Procedimiento e instalación de corte por láser con modificación del factor de calidad del haz láser mediante un componente óptico difrangente.

Procedimiento de corte mediante haz láser (10) de une pieza (30) que se va a cortar,

en el que:

a) se genera un haz láser incidente (10) que presenta una longitud de onda llamada de trabajo y un factor de calidad (BPP) inicial dado, por medio de una fuente láser (1) de fibras que contienen iterbio acoplada a al menos una fibra óptica de transporte de haz,

b) se hace llegar dicho haz láser incidente (10) hasta un cabezal de focalización (3, 4) que incluye al menos una óptica de focalización (14),

c) se focaliza el haz láser incidente (10) por medio de la óptica de focalización (14) en orden a obtener un haz láser focalizado, y

d) se corta la pieza (30) por medio del haz láser focalizado,

caracterizado por que se ajusta o se modifica el factor de calidad (BPP) del haz láser incidente (10) por medio de un dispositivo óptico (16) apto y diseñado para modificar o actuar sobre el BPP de un haz láser, en orden a obtener un haz láser focalizado (10b) que presenta un BPP modificado que sea diferente del BPP de dicho haz láser incidente, siendo dicho dispositivo óptico (16) al menos un elemento óptico difrangente transmisivo o reflexivo y siendo apto para producir un haz láser focalizado modificado cuyo BPP es diferente del BPP inicial del haz láser incidente (10) en un factor multiplicador mayor o igual que 1,2 y menor o igual que 5, presentando la superficie del dispositivo óptico (6) unas microestructuras grabadas en el substrato de dicho dispositivo óptico (16) a profundidades variables del orden de la longitud de onda de trabajo.

Procedimiento e instalación de corte por láser con modificación del factor de calidad del haz láser mediante un componente óptico difrangente

La invención trata de un procedimiento de corte por láser y una instalación de corte por láser conforme al preámbulo de las reivindicaciones 1 y 12 (véase, por ejemplo, el documento FR-A-28977), cuya eficacia ha sido mejorada merced a la utilización de un dispositivo óptico que permite modificar el factor de calidad del haz láser, en particular de un haz láser emergente de un dispositivo láser de fibras que contienen iterbio.

Los láseres de tipo C2 son empleados profusamente en la industria para cortar los materiales metálicos y no metálicos.

Los láseres de estado sólido, tales como láseres de fibras dopadas con iterbio, o de disco, también han beneficiado de avances importantes durante los últimos años y combinan potencias de varios kW con excelentes factores de calidad, contrariamente a los láseres de medio sólido masivo, es decir, los láseres de Nd:YAG.

Más allá de las características que hacen de los láseres de fibras unas fuentes láser perfectamente adaptadas para el corte industrial de materiales metálicos, en su caso una longitud de onda más corta que la de los láseres de CO2, mejor absorbida por el metal y transportable por fibra óptica, una reducida ocupación de espacio y una mayor fiabilidad, se cuenta con que su gran luminancia mejore significativamente las prestaciones de corte.

Se asume generalmente que focalizar un haz láser de gran potencia en la pieza que se va a cortar con un diámetro de haz reducido y un escaso ángulo de divergencia puede llevar a una ganancia de velocidad y de calidad de corte, a saber, unas superficies de corte rectas y sin rebabas.

Además, la maximización de la distancia de Rayleigh del haz hace el procedimiento más tolerante en cuanto a posicionamiento del punto focal en el espesor del material.

Estas condiciones se cumplen cuando el procedimiento de corte pone en práctica fuentes láser que presentan un buen factor de calidad o BPP (por Beam Parameter Product). El grado de calidad de un haz láser se mide por su BPP, que se expresa como igual al producto del radio co en la cintura del haz láser por su semi-ángulo de divergencia , tal y como se ilustra en las figuras 5a y 5b.

Se comprende a raíz de ello por qué muchas veces se da preferencia a la elección de un haz láser de pequeño BPP para garantizar unas buenas prestaciones de corte. Esto se comprueba en particular en el corte de materiales metálicos de escasos espesores, es decir, menos de 4 mm, donde un BPP más pequeño generalmente permite ganar velocidad de corte, merced a una mejor eficacia del procedimiento.

Sin embargo, también se cuenta con que un BPP más grande favorezca la eliminación de las rebabas que permanecen ligadas inferiormente a las superficies de corte, tras el paso del haz, particularmente en el caso de los espesores más grandes, típicamente de 4 mm y más. En efecto, en el transcurso de ensayos de corte en acero dulce y acero inoxidable, se ha obtenido una mejor eliminación de las rebabas utilizando un haz láser de mayor BPP para chapas de 8 a 1 mm de acero dulce y de 4 mm de acero inoxidable. La realidad es que el Impacto de un haz láser de mayor diámetro sobre la pieza que se va a cortar permite abrir una sangría de corte más ancha, lo cual favorece la penetración y la eficiencia del gas de corte.

Más allá de este fenómeno, el hecho de cambiar el BPP del haz focalizado permite modificar la distribución espacial de la energía del haz en toda la profundidad de corte. Así, cuando se utiliza un haz láser para aplicaciones de corte, la posibilidad de cambiar su BPP en función de la gama de espesores que hayan de cortarse reviste gran interés, particularmente para las aplicaciones exigentes tales como el corte de contornos pequeños, donde es un problema crucial la eliminación de las rebabas residuales.

Sin embargo, el BPP es un parámetro impuesto por las características de la fibra óptica que emite el haz láser y por las características de la fuente láser. Ahora bien, este parámetro influye sobre las prestaciones, especialmente velocidad y calidad de corte, de un procedimiento de corte mediante láser de fibras.

Una solución para optimizar las prestaciones del procedimiento sería trabajar con un lote de fibras ópticas de diámetros diferentes para disponer de varios valores de BPP. Esta solución, no obstante, no es concebible en un medio industrial, donde no se recomienda la manipulación intensiva de las fibras. Obliga esta, asimismo, a la utilización de un acoplador de fibras, elemento este que es costoso y cuyas prestaciones se rebajan con el tiempo. Es conocida, por otro lado, por el documento EP-A-1623788, una solución para modificar el factor de calidad de un haz láser de CO2 consistente en introducir, en la trayectoria del haz, una óptica asférica o varias lentes esféricas de focales cortas. No obstante, lo cierto es que esta solución utiliza dispositivos ópticos tradicionales que no permiten modificar eficazmente el BPP de un haz láser de fibras.

En este contexto, se desea poder mejorar, de manera simple, la eficacia de un procedimiento de corte mediante láser de fibras, especialmente velocidad y/o calidad de corte, sin tener que recurrir a varias fibras conducentes a

diferentes BPP, así como dimensionar el BPP del haz láser, especialmente en función del espesor del material que se va cortar y/o de la composición de dicho material que se va a cortar, con el fin de optimizar las prestaciones de velocidad y calidad del procedimiento de corte.

Es entonces una solución a este problema un procedimiento de corte mediante haz láser de una pieza que ha de cortarse de acuerdo con la reivindicación 1.

Según sea el caso, el procedimiento de la invención puede comprender una o varias de las siguientes características:

Se establece el dispositivo óptico apto y diseñado para modificar el BPP del haz láser en la trayectoria del haz láser, preferentemente entre la fibra de transporte y la óptica de focalización.

El BPP del haz incidente, antes de su paso por el dispositivo óptico de modificación de BPP, está comprendido entre ,33 y 25 mm.mrad, preferentemente menor o igual que 1 mm.mrad, en particular, en el caso de una fibra óptica de transporte, de diámetro menor o igual que 2 pm.

El dispositivo óptico de modificación de BPP es apto para multiplicar el BPP del haz láser por un factor multiplicador mayor o igual que 1,5 y/o menor o igual que 3.

El dispositivo óptico de modificación de BPP es al menos un elemento óptico difrangente transmisivo o

reflexivo.

El cabezal de focalización comprende al menos una óptica de focalización y el dispositivo óptico apto y diseñado para modificar el BPP del haz láser incidente, preferentemente el cabezal de focalización comprende además al menos una óptica de colimación de haz.

El dispositivo óptico transmisivo está realizado en sílice fundida, en cuarzo, en vidrio especial, en sulfuro de cinc (ZnS) o en seleniuro de cinc (ZnSe), preferentemente comprende un tratamiento antirreflectante.

El dispositivo óptico tiene un espesor comprendido entre ,5 y 1 mm, preferiblemente entre 3 y 7 mm, y ventajosamente es de forma circular con un diámetro comprendido preferentemente entre 25 y 75 mm.

El dispositivo óptico es de tipo reflexivo que funciona con un ángulo de incidencia (a) comprendido entre 5 y 5°, y está realizado en sílice fundida, en cuarzo, en vidrio especial, en sulfuro de cinc (ZnS), en seleniuro de cinc (ZnSe) o en material metálico, y preferentemente comprende un tratamiento reflectante.

El dispositivo óptico está diseñado para modificar el BPP y la distribución de intensidad del haz inicial, preferiblemente de tipo gaussiano o seudo-gausslano, en una distribución de intensidad distinta, por ejemplo del tipo anillo, es decir, "hollow-ring" o "doughnut".

El dispositivo óptico combina una función difractiva y una función distinta, en particular una función de focalización del haz láser.

La longitud de onda del haz láser está comprendida entre 1,6 y 1,1 pm.

La potencia del haz láser está comprendida entre ,1 y 25 kW.

Se genera un haz láser por medio de una fuente láser de fibras que contienen iterbio o erbio, preferentemente fibras que contienen iterbio.

La invención se refiere también a una instalación de corte por láser que comprende una fuente láser de acuerdo con la reivindicación 12.

A continuación se comprenderá mejor la invención merced a la siguiente descripción, llevada a cabo con referencia a las figuras que se acompañan,... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de corte mediante haz láser (1) de une pieza (3) que se va a cortar, en el que:

a) se genera un haz láser incidente (1) que presenta una longitud de onda llamada de trabajo y un factor de calidad (BPP) Inicial dado, por medio de una fuente láser (1) de fibras que contienen Iterbio acoplada a al menos una fibra óptica de transporte de haz,

b) se hace llegar dicho haz láser incidente (1) hasta un cabezal de focallzaclón (3, 4) que incluye al menos una óptica de focallzación (14),

c) se focaliza el haz láser incidente (1) por medio de la óptica de focallzaclón (14) en orden a obtener un haz láser focalizado, y

d) se corta la pieza (3) por medio del haz láser focalizado,

caracterizado por que se ajusta o se modifica el factor de calidad (BPP) del haz láser incidente (1) por medio de un dispositivo óptico (16) apto y diseñado para modificar o actuar sobre el BPP de un haz láser, en orden a obtener un haz láser focalizado (1b) que presenta un BPP modificado que sea diferente del BPP de dicho haz láser Incidente, siendo dicho dispositivo óptico (16) al menos un elemento óptico difrangente transmlslvo o reflexivo y siendo apto para producir un haz láser focalizado modificado cuyo BPP es diferente del BPP Inicial del haz láser incidente (1) en un factor multiplicador mayor o igual que 1,2 y menor o Igual que 5, presentando la superficie del dispositivo óptico (6) unas mlcroestructuras grabadas en el substrato de dicho dispositivo óptico (16) a profundidades variables del orden de la longitud de onda de trabajo.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que se establece el dispositivo óptico (16) apto para modificar el BPP del haz láser en la trayectoria del haz láser Incidente (1).

3. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que el BPP del haz Incidente está comprendido entre ,33 y 25 mm.mrad, preferentemente menor o Igual que 1 mm.mrad en el caso de una fibra óptica de transporte de diámetro menor o igual que 2 pm.

4. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que el dispositivo óptico (16)

es apto para producir un haz láser focalizado modificado cuyo BPP es diferente del BPP inicial del haz láser

incidente (1) en un factor multiplicador mayor o igual que 1,5 y/o menor o igual que 3.

5. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que el dispositivo óptico (16) produce un cambio del valor del BPP del haz focalizado inicial modificando el radio en la cintura (cüa) y la divergencia (9a) del haz láser focalizado (1a).

6. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que el cabezal de focalización (3, 4) comprende al menos una óptica de focalización (14) y el dispositivo óptico (16) apto y diseñado para modificar o actuar sobre el BPP inicial del haz láser incidente.

7. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que el dispositivo óptico (16) está realizado en sílice fundida, en cuarzo, en vidrio especial, en ZnS, en ZnSe o en material metálico.

8. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que el dispositivo óptico (16)

tiene un espesor comprendido entre ,5 y 1 mm y es de forma circular con un diámetro comprendido entre 25 y

75 mm.

9. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que el dispositivo óptico (16) es de tipo reflexivo que funciona con un ángulo de incidencia (a) comprendido entre 5 y 5°.

1. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que la longitud de onda del haz láser está comprendida entre 1,6 y 1,1 pm.

11. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que la potencia del haz láser (1) está comprendida entre ,1 y 25 kW.

12. Instalación de corte por láser que comprende una fuente láser (1) de fibras que contienen iterbio y una fibra de transporte de haz (2) para generar un haz láser (1) que tiene un BPP inicial dado que se propaga hasta un cabezal de focalización (3, 4) que comprende una óptica de focalización (14), caracterizada por que, en la trayectoria del haz (1) se establece al menos un dispositivo óptico (16) apto y diseñado para modificar o ajustar el BPP inicial del haz láser incidente, siendo dicho dispositivo óptico (16) al menos un elemento óptico difrangente transmisivo o reflexivo y en la que la superficie de dicho dispositivo óptico (16) presenta microestructuras grabadas en el substrato de dicho dispositivo óptico (16) a profundidades variables del orden de la longitud de onda de trabajo, con el fin de producir un haz láser focalizado modificado cuyo BPP es diferente del BPP inicial del haz láser incidente (1) en un

factor multiplicador mayor o igual que 1,2 y menor o igual que 5.

13. Instalación según la reivindicación 12, caracterizada por que el dispositivo óptico (16) se establece entre la fibra de transporte de haz (2) y la óptica de focalización (14).