Laser Cutting of Stainless Steel
Información general sobre el acero inoxidable
Las aleaciones de acero inoxidable contienen al menos 12 % de cromo como elemento de aleación. La superficie del inox pulido presenta brillo espejo, gran durabilidad y capacidad de autorrecuperación. La elevada resistencia a la corrosión se debe a una película de óxidos insolubles de los elementos de la aleación, que se renueva espontáneamente al contacto con el oxígeno del aire. Este recubrimiento restaura su integridad por sí mismo ante cualquier daño.
Como elementos de aleación se emplean: cromo, níquel, silicio, manganeso, molibdeno, wolframio, niobio, boro, cobre, vanadio, titanio, etc. El porcentaje de aditivos y el proceso de aleación definen las propiedades físicas, mecánicas y químicas del acero.
Las características anticorrosivas del metal ferroso se deben al cromo y al níquel — ellos también aportan al acero el color claro y el brillo. La aleación con níquel impide la interacción del hierro con el agua en presencia de oxígeno. El cromo por encima del 12 % forma instantáneamente una película protectora uniforme en la superficie del macizo metálico, que bloquea la reacción química entre las moléculas de oxígeno y los átomos de hierro.
Clasificación de los aceros aleados
Por grado de aleación:
- acero de baja aleación — elementos de aleación hasta 2,5 %;
- acero de media aleación — elementos de aleación entre 2,5 y 10 %;
- acero de alta aleación — elementos de aleación entre 10 y 50 %.
Por propiedades:
- de resistencia normal y elevada;
- resistentes al frío;
- resistentes al calor (termoestables);
- resistentes a la corrosión atmosférica y a la corrosión en agua de mar;
- endurecibles por tratamiento térmico y termoquímico, etc.
Por aplicación:
- Aceros aleados estructurales. Se utilizan en estructuras soldadas.
- Aceros para construcción mecánica. Se utilizan en piezas de máquinas, mecanismos y carcasas.
- Aceros para herramientas. Se utilizan para la fabricación de herramientas.
Dificultades de procesamiento del acero inoxidable
Las dificultades se relacionan con las propiedades de la aleación:
- el alto contenido de aditivos puede provocar la formación de escoria en la superficie del corte;
- en la zona de calentamiento se forman óxidos refractarios que dificultan el paso del láser por la línea de corte y, en consecuencia, aumentan el consumo de energía;
- los aceros con alto cromo y cromo-níquel tienen baja fluidez, lo que también complica el corte.
Proceso de corte del acero inoxidable
El proceso transcurre por etapas:
- calentamiento;
- fusión;
- vaporización gradual de los elementos formados por la descomposición del material.
El haz láser es una fuente de calor en la que se concentra un gas de alta temperatura. El haz tiene una sección de 10–20 µm y una densidad de potencia de 100 MW/cm². En un área tan pequeña esta energía es más que suficiente para fundir el material al instante. Gracias al proceso termofísico el acero se separa y la estructura del metal se altera solo en la zona de contacto.
Particularidades del inoxidable
La base de este acero es hierro mezclado con cromo. Según el fabricante se añaden níquel y otros compuestos de aleación para mejorar las propiedades.
El inox tiene una alta resistencia a la corrosión y una larga vida útil (varias décadas). Sus propiedades no cambian incluso tras años de servicio. Se utiliza ampliamente para chapas, mallas, tuberías, etc.
Principales elementos de aleación
- Níquel. Presente en aceros inoxidables austeníticos; influye en el acoplamiento energético y el intercambio térmico, limitando el espesor que se puede cortar con una potencia láser dada.
- Cromo. Elemento formador de ferrita. Se usa solo o combinado con otros. Su adición amplía el intervalo de solidificación y aumenta la resistencia y dureza sin alterar la ductilidad. Ya 1 % mejora las propiedades mecánicas; al 5 % aumenta la resistencia al calor, mientras que las aleaciones resistentes a ácidos y al calor contienen cromo en proporciones aún mayores, llegando hasta el 28 %.
- Silicio. Formador de ferrita. No afecta las propiedades viscosas, pero eleva el límite de resistencia y de fluencia, la permeabilidad magnética y la conductividad eléctrica. Mejora ductilidad, resistencia a ácidos y propiedades resistentes.
- Manganeso. Formador de austenita; mejora la templabilidad y eleva el umbral de fluidez del metal. Aumenta la resistencia al desgaste y al impacto.
- Molibdeno. Eleva significativamente la dureza, resistencia y templabilidad. Sus concentraciones máximas se hallan en aceros resistentes al calor y aceros rápidos; en aceros estructurales no supera normalmente el 0,4 %.
- Wolframio. Aditivo formador de carburos que aumenta resistencia y dureza. Se añade a aleaciones de herramientas de corte rápido hasta el 18 %, optimizando la resistencia en caliente y al impacto.
- Niobio. Fuerte formador de carburos. En aleaciones inoxidables se añade para minimizar la corrosión intergranular; en aceros al manganeso, para reducir la fragilidad de revenido.
- Boro. Aumenta la templabilidad. Es la mejor alternativa para sustituir al costoso molibdeno y níquel.
- Cobre. Su adición aumenta el límite de fluencia, la ductilidad y la resistencia a los procesos corrosivos. En construcción naval resuelve eficazmente el problema de la adherencia de algas y crustáceos en la parte sumergida del casco.
- Vanadio. Agente formador de carburos que aumenta la resistencia y la tenacidad. Las aleaciones con vanadio muestran excelente resistencia al impacto e inercia a las tensiones, pero son muy caras.
- Titanio. Fijando el carbono en carburos estables, refina el grano de austenita y reduce la tendencia a la corrosión intergranular. Aumenta la resistencia a ácidos y, junto con otros formadores de carburos, favorece el autotemple del acero.
Corte láser de acero inoxidable con gas inerte y oxígeno
El corte láser con gas inerte y verdaderamente inerte es el proceso más aplicado para el acero inoxidable. El corte láser con oxígeno se usa también cuando la oxidación del borde no es crítica. A continuación se trata el corte láser del inox con gas inerte (nitrógeno) y gas activo (oxígeno) como gases auxiliares, así como las cuestiones de seguridad laboral para ambos procesos.
En el corte láser con gas inerte (también llamado corte por fusión láser), el haz láser es la única fuente de calor y el chorro de gas inerte a alta presión proporciona la fuerza mecánica para expulsar el material fundido.
Los aceros inoxidables tienen una conductividad térmica relativamente baja, lo que permite cortarlos a velocidades relativamente altas, ya que la energía permanece en el frente de corte en vez de disiparse en el material por delante del borde de corte.
El nitrógeno es el gas auxiliar más usado en esta técnica, por su bajo coste y su baja reactividad química frente a gases verdaderamente inertes como el argón y el helio.
El corte con nitrógeno produce bordes de alta calidad y suele ofrecer mayor velocidad que el corte con oxígeno.
La adherencia en el borde inferior del material, debida a la alta viscosidad del fundido, puede ser un problema en el corte con nitrógeno, pero se resuelve habitualmente con una presión de gas auxiliar muy alta. El nitrógeno a alta presión se utiliza cuando la calidad del borde de corte es más importante que la velocidad.
El nitrógeno es el gas preferido para cortar acero inoxidable, aceros de alta aleación, aleaciones de aluminio y níquel; se necesita mayor presión de gas para extraer el material fundido del corte. La alta presión del gas aporta fuerza mecánica adicional para expulsar el material fundido de la ranura. Con corte por nitrógeno a alta presión en inox se obtiene un borde brillante y libre de óxido, pero la velocidad es inferior a la del argón o el helio.
El principal problema del corte con gas inerte es la formación de rebabas de material depositado en la cara inferior de la ranura. La solución consiste en optimizar los parámetros clave del proceso: diámetro de la tobera, posición del foco y presión del gas.
La presión del nitrógeno está en el rango de 10–20 bar y aumenta con el espesor del material. La pureza del nitrógeno gaseoso debe ser superior al 99,8 %.