**Corte por láser y sus fundamentos del sistema de procesamiento yndash; Equipos de corte por láser**

**II. Composición del equipo de corte por láser**

**2.1 Componentes y principio de funcionamiento de las máquinas de corte por láser**

Una máquina de corte por láser consta de un generador láser, cabezal de corte, componentes de transmisión del haz, mesa de trabajo de la máquina herramienta, sistema CNC, computadora (hardware, software), enfriador, cilindros de gas de protección, extractor de polvo y secador de aire, entre otras partes.

1. **Generador láser:** Este es el dispositivo que produce la fuente láser. Para aplicaciones de corte por láser, excepto en algunos casos donde se utilizan láseres de estado sólido YAG, la mayoría utiliza láseres de gas CO2 debido a su mayor eficiencia de conversión electro-óptica y capacidad para emitir mayor potencia. Dado que el corte por láser tiene requisitos muy altos para la calidad del haz, no todos los láseres son adecuados para el corte.

2. **Cabezal de corte:** Incluye principalmente componentes como la boquilla, la lente de enfoque y el sistema de seguimiento del enfoque. El dispositivo de accionamiento del cabezal de corte se utiliza para accionar el cabezal de corte a lo largo del eje Z de acuerdo con el programa, que consta de componentes como un servomotor y un husillo o engranajes.

* (1) **Boquilla:** Los tipos de boquillas incluyen principalmente tres formas: paralela, convergente y cónica.

* (2) **Lente de enfoque:** Para utilizar la energía del haz láser para el corte, el haz sin procesar emitido por el láser debe ser enfocado por una lente para formar un punto con alta densidad de energía. Las lentes de longitud focal media y larga son adecuadas para el corte de placas gruesas y tienen menores requisitos para la estabilidad de la distancia del sistema de seguimiento. Las lentes de corta longitud focal solo son adecuadas para placas delgadas de menos de 3 mm; tienen requisitos estrictos para la estabilidad de la distancia del sistema de seguimiento, pero pueden reducir significativamente la potencia de salida del láser requerida.

* (3) **Sistema de seguimiento:** El sistema de seguimiento del enfoque de la máquina de corte por láser generalmente consta del cabezal de corte de enfoque y el sistema de sensor de seguimiento. El cabezal de corte incluye piezas para la guía de la luz y el enfoque, la refrigeración por agua, el soplado de gas y el ajuste mecánico. El sensor consta del elemento sensor y las partes de control de amplificación. Dependiendo del elemento sensor, los sistemas de seguimiento son completamente diferentes; principalmente, existen dos formas: sistemas de seguimiento de sensores capacitivos (sin contacto) y sistemas de seguimiento de sensores inductivos (contacto).

3. **Componentes de transmisión del haz (trayectoria de luz externa):** Se utilizan espejos refractivos y reflectantes para dirigir el láser a la dirección requerida. Para evitar fallas en la trayectoria del haz, todos los espejos están protegidos por cubiertas y se les suministra gas de protección limpio y con presión positiva para evitar la contaminación. Un conjunto de lentes de alta calidad enfocará un haz sin ángulo de divergencia en un punto infinitamente pequeño. Se utiliza comúnmente una lente de longitud focal de 5.0 pulgadas. Una lente de 7.5 pulgadas solo se utiliza para materiales de más de 12 mm de espesor.

4. **Mesa de trabajo de la máquina herramienta (máquina principal):** La parte mecánica de la máquina de corte por láser que permite el movimiento a lo largo de los ejes X, Y y Z, incluida la plataforma de trabajo de corte.

5. **Sistema CNC:** Controla la máquina herramienta para lograr el movimiento de los ejes X, Y, Z y también controla la potencia de salida del láser.

6. **Sistema de refrigeración (unidad enfriadora):** Se utiliza para enfriar el generador láser. Un láser es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en energía luminosa. Por ejemplo, la tasa de conversión de un láser de gas CO2 es típicamente del 20%, y la energía restante se convierte en calor. El agua de refrigeración se lleva el exceso de calor para mantener el funcionamiento normal. El enfriador también enfría los espejos de la trayectoria de luz externa y la lente de enfoque para garantizar una calidad estable de transmisión del haz y prevenir eficazmente la deformación o el agrietamiento de la lente debido a una temperatura excesiva.

7. **Cilindros de gas:** Incluyen los cilindros de gas del medio de trabajo de la máquina de corte por láser y los cilindros de gas auxiliares, que se utilizan para reponer los gases industriales para la oscilación del láser y suministrar gases auxiliares al cabezal de corte.

8. **Sistema de extracción de polvo:** Extrae el humo y el polvo generados durante el procesamiento y los filtra para que las emisiones de escape cumplan con las normas ambientales.

9. **Secador y filtro de enfriamiento por aire:** Suministra aire limpio y seco al generador láser y a la trayectoria del haz para mantener el funcionamiento normal de la trayectoria y los espejos.

**2.2 Antorcha de corte por láser**

La estructura esquemática de una antorcha de corte por láser se muestra en la figura a continuación, compuesta principalmente por el cuerpo de la antorcha, la lente de enfoque, el espejo y la boquilla de gas auxiliar. Durante el corte por láser, la antorcha debe cumplir con los siguientes requisitos:

① La antorcha debe ser capaz de expulsar un flujo de gas suficiente.

② La dirección de expulsión del gas dentro de la antorcha debe ser coaxial con el eje óptico del espejo.

③ La distancia focal de la antorcha debe ser fácilmente ajustable.

④ Durante el corte, asegúrese de que el vapor de metal y las salpicaduras del proceso de corte no dañen el espejo.

El movimiento de la antorcha se ajusta a través del sistema de movimiento CNC. El movimiento relativo entre la antorcha y la pieza de trabajo puede ocurrir en tres situaciones:

① La antorcha está estacionaria y la pieza de trabajo se mueve a través de la mesa de trabajo (principalmente para piezas de trabajo más pequeñas).

② La pieza de trabajo está estacionaria y la antorcha se mueve.

③ Tanto la antorcha como la mesa de trabajo se mueven simultáneamente.

**2.2.1 Cabezal de corte**

El cabezal de corte por láser se encuentra al final del sistema de transmisión del haz e incluye la lente de enfoque y la boquilla de corte.

Las lentes de enfoque se distinguen principalmente por su distancia focal. La mayoría de los equipos de corte por láser están equipados con varios cabezales de corte de diferentes distancias focales. Tomando el corte por láser CO2 como ejemplo, las distancias focales comunes son 127 mm (5 pulgadas) y 190 mm (7.5 pulgadas). Una lente de corta distancia focal produce un punto focal pequeño y una corta profundidad de enfoque, lo que es beneficioso para reducir el ancho de la ranura y obtener un corte más fino. Una lente de larga distancia focal produce un punto focal más grande y una mayor profundidad de enfoque. En comparación con una lente de corta distancia focal, una lente de larga distancia focal puede cumplir con los requisitos de densidad de energía del haz enfocado cerca del punto focal en un rango más amplio de espesor del material. Por lo tanto, las lentes de corta distancia focal se utilizan principalmente para el corte fino de láminas delgadas, mientras que los materiales más gruesos requieren lentes de larga distancia focal para obtener suficiente profundidad de enfoque, asegurando que el cambio de diámetro del punto sea mínimo dentro del rango de espesor de corte y se mantenga una densidad de potencia adecuada.

La lente de enfoque se utiliza para enfocar el haz láser paralelo que ingresa a la antorcha para obtener un punto pequeño y una alta densidad de potencia. Las lentes están hechas de materiales que transmiten la longitud de onda del láser. Los láseres de estado sólido comúnmente utilizan vidrio óptico, mientras que los láseres de gas CO2, que no pueden transmitir a través del vidrio ordinario, utilizan materiales como ZnSe, GaAs y Ge, siendo ZnSe el más común.

Para el corte por láser, se desea un diámetro de punto lo más pequeño posible, ya que esto aumenta la densidad de potencia, lo que facilita el corte a alta velocidad. Sin embargo, cuando la distancia focal de la lente disminuye, la profundidad de enfoque también se vuelve más pequeña, lo que dificulta obtener buenas superficies de corte perpendiculares al cortar placas más gruesas. Además, con una distancia focal de lente más pequeña, la distancia entre la lente y la pieza de trabajo se reduce, lo que hace que la lente sea susceptible a la contaminación por salpicaduras y otros materiales fundidos durante el corte, lo que afecta el funcionamiento normal. Por lo tanto, la distancia focal adecuada debe determinarse mediante una consideración integral de factores como el espesor de corte y los requisitos de calidad.

**2.2.2 Espejo**

La función del espejo es cambiar la dirección del haz que proviene del láser. Para los haces de láseres de estado sólido, se pueden utilizar espejos hechos de vidrio óptico, mientras que los espejos en los dispositivos de corte por láser de gas CO2 a menudo están hechos de cobre o metales con alta reflectividad. Durante el uso, los espejos suelen ser refrigerados por agua para evitar daños causados por el sobrecalentamiento debido a la exposición a la luz.

**2.2.3 Boquilla**

La boquilla se utiliza para inyectar gas auxiliar en la zona de corte. Su forma estructural tiene una cierta influencia en la eficiencia y la calidad del corte. La Figura 4.11 muestra las formas de boquilla comunes utilizadas en el corte por láser; las formas de los orificios de inyección incluyen tipos cilíndricos, cónicos y convergentes-divergentes (de Laval).

La selección de la boquilla generalmente se determina después de las pruebas basadas en el material de la pieza de trabajo, el espesor, la presión del gas auxiliar, etc. El corte por láser generalmente utiliza boquillas coaxiales (flujo de gas coaxial con el eje óptico). Si el flujo de gas no es coaxial con el haz, puede generar fácilmente salpicaduras significativas durante el corte. La pared del orificio de la boquilla debe ser lisa para asegurar un flujo de gas suave y evitar afectar la calidad del corte debido a la turbulencia. Para asegurar la estabilidad del proceso de corte, la distancia desde la cara de la boquilla hasta la superficie de la pieza de trabajo debe minimizarse, a menudo se toma como 0.5~2.0 mm. La abertura de la boquilla debe permitir que el haz láser pase sin obstáculos, evitando que el haz toque la pared interna de la boquilla. Cuanto más pequeña sea la abertura, más difícil será la colimación del haz. A una cierta presión de gas auxiliar, existe un rango óptimo de diámetros de abertura de la boquilla. Si la abertura es demasiado pequeña o demasiado grande, afectará la eliminación de los productos fundidos de la ranura y también afectará la velocidad de corte.

La influencia de la abertura de la boquilla en la velocidad de corte bajo cierta potencia del láser y presión de gas auxiliar se muestra en las Figuras 4.12 y 4.13. Se puede ver que existe una abertura de boquilla óptima que produce la máxima velocidad de corte. Ya sea que se utilice oxígeno o argón como gas auxiliar, este valor óptimo es de aproximadamente 1.5 mm.

Las pruebas de corte por láser en materiales difíciles de cortar como el carburo cementado muestran que la abertura óptima de la boquilla es muy cercana al resultado anterior, como se muestra en la Figura 4.14. La abertura de la boquilla también afecta el ancho de la ranura y el ancho de la zona afectada por el calor (ZAC). Como se muestra en la Figura 4.15, a medida que aumenta la abertura de la boquilla, la ranura se ensancha mientras que la ZAC se estrecha. La razón principal del estrechamiento de la ZAC es el efecto de enfriamiento mejorado del flujo de gas auxiliar en el material base en la zona de corte.

**2.3 Parámetros del equipo de corte por láser**

**2.3.1 Equipo de corte accionado por antorcha**

En el equipo de corte accionado por antorcha, la antorcha de corte está instalada en un pórtico móvil y se mueve transversalmente (dirección Y) a lo largo de la viga del pórtico. El pórtico impulsa la antorcha a lo largo de la dirección X, y la pieza de trabajo se fija en la mesa de corte. Dado que la fuente láser está separada de la antorcha, durante el corte, las características de transmisión del láser, el paralelismo a lo largo de la dirección de escaneo del haz y la estabilidad de los espejos reflectantes pueden verse afectados.

El equipo accionado por antorcha puede procesar piezas más grandes, requiere relativamente menos espacio en el suelo para el área de producción de corte y puede integrarse fácilmente en líneas de producción con otros equipos. Sin embargo, la precisión de posicionamiento es típicamente de alrededor de ±0.04 mm.

La estructura típica del equipo de corte accionado por antorcha se muestra en la Figura 4.19. Este ejemplo utiliza un cortador láser de onda continua CO2, con una distancia de transmisión del haz de 18 m desde la fuente láser hasta la antorcha. Para asegurar que los cambios en la forma del haz a lo largo de esta distancia no obstaculicen el corte, la combinación de espejos osciladores debe diseñarse cuidadosamente.

Parámetros técnicos principales para equipos accionados por antorcha:

* Potencia de salida del láser: 1.5kW (modo simple), 3kW (multimodo).

* Recorrido de la antorcha: Eje X 6.2 m, Eje Y 2.6 m.

* Velocidad de accionamiento: 0~10 m/min (ajustable).

* Altura de la antorcha (eje Z) Recorrido flotante: 150 mm.

* Velocidad de ajuste de la altura de la antorcha: 300 mm/min.

* Tamaño máximo de placa de acero procesable: 12 mm de espesor * 2400 mm * 6000 mm.

* Equipo de control: Método de control CNC integrado.

**2.3.2 Equipo accionado por mesa de corte de coordenadas XY**

En el equipo accionado por mesa de corte de coordenadas XY, la antorcha está fija en el marco de la máquina, y la pieza de trabajo se coloca en la mesa de corte. La mesa de corte se mueve de acuerdo con las instrucciones NC a lo largo de las direcciones X e Y. La velocidad de accionamiento es generalmente de 0~1 m/min (ajustable) o 0~5 m/min (ajustable). Dado que la antorcha está fija en relación con la pieza de trabajo, la alineación del haz láser se ve menos afectada durante el corte, lo que permite cortes uniformes y estables. Cuando el tamaño de la mesa de corte es pequeño y la precisión mecánica es alta, la precisión de posicionamiento puede ser de ±0.01 mm, lo que resulta en una excelente precisión de corte, lo que lo hace particularmente adecuado para el corte de precisión de piezas pequeñas. También hay mesas de corte con un recorrido del eje X de 2300~2400 mm y un recorrido del eje Y de 1200~1300 mm para procesar piezas más grandes.

Parámetros técnicos principales para equipos accionados por mesa XY:

* Láser: Láser de gas CO2 (tipo tubo recto semi-sellado).

* Fuente de alimentación del láser: Voltaje de entrada 200 V CA, Voltaje de salida 0~30 kV, Corriente máxima de salida 100 mA.

* Potencia de salida del láser: 550 W.

* Recorrido de la mesa de corte: Eje X 2300 mm, Eje Y 1300 mm.

* Velocidad de accionamiento de la mesa de corte (ajustable por pasos): 0.4~5.0 m/min, 0.2~2.5 m/min, 0.1~1.3 m/min, 0.05~0.6 m/min.

* Altura de la antorcha (eje Z) Recorrido flotante: 180 mm.

* Tamaño máximo de la hoja procesable: 6 mm de espesor * 1300 mm * 2300 mm.

* Equipo de control: Método NC.

**2.3.3 Equipo de corte de doble accionamiento antorcha-mesa**

El equipo de corte de doble accionamiento antorcha-mesa es un híbrido entre los tipos de accionamiento por antorcha y por mesa XY. La antorcha está instalada en un pórtico y se mueve transversalmente (dirección Y) a lo largo de la viga del pórtico, mientras que la mesa de corte se acciona longitudinalmente (dirección X). Combina las ventajas de una alta precisión de corte y ahorro de espacio. La precisión de posicionamiento es de ±0.01 mm, el rango de ajuste de la velocidad de corte es de 0~20 m/min, lo que lo convierte en un tipo de equipo de corte ampliamente utilizado. Los modelos más grandes de este tipo pueden tener un recorrido del eje Y de 2000 mm y un recorrido del eje X de 6000 mm, capaces de cortar piezas grandes.

En algunos diseños, el oscilador láser también está montado en el pórtico junto con la antorcha. La precisión para cortar agujeros circulares con equipos de doble accionamiento es bastante buena. La eficiencia de producción también es alta; por ejemplo, puede cortar 46 agujeros de 10 mm de diámetro por minuto en una placa de acero de 1 mm de espesor.

**2.3.4 Equipo de corte integrado**

En el equipo de corte integrado, la fuente láser está instalada en el marco de la máquina y se mueve longitudinalmente con él, mientras que la antorcha y su mecanismo de accionamiento forman una unidad que se mueve transversalmente en la viga del marco. Usando CNC, se pueden cortar varias piezas con forma. Para compensar el cambio en la longitud de la trayectoria óptica causado por el movimiento transversal de la antorcha, generalmente se equipa un componente de ajuste de la longitud de la trayectoria óptica, lo que garantiza un haz homogéneo en toda el área de corte y mantiene una calidad de superficie de corte consistente.