ES2320353T3 - Corte de laser con lente bifocal de piezas metalicas de poco espesor. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de recorte con rayo láser de una pieza metálica que tiene un espesor inferior a 5 mm, en el que se emplea una lente de doble enfoque que permite enfocar el rayo láser en al menos unos puntos primero (PF1) y segundo (PF2) de enfoque distintos entre sí y situados en el eje del rayo, presentando la lente una parte central de un diámetro (2H) que presenta un radio de curvatura diferente del de la parte externa periférica de la lente, estando la parte del rayo incidente situada en el exterior del diámetro (2H) enfocada en el primer punto focal (PF1) situado a una distancia focal (FL) y estando la parte del rayo incidente situada en el interior del diámetro (2H) enfocada en un segundo punto focal (PF2) situado a un distancia (DF) detrás del primer punto de enfoque (PF1) en el sentido de la propagación de la luz, caracterizado porque la distancia focal (FL) está comprendida entre 80 y 135 mm y dicho diámetro (2H) es inferior a 20 mm.

Description

Corte de láser con lente bifocal de piezas metálicas de poco espesor.

La invención se refiere a un procedimiento de corte con rayo láser que emplea una lente de doble enfoque y de distancia focal seleccionada.

Un procedimiento de corte con láser emplea convencionalmente un rayo láser procedente, por ejemplo, de una máquina de láser de tipo CO_{2} (\lambda = 10,6 \mum) o YAG, rayo que se enfoca mediante un elemento óptico, generalmente una lente o un espejo, de distancia focal dada, en la pieza a recortar. Un gas de asistencia a presión se inyecta habitualmente en la ranura de recorte para retirar el metal fundido. La ranura de corte se crea entonces mediante el desplazamiento relativo, con respecto a la pieza a cortar, del cabezal de corte que comprende el elemento de enfoque que suministra el rayo y que suministra el gas de asistencia.

Los elementos ópticos de enfoque transmisivos, es decir las lentes, son los elementos más utilizados para el recorte con láser, ya que permiten crear una cavidad estanca a presión en el cabezal de recorte en la que el gas de asistencia puede ser inyectado y salir a continuación por una tobera coaxial al rayo láser.

Una lente de enfoque comprende dos dioptras o caras, en las que se deposita un tratamiento anti-reflectante para limitar las pérdidas de potencia por reflexión.

El material del "núcleo" de la lente es a menudo seleniuro de zinc para los láseres de tipo CO_{2} y sílice fundida, vidrio (BK7), cuarzo o similar para láseres de tipo YAG.

Actualmente, las diferentes formas de lente principalmente utilizadas son:

- Las lentes plano-convexas constituidas por una dioptra esférica y por una dioptra plana.

- Las lentes de menisco constituidas por dos dioptras esféricas. Esta forma de lente tiene la ventaja de minimizar las aberraciones de esfericidad con respecto a las lentes plano-convexas y, por esta razón, se utiliza muy ampliamente en recorte con láser.

- Las lentes asféricas, para las que la forma de la primera dioptra ya no es una esfera de radio constante sino que se optimiza para reducir más las aberraciones geométricas con respecto a la lente de menisco de dioptras esféricas y obtener de este modo mayores densidades de potencia en el punto de enfoque, en particular en el caso de distancias focales cortas, es decir inferiores a 95,25 mm (3,75''). La dioptra de salida de las lentes asféricas es generalmente plana para reducir su coste de fabricación.

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Todas estas lentes tienden a enfocar el rayo láser en un punto de enfoque único de tamaño mínimo.

Un procedimiento de recorte con láser que utiliza un elemento óptico con varios puntos de enfoque que mejora los resultados del procedimiento de recorte con láser se muestra particularmente en el documento WO-A-98/14302. La forma de este elemento óptico, que es de tipo lente o espejo, es tal que el rayo incidente no se enfoca en un solo punto sino en dos o más puntos de enfoque, mediante una lente bifocal o multifocal.

Más exactamente, cuando se utiliza una lente LF bifocal para enfocar un rayo láser, la parte del rayo incidente situada en el exterior de un diámetro igual a 2H, como se representa en la figura 1, se enfoca en un primer punto focal PF1 situado a una distancia focal principal FL. La parte del rayo láser L incidente situada en el interior del diámetro igual a 2H se enfoca, por su parte, en un segundo punto focal PF2 situado a una distancia DF detrás del primer punto focal PF1 en el sentido de la propagación de la luz. Esta lente de enfoque LF de doble punto de enfoque se realiza con un radio de curvatura de una de las dioptras, el de la cara convexa por ejemplo, diferente en el interior y en el exterior del diámetro 2H.

Este tipo de óptica de enfoque permite obtener aumentos de velocidad, de calidad de corte y de tolerancia con respecto a las variaciones de la distancia entre la lente y la pieza y permite de este modo cortar materiales más gruesos que las lentes convencionales de un solo punto de enfoque.

A pesar de la enseñanza de ese documento, se constató en la práctica que obtener un recorte eficaz y de calidad para ciertos espesores a cortar podía plantear problemas.

Por otro lado, el documento WO-A-03/018246 describe un procedimiento de recorte con láser que utiliza una lente de varias distancias focales en asociación con una tobera de tipo convergente/divergente.

Además, el documento DE-A-4034745 ensaña un procedimiento de corte con láser basado en un enfoque dinámico del rayo en dos puntos de enfoque alternativos.

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Así, se plantea un problema recurrente durante el corte de placas o piezas metálicas que tienen un espesor inferior a 5 mm, preferiblemente comprendido entre 0,5 mm y 3 mm, para las que se constató que era necesario tomar lentes de distancias focales cortas (\leq 130 mm) para obtener resultados de corte aceptables.

Generalmente estos espesores se recortan con distancias focales estandarizadas de 127 mm (5 pulgadas) o
92,25 mm (3,75 pulgadas).

Con distancias focales más largas, es necesario ralentizar las velocidades de recorte de manera significativa para obtener buenas calidades de corte.

El objetivo de la invención es proponer una solución a este problema, es decir proponer un procedimiento de recorte con láser con lente bifocal eficaz, de piezas que tienen un espesor inferior a 5 mm, preferiblemente comprendido entre 2 y 5 mm.

La solución de la invención es un procedimiento de recorte con rayo láser de una pieza metálica que tiene un espesor inferior a 5 mm, en el que se emplea una lente de doble enfoque que permite enfocar el rayo láser en al menos un primer PF1 y un segundo PF2 puntos de enfoque distintos entre sí y situados en el eje del rayo, presentando la lente una parte central de diámetro 2H que presenta un radio de curvatura diferente del de la parte externa periférica de la lente, estando la parte del rayo incidente situada en el exterior del diámetro 2H enfocada en el primer punto focal PF1 situado a una distancia focal FL y estando la parte del rayo incidente situada en el interior del diámetro 2H enfocada en un segundo punto focal PF2 situado a una distancia DF detrás del primer punto de enfoque PF1 en el sentido de la propagación de la luz, caracterizado porque la distancia focal FL está comprendida entre 80 y 135 mm y dicho diámetro 2H es inferior a 20 mm.

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

- la lente presenta una distancia focal comprendida entre 90 y 130 mm, preferiblemente de al menos 100 mm;

- la lente presenta una distancia focal igual a 127 mm;

- el diámetro de la lente está comprendido entre 4 y 15 mm;

- recorte de una pieza que tiene un espesor comprendido entre 1 y 4 mm;

- la distancia entre los dos puntos de enfoque está comprendida entre 1 y 12 mm;

- la distancia entre los dos puntos de enfoque está comprendida entre 3 y 5 mm;

- la pieza metálica es de acero inoxidable, de acero dulce, de aluminio o de aleación de aluminio, de titanio o aleación de titanio, de cobre o aleación de cobre;

- se emplea un gas de asistencia que contiene nitrógeno;

- el rayo láser tiene una potencia comprendida entre 0,5 y 15 kW, preferiblemente entre 1 kW y 6 kW;

- el rayo láser es emitido por un dispositivo de láser de tipo CO_{2}.

En el marco de la presente invención, se demostró que el proceso de recorte con láser con lente bifocal estaba condicionado por los parámetros de la lente utilizada, a saber su distancia focal FL, su 2H y su DF, como se representa en la figura 1.

El diámetro 2H de la lente corresponde al diámetro de la parte situada en el centro de la lente que presenta un radio de curvatura diferente del de la parte externa periférica de la lente. La parte del rayo incidente situada en el exterior del diámetro 2H se enfoca en un primer punto focal PF1 situado a una distancia focal principal FL. La parte del rayo incidente situada en el interior del diámetro 2H se enfoca en un segundo punto focal PF2 situado a una distancia focal principal FL2.

El tamaño del diámetro 2H determina la cantidad de energía enfocada a nivel del segundo punto de enfoque PF2.

La distancia DF corresponde, por su parte, a la diferencia entre las distancias focales FL y FL2, como se muestra en la figura 1.

Ejemplo

Ensayos realizados en piezas de acero inoxidable de espesores de 2 mm y 4 mm, cuyos resultados se representan en las figuras 2 y 3 respectivamente, confirman que, para espesores inferiores a 5 mm, es decir generalmente comprendidos entre 1 y 4 mm, es deseable utilizar una lente de distancia focal FL = 127 mm y que posea valores de 2H comprendidos entre 4 mm y 15 mm.

El valor del diámetro 2H en estos ensayos es de 8 mm, la potencia del láser es de 4 kW y el gas de asistencia es nitrógeno.

Además, en estos ensayos, los resultados han sido obtenidos para presiones de 15 bares o 16 bares (barras grises en las figuras 2 y 3 respectivamente) y de 19 bares (barras ennegrecidas en las figuras 2 y 3), utilizando, en todos los casos, una lente bifocal.

Para la distancia focal, FL = 127 mm y los valores de 2H anteriores, los mejores resultados de recorte con láser se obtuvieron para valores de DF comprendidos entre 3 y 5 mm, como puede verse en estas figuras 2 y 3.

En efecto, para estos valores de FL, 2H y DF, la distribución energética de energía láser absorbida en la ranura de corte se vuelve óptima. Además, la anchura de la ranura se vuelve suficiente para permitir una buena penetración del gas y una retirada del metal fundido óptima.

Claims (12)

1. Procedimiento de recorte con rayo láser de una pieza metálica que tiene un espesor inferior a 5 mm, en el que se emplea una lente de doble enfoque que permite enfocar el rayo láser en al menos unos puntos primero (PF1) y segundo (PF2) de enfoque distintos entre sí y situados en el eje del rayo, presentando la lente una parte central de un diámetro (2H) que presenta un radio de curvatura diferente del de la parte externa periférica de la lente, estando la parte del rayo incidente situada en el exterior del diámetro (2H) enfocada en el primer punto focal (PF1) situado a una distancia focal (FL) y estando la parte del rayo incidente situada en el interior del diámetro (2H) enfocada en un segundo punto focal (PF2) situado a un distancia (DF) detrás del primer punto de enfoque (PF1) en el sentido de la propagación de la luz, caracterizado porque la distancia focal (FL) está comprendida entre 80 y 135 mm y dicho diámetro (2H) es inferior a 20 mm.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la lente presenta una distancia focal (LF) comprendida entre 90 y 130 mm.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la lente presenta una distancia focal (LF) igual a 127 mm.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la lente presenta una distancia focal (LF) de al menos 100 mm.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el diámetro (2H) de la lente está comprendido entre 4 y 15 mm.

6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se recorta un pieza que tiene un espesor comprendido entre 1 y 4 mm.

7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la distancia (PF) entre los dos puntos de enfoque (PF1, PF2) está comprendida entre 1 y 12 mm.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la distancia (PF) entre los dos puntos de enfoque (PF1, PF2) está comprendida entre 3 y 5 mm.

9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la pieza metálica es de acero inoxidable, de acero dulce, de aluminio o de aleación de aluminio, de titanio o aleación de titanio, de cobre o aleación de cobre.

10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque se emplea un gas de asistencia que contiene nitrógeno.

11. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el rayo láser tiene una potencia comprendida entre 0,5 y 15 kW, preferiblemente entre 1 kW y 6 kW.

12. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el rayo láser es emitido por un dispositivo de láser de tipo de CO_{2}.