PROCEDIMIENTO DE CORTE CON UN LÁSER QUE TIENE AL MENOS UNA FIBRA A BASE DE ITERBIO CON CONTROL AL MENOS DE LA POTENCIA DE LA FUENTE DE LÁSER, DEL DIÁMETRO DEL HAZ FOCALIZADO Y DEL FACTOR CALIDAD DEL HAZ.

Procedimiento de corte mediante haz (3) láser de una pieza (10) que va a cortarse,

en el que se usan medios (1) de generación de haz láser que comprenden al menos una fibra que contiene iterbio que tiene una longitud de onda de entre 1 y 4 µm para generar el haz (3) láser de una potencia comprendida entre 0,1 y 40 kW, caracterizado porque dicho haz (3) láser se selecciona de manera que presenta: - una densidad de potencia de entre 1,5 y 20 MW/cm 2 , - un diámetro de haz focalizado comprendido entre 0,1 mm y 0,50 mm y - un factor de calidad (BPP) de entre 2 y 8 mm·mrad

La invención se refiere a un procedimiento de corte mediante haz láser de una pieza que va a cortarse según el preámbulo de la reivindicación 1 (véase, por ejemplo, el documento DE-A-102004 024475), usando una fuente de láser de tipo fibra a base de iterbio.

El corte mediante haz láser usando una fuente de láser de tipo CO2, para generar un haz láser de longitud de onda igual a 10,6 µm, de una potencia que va hasta 6 kW, está actualmente muy extendido en la industria dado que ese tipo de fuente proporciona buenas características de haz, a saber un buen factor de calidad (M2, BPP...) y un buen reparto espacial de la energía (TEM01*).

Con esas fuentes de láser de tipo CO2 es posible cortar metales y sus aleaciones, tales como aluminio y sus aleaciones, acero inoxidable, acero al carbono, acero blando..., o cualquier otro material no metálico, tal como madera, cartón, cerámicas.

No obstante, las velocidades de corte que pueden obtenerse y la calidad de corte que se obtiene como resultado son muy variables según el material que va a cortarse y, por otro lado, según los parámetros del procedimiento de corte adoptados, tales como la naturaleza del gas de asistencia, el diámetro del haz focalizado y la potencia del láser incidente. Además, el camino óptico debe mantenerse imperativamente en una atmósfera inerte para evitar cualquier contaminación y conservar un medio de índice óptico constante necesario para la buena propagación del haz.

Para intentar aliviar esos problemas, se ha propuesto usar para el corte con láser, dispositivos láser de tipo Nd:YAG. En este caso, el resonador que genera el haz contiene un medio amplificador sólido, que es una barra de neodimio (Nd), y el haz así obtenido se transporta a continuación hasta el cabezal de focalización mediante una fibra óptica.

No obstante, esta solución tampoco es satisfactoria en el plano industrial ya que proporciona malos resultados en cuanto a la calidad y la velocidad de corte, no sólo debido al hecho de factores de calidad (BPP) del haz inadecuados para el corte con láser sino también a un reparto transversal de la energía en el haz no gaussiano sino en almena (denominado “top hat” en inglés), incluso aleatorio más allá del punto de focalización.

Por otro lado, el documento DE-A-102004024475 describe un procedimiento de corte mediante láser de iterbio a una longitud de onda de 1115 a 1125 nm y a una potencia de menos de 200 W de elementos semiconductores que tienen un espesor que va hasta 600 µm.

El documento US-A-2003/199859 se refiere a un sistema de láser con impulsos cortos, concretamente con amplificador de tipo Yb:YAG que puede producir impulsos de láser de una duración que va de 0,05 a menos de 10 picosegundos y con un ancho de banda de 1,5 a 35 nm para proporcionar un tamaño de punto de 0,406 mm de diámetro.

Además, el documento US-A-7369582 enseña un amplificador de láser de fibra de iterbio de alta potencia con longitud de onda láser de entre 1060 y 1100 nm, con una potencia de al menos 500 W y que tiene una calidad de haz muy limitada en cuanto a la difracción (M2<1,5), mientras que el documento US-A-6723090 se refiere a un dispositivo de láser de iterbio que también tiene una calidad de haz aún más limitada en cuanto a la difracción (M2<1,05).

Finalmente, el documento US-A-6181463 también describe un amplificador de láser de fibra para convertir las pulsaciones de baja intensidad en pulsaciones ultracortas de alta energía.

El problema que se plantea es entonces proponer un procedimiento de corte mediante haz láser mejorado, que no presente los inconvenientes y las limitaciones mencionados anteriormente, y que pueda permitir alcanzar, según el espesor considerado, velocidades que van hasta de 15 a 20 m/min, incluso más elevadas, y una buena calidad de corte, es decir caras de corte rectas, sin rebaba, con una rugosidad limitada.

La solución de la invención es entonces un procedimiento de corte mediante haz láser, en el que se usan medios de generación de haz láser que comprenden al menos una fibra que contiene iterbio para generar un haz láser que sirve para fundir la pieza y para realizar de ese modo el corte propiamente dicho.

Más precisamente, la invención se refiere a un procedimiento de corte mediante haz láser de una pieza que va a cortarse, en el que se usan medios de generación de haz láser que comprenden al menos una fibra que contiene iterbio que tiene una longitud de onda de entre 1 y 4 µm para generar el haz láser de una potencia comprendida entre 0,1 y 40 kW.

Según la invención, el haz láser se selecciona de manera que presenta:

- una densidad de potencia de entre 1,5 y 20 MW/cm2, -un diámetro de haz focalizado de entre 0,1 mm y 0,50 mm, y -un factor de calidad (BPP) de entre 2 y 8 mm·mrad. Además, según la invención, los medios de generación de haz láser comprenden al menos un elemento excitador,

preferiblemente varios elementos excitadores, que actúan conjuntamente con al menos un elemento excitado, también denominado medio amplificador, para generar el haz láser. Los elementos excitadores son preferiblemente varios diodos láser, mientras que el o los elementos excitados es o son una o preferiblemente varias fibras con núcleo de iterbio, preferiblemente de sílice.

Además, en el marco de la invención, se usan de manera indistinta las expresiones “medios de generación de haz láser” y “resonador”. Este tipo de fuente de láser se denomina habitualmente fuente de láser “de fibra” o “de fibra de iterbio” ya que su medio amplificador es una red de fibras ópticas particulares cuyo núcleo o centro es a base de iterbio.

Según el caso, el procedimiento de la invención puede comprender una o varias de las siguientes características: -la (o las) fibra(s) está(n) formada(s) por un núcleo dopado con iterbio recubierto de sílice. -el haz láser generado por la fibra a base de iterbio tiene una longitud de onda de entre 1,04 y 3 µm, preferiblemente

entre 1,07 y 1,1 µm, preferiblemente igual a 1,07 µm. -el haz láser tiene una potencia comprendida entre 0,5 y 15 kW. -el haz láser es continuo o pulsado, preferiblemente continuo. -la velocidad de corte está comprendida entre 0,1 y 20 m/min, preferiblemente de 1 a 15 m/min. -el gas de asistencia del haz láser se elige de nitrógeno, helio, argón, oxígeno, CO2 y sus mezclas, y eventualmente

contiene, además, uno o varios compuestos adicionales elegidos de H2 y CH4.

- más generalmente, la presión de gas de asistencia está comprendida entre aproximadamente 0,1 bares y 25 bares, y se elige en función del espesor que va a cortarse. -el diámetro del orificio de inyección del gas está comprendido entre 0,5 y 5 mm, normalmente entre 1 y 3 mm. -el factor de calidad del láser (BPP) está comprendido entre 2 y 6 mm·mrad. -el diámetro de haz focalizado está comprendido entre 0,13 mm y 0,40 mm. -el haz láser tiene un valor de longitud de Raleigh (Zr) comprendido entre 1 y 10 mm, preferiblemente entre 2 y 7

mm. -se pone en práctica el haz según una abertura angular (θ) comprendida entre 0,25 y 5º, y un ángulo (α) de entre 1,25 y 8º correspondiente al ángulo definido por el diámetro del haz láser focalizado (2W0) dividido entre el espesor

(E) de la plancha, de tal manera que la suma de los ángulos (α + θ) está comprendida entre 1,5 y 8º.

- la pieza que va a cortarse tiene un espesor de entre 0,25 y 30 mm, preferiblemente entre 0,40 y 20 mm.

De hecho, las principales características de la radiación láser que intervienen en el proceso de corte son la longitud de onda del láser, el factor de calidad del haz (M2, K, BPP), el diámetro del haz medido a la salida de la fuente, la potencia láser incidente, y su modo focalización en la proximidad de la superficie del material que va a cortarse.

La longitud de onda de las fuentes de láser de “fibra” de iterbio es generalmente próxima a la de los láseres de Nd:YAG, a saber del orden de 1,07 µm.

En general, para este tipo fuente de láser de fibra de iterbio, se usa el parámetro BPP, para “Beam Parameter Product” (producto de los parámetros de haz), para caracterizar la calidad del haz. El BPP se define como el producto del diámetro del haz en el diámetro mínimo del haz (o “waist” en inglés) por... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de corte mediante haz (3) láser de una pieza (10) que va a cortarse, en el que se usan medios (1) de generación de haz láser que comprenden al menos una fibra que contiene iterbio que tiene una longitud de onda de entre 1 y 4 µm para generar el haz (3) láser de una potencia comprendida entre 0,1 y 40 kW, caracterizado porque dicho haz (3) láser se selecciona de manera que presenta:

- una densidad de potencia de entre 1,5 y 20 MW/cm2,

- un diámetro de haz focalizado comprendido entre 0,1 mm y 0,50 mm y

- un factor de calidad (BPP) de entre 2 y 8 mm·mrad.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la fibra está formada por un núcleo dopado con iterbio recubierto de sílice.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el haz (3) láser generado por la fibra a base de iterbio tiene una longitud de onda de entre 1,04 y 3 µm, preferiblemente de 1,07 µm.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el haz (3) láser generado por la fibra a base de iterbio tiene una longitud de onda de 1,07 µm.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el factor de calidad del láser (BPP) está comprendido entre 2 y 6 mm·mrad.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el haz (3) láser tiene una potencia comprendida entre 0,5 y 15 kW.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el diámetro de haz (3) focalizado está comprendido entre 0,13 mm y 0,40 mm.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el haz (3) láser tiene un valor de longitud de Raleigh (Zr) comprendido entre 1 y 10 mm, preferiblemente entre 2 y 7 mm.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se pone en práctica el haz (3) según una abertura angular (θ) comprendida entre 0,25 y 5º, y un ángulo α de entre 1,25 y 8º correspondiente al ángulo definido por el diámetro del haz (3) láser focalizado (2W0) dividido entre el espesor (E) de la pieza (10), de tal manera que la suma de los ángulos (α + 0) está comprendida entre 1,5 y 8º.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el gas de asistencia del haz

(3) láser se elige de nitrógeno, helio, argón, oxígeno, CO2 y sus mezclas, y eventualmente contiene, además, uno o varios compuestos adicionales elegidos de H2 y CH4.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la pieza (10) que va a cortarse tiene un espesor de entre 0,25 y 30 mm, preferiblemente entre 0,40 y 20 mm.