Cómo el corte de aluminio por láser cambió las reglas de la fabricación de metal

El corte de aluminio con láser nunca ha sido pan comido, teniendo en cuenta la alta conductividad térmica y la reflectividad óptica del material. Pero en muchos sentidos, el láser de fibra ha cambiado el 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 asomaba su fea cabeza. Este complicado material no ferroso de corte por láser a lo grande. El corte de cobre y latón con un láser de CO2 era (y sigue siendo) raro, 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 micras 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 entra por el agujero, pero asegurarla requiere un poco de esfuerzo.

Luego, a principios de este siglo, el láser de fibra entró en escena con su longitud de onda de 1 micrón. La mayoría de los metales comunes en el taller de fabricación absorben más y reflejan menos de esa longitud de onda de 1 micrón que la longitud de onda de 10,6 micrómetros. En el ámbito del láser de fibra, de hecho, el aluminio se 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 entalladura? 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 el corte por láser, es el autor de la Guía de corte por láser para la fabricación, publicada por SME.

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

Tenga en cuenta que lo que sigue no cubre parámetros de corte específicos, que para la mayoría de las máquinas de corte son establecidos por el fabricante del equipo. Algunos fabricantes usan esta configuración de fábrica, otros la ajustan según los requisitos de la aplicación. Lo que sigue describe, en términos básicos, "diario no fotónico", por qué esos parámetros funcionan de la manera que 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 con 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 la mitad para dejar que se enfriara. No era agradable, pero era factible".

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

"Entonces, el proceso de corte por láser no solo fue menos eficiente", dijo Caristan, "sino que tuvieron que lidiar con la retro-reflexión a través de los sistemas ópticos, yendo hasta las cavidades de los resonadores láser, a menudo destruyéndolos. Hemos aprendí mucho desde entonces. La mayoría de las máquinas, incluidos los sistemas de láser de fibra, tienen controles numéricos y ópticos integrados que mitigan o evitan la reflexión inversa".

Los fabricantes de herramientas y troqueles prestan atención a la resistencia y las propiedades de corte de un 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 las condiciones de la superficie del material, incluidas las películas y los revestimientos.

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

"La dificultad al cortar aluminio es hacer un corte limpio con la mínima escoria", dijo Caristan. "Con el gas de asistencia, la entrega y el flujo adecuados, 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 un poco más de 1,200 grados F. Como lo describió Caristan 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 1,328 grados F, una diferencia de solo 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 se duplica con creces 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 capa delgada 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 importante que el gas auxiliar lo elimine rápidamente antes de que se vuelva a solidificar", explicó Caristan. "Si no se descarga lo suficientemente rápido, se forman estalactitas en el borde inferior, también conocidas como escoria". Agregó que la buena noticia es que, en comparación con la escoria de materiales como el acero inoxidable, la escoria de aluminio generalmente es suave, tan suave que muchos operadores pueden quitarla 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 aleja de 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 las diferentes características de corte entre grados, especialmente en materiales más gruesos. Como Caristan publicó en su libro, el aluminio de la serie 6XXXX experimentó una pérdida por 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 por conducción de calor. De hecho, toda la pérdida de calor obligó a muchas operaciones a lidiar con las expansiones térmicas en la hoja, a veces escribiendo el programa de corte para que la cabeza se moviera alternativamente de un cuadrante a otro de la hoja, 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 el 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, las densidades de potencia y las velocidades que ofrece el rayo láser de fibra moderno, ha mejorado sustancialmente el rendimiento del corte por láser.

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

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

Tradicionalmente, el aluminio generalmente requiere un foco de haz que se encuentra muy por debajo de la superficie del material, particularmente a medida que el material se vuelve más grueso. Esto ayuda a eliminar el material por la parte inferior de la ranura. Para comprender cómo y por qué ocurre esto, visualice el material que se derrite 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 derrite 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 la parte inferior de la ranura para el metal fundido, lo que hace que los óxidos metálicos se congelen y se conviertan en escoria.

Establezca el foco bajo debajo de la superficie del material y la situación de la densidad de potencia cambia. A medida que el material fundido de cerca de la superficie del material viaja 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 la parte inferior.

El acto de equilibrio apenas comienza. "Hay una ventana de oportunidad para la velocidad de corte", dijo Caristan. "Si corta demasiado rápido, produce escoria. Pero si corta demasiado despacio, también produce escoria".

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

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

La velocidad de desplazamiento también afecta el ancho de corte. Una velocidad de desplazamiento más lenta crea una sangría más ancha, mientras que una viga más rápida crea una sangría más estrecha. "A medida que su corte se estrecha, tiene dificultad para pasar el gas de asistencia y no logra tanta potencia de lavado", 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. Corte el aluminio (y otros materiales) demasiado lentamente y verá estrías profundas. "Esos representan evidencia de una corriente de gas empujando y expulsando 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 de asistencia desde donde pretendía que fluya", dijo Caristan, "y puede interrumpir la cantidad de gas que fluye a través de la ranura".

Si las ondas de choque se desvían por encima de la entalladura, forman una barrera parcial que obstruye 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 suceda aumenta a medida que se reduce el ancho de 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 hacer que sean menos perjudiciales para el corte al establecer 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. Vaya más alto y 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 abertura de la boquilla. "Debe 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 cambia la dirección de corte".

La propagación del rayo enfocado y la distribución de energía son temas complejos, pero al pensar en el enfoque, imagine el rayo láser como dos conos, uno encima del otro. Donde se juntan 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 la forma en que varios grados de metal absorben la energía de los haces de láser de fibra, es parte de lo que hace que el láser de fibra sea tan efectivo.

"Es una de las razones por las que tiene la regla general: para ciertos materiales y grosores de materiales, cada kilovatio de un láser de fibra tiene un rendimiento de corte equivalente al doble 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 la cantidad de energía depende de qué tan bien un metal, incluido el aluminio, absorbe la energía del rayo láser. Pero esto es solo una parte de la ecuación.

El metal fundido necesita ser evacuado. 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 reduce 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 de asistencia evacúe 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, en términos relativos". Esta es una de las razones por las que establecer una posición de punto de enfoque más profundo (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 puedes cambiar la física de los rayos láser; todos convergen y divergen de un punto de enfoque. Aun así, se pueden cambiar otras características del haz para producir un mejor borde de corte.

Según explicó Caristan, algunos ofrecen un foco oscilante que ajusta su comportamiento con el grosor del material. Otros cambian la distribución o el modo de energía del haz según el grado y el grosor 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 densidad de energía más baja lejos del centro, lo que hace que el corte sea estrecho. Una distribución en forma de dona concentra la energía alrededor del perímetro del haz, manteniendo la energía más alta cerca de las paredes del corte.

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

Pero nuevamente, la energía del haz es solo la mitad de la ecuación; la efectividad 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 ve la ranura. Con estas boquillas táctiles que besan la superficie de la pieza de trabajo, se desperdicia menos gas en la superficie de la pieza de trabajo y más gas yendo directamente a la ranura".

Un taller que usa un láser para cortar acero dulce grueso con oxígeno 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 derretir y evacuar el material limpiamente.

Caristan describió una configuración de láser "ideal", con gas de asistencia que fluye de manera laminar perfecta hacia el corte, con un haz que elimina y limpia el material de forma limpia, sin "congelación" prematura en la parte inferior (escoria) o en el borde (estrías) . Las ondas de choque supersónicas están ahí, pero se mueven de 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 deben volver a trabajarse o desecharse. La industria ha recorrido un largo camino en la comprensión exacta de cómo el láser corta el metal y el trabajo continúa. Cuanto mejor sea la comprensión, mejores serán los parámetros de corte y mayores posibilidades tendrá un operador de lograr una pieza de corte limpio en el primer intento.

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