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Consumibles láser

Carlos Molinero. Ingeniero técnico industrial, director técnico de Mecos01/04/2005
Una de las partes más importantes de un láser de CO2 es el resonador ya que es donde se genera un haz de luz especial que posee una elevada energía. Este haz de luz se conoce como rayo láser. Este debe ser dirigido a través de espejos hasta el cabezal del láser. En el cabezal del láser se encuentra la lente que focalizará el rayo láser. Es decir, concentrará todo la energía del rayo en un punto muy pequeño, punto focal, que tendrá una altísima concentración de energía. Por otro lado en el cabezal se introducirán unos gases que también se concentrarán a través de una boquillas, básicamente cónicas, de forma que coincidan con el punto focal.
El cabezal del láser suele estar motorizado de forma que se pueda regular en altura a fin de poder regular el posicionamiento del punto focal y ajustarlo de forma adecuada al material que se pretende cortar.

La alta energía del punto focal permitirá fundir ciertos materiales hasta llegar a perforarlo. Los gases ayudarán en este proceso expulsando el material fundido y dejando un corte limpio.

Ya sea el soporte del cabezal del láser o el sistema de sujeción de la pieza estará motorizado y controlado por un Control Numérico lo que permitirá un movimiento que creará un corte continuo pudiendo realizar piezas de cualquier geometría.

Dependiendo de la potencia que genere el resonador de un láser se pueden llegar a cortar materiales como aceros dulces hasta 25 mm, aceros inoxidables hasta 15 mm, aluminios hasta 10 mm, latón, madera, materiales plásticos como por ejemplo metacrilatos, etc.

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Lentes para láser CO2

Como hemos comentado anteriormente la función de la lente es concentrar, focalizar el haz láser en un punto lo más pequeño posible que llamamos punto focal. Al focalizar el haz láser conseguiremos una gran concentración de energía en el punto focal. A la distancia entre la lente y el punto focal se le llama Distancia Focal y es uno de los parámetros que sirve para definir una lente. Usualmente se suele definir en pulgadas (1 pulgada = 25,4 mm).

Un factor importante es la profundidad del punto focal. Es decir la distancia efectiva sobre la cual se obtienen cortes satisfactorios. Se podría considerar como la distancia en la cual no se supera el 40% del tamaño del punto focal. Para un diámetro determinado de haz láser tendremos que a menor distancia focal, menor tamaño del punto focal y también menor profundidad del punto focal.

El tamaño del punto focal también depende del diámetro de haz láser. A mayor diámetro del haz de luz menor tamaño del punto focal tendremos. La relación entre la distancia focal y el diámetro del haz láser se suele utilizar para comparar lásers con distintos diámetros de haz láser.

Estos datos son importantes ya que para una lente con una distancia focal pequeña, a pesar de tener una profundidad de foco pequeña, tendremos una mayor concentración de energía en el punto focal. Esto permitirá poder cortar a más velocidad espesores finos de material pero no podremos cortar materiales gruesos. El inconveniente de utilizar una lente con una distancia focal pequeña es que estará más expuesta a las salpicaduras que se producen cuando el propio rayo láser funde el material.

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Normalmente los lásers de CO2 pueden llegar a utilizar lentes de distancia focal desde 2” a 10”. De hecho sería posible tener una lente con una distancia focal determinada para cada espesor de material pero esto implicaría elevados tiempos muertos entre un tipo de trabajo y otro. Por tanto lo que se suele hacer es buscar un compromiso entre un reducido número de lentes con distintas longitudes focales y un ajuste la velocidad de corte según el grosor de material a cortar.

Tipos de lentes

Principalmente para lásers CO2 están fabricadas en Seleniuro de Zinc (SeZn). Se suelen utilizar dos tipos de lentes: plano-convexas y meniscos

Lente Plano-Convexa

La lente Plano-Convexa tiene una superficie plana y la otra superficie es curvada (convexa). Tradicionalmente son las lentes usadas por fabricantes Americanos y Japoneses.

Este tipo de lentes son adecuadas para cortar espesores grandes ya que debido al tamaño de su punto focal se puede conseguir una anchura del corte mayor lo que permite que el gas (oxigeno) entre en el interior del surco y facilite el proceso de corte. Por otro lado las lentes Plano-Convexas tiene una mayor profundidad lo que mantiene un corte más recto (menós cónico) en materiales de gran espesor.

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Lente Menisco (o Menisco positivo)

Las lentes menisco (o menisco positivo) tienen una superficie cóncava y otra convexa. En el montaje de la lente la parte cóncava tiene que estar hacia abajo, de cara al material que se desea cortar.

Este tipo de lentes suelen ser usadas por los fabricantes europeos.

Esta lente permite obtener un punto focal muy pequeño Esto permitirá aumentar un poco las velocidades de corte y un corte más definido y “limpio”.

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Parámetros lentes

A continuación analizaremos brevemente los parámetros más importantes que afectan a las lentes.
  • Absorción

Este es el factor más importante para determinar la vida de la lente. Cuando el haz láser pasa a través de la lente esta absorberá un pequeño porcentaje de la energía del haz y el resto se transmitirá. El porcentaje absorbido por la lente suele ser de un 0,2%. Por tanto para un láser de 4.000 w (watios) la lente absorberá 8 w. Esta pequeña energía no generará suficiente calor para afectar a la lente y por tanto podrá trabajar correctamente. Uno de los mayores problemas es cuando la lente no está limpia o se ha visto afectada por las salpicaduras de metal. Esto provocará que el porcentaje de absorción aumente y por tanto que se caliente más provocando que la lente se deteriore y pierda sus características.

  • Recubrimiento

Con el recubrimiento de la lente mejoramos por ejemplo el coeficiente de transmisión por lo que la lente será más eficiente.

Por otro lado se puede conseguir endurecer la superficie de la lente de forma que sea más resistente a las salpicaduras durante el proceso de corte. Existen en el mercado ciertos recubrimiento (lentes negras) que además reducen el coeficiente de absorción por lo que se aumentará la vida de las lentes y mantendrá mejor las características de la lente.

El recubrimiento puede total (todo el diámetro de la lente) o solo la parte central.

  • Espesor de la lente (ET)

El espesor de la lente se mide en el perímetro de esta. El espesor dependerá de la presión de gas con que se trabaje. A mayor presión de gas más gruesa debe ser la lente. Esto implica que para cortar grandes espesores de material deberemos utilizar lentes con un espesor grande ya que la presión de gas debe ser mayor ya sea para “ayudar” a cortar el material como para eliminar mayor cantidad de material fundido.

Boquillas

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Las boquillas del cabezal láser tienen la función de ajustar la cantidad de gas en función de las necesidades. Para ello suelen existir boquillas con diversos diámetros de forma que saldrá más o menos gas. De esta forma podremos ajustar el consumo de gas y mejorar el corte.

Las boquillas deben ser dimensionalmente muy precisas para poder asegurar una concentricidad correcta (inferior a las 20 micras), acabados correctos y constantes. Para ello se deben fabricar con maquinas de Control Numérico que nos aseguren estas características.

También es importante utilizar una buena materia prima. Normalmente están

fabricadas en aleaciones de cobre especiales que deben soportar las condiciones extremas del corte (calor, impacto de salpicaduras, etc.).

Para cortar un material es necesario que el cabezal del láser se mantenga siempre a la misma distancia del material a cortar para mantener la distancia focal. Para ello los láser suelen tener un sistema que permite al cabezal del láser mantener la distancia de trabajo independientemente si el material esta ondulado o no. Este sistema “sigue” las ondulaciones del material para mantener la distancia del punto focal. Esto se consigue mediante un sensor instalado en el cabezal que trabaja conjuntamente con las dimensiones de la boquilla.

Existen boquillas que externamente están cromadas. La razón es que de está forma la parte exterior de las boquillas que está más expuesta a las salpicaduras será más resistente al impacto de estas. Al ser más duras se reducirá la posibilidad de que las salpicaduras se queden adheridas a las boquillas.

Las boquillas de doble cono nacen para proteger las lente de las salpicaduras del material fundido que principalmente se genera al iniciar la perforación de la chapa. Por otro lado se consigue que el gas fluya de forma diferente permitiendo optimizar el consumo de gas. Al tener un cono interior se crea una cámara entre la boquilla y el cono interior que protegerá a la lente del impacto de las salpicaduras. De esta forma es más difícil que la salpicadura “acierte” en la lente ya que tiene que pasar por 2 orificios.

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