Laser Cutting Lenses
Lente colimadora (colimador)
El colimador es una unidad óptica pasiva e independiente que prepara el haz láser para su posterior entrega al módulo de enfoque. Está compuesto por la carcasa (objetivo), un conjunto de lentes colimadoras convergentes (biconvexa + menisco), anillos de sellado superior e inferior, juntas y tuercas.
El colimador es un elemento clave para colimar (reunir) la luz óptica. Actúa como "enderezador y colector" del haz: hace que el haz láser sea apto para llegar al módulo de enfoque y mantiene alta calidad del haz a lo largo del camino.
Para qué sirve la lente colimadora en un láser de corte
La lente de colimación convierte el haz láser divergente en un haz colimado — un haz en el que todos los fotones viajan paralelos entre sí. Ese haz colimado se dirige luego, mediante el sistema óptico, hacia las lentes de enfoque, que lo concentran a una distancia focal definida en un punto luminoso. En ese punto se concentra la máxima densidad de energía — al diámetro necesario para un corte láser eficaz.
En otras palabras, las lentes colimadoras estrechan y alinean el haz: hacen que las direcciones de la luz sean más paralelas o reducen la sección transversal del haz. El colimador del cabezal de corte estrecha el haz divergente que sale de la fibra óptica y está formado por dos lentes.
Funciones y propiedades:
- La lente colimadora es una lente compuesta diseñada para obtener la mejor calidad óptica y rendimiento de corte.
- Alta transmitancia, absorción ultra baja, soporta potencias superiores a 10 000 W, alto umbral de pérdida de entalpía.
- Consistencia de la distancia de trabajo superior al 99,5 %.
- Alta transmitancia del láser, alto umbral de daño — apta para corte láser de alta potencia.
- Buena colimación, menor a 1/10 de la longitud de onda.
Lente de enfoque
La lente instalada en el cabezal forma un punto láser del tamaño requerido sobre la pieza.
Los modelos de focal larga producen un punto mayor — esto compensa el "deslizamiento" en superficies cilíndricas y mejora la calidad de grabado en superficies curvas, incluyendo cuerpos cónicos.
Pero un punto grande funciona como una fresa de gran diámetro — es casi imposible reproducir elementos finos. Las lentes de focal larga se usan solo para grabar texto y gráficos con poco detalle.
En los demás casos hay que instalar un modelo de focal corta o reajustar la máquina (reducir aceleración/desaceleración, velocidad del cabezal, etc.).
La principal desventaja de la focal larga: exige casi el doble de potencia de corte. Para grabado (donde se usa hasta ~30 % de la potencia nominal) es aceptable, pero en corte pasante incluso el 100 % de la potencia disponible puede no bastar.
El haz láser de alta energía debe enfocarse con máxima precisión sobre la superficie del material.
La profundidad de foco aumenta con la distancia focal y disminuye al reducirla. En sistemas láser equivale a la longitud de la cintura del haz.
Por eso:
- Materiales finos y planos — lentes de focal corta, por ejemplo f′ = 93,75 mm. Corte limpio, alta velocidad, kerf estrecho y zona afectada por el calor muy pequeña.
- Materiales gruesos o irregulares — lentes de focal larga (f′ = 127–190,5 mm).
Enfoque del haz láser
Los fabricantes discrepan sobre las prioridades dentro del cabezal de corte. Unos enfatizan el tamaño mínimo del punto; otros, la orientación de las lentes y la perpendicularidad del eje de la lente respecto al haz. En la práctica, no se puede jerarquizar: la importancia de cada factor cambia con las condiciones de corte. Mantener la posición del foco dentro del material es decisivo para parámetros reproducibles y calidad de borde estable.
Enfoque para metal grueso
En chapas de más de 20 mm, hay que crear una zona de fusión mayor — para generar una poza de fusión más profunda que debe ser expulsada durante el corte. Para ello, el haz se enfoca encima o debajo de la superficie, según el gas de asistencia. Enfocar un punto pequeño en la propia superficie suele ser menos eficaz en material grueso.
Enfoque para metal fino
Para chapas de 1–3 mm se requiere un punto enfocado sobre la superficie del metal — mucho más eficaz que un punto grande, porque no hace falta un canal ancho para retirar material.
Gas de asistencia en corte láser
Un factor decisivo es el gas de asistencia: oxígeno, nitrógeno o aire comprimido. Cada gas tiene propiedades específicas ligadas a acelerar la combustión, expulsar el material fundido, o ambas cosas.
Los gases de asistencia sostienen una de dos reacciones — exotérmica o endotérmica. Las reglas de enfoque dependen del tipo de reacción y del gas.
Enfoque en reacción exotérmica
Cuando el gas crea una reacción exotérmica, acelera el corte — caso del oxígeno. El metal literalmente hierve, la intensa energía del haz lo vaporiza, y el oxígeno reacciona eficientemente con el metal líquido. El proceso ocurre a alta presión; el oxígeno calienta el material a temperaturas muy altas, generando vapor metálico y evaporación continua.
Cortar chapas gruesas requiere una mayor forma de perforación — usada en producción para crear un kerf ancho y retirar el material fundido durante el corte.
Reglas de enfoque para reacciones exotérmicas:
- Materiales gruesos — foco por encima de la superficie.
- Materiales más finos — foco en la superficie superior.
Con foco por encima del material, se usan baja presión y bajo volumen — para favorecer la liquefacción y desplazar el material fundido. Se vaporiza muy poco material, ya que el pequeño volumen de oxígeno no sostiene la evaporación total.
Con foco sobre la superficie, se usan alta presión y alto volumen — suficientes para una vaporización intensa.
Por eso, en mesas usadas mayoritariamente para material fino los apoyos quedan casi limpios; en mesas para material grueso, se acumula bastante más residuo.
Enfoque en reacción endotérmica
Las reacciones endotérmicas surgen con gases inertes — nitrógeno y argón.
Aquí el gas solo expulsa el material fundido por el canal de corte. El proceso endotérmico depende mucho de la energía inicial del haz enfocado — debe llevar rápidamente al metal al estado líquido y formar el corte. El gas inerte a alta presión expulsa entonces el material licuado por el kerf, dejando un borde limpio sin adherencia de escoria.
Reglas de enfoque para reacciones endotérmicas:
- Foco en el fondo del material o justo por debajo.
- Mantener el foco bajo el material crea una pequeña forma en V en la sección transversal del kerf, permitiendo al gas de alta presión comprimir el fundido y expulsarlo por la base del canal a alta velocidad.
- Se requieren alto volumen y alta presión para un retiro rápido del material fundido.
Aire comprimido — caso híbrido
Usar aire comprimido provoca ambas reacciones simultáneamente. Como el aire es mayoritariamente nitrógeno (≈78 %), la reacción es predominantemente endotérmica; el pequeño contenido de oxígeno (≈20 %) provoca una reacción exotérmica paralela pero menor. Gracias al oxígeno, el material base funde más rápido. El resto del aire es inerte y participa solo en la reacción endotérmica del nitrógeno.
El corte con aire comprimido da los mejores resultados con el foco en el centro del espesor del material.
Aplicaciones reales
Hay que controlar cada factor que afecte la proyección del punto focal. El haz bruto en el resonador óptico debe estar en buen estado y entregarse correctamente a la lente. Una lente con la distancia focal adecuada cambia la velocidad de fusión y el espesor máximo procesable.
El gas de asistencia define la posición del foco:
- Oxígeno (exotérmico) — foco en la propia superficie o por encima. Pasar de corte de alta a baja presión requiere solo pequeños ajustes — el foco está siempre en o cerca de la superficie, casi independiente del espesor.
- Nitrógeno (endotérmico) — la posición del foco depende mucho del espesor, ya que está cerca del fondo.
La posición exacta del foco puede mantenerse con CNC y un dispositivo de autofoco — por ejemplo un espejo adaptativo.
El espejo adaptativo cambia la forma de su superficie aplicando presión por detrás. En estado normal (sin presión), la superficie es cóncava. Al aumentar la presión, se vuelve plana y luego convexa. El cambio de forma modifica el frente de onda del haz, el tamaño del haz sobre la lente y la proyección del foco dentro del material.
La gran ventaja del autofoco es poder cambiar dinámicamente la posición del foco durante el pierce — aprovechando al máximo la energía a lo largo del espesor y reduciendo el tiempo total de pierce.
Los avances en corte láser continúan, pero lo básico permanece: entregar correctamente el haz a la lente y mantener la posición del foco correcta para la aplicación. Si se mantienen posición del foco y geometría del borde dentro del material, los demás requisitos para un corte estable de alta calidad se minimizan. Se ahorra tiempo de configuración manteniendo una producción estable.
Para qué sirve la lente de enfoque en un láser de corte
La óptica de enfoque concentra el haz láser en un único punto a través de la tobera. Puede ser una lente de cuarzo fundido (sílice) o un espejo parabólico.
La lente de enfoque (colectora) debe instalarse correctamente: la superficie curvada hacia fuera debe mirar siempre al vértice del haz convergente.
Una lente de enfoque contaminada absorbe más radiación láser, se calienta y se deforma — desplazando la posición focal hacia arriba.
Importante: una contaminación severa puede dañar la propia lente y todo el cabezal de corte.
Efectos de la contaminación:
- A medida que crece la longitud del corte, aparecen rebabas; el kerf y la rugosidad aumentan.
- En acero al carbono, tendencia a formar cráteres.
- En casos extremos, la pieza no se separa de la chapa tras el corte.
Distancia focal
Para corte se suelen usar ópticas con distancia focal de 125 mm y 150 mm.
- 125 mm — solo para chapas finas, 1–3 mm.
- Para material más grueso — óptica de 150 mm.
La óptica de 125 mm produce un kerf más estrecho que la de 150 mm, dando mayor densidad de energía a la misma potencia. Las velocidades de corte con 125 mm son por ello algo mayores a la misma espesor y potencia. Si se corta principalmente material fino, por economía conviene la óptica de 125 mm.
La óptica de 150 mm tiene la ventaja de mayor profundidad de corte. Es universal en un amplio rango de espesores, pero se aplica sobre todo a materiales gruesos.
Posición del foco
La posición exacta del foco es requisito imprescindible para buenos resultados de corte.
Para corte láser de acero al carbono:
- Chapas de hasta ~6 mm — posición óptima del foco en la superficie de la chapa (endotérmico).
- Chapas de 8 mm y más — el foco debe situarse por encima de la superficie (exotérmico).
- Corte de alta presión en acero inoxidable o aluminio — foco en la chapa.
- Regla práctica: el foco puede fijarse a aproximadamente 2/3 del espesor dentro de la chapa.
Así, cada cambio de espesor suele implicar un cambio de la posición del foco.
Centrado de la tobera
La lente de enfoque debe montarse de modo que el haz láser enfocado quede en el centro del orificio de la tobera. El haz enfocado no puede estar a más de ±0,05 mm del centro respecto a la tobera.
Si el haz está descentrado, la calidad del corte depende de la dirección. En el peor caso, el corte es satisfactorio en una dirección y en otras el material no se corta limpiamente o no se separa. En corte de acero al carbono con gas, pueden aparecer chispas sobre la chapa cuando el corte avanza en dirección opuesta a la excentricidad.