El corte por láser de CO2: ¿qué usos tiene?

El láser CO2 es uno de los tipos de corte por haz de luz amplificada más antiguos de la industria de materiales y todavía el más común. Ha sobrevivido y prosperado gracias a su combinación única de longitud de onda, potencia y pureza espectral.

Usa como fuente de calor el dióxido de carbono para generar el haz de luz amplificado, es decir, que es un método gaseoso de generación de láser. La óptica láser y el CNC (control numérico por computadora) se encargan de dirigir el material o el rayo láser generado hacia donde hay que hacer el corte.

En algunas aplicaciones compite con el láser de fibra (de cuyas ventajas hablamos en este post), más eficiente energéticamente y con menor coste por pieza en grosores de material finos.

El funcionamiento del láser de CO2

Un láser de CO2 típico consiste en bombear eléctricamente una descarga de gas que luego se enfría por aire o por agua (dependiendo de la potencia de la descarga), que puede funcionar con corriente continua, con corriente alterna (por ejemplo, 20-50 kHz) o en el dominio de radiofrecuencia (RF).

Esta descarga estimula una mezcla de gases (el medio activo) que incluye moléculas de dióxido de carbono (alrededor del 10-20%), nitrógeno (alrededor de 10-20%) y un pequeño porcentaje de hidrógeno y/o xenón y una mezcla de gases de helio para completar. Las proporciones específicas de cada gas varían de acuerdo con el láser particular.

Concretamente, las moléculas de nitrógeno son excitadas por la descarga a un nivel vibratorio metaestable y transfieren su energía de excitación a las moléculas de CO2 al colisionar con ellas. El helio sirve para despoblar el nivel inferior del láser y eliminar el calor. Otros componentes como el hidrógeno o el vapor de agua pueden ayudar (especialmente en los láseres de tubo sellado) a reoxidar el monóxido de carbono que se forma en la descarga y convertirlo en dióxido de carbono.

El medio activo en un láser es un conjunto de átomos o moléculas que pueden excitarse de manera que se crea una situación de inversión poblacional, es decir, la existencia en un sistema de más átomos o moléculas en un estado excitado que en estados de menor energía, y puede obtenerse radiación electromagnética mediante emisión estimulada.

Los láseres de CO2 suelen emitir a una longitud de onda de 10,6 μm, pero hay otras líneas en la región de 9-11 μm (particularmente a 9,6 μm). En la mayoría de los casos, las potencias promedio oscilan entre algunas decenas de vatios y decenas de kilovatios.

La eficiencia de conversión de potencia (ratio entre la potencia de bombeo -el poder de excitación del haz de luz- y la potencia de salida) puede ser muy superior al 10%, es decir, es más alta que la mayoría de los láseres de gas (debido a una vía de excitación particularmente favorable), también más alta que para los láseres de estado sólido bombeados con lámpara, pero inferior a muchos láseres de diodo bombeado como el de fibra o el de Nd-YAG y Nd-YVO.

El láser de CO2 es el láser de onda continua de mayor potencia disponible en la actualidad, aunque la eficiencia, a pesar de ser elevada, es inferior a los láseres de fibra o de Nd-YAG y Nd-YVO.

Tipos de láser de CO2

La familia de láseres de CO2 es muy diversa. Difieren principalmente en la técnica de extracción de calor, pero también en la presión del gas y la geometría del electrodo utilizada. En los láseres de tubos sellados de baja potencia (utilizados, por ejemplo, para marcar con láser), el calor residual se transporta a las paredes del tubo por difusión o un flujo de gas lento.

La calidad del haz puede ser muy alta. Los láseres de CO2 de alta potencia utilizan una convección de gas forzada rápida, que puede ser en dirección axial (es decir, a lo largo de la dirección del haz) o en dirección transversal (para potencias más altas).

• Láseres de tubo sellado o sin flujo: se trata de un tipo de láser donde el orificio del láser y el suministro de gas están contenidos en un tubo sellado. Son compactos y resistentes, con ciclos de vida de miles de horas.
• Láseres de placas refrigeradas por difusión de alta potencia (que no deben confundirse con los láseres de placas de estado sólido): tienen el gas en un espacio entre un par de electrodos RF planos refrigerados por agua. El exceso de calor se transfiere eficientemente a los electrodos por difusión, si el espaciado de los electrodos se hace pequeño en comparación con el ancho del electrodo. Son posibles varios kilovatios de salida.
• Láseres de flujo axial rápido y láseres de flujo transversal rápido: también son adecuados para potencias de salida de onda continua de varios kilovatios. El exceso de calor se elimina por la mezcla de gas de flujo rápido, que pasa por un enfriador externo antes de ser utilizado de nuevo en la descarga.
• Láseres de atmósfera excitada transversal (TEA): tienen una presión de gas muy alta (aproximadamente atmosférica). Como el voltaje requerido para una descarga longitudinal sería demasiado alto, la excitación transversal se realiza con una serie de electrodos a lo largo del tubo. Los láseres TEA funcionan solo en modo pulsado, ya que la descarga de gas no sería estable a altas presiones. A menudo producen potencias de salida promedio por debajo de 100 W, pero también pueden producirse para potencias de decenas de kilovatios (combinadas con altas tasas de repetición de pulsos).
• Láseres de CO2 de gas dinámico: son láseres para potencias de varios megavatios (por ejemplo, para armas antimisiles), donde la energía no proviene de una descarga de gas sino de una reacción química en una especie de motor de cohete.

Los usos del láser de CO2

El láser de CO2 fue inventado por C. Kumar N. Patel en 1964 en Bell Laboratories. En las décadas posteriores a su invención, cientos de miles de láseres de CO2 se han usado en medicina, fabricación e investigación científica, desde la impresión de un código de cuatro dígitos en botellas de agua en una línea de fabricación de alta velocidad en China hasta la soldadura de componentes para coches Mercedes-Benz en Alemania.

Son ampliamente utilizados en:

• Procesamiento de materiales, en particular para cortar materiales plásticos, madera, tableros de troqueles, etc., que presentan una alta absorción a 10.6 μm y requieren niveles de potencia moderados de 20-200 W.
• Corte y soldadura de metales como acero inoxidable, aluminio o cobre, aplicando potencias de varios kilovatios.
• Marcado de diversos materiales.

Otras aplicaciones incluyen cirugía con láser (incluida la oftalmología).

Láser de fibra VS Láser de CO2

En el ámbito del procesamiento de material (por ejemplo, soldadura y corte de metales o marcado con láser) los láseres de CO2 compiten con los láseres de estado sólido (particularmente los láseres Nd-YAG y Nd-YVO y los láseres de fibra), que operan en el régimen de longitud de onda de 1 μm. Estas longitudes de onda más cortas tienen las ventajas de una absorción de la calor más eficiente en una pieza de trabajo metálica, y la posibilidad de la transportar el haz de luz a través de cables de fibra (no hay fibras ópticas para láser de alta potencia de 10 μm como lo es el de CO2)

Sin embargo, los láseres de fibra tienden a ser todavía caros, de manera que sólo se los pueden permitir empresas que puedan hacer inversiones a medio plazo en eficiencia, como las empresas subcontratistas especializadas en corte. Por estas razones, los láseres de CO2 todavía se utilizan ampliamente en el corte y soldadura en empresas OEM, especialmente para piezas con un espesor superior a unos pocos milímetros, y sus ventas representan más del 10% de todas las ventas globales de láser (datos de 2013). Esto puede, en cierta medida, cambiar en el futuro debido al desarrollo de láseres de disco fino de alta potencia y cables de fibra avanzados en combinación con técnicas que explotan la alta calidad del haz en estos láseres.

En general, las ventajas del láser de fibra incluyen:

• No hay partes móviles o espejos en la fuente generadora de luz, a diferencia de un resonador de CO2 convencional o disco láser. Esto supone una clara ventaja en términos de reducción de requisitos de mantenimiento y costes operativos.
• Mayor eficiencia eléctrica, que desemboca en costes de funcionamiento considerablemente más bajos. Una máquina de fibra de 3 kW utiliza un tercio de la potencia de una máquina de CO2 de 4 kW con un rendimiento general muy parecido.
• Mayores velocidades al cortar material de menor espesor. Comparado con el mismo láser de CO2 de 4 kW, el láser de fibra es tres veces más rápido en un corte en línea recta de acero, acero galvanizado o acero inoxidable de 1 mm y dos veces más rápido cuando se cortan espesores de 2 mm.
• Capacidad de cortar materiales reflectantes sin temor a reflejos que dañen la máquina. Esto permite cortar cobre, latón y aluminio sin problemas.
• Intervalos de mantenimiento un 50% más largos y costes de servicio un 50% más bajos.
• Mayor seguridad, al no requerir potencias y voltajes de accionamiento tan elevados.

Por contra, las ventajas del láser de CO2 incluyen:

• Buen funcionamiento con materiales más gruesos, dejando generalmente un acabado superficial más liso.
• Elevada flexibilidad en todos los grosores de material.
• Más rapidez en línea recta, además de implicar un tiempo de perforación más rápido cuando se inicia el corte por primera vez.
• Menor coste por pieza en algunos espesores de material.

En resumen, elegiremos un láser de fibra para una mayor rapidez y menor coste en materiales de 1-2 mm, mientras que optaremos por un láser de CO2 para una calidad constante en todos los grosores de material, una calidad constante en todos los espesores de material y un coste inferior por pieza excepto en trabajos exclusivamente de bajo espesor.

Bibliografía y trabajos de interés:

• Láseres de gas: láseres de CO2: progresando de un pasado variado a un futuro específico de la aplicación (en inglés)
• Corte por láser de fibra vs Corte por láser de CO2 (en inglés)
• Corte por láser (entrada de Wikipedia en inglés)
• La historia del corte por láser: de los MASER al corte con láser de CO2 (en inglés)
• Fibra VS láseres de CO2 (en inglés)