Fundamentos do corte por láser e o seu sistema de procesamento —Equipos de corte por láser

II. Composición do equipo de corte por láser

2.1 Compoñentes e principio de funcionamento da máquina de corte por láser

Unha máquina de corte por láser consta dun emisor láser, cabezal de corte, conxunto de transmisión de feixe, mesa de traballo da máquina-ferramenta, sistema de control numérico (NC), ordenador (hardware e software), refrixerador, cilindro de gas de protección, colector de po e secador de aire.

Xerador láser

O xerador láser é un dispositivo que produce fontes de luz láser. Para aplicacións de corte por láser, a maioría das máquinas adoptan láseres de gas CO₂ que presentan unha alta eficiencia de conversión electroóptica e unha alta potencia de saída, agás algúns casos nos que se usan láseres de estado sólido YAG. Non todos os láseres son axeitados para cortar, xa que o corte por láser impón requisitos rigorosos sobre a calidade do feixe.
Cabezal de corte

Componse principalmente de compoñentes como unha boquilla, unha lente de enfoque e un sistema de seguimento do enfoque.

O dispositivo de accionamento do cabezal de corte utilízase para mover o cabezal de corte ao longo do eixe Z segundo programas predefinidos. Consta dun servomotor e pezas de transmisión como parafusos de avance ou engrenaxes.

(1) Boquilla: Hai tres tipos principais de boquillas: tipo paralelo, tipo converxente e tipo cónico.

(2) Lente de enfoque: Para realizar o corte usando a enerxía do feixe láser, o feixe orixinal emitido polo láser debe enfocarse a través dunha lente para formar un punto de luz con alta densidade de enerxía. As lentes de distancia focal media e longa son axeitadas para o corte de placas grosas e teñen requisitos máis baixos para a estabilidade de espazado do sistema de seguimento. As lentes de distancia focal curta só son axeitadas para cortar placas delgadas de menos de 3 mm; teñen requisitos estritos para a estabilidade de espazado do sistema de seguimento, pero poden reducir significativamente a potencia de saída do láser requirida.

(3) Sistema de seguimento: O sistema de seguimento do enfoque dunha máquina de corte por láser xeralmente consiste nun cabezal de corte enfocado e un sistema de sensores de seguimento. O cabezal de corte integra funcións de guía e enfoque do feixe, refrixeración por auga, insuflación de gas e axuste mecánico.

O sensor está composto por elementos sensores e unha unidade de control de amplificación. Os sistemas de seguimento varían completamente dependendo do tipo de elementos sensores. Hai dous tipos principais dispoñibles: un é o sistema de seguimento de sensores capacitivos, tamén coñecido como sistema de seguimento sen contacto; o outro é o sistema de seguimento de sensores indutivos, tamén coñecido como sistema de seguimento por contacto.
Asemblea de transmisión de feixe

Traxectoria óptica externa: Os espellos reflectantes utilízanse para guiar o raio láser na dirección desexada. Para evitar fallos na traxectoria do raio, todos os espellos reflectantes están protexidos por escudos e introdúcese gas protector limpo a presión positiva para manter os espellos libres de contaminación. Unha lente de alto rendemento pode enfocar un raio non diverxente nun punto infinitamente pequeno. Adóitase usar unha lente cunha distancia focal de 5,0 polgadas, mentres que unha lente de 7,5 polgadas só é aplicable para cortar materiais de máis de 12 mm de grosor.
Mesa de traballo de máquinas-ferramenta

Corpo principal da máquina: a sección da máquina-ferramentamáquina de corte por láseré a parte mecánica que realiza o movemento dos eixes X, Y e Z, incluída a plataforma de traballo de corte.
Sistema de control numérico

O sistema NC controla a máquina ferramenta para lograr movementos nos eixes X, Y e Z e regula a potencia de saída do láser ao mesmo tempo.
Sistema de refrixeración

Unidade de refrixeración: Úsase para arrefriar o xerador láser. Un láser é un dispositivo que converte a enerxía eléctrica en enerxía luminosa. Por exemplo, a eficiencia de conversión dun láser de gas CO₂ é xeralmente do 20 %, e a enerxía restante convértese en calor. A auga de refrixeración elimina o exceso de calor para manter o funcionamento normal do xerador láser. A unidade de refrixeración tamén arrefría os espellos externos da traxectoria óptica e as lentes de enfoque da máquina ferramenta, garantindo unha calidade estable da transmisión do feixe e evitando eficazmente a deformación ou o rachado das lentes debido ao sobrequecemento.
Cilindros de gas

As bombonas de gas inclúen bombonas de medio de traballo e bombonas de gas auxiliares para a máquina de corte por láser, que se usan para complementar os gases industriais para a oscilación do láser e subministrar gases auxiliares para o cabezal de corte.
Sistema de eliminación de po

Extrae o fume e o po xerados durante o procesamento e realiza un tratamento de filtración para garantir que as emisións de gases de escape cumpran as normas de protección ambiental.
Secador e filtro de refrixeración por aire

Fornece aire limpo e seco ao xerador láser e á traxectoria do feixe, mantendo o funcionamento normal da traxectoria do feixe e dos espellos reflectantes.

2.2 Soplete de corte para corte por láser

A continuación móstrase o diagrama estrutural dunha tocha de corte para corte por láser. Está composta principalmente por un corpo da tocha, unha lente de enfoque, un espello reflectante e unha boquilla de gas auxiliar. Durante o corte por láser, a tocha de corte debe cumprir os seguintes requisitos:

① A tocha pode expulsar un fluxo de gas suficiente.

② A dirección de expulsión do gas dentro da lanterna debe ser coaxial co eixe óptico do espello reflectante.

③ A distancia focal da lanterna pódese axustar facilmente.

④ Durante o corte, o vapor metálico e as salpicaduras do metal cortado non deben danar o espello reflectante.

O movemento da tocha de corte axústase mediante un sistema de movemento NC. Hai tres escenarios para o movemento relativo entre a tocha de corte e a peza de traballo:

① A tocha permanece estacionaria mentres a peza se move pola mesa de traballo; axeitado principalmente para pezas de pequeno tamaño.

② A peza permanece estacionaria mentres a tocha se move.

③ Tanto a tocha como a mesa de traballo móvense simultaneamente.

2.2.1 Cabezal de corte

O cabezal de corte por láser está situado no extremo do sistema de transmisión do feixe e consiste nunha lente de enfoque e unha boquilla de corte.

As lentes de enfoque clasifícanse principalmente por distancia focal. A maioría dos equipos de corte por láser están equipados con varios cabezales de corte con diferentes distancias focais. Tomando como exemplo o corte por láser de CO₂, as distancias focais comúns son 127 mm (5 polgadas) e 190 mm (7,5 polgadas). Unha lente de distancia focal curta produce un punto focal pequeno e unha profundidade focal curta, o que favorece a reducir o ancho do corte e a conseguir cortes máis finos. Unha lente de distancia focal longa produce un punto focal maior e unha profundidade focal maior. En comparación coas lentes de distancia focal curta, as lentes de distancia focal longa poden proporcionar un feixe enfocado cunha densidade de enerxía láser suficiente para o procesamento de materiais preto do punto focal. Polo tanto, as lentes de distancia focal curta úsanse principalmente para o corte de precisión de placas delgadas, mentres que as lentes de distancia focal longa son necesarias para materiais máis grosos para obter unha profundidade focal adecuada, garantindo unha variación mínima no diámetro do punto e unha densidade de potencia suficiente dentro do rango de espesor de corte.

As lentes de enfoque utilízanse para enfocar o raio láser paralelo que incide na tocha de corte, conseguindo un tamaño de punto máis pequeno e unha maior densidade de potencia. As lentes están feitas de materiais que poden transmitir a lonxitude de onda do láser. O vidro óptico úsase habitualmente para láseres de estado sólido, mentres que materiais como o ZnSe, o GaAs e o Ge adóptanse para láseres de gas CO₂ (xa que o vidro ordinario non é transparente aos raios láser de CO₂), entre os cales o ZnSe é o máis utilizado.

Para o corte con láser, minimizar o diámetro do punto focal é desexable para aumentar a densidade de potencia e permitir o corte a alta velocidade. Non obstante, unha distancia focal da lente máis curta resulta nunha profundidade focal menor, o que dificulta a consecución dunha superficie de corte perpendicular ao cortar placas grosas. Ademais, unha distancia focal máis curta reduce a distancia entre a lente e a peza de traballo, o que aumenta o risco de que a lente se contamine con salpicaduras de líquido fundido durante o corte e afecte ao funcionamento normal. Polo tanto, a distancia focal axeitada debe determinarse exhaustivamente en función de factores como o grosor do corte e os requisitos de calidade do corte.

2.2.2 Espello reflectante

A función do espello reflectante é cambiar a dirección do feixe emitido polo láser. Para os feixes de láseres de estado sólido, pódense usar espellos reflectantes feitos de vidro óptico. Pola contra, os espellos reflectantes nos dispositivos de corte por láser de gas CO₂ adoitan estar feitos de cobre ou metais con alta reflectividade. Para evitar danos causados polo sobrequecemento da irradiación láser durante o funcionamento, os espellos reflectantes adoitan arrefriarse con auga.

2.2.3 Boquilla

A boquilla úsase para pulverizar gas auxiliar na zona de corte e a súa estrutura ten un certo impacto na eficiencia e calidade do corte. A figura 4.11 mostra as formas comúns das boquillas para o corte por láser; as formas dos orificios das boquillas inclúen os tipos cilíndrico, cónico e converxente-diverxente.

A selección da boquilla xeralmente determínase mediante probas baseadas no material e no grosor da peza de traballo, así como na presión do gas auxiliar. O corte por láser adoita adoptar boquillas coaxiais (onde o fluxo de gas é coaxial co eixe óptico). Se o fluxo de gas e o raio láser non son coaxiais, é probable que se produzan salpicaduras excesivas durante o corte. A parede interior do orificio da boquilla debe ser lisa para garantir un fluxo de gas sen obstáculos e evitar turbulencias que poidan afectar a calidade da ranura. Para garantir a estabilidade do corte, a distancia entre a cara do extremo da boquilla e a superficie da peza de traballo debe minimizarse, normalmente oscilando entre 0,5 mm e 2,0 mm. O diámetro do orificio da boquilla debe permitir que o raio láser pase suavemente, evitando que o raio toque a parede interior do orificio. Canto menor sexa o diámetro do orificio, máis difícil será colimar o raio. Para unha presión de gas auxiliar dada, existe un rango óptimo de diámetros de orificio da boquilla. Un orificio excesivamente pequeno ou grande dificultará a eliminación de produtos fundidos da ranura e afectará a velocidade de corte.

A influencia do diámetro do orificio da boquilla na velocidade de corte baixo unha potencia láser fixa e presión de gas auxiliar móstrase nas figuras 4.12 e 4.13. Pódese observar que existe un diámetro óptimo do orificio da boquilla que consegue a velocidade máxima de corte. Este valor óptimo é de aproximadamente 1,5 mm, independentemente de se se usa osíxeno ou argón como gas auxiliar.

As probas de corte por láser de aliaxes duras (que son difíciles de cortar) mostran que o diámetro óptimo do orificio da boquilla é moi próximo aos resultados anteriores, como se ilustra na Figura 4.14. O diámetro do orificio da boquilla tamén afecta á anchura da ranura e á anchura da zona afectada pola calor (ZAT). Como se mostra na Figura 4.15, co aumento do diámetro do orificio da boquilla, a anchura da ranura aumenta mentres que a anchura da ZAT se estreita. A razón principal do estreitamento da ZAT é o maior efecto de arrefriamento do fluxo de gas auxiliar sobre o material base na zona de corte.

2.3 Parámetros do equipo de corte por láser

2.3.1 Equipo de corte accionado por soplete

Nos equipos de corte accionados por soplete, o soplete de corte está montado nun pórtico móbil e móvese horizontalmente ao longo da viga do pórtico (eixe Y). O pórtico acciona o soplete para que se mova ao longo do eixe X, mentres que a peza está fixada na mesa de traballo. Dado que o láser e o soplete de corte están dispostos por separado, as características de transmisión do láser, o paralelismo ao longo da dirección de escaneo do feixe e a estabilidade dos espellos reflectantes vense afectados durante o proceso de corte.

Os equipos de corte accionados por soplete poden procesar pezas de gran tamaño. Ocupan unha superficie relativamente pequena para a zona de produción de corte e pódense integrar facilmente con outros equipos para formar unha liña de produción. Non obstante, a súa precisión de posicionamento é de só ±0,04 mm.

A estrutura típica dun equipo de corte accionado por soplete móstrase na Figura 4.19. Adóptase unha máquina de corte por láser de CO₂ de onda continua, cunha distancia entre o láser e o soplete de corte de 18 m. Para garantir que o cambio no diámetro do feixe durante esta distancia de transmisión non interfira coas operacións de corte, a combinación de espellos osciladores debe deseñarse coidadosamente.

Os principais parámetros técnicos dos equipos de corte accionados por soplete son os seguintes:

Potencia de saída do láser: 1,5 kW (monomodo), 3 kW (multimodo)
Carreira da tocha: eixe X 6,2 m, eixe Y 2,6 m
Velocidade de condución: 0–10 m/min (axustable)
Carreira flotante do eixe Z da tocha: 150 mm
Velocidade de axuste do eixe Z da tocha: 300 mm/min
Tamaño máximo da chapa de aceiro procesada: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Sistema de control: Modo de control NC integrado

2.3.2 Equipo de corte accionado por mesa XY

No equipo de corte accionado por mesa XY, a tocha de corte está fixada no bastidor e a peza colócase na mesa de corte. A mesa de corte móvese ao longo dos eixes X e Y segundo os comandos NC, cunha velocidade de accionamento axustable que normalmente oscila entre 0 e 1 m/min ou entre 0 e 5 m/min. Dado que a tocha de corte permanece estacionaria en relación coa peza, minimiza o impacto na aliñación e centrado do raio láser durante o proceso de corte, garantindo un rendemento de corte uniforme e estable. Cando está equipada cunha mesa de corte de pequeno tamaño con alta precisión mecánica, a máquina consegue unha precisión de posicionamento de ±0,01 mm eexcelente precisión de corte, o que a fai especialmente axeitada para o corte de precisión de compoñentes pequenos. Ademais, hai dispoñibles mesas de corte máis grandes cunha carreira no eixe X de 2300–2400 mm e unha carreira no eixe Y de 1200–1300 mm para o procesamento de pezas de gran tamaño.

Os principais parámetros técnicos do equipo de corte accionado por mesa XY son os seguintes:

Fonte láser: láser de gas CO₂ (tipo de tubo recto semipechado)
Fonte de alimentación láser: Tensión de entrada 200 V CA; Tensión de saída 0–30 kV; Corrente de saída máxima 100 mA
Potencia de saída do láser: 550 W
Carreira da mesa de corte: eixe X 2300 mm, eixe Y 1300 mm
Velocidade de corte da mesa (axustable 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
Carreira flotante do eixe Z da tocha: 180 mm
Tamaño máximo da placa procesada: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Sistema de control: Modo de control numérico (NC)

2.3.3 Equipo de corte de dobre accionamento (tocha e mesa)

O equipo de corte de dobre accionamento (tocha e mesa) sitúase no seu deseño entre as máquinas de corte accionadas por tocha e as accionadas por mesa XY. A tocha de corte está montada nun pórtico e móvese horizontalmente ao longo da viga do pórtico (eixe Y), mentres que a mesa de corte é accionada lonxitudinalmente. Este deseño híbrido combina as vantaxes dunha alta precisión de corte e unha eficiencia de aforro de espazo. Cunha precisión de posicionamento de ±0,01 mm e un rango de velocidade de corte axustable de 0 a 20 m/min, é unha das máquinas de corte máis utilizadas do mercado. Os modelos máis grandes desta máquina ofrecen unha carreira no eixe Y de 2000 mm e unha carreira no eixe X de 6000 mm, o que permite o corte de pezas de gran tamaño.

O oscilador láser está montado no pórtico xunto á tocha de corte. Esta configuración ofrece unha precisión excepcional ao cortar orificios circulares. A máquina tamén conta cunha alta eficiencia de produción: pode cortar 46 orificios circulares (10 mm de diámetro) por minuto nunha placa de aceiro de 1 mm de grosor.

2.3.4 Equipos de corte integrados

Nunhamáquina de corte integrada, a fonte láser está instalada no marco e móvese lonxitudinalmente con el, mentres que a tocha de corte está integrada co seu mecanismo de accionamento para moverse horizontalmente ao longo da viga do marco. A máquina usa control numérico para cortar compoñentes de diversas formas. Para compensar a variación da lonxitude da traxectoria óptica causada polo movemento horizontal da tocha de corte, adoita estar equipado un módulo de axuste da lonxitude da traxectoria óptica. Este módulo garante un raio láser homoxéneo dentro da área de corte e mantén unha calidade da superficie de corte consistente.

Data de publicación: 17 de decembro de 2025

Fundamentos do corte por láser e o seu sistema de procesamento: equipos de corte por láser