Laser Beam Focusing

Loading…

Introducción

Cada fabricante prioriza parámetros distintos en sus cabezales de corte láser. Unos enfatizan el menor tamaño de spot posible; otros se concentran en la orientación de las lentes y la perpendicularidad de su eje respecto al haz láser. En realidad, ninguno puede destacarse como más importante que el otro: su relevancia varía según las condiciones de corte. Mantener la posición del foco dentro del material es decisivo para que los parámetros de corte láser funcionen correctamente y para obtener una calidad de borde alta y constante.

Enfoque del haz para corte de metal grueso

Al trabajar con chapas de más de 20 mm es necesario crear una zona de fusión mayor, para obtener un baño de fusión voluminoso que se evacue durante el corte. Para crear ese spot de perforación ampliado, el haz se enfoca por encima o por debajo de la superficie del material, según el gas de asistencia. Por tanto, enfocar un spot pequeño sobre la superficie suele ser menos eficaz en materiales gruesos.

Enfoque del haz para corte de metal fino

Para chapas finas de 1–3 mm se requiere un punto enfocado en la superficie del metal. Es mucho más eficiente que un spot mayor, ya que no se necesita un canal ancho para evacuar el material.

Gas de asistencia en el corte láser

Un factor crítico en el corte láser es el gas de asistencia: oxígeno, nitrógeno o aire comprimido. Cada gas posee propiedades específicas relacionadas con la aceleración de la combustión, la evacuación del material fundido, o ambas.

En el corte láser, los gases de asistencia sostienen una de dos reacciones: exotérmica o endotérmica. Las reglas de enfoque dependen del tipo de reacción y del gas utilizado.

Enfoque para corte exotérmico

En una reacción exotérmica, el gas confiere propiedades aceleradoras al corte — por ejemplo, el oxígeno. En esta reacción el metal literalmente hierve: la energía intensa del haz láser lo vaporiza, y el oxígeno reacciona eficazmente con el metal en su estado fundido. El proceso ocurre a alta presión; con oxígeno, el material base alcanza temperaturas elevadísimas durante el corte, generando vapor metálico y evaporación adicional.

El corte de chapas gruesas implica un patrón de perforación mayor, empleado en producción para crear una ranura ancha que evacúa el material fundido durante el corte láser.

Reglas de enfoque para reacciones exotérmicas: el foco debe estar por encima de la superficie en materiales gruesos, o sobre la superficie superior en los más finos.

Con el foco por encima del material se usan típicamente baja presión y bajo caudal para favorecer la licuefacción y desplazar el fundido. En realidad se evapora muy poco material, porque un caudal pequeño de oxígeno no sostiene una evaporación completa.
Con el foco exactamente en la superficie se usan típicamente alta presión y alto caudal. Esto basta para sostener una evaporación intensa del material.

Por eso, en mesas de corte que cortan principalmente material fino se ve muy poca escoria acumulada en los apoyos. Las mesas usadas para materiales gruesos acumulan mucho más material sobre sus apoyos.

Enfoque para corte endotérmico

Las reacciones endotérmicas ocurren al usar un gas inerte. Nitrógeno y argón entran en esta categoría.

Durante esta reacción, el gas solo ayuda a soplar el material fundido a través de la ranura. El proceso endotérmico depende en gran medida de la energía original del haz láser enfocado para llevar rápidamente el metal base al estado fundido y formar una ranura limpia. Esto permite al gas inerte desplazar el material licuado por el canal de corte, dejando una superficie de corte limpia, sin adherencia de escoria.

Reglas de enfoque para reacciones endotérmicas: la posición del foco debe estar en el fondo del material o ligeramente por debajo. Mantener el foco bajo el material crea una pequeña forma en V en la sección transversal de la ranura, lo que permite al gas a alta presión comprimir el material fundido y expulsarlo por la base del canal a gran velocidad.

Las reacciones endotérmicas exigen alto volumen y alta presión para sostener la rápida evacuación del material fundido.

Aire comprimido

Usar aire comprimido como gas de asistencia genera, en la práctica, reacciones endotérmica y exotérmica simultáneas. Como el aire es mayoritariamente nitrógeno (≈78 %), se trata sobre todo de una reacción endotérmica; el pequeño contenido de oxígeno (≈20 %) produce una reacción exotérmica simultánea pero menor. Esto acelera la fusión del material base por la reactividad del oxígeno. El resto del aire es esencialmente inerte y participa solo en la reacción endotérmica del nitrógeno.

El corte con aire comprimido da los mejores resultados cuando la posición del foco se mantiene en el centro del espesor del material.

Control del punto de foco

Hay que controlar cada aspecto de la proyección correcta del punto de foco. El haz bruto en el resonador óptico debe estar en buen estado, y el haz debe llegar correctamente a la lente.

Usar una lente con la distancia focal adecuada modifica la velocidad de fusión del material y el espesor máximo procesable.

La elección del gas de asistencia define en gran medida cómo se establece la posición del foco en el material:

Corte láser con oxígeno (exotérmico) — foco directamente sobre la superficie o por encima de ella. Se requieren cambios muy pequeños de foco, salvo que se alterne entre corte de alta y baja presión, porque el foco siempre está sobre la superficie o cerca de ella y, por tanto, no depende de los cambios de espesor.
Corte láser con nitrógeno (endotérmico) — el foco depende fuertemente del espesor, ya que está en el fondo del material o cerca de él.

En cualquier caso, todos los puntos de foco esenciales pueden cubrirse mediante CNC y un dispositivo de autofoco, como un espejo adaptativo.

Espejo adaptativo

El espejo adaptativo cambia la forma de su superficie aplicando presión en la cara posterior. En estado normal, sin presión, la superficie del espejo es cóncava. Al aplicar presión, la superficie pasa de cóncava a plana y luego a convexa. Cambiar la forma del espejo modifica el frente de onda del haz y, por tanto, el tamaño del haz sobre la lente y la posición de la proyección del foco en el material.

Distancia focal de la lente

Para corte se usan habitualmente sistemas ópticos con distancias focales de 125 mm y 150 mm.

Óptica de 125 mm — adecuada solo para espesores pequeños de 1–3 mm. Produce una ranura más estrecha que la de 150 mm, dando mayor densidad de energía a la misma potencia. Por ello, las velocidades de corte con la óptica de 125 mm son algo mayores con el mismo espesor y la misma potencia. Si se cortan sobre todo materiales finos, por motivos económicos se recomienda la óptica de 125 mm.
Óptica de 150 mm — ofrece mayor profundidad de corte. Puede usarse de forma universal en un amplio rango de espesores, pero se emplea principalmente para materiales más gruesos.

Posición del foco

La ubicación exacta del foco es un requisito esencial para buenos resultados de corte.

Para corte láser de acero al carbono:

En chapas de hasta unos 6 mm, la posición óptima del foco es sobre la superficie de la chapa (endotérmico).
En chapas de 8 mm o más, el punto de foco debe estar por encima de la superficie de la chapa (exotérmico).
Corte a alta presión de acero inoxidable o aluminio: foco en la chapa.

En la práctica, la posición del foco puede fijarse en torno a 2/3 del espesor de la chapa dentro de la chapa.

Por tanto, cada cambio de espesor implica habitualmente un cambio de la posición del foco.

Centrado de la boquilla

La lente de enfoque debe instalarse de forma que el haz láser enfocado quede en el centro del orificio de la boquilla. El haz puede estar como máximo a ±0,05 mm del centro respecto a la boquilla.

Aunque haya buena calidad de corte, un haz descentrado puede hacer que la calidad dependa de la dirección. En el peor caso, el corte es satisfactorio en una dirección, pero en otras el material no se corta limpiamente o no llega a separarse.

Al cortar acero al carbono con gas, pueden aparecer chispas sobre la superficie de la chapa en la dirección opuesta a la excentricidad.

Contaminación de las lentes

Importante: una contaminación severa puede dañar las lentes y todo el cabezal de corte.

Efectos:

Al aumentar la longitud del corte empiezan a formarse rebabas; aumentan la ranura y la rugosidad superficial.
En acero al carbono hay tendencia a formar cráteres.
En el peor caso, la pieza no se separa de la chapa tras el mecanizado.

Mantenimiento y sustitución de la lente de enfoque

Desmontaje y montaje de la lente de enfoque:

Retire el cabezal de corte y llévelo a un lugar limpio. Limpie todo el polvo de su superficie.
Coloque el cabezal horizontalmente. Retire los tornillos de fijación de abajo hacia arriba (véase fig. 6.5 — desmontaje del cristal protector y del conjunto de la boquilla).
Retire el anillo de retención del muelle y la lente de enfoque con la llave de extracción de lentes.
Sustituya o limpie la lente de enfoque.
En la dirección mostrada en la fig. 6.7, inserte con cuidado la lente y el anillo de retención del muelle en el soporte de la lente y apriete correctamente el anillo de retención.

Parte práctica: ajuste del foco en láser de fibra

Antes de iniciar trabajo en una máquina láser de fibra hay que ajustar la distancia focal correcta entre el cabezal y el material a cortar. De ese ajuste dependen el ancho y la calidad de la ranura, la formación de escoria y la velocidad de corte.

Enfocar el haz láser es un aspecto clave del trabajo. Para un corte de metal de calidad hay que concentrar la energía en un punto concreto — esto incrementa la intensidad del haz.

El diámetro del spot y la profundidad de foco dependen de la distancia focal.

El foco se ajusta: por encima del metal, sobre el metal o por debajo del metal.

Foco positivo — el flujo de fotones queda por encima del plano de la pieza. Se usa al cortar acero al carbono. Se evita la formación de escoria, y el oxígeno favorece la oxidación del metal desde el borde de corte hasta la cara inferior de la chapa. Al aumentar el foco positivo crece el diámetro del spot sobre la pieza, lo que incrementa el aporte térmico y produce un borde de acero más liso a lo largo del corte.
Foco negativo — el pico de concentración queda dentro de la pieza, aumenta la densidad de energía irradiada y la ranura se ensancha. Este modo es apto para acero inoxidable. La ranura es más ancha arriba y más estrecha abajo; la mayor amplitud en la parte superior mejora la fluidez del fundido. Sin embargo, la parte inferior, más estrecha, exige mayor caudal de gas. La desfocalización negativa se usa habitualmente con aire o nitrógeno.
Foco cero — foco sobre la superficie de la chapa, se obtiene el menor spot posible. Esto produce un rango de fusión relativamente estrecho y una ranura menor, lo que lo hace adecuado para corte de alta precisión en materiales finos.

Entender y controlar la posición del foco es crítico para optimizar las operaciones de corte láser: influye directamente en la intensidad del haz en la zona de corte, en el ancho de la ranura y en la calidad global.

En la gráfica de posición del foco (Z) frente al ancho superior de la ranura (W): cuando el foco está sobre la superficie de la chapa, el ancho de la ranura es el mínimo. Al desplazar el foco (desfocalización positiva o negativa), el ancho aumenta.

El grado de ensanchamiento depende de la distancia focal de la lente del cabezal y de la profundidad de foco. En general, cuanto menor sea la distancia focal y la profundidad de foco, más varía el ancho de la ranura con la posición del foco.

Cuanto más grueso es el metal, más alto debe situarse el foco.

Lentes colimadora y de enfoque

El punto de foco lo forman las lentes colimadora y de enfoque. La colimadora capta el haz rápidamente divergente que sale de la fibra y lo endereza; la lente de enfoque focaliza esa radiación sobre la superficie de trabajo.

Problemas con las lentes

En láseres de fibra, la colimadora y la lente de enfoque rara vez son causa de problemas de foco. Los materiales para la denominada óptica láser "transmisiva" se conocen desde hace tiempo y sus tecnologías de fabricación están bien desarrolladas. Aun así, un defecto puntual de las lentes de enfoque es el efecto de lente térmica — deriva del foco por calentamiento de la óptica, asociada a la dependencia del coeficiente de absorción del material respecto a la temperatura. Se observa con lentes contaminadas o dañadas; compre siempre lentes a fabricantes de óptica de confianza. Antes de sacar conclusiones sobre la óptica, realice el centrado de la boquilla. El cristal protector es el primero en sufrir durante el pinchazo.
Igual de importante es la perpendicularidad del haz que incide sobre la lente. Un haz no perpendicular puede destruir la boquilla y dejar defectos en el borde.
El plano focal es, por definición, el plano en el que el spot enfocado tiene el tamaño mínimo.
¿Qué pasa si la posición del plano focal sobre la chapa es subóptima? En el peor caso — escoria y parada del corte. Con un error pequeño, el foco influye en la desviación de las paredes de la ranura respecto a la vertical. La comprobación es sencilla: medir las dimensiones de la pieza en el borde inferior y en el superior. Lógicamente, en el mismo punto de la pieza.
¿Qué hacen habitualmente los operadores ante una caída de calidad? Suelen bajar la velocidad hasta lograr una calidad aceptable. El resultado no siempre es deseable: la calidad mejora pero queda subóptima, mientras la productividad cae por la velocidad reducida.
La posición del foco es, con diferencia, la causa prioritaria de la pérdida de calidad — y es precisamente lo que los operadores olvidan. Cuando comprueban, suelen hacerlo con un paso de refocalización demasiado grande, perdiéndose el óptimo, o de forma no sistemática — moviendo la lente demasiado arriba y luego demasiado abajo, perdiendo la noción de dónde está la chapa cortada dentro del haz enfocado.

Algoritmo para hallar la posición correcta del foco

Encontrar la posición correcta del foco no debe llevar mucho tiempo. Siga un algoritmo sencillo:

Elija un paso de refocalización. Ni demasiado grande (para no saltarse el óptimo) ni demasiado pequeño (para no perder tiempo).
Corte 12 piezas de prueba. La forma óptima es un cuadrado pequeño. También sirven cortes rectos sobre la chapa.
Numere las piezas o líneas y anote junto a cada una la posición del foco utilizada.
Inspeccione el corte desde el lado de incidencia del láser y desde abajo y elija el ajuste con el mejor aspecto de línea o borde — mínima zona afectada térmicamente, sin gotas, sin escoria.
Si la calidad ha mejorado pero aún no es óptima, fije la posición de foco encontrada y repita procedimientos similares con cada parámetro por separado: distancia boquilla–chapa, presión de gas, velocidad de corte, potencia del láser. Cada vez que cambie un parámetro, vaya de un extremo al otro con incrementos unitarios. Así no se perderá entre los muchos parámetros que está optimizando para su proceso.

El conjunto de parámetros tecnológicos hallado no se mantendrá igual para siempre. Si alguno cambia, habrá que revisar los demás.

Influencia del gas y del material en el foco

La posición del foco puede cambiar al cambiar el material y al cambiar el gas. Téngalo presente, por ejemplo, al pasar a oxígeno de otra pureza — y, sin duda, al alternar entre oxígeno y nitrógeno.

Al cortar con nitrógeno inerte, el foco debe hundirse dentro del material.
Al cortar con oxígeno químicamente activo, el foco debe estar sobre o por encima de la superficie de la chapa.

Diagnóstico por el borde

Una inspección atenta del borde dice mucho sobre la posición del foco:

Escoria con puntas afiladas — falta caudal de nitrógeno o el foco está demasiado alto.
Escoria con gotitas — el foco está demasiado bajo.

A veces, desplazar el foco 100–150 micras salva la situación.

Tipos de lentes de enfoque

Lentes de gran distancia focal — adecuadas para procesar chapas gruesas y piezas con curvatura variable.
Lentes de distancia focal media — mejores para materiales medios y finos.
Lentes de corta distancia focal — mejores para grabado, con imágenes nítidas y limpias.

Opciones de foco en el cabezal

1. Foco manual. El cabezal incorpora un mecanismo de enfoque, normalmente un anillo giratorio que sube y baja la lente. En el primer ajuste o tras un cambio de espesor y de tipo de metal hay que ajustar manualmente la posición aproximada del foco.

2. Autofoco. Los equipos de corte láser de alta gama pueden equipar un sistema de autofoco que ajusta automáticamente la posición del foco según valores predefinidos. Esto aumenta significativamente la productividad y reduce los errores humanos.

Cintura del haz (beam waist)

Del esquema de enfoque para lentes con distancias focales distintas se desprenden dos hechos clave:

Cuanto mayor es la distancia focal, mayor es el spot en el que se enfoca la radiación.
Cuanto mayor es la distancia focal, mayor es la cintura del haz. La cintura del haz es cierta distancia en torno al plano focal a lo largo del eje de propagación.

Recomendaciones adicionales

Mantenga limpias lentes y espejos: limpie e inspeccione regularmente los cristales, ya que la suciedad afecta al foco.
Vigile el desgaste y el estado del equipo.
Use tablas de parámetros de corte para su fuente láser (pídalas al proveedor) y verifique la distancia focal de las lentes de su cabezal.
Compruebe si su cero real coincide con el cero del programa — use el método de localización de la cintura del haz.