PROCEDIMIENTO DE CORTE DE FIBRA DE ACERO INOXIDABLE CON UN LASER.
Procedimiento de corte de una pieza (10) de acero inoxidable por haz láser (3),
en el cual se utilizan medios (1, 2) de generación de haz láser (3) que comprenden al menos una fibra que contiene iterbio para generar el haz láser (3) que sirve para fundir la pieza (10) y de este modo realizar el corte propiamente dicho, caracterizado porque:
- el factor de calidad del haz láser (3) está comprendido entre 1 y 8 mm.mrad, y
- la pieza (10) a cortar tiene un espesor entre 0,40 y 30 mm
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E06301155.
Solicitante: AIR LIQUIDE WELDING FRANCE
L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE.
Nacionalidad solicitante: Francia.
Dirección: 75, QUAI D'ORSAY,75007 PARIS.
Inventor/es: BRIAND, FRANCIS, CHOUF,KARIM, MAAZAOUI,HAKIM.
Fecha de Publicación: .
Fecha Solicitud PCT: 17 de Noviembre de 2006.
Fecha Concesión Europea: 20 de Enero de 2010.
Clasificación Internacional de Patentes:
- B23K26/14 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES. › B23 MAQUINAS-HERRAMIENTAS; TRABAJO DE METALES NO PREVISTO EN OTRO LUGAR. › B23K SOLDADURA SIN FUSION O DESOLDEO; SOLDADURA; REVESTIMIENTO O CHAPADO POR SOLDADURA O SOLDADURA SIN FUSION; CORTE POR CALENTAMIENTO LOCALIZADO, p. ej. CORTE CON SOPLETE; TRABAJO POR RAYOS LASER (fabricación de productos revestidos de metal por extrusión de metales B21C 23/22; realización de guarniciones o recubrimientos por moldeo B22D 19/08; moldeo por inmersión B22D 23/04; fabricación de capas compuestas por sinterización de polvos metálicos B22F 7/00; disposiciones sobre las máquinas para copiar o controlar B23Q; recubrimiento de metales o recubrimiento de materiales con metales, no previsto en otro lugar C23C; quemadores F23D). › B23K 26/00 Trabajo por rayos láser, p. ej. soldadura, corte o taladrado. › con una corriente de fluido asociada al haz de rayos, p. ej. un chorro de gas; Boquillas para tal fin (B23K 26/12 tiene prioridad).
- B23K26/38 B23K 26/00 […] › mediante escariado o corte.
- B23K26/40 B23K 26/00 […] › tomando en consideración las propiedades del material involucrado.
Clasificación PCT:
- B23K26/14 B23K 26/00 […] › con una corriente de fluido asociada al haz de rayos, p. ej. un chorro de gas; Boquillas para tal fin (B23K 26/12 tiene prioridad).
- B23K26/38 B23K 26/00 […] › mediante escariado o corte.
- B23K26/40 B23K 26/00 […] › tomando en consideración las propiedades del material involucrado.
Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.
Fragmento de la descripción:
Procedimiento de corte de fibra de acero inoxidable con un láser.
La invención se refiere a un procedimiento de corte de acero inoxidable por haz láser que utiliza una fuente láser de tipo fibra de iterbio según el preámbulo de la reivindicación 1 (véase, por ejemplo, el documento US-A-6.208.458).
El corte por haz láser utilizando una fuente láser de tipo CO2 para generar un haz láser de longitud de onda igual a 10,6 µm y de una potencia que alcanza hasta 6 kW se encuentra actualmente ampliamente extendido en la industria. Este procedimiento se utiliza especialmente para el corte de aceros inoxidables.
Sin embargo, las velocidades de corte que se pueden alcanzar y la calidad de corte resultante son muy variables según el material a cortar, y por otra parte, según los parámetros del procedimiento de corte adoptados, tales como la naturaleza del gas de asistencia, diámetro del haz focalizado y potencia del láser incidente.
De este modo, los láseres de tipo CO2 no se pueden utilizar con gases de asistencia que poseen un potencial de ionización reducido, tales como por ejemplo, el argón, sin riesgo de generar plasmas parásitos que pueden ser nocivos para el procedimiento.
Además, los láseres de tipo CO2 son de potencia limitada, lo cual tiene un impacto directo sobre la velocidad de corte.
Además, el hecho de tener que guiar el haz de corte desde el generador láser hasta la cabeza de focalización, es decir la cabeza de corte, presenta inconvenientes, especialmente al nivel de la alineación de las ópticas del camino óptico. En efecto, las ópticas de guiado son generalmente espejos de cobre pulido y/o revestido y la posición de éstos últimos determina el camino tomado por el haz láser. En consecuencia, la alineación de estos espejos debe ser perfecta para garantizar una entrada óptima del haz láser en la cabeza de focalización o cabeza de corte. Ahora bien, el ajuste de la posición de estos espejos se garantiza generalmente por medios mecánicos, los cuales pueden desajustarse fácilmente en función del tiempo, el desgaste de las piezas y las condiciones ambientales, especialmente la temperatura ambiente, el grado de humedad...
Además, el camino óptico del haz debe mantenerse imperativamente en una atmósfera inerte para evitar cualquier contaminación y conservar un medio de Índice óptico constante necesario para una buena propagación del haz. Estas condiciones permiten conservar las propiedades relativas al diámetro del haz y a la distribución transversal de la energía en este último, y conservar propiedades de calidad del haz satisfactorias para el procedimiento, estando el factor de calidad (BPP) de los haces láser CO2 de gran potencia aplicados en corte comprendido entre 3 mm.mrad y 6 mm.mrad. Tal atmósfera permite igualmente salvaguardar las ópticas de guiado y evitar su deterioro.
Ahora bien, esto no tiene aplicación práctica en el plano industrial y genera costes suplementarios.
Para intentar paliar estos problemas, se ha propuesto realizar el corte del acero inoxidable con un dispositivo láser de tipo Nd:YAG en cuyo interior se genera el haz mediante un resonador que contiene un medio amplificador sólido, es decir de barra de neodimio (Nd), y a continuación se transporta hasta la cabeza de focalización por una fibra óptica.
Sin embargo, esta solución tampoco es totalmente satisfactoria desde el punto de vista industrial.
En efecto, se ha constatado que un corte por haz láser obtenido con una fuente láser de tipo Nd:YAG de longitud de onda de 1,06 µm da malos resultados en cuanto a calidad y velocidad de corte.
En efecto, los láseres de tipo Nd:YAG tienen factores de calidad inadaptados al proceso de corte láser. Los factores de calidad (BPP) de estos láseres son típicamente del orden de 15 mm.mrad a 30 mm.mrad según las fuentes. Ahora bien, cuanto más elevado es el factor de calidad de un láser, mayor es el producto del diámetro de haz focalizado y de la divergencia del haz y menos eficaz es el haz para el proceso de corte láser.
Además, la distribución transversal de la energía en un haz láser Nd:YAG focalizado no es gaussiana sino en almena (o "top hat" en inglés) y más allá del punto de focalización, la distribución transversal de la energía es aleatoria.
De manera más general, el corte de acero inoxidable por láser, con láseres Nd:YAG está lejos de ser evidente cuando se desea alcanzar velocidades y una calidad de corte aceptables desde el punto de vista industrial.
Por otra parte, el documento US-A-6.208.458 da a conocer un procedimiento y un dispositivo para convertir las pulsaciones ópticas generadas por fuentes de bombeo de pulsaciones largas de baja intensidad, tales como dispositivos láser de fibra, de diodo o sólido, en pulsaciones ópticas ultracortas de alta energía que utilizan medios de amplificación ópticos. Los dispositivos láser de fibra mencionados son de tipos de fibra dopada Er, Nd o Yt. Los dispositivos láser descritos se pueden utilizar en numerosos campos, especialmente en el campo científico, médico e industrial, especialmente para perforación, corte, soldeo, soldeo fuerte, mecanizado, tratamiento de superficies, eliminación de pintura, litografía..., materiales varios, tales como sílices, acero, cobre, oro, polímeros...
El documento US-A-2004/089643 describe un procedimiento de fabricación de una endoprótesis a partir de un tubo de acero inoxidable que se corta mediante un dispositivo láser de fibra a una velocidad de 3 a 5 mm/s.
El documento US-A-2005/169326 divulga una arquitectura que genera un haz láser de menos de 200 nm de longitud de onda, especialmente mediante un dispositivo láser de fibra dopada Nd y de un segundo dispositivo láser de fibra dopada Yb. Esta arquitectura se destina a la fotolitografía de semiconductores.
El documento US-A-2005/041697 se refiere a un láser de fibra dopada Yb portátil, que se puede utilizar en corte láser, especialmente de acero dulce, mientras que el documento WO-A-2005/074573 se refiere a un amplificador láser que produce una luz de polarización dada que se puede utilizar en un láser de fibra dopada Er y/o Yb.
El problema que se plantea es entonces proponer un procedimiento de corte de los aceros inoxidables por haz láser, mejorado e industrialmente aceptable, pudiendo éste permitir alcanzar, según el espesor considerado, velocidades que varían entre 15 y 20 m/min, incluso más, y una buena calidad de corte, es decir caras de corte rectas, sin rebaba y con una rugosidad reducida.
La solución de la invención es entonces un procedimiento de corte de una pieza de acero inoxidable por haz láser según la reivindicación 1.
Los medios de generación de haz láser comprenden al menos un elemento excitador, preferiblemente varios elementos excitadores, que cooperan con al menos un elemento excitado, también denominado medio amplificador, para generar el haz láser. Los elementos excitadores son preferiblemente diversos diodos láser, mientras que el o los elementos excitados es o son fibras, preferiblemente de sílice, con núcleo de iterbio.
En el marco de la invención, se utilizarán indistintamente los términos "medios de generación de haz láser" y "resonador".
Según el caso, el procedimiento de la invención puede comprender una o varias de las siguientes características:
Reivindicaciones:
1. Procedimiento de corte de una pieza (10) de acero inoxidable por haz láser (3), en el cual se utilizan medios (1, 2) de generación de haz láser (3) que comprenden al menos una fibra que contiene iterbio para generar el haz láser (3) que sirve para fundir la pieza (10) y de este modo realizar el corte propiamente dicho, caracterizado porque:
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la fibra está formada por un núcleo dopado con iterbio recubierto de sílice.
3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el haz láser (3) generado por la fibra basada en iterbio tiene una longitud de onda de entre 1 y 5 µm, preferiblemente entre 1,04 y 3 µm.
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el haz láser (3) generado por la fibra basada en iterbio tiene una longitud de onda de entre 1,07 y 1,09 µm, preferiblemente de 1,07 µm.
5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el haz láser (3) tiene una potencia comprendida entre 0,1 y 25 kW, preferiblemente entre 0,5 y 15 kW.
6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el haz láser (3) es continuo o pulsado, preferiblemente continuo.
7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la pieza (10) a cortar tiene un espesor de entre 0,40 y 20 mm.
8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la velocidad de corte está comprendida entre 0,1 y 25 m/min, preferiblemente entre 2 y 20 m/min.
9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el gas de asistencia del haz láser (3) se selecciona entre nitrógeno, helio, argón y sus mezclas, y eventualmente, contiene, además, uno o más compuestos adicionales seleccionados entre O2, CO2, H2, CH4.
10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el factor de calidad del haz láser (3) es superior a 2 mm.mrad, preferiblemente superior a 3 mm.mrad.
11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el factor de calidad del haz láser (3) es inferior a 7 mm.mrad, preferiblemente inferior a 5 mm.mrad.
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