A mediados del siglo XX surgió la tecnología láser. A lo largo de los años, gracias al arduo trabajo y la dedicación de generaciones de científicos y técnicos, la tecnología láser ha evolucionado y se ha perfeccionado. Desde sus primeras etapas de desarrollo hasta su aplicación práctica en diversos campos, la tecnología láser ha experimentado un crecimiento y un éxito significativos.
En el siglo XXI, la tecnología láser, en particular la tecnología de procesamiento láser aplicada en el campo industrial, ha ganado gran popularidad y ha tenido un impacto económico y social sustancial. Ha sido fundamental para impulsar el avance de las ciencias naturales y la tecnología y la progresión de la economía social.
Principio del mecanizado láser
La tecnología de procesamiento láser, como se muestra en la Figura 1, crea un rayo láser con alta densidad de energía al enfocar la energía luminosa a través de una lente. Esta tecnología utiliza las propiedades únicas del rayo láser y la interacción del material para una variedad de propósitos, incluidos corte, soldadura, tratamiento de superficies, punzonado y micromecanizado en materiales metálicos y no metálicos.
Fig.1 Diagrama esquemático del procesamiento láser.
Como tecnología de fabricación de última generación, la tecnología de procesamiento láser se utiliza ampliamente en industrias como la automoción, la electrónica, la aviación, la metalurgia y la fabricación de máquinas. Desempeña un papel crucial en la mejora de la calidad del producto, el aumento de la productividad laboral, la promoción de la automatización y la reducción de la contaminación y el consumo de recursos.
Entre las diversas aplicaciones, el corte por láser, el marcado por láser y la soldadura por láser son las más utilizadas.
Aplicación de la tecnología láser
Corte con laser
Las técnicas de corte tradicionales, como el corte con gas, el corte mecanizado, el corte por corte y el corte por plasma, tienen sus limitaciones. A pesar de ofrecer velocidades de corte rápidas y la capacidad de cortar materiales más gruesos, la precisión del tamaño de corte suele ser deficiente. Esto da como resultado mayores costos de corte y gastos de procesamiento adicionales.
El mecanizado de corte proporciona una alta precisión, pero su lenta velocidad de corte limita su capacidad para cortar curvas complejas. Además, durante el corte se produce una importante pérdida de material.
El corte a ciegas es más eficiente y económico, pero su calidad de procesamiento es limitada y su ámbito de aplicación es limitado. La calidad del corte es mala, especialmente al procesar chapas gruesas y formas curvas complejas.
Aunque el corte por plasma es más eficiente, produce una mejor sección de corte que otros métodos, pero su precisión de corte está limitada al nivel milimétrico. Como tal, sólo es adecuado para mecanizado de desbaste y semiacabado.
Fig.2 Corte por láser
En comparación con la tecnología de corte tradicional, las ventajas de la tecnología de corte por láser (figura 2) son obvias:
- Velocidad de corte rápida
- Alta eficiencia
- Amplia gama de mecanizado
- En el mecanizado, la incisión es suave porque se sustituye la tradicional herramienta o llama por un haz de luz. No hay necesidad de procesamiento adicional.
- El área afectada por el calor cortante es pequeña.
- Pequeña deformación de la hoja
- Costura de corte pequeña (alta tasa de utilización)
- No hay tensión mecánica en la incisión.
- Sin rebabas
- Alta precisión de mecanizado
- Buena repetibilidad
- No dañe la superficie del tablero.
- Programación CNC
- No es necesario abrir el molde.
- Ahorro y ahorro de tiempo
Las ventajas del corte por láser son especialmente visibles al mecanizar curvas. En comparación con el corte por corte, la superficie producida por el corte por láser es suave y no muestra marcas obvias de la hoja en las partes curvas. Además, debido a que la placa permanece estacionaria durante el procesamiento, se elimina el riesgo de rayones causados por el movimiento.
El corte por láser funciona dirigiendo un rayo láser enfocado de alta densidad de potencia a la pieza de trabajo, lo que hace que el material se derrita, vaporice, apague o encienda rápidamente. Luego, la pieza de trabajo se corta soplando el material fundido utilizando un flujo de aire de alta velocidad a lo largo del mismo eje que la viga.
El corte por láser se considera uno de los métodos de corte térmico.
El corte por láser se puede dividir en cuatro categorías:
- corte por vaporización láser
- corte por fusión láser
- corte de oxígeno por láser
- grabado láser y control de desgarros
(1) Corte por vaporización por láser
La vaporización láser es un proceso en el que la pieza se calienta mediante un rayo láser con alta densidad de energía. La temperatura del material aumenta rápidamente y alcanza el punto de ebullición en un corto período de tiempo, lo que hace que el material se vaporice y forme vapor. El vapor es expulsado rápidamente, provocando una incisión en el material. Este método se utiliza principalmente para cortar metales y materiales no metálicos extremadamente finos.
(2) Corte por fusión por láser
En el corte por fusión por láser, el material metálico se funde mediante calentamiento por láser. A continuación se pulveriza desde la boquilla un gas no oxidante, como Ar, He o N2, a lo largo del mismo eje del haz. El metal líquido es expulsado por la poderosa presión del gas, creando una incisión. Este método requiere solo una décima parte de la energía necesaria para la vaporización, ya que no es necesario vaporizar completamente el metal. Se utiliza principalmente para cortar metales no oxidables o activos como acero inoxidable, titanio, aluminio y aleaciones.
(3) Corte por láser de oxígeno
El corte por láser de oxígeno funciona según un principio similar al corte con oxiacetileno. El láser se utiliza como fuente de precalentamiento y oxígeno u otros gases activos como gas de corte. El gas producido por el chorro reacciona con la oxidación generando una gran cantidad de calor. El óxido fundido y el material fundido se expulsan del área de reacción, lo que produce una incisión en el metal. El corte por láser de oxígeno requiere sólo la mitad de la energía necesaria para el corte por fusión, pero tiene una velocidad de corte mucho más rápida. Se utiliza principalmente para cortar acero al carbono, acero de titanio, acero para tratamiento térmico y otros materiales metálicos que se oxidan fácilmente.
(4) Grabado láser y control de ráfagas.
En el grabado láser, el láser de alta densidad de energía escanea la superficie de materiales frágiles, calentando el material en una pequeña ranura. La aplicación de presión hace que el material quebradizo se agriete a lo largo de la ranura. Entre los tres primeros métodos de corte mencionados, el trazado por láser y el control de ráfagas son los menos utilizados.
Actualmente, el corte por láser es más eficaz para cortar metal negro, con una alta velocidad de corte y la capacidad de cortar hasta un espesor de 20 mm o más. Sin embargo, debido al efecto de reflexión de la estructura molecular de los metales no ferrosos en el rayo láser, el efecto de corte en estos materiales es ligeramente más débil. La máquina debe estar equipada con un reflector.
Según las estadísticas, el espesor máximo que se puede cortar en aleaciones de aluminio no es más de la mitad que el del metal negro, y el efecto de corte en aleaciones de cobre, especialmente cobre, es aún peor.
El núcleo de la tecnología de corte por láser es el generador láser, que se presenta en dos formas: láser de CO2 y generador de láser de fibra.
Generador láser de CO2: El generador láser de CO2 se genera descargando una mezcla de CO2, He y N2 en la cavidad del láser a alta presión. Este proceso excita los átomos de la mezcla para liberar energía, que luego se emite en forma de fotones o electrones para crear el láser. El láser emitido por el láser de CO2 es luz visible, que puede provocar daños leves en la retina y la piel. Por lo tanto, se recomienda que los operadores usen gafas protectoras durante el uso.
Generador de láser de fibra: un generador de láser de fibra utiliza una fibra de vidrio dopada con elementos de tierras raras como medio de ganancia. Bajo la acción de la luz de la bomba, se puede formar fácilmente una alta densidad de potencia dentro de la fibra óptica, lo que hace que el nivel de energía láser de la sustancia de trabajo invierta el número de partículas. Se agrega un bucle de retroalimentación positiva para formar la salida del oscilador láser. La salida no es luz visible, lo que puede causar daños graves a la retina y la piel, por lo que el operador debe usar gafas protectoras especiales durante la operación.
El láser de CO2 tiene una estructura de trayectoria óptica más compleja y una mayor pérdida de lente óptica, con mayores requisitos ambientales (menos polvo). La máquina debe aislarse de fuentes sísmicas y mantenerse en un ambiente seco con temperatura constante. El láser de fibra, por otro lado, tiene una estructura de trayectoria óptica simple con requisitos ambientales más bajos (alta tolerancia al polvo, vibraciones, golpes, temperatura y humedad). El láser de fibra es más rápido para cortar láminas delgadas, mientras que el láser de CO2 es más potente para cortar láminas gruesas. El láser de CO2 no puede cortar placas de metal altamente reflectantes, pero un láser de fibra puede cortar placas delgadas de cobre.
soldadura por láser
La soldadura láser (figura 3) es un campo importante de la tecnología láser.
Fig.3 Soldadura láser
La soldadura láser es un nuevo tipo de soldadura que utiliza pulsos láser de alta energía para calentar pequeñas áreas de material. La energía de la radiación láser se difunde a través de la conducción de calor en el material, lo que hace que se derrita y forme un charco fundido específico. Este método se utiliza principalmente para soldar materiales de paredes delgadas y piezas de precisión, y se puede utilizar para varios tipos de soldadura, como soldadura por puntos, soldadura a tope, soldadura apilada y soldadura por sello.
Las características clave incluyen:
- Relación de aspecto amplia y de alta profundidad
- Ancho de soldadura pequeño
- Pequeña zona afectada por el calor
- Pequeña deformación
- Velocidad de soldadura rápida
- La costura de soldadura suave y hermosa.
- No es necesario procesar o simplemente procesar después de soldar.
- Alta calidad de la costura de soldadura.
- Sin agujero de gas
- Control preciso
- Luz de foco pequeña
- Alta precisión de posicionamiento
- Fácil implementación de automatización
La soldadura láser es muy utilizada en diversos ámbitos, especialmente en la fabricación de ferrocarriles de alta velocidad y automóviles, debido a sus numerosos beneficios. Estos beneficios incluyen:
(1) Mínimo aporte térmico, con pequeña variación metalográfica en la zona de efecto térmico y mínima deformación por conducción de calor.
(2) La capacidad de confirmar y reducir el tiempo necesario para soldar láminas gruesas, eliminando incluso la necesidad de metal de aportación.
(3) No se necesitan electrodos, no hay que preocuparse por la contaminación o los daños. Además no pertenece al proceso de soldadura por contacto, minimizando pérdidas y deformaciones de la fijación.
(4) El rayo láser puede enfocarse, alinearse y guiarse fácilmente mediante instrumentos ópticos, con la capacidad de colocarlo a una distancia adecuada de la pieza de trabajo y redirigirlo alrededor de obstáculos.
(5) La capacidad de colocar la pieza de trabajo en espacios cerrados controlados por un ambiente de vacío o gas interno.
(6) El rayo láser se puede enfocar en áreas pequeñas, lo que lo hace ideal para soldar piezas pequeñas y poco espaciadas.
(7) Capaz de soldar una amplia gama de materiales y coser diversos materiales heterogéneos.
(8) Fácil de soldar de forma rápida y automática, o controlado mediante tecnología digital o informática.
(9) Al soldar material fino o alambre de diámetro fino, no será tan fácil como soldar por arco.
(10) No se ve afectado por campos magnéticos y es capaz de alinear con precisión piezas soldadas.
(11) La capacidad de soldar dos metales con diferentes propiedades, como diferentes resistencias.
(12) La capacidad de lograr una relación de profundidad de soldadura de 10:1 en soldadura perforada.
(13) La capacidad de transferir el rayo láser a múltiples estaciones de trabajo.
Debido a las características anteriores de la soldadura por láser, la soldadura por láser se utiliza ampliamente en el campo de la fabricación de vehículos civiles.
La soldadura láser es el principal proceso de soldadura en la fabricación de automóviles y ferrocarriles de alta velocidad.
A pesar de sus beneficios, la soldadura láser también presenta varias desventajas que es necesario tener en cuenta. Estas desventajas incluyen:
(1) La necesidad de un posicionamiento preciso de las piezas soldadas dentro del rango de enfoque del rayo láser.
(2) La necesidad de abrazaderas que aseguren que la posición final de la soldadura esté alineada con el punto de soldadura que será impactado por el rayo láser.
(3) Espesor máximo soldable limitado, no siendo adecuada la soldadura por láser para materiales con un espesor de penetración superior a 19 mm.
(4) El impacto de la soldadura láser en las propiedades de materiales de alta reflectancia y alta conductividad térmica como el aluminio, el cobre y las aleaciones.
(5) El uso de un controlador de plasma para eliminar el gas ionizado alrededor del baño fundido cuando se utiliza soldadura con rayo láser de alta energía.
(6) Baja eficiencia de conversión de energía, generalmente inferior al 10%.
(7) Rápida solidificación del cordón de soldadura que puede provocar porosidad y fragilidad.
(8) Alto costo.
El alto costo de los equipos de soldadura láser es una limitación importante y restringe su uso generalizado.
Grabado láser
El grabado láser implica el uso de un rayo láser de alta densidad de energía controlado por una computadora para derretir o vaporizar instantáneamente la superficie de un producto, creando el texto o logotipo deseado, como se muestra en la Figura 4.
Fig.4 Letras láser
El grabado láser también se denomina marcado láser.
Características del marcado láser:
- Estable constantemente
- Bellamente diseñado
- Alta velocidad y eficiencia
- Modo sin contacto
- Alta precisión de repetición
- No es necesario hacer el formato.
- Sin contaminacion
- Fácil de lograr una impresión de vuelo sincrónica con la línea de producción.
El material que se puede marcar con grabado láser incluye números, letras, caracteres chinos, gráficos, códigos de barras y más.
El grabado láser es un método de marcado avanzado y ampliamente utilizado, adecuado para la producción moderna y de alta velocidad.
Como se muestra en la Tabla 1, una comparación de varias técnicas de marcado revela que las ventajas de la tecnología de marcado láser son claras.
Tabla 1. Comparación de varias técnicas de marcado
| Tecnología de marcado | Actuación | Efecto y precisión | Color de marcado | Cambios en el gráfico | Consumibles |
|---|---|---|---|---|---|
| Marcado láser | Bien | Alta precisión y buen efecto. | Determinado por el material | La voluntad | No |
| Grabado químico | Bien | Baja exactitud | Color del material | Difícil | Sí |
| Impresión de tinta | Peor | Alta precisión | Cualquier color | Fácil | Sí |
| grabado mecanico | Mejorar | Baja exactitud | Color del material | La voluntad | Sí |
| prensa mecanica | Peor | Poca precisión | Color del material | Difícil | Sí |
Tecnología de creación rápida de prototipos por láser
La creación rápida de prototipos con láser (como se muestra en la Figura 5) representa un cambio significativo en la tecnología de fabricación moderna.
Representa una expansión de la tecnología láser en aplicaciones industriales.
Fig.5 Tecnología de creación rápida de prototipos por láser
La competencia en la industria manufacturera se ha intensificado con la aceleración del proceso de integración del mercado global, y la velocidad del desarrollo de productos se ha convertido en la principal contradicción competitiva. Para satisfacer las necesidades siempre cambiantes de los usuarios, la industria manufacturera requiere una tecnología que sea más flexible, que permita la producción de lotes pequeños o incluso piezas individuales sin aumentar el coste del producto.
La tecnología de creación rápida de prototipos (RP) es un método de fabricación que construye material capa por capa o, más ampliamente, gráficos 3D diseñados por computadora. La alta temperatura producida por el láser se utiliza para sinterizar polvo metálico en gráficos 3D, lo que da como resultado componentes metálicos. Se pueden crear prototipos directamente a partir de modelos CAD 3D sólidos en tan solo unas pocas horas o decenas de horas.
La creación rápida de prototipos proporciona una representación más completa e intuitiva que los dibujos y las pantallas de computadora, especialmente durante la fase de desarrollo del producto, lo que permite una consideración integral de múltiples factores. Esto conduce a ciclos de desarrollo más cortos, mejor calidad del producto, costos reducidos y riesgos de inversión reducidos.
Cuando se combina con la fundición de precisión en la fundición, la tecnología de creación rápida de prototipos por láser permite a la fundición producir rápidamente todo tipo de moldes de cera utilizados para la fundición de precisión de estructuras grandes y complejas, lo que reduce los costos de subcontratación. Mientras tanto, la producción de lotes únicos o pequeños de piezas fundidas de precisión se puede llevar a cabo sin molde, lo que ahorra costos de herramientas y acorta significativamente el ciclo de producción.
El desarrollo y la producción de nuevos productos ahorra tiempo valioso y reduce los costos de producción, y se ha mejorado el nivel de fundición de precisión de las fundiciones, sentando una base sólida para una producción exitosa de fundición de precisión en productos futuros.
Está claro que el uso de la tecnología de creación rápida de prototipos con láser se generalizará en el futuro.
Tratamiento térmico con láser
El tratamiento térmico con láser (como se muestra en la Figura 6) es una tecnología que implica el uso de un láser para calentar la superficie de materiales metálicos con el fin de realizar un tratamiento térmico de la superficie.
Fig.6 Tratamiento térmico con láser
Este proceso se puede utilizar para una variedad de tratamientos de modificación de superficies metálicas, incluido el endurecimiento (también conocido como enfriamiento de superficies, amorfización de superficies, refundición y enfriamiento de superficies), aleación de superficies y otras modificaciones.
El resultado del tratamiento con láser produce cambios en la composición, estructura y rendimiento de la superficie que no son posibles con el endurecimiento de superficies convencional. Después del tratamiento con láser, la dureza de la superficie del hierro fundido puede alcanzar los 60 HRC, mientras que el acero al carbono con niveles de carbono medios a altos puede alcanzar hasta los 70 HRC.
Esta mejora en la dureza de la superficie conduce a un aumento en la resistencia al desgaste, la resistencia a la fatiga, la resistencia a la corrosión, la resistencia a la oxidación y extiende la vida útil general del metal.
Conclusión
Debido a sus numerosas ventajas, la tecnología de procesamiento láser es muy valorada en el sector de fabricación industrial, con bajos costos, alta eficiencia y un gran potencial de aplicación. Esto ha llevado a una intensa competencia entre las principales naciones industrializadas del mundo.
La tecnología láser se está expandiendo hacia nuevos campos y su desarrollo continúa a un ritmo sorprendente. En las principales industrias manufactureras, como la automotriz, la electrónica, la maquinaria, la aviación y el acero, algunos países han pasado por completo de los métodos de procesamiento tradicionales al procesamiento láser y han entrado en la "era de la luz".
