Fundamentos del corte láser y su sistema de procesamiento —Equipos de corte láser
II. Composición de los equipos de corte por láser
2.1 Componentes y principio de funcionamiento de la máquina de corte láser
Una máquina de corte por láser consta de un emisor láser, un cabezal de corte, un conjunto de transmisión del haz, una mesa de trabajo de la máquina herramienta, un sistema de control numérico (NC), un ordenador (hardware y software), un enfriador, una bombona de gas de protección, un colector de polvo y un secador de aire.
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Generador láser
El generador láser es un dispositivo que produce fuentes de luz láser. Para aplicaciones de corte láser, la mayoría de las máquinas utilizan láseres de gas CO₂, que se caracterizan por su alta eficiencia de conversión electroóptica y su elevada potencia de salida, salvo en algunos casos en los que se emplean láseres de estado sólido YAG. No todos los láseres son adecuados para el corte, ya que este proceso exige una calidad de haz muy precisa.
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Cabezal de corte
Se compone principalmente de elementos como una boquilla, una lente de enfoque y un sistema de seguimiento de enfoque.
El dispositivo de accionamiento del cabezal de corte se utiliza para mover dicho cabezal a lo largo del eje Z según programas preestablecidos. Consta de un servomotor y componentes de transmisión como husillos o engranajes.
(1) Boquilla: Hay tres tipos principales de boquillas: tipo paralelo, tipo convergente y tipo cónico.
(2) Lente de enfoque: Para realizar cortes con energía láser, el haz original emitido por el láser debe enfocarse mediante una lente para formar un punto de luz con alta densidad energética. Las lentes de distancia focal media y larga son adecuadas para cortar placas gruesas y requieren menor estabilidad de espaciado del sistema de seguimiento. Las lentes de distancia focal corta solo son adecuadas para cortar placas delgadas de menos de 3 mm; requieren mayor estabilidad de espaciado del sistema de seguimiento, pero pueden reducir significativamente la potencia de salida del láser necesaria.
(3) Sistema de seguimiento: El sistema de seguimiento de enfoque de una máquina de corte láser generalmente consta de un cabezal de corte con enfoque y un sistema de sensores de seguimiento. El cabezal de corte integra funciones de guiado y enfoque del haz, refrigeración por agua, soplado de gas y ajuste mecánico.
El sensor se compone de elementos sensores y una unidad de control de amplificación. Los sistemas de seguimiento varían completamente según el tipo de elementos sensores. Existen dos tipos principales: el sistema de seguimiento con sensor capacitivo, también conocido como sistema de seguimiento sin contacto; y el sistema de seguimiento con sensor inductivo, también conocido como sistema de seguimiento por contacto.
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Conjunto de transmisión de haz
Trayectoria óptica externa: Se utilizan espejos reflectantes para guiar el haz láser en la dirección deseada. Para evitar fallos en la trayectoria del haz, todos los espejos reflectantes están protegidos con blindajes y se introduce gas de protección a presión positiva para mantenerlos libres de contaminación. Una lente de alto rendimiento puede enfocar un haz no divergente en un punto infinitesimal. Se suele utilizar una lente con una distancia focal de 5,0 pulgadas, mientras que una lente de 7,5 pulgadas solo es adecuada para cortar materiales de más de 12 mm de espesor.
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Mesa de trabajo para máquina herramienta
Cuerpo principal de la máquina: La sección de la máquina herramienta de lamáquina de corte láserEs la parte mecánica que permite el movimiento de los ejes X, Y y Z, incluyendo la plataforma de trabajo de corte.
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Sistema de control numérico
El sistema NC controla la máquina herramienta para lograr movimientos en los ejes X, Y y Z, y al mismo tiempo regula la potencia de salida del láser.
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Sistema de refrigeración
Unidad de refrigeración: Se utiliza para enfriar el generador láser. Un láser es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en energía luminosa. Por ejemplo, la eficiencia de conversión de un láser de CO₂ suele ser del 20%, y la energía restante se transforma en calor. El agua de refrigeración elimina el exceso de calor para mantener el funcionamiento normal del generador láser. La unidad de refrigeración también enfría los espejos del recorrido óptico externo y las lentes de enfoque de la máquina herramienta, lo que garantiza una transmisión estable del haz y previene eficazmente la deformación o el agrietamiento de las lentes por sobrecalentamiento.
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Cilindros de gas
Las bombonas de gas incluyen bombonas de gas de trabajo y bombonas de gas auxiliares para la máquina de corte por láser, que se utilizan para complementar los gases industriales para la oscilación del láser y suministrar gases auxiliares para el cabezal de corte.
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Sistema de eliminación de polvo
Extrae el humo y el polvo generados durante el procesamiento y realiza un tratamiento de filtración para garantizar que las emisiones de gases de escape cumplan con las normas de protección ambiental.
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Secador y filtro de refrigeración por aire
Suministra aire limpio y seco al generador láser y a la trayectoria del haz, manteniendo así el funcionamiento normal de la trayectoria del haz y de los espejos reflectantes.
2.2 Antorcha de corte para corte láser
A continuación se muestra el diagrama estructural de una antorcha de corte para corte láser. Está compuesta principalmente por un cuerpo de antorcha, una lente de enfoque, un espejo reflectante y una boquilla de gas auxiliar. Durante el corte láser, la antorcha de corte debe cumplir los siguientes requisitos:
① La antorcha puede expulsar un flujo de gas suficiente.
② La dirección de expulsión del gas dentro de la antorcha debe ser coaxial con el eje óptico del espejo reflectante.
③ La distancia focal de la linterna se puede ajustar fácilmente.
④ Durante el corte, los vapores metálicos y las salpicaduras del metal cortado no deben dañar el espejo reflectante.
El movimiento de la antorcha de corte se ajusta mediante un sistema de control numérico. Existen tres escenarios para el movimiento relativo entre la antorcha de corte y la pieza de trabajo:
① La antorcha permanece fija mientras la pieza de trabajo se mueve a través de la mesa de trabajo, lo que resulta adecuado principalmente para piezas de trabajo de tamaño pequeño.
② La pieza de trabajo permanece inmóvil mientras la antorcha se mueve.
③ Tanto la antorcha como la mesa de trabajo se mueven simultáneamente.
2.2.1 Cabezal de corte
El cabezal de corte láser está situado al final del sistema de transmisión del haz, que consta de una lente de enfoque y una boquilla de corte.
Las lentes de enfoque se clasifican principalmente por su distancia focal. La mayoría de los equipos de corte por láser están equipados con varios cabezales de corte con diferentes distancias focales. Tomando como ejemplo el corte por láser de CO₂, las distancias focales comunes son 127 mm (5 pulg.) y 190 mm (7,5 pulg.). Una lente de distancia focal corta produce un punto focal pequeño y una profundidad focal reducida, lo que contribuye a disminuir el ancho del corte y lograr cortes más finos. Una lente de distancia focal larga produce un punto focal más grande y una mayor profundidad focal. En comparación con las lentes de distancia focal corta, las lentes de distancia focal larga proporcionan un haz enfocado con una densidad de energía láser suficiente para el procesamiento del material cerca del punto focal. Por lo tanto, las lentes de distancia focal corta se utilizan principalmente para el corte de precisión de placas delgadas, mientras que las lentes de distancia focal larga son necesarias para materiales más gruesos a fin de obtener una profundidad focal adecuada, asegurando una variación mínima en el diámetro del punto y una densidad de potencia suficiente dentro del rango de espesor de corte.
Las lentes de enfoque se utilizan para concentrar el haz láser paralelo que incide en la antorcha de corte, logrando un tamaño de punto más pequeño y una mayor densidad de potencia. Estas lentes están fabricadas con materiales que pueden transmitir la longitud de onda del láser. El vidrio óptico se usa comúnmente para láseres de estado sólido, mientras que materiales como el ZnSe, el GaAs y el Ge se emplean para láseres de gas CO₂ (ya que el vidrio común no es transparente a los haces láser de CO₂), siendo el ZnSe el más utilizado.
En el corte por láser, minimizar el diámetro del punto focal es deseable para aumentar la densidad de potencia y permitir un corte de alta velocidad. Sin embargo, una menor distancia focal de la lente resulta en una menor profundidad focal, lo que dificulta lograr una superficie de corte perpendicular al cortar placas gruesas. Además, una menor distancia focal reduce la distancia entre la lente y la pieza de trabajo, aumentando el riesgo de que la lente se contamine con salpicaduras de material fundido durante el corte y afectando el funcionamiento normal. Por lo tanto, la distancia focal adecuada debe determinarse de forma integral en función de factores como el espesor de corte y los requisitos de calidad de corte.
2.2.2 Espejo reflectante
La función del espejo reflectante es cambiar la dirección del haz emitido por el láser. Para haces de láseres de estado sólido, se pueden utilizar espejos reflectantes de vidrio óptico. En cambio, en los equipos de corte por láser de CO₂, los espejos reflectantes suelen ser de cobre o metales de alta reflectividad. Para evitar daños por sobrecalentamiento debido a la irradiación láser durante el funcionamiento, los espejos reflectantes se enfrían normalmente con agua.
2.2.3 Boquilla
La boquilla se utiliza para pulverizar gas auxiliar en la zona de corte, y su estructura influye en la eficiencia y la calidad del corte. La figura 4.11 muestra las formas comunes de boquillas para corte láser; entre ellas se incluyen las formas cilíndricas, cónicas y convergentes-divergentes.
La selección de la boquilla generalmente se determina mediante pruebas basadas en el material y el espesor de la pieza de trabajo, y la presión del gas auxiliar. El corte por láser suele emplear boquillas coaxiales (donde el flujo de gas es coaxial con el eje óptico). Si el flujo de gas y el haz láser no son coaxiales, es probable que se produzcan salpicaduras excesivas durante el corte. La pared interior del orificio de la boquilla debe ser lisa para asegurar un flujo de gas sin obstrucciones y evitar turbulencias que puedan afectar la calidad del corte. Para garantizar la estabilidad del corte, la distancia entre la cara frontal de la boquilla y la superficie de la pieza de trabajo debe minimizarse, generalmente entre 0,5 mm y 2,0 mm. El diámetro del orificio de la boquilla debe permitir que el haz láser lo atraviese suavemente, evitando que toque la pared interior del orificio. Cuanto menor sea el diámetro del orificio, más difícil será colimar el haz. Para una presión de gas auxiliar dada, existe un rango óptimo de diámetros de orificio de boquilla. Un orificio excesivamente pequeño o grande dificultará la eliminación de los productos fundidos del corte y afectará la velocidad de corte.
La influencia del diámetro del orificio de la boquilla en la velocidad de corte, con una potencia láser y una presión de gas auxiliar constantes, se muestra en las figuras 4.12 y 4.13. Se observa que existe un diámetro óptimo del orificio de la boquilla que permite alcanzar la máxima velocidad de corte. Este valor óptimo es de aproximadamente 1,5 mm, independientemente de si se utiliza oxígeno o argón como gas auxiliar.
Las pruebas de corte láser de aleaciones duras (difíciles de cortar) muestran que el diámetro óptimo del orificio de la boquilla es muy similar a los resultados anteriores, como se ilustra en la Figura 4.14. El diámetro del orificio de la boquilla también afecta el ancho del corte y el ancho de la zona afectada por el calor (ZAC). Como se muestra en la Figura 4.15, al aumentar el diámetro del orificio de la boquilla, el ancho del corte aumenta mientras que el ancho de la ZAC disminuye. La principal razón de esta disminución de la ZAC es el mayor efecto de enfriamiento del flujo de gas auxiliar sobre el material base en la zona de corte.
2.3 Parámetros de los equipos de corte láser
2.3.1 Equipos de corte accionados por soplete
En los equipos de corte por soplete, este se monta sobre un pórtico móvil y se desplaza horizontalmente a lo largo del eje Y. El pórtico impulsa el soplete a lo largo del eje X, mientras que la pieza de trabajo permanece fija sobre la mesa. Dado que el láser y el soplete están dispuestos por separado, las características de transmisión del láser, el paralelismo en la dirección de escaneo del haz y la estabilidad de los espejos reflectantes se ven afectados durante el proceso de corte.
Los equipos de corte por soplete permiten procesar piezas de gran tamaño. Ocupan una superficie relativamente pequeña en la zona de producción y se integran fácilmente con otros equipos para formar una línea de producción. Sin embargo, su precisión de posicionamiento es de tan solo ±0,04 mm.
La estructura típica de un equipo de corte accionado por soplete se muestra en la Figura 4.19. Se utiliza una máquina de corte láser de CO₂ de onda continua, con una distancia entre el láser y el soplete de corte de 18 m. Para garantizar que la variación del diámetro del haz a lo largo de esta distancia de transmisión no interfiera con las operaciones de corte, la combinación de espejos osciladores debe diseñarse cuidadosamente.
Los principales parámetros técnicos de los equipos de corte accionados por soplete son los siguientes:
- Potencia de salida del láser: 1,5 kW (monomodo), 3 kW (multimodo)
- Recorrido de la antorcha: Eje X 6,2 m, Eje Y 2,6 m
- Velocidad de conducción: 0–10 m/min (ajustable)
- Carrera flotante del eje Z de la antorcha: 150 mm
- Velocidad de ajuste del eje Z de la antorcha: 300 mm/min
- Tamaño máximo de la placa de acero procesada: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
- Sistema de control: Modo de control NC integrado
2.3.2 Equipos de corte accionados por mesa XY
En el equipo de corte accionado por mesa XY, la antorcha de corte está fijada al bastidor y la pieza de trabajo se coloca sobre la mesa de corte. La mesa de corte se mueve a lo largo de los ejes X e Y según comandos NC, con una velocidad de accionamiento ajustable que normalmente oscila entre 0 y 1 m/min o entre 0 y 5 m/min. Dado que la antorcha de corte permanece estacionaria con respecto a la pieza de trabajo, se minimiza el impacto en la alineación y el centrado del haz láser durante el proceso de corte, lo que garantiza un rendimiento de corte uniforme y estable. Cuando está equipada con una mesa de corte de tamaño reducido que ofrece alta precisión mecánica, la máquina alcanza una precisión de posicionamiento de ±0,01 mm.excelente precisión de corteEsto la hace especialmente adecuada para el mecanizado de precisión de componentes pequeños. Además, se encuentran disponibles mesas de corte más grandes con un recorrido en el eje X de 2300–2400 mm y un recorrido en el eje Y de 1200–1300 mm para el procesamiento de piezas de gran tamaño.
Los principales parámetros técnicos del equipo de corte accionado por mesa XY son los siguientes:
- Fuente láser: Láser de gas CO₂ (tipo tubo recto semicerrado)
- Fuente de alimentación láser: Tensión de entrada 200 V CA; Tensión de salida 0–30 kV; Corriente de salida máxima 100 mA
- Potencia de salida del láser: 550 W
- Recorrido de la mesa de corte: Eje X 2300 mm, Eje Y 1300 mm
- Velocidad de desplazamiento de la mesa de corte (ajustable por pasos): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
- Carrera flotante del eje Z de la antorcha: 180 mm
- Tamaño máximo de la placa procesada: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
- Sistema de control: Modo de control numérico (CN)
2.3.3 Equipo de corte de doble accionamiento (antorcha y mesa)
El equipo de corte de doble accionamiento (antorcha y mesa) se sitúa, en cuanto a diseño, entre las máquinas de corte con accionamiento por antorcha y las de mesa XY. La antorcha de corte está montada sobre un pórtico y se desplaza horizontalmente a lo largo de la viga del pórtico (eje Y), mientras que la mesa de corte se desplaza longitudinalmente. Este diseño híbrido combina las ventajas de una alta precisión de corte y una eficiencia que ahorra espacio. Con una precisión de posicionamiento de ±0,01 mm y un rango de velocidad de corte ajustable de 0 a 20 m/min, es una de las máquinas de corte más utilizadas en el mercado. Los modelos más grandes de esta máquina ofrecen un recorrido del eje Y de 2000 mm y un recorrido del eje X de 6000 mm, lo que permite el mecanizado de piezas de gran tamaño.
El oscilador láser está montado en el pórtico junto a la antorcha de corte. Esta configuración ofrece una precisión excepcional al cortar orificios circulares. La máquina también destaca por su alta eficiencia de producción: puede cortar 46 orificios circulares (de 10 mm de diámetro) por minuto en una placa de acero de 1 mm de espesor.
2.3.4 Equipos de corte integrados
En unmáquina de corte integradaLa fuente láser se instala en el bastidor y se desplaza longitudinalmente con él, mientras que la antorcha de corte, integrada en su mecanismo de accionamiento, se mueve horizontalmente a lo largo del bastidor. La máquina utiliza control numérico para cortar componentes de diversas formas. Para compensar la variación en la longitud del recorrido óptico causada por el movimiento horizontal de la antorcha de corte, se suele incorporar un módulo de ajuste de la longitud del recorrido óptico. Este módulo garantiza un haz láser homogéneo dentro del área de corte y mantiene una calidad de superficie de corte uniforme.
Fecha de publicación: 17 de diciembre de 2025 
