O corte con láser é unha tecnoloxía que utiliza un láser para vaporizar materiais, obtendo un bordo cortado.Aínda que normalmente se usa para aplicacións de fabricación industrial, agora é usado por escolas, pequenas empresas, arquitectura e afeccionados.O corte con láser funciona dirixindo a saída dun láser de alta potencia máis comúnmente a través da óptica.A óptica láser e o CNC (control numérico por ordenador) úsanse para dirixir o raio láser ao material.Un láser comercial para cortar materiais usa un sistema de control de movemento para seguir un código CNC ou G do patrón que se vai cortar no material.O raio láser enfocado diríxese ao material, que despois se funde, queima, evapora ou é expulsado por un chorro de gas[1], deixando un bordo cun acabado superficial de alta calidade.
Historia
En 1965, utilizouse a primeira máquina de corte con láser de produción para perforar buratos en matrices de diamante.Esta máquina foi feita polo Western Electric Engineering Research Center.[3]En 1967, os británicos foron pioneiros no corte con chorro de osíxeno asistido por láser para metais.[4]A principios dos anos 70, esta tecnoloxía púxose en produción para cortar titanio para aplicacións aeroespaciais.Ao mesmo tempo, os láseres de CO2 adaptáronse para cortar non metais, como os téxtiles, porque, naquel momento, os láseres de CO2 non eran o suficientemente potentes como para superar a condutividade térmica dos metais.[5]
Proceso
Corte industrial con láser de aceiro con instrucións de corte programadas a través da interface CNC
O raio láser é xeralmente enfocado usando unha lente de alta calidade na zona de traballo.A calidade do feixe ten un impacto directo no tamaño do punto focalizado.A parte máis estreita do feixe enfocado adoita ter menos de 0,32 mm (0,0125 polgadas) de diámetro.Dependendo do grosor do material, son posibles anchos de corte tan pequenos como 0,004 polgadas (0,10 mm).[6]Para poder comezar a cortar desde outro lugar que non sexa o bordo, faise unha perforación antes de cada corte.A perforación adoita implicar un raio láser pulsado de alta potencia que fai lentamente un burato no material, levando uns 5-15 segundos para o aceiro inoxidable de 0,5 polgadas de espesor (13 mm), por exemplo.
Os raios paralelos de luz coherente da fonte láser adoitan caer no intervalo de 0,06 a 0,08 polgadas (1,5 a 2,0 mm) de diámetro.Este feixe é normalmente enfocado e intensificado por unha lente ou un espello a un punto moi pequeno duns 0,001 polgadas (0,025 mm) para crear un feixe láser moi intenso.Para conseguir o acabado máis suave posible durante o corte de contornos, a dirección da polarización do feixe debe ser rotada a medida que vai arredor da periferia dunha peza de traballo contorneada.Para o corte de chapa, a distancia focal adoita ser de 1,5 a 3 polgadas (38 a 76 mm).[7]
As vantaxes do corte con láser fronte ao corte mecánico inclúen unha suxeición máis sinxela e unha menor contaminación da peza (xa que non hai un filo que poida contaminarse polo material ou contaminar o material).A precisión pode ser mellor, xa que o raio láser non se desgasta durante o proceso.Tamén hai unha menor probabilidade de deformar o material que se está cortando, xa que os sistemas láser teñen unha pequena zona afectada pola calor.[8]Algúns materiais tamén son moi difíciles ou imposibles de cortar por medios máis tradicionais.
O corte con láser para metais ten as vantaxes fronte ao corte por plasma de ser máis preciso[9] e de utilizar menos enerxía ao cortar chapa;porén, a maioría dos láseres industriais non poden cortar o maior grosor de metal que pode facer o plasma.As máquinas láser máis novas que funcionan a maior potencia (6000 vatios, en contraste cos 1500 vatios das primeiras máquinas de corte con láser) achéganse ás máquinas de plasma na súa capacidade para cortar materiais grosos, pero o custo de capital destas máquinas é moito maior que o do plasma. máquinas de corte capaces de cortar materiais grosos como chapas de aceiro.[10]
Tipos
Cortador láser CO2 de 4000 watts
Hai tres tipos principais de láser utilizados no corte con láser.O láser de CO2 é axeitado para cortar, perforar e gravar.Os láseres de neodimio (Nd) e neodimio itrio-aluminio-granate (Nd:YAG) son idénticos en estilo e só se diferencian na aplicación.O Nd úsase para aburrir e onde se require moita enerxía pero pouca repetición.O láser Nd:YAG úsase onde se necesita unha potencia moi elevada e para aburrir e gravar.Tanto os láseres de CO2 como de Nd/Nd:YAG pódense usar para soldar.[11]
Os láseres de CO2 adoitan ser "bombeados" facendo pasar unha corrente a través da mestura de gas (excitado por CC) ou usando enerxía de radiofrecuencia (excitado por RF).O método RF é máis novo e fíxose máis popular.Dado que os deseños de CC requiren electrodos dentro da cavidade, poden atoparse coa erosión dos electrodos e o revestimento do material dos electrodos en vidro e óptica.Dado que os resonadores de RF teñen electrodos externos, non son propensos a eses problemas.Os láseres de CO2 úsanse para o corte industrial de moitos materiais, incluíndo titanio, aceiro inoxidable, aceiro suave, aluminio, plástico, madeira, madeira de enxeñería, cera, tecidos e papel.Os láseres YAG utilízanse principalmente para cortar e trazar metais e cerámicas.[12]
Ademais da fonte de enerxía, o tipo de fluxo de gas tamén pode afectar o rendemento.As variantes comúns dos láseres de CO2 inclúen fluxo axial rápido, fluxo axial lento, fluxo transversal e lousa.Nun resonador de fluxo axial rápido, a mestura de dióxido de carbono, helio e nitróxeno fai circular a gran velocidade por unha turbina ou un soplador.Os láseres de fluxo transversal fai circular a mestura de gas a unha velocidade máis baixa, o que require un soplador máis sinxelo.Os resonadores refrixerados por placa ou por difusión teñen un campo de gas estático que non require presurización nin vidro, o que supón un aforro en turbinas de substitución e vidro.
O xerador de láser e a óptica externa (incluída a lente de enfoque) requiren arrefriamento.Dependendo do tamaño e configuración do sistema, a calor residual pode ser transferida por un refrixerante ou directamente ao aire.A auga é un líquido de refrixeración de uso común, xeralmente circula por un enfriador ou un sistema de transferencia de calor.
microjet láser é un láser guiado por chorro de auga no que un raio láser pulsado se acopla a un chorro de auga a baixa presión.Utilízase para realizar funcións de corte con láser mentres se usa o chorro de auga para guiar o raio láser, como unha fibra óptica, a través da reflexión interna total.As vantaxes disto son que a auga tamén elimina os restos e arrefría o material.Vantaxes adicionais sobre o corte láser "seco" tradicional son as altas velocidades de corte en dados, o corte paralelo e o corte omnidireccional.[13]
Os láseres de fibra son un tipo de láser de estado sólido que está a crecer rapidamente dentro da industria do corte de metal.A diferenza do CO2, a tecnoloxía de fibra utiliza un medio de ganancia sólido, en oposición a un gas ou líquido.O "láser semente" produce o raio láser e despois amplificase dentro dunha fibra de vidro.Cunha lonxitude de onda de só 1064 nanómetros, os láseres de fibra producen un tamaño de punto extremadamente pequeno (ata 100 veces menor en comparación co CO2) polo que é ideal para cortar material metálico reflector.Esta é unha das principais vantaxes da fibra en comparación co CO2.[14]
Os beneficios do cortador con láser de fibra inclúen: -
Tempos de procesamento rápidos.
Reducir o consumo de enerxía e as facturas, debido á maior eficiencia.
Maior fiabilidade e rendemento: sen ópticas que axustar ou aliñar e sen lámpadas que substituír.
Mantemento mínimo.
A capacidade de procesar materiais altamente reflectores como cobre e latón
Maior produtividade: os custos operativos máis baixos ofrecen un maior retorno do seu investimento.[15]
Métodos
Hai moitos métodos diferentes de corte con láser, con diferentes tipos utilizados para cortar diferentes materiais.Algúns dos métodos son a vaporización, fusión e soplado, fusión e queimadura, rachadura por estrés térmico, trazado, corte en frío e corte con láser estabilizado.
Corte por vaporización
No corte por vaporización, o feixe enfocado quenta a superficie do material ata o punto de inflamación e xera un oco da chave.O oco da chave leva a un aumento repentino da absorción que afonda rapidamente o burato.A medida que o buraco se afonda e o material ferve, o vapor xerado erosiona as paredes fundidas expulsando o burato e agrandando aínda máis o burato.Os materiais que non se funden como madeira, carbono e plásticos termoestables adoitan cortarse por este método.
Derreter e soprar
O corte por fusión e soplado ou por fusión utiliza gas a alta presión para soplar o material fundido da zona de corte, o que reduce moito a necesidade de enerxía.Primeiro o material quéntase ata o punto de fusión, despois un chorro de gas expulsa o material fundido da corte evitando a necesidade de aumentar a temperatura do material aínda máis.Os materiais cortados con este proceso adoitan ser metais.
Fisuras por estrés térmico
Os materiais fráxiles son particularmente sensibles á fractura térmica, unha característica que se aproveita no agrietamento por tensión térmica.Un feixe céntrase na superficie causando quecemento localizado e expansión térmica.Isto dá lugar a unha greta que despois pode ser guiada movendo a viga.A fenda pódese mover en orde de m/s.Normalmente úsase no corte de vidro.
Corte sigiloso de obleas de silicio
Máis información: obleas en dados
A separación de chips microelectrónicos tal e como se preparan na fabricación de dispositivos semicondutores a partir de obleas de silicio pódese realizar mediante o chamado proceso de corte en dados furtivos, que opera cun láser Nd:YAG pulsado, cuxa lonxitude de onda (1064 nm) está ben adaptada á electrónica. intervalo de banda de silicio (1,11 eV ou 1117 nm).
Corte reactivo
Tamén se chama "corte con láser estabilizado por queima", "corte con chama".O corte reactivo é como o corte con soplete de osíxeno pero cun raio láser como fonte de ignición.Usado principalmente para cortar aceiro carbono en espesores superiores a 1 mm.Este proceso pódese usar para cortar chapas de aceiro moi grosas cunha potencia de láser relativamente pouca.
Tolerancias e acabado superficial
As cortadoras con láser teñen unha precisión de posicionamento de 10 micrómetros e unha repetibilidade de 5 micrómetros.
A rugosidade estándar Rz aumenta co espesor da folla, pero diminúe coa potencia do láser e a velocidade de corte.Cando se corta aceiro con baixo contido de carbono cunha potencia de láser de 800 W, a rugosidade estándar Rz é de 10 μm para un espesor de folla de 1 mm, 20 μm para 3 mm e 25 μm para 6 mm.
{\displaystyle Rz={\frac {12,528\cdot S^{0,542}}{P^{0,528}\cdot V^{0,322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12,528\cdot S^{0,542 }}{P^{0,528}\cdot V^{0,322}}}}
Onde: {\displaystyle S=}S= espesor da chapa de aceiro en mm;{\displaystyle P=}P= potencia láser en kW (algúns novos cortadores láser teñen unha potencia láser de 4 kW);{\displaystyle V=}V= velocidade de corte en metros por minuto.[16]
Este proceso é capaz de manter tolerancias moi estreitas, a miúdo dentro de 0,001 polgadas (0,025 mm).A xeometría da peza e a solidez mecánica da máquina teñen moito que ver coas capacidades de tolerancia.O acabado de superficie típico resultante do corte con láser pode variar entre 125 e 250 micropolgadas (0,003 mm a 0,006 mm).[11]
Configuración de máquinas
Láser óptico voador de dobre palet
Cabezal láser óptico voador
En xeral, hai tres configuracións diferentes de máquinas de corte con láser industriais: sistemas ópticos de material móbil, híbridos e voadores.Estes refírense á forma en que o raio láser se move sobre o material a cortar ou procesar.Para todos estes, os eixes de movemento son normalmente designados eixes X e Y.Se o cabezal de corte pode ser controlado, desígnase como o eixe Z.
Os láseres de material en movemento teñen un cabezal de corte estacionario e moven o material debaixo dela.Este método proporciona unha distancia constante desde o xerador de láser ata a peza de traballo e un único punto desde o que eliminar o efluente de corte.Require menos óptica, pero require mover a peza de traballo.Esta máquina de estilo adoita ter a menor óptica de entrega de feixe, pero tamén adoita ser a máis lenta.
Os láseres híbridos proporcionan unha táboa que se move nun eixe (xeralmente o eixe X) e move a cabeza ao longo do eixe máis curto (Y).Isto dá como resultado unha lonxitude do camiño de entrega de feixe máis constante que unha máquina óptica voadora e pode permitir un sistema de entrega de feixe máis sinxelo.Isto pode producir unha perda de enerxía reducida no sistema de entrega e máis capacidade por vatio que as máquinas ópticas voadoras.
Os láseres de óptica voadora teñen unha mesa estacionaria e un cabezal de corte (con raio láser) que se move sobre a peza de traballo en ambas as dimensións horizontais.Os cortadores de ópticas voantes manteñen a peza de traballo estacionaria durante o procesamento e moitas veces non requiren fixación do material.A masa en movemento é constante, polo que a dinámica non se ve afectada polo tamaño variable da peza.As máquinas ópticas voadoras son o tipo máis rápido, o que é vantaxoso cando se cortan pezas máis finas.[17]
As máquinas ópticas voadoras deben usar algún método para ter en conta a lonxitude do feixe cambiante desde o corte de campo próximo (próximo ao resonador) ata o corte de campo afastado (lonxe do resonador).Os métodos comúns para controlar isto inclúen a colimación, a óptica adaptativa ou o uso dun eixe de lonxitude de feixe constante.
As máquinas de cinco e seis eixes tamén permiten cortar pezas conformadas.Ademais, existen varios métodos para orientar o raio láser a unha peza de traballo con forma, mantendo unha distancia de enfoque adecuada e separación da boquilla, etc.
Pulsando
Os láseres pulsados que proporcionan unha ráfaga de enerxía de alta potencia durante un período curto son moi efectivos nalgúns procesos de corte con láser, especialmente para perforar, ou cando se requiren buratos moi pequenos ou velocidades de corte moi baixas, xa que se se utiliza un raio láser constante, a calor podería chegar ao punto de fundir toda a peza que se corta.
A maioría dos láseres industriais teñen a capacidade de pulsar ou cortar CW (onda continua) baixo o control do programa NC (control numérico).
Os láseres de dobre pulso usan unha serie de pares de pulsos para mellorar a taxa de eliminación de material e a calidade do burato.Esencialmente, o primeiro pulso elimina o material da superficie e o segundo evita que a expulsión se adhira ao lado do burato ou corte.[18]
Hora de publicación: 16-Xun-2022