita una mayor corrosión, pero también complica el proceso de corte por láser.

El aluminio se funde a unos 950 K, o un poco más de 1200 F; el óxido de aluminio se funde a aproximadamente 2000 K, o a más de 3000 F. “El alto punto de fusión de la película de óxido de aluminio formada en la superficie de la gota de aluminio fundido hace que se solidifique muy rápidamente alrededor de la gota aún fundida, por lo que es muy Es importante que el gas de asistencia lo elimine rápidamente antes de que se vuelva a solidificar”, explicó Caristan. "Si no se elimina con suficiente rapidez, se forman estalactitas en el borde inferior, también conocidas como escoria". Añadió que la buena noticia es que, en comparación con la escoria de materiales como el acero inoxidable, la escoria de aluminio es generalmente blanda, tan blanda que muchos operadores pueden peinarla con el pulgar.

La conductividad térmica del aluminio es muchas veces mayor que la del acero al carbono, y esa conductividad térmica acelera la pérdida de calor; es decir, el calor se conduce desde la ranura hacia el cuerpo principal de la pieza de trabajo. Cuanta más pérdida por conducción de calor tenga, menos calor permanecerá en la ranura y menos eficiente será el corte por láser.

Las diferencias en la conductividad térmica contribuyen a diferentes características de corte entre grados, especialmente en materiales más gruesos. Como publicó Caristan en su libro, el aluminio de la serie 6XXXX experimentó una pérdida de conducción de calor mucho mayor que el aluminio 5XXXX; los dos cortan de manera similar en espesores de calibre, pero de manera muy diferente en material más grueso.

Históricamente, los operadores que cortaban aluminio con un láser de CO2 enfrentaban varios desafíos que hacían que el corte fuera más ineficiente: la alta reflectividad del haz de luz de 10,6 micras, así como la alta conductividad térmica del aluminio, que provocaba una mayor pérdida de conducción de calor. De hecho, toda la pérdida de calor obligó a muchas operaciones a lidiar con las expansiones térmicas en la lámina, a veces escribiendo el programa de corte para que el cabezal se moviera alternativamente de un cuadrante a otro de la lámina, igualando los efectos del calor.

Dicho todo esto, la densidad de potencia del láser de fibra y, nuevamente, la longitud de onda de 1 micrón realmente han cambiado las reglas del juego. Las propiedades térmicas del aluminio no han cambiado; todavía tiene una alta conductividad térmica. Pero también absorbe más y refleja menos energía del rayo láser de 1 micrón. Esto, combinado con los altos niveles de potencia, densidades de potencia y velocidades que ofrece el moderno rayo láser de fibra, ha mejorado sustancialmente el rendimiento del corte por láser.

El corte por láser de aluminio con gas auxiliar de nitrógeno o aire comprimido (que puede funcionar para materiales finos) fomenta una acción de corte similar a la de otras aleaciones cortadas con nitrógeno. Muy simplificado, todo es una interacción entre la energía térmica de la viga, la velocidad de alimentación, el ancho de corte resultante y el flujo de gas auxiliar que expulsa el material fundido fuera del corte. Perfeccione el flujo de gas auxiliar para que combine bien con el calor (características de enfoque y haz), la velocidad de corte y el ancho de la ranura, y obtendrá un borde de corte de calidad con mínimas estrías y escoria.

La optimización del enfoque, el flujo de gas auxiliar y otros parámetros minimiza las roturas y la escoria. Imagen cortesía de Air Liquide.

Tradicionalmente, el aluminio suele requerir un foco de haz profundo debajo de la superficie del material, especialmente a medida que el material se vuelve más grueso. Esto ayuda a eliminar el material del fondo de la ranura. Para comprender cómo y por qué ocurre esto, visualice el material que se funde en la parte superior de la ranura, esta vez con el punto de enfoque en la superficie del material o cerca de ella.

"El material se funde rápidamente y luego fluye a través de la ranura, donde el haz diverge y la densidad de energía cae cuadráticamente", dijo Caristan. Por lo tanto, hay menos energía disponible en el fondo de la ranura para el metal fundido, lo que hace que los óxidos metálicos se congelen y se conviertan en escoria.

Establezca el enfoque bajo debajo de la superficie del material y la situación de densidad de potencia cambiará. A medida que el material fundido cerca de la superficie del material desciende por la ranura, pasa a través de la sección más brillante de la viga y, por lo tanto, permanece líquido hasta que es evacuado por el fondo.

El acto de equilibrio apenas comienza. "Existe una ventana de oportunidad para la velocidad de corte", dijo Caristan. “Si se corta demasiado rápido, se produce escoria. Pero si se corta demasiado lento, también se produce escoria”.

La escoria de un corte rápido es intuitiva; el gas auxiliar no tuvo tiempo de eliminar el material fundido antes de que la fuente de calor (el rayo) avanzara, por lo que el material fundido se “congeló” en la parte inferior del corte como escoria.

Pero ¿qué pasa con la escoria que se produce al cortar demasiado lentamente? Caristan dijo que no tiene ciencia sólida que respalde esto, "pero creo que tiene que ver con la entrada de calor en el metal y la capacidad del gas auxiliar para eliminar todo el metal fundido a la vez".

La velocidad de desplazamiento también afecta el ancho de la sangría. Una velocidad de desplazamiento más lenta crea un corte más ancho, mientras que un haz más rápido crea un corte más estrecho. "A medida que el corte se estrecha, tiene dificultades para pasar el gas de asistencia y no logra tanta potencia de descarga", dijo Caristan. Esto a su vez afecta la calidad del corte, incluida la escoria.

Las estrías de los bordes también cambian con la velocidad de corte, junto con otras variables. Si corta el aluminio (y otros materiales) con demasiada lentitud, verá estrías profundas. "Estos representan evidencia de una corriente de gas que empuja y expulsa metal líquido", dijo Caristan.

Todo esto interactúa con otra variable que no se considera muy a menudo: la velocidad del gas que sale de la boquilla. Es supersónico y, como todo lo que viaja más rápido que el sonido, genera pequeñas ondas de choque. "Esta onda de choque puede desviar el flujo de gas auxiliar desde donde se pretendía que fluyera", dijo Caristan, "y puede interrumpir la cantidad de gas que fluye a través del corte".

Si las ondas de choque se desvían por encima del corte, forman una barrera parcial que obstaculiza la columna de gas auxiliar, lo que a su vez altera la dinámica del gas en el corte y podría afectar la capacidad del gas para evacuar el metal fundido de manera efectiva; por lo tanto, se obtiene mala calidad de corte. La probabilidad de que esto ocurra aumenta a medida que se reduce el ancho del corte.

Un ancho de corte variable puede ser un problema al cortar aluminio. En este ejemplo, el corte es ancho en la superficie superior (imagen superior) y apenas visible en la parte inferior.

Debido a que el flujo de gas es supersónico, los operadores de corte por láser no pueden eliminar las ondas de choque, pero pueden hacerlas menos perjudiciales para el corte ajustando correctamente la distancia de separación de la boquilla. "La regla general es que la distancia de separación debe ser igual o menor que el diámetro del orificio de la boquilla", dijo Caristan. Si sube más, exacerbará las desviaciones de las ondas de choque que podrían producir menos gas para llegar al corte.

Además, asegúrese de que el haz enfocado esté centrado en la apertura de la boquilla. "Es necesario asegurarse de que el centro de la abertura de la boquilla esté siempre perfectamente alineado con la línea central de la ranura", dijo. "Una desalineación se muestra en un rendimiento de corte diferente cada vez que se cambia la dirección de corte".

La propagación del rayo enfocado y la distribución de energía son temas complejos, pero cuando piense en el enfoque, imagine el rayo láser como dos conos, uno encima del otro. El lugar donde se unen las puntas de los conos es el punto de enfoque. Cuanto más corta sea la distancia focal de la óptica de enfoque, más gruesos serán los conos, menor será el tamaño del punto de enfoque y mayor será la densidad de potencia en el punto de enfoque.

El tamaño del punto de enfoque cambia con la longitud de onda, por lo que cuando el haz en sí está hecho de una longitud de onda más corta, la densidad de potencia en el punto de enfoque aumenta cuadráticamente. Esa alta capacidad de enfoque y lo bien que los distintos grados de metal absorben la energía de los rayos láser de fibra es parte de lo que hace que el láser de fibra sea tan eficaz.

"Es una de las razones por las que existe la regla general: que para ciertos materiales y espesores de material, cada kilovatio de un láser de fibra tiene un rendimiento de corte equivalente al doble que el del láser de CO₂ de la misma potencia", dijo Caristan.

En el corte por láser, una mayor densidad de potencia crea más energía térmica, y cuánta energía depende de qué tan bien un metal, incluido el aluminio, absorbe la energía del rayo láser. Pero esto es sólo una parte de la ecuación.

Es necesario evacuar el metal fundido. Una distancia focal corta de la óptica de enfoque significa que la densidad de potencia cae drásticamente a medida que se aleja de la posición del punto de enfoque. Esto estrecha el corte y también significa que el punto de enfoque debe estar en el lugar correcto, especialmente a medida que el metal se vuelve más grueso. La ranura estrecha puede dificultar que el gas auxiliar evacue limpiamente el metal fundido.

"Una óptica de enfoque con una distancia focal corta hace que el haz diverja rápidamente más allá del punto de enfoque", dijo Caristan, "por lo que cuando llegas al fondo del corte, tienes muy poca densidad de potencia, relativamente hablando". Esta es una de las razones por las que establecer una posición del punto de enfoque más profunda (dentro y no encima del material) en aluminio más grueso ha sido una práctica común.

Uno de los avances que ha visto la industria en los últimos años es disminuir el efecto de esta caída en la densidad de potencia. No se puede cambiar la física de los rayos láser; todos convergen y divergen de un punto de enfoque. Aun así, se pueden cambiar otras características de la viga para producir un mejor borde de corte.

Como explicó Caristan, algunos ofrecen un foco oscilante que ajusta su comportamiento con el espesor del material. Otros cambian la distribución de energía o el modo del haz según el grado y el espesor del material. Por ejemplo, un haz en modo gaussiano, con energía concentrada en el mismo centro que se disipa sobre el perfil del haz, tiene una menor densidad de energía lejos del centro, lo que genera una ranura estrecha. Una distribución de rosquilla concentra la energía alrededor del perímetro de la viga, manteniendo la energía más alta más cerca de las paredes del corte.

La escoria de aluminio es tan blanda que a menudo el operador puede quitarla con el pulgar.

Pero nuevamente, la energía del haz es sólo la mitad de la ecuación; la eficacia del flujo de gas auxiliar es la otra mitad. Aquí la tecnología de boquillas ha jugado un papel importante. Algunas boquillas ahora tienen componentes que tocan la superficie de la pieza de trabajo. Estos reducen el gas de asistencia desperdiciado que nunca llega al corte, lo cual es un problema particular con el corte más estrecho producido por el láser de fibra.

“En una boquilla típica, el flujo de gas se expande tan pronto como sale del orificio”, dijo Caristan, “y una gran parte nunca llega a la ranura. Con estas boquillas táctiles que rozan la superficie de la pieza de trabajo, se desperdicia menos gas en la superficie de la pieza de trabajo y más gas va directamente a la ranura”.

Un taller que utiliza un láser para cortar con oxígeno acero dulce grueso aprovecha la reacción química entre el oxígeno y el hierro. Para cortar aluminio más grueso y otros materiales no ferrosos con nitrógeno, se trata de fundir y evacuar el material de forma limpia.

Caristan describió una configuración láser "ideal", con gas auxiliar que fluye de forma laminar perfecta hacia el corte, con un haz que elimina y limpia el material limpiamente, sin "congelación" prematura en la parte inferior (escoria) o en el borde (estrías). . Las ondas de choque supersónicas están ahí, pero se mueven de una manera que no se desvían ni obstruyen el flujo de gas hacia la ranura.

Hoy en día, los láseres de alta potencia cortan extraordinariamente rápido, pero toda esa velocidad no tiene impacto si las piezas resultantes necesitan ser reelaboradas o desechadas. La industria ha recorrido un largo camino para comprender exactamente cómo corta el metal el láser y el trabajo continúa. Cuanto mejor sea esa comprensión, mejores serán los parámetros de corte y mayores serán las posibilidades que tendrá el operador de lograr una pieza de corte limpio en el primer intento.

Las nuevas tecnologías de boquillas, incluida la boquilla táctil, dan como resultado un menor desperdicio de gas auxiliar en la superficie de la pieza de trabajo. Foto cortesía de Air Liquide.