Corte por Haz de Láser (Laser Beam Cutting – LBC)

El corte por haz de láser es un proceso de corte térmico que separa los metales mediante la fusión localizada o vaporización, utilizando el calor de un haz láser. Este proceso puede realizarse con o sin la asistencia de gas, el cual ayuda en la remoción del material fundido o vaporizado.

El láser es un haz de luz altamente enfocado, monocromático y coherente. Su nombre proviene del acrónimo en inglés Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación).

El láser fue desarrollado en 1960 por científicos en los Laboratorios Bell y en Hughes Aircraft. Su primera aplicación consistió en un dispositivo con una barra de rubí rodeada por una lámpara de destello de xenón, la cual excitaba los átomos de cromo del rubí para emitir un haz de luz amplificada.

• Ánodo (+) ( Anode (+) )
• Barra de rubí ( Ruby rod )
• Cátodo (-) ( Cathode (-) )
• Cavidad óptica ( Optical cavity )
• Disparador ( Trigger )
• Red de disparo ( Triggering network )
• Salida del haz ( Beam output )
• Tubo de destello de cuarzo ( Quartz flash tube )

Figura : Diagrama esquemático de un laser de rubí.

Existen tres tipos principales de láser:

1. Láseres de estado sólido: Producen pulsos de alta potencia en el rango de los megavatios.
2. Láseres de descarga gaseosa: Usan gases como helio, neón, kriptón o xenón, generando frecuencias de baja potencia de forma continua.
3. Láseres de inyección de semiconductor: Poseen potencia limitada y convierten electricidad directamente en luz sin necesidad de una lámpara de destello.

El corte por haz de láser ofrece ventajas significativas, como la capacidad de cortar diversos materiales con precisión, generar un kerf delgado (ranura de corte) y afectar mínimamente la zona térmica del material. Los láseres de alta potencia pueden cortar acero de hasta 25 mm de espesor, logrando velocidades elevadas y un acabado de alta calidad.

Figura: ejemplo de una cortadora laser Amada LCV-6510 II

Figura: Ejemplo de cortadora/perforadora láser US Laser Corp. Laser

El proceso de corte con láser se diferencia de otros métodos convencionales por:

• Su capacidad de automatización y control mediante computadoras.
• Su alta concentración de energía, que permite cortar cualquier metal.
• La producción de cortes precisos sin desgaste de herramientas mecánicas.

Los materiales que pueden ser cortados con láser incluyen:

• Metales: Acero al carbono, aleaciones de acero, acero inoxidable, aluminio, cobre, titanio y níquel.
• No metales: Alúmina, cuarzo, plásticos y telas.
• Materiales compuestos: Matrices orgánicas y metales combinados.

La perforación con láser permite la creación de agujeros extremadamente pequeños, con diámetros entre 0,0025 mm y 1,5 mm. La técnica más utilizada es el trepanado, en la que el haz corta un círculo del diámetro requerido.

La perforación láser es una alternativa eficiente a métodos como el maquinado electroquímico y por descarga eléctrica. Sus principales ventajas incluyen:

• Producción de orificios con alta precisión.
• Capacidad de perforar áreas inaccesibles para herramientas mecánicas.
• Reducción del riesgo de fracturas en herramientas convencionales.

Los láseres Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet) dominan esta área debido a su alta eficiencia en el corte de materiales difíciles.

Soldadura por Haz Láser (Laser Beam Welding – LBW)

• Agüero de soldadura ( Weld keyhole )
• Baño de soldadura ( Weld pool )
• Cordón de soldadura ( Weld bead )
• Dirección de soldadura ( Welding direction )
• Haz láser ( Laser beam )
• Metal fundido ( Molten metal )
• Sección transversal de soldadura ( Weld cross-section )

La soldadura láser es un proceso que une metales mediante el calor generado por un haz láser concentrado sobre una junta. Se caracteriza por ser un método sin necesidad de gas protector ni aplicación de presión.

El haz de luz coherente utilizado en la soldadura láser provoca la vaporización localizada del metal, formando una columna de vapor que penetra profundamente en el material base.

Los sistemas de soldadura láser pueden ser:

• De estado sólido (Nd:YAG): Usados para soldadura de puntos y costuras en materiales delgados.
• De gas CO₂ multi-kilovatio: Adecuados para la soldadura de materiales gruesos, proporcionando densidades de potencia superiores a 10 kW/mm².

1. Mínima entrada de calor: Reduce los efectos metalúrgicos y minimiza la distorsión de la pieza de trabajo.
2. Soldadura en una sola pasada: Permite unir materiales de hasta 32 mm de espesor, reduciendo costos y eliminando la necesidad de materiales de aporte.
3. Precisión y automatización: Ideal para procesos de alta velocidad y producción en masa.
4. Soldaduras en áreas de difícil acceso: Puede operar en espacios reducidos gracias a la direccionalidad del haz.
5. No se requieren electrodos: Se evita la contaminación y desgaste de herramientas.

• Requiere una alineación precisa de las juntas.
• No es ideal para materiales con alta reflectividad (ej. aluminio y cobre).
• Baja eficiencia energética (<10% de conversión).
• Puede generar porosidad y fragilidad en ciertas aleaciones.

El proceso se ha integrado en diversas industrias, tales como:

• Automotriz: Soldadura de transmisiones, embragues y componentes estructurales.
• Electrónica: Ensamblaje de dispositivos sensibles y microcomponentes.
• Médica: Fabricación de marcapasos y dispositivos quirúrgicos.
• Aeroespacial: Unión de aleaciones avanzadas con requerimientos específicos de resistencia y precisión.

La soldadura láser es particularmente útil en la fabricación de piezas de precisión, ya que permite unir componentes pequeños sin comprometer su integridad estructural.

1. Evitar esquinas agudas, ya que pueden ser difíciles de producir.
2. Cortes profundos generan paredes cónicas, por lo que se debe considerar la geometría del diseño.
3. Superficies reflectantes pueden afectar la precisión del corte, por lo que es preferible trabajar con materiales mate o sin pulir.
4. Los efectos térmicos deben evaluarse, ya que pueden alterar las propiedades del material en la zona afectada por el calor.

Ambos procesos presentan ventajas y desventajas que pueden complementarse para mejorar la eficiencia.

Ventajas del corte láser:
- Flexibilidad de operación.
- Geometrías complejas programables.
- Reducción del tiempo de configuración.

Ventajas del punzonado:
- Producción en lotes grandes.
- Velocidades más altas en piezas simples.
- Integración con procesos mecánicos posteriores.

Se han desarrollado sistemas híbridos que combinan cabezas láser en prensas de punzonado, permitiendo alternar entre ambos métodos según las necesidades de producción.

Términos destacados :

• Corte por haz de láser ( Laser Beam Cutting )
• Soldadura por haz de láser ( Laser Beam Welding )
• Proceso térmico ( Thermal process )
• Fuente de calor ( Heat source )
• Haz de luz coherente ( Coherent light beam )
• Fusión localizada ( Localized fusion )
• Vaporización del material ( Material vaporization )
• Gas de asistencia ( Assist gas )
• Kerf delgado ( Narrow kerf )
• Zona afectada por el calor ( Heat-affected zone )
• Alta velocidad de corte ( High-speed cutting )
• Materiales metálicos ( Metallic materials )
• Materiales no metálicos ( Non-metallic materials )
• Perforación láser ( Laser drilling )
• Corte de alta precisión ( High-precision cutting )
• Procesos automatizados ( Automated processes )
• Control numérico computarizado ( Computer numerical control - CNC )
• Láser de CO2 ( CO2 laser )
• Láser Nd:YAG ( Nd:YAG laser )
• Reflexión de materiales ( Material reflection )
• Conducción térmica ( Thermal conductivity )
• Soldadura profunda ( Deep penetration welding )
• Microperforación ( Micro-drilling )
• Industria automotriz ( Automotive industry )
• Industria aeroespacial ( Aerospace industry )
• Industria electrónica ( Electronics industry )
• Fabricación de precisión ( Precision manufacturing )
• Material de aporte ( Filler material )
• Distorsión térmica ( Thermal distortion )
• Control de plasma ( Plasma control )

El corte y la soldadura por haz de láser han revolucionado la manufactura de precisión. Su alta velocidad, capacidad de automatización y versatilidad han permitido reemplazar procesos convencionales en múltiples industrias.

Aunque presenta limitaciones, como la necesidad de alineación precisa y su alto costo inicial, las ventajas en calidad, rapidez y control han convertido al láser en una herramienta indispensable en la fabricación moderna.

Sistema de interferometría láser. (Laser Interferometer Positioning System or Laser Interferometric Displacement Measurement System)

La imagen muestra un sistema de interferometría láser utilizado para medir desplazamientos lineales con alta precisión, típico en sistemas de metrología y control de movimiento de alta exactitud.

El sistema funciona de la siguiente manera:

1. Láser: Emite un haz coherente de luz que pasa a través de un divisor de haz polarizante, el cual divide el haz en dos caminos ópticos.
2. Uno de estos haces se dirige hacia un retroreflector estacionario y el otro hacia un retroreflector móvil montado sobre una mesa de eje único que se desplaza en un solo sentido.
3. Al reflejarse, ambos haces regresan y se recombinan en el divisor de haz.
4. La interferencia resultante es detectada por un fotodetector, que analiza los patrones de interferencia generados por el cambio de distancia entre el retroreflector móvil y el estacionario.
5. Esto permite medir con gran precisión la distancia a la carga, es decir, el desplazamiento del eje o de la pieza en movimiento.

Este tipo de sistema es ampliamente utilizado en máquinas herramientas CNC, sistemas de inspección de precisión y plataformas de posicionamiento en investigación científica e industrial.

Soldadores de láser. Sistema de soldadura con láser.

• Cristal ( Crystal )
• Dirección de desplazamiento ( Displacement direction )
• Electrones internos ( Inner electrons )
• Energía absorbida desde lámpara de destello ( Energy absorbed from flash lamp )
• Energía emitida como calor ( Energy emitted as heat )
• Energía emitida de electrones como luz (fotón) ( Energy emitted by electrons as light (photon) )
• Espejo parcialmente reflector ( Partially reflecting mirror )
• Espejo reflector ( Reflecting mirror )
• Fuente de alimentación ( Power supply )
• Lente de enfoque ( Focusing lens )
• Lámpara de destello de alta intensidad ( High-intensity flash lamp )
• Niveles de energía de electrones externos ( Energy levels of outer electrons )
• Núcleo ( Nucleus )
• Sistema de enfriamiento ( Cooling system )
• Soldadura ( Welding )
• Tierra ( Ground )
• Órbitas normales ( Normal orbits )

Figura : La imagen representa un sistema de soldadura con láser de estado sólido (solid-state laser welding system), comúnmente usado en aplicaciones de precisión debido a su alta densidad de energía y control térmico. Este proceso es ideal para metales finos o uniones delicadas, donde se necesita una zona afectada por el calor mínima.

1. Fuente de energía y lámpara de destello
   Una lámpara de destello de alta intensidad (flashlamp) alimentada por una fuente de poder excita un cristal activo (generalmente Nd:YAG o rubí), que almacena la energía.
2. Generación del haz láser
   El cristal, al recibir energía, eleva los electrones de sus átomos a niveles de energía excitados (ver figura b). Cuando estos electrones regresan a su estado fundamental, liberan fotones coherentes (luz láser) a través de un proceso de emisión estimulada.
3. Amplificación del haz
   Los espejos reflectores y parcialmente reflectores conforman una cavidad óptica resonante que amplifica el haz láser, permitiendo que una fracción de esa energía salga dirigida.
4. Concentración de la energía
   Un sistema de lentes concentra el haz láser en un punto preciso sobre la pieza de trabajo, fundiendo el material de forma localizada. El movimiento puede ser automático o manual, según el diseño.
5. Sistema de enfriamiento
   Es necesario para mantener la temperatura del cristal dentro de límites operativos, evitando daños por sobrecalentamiento.

• Los electrones internos del cristal absorben energía, se excitan a niveles superiores y al volver a su estado base emiten luz (fotones).
• Parte de esa energía se pierde como calor, pero la mayoría se canaliza como un haz direccional y coherente de radiación láser.

• Alta precisión y velocidad.
• Soldadura limpia y sin contacto.
• Excelente para materiales delicados o de pequeño espesor.
• Control térmico y mínima distorsión.

Este tipo de sistema es ampliamente utilizado en industria aeroespacial, médica, electrónica y automotriz, especialmente para componentes de alta calidad y ensamblajes críticos.