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El láser de CO2 impone su corte

27/03/2014

Corte, soldadura, grabado o marcado de materiales en la industria del automóvil, rotulación, fabricación de moldes… Desde hace tres décadas, el láser forma parte de la tecnología de muchas plantas industriales. Entre las variedades existentes, el de CO2 se está imponiendo por su mayor potencia y diversidad de usos.

El láser empezó a aplicarse en la industria hace más de 30 años. Desde entonces, la tecnología (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, que conforma el acrónimo de LASER) ha experimentado un increíble desarrollo y una gran amplitud de utilidades en los procesos industriales.

Sus principales aplicaciones son el corte, la soldadura, la perforación, el marcado, el grabado y el tratamiento superficial de los más materiales: metales, aleaciones,plásticos,vidrio,papel,madera,cuero,etc. Existen distintos tipos de láser dependiendo del medio activo que los genera.

Para usos industriales, los más empleados por su potencia y rendimiento, son el de CO2, cuyo medio activo es el gaseoso, y el Nd-YAG, de estado sólido. Ambos son muy populares en las plantas de fabricación, pero el de dióxido de carbono (CO2) está más extendido por su mayor potencia y menor coste. La ventaja del NdYAG es que puede ser transmitido por fibra óptica, lo que permite su uso en lugares de difícil acceso.

 

REVOLUCIÓN DEL CO2

En los 20 años de presencia del láser de dióxido de carbono en la industria, éste se ha convertido en una herramienta esencial para gran variedad de procesos. Actualmente, está disponible en diversos diseños y tamaños y con diferentes potencias, hasta un máximo de 20 kW. No está nada mal teniendo en cuenta que los primeros láseres utilizados en la industria de la automoción, a finales de los años sesenta, sólo alcanzaban los 50 W de potencia.

Actualmente, los de CO2 se pueden diferenciar en dos tipos, según operen de forma continua: CW (Continuous Wave), que trabajan con potencias del orden de los kilovatios, y los operados en forma pulsada, que llegan a alcanzar los teravatios (trillones de vatios). El medio activo del láser de CO2 es una mezcla de dióxido de carbono, nitrógeno y helio.

El CO2 es el gas que produce la luz infrarroja invisible del láser, mientras que las moléculas de nitrógeno son las encargadas de excitar el rayo de luz. El helio juega un doble papel: contribuye al movimiento del calor del gas y ayuda a que las moléculas de CO2 regresen a su estado inicial. La máquina en sí está compuesta por el láser, la óptica que focaliza la radiación sobre el material, el sistema para presentar y manipular la pieza a tratar y los servicios conexos.

 

CORTAR METALES

El principal uso del láser de dióxido de carbono es el corte de metales de distintos grosores y tamaños. Aunque el mayor potencial de esta tecnología se obtiene de su utilización para la soldadura, ya que la potencia del rayo es capaz de perforar de forma más profunda y a mayor velocidad en los materiales.

Estas características hacen que el láser de CO2 sea una tecnología aplicada, sobre todo, en la industria del sector del automóvil, que también lo emplea para el marcado y tratamiento térmico de las superficies de aceros inoxidables o al carbono, y aleaciones de aluminio. Otros usos son el grabado y marcado en el ámbito de la rotulación, publicidad, trofeos, joyería,etc.

Las principales ventajas que presenta el láser para el procesado de materiales frente a los métodos convencionales son muy numerosas: mayor flexibilidad en cuanto a dimensiones geométricas y tipo de material; menor efecto térmico sobre la pieza, debido a la abundante concentración de energía sobre el punto de trabajo; elevada calidad del procesado; velocidad alta de producción, ya que el tiempo se reduce por la disponibilidad inmediata del haz láser; y fácil integración en sistemas robóticos.

 

EN EL AUTOMÓVIL

En el sector de la automoción, la aplicación más habitual es la de corte, con un 44%, frente al marcado (22%), la soldadura (20%),el microprocesado (7%) y el taladro (3%), según datos de Robotiker Tecnalia, centro tecnológico ubicado en el País Vasco, cuyo objetivo es contribuir al desarrollo sostenible de la sociedad a través de la investigación y la transferencia tecnológica.

Tanto en Europa como en Estados Unidos es más popular el uso del láser para soldadura, aunque en Japón se utiliza en gran medida para cortar. En el País Vasco, las aplicaciones de corte están bastante extendidas, aunque la oferta de servicios es mucho más restringida en 3D que en 2D”, comenta Juan Mª Etayo, del departamento de procesos de fabricación de Robotiker-Tecnalia: “En cambio, en el campo de la soldadura no existen aún aplicaciones ni oferta de servicios, y los centros tecnológicos no están dotados de la infraestructura necesaria”, prosigue.

Dentro del sector, hay diversas aplicaciones para la tecnología láser CO2. En primer lugar, la soldadura de componentes de pequeño tamaño: desde circuitos electrónicos y alternadores hasta inyectores de gasolina, componentes de aire acondicionado o elementos como la palanca de cambios.

La principal ventaja que presenta actualmente el uso del láser recae en su mayor facilidad para acceder a zonas estrechas, con lo cual se permite la producción de nuevos diseños de componentes más ligeros y delgados que con otros sistemas de soldadura”,señala Etayo.

 

DISEÑO FLEXIBLE

En este campo se requieren láseres de alta potencia y una infraestructura compleja para el manejo de piezas de gran tamaño. Sin embargo, las importantes ventajas del láser frente a las clásicas instalaciones de soldadura por puntos mediante resistencia eléctrica, hacen que el esfuerzo valga la pena. Según Robotik-Tecnalia, entre esas ventajas se encuentran las siguientes: consistencia e integridad de la soldadura, acceso por un único lado, reducción de la masa y anchura de pestañas, menor extensión de la zona afectada por el calor, menor distorsión térmica, aumento de la fuerza estructural y alta velocidad y flexibilidad de diseño.

Actualmente, la compañía norteamericana General Motors dispone de muchas estaciones de soldadura láser para soldar techos, marcos de ventanillas, etc. Una de sus últimas instalaciones en la planta de Mansfield (Pensilvania) consiste en una estación con dos láseres robotizados de CO2 de 5 kW, capaces de soldar los cuartos de panel interior izquierdo y derecho para varios modelos distintos de coche, disminuyendo a la cuarta parte el espacio ocupado por la anterior instalación de soldadura por resistencia eléctrica, y minimizando el tiempo de cambio.

Sin embargo, la proporción de estaciones de soldadura láser continúa siendo pequeña frente a las de resistencia eléctrica en este tipo de aplicaciones. Actualmente, la mayor parte de las instalaciones de soldadura láser para estas utilidades son de la clase Nd:YAG.

 

SOLDADURA REMOTA

En España, se está extendiendo poco a poco otra modalidad: la soldadura remota. La empresa Rofin-Baasel España, especialista en la comercialización de láser industrial para aplicaciones de corte, soldadura, marcado, microperforado, taladrado, etc., ha desarrollado una técnica que hace posible soldar en un volumen de 2,5 x 1,5 x 0,6 m, de forma totalmente flexible y programable.

Uno de los elementos básicos que permite un volumen de estas dimensiones es el láser de CO2 Slab, que emite con una calidad de haz muy alta, incluso en potencias de hasta 6.000 W. El mercado principal de estos dispositivos (ya se han instalado dos en España) es la soldadura de subconjuntos de carrocería de automóvil.

Otra de las aplicaciones en el sector automovilístico es la soldadura de chapas planas de diferente composición y/o espesor antes del proceso de embutición y corte. Su utilidad reside en la posibilidad de reutilizar los restos que sobran de otras chapas, así como unir en una sola pieza secciones de chapa de distintos materiales, usando el más caro sólo donde realmente es necesario.

Por ejemplo, se pueden unir restos sobrantes del corte de otras piezas para formar una barra de refuerzo lateral en puertas de automóvil: esto precisa una pieza de una cierta longitud y resistencia, pero sin requerimientos estéticos puesto que se sitúa en el interior de la puerta y no se verá, de manera que es posible aplicar este tipo de chapa soldada con un considerable ahorro de costes”, apunta Etayo.

Aunque estas aplicaciones se pueden efectuar con láseres de 1 kW, se usan también láseres de CO2 de alta potencia, de 6 kW e incluso de 14 kW,con el fin de aumentar la velocidad y asegurar una penetración suficiente.

 

MARCADO DE MATERIALES

La compañía alemana Rofin-Baasel también está especializada en el marcado y grabado de materiales, otra de las utilidades en las que se emplea el láser de dióxido de carbono. Entre sus diferentes usos, ha aumentado considerablemente la demanda para la codificación y el marcado de piezas en la industria automovilística.

Mediante esta técnica, se identifica la procedencia de los elementos, la trazabilidad de los productos, las marcas internas para la dirección y control de la producción, la codificación de lotes y datos de producción o la sustitución de etiquetas y marcas estampadas debido a motivos de flexibilidad y costes.

La técnica utilizada normalmente para realizar el marcado mediante láser es por desplazamiento del haz. Se orienta el rayo sobre la superficie a marcar mediante una combinación de espejos galvanométricos, de manera que éste siga el recorrido que se va a señalar.

El marcado puede ser de diferentes tipos: el grabado consiste en la ablación del material que se funde bajo los efectos del láser. Su profundidad suele oscilar entre los 10 y los 50 µm. El templado se produce cuando el material cambia decolor debido al calor provocando un surco en la pieza apenas apreciable, en torno a los 5 µm.

También se puede efectuar marcado sobre plásticos y otras superficies para causar el efecto día y noche, por ejemplo, en las botoneras frontales del interior de los coches, radiocasetes, etc. Otras utilidades del marcado por láser de CO2 en la industria son: material eléctrico (relés, contactores, interruptores, pulsadores); electrónica (condensadores, semiconductores); medicina (implantes quirúrgicos, material de laboratorio o quirófano); joyería (matizado en oro y plata,grabado)…

 

El láser deja marcas

Al enfocar el láser sobre el material a marcar, se produce una absorción de la radiación que provoca la generación de calor. La elevada temperatura deja una marca indeleble en el producto a través de varios métodos:

✑Ablación del recubrimiento superficial del envase, casi siempre tinta. Por ejemplo, quitar la pintura de un tubo de aluminio.

✑Grabado en la superficie por evaporación del material sin producir ningún cambio de color. El resultado es similar a una impresión en relieve. Por ejemplo, polímeros tipo PE (polietileno). ✑Termoquímico. El láser cambia el material al calentarlo a la temperatura suficiente para romper las cadenas moleculares. El nuevo material creado en este proceso puede tener un color diferente, por lo tanto produce una marca visible. Por ejemplo, blister packs de PVC. ✑Microgrietas. El calentamiento del láser repentino y el posterior enfriamiento crean microgrietas locales. Éste es un efecto típico en el marcaje de vidrio.

✑Cambio de color del material (carbonización u oxidación). El láser quema el material dejando un trazo marrón o negro. El efecto es bastante similar a la impresión de “hierro caliente”. Por ejemplo, impresión láser en madera, cuero o papel.

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Tipos de láser de CO2

 

El láser de gas de dióxido de carbono CO2 es uno de los más versátiles para los procesos de tratamiento de materiales y emite radiaciones de infrarrojos con una longitud de onda entre 9 y 11 µm, aunque la emisión más utilizada es la de 10,6 µm.

Existen distintos tipos de láser dependiendo del medio activo generador. El láser CO2, es decir, el medio activo gaseoso, ofrece la potencia necesaria para usos industriales. De las varias clases de láseres disponibles, el waveguide, basado en un tubo de sellado de baja potencia, y los llamados TEA (Transversely Excited Atmospheric) son empleados en bastante menor escala para procesos de tratamiento de materiales.

ACTIVIDAD MEDIA

El flujo rápido axial del láser CO2 y el de menor anchura, que aplica un flujo más lento, se usan para recortar 1-15 mm de la parte gruesa y soldar en profundidad. Mientras estos láseres comparten la misma actividad, tienen importantes características funcionales, lo que contribuye a ampliar el rango de energías de CW (onda continua).

La actividad media en un láser CO2 está entre el dióxido de carbono, nitrógeno y helio. Es el dióxido el que produce la luz del láser mientras que las moléculas del nitrógeno ayudan a alterar las del CO2 y a aumentar la eficiencia de los procesos de generación de luz.

El helio desempeña un doble papel en la ayuda del cambio de calor del gas causado por la descarga eléctrica utilizada para alterarlo y también ayuda a las moléculas de CO2 a volver a su estado.

Láser CO2 de tubo sellado.

Estos láseres funcionan como un escape de gas convencional en la forma del estrecho tubo de cristal, llenándose con una mezcla de gas.

Los electrodos al final del tubo proporcionan una descarga eléctrica. El reflejo total y la transmisión parcial al espejo fabrican normalmente metal pulido y zinc respectivamente, formándose la cavidad resonante.

Waveguide CO2 láser.

Es una buena elección para fabricar un láser de CO2 compacto. Consiste en dos electrodos separados por dos partes aisladas que forman una zona agujereada. Las dimensiones laterales del agujero ocupan unos milímetros que propagan la luz en forma waveguide. El tubo está normalmente sellado con una reserva de gas que tiene el propio tubo.

TEA CO2 láser. TEA (Tranversely Excited Atmospheric). Las inestabilidades de descarga impiden la operación de CW (onda continua) con láseres CO2 en presiones que superan 100 mbar aproximadamente. Como el láser TEA maneja la presión del gas de una atmósfera obtiene una alta potencia de energía por unidad de volumen de gas. Antes de aplicar la descarga, una forma de preonización se usa para ionizar el espacio entre los electrodos constantemente, dejando así la descarga avanzada por encima de un modo uniforme de montaje de electrodos.