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Aplicaciones laser en industria

En sus 50 años de historia, el láser se ha incorporado definitivamente a muchos procesos de fabricación industrial, siendo el segundo sector de ventas de láseres a nivel mundial, sólo por detrás del de las telecomunicaciones. Desde sus inicios, la utilización del láser ha estado muy extendida en las aplicaciones de corte, soldadura y perforado en diferentes sectores, como el automovilístico, naval y aeroespacial. Otras aplicaciones como el marcado están presentes en numerosos procesos industriales de diversos sectores como el cerámico o el textil. Además, esta evolución no ha cesado y siguen surgiendo nuevas aplicaciones, de manera significativa, como pueden ser el tratamiento de superficies y el procesado de materiales no metálicos.


En este artículo se presenta un resumen de estas aplicaciones laser en la industria y algunas de las líneas de investigación en el procesado de materiales con láser desde el punto de vista de su fundamento, sus ventajas e inconvenientes, así como las tecnologías y sistemas empleados. Sobre cada una de las aplicaciones aquí presentadas existen distintas variantes o estrategias de procesado, variedad de sistemas, componentes y multitud de ejemplos, aunque sólo los nombraremos brevemente ya que los detalles se escapan al propósito de este artículo


La interacción láser y materia en procesado

Como sabemos, la luz láser se caracteriza por ser coherente, monocromática y direccional. Debido a estas propiedades, la energía del láser puede concentrarse (haciendo uso de los elementos ópticos adecuados) en áreas muy pequeñas de la superficie de un material, aspecto decisivo en muchas de sus aplicaciones industriales. Las principales características del láser que determinan la interacción láser-materia son: duración de la interacción, intensidad pico y longitud de onda. Los láseres más utilizados en el procesado de materiales son los de CO2 y Nd:YAG. Sin embargo, y debido a la cantidad y variedad de aplicaciones ya mencionadas, cada vez son más usados otros tipos de láser como los de fibra óptica, los de excímero, los de diodo y los de pulsos cortos y ultracortos

A la hora de estudiar la interacción láser-materia, también es importante conocer y estudiar cómo varían durante el procesado las propiedades del material, tanto ópticas (reflectividad, absorbancia) como térmicas (difusión y conductividad térmica, calor latente y de vaporización) o estructurales (cambios de fase cristalina, amorfización).


El láser y sus elementos

Estos sistemas cuentan, de manera resumida, con los siguientes elementos:


1. La fuente de luz láser. Las propiedades del haz láser que influyen en el procesado con láser son el tamaño y forma del punto de enfoque, la potencia, la polarización, la longitud de onda y el perfil temporal del pulso. Normalmente, las fuentes empleadas son láseres de CO 2y Nd:YAG, teniendo estos últimos la ventaja de que pueden acoplarse a una fibra óptica.


2. Un mecanismo que permita la interrupción del haz. Por ejemplo, un espejo móvil puede realizar dicha función al interponerse en el camino del haz y enviarlo a un disipador.


3. Un dispositivo de conducción del haz hasta la zona de interacción, como

por ejemplo, un sistema de fibra óptica (normalmente manipulada

mediante un robot) o un conjunto de espejos.


4. La óptica de focalización, que puede ser de transmisión (lentes) o reflexión (espejos).


5. Una tobera que proporciona el flujo de gas necesario para, entre otros motivos, proteger la óptica de desechos y refrigerar la zona de procesado.


6. Un sistema de posicionamiento que desplace la pieza con respecto al haz láser o, en el caso de grandes piezas, el cabezal del láser sobre el material (pórticos robotizados).



Esquema de funcionamiento láser



En la siguiente imagen se muestra como ejemplo, el esquema simplificado de un sistemas de procesado láser con óptica de transmisión.









Corte por láser

A nivel práctico, el corte por láser es un problema de múltiples parámetros operacionales que hay que optimizar para cada aplicación. Los fundamentales son: potencia del láser, velocidad de avance (velocidad relativa entre el cabezal que focaliza el láser y la pieza, que determina el tiempo de interacción del láser con el material), tamaño del punto de focalización y espesor del material.


Si se compara con otros procesos de fabricación, las principales ventajas del proceso de corte con láser en entornos productivos son, por un lado, la alta velocidad de corte, por otro el hecho de que no se produce deterioro de la herramienta —al no haber contacto entre la pieza y el cabezal láser— y finalmente la flexibilidad del proceso, —no existen cambios de herramientas sino de programación—. Por todo ello, el proceso es relativamente fácil de automatizar e integrar en líneas de producción robotizadas.


Dentro del corte por láser y atendiendo al mecanismo y a los procesos

físicos que dan lugar a la separación de las piezas, suele hablarse de corte láser por vaporización, por fusión reactiva, por fusión controlada, por perforación, por gas estabilizado por láser o corte frío, siendo el corte por fusión el más extendido. En general, las ventajas cualitativas del corte por láser en comparación con otras técnicas se pueden resumir en:

  • El tamaño del surco de corte puede ser muy estrecho, lo que implica ahorro de material

  • Los bordes pueden ser suaves y limpios, sin rebabas, de forma que no es preciso ningún tratamiento o limpieza posterior. De esta forma, las piezas pueden ser soldadas directamente sin preparación previa.

  • La zona afectada térmicamente (HAZ, en inglés Heat Affected Zone) es muy pequeña. Normalmente hay una capa resolidificada de dimensiones microscópicas, por lo que no aparecen distorsiones.

Como principales restricciones del proceso están el alto coste de los

equipos y la limitación en el espesor de material que se puede cortar. Aunque este valor depende de la potencia del láser y del material en cuestión, para corte de alta calidad el rango actual está entre 10 y 20 mm y, en el caso de chapa, el límite en el espesor de corte está en torno a 25 mm.


Por su rapidez, calidad y capacidad de flexibilidad y adaptabilidad a en- tornos de producción, las industrias que emplean esta tecnología son, principalmente, la industria del automóvil y la naval

Asimismo, por sus características, se aplica este proceso a otros materiales como los usados en la industria aeroespacial o textil. Veamos algunos ejemplos concretos de aplicaciones del corte con láser:


  • Corte de materiales textiles: en general no merece la pena el corte conláser de tejidos para ropa por ser lento y existir el peligro de que se peguen por los bordes las piezas apiladas. Sin embargo, el láser es muy útil para cortar materiales gruesos como moquetas, cubiertas de asientos, etc.

  • Corte de materiales para la industria aeroespacial: Las aleaciones de titanio también se cortan con gran rapidez y lo mismo ocurre con las de aluminio y acero inoxidable, que pueden ser luego soldadas directamente.

  • Corte de fibra de vidrio: el láser reduce el polvo generado y la aparición de grietas en los bordes.

  • Corte de Kevlar: el Kevlar es un polímero muy usado por su ligereza y resistencia, por ejemplo: en los chalecos antibalas. El láser es una de las pocas técnicas que permiten su corte.

Soldadura por láser


La soldadura con láser es la segunda aplicación más extendida del láser en la industria después del corte, registrándose un aumento progresivo de sistemas instalados. El sistema de soldadura láser es similar al de corte necesitando asimismo aporte de gas, pero que en este caso actúa como atmósfera protectora del material fundido.


Hay esencialmente dos formas de soldar con láser, lo que se conoce como soldadura limitada por conducción y la soldadura de penetración


En la soldadura limitada por conducción el material se funde allá donde se alcanza la temperatura de fusión, manteniéndose la intensidad del láser siempre por debajo del límite para producir evaporación. El haz láser funde el material en el punto de focalización y, por conducción de calor a través de la pieza, se funde el material adyacente, consiguiéndose un cordón de perfil semicircular. Este método se emplea sobre todo para piezas de pequeño espesor lográndose muy buenos acabados superficiales.


En la soldadura de penetración, las altas intensidades producen

evaporación de material, creándose un agujero con forma de ojo de cerradura (conocido como keyhole) que permite aumentar la absorción de radiación por las múltiples reflexiones en las paredes del mismo y la consiguiente fusión de mate- rial. Esto es muy importante en materiales de elevada reflectancia en las longitudes de onda de trabajo. El material en fase líquida va solidificando rápidamente a medida que se produce el avance del haz láser, formando así el cordón de soldadura. Mediante este método se consiguen profundidades de soldadura muy grandes y, por tanto, se pueden soldar piezas de mayor espesor.


El control de los parámetros del proceso tales como energías, focalización y las diferentes configuraciones geométricas de la unión, permiten obtener resultados óptimos. La soldadura láser se caracteriza por la alta calidad del cordón de manera que, en la mayoría de los casos, no es necesario post-procesado.


Al igual que el corte por láser, las principales razones de su implantación industrial a gran escala son:


  • La rapidez del proceso.

  • Se evita el cambio de herramientas, al no existir contacto.

  • Se adapta muy bien a diversos materiales de diferentes espesores.

  • Fácilmente integrable en líneas de producción robotizadas, como pueden ser las cadenas de montaje de la industria automovilística.

La soldadura láser posee una alta flexibilidad en términos de integración en procesos productivos y de posibles configuraciones geométricas. Las aplicaciones de la soldadura láser son diversas: extintores, tuberías gruesas, láminas metálicas de lavadoras, construcción de barcos, baterías de litio y especial- mente, la soldadura láser es un proceso crucial en las líneas de ensamblaje de piezas de chasis de automóviles.


Perforado y taladrado por láser

Los sistemas empleados en el perforado y taladrado por láser son similares a los ya presentados en apartado anterior pero normalmente se usan fuentes láser pulsadas, concentrando gran cantidad de energía en un tiempo muy corto, produciendo así la evaporación del material. También la longitud de onda es un parámetro importante que determina el tamaño de los agujeros. La calidad espacial del haz es crucial para obtener perforaciones con geometrías correctas en sección y profundidad. La profundidad de la perforación depende de la energía de los pulsos y de su número y, por supuesto, del tipo y propiedades del material.


La principal limitación de la perforación por láser es la profundidad de

penetración. Ésta podría aumentarse con más pulsos o con pulsos de mayor energía, pero dicha estrategia puede repercutir en su calidad debido a la absorción de energía en zonas adyacentes. En este caso, la solución consiste en utilizar láseres de longitudes de onda muy cortas o bien pulsos ultracortos, para evitar el transporte de calor.


Las ventajas del perforado con láser son análogas a las del corte y

soldadura, con alguna característica singular:


  • El operador tiene un control automático sobre el tamaño de los taladrosy su cantidad.

  • Controlando el perfil espacial del haz pueden obtenerse orificios de distintas geometrías.

  • Los sistemas industriales incluyen separación de líneas de procesado, de modo que varias hileras de orificios pueden producirse simultáneamente, reduciendo los tiempos de procesado.

En cuanto a los resultados obtenidos, el perforado láser se caracteriza por la precisión y calidades alcanzadas, en especial, la ausencia de rebabas, siendo innecesario el post-procesado o tratamiento de acabado.


Además de las limitaciones impuestas por la profundidad de penetración, hay otras dificultades asociadas al tamaño y geometría de la sección de los taladros. Para obtener diámetros de agujero mayores que el tamaño del foco pueden emplearse estrategias de trepanado, consistentes en desplazar el haz del eje del sistema de focalización mediante un sistema optomecánico, como por ejemplo un sistema de cuñas ópticas. Los taladros realizados con láser tienden a adoptar una forma de cono invertido con el vértice en la parte mas profunda. Sin embargo, es posible conseguir otras secciones e incluso variar la sección a lo largo del taladro mediante la combinación de elementos ópticos y mecánicos.


Marcado


Otra de las tecnologías láser fuertemente arraigada en la industria es el marcado, que consiste en grabar y codificar cualquier tipo de información en la superficie de un producto, como por ejemplo el logotipo de la marca que lo fabrica y lo vende o distribuye.


Existen distintas técnicas de marcado siendo las más habituales:


Marcado por matriz de puntos o grabado: consiste en marcar una serie

de puntos que trazan los caracteres o cifras deseados por medio de un

sistema de barrido. Esto puede lograrse de dos formas, por medio de pun-

tos o píxeles que crean una imagen binaria cuya calidad dependerá de

la resolución, o por medio de líneas, con gráficos de carácter vectorial.


Marcado por imagen o por máscara: consiste en marcar proyectando la

imagen de una máscara sobre la pieza con ayuda de una lente. La

marca puede obtenerse por diversos procesos: eliminación de una capa

superficial de distinto color al de la pieza, cambio de color debido a alguna reacción termoquímica o fotoquímica, modificación de la

reflectancia de la superficie de forma que se produzca un elevado contraste.


En cuanto a los láseres empleados, tradicionalmente se han utilizado láseres de estado sólido (Nd:YAG) bombeados por lámparas, aunque en la actualidad, por su eficiencia y desarrollo, se utilizan mayoritariamente láseres de diodo.

En cualquier caso, el marcado láser es un tratamiento superficial en el que la luz absorbida permite modificar la superficie bien sea por fusión y resolidificación, reacción fotoquímica o por ablación. En general, se necesita una buena absorción de la luz en el material para que el proceso sea eficiente, rentable y también atractivo estéticamente. La profundidad de penetración de la luz debe ser suficiente pero no excesiva y por ello la elección de un láser adecuado para cada tipo de material es quizá el elemento clave. Normalmente, y dado que el procesado es menos agresivo, las fuentes láser empleadas son de menor potencia a las descritas anteriormente y, por tanto, el proceso es más económico.

Entre los materiales adecuados para el marcado láser se encuentran: plásticos, metales, cerámicos, semiconductores, vidrios y el papel. Esta versatilidad del marcado láser hace que se puedan identificar numerosos productos de consumo en el hogar o lugar de trabajo que han sido marcados con láser. En la siguiente tabla se puede ver un resumen de las distintas aplicaciones y materiales que se marcan con láser junto con los láseres más empleados.


Tratamientos superficiales


A diferencia de los procesos estudiados hasta este momento, en el caso de los tratamientos superficiales, se persigue sobre todo una distribución

espacial adecuada de la energía sobre la superficie de los materiales, con el objeto de modificar alguna de sus propiedades, ya sean mecánicas, químicas, ópticas o estéticas, entre otras. En este grupo de aplicaciones destacan el temple, la aplicación de recubrimientos, el texturizado y el tratamiento por ondas de choque.


El temple superficial es un tratamiento térmico en el que se modifica la microestructura del material de las superficies con el fin de obtener una mejora en las propiedades mecánicas, como la dureza y resistencia a la fatiga, con respecto al material base. En esta aplicación, un haz láser no focalizado realiza un barrido sobre una superficie de un material a templar para elevar localmente su temperatura por encima de la temperatura de transformación de fase. Se emplea en un buen número de aceros y fundiciones, y tiene especial interés en componentes como pistones, cojinetes o asientos de válvulas. La profundidad y anchura del área templada pueden controlarse a través de los parámetros de proceso, entre los que se encuentran principalmente la distribución de intensidad del haz y la velocidad del barrido.


El proceso de recubrimiento superficial tiene como objeto fundir el mate- rial de aporte sobre la superficie de un sustrato, de manera que forme una capa sobre éste con una buena unión metalúrgica y la consiguiente mejora de las propiedades mecánicas y de resistencia frente al desgaste y corrosión. Esta técnica se ha empleado exitosamente en el recubrimiento de válvulas de motores de explosión, de herramientas para forja, de paletas de turbina, etc.

Otro de los tratamientos superficiales consiste en incrementar la rugosidad. La adhesión de pegamentos a superficies de acero galvanizado mejora notablemente si previamente se ha realizado este texturizado superficial con láser. Esta técnica se aplica, por ejemplo, en la industria del automóvil.


Desde el punto de vista de la investigación y puesta en marcha de nuevas aplicaciones de tratamiento superficial, y a modo de ejemplo, se trabaja en la utilización del láser para producir recubrimientos biocompatibles con unas pro- piedades físico-químicas y mecánicas mejoradas con respecto a los comerciales, de tal forma que puedan permitir una oseo integración de implantes ortopédicos o dentales mucho más rápida que con los dispositivos actuales.

Como ejemplo de tratamiento superficial en el que se emplea un haz láser focalizado está el endurecimiento láser por ondas de choque, conocido como laser shock peening, cuyo objetivo es eliminar las tensiones residuales de la superficie del material.

Por último, el láser juega un papel fundamental en los nuevos procesos de fabricación de los paneles solares, tanto mejorando las propiedades de absorción en las células de silicio amorfo, como en los procesos de fabricación y unión de circuitos en los paneles de película delgada. En esta última aplicación, ya se han implementado en la producción industrial líneas de procesado láser con pulsos cortos en el rango de nanosegundos y picosegundos.


Este artículo sobre las aplicaciones laser en la industria

Se ha obtenido de la siguiente bibliografía:


Laser Material Processing. William M. Steen. Springer-Verlag. 1991.


LIA Handbook of Laser Materials Processing, J.F. Ready, Laser Institute of America

Magnolia Publishing, Inc. 2001


Ultrafast Lasers. Technology and applications, editores M. Fermann, A. Galvanauskas y G. Succha, (New York, 2003).



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