ES2171273T5 - Un metodo de tratar un material por medio de un rayo laser. - Google Patents

Abstract

UN PROCEDIMIENTO PARA TRATAR UN MATERIAL, QUE TIENE UNA PRIMERA Y UNA SEGUNDA SUPERFICIES (8, 9), USANDO UN RAYO LASER (2), QUE SE ENFOCA MEDIANTE UN OBJETIVO MULTILENTE EN VARIOS PUNTOS FOCALES (F 1 , F 2 ... F N ) POSICIONADOS DE MANERA APROXIMADA SOBRE UN EJE COMUN, CON UN ANGULO RESPECTO A LA PRIMERA SUPERFICIE (8). LOS PUNTOS FOCALES SE SEPARAN Y SE UTILIZAN PARA CORTAR PLACAS, SIENDO USADOS VARIOS PUNTOS FOCALES PARA FUNDIR/CORTAR EL MATERIAL EN PLACA. COMO RESULTADO SE OBTIENE UNA BUENA MUESCA DE CORTE, CON UNA DEBIL ADHERENCIA DE ESCORIAS Y UNA BUENA SEPARACION DE LAS PARTES CORTADAS.

Description

Un método de tratar un material por medio de un rayo láser.

Campo técnico

El invento se refiere a un método de tratar un material con una primera y una segunda superficies por medio de un rayo láser que, mediante un objetivo de múltiples lentes, es enfocado en varios puntos focales, en el que dichos puntos focales están posicionados, aproximadamente, en un eje común que forma ángulo con la primera superficie y están separados.

Técnica anterior

El documento DE-A-2.713.904 describe un modo de tratar un artículo por medio de un rayo láser, enfocándose dicho rayo láser en dos puntos focales por medio de un objetivo de múltiples lentes. Este método de tratamiento se utiliza para taladrar orificios, por lo que se emplea un primer haz de rayos enfocado para fundir la superficie del artículo y el segundo haz de rayos presenta un punto focal posicionado debajo del punto focal del primer haz de rayos y se utiliza para precalentar el área que rodea la zona que ha de fundirse del artículo con el fin de eliminarla subsiguientemente por evaporación. Un método de tratamiento de esta clase evita, en cierto grado, la formación de rebabas en el borde del orificio. No obstante, el punto focal inferior no se utiliza.

Además, el documento DE-A-4034745 enseña un método para cortar material con láser utilizando un sistema de enfoque dinámico. De acuerdo con este método, se repiten tres operaciones sucesivas. Durante la primera operación, se alimenta energía al rayo parcial para enfocar un primer punto de foco sobre la superficie de la pieza de trabajo; durante la segunda operación, el láser es conmutado rápidamente a un segundo rayo parcial para enfocar un segundo punto de foco dentro del grosor de la pieza a cortar, mientras que durante la tercera operación, el láser es conmutado de nuevo a las condiciones de la primera operación.

En la industria del tratamiento de materiales empleando láseres ha surgido una demanda cada vez mayor de la posibilidad de cortar placas gruesas, tales como placas de acero con un grosor de 15 mm o más. A medida que mejora la capacidad de corte del rayo láser en o junto a la superficie sobre la que se enfoca, surgen problemas a la hora de transferir el efecto a partes de la placa situadas debajo de dicha superficie. Además, la segunda superficie del material presenta problemas relacionados con una cantidad incrementada de escorias adherentes y una mala calidad de corte que, entre otras cosas dan como resultado una mala separación de las partes cortadas y puede requerir un tratamiento de acabado.

JP-A-01-143783 describe un procedimiento para soldar una placa gruesa utilizando un dispositivo convergente de rayo láser de punto multifocal coaxial, mientras que EP-A-706072 enseña la utilización de un dispositivo parecido para cortar una placa y DE-A-2713904 su utilización para perforar una placa. De acuerdo con estos documentos, un rayo láser principal es dividido en dos o más subrayos que están focalizados en varios puntos focales dispuestos axialmente a lo largo del eje óptico de los rayos.

Además, el artículo titulado "Laser beam cutting" ("Corte por rayo láser"), A. Gropp et al, Optical and Quantum Electronics 27, 1995, páginas 1257-1271, enseña la oscilación de un rayo láser a lo largo del eje de rayo con el fin de obtener un efecto de sierra porque el único punto focal se mueve permanentemente en el grosor de la placa que se va a cortar y así mejora los bordes de corte, especialmente la aspereza y la formación de escoria.

Breve descripción del invento

El objeto del invento es proporcionar un método de tratar material por medio de un láser, que asegure una calidad de tratamiento mejorada en relación con materiales gruesos. Además, el gasto de gases protectores debe ser bajo.

La solución del presente invento se da en la reivindicación 1. De acuerdo con el presente invento, la distancia entre la cabeza que incluye los instrumentos ópticos y la primera superficie se incrementa de tal manera que el punto focal adyacente a la segunda superficie durante el corte es posicionado en la primera superficie, con lo que los denominados agujeros de partida se consiguen, por tanto, en una forma mejorada. Además, se reduce el riesgo de que el instrumento óptico resulte dañado por pulverizaciones de metal.

Un método del tipo anterior se utiliza, de acuerdo con el invento, para cortar placas, por lo que para fundir/cortar el material en placa se utilizan varios puntos focales. El objetivo de múltiples lentes tiene el efecto de que el haz de rayos completo es relativamente estrecho, por lo que la tobera para los gases de protección y, en consecuencia, el gasto de dichos gases protectores, puede reducirse en forma correspondiente. Es bien sabido que los gases protectores son muy importantes para la calidad y el corte.

De acuerdo con una realización preferida del invento, los puntos focales están posicionados a una distancia fija, uno con relación a otro y con respecto a la primera y la segunda superficies.

Es ventajoso, considerando la complejidad de los instrumentos ópticos de enfoque, que el número de puntos focales sea de dos.

Se ha encontrado otra ventaja en lo que respecta a la ignición, fusión y eliminación de masa fundida y escorias posicionando, al menos, uno de los puntos focales entre la primera y la segunda superficies, junto a la segunda superficie o junto a la primera y a la segunda superficies, respectivamente.

Con el fin de facilitar la penetración del rayo láser en la muesca de corte es ventajoso, además, que cuando el instrumento óptico de enfoque, enfoque el rayo láser en varios puntos focales, la distancia a ellos desde la segunda superficie se incremente de manera concurrente con el incremento de la distancia de la luz al eje central del rayo láser, de tal manera que la parte central del rayo láser se enfoque en el punto focal adyacente a la segunda superficie.

Breve descripción de los dibujos

En lo que sigue se describen con mayor detalle dos realizaciones del invento, con referencia a los dibujos adjunto, en los que:

la Fig. 1a ilustra una cabeza de corte con láser, dotada de instrumentos ópticos de transmisión,

la Fig. 1b ilustra una cabeza de corte con láser con instrumentos ópticos reflectantes,

la Fig. 2a muestra un instrumento óptico de transmisión que forma tres puntos focales,

la Fig. 2b representa un instrumento óptico reflectante que forma tres puntos focales,

la Fig. 3a ilustra la cabeza de corte de la Fig. 1a a distancia de la superficie, y

la Fig. 3b ilustra la cabeza de corte de la Fig. 1b a distancia de la superficie.

Mejor modo para llevar a la práctica el invento

Se hace referencia en primer lugar a la Fig. 1a, en la que se muestra una placa 6 que ha de cortarse por medio de un láser. La placa comprende una primera superficie 8 y una segunda superficie 9. Un sistema integrado de óptica/tobera, desplazable, denominado también cabeza de corte 10, está previsto por encima de la primera superficie 8 de la placa 6. La cabeza de corte 10 es movible en un plano paralelo a la primera superficie 8 del material a cortar, por lo que en dicho material pueden cortarse formas opcionales. Esto último es de por sí conocido y, por tanto, no se describe con mayor detalle en esta memoria. Además, la cabeza de corte 10 es movible en un grado predeterminado perpendicularmente a la primera superficie 8, de tal manera que durante el corte, pueda entrar una distancia óptima con relación a un flujo de gas de corte y el enfoque del rayo láser 2.

La cabeza de corte 10 comprende una cámara de presión 3 con una abertura de entrada 4 que permite un llenado continuo de dicha cámara de presión 3 con gases de corte, así como una abertura 5 de salida que dirige el gas hacia el lugar de corte. El gas utilizado depende del material a cortar pero, típicamente, se trata de oxígeno cuando se ha de eliminar por combustión acero ordinario, o de un gas inerte, tal como nitrógeno, cuando se trata de eliminar por fusión acero inoxidable.

Además, la cabeza de corte 10 comprende un instrumento óptico 1a, 1b, 21a, 21b que enfoca un rayo láser 2 en varios puntos focales F_{1}, F_{2}, ..., F_{n}. Estos puntos focales están dispersados en un eje común A, que forma ángulo, típicamente ángulo recto, con la primera superficie 8 del material a cortar. Estos puntos focales F_{1}, F_{2}, ..., F_{n} están espaciados en una distancia fija, entre ellos y con relación a la primera y la segunda superficies 8, 9 del material. Por razones ilustrativas, las Figuras 1a y 1b son vistas diagramáticas de una muesca de corte 7, en la que está posicionado el punto focal F... .

En la realización mostrada en la Fig. 1, el instrumento óptico 1a, 1b está formado de tal manera que la parte central del instrumento, es decir, dentro de d_{2}, enfoque la parte central del rayo láser 2 en el punto focal F_{2} adyacente a la segunda superficie 9 del material, mientras que la parte circunferencial, fuera de d_{2}, enfoca la parte exterior de dicho rayo láser 2 en el punto focal F_{1} adyacente a la primera superficie 8 del material. En la realización ilustrada, el punto focal F_{1} está situado encima de la superficie 8 considerando el corte, pero también es posible situar todos los puntos focales F_{1}, F_{2}, ..., F_{n} entre la primera y la segunda superficies 8, 9.

El instrumento óptico puede estar estructurado de muchas maneras. Las Figuras ilustran realizaciones simples que utilizan una lente 1a o un espejo 1b.

Las Figuras 2a y 2b muestran realizaciones de instrumentos ópticos 21a, 21b con varios puntos focales F_{1}, F_{2}, ..., F_{n} de los que, por claridad, sólo se ilustran tres. En este caso, los puntos focales de partes concéntricas respectivas del instrumento óptico 21a, 21b están formados de tal manera que la distancia focal disminuya concurrentemente con el aumento de la distancia al centro.

La distancia entre la cabeza de corte 10 completa y la primera superficie es variable, de tal manera que, durante el procedimiento de arranque puede aumentar, por lo que puede hacerse que el punto focal F_{2} posicionado habitualmente junto a la segunda superficie 9 durante el corte se sitúe en la primera superficie. Esta distancia incrementada consiguientemente entre la cabeza de corte 10 y la primera superficie 8 reduce el riesgo de que pulverizaciones de material fundido retrocedan a través de la tobera 5 y destruyan los instrumentos ópticos 1a, 1b, véanse las Figuras 3a y 3b en las que se ha conservado la muesca de corte 7 diagramática con fines ilustrativos, con el fin de proporcionar una visión mejorada del paso del rayo aunque, naturalmente, dicha muesca no existe antes de iniciarse el corte.

Si bien las realizaciones incluyen miembros de lente simples, también es posible utilizar disposiciones más complicadas, tales como combinaciones de lentes que formen, combinadas, el número deseado de puntos focales.

Es posible, asimismo, un cierto grado de desviación respecto de la situación axial exacta de los puntos focales o del ángulo recto que forma este eje con la superficie, sin que ello se aparte de la idea básica del invento. Un procedimiento de esta clase es posible, por ejemplo, en tanto resulte ventajoso para la velocidad de corte que el corte de las capas profundas se realice con un desplazamiento mínimo con respecto a las capas situadas encima.

Claims (10)

1. Un método de tratar un material con una primera y una segunda superficies (8, 9) por medio de un rayo láser (2) proporcionado por una cabeza de corte (10) que a través de un objetivo de múltiples lentes, situado por encima de la primera superficie, es enfocado en varios puntos focales (F_{1}, F_{2}, ..., F_{n}) que están posicionados, aproximadamente, en un eje común que forma ángulo con la primera superficie y que están separados uno con relación a otro, utilizado para cortar placas, empleándose varios puntos focales para fundir/cortar el material en placa, enfocándose la parte central del rayo láser (2) en el punto focal (F_{2}) adyacente a la segunda superficie (9), caracterizado porque el punto focal que generalmente se encuentra posicionado de forma adyacente a la segunda superficie (9) durante el corte se posiciona, durante el procedimiento de corte de partida, en la primera superficie (8).

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los puntos focales (F_{1}, F_{2}, ..., F_{n}) guardan una separación fija entre ellos y respecto a la primera y la segunda superficies (8, 9).

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque el número de puntos focales (F_{1}, F_{2}, ..., F_{n}) es de dos.

4. Un método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3 precedentes, caracterizado porque al menos uno de los puntos focales (F_{1}, F_{2}, ..., F_{n}) está posicionado entre la primera y la segunda superficies (8, 9), junto a la segunda superficie (9) o junto a la primera y la segunda superficies, respectivamente.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la distancia entre la cabeza de corte (10) y la primera superficie se incrementa durante el procedimiento de partida posicionando así en la primera superficie (8), dicho punto focal siendo generalmente posicionado de forma adyacente a la segunda superficie (9).

6. Un método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5 precedentes, caracterizado porque los instrumentos ópticos (1a, 1b, 21a, 21b) de enfoque enfocan el rayo láser (2) en varios puntos focales (F_{1}, F_{2}, ..., F_{n}), aumentando la distancia a ellos desde la segunda superficie (9) concurrentemente con el incremento de la distancia de la luz al eje central del rayo láser.

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el objetivo con múltiples lentes es una lente (1a) o un espejo (1b).

8. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el objetivo con múltiples lentes es una combinación de lentes (1a) que, combinadas, forman el número deseado de puntos focales.

9. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se dirige un gas hacia el lugar de corte, siendo el gas oxígeno y siendo acero el material a cortar.

10. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se dirige un gas hacia el lugar de corte, siendo el gas un gas inerte y siendo acero inoxidable el material a cortar, siendo el gas, preferiblemente, nitrógeno.