Proceso de corte por láser: material de acero al carbono.

I. Corte de materiales de acero al carbono

1.1 Tipos de perforación y principios de corte

Fenómeno :
Los tipos de perforación incluyen principalmente procesamiento de pulsos y procesamiento de onda continua (CW) (como se muestra en la Figura 3.1-1). El proceso de perforación comienza con el rayo láser irradiando y calentando la superficie del material (1), luego se profundiza gradualmente en el material (2) ~ (4) y finalmente completa la perforación (5) de manera continua e ininterrumpida.

• Condiciones CW : cuando se utilizan condiciones CW, el punto focal debe establecerse sobre la superficie del material (2 > 0) para ampliar la apertura de procesamiento. A medida que la perforación se profundiza, el punto focal se mueve gradualmente hacia abajo hasta completar la perforación.

• Condiciones de pulso : cuando se utilizan condiciones de pulso, ayuda a suprimir la entrada de calor, logrando así el efecto de procesamiento de apertura pequeña.

 

 

[Principio]

1. Perforación usando condiciones de pulso
   Cuando el espesor del material de acero al carbono excede los 9 mm, si la perforación se realiza en condiciones de pulso, el tiempo de procesamiento aumentará significativamente. Sin embargo, el diámetro del orificio perforado será sólo de aproximadamente 0,4 mm, que es más estrecho que la costura cortada, y la zona afectada por el calor también será más pequeña. La Figura 3.1-2 muestra la morfología cuando la irradiación láser se detiene a mitad de camino a través de la perforación, lo que se utiliza para verificar el progreso de la perforación. La perforación por pulso se logra mediante la irradiación repetida y la detención del láser, que funde (o evapora) el material, descarga el material fundido y lo enfría, profundizando así gradualmente la perforación. Si hay una discrepancia en el tiempo entre los procesos de fusión y descarga, puede provocar que el metal fundido salpique hacia arriba o que el tiempo de perforación sea prolongado. Cuando la frecuencia está en el rango de 100 a 200 Hz, cuanto mayor sea la potencia máxima del pulso, mejor será la calidad del orificio perforado. Si se utiliza una frecuencia más alta, sólo aumenta la capacidad de fusión, mientras que disminuye la eficiencia de la descarga y el enfriamiento del metal fundido.

 

2. Perforación usando condiciones CW

Cuando se dispara en condiciones de onda continua (CW), una gran cantidad de metal fundido tiende a salpicar hacia arriba. Si el metal fundido no se puede descargar a través de la abertura extremadamente pequeña de arriba, se puede producir una quemadura excesiva. La desventaja de la perforación CW es que una cantidad significativa de metal fundido salpica la superficie de la pieza de trabajo, pero la ventaja es que puede reducir en gran medida el tiempo de procesamiento. La Figura 3.1-3 muestra fotografías de la superficie y la parte posterior del material SS400 con un espesor de 12 mm después de la perforación usando salida CW con diferentes diámetros de boquilla. El diámetro de la boquilla corresponde al rango de oxígeno que se rocía sobre el área de perforación. Cuanto mayor sea el diámetro de la boquilla, mayor será el diámetro del orificio perforado.

3. Otros

En condiciones normales, las condiciones de perforación se ajustan mientras se observa el progreso de la perforación, ya sea en condiciones de pulso o en condiciones CW (o en ambas condiciones). El efecto de perforación ideal se caracteriza por una apertura pequeña y un tiempo de procesamiento corto.

 

1.2 Métodos para acortar el tiempo de perforación

Fenómeno

Los métodos para acortar el tiempo de perforación varían según el tipo de perforación.

1. Perforación de condición de pulso

Cuando se utilizan condiciones de pulso para la perforación, la irradiación láser es pulsada. Sólo se puede lograr un buen efecto si la fusión y la evaporación durante la irradiación láser coinciden con el enfriamiento durante la pausa. Si la atención se centra únicamente en mejorar la fusión y la evaporación, fácilmente puede provocar una quemadura excesiva; por el contrario, si sólo se enfatiza el efecto de enfriamiento, el tiempo de perforación será más largo.

2. Perforación en condición CW

La perforación CW tiende a provocar un fenómeno de sobrequemado. La ventaja de la perforación CW es que puede acortar el tiempo de perforación, pero a medida que aumenta el espesor de la placa, el rango de fusión seguirá expandiéndose, afectando así la calidad del procesamiento.

3. Ajuste de las condiciones según el progreso de la perforación

En el procesamiento de perforaciones, cuando la cantidad de irradiación láser es demasiado alta o demasiado baja, las condiciones deben ajustarse mientras se observa la situación del procesamiento hasta que se logren las condiciones óptimas.

Causas y contramedidas

1. Perforación en modo pulso

Para mejorar la capacidad de fusión y la capacidad de enfriamiento, es necesario irradiar una gran cantidad de energía en poco tiempo y garantizar un tiempo de enfriamiento adecuado después de la irradiación. Como se muestra en las Figuras 3.2-1 y 3.2-2, el efecto de la irradiación de pulso con una forma de onda de pulso rectangular de pico alto es ideal. La energía necesaria para la fusión se expresa como el producto de la intensidad $E$ y el tiempo de irradiación $T$. En comparación con los pulsos de ondas triangulares, los pulsos de ondas rectangulares requieren la mitad del tiempo de irradiación para lograr la misma energía, lo que resulta en una menor entrada de calor en la pieza de trabajo, lo que reduce la probabilidad de sobrequemado. La Figura 3.2-3 muestra el efecto de la potencia máxima del pulso y la potencia promedio del pulso en la perforación en material SS400 de 6 mm de espesor, donde una potencia máxima del pulso más alta da como resultado un tiempo de perforación más corto.

 

 

 

2. Perforación en modo CW

Cuando el espesor de la placa supera los 12 mm, es aconsejable seleccionar una boquilla de menor diámetro. Para el corte de placas gruesas donde se prioriza la calidad de la superficie de corte, se deben elegir boquillas separadas para la perforación y el corte.

3. Ajuste de las condiciones según el progreso de la perforación

Al ajustar las condiciones, el brillo del estado fundido en la pieza perforada se puede observar mediante sensores. Si el rango de fusión tiende a expandirse, se debe reducir la intensidad del láser; por el contrario, si el efecto de fusión disminuye, se debe aumentar la intensidad del láser. Este enfoque tiene como objetivo lograr una perforación de pequeño diámetro y alta velocidad.

 

1.3 Métodos para resolver defectos de perforación

Fenómeno
Los principales factores que causan defectos de perforación incluyen el momento de ocurrencia, el lugar de ocurrencia, el momento de ocurrencia y los factores intrínsecos del material. Consulte la Tabla 3.3-1 para ver un análisis de los factores clave.

Causas y contramedidas

1. Momento de aparición del defecto
   Es esencial determinar cuándo ocurre el defecto, ya sea a mitad del proceso de perforación o inmediatamente después de la perforación cuando comienza el corte. Si el defecto ocurre a mitad de camino, verifique si ocurre justo al inicio de la perforación o durante la transición a otras condiciones, y ajuste en consecuencia. Si el defecto ocurre justo antes de que termine la perforación, puede deberse al cambio de las condiciones de perforación a las de corte antes de que el orificio esté completamente perforado. En este caso, es necesario ampliar el tiempo de perforación. Si el defecto aparece justo al inicio del corte, puede deberse a residuos acumulados alrededor del área de perforación, lo que hace que el corte sea inestable. En tales casos, las condiciones de pulso deben establecerse al inicio del corte.

2. Ubicación del defecto de procesamiento
   Si los defectos de perforación se concentran en un área específica de la plataforma de procesamiento, podría deberse a una desalineación entre el láser y el centro de la boquilla, lo que requiere ajuste.
   Cuando las posiciones de perforación son densas o están ubicadas cerca de la línea de corte, el área perforada puede fácilmente estar a alta temperatura. La Figura 3.3-1 muestra los resultados del procesamiento a varias temperaturas cuando la temperatura del material se eleva desde temperatura ambiente a 200 °C, utilizando material SS400 de 12 mm de espesor. Los datos muestran la tasa de sobrequemado basada en 50 perforaciones a cada temperatura. Se puede observar que los defectos de procesamiento aumentan con el aumento de la temperatura. Para reducir los defectos de procesamiento, el mecanizado debe realizarse tanto como sea posible en el estado frío del material y la ruta de procesamiento debe diseñarse de manera óptima.

 

 

3. Hora de aparición del defecto

Si los defectos de procesamiento aumentan a medida que avanza el tiempo de procesamiento, observe si aumentar el tiempo de enfriamiento puede restaurar el funcionamiento normal. Si es así, esto indica que se ha producido un efecto de lente térmica en los componentes ópticos y que se requiere mantenimiento de los componentes ópticos. Sin embargo, si aumentar el tiempo de enfriamiento no resuelve el problema, podría deberse a un mal funcionamiento en el oscilador, lo que provoca fluctuaciones en la potencia de salida. En tales casos, póngase en contacto con el departamento de servicio postventa.

4. Material que causa defectos de procesamiento

Al determinar si el defecto se origina en el material, primero verifique si el material se ha utilizado antes. Si se ha utilizado antes, no es necesario ajustar las condiciones de procesamiento, ya que es probable que el defecto se deba a un mal funcionamiento en la máquina de procesamiento o en los componentes ópticos.

La Figura 3.3-2 muestra el tiempo necesario para penetrar material SS400 de 16 mm de espesor producido por varios fabricantes durante la perforación. Si la calidad del material cambia, confirme el tiempo de perforación antes del procesamiento continuo o establezca un tiempo de procesamiento total un poco más largo.

 

II. Métodos para resolver la quema excesiva durante el proceso de corte

 

2.1 Métodos para abordar la quema excesiva frecuente al procesar formas cuadradas de 12 mm de espesor y 25 mm

[Fenómeno]

Al cortar materiales de acero al carbono, si la forma que se procesa tiene esquinas afiladas, las esquinas afiladas son propensas a derretirse o quemarse demasiado. La velocidad de corte disminuye a medida que aumenta el espesor del material y el calor generado durante el corte se acumula dentro del material, lo que hace que la temperatura del material aumente y resulte en frecuentes derretimientos o quemaduras excesivas en las esquinas afiladas.

[Razón]

Como se muestra en la Figura 3.4-1, en un buen proceso de corte, la energía térmica producida por el láser y la energía térmica generada por la combustión por oxidación se disipan eficazmente en el material que se procesa, que también se enfría eficazmente. Si el enfriamiento es insuficiente, se produce una quemadura excesiva. Las esquinas afiladas tienen un volumen menor y un área de disipación de calor más estrecha, por lo que la temperatura aumenta fácilmente y provoca quemaduras excesivas. Además, durante la perforación, el láser absorbido por la pared interior del agujero hace que la temperatura aumente bruscamente en un espacio muy pequeño, lo que también conduce fácilmente a una quemadura excesiva.

 

[Solución]

(1) Al procesar múltiples formas de tamaño pequeño, el calor continuará acumulándose a medida que avanza el proceso, lo que hará que sea más probable que se produzca una quema excesiva durante la última parte del procesamiento. La solución, como se muestra en la Figura 3.4-2, es extender las rutas de procesamiento tanto como sea posible para evitar el movimiento continuo en una dirección. Esto permite que el calor se disipe de forma más eficaz. Las rutas de procesamiento deben optimizarse de acuerdo con la forma real que se procesa.

(2) Como se muestra en la Figura 3.4-3, si la quema excesiva se concentra en las esquinas afiladas, se puede prevenir eficazmente reemplazando las esquinas afiladas con radios pequeños (R) en la forma de procesamiento. Cuanto mayor sea el radio R, más eficaz será la prevención. A medida que aumenta el espesor del material, también es necesario aumentar correspondientemente el radio R.

 

(3) Las esquinas afiladas tienden a derretirse a medida que aumenta la temperatura durante el procesamiento porque el área de procesamiento ya está a alta temperatura cuando pasa el rayo láser (como se muestra en la Figura 3.4-4). Si la velocidad de avance del rayo láser es más rápida que la velocidad de conducción del calor, el proceso de corte puede completarse antes de que el material se sobrecaliente, evitando efectivamente que se derrita.

 

En condiciones típicas, la velocidad de conducción de calor que causa la fusión es de aproximadamente 2 m/min. Si la velocidad de corte es superior a 2 m/min, generalmente no se produce fusión. Esta es también la razón por la que las esquinas afiladas en materiales de acero al carbono con un espesor inferior a 6 mm se funden menos. Para materiales de acero al carbono de más de 9 mm de espesor, lograr el mismo efecto requiere el uso de una condición de procesamiento con una potencia de salida de más de 4 kW, lo que requiere un oscilador de potencia de alta salida.

(4) Si se utilizan gases auxiliares como nitrógeno o aire, no se producirán reacciones de combustión por oxidación y, por lo tanto, generalmente no se producirá fusión o sobrequema.

2.2 Identificación de las causas de sobrequemado en placas de 16 mm de espesor: causas de la pieza de trabajo

[Fenómeno]

Para identificar las causas de la quema excesiva debido al calor incontrolado, los fenómenos de procesamiento deben desglosarse por pasos para encontrar las razones subyacentes en cada paso.

El flujo del proceso de corte por láser se muestra en la Figura 3.5-1:

1. El láser se dirige a la superficie del material.
2. El láser se absorbe provocando la fusión.
3. La parte fundida arde gracias al apoyo de la combustión del gas auxiliar.
4. La combustión se expande aún más en dirección al espesor del material.
5. El metal fundido es expulsado de la costura cortada.

Estos procesos se repiten continuamente hasta que se logra el objetivo de corte.

 

 

Las causas del exceso de combustión pueden atribuirse a problemas con la máquina de procesamiento o la pieza de trabajo. Específicamente:

• Las causas relacionadas con la máquina se manifiestan en los pasos ① y ③.
• Las causas relacionadas con la pieza de trabajo se manifiestan en los pasos ②, ④ y ⑤.

[Causas y contramedidas]

1. Causas relacionadas con la absorción del láser

   La inestabilidad en el proceso de corte por láser ② puede provocar quemaduras excesivas. Si la capa de oxidación de la superficie del material (incrustaciones) está mal adherida o es desigual, la absorción del láser por parte del material será inconsistente, lo que resultará en una generación de calor inestable. La Figura 3.5-2 muestra una comparación de las superficies de corte cuando se aplica el láser a la parte superior e inferior del mismo material. Demuestra que el estado de la capa de oxidación de la superficie del material afecta la calidad de la superficie de corte. Al colocar el material, verifique cuidadosamente el estado de la superficie y coloque el lado con la mejor capa de oxidación hacia arriba.

 Para materiales donde las superficies superior e inferior no se pueden configurar arbitrariamente, se puede utilizar un método de corte secundario. Esto implica usar primero la energía del láser para nivelar la superficie irregular del material antes de continuar con el corte principal. Específicamente, usted:

1. Tratamiento superficial inicial : reduzca la densidad de energía del láser justo al nivel necesario para fundir la superficie del material. Derrita la superficie a lo largo del camino de corte, asegurándose de que el ancho derretido sea ligeramente más ancho que la costura cortada.

2. Corte principal : cambie a las condiciones de corte estándar para completar el proceso de corte.

La Figura 3.5-3 compara muestras cortadas utilizando el método de corte único y el método de corte secundario. Muestra que la calidad de la superficie de corte lograda con el método de corte secundario es esencialmente equivalente a la de materiales con una superficie bien mantenida.

 

2. Causas relacionadas con la combustión en la dirección del espesor o la eyección de metal fundido

Esta causa provoca inestabilidad en los procesos de corte por láser ④ y ⑤. Las variaciones en la composición interna del material pueden afectar el calor de la reacción de combustión o el estado de flujo del metal fundido. Los materiales fabricados por proveedores nacionales japoneses generalmente muestran poca diferencia en el rendimiento del procesamiento. Sin embargo, los materiales de proveedores extranjeros pueden presentar variaciones significativas en el rendimiento del procesamiento. La Figura 3.5-4 muestra una comparación del corte de acero al carbono de 16 mm de espesor bajo las mismas condiciones de potencia y velocidad de corte. Si utiliza materiales de proveedores extranjeros con mayor contenido de Si o Mn, se debe prestar especial atención a la posición del enfoque y a los ajustes de presión del gas auxiliar durante la configuración.

 

2.3 Identificación de las causas de sobrequemado en placas de 16 mm de espesor: causas relacionadas con la máquina

[Causas y contramedidas]

1. Problemas con el gas auxiliar (Figura 3.6-1)

   (1) Flujo de oxígeno desigual : si el oxígeno no se dirige uniformemente alrededor del metal fundido, la eficiencia de la combustión y el flujo del metal fundido serán desiguales, lo que provocará una quema excesiva debido a las diferentes direcciones de corte. Problemas como la desalineación del rayo láser, las deformaciones de la boquilla o la acumulación de escoria pueden alterar el flujo de gas auxiliar. Primero se debe comprobar el estado de la boquilla.

   (2) Baja pureza del gas : si todas las superficies de corte son de mala calidad, puede deberse a la baja pureza del gas en el tanque de oxígeno, lo que da como resultado partes inferiores ásperas y con escoria de la superficie de corte. A medida que aumenta el espesor del material, el impacto de la pureza del gas auxiliar en la calidad del procesamiento se vuelve más significativo. Al diagnosticar este problema, utilice un tanque de gasolina cuya precisión se haya confirmado previamente.

 

2. Problemas con el láser (Figura 3.6-2)

(1) Problemas direccionales durante el corte : si se observan inconsistencias direccionales durante el corte, es probable que se deba a problemas con la redondez o la distribución de intensidad del rayo láser. La intensidad del láser afecta directamente su capacidad para fundir metal. Si hay problemas con la redondez del haz o la distribución de intensidad, la eficiencia de la combustión variará con los cambios en la dirección de corte, lo que provocará una combustión excesiva. En este caso, es necesario comprobar la forma del modo de haz.

(2) Mala calidad general de la superficie de corte : esto puede atribuirse a un enfoque inadecuado de la lente. La temperatura en las áreas que necesitan ser derretidas debe ser lo más alta posible, mientras que la temperatura en las áreas que no se derriten debe ser lo más baja posible. Las variaciones de energía en estos límites de temperatura pueden provocar una combustión excesiva. El enfoque inadecuado puede deberse a anomalías en la lente o en los espejos PR, o problemas con la trayectoria óptica o los espejos reflectantes.

 

 

3. Otras causas (Figura 3.6-3)

(1) Disminución de la calidad con el tiempo : si la calidad del corte empeora a medida que avanza el proceso, podría deberse a la acumulación de calor en el material, lo que provoca un aumento en la temperatura del material y provoca una quema excesiva. En tales casos, la ruta de corte debe establecerse en una ruta dispersa para evitar una concentración excesiva de calor.

(2) Deterioro de la calidad en las últimas etapas de rutas de corte largas : si la calidad comienza a deteriorarse en la segunda mitad de una ruta de corte más larga, puede deberse a contaminantes en la lente o en los espejos PR que absorben el láser y causan efectos de lente térmica. Limpie la lente o los espejos PR y otros componentes ópticos. Si la limpieza no resuelve el problema, es posible que sea necesario reemplazar los componentes ópticos.

(3) Defectos en áreas específicas de la plataforma de corte : si ocurren defectos en un área específica de la plataforma de corte, la causa puede ser una desalineación en la trayectoria óptica. Esta desalineación puede hacer que el centro de la boquilla se desvíe del centro del láser a medida que se mueve la posición de corte, lo que provoca una quemadura excesiva. En este caso, ajuste la alineación de la trayectoria óptica.

 

 

 [Causas]

Como se muestra en la Figura 3.8-2, la perforación implica dirigir un láser hacia la superficie del material y retirar gradualmente el metal fundido para crear un agujero. Si la potencia de salida se establece demasiado alta para acelerar el proceso de fusión, es posible que el pequeño orificio creado durante la perforación no pueda expulsar el metal fundido con la suficiente rapidez, lo que provocará que se acumule calor en el material. Además, como se ilustra en la Figura 3.8-3, cuando el diámetro del orificio está dentro del rango de 0,3 a 0,5 mm, las paredes del orificio son muy absorbentes para el láser. Esto da como resultado temperaturas muy altas alrededor del agujero pequeño y, con placas más gruesas, la profundidad de la absorción del láser en las paredes internas del agujero aumenta, provocando temperaturas aún más altas alrededor del agujero.

 

Al perforar orificios con un diámetro de 0,3 a 0,5 mm, el ancho de la costura cortada suele ser de 0,5 a 0,8 mm. Iniciar el proceso de corte inmediatamente después de la perforación puede provocar un aumento del volumen del metal fundido. En este caso, es posible que el pequeño orificio no pueda acomodar el metal fundido en rápida expansión, lo que resulta en un fenómeno de expulsión inversa.

 

 

 

3. Modo de viga y métodos de procesamiento para cortar acero al carbono

3.1 Modo de viga adecuado para cortar placas gruesas de acero al carbono

Fenómeno: En el corte a alta velocidad de placas delgadas, es más adecuado un modo de haz enfocado con alta capacidad de fusión. Normalmente, en el corte por láser se utilizan haces monomodo (TEM) enfocados a través de lentes de distancia focal corta. Sin embargo, en el corte de placas gruesas, simplemente aumentar la capacidad de fusión es insuficiente para expulsar eficazmente el metal fundido de la ranura, y el margen para lograr condiciones de corte de alta calidad es bastante estrecho. La Figura 3.10-1 compara el margen para las condiciones de procesamiento al cortar acero al carbono de 12 mm de espesor utilizando vigas monomodo (TEM) y multimodo (TEM). Muestra que el margen de condición de procesamiento es más amplio cuando se utilizan haces multimodo.

 

  Razón:

En el corte de placas gruesas de acero al carbono, el modo de la viga juega un papel decisivo en la determinación de la forma de la ranura. La Figura 3.10-2 muestra los dos factores principales relacionados con el modo del haz.

  

 

1. Limitar el rango de fusión y combustión

La clave para cortar placas gruesas es garantizar que el área que debe fundirse mediante irradiación láser alcance una temperatura alta, mientras que el área que no necesita fundirse permanezca lo más fría posible. Especialmente en el punto inicial del corte, el fenómeno de fusión en la superficie de la pieza de trabajo se ve directamente afectado por el modo del haz. En el punto de irradiación láser, la fusión comienza desde el centro, donde la intensidad del láser es mayor, y se extiende hacia afuera, deteniéndose donde la densidad de energía del modo de haz es baja. Cuanto mayor sea el ángulo de inclinación $heta$ de la distribución de intensidad energética en la sección inclinada del modo de haz, menos calor se transferirá al área que rodea la ranura. Por el contrario, si el ángulo de inclinación $heta$ es pequeño, será difícil que la fusión en la ranura se detenga donde es necesario, lo que provocará que el rango de combustión se expanda, lo que provocará un calor incontrolado y una combustión excesiva. Si la temperatura en el límite del ancho de la hendidura es demasiado alta, será difícil detener la quema en el límite del ancho de la hendidura ya que se propaga desde el centro de la hendidura hacia afuera, lo que eventualmente resultará en una quema excesiva. En comparación con el modo de haz único, el modo de haz múltiple tiene una pendiente más pronunciada en la sección inclinada, lo que ejerce menos carga sobre la lente, lo que lo hace más adecuado para cortar placas gruesas.

2. Múltiples reflejos dentro del Kerf

Cuando el láser irradia la pieza de trabajo, sufre múltiples reflejos dentro de la ranura, lo que facilita el proceso de corte. La distancia focal de la lente afecta el ángulo con el que el láser irradia la pieza de trabajo y el estado de múltiples reflejos. Cuanto mayor sea la distancia focal de la lente, menor será el cambio en el ancho de la ranura de arriba a abajo, lo que resulta ventajoso para cortar placas gruesas. Sin embargo, cuanto mayor sea la distancia focal de la lente, menor será la inclinación de la pendiente en el modo de haz, lo que requiere que la distancia focal se seleccione junto con el modo de haz.

3.2 Elección de la boquilla más adecuada para cortar placas gruesas de acero al carbono

Fenómeno:
El corte de placas gruesas de acero al carbono se basa principalmente en una reacción de oxidación, lo que hace que la gestión de la pureza del oxígeno auxiliar sea extremadamente importante. Esto ya se ha discutido anteriormente. La pureza del oxígeno no sólo disminuye al comienzo del proceso de corte sino que también continúa disminuyendo durante el proceso de corte, lo que lleva a una disminución en la calidad del corte y una reducción en la velocidad de corte, lo que requiere mejoras.

Motivo:
Como se muestra en la Figura 3.11-1, el gas auxiliar se rocía desde arriba de la pieza de trabajo. Cuando el flujo de aire choca con la superficie del material, se producen turbulencias. A medida que el flujo de aire ingresa al corte, la quema en la dirección del espesor de la placa y la mezcla de aire en el corte causarán que la pureza del gas disminuya desde el centro del corte hacia abajo. Este efecto es particularmente pronunciado a medida que aumenta el espesor de la placa o aumenta la velocidad de corte. La parte inferior del frente de corte quedará rezagada en la dirección de corte y la caída en la pureza del gas afectará en gran medida el procesamiento.

  

 

 Solución:
Si se utiliza una boquilla estándar de un solo orificio, se puede aumentar el diámetro de la boquilla para mejorar el efecto protector del oxígeno en el área de procesamiento. Sin embargo, este enfoque tiene desventajas, como la reducción del rango controlable y ajustable del flujo de aire y la presión del gas, lo que facilita que la escoria se infiltre y ensucie la lente.

La Figura 3.11-2 muestra el uso de una boquilla de estructura dual. El uso de una boquilla doble no solo permite que el oxígeno proteja el área de corte sino que también ayuda a mantener la pureza del oxígeno en la dirección del espesor de la placa. El oxígeno emitido por la tobera exterior ayuda al gas de apoyo a la combustión expulsado por la tobera central. Sin embargo, el ajuste de las características del flujo de aire se realiza principalmente a través de la boquilla central.

 

Las funciones de la boquilla doble son las siguientes: El oxígeno emitido por la boquilla central hace que la combustión penetre más profundamente desde la superficie del material hacia abajo, con lo que la pureza del gas disminuye durante el proceso de combustión. Luego, la boquilla exterior complementa el gas donde la pureza ha disminuido. Además, a medida que avanza el corte, el oxígeno auxiliar emitido desde la boquilla exterior ayuda a impedir que los gases externos se infiltren en el corte.

Cuanto más grueso sea el material, más se retrasará la reacción de oxidación en la parte inferior de la placa. Cuando la parte inferior del frente de corte queda detrás de la dirección de procesamiento, se moverá fuera del alcance del chorro de oxígeno. De manera similar, cuando se aumenta la velocidad de corte, la parte inferior del frente de corte también quedará retrasada con respecto a la dirección de procesamiento, moviéndose fuera del alcance del chorro de oxígeno. Para abordar este fenómeno de retraso en la parte inferior del frente de corte, una boquilla doble puede utilizar eficazmente el oxígeno emitido por la boquilla doble para evitar que el aire se infiltre en el área de procesamiento.

3.3 Métodos para prevenir daños por fusión al final del corte de placas gruesas

Fenómeno:
En el corte de placas gruesas de acero al carbono, es común que se produzcan daños por fusión al final del proceso de corte. En procesos como el de roscado de orificios, dependiendo de los requisitos de calidad, puede ser necesario reparar las áreas derretidas. Esto es especialmente cierto en casos donde el material es grueso y el diámetro del orificio es pequeño, donde la cantidad de daño por fusión puede ser significativa.

Motivo:
Como se muestra en la Figura 3.12-1, la conducción de calor en el sitio de procesamiento es más rápida que la velocidad de corte, lo que hace que el calor actúe antes que el láser. Cuando el procesamiento se acerca a la sección final, el calor pierde su espacio de conducción, dejando la parte final en un estado de alta temperatura. Si se continúa suministrando oxígeno en este punto, se puede producir una quemadura excesiva y daños por fusión.

 

 

Solución:

Los métodos para evitar daños por fusión al final del corte de placas gruesas incluyen:
(1) Detener el procesamiento antes de que se produzcan daños por fusión;
(2) Reducir el aporte de calor;
(3) Suprimir la reacción de oxidación;
(4) Procesar antes de que aumente la temperatura;
(5) Compensación.

(1) Detenga el procesamiento antes de que se produzcan daños por fusión → Agregue microuniones
Detenga el proceso de corte justo antes de completarlo, dejando una pequeña porción sin cortar (microuniones). La cantidad de microuniones debe determinarse en función de factores como (i) el grosor del material, (ii) la forma del corte, (iii) el tipo de material y (iv) el ancho de la ranura (posición de enfoque, distancia focal de la lente).

(2) Reducir el aporte de calor → Cambiar a condiciones de pulso con menor aporte de calor
Cambie las condiciones en la parte propensa a dañarse por fusión a condiciones de pulso con menor aporte de calor. Establecer parámetros como (i) baja frecuencia, (ii) ciclo de trabajo bajo, (iii) baja velocidad y (iv) baja presión de gas para las condiciones de pulso puede suprimir eficazmente la entrada de calor.

(3) Suprima la reacción de oxidación → Utilice aire o nitrógeno.
Aunque el calor de la reacción de oxidación del oxígeno puede mejorar el rendimiento de corte, también puede causar una acumulación excesiva de calor en la parte final. Cambiar el gas de procesamiento en la parte final a aire o nitrógeno, aunque puede causar defectos de escoria, puede suprimir eficazmente la generación de calor de reacción de oxidación.

(4) Procese antes de que aumente la temperatura → Aumente la velocidad de procesamiento
Si hay espacio para aumentar la velocidad de corte ajustando la potencia de salida, la velocidad de corte debe configurarse a un nivel más rápido que la velocidad de conducción de calor. En concreto, la velocidad de corte debe fijarse por encima de 2 m/min.

(5) Compensación → Agregar un programa de bulto
En el programa, agregue un bulto de la misma cantidad que la porción derretida. La parte abultada se derretirá durante el procesamiento, lo que finalmente logrará el equilibrio en el procesamiento y evitará daños por fusión.

 

3.4 Razones y soluciones a la dificultad de cortar materiales oxidados

Fenómeno:
Al cortar placas gruesas de acero al carbono, incluso los materiales que normalmente se pueden cortar bien pueden producir superficies de corte rugosas o sufrir quemaduras excesivas si hay óxido en la superficie. La Figura 3.13-1 muestra los resultados de corte para material SS400 de 12 mm que está (a) oxidado y (b) libre de óxido.

 

 

  

Como se muestra en la Figura 3.13-3, otro método consiste en utilizar una muela abrasiva de diamante para eliminar tanto el óxido como la capa de óxido de la superficie del material y luego continuar con el procesamiento una vez que el metal base esté expuesto. Sin embargo, la conductividad térmica del metal base (Fe) es mayor que la de la capa de óxido. Esto significa que incluso ligeras perturbaciones en el láser o en el gas auxiliar pueden aumentar la probabilidad de sobrecalentamiento y, una vez que se produce, su alcance puede ser amplio. La capa de óxido juega un papel importante en el corte por láser.

  

3.5 Condiciones de procesamiento para hacer marcas láser en acero al carbono más rugoso

Fenómeno:
En algunos componentes, como los utilizados en barcos y puentes, que deben recubrirse con una gruesa capa de zinc después del procesamiento con láser, las marcas láser normales solo sobresalen entre 0,1 y 0,2 mm. Después del recubrimiento, estas marcas pueden desaparecer, por lo que es necesario que las marcas del láser sean más pronunciadas.

Motivo:
Los marcados láser ordinarios se realizan utilizando láseres auxiliares de nitrógeno y de baja potencia con el punto focal fijado en la superficie del material, completando el marcado derritiendo la capa superficial del material. En este estado, aumentar la potencia o disminuir la velocidad de procesamiento ampliará el área fundida en la superficie, pero también hará que la superficie del área fundida sea rugosa. Elevar el punto focal para aumentar el diámetro del haz en la superficie irradiada dará como resultado una distribución desigual de la energía del haz, lo que hará que el procesamiento sea inestable.

Solución:
Para hacer las marcas tanto gruesas como profundas, como se muestra en la Figura 3.14-1, utilice el efecto de apoyo a la combustión del oxígeno para ampliar el rango de combustión y fusión en el área irradiada con láser. Al mismo tiempo, utilice condiciones de gas auxiliar de alta presión para eliminar rápidamente el metal fundido.

 Cuando se utiliza oxígeno auxiliar a alta presión para fundir y quemar el material de procesamiento, el fenómeno de fusión generalmente se extiende hacia adentro en la dirección del espesor de la placa, lo que eventualmente resulta en corte. En este punto, resulta crucial controlar la capacidad de procesamiento del oxígeno auxiliar para lograr únicamente la profundidad deseada del marcado. Esto requiere controlar el ancho y la profundidad de la fusión, lo que significa que es necesario optimizar las condiciones de la boquilla.

La Figura 3.14-2 muestra las marcas realizadas en acero al carbono de 6 mm de espesor en condiciones de potencia de salida de 250 W y velocidad de procesamiento de 1000 mm/min. Las boquillas utilizadas fueron de 2 mm y 1 mm de diámetro. Al utilizar la boquilla de 2 mm, el procesamiento se convirtió en corte; mientras que con la boquilla de 1 mm se convirtió en un grabado profundo. Una boquilla de menor diámetro favorece la expansión lateral de la marca y suprime su profundidad vertical.

 La entrada de una cantidad moderada de aire durante el procesamiento también ayuda a suprimir la reacción de combustión. Dado que el gas auxiliar utilizado es oxígeno, el metal fundido se oxidará durante el proceso. Además, con la inyección de gas auxiliar a alta presión, la superficie de la pieza de trabajo se convertirá en una pulverización de pequeñas partículas (como se muestra en la Figura 3.14-3). Sin embargo, dado que el punto focal está situado más alto y la boquilla está situada más lejos del lugar de procesamiento, el metal salpicado no se adherirá a la boquilla.

 

3.6 Rendimiento del procesamiento de corte en ángulo

Fenómeno:
Generalmente, el corte por láser implica que el láser irradie la superficie del material perpendicularmente. Si la pieza de trabajo está inclinada con respecto al eje del láser o si el láser se dirige a la superficie del material en ángulo, la superficie de corte se vuelve extremadamente inestable. En el corte con oxígeno de placas de acero al carbono, la superficie de corte experimentará una quemadura excesiva en el ángulo agudo; mientras que, en el corte no oxidante de materiales como el acero inoxidable, el corte en ángulo puede provocar escoria en la parte posterior de la pieza de trabajo.

Motivo:
La Figura 3.15-1(a) muestra la ranura en la superficie y la parte inferior de una placa SS400 de 12 mm de espesor cuando el cabezal de corte está inclinado. Cuando el láser se irradia en ángulo, la densidad de energía en la superficie de la pieza de trabajo se vuelve desigual en relación con la dirección de corte. Si el gas auxiliar expulsado de la boquilla también está inclinado con respecto a la superficie de la pieza de trabajo, el flujo de aire que ingresa a la ranura se vuelve turbulento, lo que afecta la calidad del procesamiento.

Desde la perspectiva de los elementos de la pieza de trabajo, los bordes cortantes tendrán extremos afilados (lado a) y romos (lado b). El extremo afilado (un lado) acumulará exceso de calor, haciéndolo propenso a quemarse demasiado.

Solución:
Como se muestra en la Figura 3.15-1(a), para material de 12 mm de espesor, se logra una buena calidad de corte cuando el ángulo de inclinación no excede los 10°. La Figura 3.15-1(b) muestra la relación entre el ángulo de inclinación del cabezal de corte y la velocidad máxima de corte para varios espesores de placas SS400. Cuanto mayor sea el ángulo de inclinación, menor debe ser la velocidad de corte.

 

La sobrequema se produce debido a una combustión excesiva y la medida eficaz fundamental para abordarla es suprimir el calor de la reacción de oxidación. Para materiales con menor espesor, se puede evitar la sobrequema utilizando aire o nitrógeno como gas auxiliar, ya que esto ayuda a suprimir las reacciones de oxidación. Sin embargo, existe una tendencia a que aumente la escoria en la parte posterior de la pieza de trabajo.

Al realizar un corte en ángulo en una pieza de trabajo, la dirección del corte también tiene un impacto significativo en la calidad del procesamiento. Cuando la dirección de corte se restringe a direcciones ascendentes y descendentes, la dirección ascendente es más propensa a quemarse excesivamente en comparación con la dirección descendente.

Para materiales reflectantes como las aleaciones de aluminio, el corte en ángulo es más complicado. A medida que aumenta el área de irradiación del rayo láser en la superficie del material, la densidad de energía disminuye, lo que hace que sea más probable que cause reflejos. En el corte por láser tridimensional, el láser siempre debe apuntar perpendicularmente. Si es necesario un corte en ángulo, se deben tomar medidas como la aplicación de absorbedores de rayos para evitar reflexiones.

3.7 Consideraciones para cortar láminas metálicas estampadas

Fenómeno:
Las láminas de metal estampadas suelen estar hechas de acero al carbono, acero inoxidable o aleación de aluminio. Al cortar una lámina de metal estampada con el patrón en relieve hacia arriba, las láminas de acero al carbono son más propensas a derretirse. La Figura 3.16-1 ilustra la relación entre la dirección de corte del láser y la aparición de fusión. La parte trasera elevada de la dirección de corte es más susceptible a derretirse.

 

Causa:
Cuando la velocidad de conducción del calor excede la velocidad de corte, el calor se acumulará en las esquinas elevadas. La relación entre la superficie del material y la boquilla o lente de procesamiento cambia en las áreas elevadas, provocando desviaciones en la presión del gas auxiliar o las condiciones de posición focal.

Solución:
Para lograr un corte de alta calidad de placas de acero estampadas, se pueden aplicar los siguientes métodos:

1. Reduzca el impacto de las áreas elevadas:
   al colocar la placa, coloque la superficie elevada como superficie posterior de procesamiento (superficie inferior) y la superficie plana como superficie de irradiación láser. Esto minimiza los cambios en la presión del gas auxiliar o la posición focal en la superficie de procesamiento. Al establecer las condiciones de procesamiento, se debe considerar la altura de las áreas elevadas y las condiciones de corte deben establecerse para un espesor máximo de placa de 7 mm. Si la pieza de trabajo es una placa grande, el esfuerzo necesario para darle la vuelta puede ser sustancial, pero sigue siendo un método eficaz para reducir la fusión.

2. Suprima la concentración de calor en áreas elevadas:
   si el corte debe realizarse con la superficie elevada como superficie de procesamiento (superficie superior), ajuste la velocidad de corte para que sea mayor que la velocidad de conducción de calor (p. ej., F = 2 m/min). La posición focal debe establecerse en el pico del área elevada y el ancho de la superficie del corte del área elevada debe mantenerse lo más pequeño posible. Estos son factores clave para una buena calidad de procesamiento. La cantidad de gas auxiliar inyectado también afecta la cantidad de fusión. Se debe seleccionar una boquilla de menor diámetro para minimizar el consumo de gas auxiliar.

   Además, en tales escenarios de corte, mantener una cierta distancia entre la boquilla y la superficie de la pieza de trabajo puede dificultar mucho el contorneado con un sensor capacitivo. En este caso, el contorneado se debe realizar utilizando un sensor de contacto y el contorneado debe limitarse a las áreas elevadas.

3.8 Mejora de la rugosidad superficial de cortes de placas gruesas

Fenómeno:
en el corte de placas gruesas de acero al carbono, la rugosidad de la superficie de corte en el punto de incisión inicial afecta directamente la rugosidad de la superficie de corte desde la parte media hasta la inferior de la placa. Si la rugosidad de la primera incisión es buena, la rugosidad de la superficie de corte extendida también será buena; si la rugosidad de la primera incisión es mala, la rugosidad de las partes media e inferior de la superficie de corte también lo será.

Motivo:
Como se muestra en la Figura 3.17-1, la rugosidad de la superficie de corte en la primera incisión está determinada por la irradiación láser, el rango de combustión que se extiende desde el punto de contacto A del borde frontal de corte y la cantidad de fusión. El metal fundido producido en la parte superior fluirá hacia abajo provocando una reacción de combustión, lo que provocará un corte más profundo. El fenómeno de fusión por láser progresa a medida que el láser avanza sobre la superficie de la pieza de trabajo (corte): (a) La combustión comienza en el punto A y se propaga;
(b) La velocidad de combustión V precede a la velocidad de avance del láser;
(c) La combustión se detiene en el punto B de temperatura más baja;
(d) El láser alcanza el punto de parada B.
Este proceso se repite hasta alcanzar el objetivo de corte. Para mejorar la rugosidad de la superficie del corte, es necesario detener la expansión de la combustión que comienza y se propaga en el paso (a).

 

 

Además, una disminución de la pureza del oxígeno auxiliar puede provocar un empeoramiento de las reacciones de oxidación y combustión o una reducción de la fluidez del material fundido. Para encontrar soluciones a este problema, consulte otras secciones.

Solución:
Para minimizar la propagación de la combustión alrededor del rayo láser en la incisión inicial, la irradiación del láser debe ser intermitente para permitir la fusión y la combustión intermitentes. Sin embargo, para operaciones de corte continuas, es necesario repetir la irradiación intermitente en intervalos muy cortos.

La Figura 3.17-2 compara la apariencia y la rugosidad de la superficie de los cortes en material SS400 de 12 mm de espesor con configuraciones de láser en condiciones de pulso de alta frecuencia (HPW) de 1300 Hz versus condiciones de onda continua (CW). Se puede observar que con el procesamiento HPW, tanto la parte superior como la media de la superficie de corte logran una buena rugosidad superficial.

 

 

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