Cabezal de focalización láser con lentes de ZnS que tienen un espesor en los bordes de al menos 5 mm; instalación y proceso de corte láser que emplean un cabezal de focalización de ese tipo.

Cabezal de focalización de haz láser que comprende una lente de colimación (13) y una lente de focalización (14),

caracterizado por que:

- la lente de colimación (13) y la lente de focalización (14) son de ZnS y tienen un espesor en los bordes de al menos 5 mm, y

- un espejo de reenvío (15) que funciona en un ángulo de incidencia (α) comprendido entre 40 y 50º está dispuesto en el trayecto del haz láser en el seno de dicho cabezal de focalización, entre las lentes de colimación (13) y de focalización (14).

Cabezal de focalización láser con lentes de ZnS que tienen un espesor en los bordes de al menos 5 mm; instalación y proceso de corte láser que emplean un cabezal de focalización de ese tipo La invención se refiere a un cabezal de focalización de un haz láser de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 (véase, por ejemplo, el documento de patente francesa FR 2 897 007) , con una configuración óptica particular implementada en un cabezal de corte por láser sólido, en particular de fibra, que permite controlar los problemas de desviación focal y de deterioro láser de las ópticas del cabezal de focalización, y sobre una instalación láser equipada con un cabezal de focalización de este tipo, en particular una instalación láser de fibras de yterbio.

Las nuevas generaciones de láser sólido, tales como los láseres de fibra o de disco, se han beneficiado de importantes avances y combinan potencias de varios kW con excelentes factores de calidad o BPP (por Beam Product Parameter) , contrariamente a los láseres de medio sólido macizo, tales como los láseres Nd:YAG.

Más allá de las características que hacen de estos láseres fuentes adaptadas al corte de materiales metálicos, en este caso una longitud de onda más corta (1’07 !m) que la de los láseres de CO2 (10’6 !m) , mejor absorbida por el metal y transportable por fibra óptica, un volumen reducido y una mayor fiabilidad, su gran brillantez mejora significativamente las prestaciones de corte de materiales metálicos o no.

Típicamente, una instalación de corte láser de fibra comprende una fuente láser y dispositivos ópticos para transportar el haz láser hasta un cabezal de corte, denominado cabezal de focalización, que asegura la focalización del haz en el espesor de una pieza a cortar.

La fuente láser es un láser de fibras dopadas con yterbio (Yb) , equipada con al menos una fibra óptica de transporte del haz, y el cabezal de corte incluye dispositivos ópticos de colimación, de redirección y de focalización que permiten llevar un haz láser focalizado hasta una pieza a cortar.

Los dispositivos ópticos, tales como la lente de focalización, de un cabezal de corte láser deben soportar fuertes densidades de potencia superficial, típicamente entre 1 y 10 kW/cm2 según las características de la fuente láser y el diámetro de haz sobre las ópticas, y esto, de manera sostenida al tiempo que funcionan en ambientes contaminados que las fragilizan.

En régimen continuo de emisión láser, el deterioro de las ópticas se manifiesta generalmente en forma de una degradación progresiva de las prestaciones ópticas, en un primer momento sin daños visibles, que da como resultado esencialmente fenómenos térmicos.

En efecto, la absorción residual de los revestimientos de las superficies y de los substratos de las ópticas conduce a un calentamiento no uniforme de los componentes de la óptica y la acumulación de tensiones térmicas, en particular para los componentes de transmisión, tales como las lentes. Estos mecanismos afectan a los parámetros y la calidad del haz láser y pueden, después de una período largo de irradiación, conducir a un deterioro de las ópticas: aparición de quemaduras, desprendimiento de los revestimientos…

El calentamiento de las ópticas de un cabezal de corte engendra también una desviación DF del punto de focalización del haz ligado al efecto de lente térmica, denominada desviación focal, la cual está ilustrada en la figura 1. En el curso de la exposición de una lente 1, ésta se calienta en su centro por el haz láser 2 colimado de gran potencia entregado según el eje óptico (AO) , mientras que sus bordes están más fríos. Se establece un gradiente térmico radialmente en la lente 1. La amplitud de este gradiente es tanto más grande cuanto aumenta la densidad de potencia recibida por la lente 1. De este gradiente térmico resulta un gradiente en el índice de refracción del material. Este fenómeno, combinado con el efecto de dilatación térmica del material de la lente 1, induce una modificación del radio de curvatura efectivo ve la lente 1 y una modificación de sus características de focalización. El plano focal inicial (PFI) del haz, situado a una distancia F de la lente, se traslada a lo largo de la dirección de propagación del haz y se aproxima a la lente 1 de focalización, a una distancia F’, hasta alcanzar un plano de focalización desplazado (PFD) . Se asiste entonces a una transformación del haz focalizado inicial (FFI) en un haz focalizado desplazado (FFD) que presenta peores características de corte.

La contaminación de la superficie de las ópticas por el ambiente, es decir los polvos, las proyecciones metálicas o la humedad y su envejecimiento son factores que aumentan la absorción de las lentes y agravan progresivamente el fenómeno de calentamiento, que conduce al aumento de la amplitud de la desviación focal a lo largo del tiempo.

Ahora bien, las prestaciones de un proceso de corte láser industrial son evaluadas en términos de velocidad de corte, de calidad de corte, a saber, que las caras de corte sean rectas, lisas y sin rebabas, y de tolerancia sobre los parámetros de funcionamiento del proceso.

El proceso de corte por láser de fibra es sensible a las variaciones de la posición del punto focal del haz con respecto a la superficie de la pieza tratada, sobre todo cuando se trata de recortar chapas de espesores grandes, a saber, de 4 mm y más. Las tolerancias admitidas sobre el posicionamiento del punto focal son típicamente de ±0’5 mm. Si la posición focal del haz láser varía más allá de las tolerancias admitidas, no es posible mantener las

prestaciones de corte óptimas.

Una solución es entonces buscar nuevos parámetros de corte para compensar la desviación focal, o reemplazar las ópticas del cabezal de focalización. Esto da como resultado una degradación de la productividad del proceso industrial automatizado.

Un problema crítico se presenta cuando la posición del punto focal varía en el curso de la operación de corte ya que aquella conduce a prestaciones de corte desiguales de una pieza a otra, incluso de una cara a otra de una misma pieza.

Los fenómenos descritos arriba muestran que la durabilidad de las prestaciones de un proceso de corte están fuertemente ligadas a la resistencia de los dispositivos ópticos que aseguran la propagación del haz láser. Siendo el posicionamiento del punto focal un parámetro importante del proceso de corte por láser de fibra, es esencial que la posición focal del haz sea lo más estable posible y que las desviaciones permanezcan en las tolerancias admitidas. Las distorsiones térmicas sufridas por los elementos ópticos a gran potencia deben ser mínimas para evitar su deterioro. Todas estas exigencias deben ser tenidas en cuenta durante la elección de las ópticas que constituyen el sistema de focalización de un cabezal de corte láser.

Ahora bien, el problema que se plantea es que existen dificultades para transportar los haces láser de gran brillantez para las aplicaciones de corte. Las potencias láser disponibles no cesan de crecer pero es la resistencia de los dispositivos ópticos la que limita las potencias que pueden ser aplicadas para el corte. En efecto, los haces de gran brillantez están caracterizados por sus grandes potencias combinadas con excelentes factores de calidad, es decir de BPP pequeños, por ejemplo del orden de 0’33 mm.mrad. Esto da como resultado densidades de potencia muy grandes sobre las superficies de las ópticas de los cabezales de focalización y un aumento de los gradientes y distorsiones térmicos. Se ha constatado también que la resistencia de los materiales ópticos al deterioro láser es menos buena con los láseres de gran brillantez que con los láseres clásicos de tipo CO2, ya que la longitud de onda más corta de estos láseres es más sensible a los defectos presentes en los substratos y los revestimientos de la superficie de los elementos ópticos, lo que puede causar localmente un calentamiento excesivo.

El problema a resolver es, por consiguiente, poder controlar las problemáticas de la desviación focal y del deterioro de las ópticas mencionados anteriormente que se presentan durante la utilización de láseres sólidos, en particular de láser de fibra, principalmente de fibra de yterbio, con el fin de garantizar de manera duradera las prestaciones de corte, en particular durante la aplicación de un proceso de corte láser de gran potencia, es decir de una potencia de al menos 1 kW.

La solución de la invención es entonces un cabezal de focalización de haz láser que comprende una lente de colimación y una lente de focalización, en el... [Seguir leyendo]

1. Cabezal de focalización de haz láser que comprende una lente de colimación (13) y una lente de focalización (14) , caracterizado por que:

- la lente de colimación (13) y la lente de focalización (14) son de ZnS y tienen un espesor en los bordes de al

menos 5 mm, y -un espejo de reenvío (15) que funciona en un ángulo de incidencia (∀) comprendido entre 40 y 50º está dispuesto en el trayecto del haz láser en el seno de dicho cabezal de focalización, entre las lentes de colimación (13) y de focalización (14) .

2. Cabezal de focalización según la reivindicación 1, caracterizado por que la lente de colimación (13) y la lente de focalización (14) tienen un espesor en los bordes comprendido entre 5 y 10 mm, preferentemente, entre 6 y 8 mm.

3. Cabezal de focalización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la lente de colimación (13) y la lente de focalización (14) tienen un diámetro comprendido entre 35 y 55 mm.

4. Cabezal de focalización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que el espejo de reenvío (15) es de sílice.

5. Instalación de corte por haz láser que comprende.

- un dispositivo de láser sólido (SL) que emite un haz láser de longitud de onda comprendido entre 1, 06 y 1, 10

!m y de potencia comprendida entre 0, 1 y 25 kW.

25. un cabezal de focalización según una de las reivindicaciones precedentes, y

- una fibra de transporte (FDC) que une el dispositivo de láser sólido (SL) con el cabezal de focalización de manera que encamina el haz emitido por el dispositivo de láser sólido (SL) hacia el cabezal de focalización.

6. Instalación según la reivindicación 5, caracterizada por que el dispositivo de láser sólido (SL) es de tipo de 30 fibras, preferentemente de fibras de yterbio.

7. Instalación según una de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizada por que el dispositivo de láser sólido (SL) emite un haz láser de potencia comprendida entre 1 y 5 kW en modo continuo, cuasi-continuo o pulsante, preferentemente en modo continuo.

8. Instalación según una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizada por que la fibra de transporte (FDC) tiene un diámetro inferior o igual a 150 !m, preferentemente un diámetro de 50 !m o de 100 !m.

9. Instalación según una de las reivindicaciones 5 a 8, caracterizada por que el dispositivo de láser sólido (SL) 40 emite un haz láser que tiene un BPP comprendido entre 1, 6 y 4 mm.mrad.

10. Instalación según una de las reivindicaciones 5 a 9, caracterizada por que la fibra de transporte (FDC) tiene un diámetro de 50 !m y un BPP comprendido entre 1, 6 y 2, 2 mm.mrad, y la lente de colimación una distancia focal comprendida entre 70 y 120 mm.

11. Instalación según una de las reivindicaciones 5 a 9, caracterizada por que la fibra de transporte (FDC) tiene un diámetro de 100 !m y un BPP comprendido entre 2, 6 y 4 mm.mrad, y la lente de colimación una distancia focal comprendida entre 130 y 180 mm.

12. Instalación según una de las reivindicaciones 5 a 11, caracterizada por que la lente de focalización tiene una distancia focal comprendida entre 200 y 450 mm.

13. Proceso de corte por haz láser de una pieza metálica (10) , en el cual se aplica un cabezal de focalización según una de las reivindicaciones 1 a 4 o una instalación de corte por haz láser según una de las reivindicaciones 5 a 12.