Aplicaciones industriales del láser

Aplicaciones industriales del láser L. Bachs, J. Cuesta, N. Car les

P R O D U C T I C A

Colección «Prodúctica» Dirección técnica: José Mompín Poblet © MARCOMBO, S.A., 1988 Reservados todos los derechos de publicación en cualquier idioma por MARCOMBO, S.A. Gran Via de les Corts Catalanes, 594 08007 Barcelona (España)

No se permite la reproducción total o parcial de este libro ni el almacenamiento en un sistema de informática ni transmisión en cualquier forma o por cualquier medio, electrónico, mecánico, fotocopia, registro u otros métodos sin el permiso previo y por escrito de los propietarios del Copyright.

ISBN: 978-84-267-0719-2 Depósito Legal: B. 38.142-88 Impreso en España Printed in Spain Fotocomposición: FOINSA - Gran Via de les Corts Catalanes, 569 08011 Barcelona Impresión: A.G. Portavella, S. A. - Diputación, 427 - 08013 Barcelona

Presentación

En la sociedad actual el término láser ha dejado de ser desconocido. No obstante, en muchos casos el conocimiento del mismo no va más allá de su asociación a espectáculos luminosos en lugares públicos, o de su utilización como arma fantástica en películas de ciencia ficción. Sin embargo, el láser alcanza muchos más campos de operación en la vida cotidiana: las comunicaciones por fibra óptica, aplicaciones médicas en terapia y cirugía, en el campo de la electrónica de consumo, en usos industriales, aplicaciones militares y en otros muchos casos concretos. Para la consolidación actual del láser en nuestra sociedad ha sido necesario recorrer un largo camino desde sus inicios teóricos hasta la gran expansión que vivimos hoy en día. La base física del funcionamiento del láser es el fenómeno de amplificación de ondas electromagnéticas por emisión estimulada de radiación. Fue Albert Einstein, en 1917, quien llegó a la conclusión de su existencia cuando, al abordar el problema del espectro de radiación del cuerpo negro desde un punto de vista termodinámico, se le hizo imprescindible la introducción de un coeficiente que diera cuenta de tal fenómeno para llegar a la fórmula correcta dada por Max Planck en 1900. Problemas tecnológicos retrasaron medio siglo la obtención de dispositivos basados en estas teorías. Históricamente la primera aplicación de la emisión estimulada fue en el campo de las microondas, con la obtención del primer máser de amoníaco (amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación) en 1953 por parte de Charles H. Townes junto con J. P. Cordón y H. Zeiger, en la Universidad de Columbia. Siete años más tarde, en junio de 1960, se consigue ampliar el campo de aplicación de estos dispositivos hasta la zona visible del espectro con la obtención de la primera emisión láser. Fue T. H. Maiman, en los laboratorios de la Huges Aircraft Co. quien, con un dispositivo de rubí, consiguió la primera emisión de luz coherente pulsada obtenida de un láser, su longitud de onda era de 694 nm. A partir de ese momento se probaron gran cantidad de materiales, obteniéndose acción láser de diversas longitudes de onda en muchos de ellos. En diciembre de 1960 se consiguió el primer láser gaseoso. A. Javan y sus colaboradores, Bennett y Herriot, investigando en los laboratorios de la Bell Telephon lograron con un láser de He-Ne una emisión continua de 1152 nm. En 1962 se obtuvo el láser de semiconductor de CaAs (arseniuro de 5

Aplicaciones industriales del láser

galio) en tres laboratorios independientes, General Electric, IBM y Lincoln Laboratory del M.I.T. En 1964 Bridges y Bennett obtuvieron el láser de argón. Asimismo, Patel desarrolló el láser de CO2, que ha evolucionado hasta convertirse en nuestros días en el láser más utilizado en la industria. La extensa gama de aplicaciones del láser en la industria se ha visto potenciada por el paralelo desarrollo de la robótica y la informática, que han hecho posible la automatización de los procesos y la precisa manipulación del haz para llevarlo hasta los lugares de trabajo. Las perspectivas actuales de aplicación del láser se encaminan a una completa integración en sistemas de CAD-CAM. Los laboratorios de investigación dedican sus esfuerzos a la obtención de láseres de mayor potencia y manejabilidad. A lo largo de este texto se describen los principales aspectos de la problemática del láser, su aplicación a la industria, y una visión de mercado. En primer lugar se presentan las bases teóricas del fenómeno láser, partiendo de la teoría general se llega a analizar aspectos concretos de los láseres más utilizados en la industria como el de CO2, Nd:YAG, rubí.... A continuación describimos la interacción del láser con los materiales, haciendo hincapié en los distintos elementos que intervienen en el proceso: componentes ópticos para tratamiento del haz, boquillas, gases de aporte, etc. En el capítulo de aplicaciones, el láser se contempla como un elemento OEM (original equipement manufacturen, integrado en máquinas-herramienta, analizándose las distintas configuraciones en que puede ser acoplado. Se particulariza en cada una de las aplicaciones industriales más típicas, como son la soldadura, el corte, la perforación, el marcado, etc. Los autores

6

Índice general

PRESENTACIÓN ................................................................................ NOCIONES DE TEORÍA..................................................................... Definición..................................................................................... ¿Qué es la luz? .......................................................................... ¿Cómo se produce la luz? ....................................................... Emisión estimulada .................................................................. Absorción ............................................................................... El bombeo del medio activo ........................................................ Resonadores............................................................................... Modos del resonador.................................................................... Modos longitudinales .............................................................. Modos transversales .............................................................. Propagación del modo TEM00 .................................................. Generación de pulsos ...............................................................

5 9 9 10 11 14 15 17 21 25 26 30 32 31

LÁSERES MÁS UTILIZADOS INDUSTRIALMENTE ........................ Láseres de CO2 ....................................................................... Láseres de Nd3+ ........................................................................ Láser de Rubí ..........................................................................

39 39 43 47

SEGURIDAD ................................................................................... Precauciones a tener en cuenta ................................................

51 51

TRATAMIENTO DEL HAZ .................................................................. Transformaciones de un haz láser ........................................... Interacción del láser con los materiales ................................... Enfoque del haz ......................................................................... Estado superficial del material ................................................. Régimen de funcionamiento del láser ...................................... Aporte de gas.............................................................................. Elementos ópticos .................................................................... Mantenimiento de los elementos ópticos ..................................

55 55 58 60 62 63 64 66 71

SISTEMAS LÁSER............................................................................. Introducción ................................................................................ Mesas de coordenadas ............................................................... Robots ...................................................................................... Scanners ..................................................................................... CAD/CAM para equipos láser .................................................. Un ejemplo de configuración ...................................................

73 73 74 80 83 86 87 7


CORTE DE MATERIALES .................................................................. Introducción ................................................................................. Mecanismo de corte .................................................................. Sistemas de corte ........................................................................ Corte de metal.............................................................................. Corte de plásticos ..................................................................... Corte de madera ....................................................................... Corte de otros materiales............................................................. Comparación con otras técnicas ...............................................

89 89 91 93 93 99 103 107 109

SOLDADURA DE MATERIALES ..................................................... Introducción.................................................................................. Tipos de láseres y modos de funcionamiento ........................... Soldadura de metales .................................................................. Geometría de soldadura............................................................... Gas de aporte y efectos de plasma ........................................... Tipos de materiales ................................................................... Microsoldadura y soldadura de no mentales ............................. Ventajas de la soldadura láser y comparación con otras técnicas ....................................................................................

111 111 112 114 123 124 125 126

PERFORADO DE MATERIALES ....................................................... Introducción.................................................................................. Geometría del taladro ................................................................ Técnicas de perforado láser ....................................................... Tipos de láseres empleados en perforado ................................. Ventajas y desventajas del perforado láser frente a un proceso sin láser ....................................................................................

129 129 129 131 136

MARCAJE DE MATERIALES .............................................................. Introducción................................................................................. Definición de mareaje por láser ................................................. Efectos en el material ................................................................. Sistemas de mar caje................................................................... Tipos de láseres empleados ....................................................... Mareaje con láser de CO 2 –TEA ................................................ Mareaje con láser de CO 2 continua ........................................... Mareaje con láser de Nd:YAG ................................................. Comparación entre las diferentes técnicas de mareaje industrial ...................................................................................

141 141 141 141 143 144 144 146 149 151

TRATAMIENTO SUPERFICIAL ........................................................... Introducción.................................................................................. Endurecimiento térmico............................................................... Aleación superficial ...................................................................

153 153 153 154

VISIÓN DE MERCADO .................................................................... Introducción..................................................................................

155 155

8

128

139

Nociones de teoría

DEFINICIÓN Hasta mediados de los años 50, la capacidad para producir radiación electromagnética coherente iba de las frecuencias más bajas hasta las docenas de GHz. Figura 1. La palabra láser está compuesta por las siglas en inglés del fenómeno físico conocido por "amplificación de luz por emisión estimulada de radiación".

A partir de este momento, la verificación experimental y utilización tecnológica del fenómeno de emisión estimulada de la radiación, ya previsto por Einstein en 1917, permitió ensanchar la banda de frecuencias hasta el ultravioleta e incluso más allá. Los primeros amplificadores y osciladores que funcionaron según este principio trabajaban a frecuencias de microondas y se denominaron maseres (del inglés microwave amplification by stimulated emission of radiation). La utilización del fenómeno en la zona espectral de la luz llevó a dispositivos denominados inicialmente máseres ópticos, más conocidos en la actualidad como láseres. La palabra láser está formada por las iniciales en inglés de un fenómeno físico, la amplificación de luz por emisión estimulada de radiación (light amplification by stimulated emission of radiation). Un láser es, ante todo, una fuente de luz. Sin embargo, la luz generada 9


por un láser posee unas propiedades que la distinguen de la luz obtenida por las fuentes convencionales y la hacen mucho más útil y manejable. El grado de coherencia temporal y espacial, a potencias muy elevadas, es de muchos órdenes de magnitud superior a la de cualquier otra fuente de luz conocida. La coherencia implica monocromaticidad, estabilidad en frecuencia, directividad y la posibilidad de focalizar un haz en áreas muy pequeñas. Estas características, unidas a la posibilidad de altas irradiaciones de luz, hacen del láser un instrumento útil en muchas áreas: comunicaciones, metrología, reprografía, detección remota, procesos industriales, cirugía, etc. Figura 2. Espectro electromagnético.

¿QUÉ ES LA LUZ? La luz es una onda electromagnética al igual que lo son las ondas de radio y televisión, las microondas o los rayos X. Todas ellas tienen la misma naturaleza y sólo reciben distintos nombres según la frecuencia a la que oscilan. 10

Nociones de teoría

Tal como vemos en la figura 2, sólo una pequeña parte del amplio espectro electromagnético es lo que se conoce como luz y aún es más pequeña la zona a la que el ojo humano es sensible. Por lo tanto, bajo este punto de vista podemos distinguir tres zonas: la visible, la infrarroja (de frecuencia inferior) y la ultravioleta (de frecuencia superior). Las diferentes zonas del espectro se pueden referenciar por su frecuencia o por su longitud de onda. Cuando hablamos de luz lo más frecuente es referirnos en términos de longitudes de onda. La ecuación que relaciona la frecuencia con la longitud de onda es la correspondiente a la figura 3. Todas las ondas electromagnéticas se propagan a la misma velocidad en el vacío, ésta es la llamada comúnmente velocidad de la luz (299.793 Km/seg) y se abrevia con la letra c. Figura 3. Ecuación que relaciona la frecuencia de una onda electromagnética con su longitud de onda en el vacío.

No hay que olvidar que, desde un punto de vista cuántico, existe una dualidad a la hora de interpretar los fenómenos luminosos. Cuando queremos examinar desde un punto de vista ondulatorio un proceso físico en que intervenga la luz, ésta se comportará como una onda. Algunos de estos fenómenos son, por ejemplo, interferencias, difracción, etc. Sin embargo, si se estudia desde un punto de vista corpuscular, la luz se comportará como un chorro de partículas denominadas fotones, como si éstos fueran la unidad básica que la constituye. Algunos fenómenos en los que se pone de manifiesto este aspecto corpuscular son el efecto eléctrico, el de emisión y el de absorción de luz. Cuando la luz se propaga en un medio distinto al vacío su velocidad es siempre menor que c. En el caso del aire, se puede considerar que es prácticamente igual a c Por lo tanto, la velocidad a la que se propaga un rayo láser en la atmósfera es aproximadamente 300.000 Km/seg. ¿CÓMO SE PRODUCE LA LUZ? La materia está compuesta por átomos y moléculas. Cuando un material absorbe energía, los átomos y moléculas son los que, en definitiva, lo hacen. 11


Cada átomo o molécula puede encontrarse en determinados niveles energéticos discretos. Normalmente se encuentran en el estado fundamental o de energía inferior (E 0). Cuando absorben energía pasan a un nivel energético superior y se dice que están en un estado excitado (E 1, E 2, E 3,...). Las formas en que se puede excitar la materia son diversas: por calor, con luz, por medio de una descarga eléctrica, por una reacción química, etc. Cuando un átomo o molécula se encuentra en un estado excitado tiende, de forma espontánea, a volver al fundamental liberando la diferencia de energía. El paso de un estado excitado al fundamental no tiene porque ser directo, sino que puede realizarse pasando por estados energéticos excitados intermedios. Figura 4. La desexcitación de un átomo o molécula se efectúa mediante transiciones entre los niveles energéticos del mismo. Las transiciones radiativas tienen como resultado la emisión de un fotón.

Para desexcitarse puede hacerlo de diversas maneras: transfiriendo la energía a otros átomos en una colisión o emitiéndola en forma de luz. Cada vez que se produce una desexcitación por emisión de luz se dice que se ha emitido un fotón. 12

Nociones de teoría

Las transiciones que originan una emisión de luz se denominan radiativas. Cada fotón tiene una frecuencia asociada característica que es igual a la diferencia de energía entre los niveles que intervienen en una desexcitación (E n y E m ) dividida por la constante de Planck (abreviada con la letra h). Ver figura 5. Figura 5. Ecuación que relaciona la frecuencia del fotón emitido v con la diferencia de energía existente entre los niveles energéticos implicados en la transición (h es la constante de Plank).

Los niveles energéticos de cada átomo o molécula están determinados y constituyen su diagrama energético, por lo cual los fotones que pueden emitir son característicos de cada uno de ellos y componen el llamado espectro de emisión de ese material. Las fuentes de luz convencionales emiten un amplio espectro de longitudes de onda. Las lámparas de incandescencia o fluorescentes emiten un espectro continuo, es decir, en toda la banda de longitudes visibles simultáneamente. Otras lámparas, generalmente de vapores de átomos, emiten un espectro discreto correspondiente al de emisión de ese átomo, como por ejemplo las lámparas de sodio o las de mercurio. Otro factor a considerar es la polarización. La luz, como onda electromagnética, está constituida por un campo eléctrico y uno magnético, tal como se indica en la figura 6. Esta onda avanza en el espacio manteniendo la oscilación. Si analizamos la dirección del campo eléctrico en un punto por el que pasa una onda luminosa, nos podemos encontrar con que esta dirección no varía con el tiempo, diremos entonces que se trata de una onda luminosa linealmente polarizada, como la representada en la figura 6. 13


Otro tipo de polarización es la circular en la que el campo eléctrico va girando, en cada punto, a la frecuencia de la onda luminosa. La luz emitida por diversos átomos de una fuente de luz convencional, de manera espontánea es luz no polarizada, es decir, la dirección del campo eléctrico no sigue ninguna pauta. Figura 6. Onda electromagnética polarizada linealmente en la dirección del eje x propagándose en la dirección del eje z. E representa el campo eléctrico y H el magnético. ExH nos indica la dirección de propagación de la onda.

Emisión estimulada Según se ha podido ver, la luz puede ser emitida de forma espontánea por átomos o moléculas que se encuentran excitados, independientemente del medio que les rodea. Pero también existe otra forma de producirla: por estimulación, ésta es la llamada emisión estimulada. ¿Qué se entiende por emisión estimulada? Imaginemos un átomo en un estado excitado, éste posee una determinada probabilidad de emitir un fotón de forma espontánea, pero si se encuentra dentro de una onda luminosa de la misma frecuencia que el fotón que emitiría, a esa probabilidad se le añade otra que es directamente proporcional a la intensidad de la luz a la que está sometido. Es decir, el átomo podrá emitir su fotón por un proceso de emisión espontánea o por un proceso de emisión estimulada. Si lo hace de la segunda manera, el fotón que emitirá tendrá la misma dirección que la onda de luz que interaccionó con él. Asimismo, si esta onda estaba polarizada lo estará también el fotón emitido y poseerá la misma dirección, en otras palabras el fotón se habrá unido a la onda electromagnética reforzándola (figura 7). 14

Nociones de teoría

Figura 7. Proceso de emisión estimulada. Un fotón interacciona con un átomo excitado y lo incita a desexcitarse emitiendo un nuevo fotón con sus mismas características.

El coeficiente α ref con que se refuerza la onda por unidad de longitud es directamente proporcional a la densidad de átomos que se encuentran en el nivel superior N n y por lo tanto capaces de emitir un fotón que se una a la onda. Absorción Existe un proceso opuesto al de emisión estimulada, es la absorción. Supongamos de nuevo un átomo inmerso en una onda electromagnética. Por el fenómeno de absorción, este átomo que posee la energía correspondiente a un nivel dado (E m) pasa aun estado energético superior (E n) absorbiendo un fotón de frecuencia iguala la descrita en la figura 5, con lo cual nos encontramos que una onda electromagnética de esta frecuencia se va amortiguando a medida que avanza por un medio con átomos que absorben sus fotones al efectuar esta transición. El coeficiente de absorción por unidad de longitud α abs es directamente proporcional a la densidad de átomos que se encuentran en el nivel inferior N n y por lo tanto en disposición de ser excitados. Amplificación Dado que existen dos procesos físicamente opuestos, el primero tenFigura 8. Coeficiente de refuerzo de una onda al atravesar un medio. N n es la densidad de átomos que se encuentran en el nivel superior de la transición.

15


Figura 9. Proceso de absorción. El átomo utiliza la energía del fotón absorbido para pasar a un estado de energía superior.

dente a reforzar la onda luminosa y el segundo a amortiguarla, para que exista amplificación neta es necesario que el primer proceso prevalezca sobre el segundo. Un medio se dice que es amplificador cuando el coeficiente de refuerzo de la onda es mayor que el de absorción. Ello implica, según se puede ver en la figura 11, que la condición indispensable para que se produzca una amplificación neta es que existan más átomos en el nivel de mayor energía que en el de menor energía, (N n –N m )>0, esto es lo que se denomina inversión de población. Figura 10. Coeficiente de absorción de una onda al atravesar un medio. N m es la densidad de átomos que se encuentran en el nivel energético inferior de la transición.

Un haz luminoso de intensidad I 0 que atraviesa un medio amplificador, con un coeficiente de amplificación α amp mayor que cero, emergerá con una intensidad I después de recorrer una distancia z tal como se observa en la figura 12. El láser es una onda de luz originada en un medio amplificador en el cual prevalece la emisión estimulada sobre la absorción. Para conseguir una emisión de luz láser es, por tanto, imprescindible la existencia de lo que hemos definido como inversión de población entre dos niveles energéticos de los átomos que configuran el medio activo. Dado que los átomos y moléculas que constituyen los distintos medios activos de los diversos láseres existentes, tienden de forma espontánea a 16

Nociones de teoría

ocupar el nivel de energía más bajo, será necesario transferir energía al medio activo para mantener la inversión de población mientras se quiera emitir luz láser. A este aporte de energía se le denomina bombeo energético. Figura 11. La inversión de población (N n >N m ) es una condición necesaria para la existencia de amplificación neta.

Además, para poder producir la inversión de población es necesario que un átomo en el nivel de energía menor tenga una gran probabilidad de abandonar ese nivel, y que el nivel superior de la transición tenga una probabilidad menor de desexcitarse, de este modo la población de átomos en el nivel superior será mayor que la del inferior. Figura 12. Una onda luminosa que atraviesa un medio amplificador sale reforzada de forma exponencial con la longitud del medio.

EL BOMBEO DEL MEDIO ACTIVO El bombeo energético permite al medio activo que sus átomos ocupen niveles de energía mayor a la del nivel fundamental y que entre dos de ellos sea posible la inversión de población requerida. Muchos láseres se ajustan de manera más o menos aproximada a los esquemas de tres o cuatro niveles. 17


En el esquema de tres niveles el bombeo se efectúa desde el fundamental f 0 hasta el nivel E 2, de allí pasa al nivel de E 1 , que actuará como nivel superior de la transición láser. La transición radiativa que origina la emisión de luz es la que hace descender al átomo desde el nivel E 1 al fundamental que actúa como nivel inferior láser (ver figura 13a). En el esquema de láser de cuatro niveles, el nivel inferior láser no es el fundamental sino un nivel excitado que a continuación debe efectuar una transición hacia el fundamental (figura 13b). Figura 13. Esquemas de niveles típicos de un láser de 3 y 4 niveles.

Existen diversos métodos de producir el bombeo dependiendo del tipo de medio activo que se esté excitando (figura 14). En el caso de bombeo óptico la excitación del medio activo se debe a la luz emitida por un sistema ajeno al mismo. Por ejemplo, en los láseres de rubí y Nd:YAG, se utiliza una lámpara de flash de xenón o kriptón y en los láseres de colorante se utiliza otro láser. En el primero de los casos, el medio activo está constituido por un cristal cortado en forma cilíndrica. La forma de disponer la lámpara de flash con respecto al medio activo será tal que la mayor cantidad de luz que emita la lámpara incida sobre el medio activo para que éste reciba la máxima energía posible. 18

Nociones de teoría

Una disposición característica es la que presenta el cristal cilíndrico y la lámpara de flash dentro de una cavidad de sección elíptica, cuya pared es un espejo. El cilindro de cristal se coloca en uno de sus focos y la lámpara en el otro, con esta disposición la luz que saliendo de la lámpara incide en la pared, es reflejada directamente sobre el cristal, tal como se observa en la figura 15, consiguiéndose así un rendimiento muy elevado de transferencia de energía luminosa de la lámpara al cristal. Para bombeos que

Figura 14. Métodos de bombeo existentes para distintos tipos de láseres.

Figura 15. Configuraciones usuales en bombeo óptico no coherente. 1. – Cilindro de medio activo. 2.– Lámpara de flash. 3.– Espejo elíptico. 4 – Superficie pulida y tratada para evitar reflexiones. 5.– Dirección del haz láser.

19


requieran una mayor transferencia de energía se pueden combinar dos cavidades elípticas en paralelo, tal como puede verse también en la figura 13. Este tipo de disposiciones para el bombeo es el empleado en uno de los láseres más utilizados en la industria, el de Nd:YAG. En el caso de que la excitación se produzca mediante otro láser, bombeo coherente, la luz de éste se focaliza en el medio activo excitándolo. Este tipo de excitación es la utilizada por los láseres de colorante, donde el medio activo son moléculas fluorescentes, en forma de disolución líquida, que se hacen circular por el lugar donde el láser que se usa para el bombeo, está focalizado. El bombeo por paso de corriente eléctrica a través del medio activo es uno de los más usados, principalmente en los láseres con un medio activo gaseoso, como es el caso de los de He-Ne, Ar, CO2, etc. Figura 16. Tubo de descarga para bombeo energético de un gas por paso de corriente. 1.-Ánodo. 2Cátodo. 3.– Cámara de gas. 4.– Camisa de refrigeración. 5.– Espejos. 6.– Salida del haz láser.

Este tipo de excitación consiste, generalmente, en un tubo de descarga que contiene el medio activo gaseoso. La descarga se produce por una tensión elevada entre un cátodo y un ánodo situados en su interior. Los electrones generados por la descarga, adquieren una gran energía cinética que transfieren a los átomos y moléculas al colisionar en el interior del tubo de descarga, con lo cual se pueblan los distintos niveles de energía de las moléculas, además de producirse iones. Otro caso de excitación por el paso de corriente es el que se emplea en los diodos láser de AsGa, cada vez más utilizados en electrónica y comunicaciones. En este caso, la excitación se produce por el paso de una corriente eléctrica a través de un componente de estado sólido con una unión P-N. En la zona de la unión es precisamente donde se produce la inversión de población. Existen otros sistemas de bombeo del medio activo, pero no suelen utilizarse en los láseres empleados comúnmente en la industria. 20

Nociones de teoría

RESONADORES Supongamos un medio activo en el que producimos un bombeo y por consiguiente obtenemos una inversión de población entre dos de sus niveles energéticos (E m
Si ahora colocamos un espejo en uno de los extremos del eje de mayor amplificación, orientado perpendicularmente a éste, forzaremos a la onda luminosa que sale de ese extremo del medio activo, a volver a entrar en él. La onda volverá a pasar por el medio activo amplificándose de nuevo hasta salir por el otro extremo. Si colocamos otro espejo en el otro extremo y obligamos a la luz de nuevo a recorrer el medio amplificador, obtendremos una onda que en sucesivos recorridos irá intensificándose. Es muy importante que los dos espejos estén orientados perfectamente paralelos entre sí ya que una desviación por pequeña que fuera haría que la onda se perdiera lateralmente en unas pocas reflexiones consecutivas. Siguiendo este método hemos seleccionado la dirección en que se van a emitir los nuevos fotones que genere el medio ya que tenemos una onda intensa que se mueve en una dirección del medio activo y que 21


fuerza a la inmensa mayoría de átomos que se encuentran en el nivel energético E n a desexcitarse, emitiendo un fotón que se una a ella. Para conseguir una extracción de la luz que está confinada entre los dos espejos se coloca uno de ellos semitransparente de forma que un porcentaje de la luz que llega a él se refleja y el resto lo atraviesa. Esta parte de luz que atraviesa el espejo es un haz de luz láser. La onda que recorre el medio activo va despoblando el nivel superior de la transición y hace que disminuya la inversión de población. Al mismo tiempo, la potencia de la onda que sale por el espejo delantero va aumentando, hasta que llega a una situación de equilibrio en la cual la energía que gana la onda en un recorrido completo, ida y vuelta por el medio activo, se iguala a la energía que pierde debido a la transmisión por el espejo delantero. La ganancia del medio se ha saturado en un valor en el que las pérdidas del sistema igualan a las ganancias en un recorrido, y de este modo se obtiene una potencia de salida constante. Figura 18. Resonadores inestables. La extracción de luz se consigue por la parte de la onda que sobrepasa el espejo 2.

Cuando se llega a esta situación estacionaria, el aumento de inversión de población, debida al bombeo del medio activo, se ve compensado exactamente por la disminución que sufre por la emisión estimulada que se genera. El resonador es el lugar donde tenemos confinada la onda que sufre la amplificación y que determina la forma que va a tener el rayo. Por lo tanto, 22

Nociones de teoría

el resonador en un láser está, en general, abierto en dos de sus ejes y cerrado por dos espejos en el otro eje, uno de los cuales introduce pérdidas en el sistema. Son estas pérdidas, precisamente, lo que se aprovecha del sistema, y configuran lo que denominamos rayo láser. Por cuestiones de estabilidad y reducción de pérdidas, los espejos del resonador son generalmente esféricos, sin embargo, la curvatura del espejo no puede ser cualquiera, ya que el resonador podría ser inestable. Un resonador inestable no autorreproduce la onda después de un recorrido completo de la misma en él. El haz tiende a salirse del eje del resonador y se producen pérdidas por difracción al encontrarse con los límites físicos de uno de los espejos. En este tipo de resonadores los espejos suelen ser totalmente reflectantes. Los haces de estos resonadores suelen ser de sección mayor y la extracción de potencia se realiza precisamente utilizando la parte de la onda que rebasa los límites físicos de uno de los espejos, tal como puede verse en la figura 18. Para que un resonador sea estable debe suceder que la onda que se propaga por su interior se encuentre en el mismo estado después de haber realizado un recorrido completo dentro del resonador. La calidad del haz generado en un resonador estable es mayor, tanto en lo que se refiere a su distribución de potencia como a su divergencia.

23

Figura 19. Condición matemática para un resonador estable (zonas oscuras de la gráfica). Ejemplos de resonadores correspondientes a cada una de las zonas señaladas en la gráfica.


Esta condición nos lleva a seleccionar los dos espejos del resonador de entre aquellos que configuran un resonador estable. Matemáticamente, la condición de estabilidad está determinada por la fórmula que aparece en la figura 19. R1 y R2 son los radios de los espejos del resonador y L la distancia entre ellos. En la gráfica de la misma figura podemos ver zonas claras que corresponden a resonadores inestables, y en zonas oscuras aquellos que son estables. En cada una de las zonas de la gráfica se muestra también un ejemplo de resonador, representado por dos espejos; en el dibujo se indica el radio de los mismos. Gran parte de los láseres comercializados constan de dos espejos cóncavos de radio varias veces mayor que la longitud del resonador. Un caso particular muy frecuente es el de un resonador formado por un espejo semitransparente plano, y otro totalmente reflectante cóncavo, de un radio entre 2 y 10 veces la distancia entre los espejos. Figura 20. Resonador láser con emisión de luz polarizada por la colocación intracavidad de dos láminas en ángulo de Brewster

Un resonador láser constituido sólo por el medio activo y los dos espejos emitirá un haz aleatoriamente polarizado, es decir, variable con el tiempo. Existen dispositivos que permiten la emisión de un haz láser linealmente polarizado de forma estable. El dispositivo más comúnmente utilizado para conseguir una emisión polarizada consiste en la colocación de una lámina de un material transparente a la radiación del láser en algún lugar entre los dos espejos, con una inclinación característica que depende del material y de la longitud de onda. El ángulo que forma la lámina con el eje del resonador se denomina ángulo de Brewster (Θ β ) y es igual al arcotangente del índice de refracción del material que constituye la lámina (ver figura 20). El funcionamiento de este sencillo dispositivo se basa en una propiedad de los materiales no conductores. Existe para estos materiales un ángulo 24

Nociones de teoría

(ángulo de Brewster) para el cual la reflexión de la luz polarizada en la dirección paralela al plano de incidencia (plano perpendicular a la lámina y que contiene el haz) es nula. No sucede lo mismo para la luz polarizada en sentido perpendicular al plano de incidencia, en cuyo caso parte de la luz es transmitida y parte es reflejada. Como consecuencia de esta propiedad óptica de los materiales, al colocar una ventana en ángulo de Brewster dentro de una cavidad resonante se produce una reflexión parcial de la luz polarizada en sentido normal, mientras que la luz polarizada en sentido paralelo atraviesa totalmente la ventana, obteniéndose al final del proceso una polarización preferente. Figura 21. Lámina colocada en ángulo de Brewster. La luz polarizada en la dirección del eje z no es reflejada por la misma.

El hecho de introducir pérdidas debidas a la reflexión parcial, no sólo tiene lugar de forma directa en la ventana sino que, además, al favorecer un sentido de polarización dentro del resonador, los nuevos fotones que se sumen a la onda por un efecto de emisión estimulada tienen una mayor probabilidad de hacerlo con la polarización predominante dentro del resonador. De esta forma, la luz polarizada en sentido normal se extingue rápidamente al cabo de unos pocos recorridos, y el láser emite un haz de luz linealmente polarizado en la dirección paralela al plano de incidencia sobre el de Brewster. En los láseres gaseosos una lámina en ángulo de Brewster puede ser usada para cerrar el tubo de descarga y separarlo de los espejos, permitiendo, además, la colocación de otros dispositivos dentro de la cavidad y fuera de la zona donde se produce la descarga. MODOS DEL RESONADOR La forma en que está distribuida la densidad de potencia del rayo que 25


emerge del sistema depende de la forma geométrica del resonador y del medio activo. Dentro del resonador se forma una onda estacionaria que es el fruto de las reflexiones que se producen en los dos espejos. Esta onda estacionaria no puede ser cualquiera. Las distintas configuraciones que puede adoptar una onda estacionaria en una cavidad resonante se denominan modos. Podemos distinguir modos longitudinales y transversales. Modos longitudinales Los modos longitudinales o axiales, son aquellos que pueden resonar en la dirección del eje. Ello es posible únicamente para aquellas longitudes de onda que en un recorrido completo del resonador, 2L, avanzan un número entero de longitudes de onda, nλ, donde A es el valor de la longitud de onda. Cada modo longitudinal corresponde a una longitud de onda. Figura 22. Cada modo axial del resonador corresponde a aquellas longitudes de onda cuya mitad cabe un número entero de veces entre los dos espejos. Varios de los modos axiales están contenidos en la curva de ganancia de una transición del medio activo.

Por otro lado, las longitudes de onda asociadas a los fotones que se emiten en una transición del medio activo no son infinitamente precisas, sino que siguen una determinada curva de ganancia que forma una estrecha banda centrada alrededor de los valores característicos del medio activo utilizado. En cada una de las bandas centradas sobre las longitudes de onda 26

Nociones de teoría

correspondientes a las transiciones de un medio activo, podemos encontrar gran cantidad de modos axiales característicos de un determinado resonador, que son las que pueden ser amplificadas en el mismo (figura 22). Existen medios activos que presentan varias líneas en su espectro de emisión de luz capaces de producir radiación láser, como es el caso del láser de argón, con varias líneas en el verde y azul, o el caso del helio-neón, cuya primera emisión se realizó en el infrarrojo cercano aunque la línea más popular se halla en el rojo. También puede suceder que una línea de emisión sea muy ancha, o que varias líneas queden solapadas formando una sola, tal es el caso de los láseres de colorante, o el de CO 2. En todos estos casos, puede suceder que el láser emita simultáneamente varias de las longitudes de onda propias del resonador y del medio activo. En el caso de que existan líneas suficientemente separadas, el resonador puede diseñarse para que seleccione una de ellas, escogiéndose espejos adecuados para la longitud de onda seleccionada, pero que posean un bajo coeficiente de reflexión para las demás. Resulta interesante en ocasiones el poder seleccionar la línea de emisión por parte del usuario, un láser que presente esta posibilidad se dice que es sintonizable. Existen en el mercado diversos láseres sintonizables, los más característicos son los de colorante, con los que, además, al tener la posibilidad de poder variar el líquido utilizado como medio activo, puede obtenerse una amplísima gama de emisión. La forma en que se puede sintonizar un resonador consiste esencialmente en reducir el número de modos longitudinales propios del mismo, introduciendo dispositivos ópticos dentro de la cavidad que produzcan pérdidas en los demás. De esta manera las longitudes de onda que sufren pérdidas debidas a estos dispositivos no son amplificadas en el resonador ya que su coeficiente de pérdidas es mayor que el de amplificación. Existen diversos dispositivos para sintonizar un láser, los utilizados con mayor frecuencia son: — Redes de difracción. — Prismas. — Dispositivos de polarización. — Sistemas interferométricos. Redes de difracción La forma en que trabaja una red de difracción es sencilla. Un haz luminoso que llega a una red de difracción se verá separado de forma angular en sus distintas longitudes de onda al interaccionar con ésta. Las redes de difracción las podemos clasificar en redes de transmisión y de reflexión. En las primeras el haz atraviesa la red, y en las segundas la luz es reflejada por la misma. Las redes de difracción más usadas en láseres sintonizables son las de reflexión con un perfil de diente de sierra, y suelen colocarse en sustitución de uno de los espejos que forman la cavidad. 27


Su diseño tiene en cuenta la resolución que se desea, número de líneas por milímetro, así como el valor de la longitud de onda sobre el que va centrado. Este tipo de red minimiza las pérdidas para esta clase de dispositivos, que por otro lado son elevadas, en comparación con otros mecanismos de sintonización. Una red de difracción colocada en sustitución de un espejo refleja a la vez que dispersa las distintas longitudes de onda del haz incidente (igual que las gotas del agua que separan los rayos del sol para producir el arco iris), de tal forma que solamente una de ellas sigue la dirección del eje óptico del resonador y, por lo tanto, es la única que está en disposición de ser amplificada en el recorrido siguiente. Para sintonizar otra longitud de onda basta con girar la red de difracción, y una nueva longitud de onda sustituirá a la primera en el resonador. Figura 23. Sintonización de λ1, mediante una red de difracción.

Prismas El principio de operación de un prisma es muy similar al de una red de difracción. Como es conocido, un prisma está construido con un material dispersivo, es decir, con un material cuyo índice de refracción varía de forma apreciable con la longitud de onda y produce una separación angular de las distintas longitudes de onda de un haz que incida sobre él. Este fenómeno producido por la refracción en dos de las caras del prisma se aprovecha para que una de estas longitudes de onda incida sobre el espejo del resonador y las demás sean desviadas. Así pues, sólo una longitud de onda está en disposición de ser amplificada en el resonador y las restantes, propias del medio activo, no pueden ser amplificadas al no coincidir con ninguna longitud de onda propia del resonador. 28

Nociones de teoría

La sintonización de otra longitud de onda se consigue haciendo girar el prisma, consiguiéndose así que otra de las longitudes de onda propias del medio activo sea seleccionada. Dispositivos de polarización El filtro que sirve para sintonizar el láser está formado por dos polarizadores lineales y una lámina de material biáxico. Figura 24. Sintonización mediante un prisma de la longitud de onda λ1.

Un material biáxico tiene la propiedad de tener dos ejes perpendiculares con índices de refracción distintos. Dos ondas con iguales características, polarizadas cada una de ellas en la dirección de uno de los ejes del material, se propagan dentro del material a distinta velocidad. Si ambas ondas estaban en fase a la entrada del material, a la salida estarán desfasadas. Cuando una onda linealmente polarizada incide sobre el material con su plano de polarización a 45° de cada uno de los dos ejes del material biáxico, las dos componentes de la onda se propagarán a distinta velocidad y a la salida del material la polarización de la onda puede ser igual a la incidente, perpendicular a la misma, elíptica o circular. Si el haz incidente está constituido por diversas longitudes de onda, a la salida del material cada una de las componentes emergerá polarizada de distinta forma. El filtro consiste en colocar una lámina biáxica entre dos polarizadores lineales de tal forma que la luz polarizada que emerge del primer polarizador incida sobre la lámina biáxica, cambiando la polarización de cada longitud de onda al atravesarla. Sólo una de ellas está en disposición de atravesar el segundo polarizador, colocado paralelamente o perpendicularmente al primero, sin sufrir pérdidas en el filtro. Al reflejarse en el espejo 29


del resonador sigue el camino inverso, por lo tanto, no sufre pérdidas en todo el recorrido mientras que las demás longitudes de onda han sido absorbidas en parte por el filtro. Sólo la longitud de onda que atraviesa el filtro puede ser posteriormente amplificada en el resonador y ser emitida en forma de radiación láser. Para variar la longitud de onda seleccionada se elige un material biáxico con propiedades electroópticas, es decir, que varía el índice de refracción en un sentido determinado al aplicarle una tensión. De este modo, al variar la tensión aplicada al material la longitud de onda, que sale polarizada coincidiendo con el segundo polarizador, va variando y obtenemos un láser cuya emisión cambia su longitud de onda. Figura 25. Cabezal láser con un dispositivo de sintonización que combina un prisma (sintonización gruesa) y un filtro interferométrico, etalon (sintonización fina). 1.– Espejo trasero. 2.– Prisma sintonizador. 3.– Etalon. 4. – Medio activo. 5.– Espejo semitransparente. 6.– Salida del haz sintonizado.

Sistemas interferométricos Consisten en intercalar un filtro interferométrico en la cavidad (dispositivo Fabry-Perot), que selecciona la longitud de onda que interfiere de forma constructiva, filtrando todas las demás que lo hacen de forma destructiva. La sintonización de las diversas longitudes de onda se consigue girando ligeramente el interferómetro o aumentando la distancia entre las dos caras (interferómetro tipo etalon). Este mecanismo de sintonización se utiliza frecuentemente en combinación con algún otro, de los ya descritos, para precisar mucho más la línea de emisión, ya que tiene una resolución muy buena. Modos transversales Los modos transversales son los más importantes a la hora de valorar la calidad de un láser industrial, ya que son los que determinan la distribución de potencia del haz. Supongamos que hacemos un corte perpendicular en el haz a la salida 30

Nociones de teoría

Figura 26. Modos transversales de simetría cilíndrica. En el eje vertical se representa la intensidad de la luz.

del resonador, si analizamos la distribución de potencia del mismo, observaremos que no tiene una distribución uniforme sino que responde a unas configuraciones establecidas denominadas modos transversales o simplemente modos espaciales del haz. Estas distintas configuraciones del haz son fiel reflejo de la onda estacionaria que está generándose dentro del resonador, por lo tanto, el modo que se obtenga es en todo caso una de las posibles soluciones de una onda estacionaria confinada dentro del resonador. Los modos espaciales se designan mediante la anotación TEM UV donde u y v son números naturales que indican la distribución de nodos de la onda estacionaria. Las siglas TEM indican que los campos eléctricos y magnético son transversales respecto al eje que une los dos espejos. 31


El significado de los subíndices u y v dependerá de la simetría del resonador utilizado, si éste es de simetría rectangular u y v serán respectivamente el número de nodos en la dirección del eje x y del eje y. Por otro lado, si el resonador utilizado es de simetría cilíndrica, u representará el número de nodos que se encuentran al desplazarnos en sentido radial mientras que v representará el número de nodos al desplazarnos admultamente, es decir, a lo largo de una semicircunferencia. Frecuentemente, el modo espacial que se obtiene de un resonador es combinación de varios de ellos, y además se ve afectado por la difracción que producen los espejos y el confinamiento del propio medio activo. El modo fundamental espacial TEM 00 tiene su máxima intensidad coincidente con el eje del láser. Posee una distribución de intensidad gaussiana, y presenta menos pérdidas por difracción en su confinamiento dentro del resonador. Además, es el que tiene mayor densidad de energía, así como una menor divergencia. Industrialmente es el que ofrece mayor interés dado que puede focalizarse en áreas mucho más reducidas que los restantes modos, consiguiéndose de esta forma elevadas densidades de potencia en un área muy pequeña. Figura 27. Perfil de intensidad del modo TEM 00 . El tamaño del haz 2W engloba el 87 % de la energía total .

PROPAGACIÓN DEL MODO TEM00 Dado que la mayoría de los láseres comerciales trabajan predominantemente en el modo fundamental TEM 00, será intereresante dar unas nociones básicas acerca de su propagación. En la figura 27 podemos ver el perfil de distribución de potencia que presenta este modo. Como puede observarse se trata de una distribución de Gauss. Dado que teóricamente esta distribución no tiene un límite físico, y por lo tanto es imposible dar el tamaño total del haz, se ha convenido, de 32

Nociones de teoría

forma universal, en dar como tamaño del haz el del diámetro en donde la intensidad ha decaído de tal forma que es igual a I 0 / e2 (I 0 es el valor de la intensidad en el centro del haz) así pues, cuando se habla del tamaño del haz (2w ) debe de entenderse que se trata del diámetro que engloba aproximadamente el 87% de la energía total del mismo. Otra de las características del modo fundamental TEM 00 es, como ya hemos mencionado, su poca divergencia. Existe la creencia generalizada de que un rayo láser es perfectamente dirigible y que conserva su tamaño a medida que avanza. Ello es un error. Un haz láser tiende a abrirse, si bien en mucho menor grado comparándolo con cualquier otra fuente de luz. En la figura 28 podemos ver de forma exagerada este efecto, en ella se ven representados los dos espejos del resonador. En trazo continuo vemos como varía el tamaño del haz a medida que avanza en el espacio. Figura 28. Corte del haz saliendo del resonador. 2W 0 es la cintura o waist. 2 Θ es el ángulo de divergencia.

Existe un punto en el cual el tamaño del haz es más pequeño que en el resto, es lo que se conoce como cintura del haz o waist (del inglés) y lo hemos representado como 2w0. En el dibujo, el waist se muestra dentro del resonador, aunque su emplazamiento depende del radio de los espejos. Existen muchos láseres que tienen el espejo semirreflectante plano, en este caso el waist se encuentra coincidiendo con éste, a la salida del haz del resonador. Como puede observarse, a medida que nos alejamos del waist el tamaño del haz, 2w, va creciendo y tiende de forma asintótica a seguir una recta oblicua que sale desde el centro del waist con un determinado ángulo, 2 Θ . Este ángulo es lo que denominamos divergencia del haz. Para una mayor y más detallada información acerca de la propagación del modo TEM 00 deben dirigirse al capítulo "Transformación de un haz láser". GENERACIÓN DE PULSOS Existen diversas aplicaciones industriales en las cuales es interesante 33


trabajar con una salida pulsada de potencia. Este modo de trabajo permite la generación de pulsos cortos de potencia superior a la de trabajo en modo continuo (CW). Existen dos formas de generar pulsos: — Actuando sobre el bombeo (pulsado por bombeo). — Actuando sobre el factor de calidad (Q) de la cavidad resonante (pulsado por conmutación del factor Q del resonador). Pulsado por bombeo Imaginemos un láser formado por el resonador, el medio activo y un sistema de bombeo cualquiera. Figura 29. Transitorio al iniciar el bombeo del medio activo. N(t) es la evolución temporal de la inversión de población. N o es el valor en situación estacionaria. P(t) es la evolución temporal de la potencia de emisión del láser y P 0 su valor en condiciones estacionarias.

En un primer momento los átomos se encuentran todos en el nivel fundamental; al comenzar el bombeo no existe todavía inversión de población pero a medida que transcurre el tiempo se empieza a generar, (ver la curva N(t ) en la gráfica de la figura 29), de todas maneras aún no se emite luz láser ya que la ganancia del medio es inferior a las pérdidas totales del mismo. Por lo tanto, la inversión de población seguirá aumentando hasta rebasar el umbral en el cual ya es posible la emisión de luz láser, sin embargo en un principio ésta sigue creciendo debido a que todavía no existe radiación en el interior del resonador que despueble el nivel superior. De esta forma llegamos a una situación en la cual la inversión de población es muy superior a la que tenemos en un funcionamiento estacionario, pudiéndose provocar un pulso láser de gran potencia. La emisión de este pulso origina una disminución rápida de dicha inversión 34

Nociones de teoría

con lo cual el resonador deja de emitir luz; a continuación se vuelve a repetir el proceso descrito anteriormente. La intensidad de los sucesivos pulsos va disminuyendo hasta llegar a una situación en la cual la potencia de salida de luz del resonador es estable. Este proceso se describe en la figura 29. La forma y duración de este proceso transitorio depende en cada caso del láser en cuestión y de los tiempos de vida media de los átomos en cada uno de los niveles energéticos. Si los tiempos de relajación de los niveles que intervienen son pequeños, el proceso se amortiguará rápidamente llegándose a una situación estacionaria. Este es el caso de los láseres de estado gaseoso y colorantes. Si por el contrario, los tiempos de relajación son largos se producirá una situación transitoria larga con salida de pulsos separados. Cuando el bombeo es interrumpido en la zona transitoria y vuelve a iniciarse poco después, repitiéndose el proceso a la frecuencia adecuada, obtendremos un láser cuya salida consiste en un tren de pulsos de potencia superior a la que tendría el mismo láser trabajando en continuo. Un caso particular importante ocurre cuando el tiempo de vida del nivel inferior de la transición láser es largo con respecto al nivel superior. La emisión estimulada se producirá cuando la inversión de población rebase el umbral, poblándose a continuación rápidamente el nivel inferior y extinguiéndose así el proceso. Un ejemplo de este fenómeno sería el láser de nitrógeno en el que se obtienen pulsos del orden del nanosegundo y potencias que pueden llegar hasta un megawatio. Figura 30. Evolución temporal de los parámetros que intervienen en la emisión de un pulso por el método de Q-switch. N(t) representa la inversión de población. Q(t) es el factor de calidad del resonador y P(t) la potencia de emisión.

35


Pulsado por conmutación del factor Q Esta segunda manera de generar un pulso es más conocida por el nombre de Q-switch. La técnica consiste básicamente en la introducción de un obturador de conmutación rápida dentro del resonador. Cuando el obturador está cerrado y se inicia el bombeo del medio activo, toda la radiación que se genera en el medio activo se pierde porque la absorbe el obturador. De esta manera se obtienen valores muy elevados de inversión de población, ya que esta aumenta por el bombeo pero no disminuye por emisión estimulada pues no existe radiación electromagnética en el interior del resonador. Cuando el obturador se abre nos encontramos en una situación de alta ganancia debida a la gran inversión de población, lo cual favorece la generación de un pulso de gran potencia y corta duración. En la figura 30 se muestra gráficamente este fenómeno. El valor N o de inversión de población se alcanza bombeando el medio activo con el obturador cerrado. En el instante f 0 se abre el obturador, entonces se observa un crecimiento de la radiación, en un principio lento, que termina con la emisión de un pulso corto e intenso, provocando una disminución rápida de la inversión de población. Cuando se utiliza esta técnica el bombeo se produce de forma continua y la pulsación se obtiene abriendo y cerrando el obturador a una frecuencia óptima. En el proceso de Q-switch puede bombearse también de forma pulsada, la frecuencia se ha de acoplar al tiempo necesario para generar el pulso. La energía que se libera en un pulso es función de la inversión de población que se haya conseguido cuando el obturador estaba cerrado. Existen diversos tipos de obturador: — Moduladores electro-ópticos. — Moduladores acusto-ópticos — Absorbentes saturables. Moduladores electro-ópticos Esta técnica se utiliza sólo en láseres polarizados. Al aplicar un voltaje a un cristal con propiedades electroópticas se cambia el sentido de polarización de la luz, ésta es filtrada posteriormente mediante polarizadores obturándose así el haz. Al desaparecer el voltaje aplicado al cristal, la luz que pasa por él no sufre ninguna variación y puede atravesar el polarizador posterior. Moduladores acusto-ópticos Esta técnica consiste en la aplicación de una onda ultrasónica, por lo tanto una onda mecánica, a un material transparente colocado en el eje 36

Nociones de teoría

del resonador. Esta aplicación produce ondas estacionarias en el material transparente, lo que hace que existan franjas alternativas de distintos índices de refracción. Esto constituye una red de difracción que introduce suficientes pérdidas en el resonador como para disminuir la generación de radiación por emisión estimulada. Al interrumpir la aplicación de la onda ultrasónica sobre el material, éste deja de desviar la luz y actúa como si hubiéramos abierto un obturador. Absorbente saturable Esta técnica aprovecha una característica de algunos materiales, denominados absorbentes saturables. Estos materiales presentan la propiedad de absorber la radiación que se genera en el medio activo hasta que sobrepasan un valor de energía absorbida por encima de la cual el material se vuelve transparente. Una vez saturado el absorbente es necesario interrumpir el bombeo para devolverlo a su estado original, y poder generar así más pulsos. Es decir que con esta técnica se debe efectuar además un pulsado sobre el bombeo.

37

Láseres más utilizados industrialmente

LÁSERES DE CO2 Desde las primeras observaciones de la acción láser en CO2, realizadas por Patel en 1964, se ha producido un gran avance en la investigación y desarrollo de dispositivos láser basados en las transiciones de las moléculas de este gas. En la actualidad los láseres de CO 2 pueden considerarse dentro de los dos o tres grupos de láseres con mayor número de aplicaciones y con más incidencia y ventas del mercado. Las razones de esta evolución tan positiva son, por un lado su alto rendimiento energético, que en muchas ocasiones supera el 20% de la energía bombeo; y por otro lado su característica longitud de onda de emisión, entre 9,4 y 10,6 μm, es decir, en el infrarrojo medio donde gran cantidad de materiales absorben fuertemente la radiación. Además se da el caso de que la atmósfera se comporta de forma transparente y apenas debilita la radiación. El láser de CO2 es sin ninguna duda el láser más utilizado en procesos industriales, así como en otras aplicaciones: cirugía, comunicaciones (enlaces entre satélites), detección remota, crecimiento de cristales, etc. La gama de láseres de CO2 comercializados en la actualidad es enormememente amplia, y abarca un gran abanico de potencias desde unos pocos watios hasta la decena de kilowatios en salida continua de potencia, y del orden del terawatio para los pulsados. El bombeo del medio activo El bombeo energético se efectúa en todos los casos, en láseres industriales, mediante una descarga eléctrica sobre una mezcla gaseosa compuesta principalmente por CO 2, He y N2. Existen diversas formas de efectuar la descarga eléctrica. Según la dirección de la misma la descarga puede ser:

— Longitudinal, en la dirección del eje que une los dos espejos. Este tipo de excitación asegura un buen acoplamiento entre la excitación y el eje óptico, además de una descarga homogénea. Su principal desventaja es la de requerir tensiones muy elevadas del orden de 10 a 20 Kv.

— Transversal si es perpendicular al eje. Su principal ventaja es la de

reducir el nivel de tensión entre electrodos, aunque estos últimos deben estar segmentados para permitir una mayor homogeneidad en la descarga. 39


Al mismo tiempo, la descarga puede efectuarse de distintos modos: — De forma continua, como en los láseres de salida de potencia continua CW (continuous wave), — A pulsos discretos e intensos, como es el caso de los láseres de excitación transversal a alta presión, TEA (transversal excitation atmospheric). — Pulsados a una frecuencia entre 1 kHz y 1 MHz. La ionización de la descarga se produce en los intervalos en que la tensión supera la ruptura. — Excitados por radiofrecuencia, habitualmente en las bandas de radiofrecuencia autorizadas para usos industriales. Este sistema está siendo muy empleado en los últimos años, principalmente en láseres de baja potencia aunque en la actualidad existen láseres de varios kilowatios excitados mediante esta técnica. Principios de operación Los niveles energéticos asociados al efecto láser en la molécula de CO 2 son los niveles rotacional-vibracionales de menor energía correspondientes al estado electrónico fundamental. Figura 31. Modos de vibración de una molécula de CO2 : a) simétrico, b) de flexión, c) antisimétrico.

Realizando una aproximación clásica podemos considerar la molécula de CO2 lineal, con el átomo de carbono en el centro y los dos átomos de oxígeno colocados uno a cada lado. La molécula así constituida tiene tres modos vibracionales posibles, el simétrico, figura 31a, el de flexión, figura 31 b, que puede doblarse en las direcciones x e y, por lo cual se dice que es degenerado, y el antisimétrico, figura 31c . Estos modos vibracionales pueden ser más o menos intensos y estar 40


combinados entre sí. A cada nivel energético correspondiente aun estado vibracional, se le asigna una terna de números que corresponden a la intensidad de cada uno de los tres modos fundamentales (n1, n2m, n3), el sobreíndice en el segundo número cuántico se utiliza para diferenciar los distintos estados debidos a la degeneración del segundo modo fundamental de vibración. Figura 32. Diagrama energético de un láser de CO 2 .

En la figura 32 podemos ver el diagrama de niveles energéticos implicados en la emisión láser de CO 2. En ella se observa, además, el primer modo vibracional de la molécula de N 2. Este gas interviene en el bombeo de las moléculas de CO2 ya que su sección eficaz es mucho mayor que la de éste y por lo tanto es más fácil de excitar por los electrones producidos en la descarga, es decir, el bombeo de la molécula de CO 2 se efectúa a través de la de N2. Por otro lado, la molécula de N 2 en el primer estado vibracional cede fácilmente la energía que posee a una molécula de CO 2 que se encuentre en el estado fundamental, excitándola hasta el estado (0,0 0,1), por un proceso colisional resonante. En la figura 32 puede apreciarse también que el primer estado vibracional del nitrógeno y el estado vibracional (0,00,1) del CO2 tienen aproximadamente la misma energía, por lo que la transferencia de energía se produce muy eficientemente. El nivel de energía en el que se encuentra la molécula de CO 2 después de efectuada la transferencia energética es el nivel superior láser. Una vez la molécula se encuentra en este nivel puede emitir un fotón siguiendo 41


dos caminos distintos, pasando al estado (1,0 0,0), en cuyo caso emite un fotón sobre una banda de 10,4 ym, o bien desexcitándose hacia el estado (0,20,0), emitiendo un fotón en la banda de 9,4 μm. A continuación la molécula desciende hacia el nivel (0,11,0), principalmente por colisión con otras moléculas de CO2 que se encuentran en el nivel fundamental (transición señalada con la letra r en la figura 32). A continuación es cuando el helio juega un papel importante y actúa de «refrigerador», tomando la energía de las moléculas de anhídrido carbónico y llevándolas a su nivel fundamental, (transición señalada con la letra g en la figura 32). En cada una de las dos bandas de longitudes de onda mencionadas anteriormente, alrededor de 9,4 μm y de 10,4 μm, existe una amplia gama de longitudes de onda posibles, ya que cada nivel vibracional está compuesto por un gran número de niveles rotacionales, es decir, a la energía de vibración hay que sumarle la energía de rotación. Los distintos niveles vibracionales están mucho más separados energéticamente que los rotacionales, por lo cual podemos considerar que cada nivel vibracional está formado por una franja numerosa de niveles rotacionales. Así, para la transición que lleva a una molécula de CO2 desde el nivel (0,00,1) al (1,00,0) podemos encontrar longitudes de onda que van desde 10,06 μm hasta 11,02 μm repartidas en unas cincuenta transiciones distintas. Lo mismo ocurre para la transición (0,00,1)–(0,00,2) desde 9,13 μm a 9,95 μm. La mezcla de gas más utilizada por los láseres comerciales está compuesta por un 4,5% de anhídrido carbónico, un 15% de nitrógeno, y un 80% de helio, a una presión de trabajo de algunas decenas de milibares. Existen también láseres a mayores presiones TEA en los que no puede mantenerse la descarga, debiendo trabajar, por lo tanto, en modo pulsado, con pulsos de potencia del orden de los megawatios. Flujo de gas La inmensa mayoría de los láseres con potencias de trabajo superiores a 50 W en modo continuo, funcionan mediante un sistema de renovación de la mezcla gaseosa utilizada para producir la acción láser. Así se consigue aumentar la eficiencia del mismo, ya que por un lado se evita la degradación progresiva de la mezcla, y por otro se produce un efecto de refrigeración del gas que permite despoblar rápidamente los niveles inferiores implicados en el proceso de emisión. Según la dirección del flujo podemos distinguir entre láseres de flujo transversal y láseres de flujo longitudinal. En los primeros el flujo sigue la dirección del eje óptico, siendo largo su recorrido en el interior del resonador. En los láseres de flujo transversal el gas se renueva con mayor rapidez pues sólo permanece escasos centímetros en la zona de excitación. Además de por la geometría, también podemos clasificarlos según la velocidad a la que circula el gas en su interior. Así, distinguiremos entre láseres sellados, que son aquellos en los que no existe renovación de gas, láseres de flujo lento, con un consumo inferior a 100 litros/hora, y finalmente láseres de flujo rápido, en los que generalmente se recircula el gas para disminuir el consumo del mismo. 42


Los láseres sellados tienen una vida limitada, pues al no renovarse el gas éste se degrada al descomponerse el CO2 y formarse óxidos de nitrógeno. Existen láseres sellados con sistemas de recarga de gas. La vida media que se suele garantizar en este tipo de láseres está entre 1000 y 3000 horas de funcionamiento, y sus potencias acostumbran a estar por debajo de los 50 W. Existe una configuración de láser muy utilizada en láseres sellados, es la denominada guía de ondas, en ella la luz no se propaga libremente de un espejo al otro, sino que va guiada en una cavidad de sección pequeña. Con esta configuración se pueden obtener mayores potencias con resonadores más pequeños por el hecho de poder trabajar a más presión, y una óptima refrigeración al ser mayor la relación de superficie de pared con respecto al volumen de la descarga. La excitación de este tipo de láseres suele ser la radiofrecuencia. La composición del gas en los láseres sellados es ligeramente distinta a la de los láseres de flujo continuo debido a que no sólo se busca un mayor rendimiento en potencia, sino también una prolongación de la vida del mismo. Así pues, además de He, N 2 y CO2 se utilizan otros gases como xenón, vapor de agua, etc. LÁSERES DE Nd3+ Este tipo de láser es el más utilizado de forma industrial dentro del grupo de láseres de estado sólido. La longitud de onda en que emite este láser es generalmente 1,06 pm y se encuentra en el infrarrojo cercano. Existen dispositivos formados por materiales ópticamente no lineales que tienen la capacidad de emitir los distintos armónicos de orden superior cuando son atravesados por una onda luminosa. La utilización de estos dispositivos permite la obtención de láseres de neodimio a frecuencia doblada, triplicada o cuadruplicada. Resulta interesante la obtención de la frecuencia doblada, que corresponde a la mitad de la longitud de onda, 532 nm, porque permite la obtención de un láser de neodimio en la zona visible de color verde. El orden de potencias de este tipo de láseres va desde menos de 1 watio hasta unos 150 watios en modo continuo. Alcanza varios cientos de kilowatios de potencia de pico en modo pulsado, y puede llegar a pulsos del orden de 50 MW operando en Q-switch. En este tipo de láseres el medio activado está constituido por cristales o vidrios que se han dopado con impurezas de iones de neodimio, responsables de la acción láser del material. Es de vital importancia para este tipo de láseres la elección del sustrato en el que se inserta el neodimio. Este debe ser buen conductor del calor, para disipar rápidamente el calor que se genera durante el bombeo y evitar que pueda fracturarse por tensiones debidas a la dilatación térmica. Además el cristal o vidrio debe de ser de fácil fabricación a tamaños relativamente grandes, sin pérdidas de las propiedades ópticas que posea. Uno de los láseres de Nd3+ más ampliamente utilizado es el de Nd:YAG, en el que la red cristalina que sirve de soporte a los iones de neodimio es un granate de ytrio y aluminio (ytrium aluminium garnet). Los iones de Nd3+ 43


han sustituido a algunos de los iones de Y 3+ en la estructura cristalina de Y3 AI5O12. Este material impone una restricción importante al no permitir un dopa je mayor al 1,5% de neodimio. Otros soportes muy utilizados en este tipo de láseres son los vidrios de fosfato y silicato; no obstante, el empleo de vidrio como material de soporte presenta el inconveniente de tener una menor conductividad térmica, con lo cual no pueden obtenerse láseres que operen en modo continuo, ni de frecuencias elevadas. Su principal ventaja es la facilidad de obtención de barras de gran tamaño con una distribución muy regular de iones de neodimio, y una buena calidad óptica a precios razonables. Además permiten concentraciones cuatro o cinco veces mayores de dopaje de neodimio que un cristal de YAG, pudiéndose conseguir así láseres de mayor potencia para un mismo volumen. Los láseres de estado sólido más potentes utilizados en proyectos de fusión nuclear son de hecho de este tipo, con potencias de pico del orden de decenas de terawatios. Bombeo del medio activo El bombeo del medio activo es, en todos los casos, óptico, para él se utilizan lámparas de flash muy intensas, lámparas de kriptón de alta presión (4÷6 atmósferas), lámparas de xenón de presión media (0,7÷2 atmósferas), lámparas halógenas de tungsteno... El tamaño típico de una barrita de cristal o vidrio para este tipo de láseres es del orden de 8 mm de diámetro por 80 mm de largo. La disposición de estos dos elementos debe ser tal que permita la mayor eficiencia posible de bombeo, generalmente están colocadas en cavidades elípticas espejadas tal como se vio en el apartado de bombeo óptico y en la figura 15. El rendimiento energético de este tipo de láseres está situado en torno al 2 %, y la cavidad que contiene la lámpara de destello y la barrita de medio activo debe ser refrigerada constantemente, puesto que el resto de la energía utilizada para el bombeo del medio se transforma en calor. Otra técnica de bombeo que recibe especial atención en la actualidad es la que consiste en el aporte de energía al medio activo por medio de diodos láser de semiconductor GaAs o Ga 1–x Alx As. Este método permite la generación de densidades de potencias de pico del orden de 1 kW/cm 2, en unas longitudes de onda que son en el primer caso de 0,88 μm y en el segundo de 0,81 μm. La elevada eficiencia de estos láseres, que es del orden del 30%, unida a la posibilidad de un bombeo monocromático en la banda de absorción del neodimio, centrada alrededor de 0,8 μm, permite la obtención de rendimientos globales del orden del 10%. La introducción de la radiación de bombeo se efectúa por la parte posterior del medio activo, tal como se ve en la figura 33. En el esquema, 1 representa el elemento activo (barrido de Nd:YAG); 2 es el láser de semiconductor; 3 es un espejo con un coeficiente de reflexión de 100% para una longitud de onda de 1,06 ym, que corresponde a la radiación del 44


neodimio, pero transparente a una longitud de onda entre 0,8 ÷ 0,9 μm y que por lo tanto permite la entrada del haz láser procedente del semiconductor; 4 corresponde a un tratamiento de multicapa que evita reflexiones en la cara anterior del medio activo; 5 es el espejo semitransparente del resonador y 6 es la fuente de potencia del láser de semiconductor. Figura 33. Bombeo de un láser de Nd 3+ mediante un láser de CaAs.

El inconveniente principal en este tipo de diseños es el elevado coste de los láseres de semiconductor, en comparación con las lámparas de destello, inconveniente que margina este tipo de bombeo a aquellos casos en que se desea un diseño compacto y un alto rendimiento eléctrico, como en láseres instalados en satélites espaciales. En ocasiones, los extremos de la barrita que constituye el medio activo, convenientemente pulidos y tratados, pueden substituir a los propios espejos del resonador. Mediante un método de multicapas se consigue que uno de sus extremos refleje totalmente la radiación mientras que el otro lo haga de forma parcial permitiendo la extracción de potencia del resonador. Sin embargo, esta configuración no permite la inserción de dispositivos intracavidad muy interesantes para este tipo de láseres, como pueden ser los dispositivos de Q-switch, dobladores de frecuencia o simplemente polarizadores. En el caso de utilizar dispositivos de este tipo se efectúan tratamientos de multicapa sobre los extremos de la barrita para evitar reflejos en los mismos. Es frecuente la utilización de dispositivos Q-switch que permiten la obtención de pulsos extremadamente cortos del orden de algunos nanosegundos, pero de potencia muy alta, del orden de los giga watios. Existen algunos láseres de este tipo que trabajan siguiendo una configu45


ración oscilador-amplificador. Este tipo de configuración consiste en hacer pasar un haz láser obtenido en el oscilador (un láser común de neodimio) a través de una segunda barrita de medio activo que también está siendo bombeada simultáneamente, por lo que trabaja como medio amplificador. Cuando el haz láser lo atraviesa emerge con una potencia mayor, tal Figura 34. Diagrama energético de un láser de Nd 3+.

como se había indicado ya en la figura 12, pudiéndose repetir la operación de forma continuada en sucesivos amplificadores colocados en el eje del haz. Este tipo de aparatos permiten que se pueda disponer de láseres de alta potencia, llegándose hasta los 1.000 watios en modo continuo, con características ópticas suficientemente buenas sin tener que recurrir a la costosa y difícil labor de obtención de cristales de grandes dimensiones y calidad óptica, con los consiguientes problemas de disipación de calor y riesgo de rotura de los mismos. 46


Principios de operación Este láser responde al esquema de un láser de cuatro niveles. Los niveles energéticos que intervienen en el proceso de emisión en un láser de Nd3+ son niveles atómicos, correspondientes a las distintas distribuciones electrónicas de este ion. En la figura 34 se representan estos niveles por bandas, ya que cada nivel queda separado en muchos subniveles, debido a la interacción del campo eléctrico de los átomos que forman la red cristalina en que se ha introducido el ion de neodimio. Como consecuencia del bombeo, los iones de neodimio son llevados hasta tres bandas distintas de energía, A, B y C, mediante la absorción de luz de longitudes de onda en las bandas 0,75, 0,80 y 0,87 μm respectivamente. De allí decaen hasta la banda C, correspondiente al nivel atómico 4 F3/2. Este es el nivel superior láser, desde el cual se efectúa una transición radiativa de 1,06 μm de longitud de onda que deja al átomo en el nivel 4l1l/2, actuando éste como nivel inferior láser. El ciclo se cierra cuando el ion libera la energía que todavía posee y vuelve al nivel fundamental, el 419/2. LÁSER DE RUBÍ El láser de Cr 3+ , comúnmente conocido como láser de rubí, fue el primer láser construido por el hombre. Fue Theodore H. Maiman quien, en 1960, construyó con éxito este primer generador láser. El láser de rubí emite en una longitud de onda de 694 nm, es decir, en la zona visible del espectro correspondiente al rojo. Se trata de un láser de estado sólido, al igual que el láser de Nd 3+, y al igual que éste, el aporte de energía al medio se realiza por medio de un bombeo óptico. Los centros activos emisores de la luz propiamente dichos, son los iones Cr que se hallan insertados dentro de la estructura cristalina del óxido de aluminio, AI2O3, al haber sustituido a algunos iones de AI J+ en dicha estructura. 3+

El rubí está tallado en forma de barrita cilíndrica. Gracias a su resistencia mecánica y a su elevada conductividad térmica, así como a la posibilidad de crecer cristales de gran calidad óptica, este láser ha sido y es ampliamente utilizado hasta nuestros días. La configuración más usual para llevar a cabo el bombeo óptico es esencialmente la misma a la apuntada para el láser de Nd 3+, con la cavidad de sección elíptica en cuyos focos se coloca la barrita de rubí y una lámpara de xenón de presión media (0,7 atmósferas) o una lámpara de mercurio. El espectro de emisión de una lámpara de mercurio coincide de forma aproximada con el de absorción del cristal de rubí, lo cual permite una buena selección del bombeo, de cara a un mayor rendimiento. Con esta lámpara se puede conseguir un régimen de trabajo en modo continuo. Modo de operación Es un láser que responde al esquema de un láser de tres niveles. 47


El bombeo óptico excita los iones de Cr 3+ y los lleva hasta los niveles de energía 4F1 y 4F2. Desde estos niveles pasan rápidamente a dos niveles muy cercanos, 2 A y E, que hacen el papel de nivel superior de la transición láser. La energía que se libera en estas transiciones pasa a la red cristalina. Desde estos dos niveles, 2A y E, sufre la desexcitación radiactiva que origina la emisión láser, y que deja a los iones de Cr 3+ de nuevo en el nivel fundamental 4 A7. Figura 35. Diagrama energético de un láser de rubí.

Estos láseres suelen trabajar en régimen pulsado, siendo su rendimiento inferior al 0,1 %. Si opera con un dispositivo de Q-switch se pueden obtener pulsos de 10 a 50 MW de una duración que oscila entre 10 y 20 ns. El láser de rubí, que fue muy utilizado al principio, ha sido desplazado en los últimos años por su competidor más directo, el láser de Nd:YAG y el de Nd:vidrio. 48


Existen otros materiales que pueden servir como soporte a los iones de Cr 3+. Al contrario que en el caso del Nd 3+, el material utilizado como soporte influye de manera decisiva en la longitud de onda emitida por el láser. Los láseres con iones Cr 3+ que presentan un mayor interés, además del de rubí, son los vibrónicos sintonizables, que responden al esquema del láser de 4 niveles, entre ellos podemos destacar aquellos que tienen como material anfitrión la esmeralda (Cr 3+: Be3 Al2Si6O18) y la alejandrita (Cr 3+: BeAI 2O 4). Estos dos últimos láseres tienen la característica de presentar los niveles de energía del Cr 3+ fuertemente acoplados a la red cristalina, por lo cual se puede considerar que al efectuarse la transición láser la red cristalina es también excitada (se produce un fonón) de tal manera que la suma de la energía del fotón más la del fonón es aproximadamente constante. Dada la amplia gama de niveles vibracionaies, que se traducen en diversos valores de la energía para el fonón producido, la energía de los fotones emitidos puede variar dentro de un margen de valores, por lo cual estos láseres pueden ser sintonizables.

49

Seguridad

PRECAUCIONES ATENER EN CUENTA Las principales precauciones a tomar al utilizar un láser son de dos tipos, las eléctricas, propias de la fuente de alimentación del láser, y las debidas a la exposición a la luz del láser. Los equipos láser trabajan en muchas ocasiones a alta tensión, incluso del orden de varias decenas de kilovoltios. Deben ir protegidos de tal forma que no sea posible acceder a ellos sin desconectar los circuitos de alta tensión. En ocasiones, sin embargo, es necesario manipular en el interior del control del láser o en el láser mismo. Es recomendable que el operario conozca los lugares donde se hallan los componentes, cables y circuitos con alta tensión a fin de evitarlos en todo momento. Solamente personal especializado, conocedor del equipo, debe efectuar las manipulaciones y reparaciones oportunas en caso de avería. Si hay que operaren los conectores u otros elementos de alta tensión, el equipo deberá estar apagado y con los condensadores descargados. A este fin, para mayor seguridad es recomendable cortocircuitarlos a través de una resistencia. Los aparatos láser deben ir conectados a una buena tierra, en todas sus partes accesibles por el operario, y deben cumplir las normas de tipo eléctrico que se requieran en cada caso. Por lo que atañe a las precauciones a tomar con respecto a la exposición a la luz del láser diremos que, en principio, todo láser es en algún grado peligroso, y que debe evitarse la exposición del cuerpo a la misma. Los distintos grados de peligrosidad han conducido a unas clasificaciones de los equipos láser, promulgadas por distintos organismos mundiales, BRH (Bureau oí Radiological Health), ANS (American National Standares Institute), IEC (International Electrotechnical Commission), BSI (British Standards Institution) y otros. Todas estas clasificaciones son de hecho parecidas. Así podemos distinguir las clases siguientes: Clase I: Se consideran láseres de clase I aquellos que no son dañinos a

partes del cuerpo en principio vulnerables a radiación láser. Un ejemplo de este tipo de láser es el de arseniuro de galio (GaAs), cuyo espectro de emisión va desde 820 a 905 nm. Clase II: Los láseres de la clase II son aquellos que emiten por debajo de 1

miliwatio de potencia; estos láseres pueden producir daños en la retina

51


cuando inciden directamente, o después de alguna reflexión, sobre el ojo. El equipo debe ir equipado con una luz piloto y un obturador, así como con una etiqueta indicadora de precaución. Clase III: En esta clase se distinguen dos subclases, la clase Illa, y la clase Illb. Los láseres de He-Ne de menos de 4 miliwatios se incluyen en la clase

Illa. Son altamente peligrosos para los ojos, y deben incluir una etiqueta indicadora de precaución. Los de clase Ill b son aquellos que emiten entre 4 y 50 miliwatios de potencia, y deben de ir equipados con una luz piloto, un obturador y una etiqueta indicadora de peligro. Figura 36. Clasificación de los láseres de onda continua según la peligrosidad de la radiación emitida.

Clase IV: Los láseres de esta categoría son aquellos capaces de emitir

grandes potencias, en este grupo podemos encontrar láseres de CO 2, Nd: YAG, Nd: vidrio, entre otros. Estos láseres son muy peligrosos para los ojos y para muchas otras áreas del cuerpo que se vean expuestas un período suficientemente largo, pudiéndose producir quemaduras en la piel. Deben 52

Seguridad

llevar una etiqueta indicadora de peligro, además de un piloto y un obturador. Clase V: Se trata de láseres de alta potencia. Es una clase reciente en la que la principal característica es que deben quedar siempre confinados, no

permitiéndose la saudade ningún reflejo. Los sistemas de seguridad deben sufrir revisiones periódicas para garantizar su buen funcionamiento. Deben llevar una etiqueta de peligro en lugar visible, aunque los peligros para el operario son pequeños al garantizarse su confinamiento. Muchos son los países con legislación referente a normas de seguridad para equipos láser (Estados Unidos, Alemania, Reino Unido, Francia, Suecia, Noruega, Dinamarca, Suiza, Japón, Australia, Canadá y China). En España, sin embargo, no existe una normativa específica para este tipo de aparatos en lo que atañe a los peligros por exposición a la radiación láser.

53

Tratamiento del haz

TRANSFORMACIONES DE UN HAZ USER Antes de poder ser usado, usado , un haz láser sufre generalmente gener almente alguna algun a transformación. Las transformaciones más comunes son aquellas que ocurren cuando el haz se propaga a través del espacio o a través de un sistema óptico, el cambio se produce en la distribución de potencia o forma del haz, aunque se conserva la estructura de modos. Otro tipo de transformaciones son las que actúan sobre el comportamiento temporal del haz, como las que se pueden producir con un dispositivo acústico-óptico, acústico-óptico, que puede desviar un porcentaje del haz en una dirección que dependerá de la frecuencia de la onda acústica. Figura 37. Ecuaciones que relacionan el tamaño del haz (a) y el radio del frente de onda (b) en función de la distancia recorrida, z, desde la cintura, W 0 0

En este capítulo no trataremos sobre las variaciones que se pueden producir en el haz debido a elementos ópticos colocados dentro de la cavidad, ya que han sido mencionados anteriormente. Propagación de un haz gaussiano

En este capítulo nos limitaremos a considerar la propagación del haz gaussiano de menor orden (modo TEM 00). 55


Como ya se ha mencionado en el capítulo «Propagación del modo TEM00», un haz láser diverge y su tamaño va aumentando con la distancia. La fórmula que relaciona el tamaño del haz con la distancia recorrida se muestra en la figura 37a. En ella 2w es el tamaño del haz, 2 w 0 es el waist o diámetro mínimo del haz (generalmente el conseguido a la salida del láser) y z es la distancia recorrida desde el waist. Otra fórmula importante para poder seguir adelante en este capítulo es la que nos relaciona el radio de c urvatura del frente de onda del haz en función de la distancia recorrida, representada en la figura 37b, donde R es el radio del frente de onda. Una representación gráfica de la variación del radio del frente de onda del haz puede verse en la figura 38. Es importante observar que el frente de onda es plano en el waist (R = ). Como puede verse, tanto el tamaño como el radio de curvatura del haz dependen únicamente de la longitud de onda y del tamaño del waist . ∞

Figura 38. Evolución del haz en el espacio.

A continuación continua ción estudiaremos estudia remos la transformación transfo rmación que sufre un haz gaussiano al atravesar un sistema óptico formado por lentes. En la figura 39b podemos ver representada la transformación del haz al atravesar una lente de focal f. Al llegar ll egar a la l a lente, len te, el tamaño y el radio de curvatura del haz son respectivamente 2w1 y R1 obtenidos al aplicar las fórmulas 37a y b, sustituyendo z por L1. El tamaño del haz a la salida de la lente, 2w 2 2, es el mismo que tenía antes de entrar en ella, 2w 1. 1. Según la aproximación de la óptica paraxial, una onda luminosa esférica con radio de curvatura R 1 que atraviesa una lente emergerá por la cara opuesta con un radio de curvatura R 2 según la fórmula y el dibujo de la figura 39a, donde f es la distancia focal de la lente. 56

Tratamiento del haz

Si interpretamos el comportamiento de la lente como el de un dispositivo que varía el radio del frente de onda que llega hasta él, podremos aplicar la misma transformación para el caso de un haz gaussiano que llega a la lente con un radio R 1 y emerge por la otra cara como un nuevo haz gaussiano con un radio de curvatura R 2. El tamaño mínimo que puede tomar el haz al salir de la lente 2w 02 y la distancia a la que alcanzará ese valor se pueden calcular aplicando las fórmulas de los haces gaussianos de la figura 37 a y b. Haciendo las Figura 39. Transformación de una onda esférica (a) y un haz gaussiano (b) al atravesar una lente de focal f.

sustituciones oportunas llegamos al sistema de ecuaciones de la figura 40, donde f 0 es igual a πw01 w02/ λ. Una solución aproximada de esta ecuación es la que da como tamaño de un haz focalizado 2W02≈2f λ/πW 01. Por lo tanto, según se deduce de esta expresión, un haz gaussiano no puede enfocarse infinitamente, sino que el tamaño del mismo es función de la focal de la lente, de la longitud de onda y del waist del haz incidente. Asimismo, la divergencia del haz y el tamaño del mismo están unívoca57


Figura 40. Ecuación que permi te calcul ar el tamaño y distancia del nuevo waist al atravesar una lente.

mente relacionados y no dependen de ningún otro factor que se pueda alterar. Siendo el ángulo de divergencia, 20, inversamente proporcional al waist, 0=A/ nw0. En otras palabras, cuanto más pequeño sea el tamaño del haz al ser enfocado, más rápidamente se abrirá a continuación, y por lo tanto, el margen de espacio en que el haz está enfocado es más pequeño. Por el contrario, si lo que se desea es proyectar un haz sin que apenas diverja (colimar el haz) para recorrer una gran distancia, lo que se hace es expandirlo con un sistema de dos lentes en configuración telescopio. En estas condiciones el haz es capaz de recorrer grandes distancias con una divergencia mínima. INTERACCIÓN DEL LÁSER CON LOS MATERIALES La acción del haz láser sobre los materiales en procesos industriales produce en éstos efectos térmicos. El proceso puede dividirse formalmente en dos partes: 1) La incidencia del haz en el material y la transferencia de su energía. 2) Los efectos que produce en el material este aporte de energía. Figura 41. Ilustración cualitativa del proceso de interacción del haz con el material. Parte de la radiación es reflejada en la superficie y parte se difunde hacia el interior siendo absorbida y transformándose en calor.

58

Tratamiento del haz

En lo que se refiere a la incidencia del haz y su transferencia de energía al material, hemos de considerar que sólo una parte de la energía incidente se transmite al interior, ya que parte de ella es reflejada por la superficie del material, tal como se recoge en la figura 41. La potencia que se transmite al material se relaciona con la potencia incidente mediante el coeficiente de acoplamiento C. En un caso general, la potencia transmitida (P )t se relacionará con la potencia incidente (P )i mediante la expresión: P t =CxP i

En el caso de que la superficie del material sea pulida, se tiene para el coeficiente de acoplamiento C la expresión C = 1 – R, donde R es el coeficiente de reflexión del material para la longitud de onda de la radiación incidente. Para que el material pueda ser tratado mediante el haz láser es preciso que la potencia transmitida sea absorbida por el mismo, dando lugar a un aumento de la temperatura. Un parámetro importante a considerar es el coeficiente de absorción de radiación del material, α abs, que indica la porción de radiación que es absorbida por unidad de longitud. Tanto el coeficiente de absorción como el de acoplamiento dependen del material y de la longitud de onda de la radiación. Los metales, los dieléctricos o los semiconductores tienen comportamientos típicos. El coeficiente de absorción de los metales es muy elevado y crece con la longitud de onda de la radiación, mientras que el coeficiente de acoplamiento es pequeño y decrece con ésta. El comportamiento de los dieléctricos es más irregular; en general, el coeficiente de absorción es mucho menor y aumenta con la longitud de onda, pudiéndose encontrar zonas muy absorbentes según la naturaleza concreta del material. Su coeficiente de acoplamiento es elevado. Los semiconductores presentan una banda de absorción intensa en L zona visible e infrarrojo próximo con un comportamiento similar al de los metales. Para longitudes de onda más largas el comportamiento es seme jante al de los dieléctricos. El coeficiente de acoplamiento de un material es un factor dependiente de la temperatura. En la figura 42 se muestra una gráfica típica para metales. En ella se observa que a temperaturas próximas a la de fusión se produce un aumento considerable de este coeficiente, con lo que resulta un incremento del rendimiento del proceso de absorción de energía por el material. Finalmente, indicaremos que el coeficiente de acoplamiento depende del grado y de la dirección de polarización del haz cuando este incide oblicuamente sobre la superficie del material. Este hecho tiene cierta importancia para los metales. Una vez la energía de la onda ha sido absorbida por el material, se produce un aumento de su temperatura. Este aumento no se limita a las zonas donde incide el haz sino que se difunde hacia las zonas adyacentes. Para relacionar el aumento de temperatura de cualquier punto del material con 59


la potencia absorbida, hemos de tener en cuenta factores como el calor específico, la conductividad térmica y los calores latentes de cambio de estado, parámetros todos ellos propios del material. En el proceso de la transferencia de energía al material intervienen varios factores como el enfoque del haz, el estado superficial del material, el régimen en que opera el láser y el aporte de gas. Figura 42. Curva típica que relaciona el coeficiente de acoplamiento con la temperatura para un metal.

ENFOQUE DEL HAZ Una de las propiedades más importantes del láser desde el punto de vista de su aplicación al tratamiento de materiales es la coherencia del haz. Gracias a ésta puede enfocarse toda la potencia emitida y concentrarla sobre zonas de dimensiones transversales del orden de la longitud de onda, consiguiéndose así densidades de potencia muy elevadas. Para llevar a cabo la focalización del haz se utilizan lentes o espejos. Una relación práctica que nos permite calcular el diámetro del haz focalizado es:

donde Df es el diámetro del haz focalizado, D1 el diámetro del haz incidente, f la distancia focal de la lente y λ la longitud de onda. Otra 60

Tratamiento del haz

expresión que nos permite calcular fácilmente el diámetro del haz focalizado es Df =2& X / donde 20 es la divergencia del haz incidente. En la tabla de la figura 43 se dan algunos valores teóricos del diámetro del haz focalizado, la divergencia del mismo y la densidad de potencia alcanzada para una potencia dada al utilizar distintas focales. Estos valores teóricos pueden no coincidir exactamente con los reales debido a las aberraciones introducidas por el sistema focalizador. Así pues, para obtener el máximo rendimiento de un equipo deben utilizarse ópticas de calidad. Otra característica importante del haz focalizado es la profundidad de foco, que representa la distancia en la cual se puede considerar el haz focalizado.

La definición concreta de este parámetro depende de la variación del tamaño del haz que consideremos que puede ser tolerada. Si definimos 5 como el cociente entre el tamaño de haz tolerado y su tamaño mínimo (5 = 1 -(-tanto por uno considerado), la profundidad de foco d vendrá dada por la expresión:

en la tabla de la figura 43 se han considerado variaciones del radio del haz del orden del 5 %. 61

Figura 43. Tabla que relaciona focal de la lente, diámetro del haz focalizado, pr ofundidad de toco (tamaño del haz 5 % superior al focalizado), divergencia del haz focalizado y densidad de pot encia en el punto local para dos láseres de 100 W y 1 kW de potencia.


Observando las expresiones que nos dan el diámetro del haz focalizado y la profundidad de foco en función de la focal, nos daremos cuenta de una dependencia lineal del primero y cuadrática del segundo. Estoes, para un valor doble de focal se obtiene un valor doble de diámetro del haz focalizado mientras que la profundidad de foco aumenta en cuatro veces su valor, como se puede observar en la figura 44. Figura 44. Relación entre el diámetro del haz focalizado y la profundidad de foco del mismo.

ESTADO SUPERFICIAL DEL MATERIAL En el apartado de transferencia de energía se comentó el significado del coeficiente de acoplamiento. Es evidente que desde el punto de vista de rendimiento energético de un proceso determinado, interesa que dicho coeficiente sea lo mayor posible. Tratamientos superficiales que aumentan la rugosidad de la superficie, tales como el arenado o la aplicación de finas capas de substancias absorbentes, pueden incrementar el valor de dicho coeficiente. En la figura 45 se dan valores típicos del coeficiente de acoplamiento para un metal con distintos acabados superficiales. El aumento que experimenta el coeficiente de acoplamiento con la temperatura hace que una vez iniciado el proceso, favorecido por el tratamiento de la superficie, éste se mantenga. 62

Tratamiento del haz

Figura 45. Coeficientes de acoplamiento para un acero típico en función del acabado superficial.

RÉGIMEN DE FUNCIONAMIENTO DEL LÁSER Los efectos térmicos que la radiación produce en el material dependen de la evolución espacial y temporal de la temperatura en el interior del mismo. Así pues, la utilización de un láser en modo continuo o en modo pulsado influirá en los resultados obtenidos. Figura 46. Configuración estándar de boquilla.

63


Por ejemplo, pulsos cortos y energéticos tienden a perforar mientras que la misma energía repartida sobre un tiempo más largo sería más adecuada para un proceso de corte. APORTE DE GAS En la mayor parte de los procesos con láser se utilizan gases de aporte. Un flujo de uno o varios gases se proyecta sobre la zona a tratar, utilizando para ello dispositivos que permiten además el enfoque del haz mediante un sistema óptico colocado en su interior. Estos dispositivos reciben el nombre de boquillas. En la figura 46 se presenta una configuración estándar. Figura 47. Boquillas para el corte de metales.

Las razones para la utilización de gas de aporte son básicamente las siguientes: Proteger la óptica de focalización

Los gases desprendidos en el proceso, debidos a la evaporación del material tratado, son muy perjudícales para la óptica utilizada. Los vapores y partículas procedentes del material pueden depositarse en la superficie de la lente aumentando la absorción de la misma y provocando un calentamiento excesivo de ésta que puede desembocar en un daño irreparable. Reducir el efecto de absorción de energía incidente por parte del gas expulsado en la vaporización del material en tratamiento.

64

Tratamiento del haz

Los gases producidos en el tratamiento de material son, en la mayor parte de los casos, absorbentes de la radiación incidente, provocando un descenso en el rendimiento del proceso. Por ello deben ser rápidamente apartados de la zona de trabajo. Producir o evitar reacciones químicas

La elección del gas más conveniente requiere un estudio en profundidad de cada proceso concreto. Los gases más frecuentemente utilizados son: nitrógeno, oxígeno, aire, argón y helio. Cualquiera de ellos puede servir para la protección de la lente. Los gases inertes inhiben las reacciones de oxidación. El argón y el helio son utilizados para evitar la formación de un plasma gaseoso sobre la superficie en tratamiento para que absorba la energía del láser. El oxígeno favorece reacciones de oxidación exotérmicas que incrementan el rendimiento del proceso produciendo un aumento de temperatura en la zona que se une al efecto térmico del láser y aumentando además el coeficiente de acoplamiento. Eliminación de material fundido

Otro efecto colateral que puede obtenerse en ciertos procesos, principalmente en el corte de metales, es el de la eliminación mecánica del fundente producido en el proceso mediante un chorro de gas a presión que sale de la boquilla y lo arrastra. Un proceso complementario al del aporte de gases es el de su extracción. La adecuada extracción de los gases aportados o producidos en el proceso no sólo mejora el rendimiento de éste, sino que evita efectos nocivos, tales como acumulación de gases tóxicos o combustibles. Para llevar a cabo esta aspiración pueden utilizarse métodos clásicos (aspiradores y extractores) colocados adecuadamente por debajo del material tratado o lateralmente al mismo. También puede utilizarse un método de aspiración localizado que puede integrarse en la misma boquilla. La forma de las boquillas es muy variada y está en función del material y del proceso a realizar. En concreto, en el corte de metales suelen utilizarse boquillas posicionadas muy cerca del material, con un orificio de salida de gases pequeño para potenciar la salida del gas a gran velocidad y favorecer con ello el arrastre del material fundido. La figura 47 muestra dos boquillas de este tipo, una para focal de 2,5 pulgadas y otra para 5 pulgadas. En el corte de plásticos, como el metacrilato, el orificio de salida es mayor y alejado del material. El gas que sale de la boquilla forma así una atmósfera local que evita la combustión del material sin proyectar el vapor del mismo sobre su superficie, en donde se volvería a solidificar produciéndose un mal acabado. En la figura 48b aparece una boquilla de este tipo, en ella se observa claramente la diferencia de diámetro del orificio de salida en relación a las utilizadas para metales. Existen en el mercado algunos modelos de boquillas autofocalizables. Para ello incorporan un sensor de posición del material que gobierna un servomotor con el que la boquilla sube o baja a fin de mantener constante la posición con respecto al material. Los sensores más frecuentemente utilizados son los de contacto directo con el material y los capacitivos. En 65


la figura 48a se presenta una boquilla autofocalizante que apoya directamente sobre el material, desplazándose por contacto con éste sin necesidad de motor. ELEMENTOS ÓPTICOS Para aprovechar a fondo las posibilidades que ofrece un haz láser, su dirigibilidad y enfoque, se utilizan diversos componentes ópticos. Entre los más utilizados encontramos lentes, espejos y láminas semi-transparentes. Otros elementos tales como redes de difracción, polarizadores y dispositivos no lineales, no suelen utilizarse en el tratamiento del haz a nivel industrial, aunque los resonadores puedan llevarlos incorporados. Figura 48. Boquilla autofocalizable a) y para corte de plásticos b).

Debemos mencionar aquí la importancia que para la industria del láser tiene la óptica de multicapas. Elementos ópticos con reflexiones del orden del 99%, lentes con alta transmisión, combinadores de haz o láminas de reflectividad ajustada sólo pueden conseguirse mediante esta tecnología. La base de la misma consiste en la deposición de sucesivas capas delgadas, del orden de la longitud de onda, sobre los substratos adecuados, mediante la tecnología del alto vacío. Lentes y sistemas de lentes

Las lentes son elementos capaces de concentrar o dispersar un haz aprovechando la refracción que sufre la luz al pasar de un medio a otro con distinto índice de refracción. Según su comportamiento las lentes se clasifican en convergentes o divergentes. En la figura 49 se presenta un ejemplo de cada tipo. En la primera un haz que llega paralelo a la lente es focalizado al otro lado de la misma, la distancia comprendida entre la lente y el punto donde se cruzan posteriormente se denomina distancia focal de la lente. En el segundo caso se trata de una lente divergente. La distancia 66

Tratamiento del haz

focal es la distancia comprendida entre la lente y las prolongaciones de los rayos que emergen de la misma. Este parámetro define el comportamiento de la lente y tradicionalmente se expresa en pulgadas. Para las lentes convergentes la focal tiene signo positivo y para las divergentes el signo es negativo. Figura 49. Lente convergente (en la parte superior) y divergente (en la parte inferior).

A fin de obtener los mejores resultados es aconsejable la utilización de sistemas ópticos libres de aberraciones. Por causa de las aberraciones, los rayos que llegan paralelamente a la lente no convergen en un único punto, sino que sufren una dispersión alrededor del mismo. Los tipos de aberración que afectan a la focalización del haz son: — Esférica. — Coma. — Astigmatismo. La aberración de coma y la de astigmatismo son propias de haces luminosos que no inciden de forma perpendicular a la lente. Este caso no suele producirse en nuestro campo de aplicación. La aberración esférica es la de mayor importancia al considerar la focalización de un haz, coaxial al eje óptico, por una lente o un sistema de lentes convergentes, operación frecuentemente realizada en la mayor parte aplicaciones industriales. 67


Este tipo de aberración es debida a la variación de la distancia focal a medida que nos alejamos del eje de la lente, formándose un cono de focalización en lugar de un único punto focal, tal como se observa en la figura 50. La consecuencia inmediata de este hecho es una disminución de la densidad de potencia obtenida en el punto focal, al aumentar la zona irradiada. Existen en el mercado sistemas ópticos, compuestos por varias lentes, que carecen de esta aberración. Figura 50. Trayectoria de los rayos en la aberración esférica.

En el caso de utilizarse una única lente para este fin, atendiendo a la curvatura de sus caras encontramos tres tipos de lentes: biconvexas, planoconvexas y cóncavoconvexas o meniscos (figura 51). El tipo de lente que ofrece menor aberración esférica es el menisco, seguido de las planoconvexas y biconvexas. Además de las lentes esféricas vistas anteriormente, existen lentes de tipo cilíndrico en las que el haz es focalizado en un segmento rectilíneo de la misma longitud que el diámetro del haz incidente. Figura 51. Lentes convergentes. Biconvexa a) planoco nvex a b) y menisco c).

68

Tratamiento del haz

Entre los sistemas de lentes más utilizados encontramos, además de los sistemas corregidos de aberraciones, los expansores de haz. Estos consisten esencialmente en una de las dos configuraciones de telescopio (de Galileo de Kepler). Su finalidad es la de aumentar el diámetro del haz para disminuir su divergencia. Las ventajas de este proceso son dos: en primer lugar la de poder recorrer una distancia relativamente grande sin aumentar apenas su diámetro, en segundo lugar la consecución de un diámetro menor al ser focalizado posteriormente. Un punto a tener en cuenta en cada tipo de láser es la utilización del tipo de lentes adecuadas, especialmente en lo que se refiere al material que las constituye. Éste debe permitir el paso del haz sin apenas absorción del mismo ya que esto, además de provocar una disminución en el rendimiento del proceso, dañaría la lente al calentarse. El coeficiente de absorción de los distintos materiales varía con la longitud de onda, por lo que a cada tipo de láser le corresponden una serie de materiales óptimos. Esto obliga a la utilización de lentes cuyos sustratos son característicos para cada tipo de láser. En la tabla de la figura 52 podemos encontrar distintos materiales óptimos para la fabricación de lentes con sus ventanas de transmisión. Figura 52. Tabla de materiales utilizados para la construcción de elementos ópticos.

Espejos

En este apartado consideraremos únicamente los espejos utilizados fuera del resonador. Los dos tipos de espejos más utilizados son los planos y los convergentes o cóncavos. Los espejos planos se utilizan para deflectar el haz y llevarlo hasta la lente de focalización. 69


Los espejos convergentes sirven a la vez para deflectar y focalizar. En la elección de los espejos, al igual que en las lentes, hay que tener en cuenta el tipo de láser utilizado, puesto que tanto el sustrato utilizado como el tratamiento superficial de multicapas están diseñados para una estrecha banda de longitudes de onda. Figura 53. Combinador de haz.

Combinadores de haz

Estos elementos son láminas que están diseñadas para la combinación de dos haces de distinta longitud de onda. Como puede observarse en la figura 53 una de las caras del dispositivo refleja totalmente el primero de los haces, deflectándolo a 90°. El segundo haz incide por la otra cara siendo totalmente transmitido, de forma que se solapa con el primero. Una aplicación, más característica del laboratorio que de la industria, es Figura 54. Cámara de vídeo acoplada a un combinador de haz para visualizar la zona de trabajo.

70

Tratamiento del haz

el aprovechamiento de la reflexión de la luz procedente de la zona de trabajo para visualizar mediante una cámara de video el proceso, como puede observarse en la figura 54. Partidor de haz, o beamsplitter

Este dispositivo consiste en una lámina diseñada para reflejar un determinado porcentaje del haz y transmitir el resto. El porcentaje reflejado depende del recubrimiento utilizado en una de las caras de la lámina. La utilización de estos dispositivos permite la obtención de diversas zonas de trabajo a partir de una única fuente láser, como puede verse en la figura 55. En ella mediante la utilización de dos beamsplittersy un espejo se obtienen tres zonas de trabajo. Si la potencia requerida en las tres zonas es la misma la primera lámina debe reflejar el 33 % de la potencia y la segunda el 50%. Figura 55. Obtención de tres zonas de trabajo con la utilización de dos beamsplitters y un espejo a partir de un único haz láser.

MANTENIMIENTO DE LOS ELEMENTOS ÓPTICOS El tiempo de vida de un elemento óptico depende en gran parte del mantenimiento que reciba. La limpieza de los mismos es la parte más importante. Un elemento óptico sucio se convierte en absorbente de la radiación, lo cual lleva consigo un aumento de la temperatura que puede dañar su superficie o incluso causarle la rotura. Como ya se ha mencionado, la mayor parte de los elementos ópticos tienen una serie de capas depositadas sobre su superficie que optimizan su función. Un calentamiento excesivo o un inadecuado tratamiento puede provocar un desprendimiento de las mismas. Un deterioro de estas capas lleva consigo una pérdida de características del elemento y por consiguiente una disminución en el rendimiento del mismo. 71


El mantenimiento de la limpieza de los elementos ópticos es de gran importancia y se debe realizar con el material adecuado utilizando líquidos disolventes y papeles especiales para la limpieza de ópticas. Los líquidos a utilizar pueden variar según el material del sustrato y de las capas del elemento a limpiar. En todos los casos el fabricante del material óptico aconseja el uso de unos u otros líquidos. Los más utilizados son acetona y metanol. Si la superficie a limpiar es plana el método aconsejado consiste en colocar el papel especial encima del elemento óptico y verter una gota del líquido empleado encima del mismo. A continuación se retira lateralmente el papel de forma que se arrastre por la superficie del elemento a limpiar (ver figura 56). Figura 56. Limpieza de elementos ópticos.

En el caso de que la superficie a limpiar esté curvada o que siendo plana requiera una mayor limpieza se plegará el papel y se tomará con unas pinzas, vertiéndose a continuación unas pocas gotas del líquido sobre el mismo. Seguidamente se frotará el papel sobre el elemento a limpiar sin apenas aplicar presión. En el caso de haber quedado un depósito sobre la superficie de la óptica y no ser suficiente con el método descrito, se recomienda tenerla sumergida durante un tiempo en uno de los disolventes utilizados y proceder de nuevo según el método descrito. 72

Sistemas láser

INTRODUCCIÓN El láser fue definido en la década de los setenta como "una solución en busca de problemas". Con el desarrollo paralelo de la robótica, su utilización en la industria para el procesado de materiales se ha ido convirtiendo en una realidad, en la que los sistemas láser constituyen unas máquinasherramienta potentes e imprescindibles. Corte, soldadura, perforado, grabado, tratamientos superficiales, son algunas de las aplicaciones que ya incorporan normalmente sistemas láser, debido a la versatilidad, precisión y mayor rapidez que presentan frente a otros métodos convencionales de mecanización. Los diferentes sistemas incorporan una fuente de haz láser y una mesa de coordenadas gobernadas por control numérico o bien un robot, para conseguir el movimiento relativo entre la pieza y el haz. Esto puede conseguirse de dos formas: — Moviendo la pieza manteniendo el haz quieto. — Moviendo el haz manteniendo quieta la pieza. Esta última opción presenta a su vez dos posibilidades. La primera Figura 57. Cabezal de láser de CO 2 con localizador sobre mesa de coordenadas de dos ejes X e Y (Cortesía: Crilaser, S.A.).

73


consiste en mover todo el cabezal del láser por encima de la superficie a procesar, lo que requiere un sistema sólido de soporte para el láser y se va convirtiendo paulatinamente en inviable a medida que aumenta la potencia del láser a utilizar y, como consecuencia, el peso del cabezal. La segunda opción consiste en mover un sistema óptico de entrega de haz hasta el punto de mecanización. Esta solución es válida para láseres de alta potencia, en los que el cabezal permanece en reposo y puede estar colocado fuera de la zona de trabajo. El sistema óptico consiste en un conjunto de espejos deflectores colocados a 45°, de modo que el haz reflejado por cada espejo forma un ángulo de 90° con el haz incidente. Con un sistema de tan solo dos espejos puede cubrirse cualquier zona sobre un plano. Figura 58. Eje de giro A.

MESAS DE COORDENADAS Consisten en unos ejes de coordenadas móviles, gobernados por control numérico, en los que se sujeta la pieza a mecanizar. Las más sencillas incorporan dos ejes, X e Y, permitiendo desplazamientos en sentido positivo y negativo, es decir, de –X a +X, de –Y a +Y, con lo cual se puede describir cualquier movimiento en el plano. Así, desplazando la superficie bajo el haz, se pueden mecanizar piezas planas. En la fotografía de la figura 57 puede verse el cabezal de un láser de CO2 estático sobre una mesa de coordenadas que puede trabajar con dos ejes. 74

Sistemas láser

Algo más complejas son las mesas de tres ejes, X, Y, Z, que incorporan un eje vertical Z, con recorrido de –Z a +Z, que permite la aproximación del plano de trabajo durante el funcionamiento de la máquina y su separación para facilitar manipulaciones de carga y descarga del material. Otra posibilidad de utilización de este tipo de mesas consiste en aprovechar el eje vertical para seguir superficies no planas, manteniendo en todo momento la distancia focal adecuada para un correcto mecanizado. Existen diversas variaciones sobre estos dos modelos descritos, según la aplicación en particular. Así, pueden encontrarse mesas de un solo eje en las que el otro movimiento viene dado por el avance de una cinta transportadora incorporada a una cadena de fabricación o, en algunos casos, que los ejes de coordenadas estén separados físicamente, no enclavados sobre el mismo soporte.

Figura 59. Eje de giro 8.

Las mesas de cinco ejes incorporan además de los ejes de desplazamiento X, Y, Z, otros dos ejes de giro, A y B. Se utilizan para el mecanizado de piezas no planas. Aunque con tres ejes puede describirse cualquier volumen, es necesaria la incorporación de los ejes de giro para conseguir que el haz se mantenga perpendicular a la zona de trabajo. El eje A (figura 58), permite una rotación de 180° en una dirección de eje. El eje B (figura 59), permite un giro continuo sobre el plano. Así, en cualquier punto puede programarse la inclinación relativa de la pieza respecto al haz asegurando su ortogonalidad. 75


Figura 60. Sistema de desplazamiento de tres ejes X, Y, Z.

Las mesas descritas hasta ahora corresponden al primer tipo de movimiento relativo, en el que se desplaza la pieza a mecanizar siguiendo un contorno programado bajo una fuente de haz láser que permanece inmóvil. Suelen emplearse para el mecanizado de piezas relativamente pequeñas, de poco peso, fáciles de manipular. Sin embargo, cuando su tamaño o su peso aumenta, puede ser aconsejable la utilización de mesas pórtico, Figura 61. Pórtico de dos ejes X e Y movie ndo sistema óptico (Cortesía: Crilaser, S.A.).

76

Sistemas láser

en las que se desplaza el haz sobre la superficie estática (segundo tipo de movimiento). En este tipo de mesas, los ejes móviles están situados formando un puente sobre una mesa donde se deposita el material a mecanizar. El pórtico puede soportar el cabezal de un láser, si éste es de baja potencia, o bien un sistema óptico de transmisión de haz, para láseres de alta potencia. De modo análogo, el desplazamiento de los ejes sigue las coordenadas X, Y, Z, describiendo los ejes X e Y el movimiento en el plano y reservando el eje Z para el posicionado del focalizador hasta la distancia de trabajo o retirada de éste a posición de reposo ( figura 60). También podrán llevar a cabo el mecanizado de piezas en volumen cuando presenten los dos ejes adicionales de giro. La fotografía de la figura 61 muestra un detalle de un pórtico de dos coordenadas, que desplaza un sistema óptico de espejos deflectores. En la figura 62 se muestra un esquema de pórtico también de dos coordenadas, que desplaza un cabezal láser sobre el plano de trabajo de la pieza. Figura 62. Pórtico de dos ejes sobre mesa estática.

La combinación de movimientos proporcionados por los ejes de las mesas y de los pórticos, junto con los espejos, puede originar un número relativamente extenso de diseños de sistemas láser, no encuadrables en un modelo determinado. En las figuras 63 y 64 se muestran dos sistemas de mecanizado formados por tres ejes. Obsérvese que en la primera se trata de un sistema pórtico compacto, en que todos los movimientos los realiza el haz sobre un soporte donde descansa la superficie a tratar. En la segunda, los ejes X y Z constituyen un pórtico. El eje Y, independientemente de los otros dos, completa el conjunto de movimientos desplazando la superficie de trabajo por debajo del haz. Las siguientes figuras muestran asimismo dos soluciones diferentes de cinco ejes, incorporando ya movimientos de rotación para el tratamiento por láser de piezas en volumen. En el esquema de la figura 65 aparece un 77


Figura 63. Sistema de tres ejes.

pórtico de cinco ejes sobre soporte estático. En la figura 66 se representa un pórtico con cuatro ejes; dos de ellos son de giro y los otros dos de desplazamiento lineal. Todo el conjunto está acoplado a una cadena de avance de piezas que proporciona el tercer movimiento lineal. La programación de las mesas de coordenadas se realiza por control numérico, del mismo modo que muchos otros tipos de máquinasherramienta. Los desplazamientos de los ejes se realizan indicando las coordenadas Figura 64. Sistema de tres ejes.

78

Sistemas láser

de la posición a alcanzar después de cada movimiento sencillo, tanto en línea recta como en curva, y la velocidad de avance hasta posición de origen y régimen de trabajo. El control numérico permite al mismo tiempo gobernar algunas de las funciones del láser como son el encendido y apagado o el nivel de potencia.

Figura 65. Sistema de cinco

e/es.

Figura 66. Sistema de cinco

e/es.

79


Figura 67. Robot articulado moviendo pieza bajo un haz láser estático.

ROBOTS El acoplamiento de un láser a un robot industrial puede llevarse a cabo de tres modos distintos: El primer sistema consiste en utilizar el robot para sujetar las piezas a mecanizar y moverlas bajo el haz láser describiendo trayectorias prograFigura 68. Robot articulado moviendo el sistema óptico sobre pieza estática.

80

Sistemas láser

madas. Al mismo tiempo, pueden asignársele las funciones de carga y descarga de material, clasificación de piezas terminadas, selección y separación de piezas defectuosas o cualquier otra operación necesaria dentro de la cadena de producción. Para ello, el robot debe estar dotado de un brazo articulado que le permita adoptar cualquier posición en el espacio, con una pinza en su extremo para sujetar las piezas y presentarlas frente al haz (figura (figura 67). 67). El empleo de este tipo de robot resulta útil cuando las piezas son poco voluminosas. La segunda opción se basa en el empleo de un robot con brazo articulado Figura 69. Brazo óptico con espejos deflectores en las articulaciones.

81


cuyo extremo disponga de una pinza para mover un sistema óptico o el cabezal del láser. De esta manera el robot aproxima la boquilla hasta focalizar el haz sobre la superficie. En algunos casos se limita a realizar un acercamiento del sistema óptico, siendo éste último el que por medio de un motor de avance lento alcanza la posición focal correcta (figura (figura 68). 68). En este caso, debe prestarse atención a la adecuada alineación de los espejos del sistema de suministro de haz, mientras que el robot puede ser del mismo tipo que los empleados en el caso anterior. Será el sistema de elección cuando el tamaño de las piezas no permita su manipulación o en el caso en que se requieran estructuras excesivamente sólidas para mane jarlas. Figura 70. Robot con sistema óptico incorporado.

El sistema óptico presentará mayor o menor complejidad según el tipo de aplicación necesaria y la dificultad que entrañe el posicionamiento hasta la zona de trabajo. Un sistema complejo presentará varias articulaciones, permitiendo de uno a seis grados de libertad para su manejo, como el esquematizado en la figura 69, 69, en el que se pueden ver siete tipos de movimiento generados por las articulaciones, transportando el haz por un total de seis espejos detectores. La tercera variante presenta una mayor complejidad ya que implica la utilización de un robot especialmente diseñado para esta aplicación. En éste, el sistema óptico está integrado al brazo móvil con los espejos deflectores coincidiendo con las articulaciones del robot (figura (figura 70). 70). Presenta la dificultad adicional de alineación de un número superior de espejos, frente a la ventaja de poder operar con un sólo sistema flexible. Este método es el más aconsejable cuando la complejidad de la pieza a procesar dificulte el acceso a las zonas de trabajo. La utilización de un brazo articulado con espejos puede en algunos casos sustituirse por un conjunto de piezas telescópicas extensibles, que reducen el número de espejos en función de la cantidad de posiciones que debe adquirir el focalizador. 82

Sistemas láser

En el caso de sistemas que incorporen un láser de neodimio: YAG, existe la posibilidad del empleo de fibra óptica para la transmisión del haz desde el cabezal hasta el focalizador, con lo que se elimina la necesidad de los espejos deflectores, ganando flexibilidad, al mismo tiempo que disminuye la complejidad mecánica en el diseño del robot y las pérdidas de potencia por absorción o desalineación de los espejos. Con una fibra óptica de 1 mm de sección, puede transmitirse una radiación continua de potencia superior a los 400 W, hasta una distancia de 25 m. Los límites de curvatura permitidos y la calidad de la radiación transmitida son las dos restricciones de diseño a tener en cuenta para las aplicaciones específicas. Aunque Aunqu e en la actualidad actua lidad se realizan reali zan numerosos numer osos estudios estud ios sobre este tema, aún no se ha comercializado una fibra óptica apta para transmitir la radiación de un láser de CO 2, limitándose a los sistemas ópticos usuales. Para programar un robot, el método más sencillo consiste en enseñarle directamente las configuraciones que deberá adoptar, moviéndolo manualmente. También se utiliza el método de descripción numérica de trayectorias, introduciendo los datos de forma directa, o una variante del control numérico, como si se tratara de una máquina-herramienta. El control del robot puede también regular la intensidad de salida del haz láser. Sistemas más complejos de CAD han generado programas de trabajo por simulación gráfica sobre pantalla, que se transmiten a la unidad de control del robot sin necesidad de interrumpir el curso de su ejecución. SCANNERS El término scannerse corresponde en español a "exploración" o "barriFigura 71. Scanner con dos espejos deflectores.

83


do", indicando que se cubre densamente una zona de superficie. Así, los scanners serán los elementos óptico-mecánicos que permitirán a un haz láser efectuar un barrido de líneas colaterales hasta abarcar un área determinada. La característica fundamental de estos sistemas reside en que pueden moverse con gran rapidez, pues al estar formados por piezas de pequeño tamaño y poca masa presentan muy poca inercia al movimiento. El sistema scanner más utilizado es el que emplea espejos oscilantes. El haz láser se hace incidir sucesivamente en dos espejos que oscilan sobre ejes perpendiculares entre sí, tal como se muestra en la figura 71. A la salida del cabezal el haz láser es dirigido por medio de un espejo deflector a 45 ° hacia un espejo focalizador, que a su vez lo reflejará hacia el primer espejo móvil, el cual al oscilar moverá el haz a lo largo de una dirección. De modo análogo, con la oscilación del segundo espejo se regulará la posición del haz en la otra dirección del plano, perpendicular a la primera. Figura 72. Scanner con dos espejos deflectores (Cortesía: MACSA).

Cabe notar que cada posición del haz sobre la superficie de trabajo viene fijada por una posición concreta de los dos espejos oscilantes. Al mismo tiempo que se mueve el haz sobre el plano la pieza a tratar puede permanecer quieta o bien trasladarse en una dirección por medio de un eje mecánico, alcanzando velocidades de desplazamiento de 35 m/min.

Un sistema equivalente y muy utilizado es el que aparece en la fotografía (figura 72), en el que se ha sustituido el conjunto formado por el espejo deflector más el espejo focalizador por una lente focalizadora a la salida del haz seguida de los espejos oscilantes, con los dos motores que gobiernan su movimiento. 84

Sistemas láser

Figura 73. Sistema poligonal de espejos deflectores.

Un sistema diferente es el que emplea un conjunto poligonal de espejos deflectores en rotación (figura 73). El haz láser, al incidir sobre una cara de espejo en movimiento, describirá un tramo de línea recta sobre la superficie cuya longitud vendrá delimitada por las dimensiones de dicho espejo. Al continuar la rotación, el haz pasará a incidir sobre el espejo contiguo, con lo que el haz volverá a la posición inicial describiendo nuevamente el fragmento de línea recta. Figura 74. Sistema «Hologon»

Al combinar este movimiento con uno perpendicular de la pieza puede abarcarse también un área de trabajo en dos dimensiones. Considerando los parámetros que afectan al sistema scanner, como son ángulo de barrido, velocidad, linealidad, eficacia, duración, etc., el dispositivo de elección suele ser el de multiespejos deflectores rotatorios. Sin embargo, presenta como principal problema el conseguir que todas las caras de los espejos presenten idénticas propiedades de reflexión. Ade85


más, el elevado número de espejos es susceptible de originar errores de posición debido a fallos en su alineamiento. Por este motivo se han estudiado soluciones alternativas para conseguir sistemas de alta resolución en los que se minimizan estos elementos ópticos. Tal es el caso del dispositivo llamado hologon, que consiste en un disco giratorio que incorpora cuatro fragmentos holográficos de idénticas propiedades ópticas (figura 74). Dichos fragmentos actúan simultáneamente como lentes focalizadoras y como deflectores, de modo que el haz al pasar por el disco en movimiento describe un arco de circunferencia sobre la superficie que se repetirá cada vez que atraviese la porción de lente. El barrido en dos dimensiones se consigue con ayuda del movimiento de la superficie de trabajo a lo largo de un eje. CAD/CAM PARA EQUIPOS LÁSER El diseño asistido por ordenador (CAD), unido a la fabricación asistida por ordenador (CAM), constituyen una vía para incrementar la productividad y eficacia en las modernas industrias. Pero sólo desde principios de los ochenta se han empezado a unificar las dos tecnologías. Actualmente se refleja este hecho en el término CAD/CAM. En la industria del láser se han estudiado diferentes programas para los equipos de trabajo. Tanto en el tema CAD como en el CAM, independientemente, se han desarrollado muchas aplicaciones láser dentro de las dos tecnologías. Un programa base para aplicaciones láser, como marcado, corte, soldadura o perforado, presenta cuatro componentes mayoritarios, todos con una referencia común. Los componentes (input, output, técnica de posicioriamiento y láser) usan vectores de información. El primer componente input genera una base de datos CAD a partir de la información exterior, utilizando para ello potentes programas software de vectores que nacieron para reducir el tiempo y los costes asociados a las tareas repetitivas de diseño industrial. Con el crecimiento de la potencia de procesado de los ordenadores personales (PC), junto con el desarrollo de paquetes de software de ayuda al diseño aptos para PC, la obtención de piezas optimizadas para el procesado láser se ha convertido en una realidad asequible en tiempo y costes para cualquier industria. El sistema de output es el segundo componente de la integración del CAD en el CAM para los equipos de trabajo láser, consistiendo en este caso en un postprocesador. Este postprocesador actuará como nexo de unión entre los códigos generados por el programa CAD y el lenguaje de trabajo de la porción de programa CAM. La mayoría de configuraciones CAD usan plotters con coordenadas X-Y, para poder obtener dibujos físicos de la información generada. Generalmente, los datos para salida de plotters suelen estar organizados de forma estándar utilizando el mismo tipo de lenguaje para gráficos. Existe además una gran similitud entre los comandos necesarios para gobernar el lápiz de dibujo y el cabezal del láser. Ambos funcionan bajo órdenes simples, por ejemplo, lápiz arriba, lápiz abajo o enciende láser, 86

Sistemas láser

apaga láser. La gran ventaja recae, sin embargo, en la posibilidad de generación de órdenes complejas por parte del sistema CAD, como son la creación de círculos, arcos de circunferencia, relaciones de escalas o velocidades de barrido o llenado de bloques de gráficos. La técnica de posicionamiento del haz láser es el tercer componente importante en la integración al programa CAM. La mayoría incluyen mesas de coordenadas, robots o sistemas galvanométricos de espejos deflectores X-Y (scanners). Todos ellos incluyen una estructura de comandos que puede utilizar vectores de información llegada de un postprocesador para coordinar y sincronizar los movimientos de la herramienta láser. El propio láser constituye el cuarto componente, proporcionando flexibilidad, versatilidad y una vía de trabajo segura para la manufactura y fabricación. Al mismo tiempo, el programa vectorial dirige el ciclo de trabajo regulando con eficacia el uso de la potencia del láser. Figura 75. Esquema de fabricación láser incorporando diseño y manufactura asistida por ordenador.

Un ejemplo de configuración Un sistema CAD/CAM de ayuda al diseño y a la fabricación, incorporado a un ordenador personal, ejercerá las funciones de cálculo de piezas y optimización de procesos, generando una base de datos modificable por el usuario. Una vez obtenidos dichos datos el postprocesador se encargará de traducir las órdenes al lenguaje apropiado para gobernar las distintas máquinas. Así, en el caso de las mesas de coordenadas o robots que forman parte del equipo láser, los comandos serán pasados a control numérico o cualquier otro medio de comunicación usual entre este tipo de sistemas (figura 75). Al mismo tiempo, a nivel de postprocesador, se establecerán por parte del usuario las órdenes de regulación del propio láser; niveles de potencia, encendido y apagado, velocidad de posicionamiento y de trabajo, selec87


ción del modo continuo o pulsado, o cualquier otro parámetro necesario para cada aplicación concreta. Una vez obtenido el programa de trabajo, el control numérico se encargará de llevar a cabo la fabricación para la obtención de las piezas. Independientemente del equipo láser, el ordenador puede continuar realizando gestiones sin necesidad de interrumpir el proceso de mecanización, generando nuevos programas de trabajo para otras máquinas dentro de la cadena de fabricación o atendiendo las funciones de control de calidad dentro del nivel de producción.

88

Corte de materiales

INTRODUCCIÓN El corte con láser es un proceso inducido térmicamente, en el cual la energía de un haz de luz focalizado es absorbida por el material, que se vaporiza formando así el corte. Los factores que determinan la posible aplicación del láser en el corte de materiales son, en su mayoría, propiedades ópticas, térmicas, eléctricas y mecánicas del propio material. La absorción de la radiación incidente es uno de los más importantes. No sólo depende de las características del material, sino también en gran manera de la longitud de onda de la radiación. Figura 76. Gráfica de la variación de la absorción en función de la longitud de onda.

En la figura 76 se representa la variación del porcentaje de absorción con la longitud de onda para un metal y un aislante a una temperatura constante. Nótese el diferente comportamiento de ambos tipos de materiales: para los aislantes la absorción aumenta rápidamente llegando a valores próximos al 100 % a partir de una longitud de onda de 2 pm; en el caso de los metales la absorción disminuye exponencialmente con la longitud de onda. 89


Para la longitud de onda de 10,6 ym, característica de los láseres de CO 2, la interacción entre los electrones libres del material y la radiación es la causa de la alta reflectividad y baja absorción que presentan los materiales de elevada conductividad eléctrica como el oro y la plata. Para el hierro y materiales de conductividad eléctrica media, la reflectividad y absorción tienen valores intermedios. Por el contrario, los aislantes como plástico y madera tienen una reflectividad mínima con una alta absorción. Por este motivo, los aislantes son excelentes candidatos para ser cortados por láser de CO2. Los espesores del material que se pueden cortar y las velocidades que se pueden alcanzar son mucho mayores que para el acero. Del mismo modo que la reflexión de la radiación disminuye con la temperatura del material, como se puede observar en la figura 42, la absorción aumenta con la temperatura, pudiendo experimentar un incremento de hasta el 30 %. La combinación de estos dos fenómenos permite la utilización de láseres de CO2 para el corte de metales. Figura 77. Tabla de conductividades térmicas para distintos materiales.

También se puede ver en la figura que los metales presentan mayor absorción para la radiación de 1,06 Jim, característica de los láseres de Nd:YAG. Por otra parte, esta menor longitud de onda permite la focalización del haz a un diámetro más pequeño, con lo cual la densidad de potencia alcanzada es muy grande, haciendo que el láser de Nd-YAG sea en muchos casos el elegido para la mecanización de sustratos metálicos. Ahora bien, las potencias promedio que se alcanzan con un láser de Nd-YAG son muy inferiores a las desarrolladas por los de CO 2, hecho que explica la mayor utilización del láser de CO2 en la industria. Otro factor a tener en cuenta es la conductividad térmica, ya que para 90

Corte de materiales

que la radiación absorbida consiga elevar la temperatura hasta el punto de fusión y posterior vaporización es necesario que el calor suministrado permanezca concentrado en la zona de trabajo. En la tabla de la figura 77 se detallan las conductividades térmicas de algunos materiales. Plata, cobre, oro y aluminio, los metales más difíciles de tratar por láser, tienen los valores más altos. MECANISMO DE CORTE En la técnica de corte mediante láser la extracción del material se realiza por evaporación del mismo a lo largo de toda la zona de corte. El calor necesario para conseguir esta evaporación viene proporcionado por un sistema constituido por la fuente del haz láser y la boquilla, que incorpora la óptica de focalización y permite el flujo del gas de aporte, acoplado todo ello a un conjunto mecánico que permita el movimiento relativo entre el haz y la pieza a cortar. La transmisión de calor al material se realiza mediante la focalización del haz sobre la superficie, elevando su temperatura hasta el punto de ebullición y con la consiguiente evaporación. La temperatura de la zona adyacente es algo inferior con lo que sólo se produce la fusión del material. Figura 78. Geometría del proceso de corte.

La densidad de energía en la zona de corte ha de ser del orden de 108 2 W/cm . La longitud focal de la lente a utilizar depende del espesor del material. Para planchas gruesas es necesaria una mayor profundidad de campo, lo que se consigue con lentes de focal larga. Por ejemplo, para el corte de 91


planchas de 2 mm se suelen utilizar focales de 1,5 pulgadas mientras que para planchas de 10 mm se aconseja la utilización de lentes de 5 pulgadas. Además del haz incidente se utiliza un flujo coaxial de gas de aporte el cual realiza varias funciones: contribuye a la expulsión del material al incidir sobre la superficie de corte a presión, potencia el corte por oxidación en los metales o evita la combustión al crear una atmósfera inerte en el caso de los no metales, y protege la óptica de la incidencia de partículas procedentes de la zona de corte. El haz focalizado y la corriente de gas de aporte inciden sobre la cara superior de la superficie a cortar. Parte del haz es reflejado y parte es absorbido. Esta fracción de energía absorbida provoca un aumento de la temperatura, evaporando una zona del material e iniciando así el corte. A partir de este momento, el calor se propaga preferentemente en profundidad hasta atravesar la totalidad del material. El cilindro de material evaporado constituye el llamado frente de erosión. Concéntricamente a este frente se forma una fina capa de material fundido separando la zona de corte del bloque sólido, como puede observarse en la figura 78. Este frente avanza, siguiendo el movimiento, trazando la línea de corte. Figura 79. Pórtico de dos ejes para corte por láser de CO2 (Cortesía: Crilaser, S.A).

En el caso de utilizar un gas de aporte no inerte se produce una reacción exotérmica que contribuye a calentar esta zona de material fundido alcanzando temperaturas superiores al punto de ebullición. Este fenómeno provoca una fuerte evaporación en la superficie de la capa fundida con gran eliminación de material. Además, una fracción de la zona fundida es arrastrada fuera de la pieza debido a la presión del gas. Para materiales de poco espesor, del orden de 1 o 2 mm, la eliminación de material por evaporación domina debido a la alta temperatura produci92

Corte de materiales

da. A medida que aumenta el espesor de la pieza la contribución de la eliminación de material en forma líquida crece en comparación con la evaporación porque la temperatura de la capa fundida disminuye. SISTEMAS DE CORTE Puede utilizarse cualquiera de los sistemas descritos en el capítulo anterior, tanto para la realización de cortes en piezas planas como en volumen. La fotografía de la figura 79 muestra una configuración usual de equipo láser para corte de materiales no metálicos. El equipo incorpora un láser de CO 2 de 100 W de potencia operando en modo continuo. El sistema móvil consiste en un pórtico de dos ejes, X e Y, gobernados por control numérico. En cada uno de los ejes se sitúa un espejo deflector que conduce el haz hasta la lente focalizadora, instalada en el conjunto de la boquilla que permite a su vez el aporte de gas. El área de trabajo efectivo es de 1000 mm X1000 mm. Tanto la colocación del material a cortar como la obtención de las piezas mecanizadas se realiza a través de una bandeja extraíble. Pueden cortarse diversos materiales, como cartón, papel, cuero y piel, plástico y derivados, madera, etc., con espesores límite del orden de 10 mm y una velocidad máxima de 15000 mm por minuto. CORTE DE METAL Nos encontramos con el problema ya conocido de la alta reflexión que las superficies metálicas ofrecen a la radiación de 10,6 μm de los láseres de CO2. Para solventarlo se requiere el empleo de altas densidades de potenFigura 80. Cilindro de aluminio cortado con láser de CO2 .

93


Figura 81. Pieza de acero mecanizada con láser de CO2 .

cia en la zona de trabajo. Esto repercute en el rendimiento del proceso, obteniéndose peores valores que en el caso de los no metálicos. Es característica la aparición de un estriado en toda la superficie del corte, como puede observarse en las fotografías de las figuras 80 y 81. La primera muestra un cilindro de aluminio de 5 mm de espesor cortado con un láser de CO 2 de 2 kW operando en modo continuo. En la segunda aparece una pieza de 5 mm de acero también cortada con láser de CO2. La irregularidad de estas estrías se ha comprobado que aumenta con el espesor del material, obteniéndose las mejores calidades de corte para láminas delgadas. Existen diversas teorías sobre la formación de estas estrías u ondulaciones entre las que se incluyen la influencia de la variación de temperatura o de las reacciones generadas por la interacción de la radiación. Figura 82. Aspecto del avance del corte.

94

Corte de materiales

En el proceso de corte de materiales que incorporan hierro en su composición, se utiliza oxígeno como gas de aporte. La zona de corte es calentada por el haz hasta temperaturas en las cuales se combina con el oxígeno. Se produce entonces una reacción de oxidación exotérmica, liberando gran cantidad de energía. Esta energía se propaga radialmente a una velocidad superior a la de corte. El frente de oxidación avanza hasta ser alcanzado de nuevo por el haz. Este proceso se repite a lo largo de todo el corte, pudiendo ser el responsable de este estriado (figura 82). Atendiendo al efecto del avance de la capa de material fundido, las periódicas oscilaciones de temperatura que sufre pueden ser también las causantes de dichas estrías. Figura 83. Velocidades de corte para acero al carbono.

La amplitud y frecuencia de estas estrías es aleatoria cuando se trabaja en modo continuo, pero son controlables al operar con un láser pulsante, mejorando la calidad del corte. Así por ejemplo, cuando se corta acero dulce de 1,25 mm de espesor con un láser de CO2 de 450 W, los mejores resultados se obtienen trabajando en modo pulsado a una frecuencia de 500 Hz. El acero al carbono permite ser cortado con láser de CO2 de 1 kW hasta un espesor de 15 mm, consiguiéndose cortes de anchuras comprendidas entre 0,1 y 0,3 mm, donde el gas de aporte es oxígeno. La zona de afectación térmica es mínima, especialmente en aceros dulces y aceros con bajo contenido de carbono. El corte resultante es pulido, de ángulos 95


rectos y con baja rugosidad. La presencia de fósforo y azufre en la composición del acero dulce origina a veces el oscurecimiento del corte por su combustión. Si el porcentaje de carbono es elevado se obtienen mejores calidades de corte, pero la zona de afectación térmica es más ancha. En la gráfica de la figura 83 se representan velocidades de corte de acero al carbono en función del espesor. Figura 84. Velocidades de corte para acero AISI 304.

En el caso del acero inoxidable se consiguen también buenas velocidades de corte, como puede observarse en la figura 84. Estas son inferiores a las logradas para el acero carbonado debido a que el acero inoxidable no reacciona tanto con el oxígeno. Si se sustituye por un gas inerte, como el nitrógeno, la velocidad de corte se reduce en un 50%, pero se protege de oxidación el borde de la zona cortada. El fácil control del calor aplicado a la pieza permite minimizar la zona de afectación térmica, lo cual también mantiene la propiedad de resistencia a la oxidación.

Figura 85. Tabla de velocidades de corte de metales con láser de CO2 (en página siguiente)

En los aceros martensíticos y ferríticos (serie 400), el corte es pulido y sin rebabas. La presencia de níquel en aceros austeníticos (serie 300) altera las condiciones de transferencia de energía del láser al material. Más exactamente, la viscosidad del níquel fundido durante el proceso causa su deslizamiento hacia la parte inferior del corte donde se solidifica. Esto provoca la formación de rebabas, tanto más evidentes cuanto mayor sea el contenido de níquel y el espesor del material. 96

Corte de materiales

97


Figura 85. (Continuación) Tabla de velocidades de corte de metales con láser de CO2

.

El titanio absorbe la mayor parte de la radiación procedente de un láser de CO2, con lo cual es un buen candidato para ser cortado por láser. Con la utilización de un flujo de oxígeno se consiguen altas velocidades de trabajo pero se crea una capa de óxido. Utilizando láseres de alta potencia, del orden de 2 kW, se han conseguido cortar láminas de cobre de un espesor de hasta 4 mm, a pesar de la alta reflexión inicial. Como en el caso anterior, se ayuda con oxígeno con la consiguiente formación de óxido. El acabado es pulido, con ausencia de escoria y baja rugosidad. Las velocidades alcanzadas para una plancha de 0,6 mm son del orden 150 mm/min. La figura 85, que se ha desglosado entre las páginas 97 y 98, contiene una tabla de valores de corte de algunos metales con láser de CO 2. Se han representado aquellos que se consideran más significativos dentro de las amplias posibilidades de corte que pueden obtenerse. 98

Corte de materiales

La tabla de la figura 86 contempla el corte de metales con láser de Nd:YAG. CORTE DE PLÁSTICOS Los plásticos constituyen uno de los campos de mayor aplicación del corte de materiales no metálicos por láser. Absorben la radiación procedente de un láser de CO 2 en un porcentaje muy elevado, cercano al 100%. El alto nivel de absorción permite por un lado trabajar con láseres de potencias bajas, a partir de 30 W, y por otro alcanzar altas velocidades de corte cuando se utilizan láseres de potencias superiores a 1 kW. Como puede observarse en las tablas de las figuras 87 y 88, se pueden tratar acrílicos, poliestireno, PVC, polipropileno, policarbonato, poliuretanos, poliamidas, con espesores que llegan hasta los 30 mm por término medio. En cada caso se especifica la potencia del láser utilizado así como el gas de aporte. La calidad del corte depende fundamentalmente del tipo de plástico ya que cada uno se comporta de modo distinto frente a la radiación. Los que 99

Figura 86. Tabla de velocidades de corte de metales con láser de Nd: YAG.


presentan mejores resultados son aquellos cuyo punto de fusión es preciso y elevado, no presentan descomposición con el aumento de la temperatura y los vapores formados no tienen coloración. Figura 87. Tabla de velocidades de corte de plástico con láser de CO 2 .

Independientemente del tipo de plástico, un factor importante para conseguir cortes de calidad es la distancia existente entre el punto focal y la superficie del material. Variaciones de posición relativa entre foco y superficie afectan a la anchura del corte y a la forma del mismo.

100

Corte de materiales

Focalizando el haz a una cierta distancia por encima de la superficie, se obtienen cortes anchos con las paredes del corte rectas y paralelas. Cuando se focaliza en el interior del material, la anchura del corte en la parte superior es mayor que en la inferior, describiendo las paredes una forma cónica. En conjunto el corte es más estrecho, consiguiéndose los mínimos valores cuando se sitúa el punto focal a 1/3 del espesor total del material. Si el punto focal coincide con la superficie, la anchura y forma del corte son intermedios de los casos anteriores. En el corte de metacrilato es donde se obtienen los mejores resultados. Cuando se trabaja con policarbonato o PVC la calidad de corte es muy buena, pero debe prestarse especial atención a la eliminación de los valores producidos ya que éstos pueden manchar la superficie de la pieza. En el caso de operar con polietileno, algo transparente a la radiación, la calidad del corte viene afectada por la formación de gotas y rebabas en los bordes del mismo. Figura 89. Curva de velocidades de corte frente al espesor para metacrilato.

La variación de la velocidad de corte de plásticos acrílicos para una potencia dada en función del espesor se indican en la figura 89. Como se puede ver, para una misma potencia las velocidades aumentan con la disminución del espesor. Hay que notar que la velocidad de corte no es directamente proporcional a la potencia empleada, sino que este hecho se acusa más para espesores mayores. En la fotografía de la figura 90, se muestran letras de metacrilato de 5 y 10 101


Figura 90. Letras de metacrilato cortadas con láser de

mm, cortadas con un láser de CO 2 de 100 W de potencia. Para las piezas de 5 mm la velocidad de corte fue de 1 m/min, y para las de 10 mm, su valor se redujo a 0,2 m/min.

La calidad del corte se mantiene hasta espesores límite comprendidos entre 20 y 25 mm. En la fotografía de la figura 91 se pueden ver piezas de metacrilato de 20 mm cortadas con un láser de 100 Wa una velocidad de 100 mm/min. Es de destacar la obtención de un corte brillante sin necesidad de un pulido posterior. Figura 91. Piezas de metacrilato cortadas con láser de CO2 .

102

Corte de materiales

En el corte de metacrilato el gas de aporte desempeña un papel muy importante. La determinación del flujo adecuado para la consecución de resultados óptimos, además de la elección del tipo de gas, requiere un estudio para cada tipo de proceso en los que intervenga este material. De este modo, el empleo de gas inerte, como nitrógeno o argón, proporciona una mayor protección frente a la posible combustión o inflamación de los vapores formados que la suministrada por un flujo de aire. Sin embargo, el aire puede constituir un buen gas de aporte económico si se emplea un sistema potente de aspiración de vapores. El gas de aporte contribuye al mismo tiempo al enfriamiento de la zona cortada. Figura 92. Bicicleta de metacrilato cortada con láser de CO2 .

Si la presión del gas es excesiva los vapores formados se depositan de nuevo en el ángulo superior del corte. Debido a que aún está ligeramente caliente se adhieren con facilidad y forman una fina línea de rugosidad; en caso contrario la superficie del corte aparece lisa y brillante. La fotografía de la figura 92 muestra una bicicleta cortada en metacrilato de 3 mm con un láser de CO2 de 100 Wa una velocidad de 1500 mm/min, utilizando nitrógeno como gas de aporte. El acabado es de gran calidad, el ángulo de corte es recto y no presenta rugosidad.

CORTE DE MADERA Una de las aplicaciones del corte de madera por láser con mayor tradición es la fabricación de troqueles para la industria de embalajes de cartón. Desde hace aproximadamente quince años en el Reino Unido se emplean sistemas láser que incorporan una fuente de CO2 de 300 W de potencia operando en modo continuo. Mientras la fuente permanece 103 10 3


Figura 93. Curva de velocidad frente al espesor para el corte de madera de abeto.

estática las piezas se desplazan debajo del haz por medio de unos ejes de coordenadas móviles gobernados por control numérico. Utilizando una lente de cinco pulgadas, con aporte coaxial de nitrógeno, se consiguen ranuras limpias de carbón en el corte de madera de arce laminada y contraplacada de 18 mm de espesor. La madera absorbe la radiación láser casi en su totalidad. Las temperatuFigura 94. Madera para marquetería cortada con láser de CO 2 .

104

Corte de materiales

ras que se alcanzan en la zona de corte son superiores a los 5000 ° k . La energía absorbida rompe los enlaces orgánicos del material produciéndose los residuos típicos de la combustión de madera en ausencia oxígeno, como son carbonilla, alquitranes y algunos hidrocarburos gaseosos, los cuales pueden ser fácilmente extraídos con un aspirador convencional. La cantidad de residuo formado en el corte depende en gran manera del tipo de madera. Así, al cortar maderas nobles, se observa un ligero oscurecimiento de la zona cortada debido a la combustión producida. Cuando se trata de tablero, formado por capas sucesivas de madera encoladas, el corte aparece mucho más oscuro, en especial en la zona de la cola, observándose bandas más claras, correspondientes a las propias capas de madera. Si la pieza a cortar está constituida por aglomerado, en el que la madera en forma de pequeñas astillas y serrín está prensada con cola, el resultado es un corte uniforme y muy oscuro de carbonilla. Figura 95. Marco de madera lacada cortado con láser de CO2 .

La velocidad de corte depende entre otros factores del espesor del material. En la figura 93 se representa esta variación para madera de abeto cortada con láseres de CO2 de 500 y 1000 W , utilizando nitrógeno como gas de aporte. La anchura del corte, comprendida entre 0,2 y 0,8 mm, es controlada por la potencia del láser, la velocidad del proceso y la distancia entre el punto focal y la superficie del material. El gas de aporte desempeña un papel importante en el acabado del corte. Si se emplea un gas inerte como el nitrógeno se crea una atmósfera local exenta de oxígeno, minimizando las posibilidades de combustión. Para aquellas aplicaciones en las cuales el oscurecimiento del corte sea admitido puede utilizarse como gas de aporte un flujo de aire. Una de las grandes ventajas de la utilización del láser en el corte de madera es la ausencia de contacto con la pieza. Gracias a esto se eliminan 105


todos los inconvenientes causados por el clásico desgaste de las hojas de sierra. Por otra parte evita posibles deformaciones o fracturas en la pieza, permitiendo el corte de maderas frágiles como las utilizadas en marquetería.

Figura 96. Aplicaciones del láser de CO 2 en materiales no metálicos.

En la fotografía de la figura 94 se puede ver el corte realizado por un láser de CO2 sobre una placa de madera de 0,8 mm de espesor. La velocidad de corte alcanzada es de 15 m por minuto, con una potencia de 15 W . Cabe destacar por un lado la precisión del corte, lo que permite el perfecto encaje de las piezas cortadas, y por otro la forma del corte. La utilización de troqueles difícilmente permite la obtención de un dentado tan agudo.

La gran versatilidad proporcionada por los sistemas actuales de corte por láser ofrece la ventaja de diseño de prototipos con facilidad. Esto hace que la producción de series cortas sea rentable. Un ejemplo lo tenemos en la fotografía de la figura 95 donde se muestra un marco portafotos de madera de 6 mm cortado con un láser de CO 2 de 100 Wa una velocidad de 1200 mm por minuto. Debido al lacado de la pieza, una vez cortada el oscurecimiento de la zona de corte no tiene importancia. El acabado final se consigue tan solo con dos operaciones, aumentando la rentabilidad del proceso. 106

Corte de materiales

Figura 97. Trozos de peluche cortados con láser de CO2 .

CORTE DE OTROS MATERIALES A pesar de que las aplicaciones industriales recaen mayoritariamente en el corte de metales, plásticos y madera, existe una gran diversidad de materiales que también pueden ser tratados por láser. Entre estos encontramos piel, tela, cartón, papel, vidrio, cerámica, etc. En la figura 96 se presentan algunos de los materiales aptos para ser mecanizados con láser de CO2. El corte de tela tiene una clara aplicación en la industria de la confección. Figura 98. Cartones ondulados cortados con láser de CO2 .

107


La capacidad de seguir la complicada forma de los patrones y de obtener cortes limpios y sellados con objeto de evitar el posterior deshilachado hacen del láser la herramienta idónea. Así por ejemplo, láseres del orden de 300 W , montados en sistemas completamente automatizados, consiguen velocidades de corte del orden de 1,5 m/min. Se llegan a cortar cerca de 40 trajes por hora. Figura 99. Papel de vidrio cortado con láser de CO2 .

Un caso distinto lo tenemos en el corte de tejido acrílico para peluches donde los troqueles tienen el inconveniente de segar el pelo. Por medio de un láser, se corta únicamente la base del tejido, manteniendo intacto todo el pelo (figura 97). En cartones ondulados el efecto de la combustión causa un ligero oscurecimiento del corte, pero al no existir contacto físico con la herramienta no se produce ningún tipo de deformación. En la fotografía de figura 98 se muestran diferentes modelos cortados todos ellos con láser de CO2 de 100 W, con velocidades de hasta 8.000 mm/min. En la siguiente fotografía (figura 99), aparecen muestras de papel de vidrio cortados con el mismo láser. El procesado por métodos clásicos de materiales cerámicos reviste gran dificultad debido a su gran dureza y extrema fragilidad. La gran importancia de este tipo de materiales en el campo de la electrónica ha hecho que se investiguen nuevos procesos de mecanizado. El láser ha resultado ser de gran eficacia en este tipo de operaciones, experimentando en la actualidad un gran auge. El láser de elección en este caso será de CO 2, trabajando en modo pulsado con el fin de disminuir al máximo la concentración de calor que podría causar microfiguras o llevar a la rotura de la pieza. 108

Corte de materiales

En la fotografía (figura 100) se muestra un disco de alúmina de 0,6 mm de espesor cortado con un láser de CO 2 de 200 W trabajando en modo pulsado a una frecuencia de 500 Hz. COMPARACIÓN CON OTRAS TÉCNICAS Las técnicas que compiten con el láser en el corte de materiales son la prensa, la sierra, el oxicorte, el corte por arco, la electroerosión y el chorro de agua. Frente a los métodos mecánicos la principal ventaja del láser reside en la ausencia de contacto con la pieza y una mayor rapidez de la operación. El coste de la inversión inicial se compensa con los gastos que originan el desgaste de las sierras y troqueles. Además, gracias a la utilización de sistemas automatizados, el láser ofrece mayor versatilidad. Si se trata de electroerosión, el láser es más rápido y más barato una vez en funcionamiento, pero los costes iniciales son más altos. Figura 100. Disco de alúmina cortado con láser de CO 2 .

El chorro de agua comparte con el láser la propiedad de no establecer contacto con la pieza. Además no origina ninguna afectación térmica y puede cortar espesores mayores. Sin embargo las velocidades de corte son inferiores con un coste de funcionamiento mayor. Por otra parte, la instalación es más voluminosa. La elección del sistema más apropiado dependerá de las necesidades y tipo de producción de cada empresa, aunque el nivel de introducción del láser en la industria es cada día mayor.

109

Soldadura de materiales

INTRODUCCIÓN Para entender la posible aplicación del láser en el campo de la soldadura partiremos de la idea de que soldar es la acción de unir dos materiales calentándolos hasta su punto de fusión y uniéndose al solidificarse. Bajo este punto de vista el láser se utiliza como la fuente de calor capaz de fundir los materiales a unir. En la última década, coincidiendo con la obtención de láseres de algunos kilovatios de potencia, la soldadura por láser ha sido objeto de numerosos estudios. Los resultados obtenidos presentan al láser como una herramienta muy útil, tanto en la soldadura de elementos metálicos de hasta 20 mm de espesor como en la microsoldadura de componentes próximos a elementos altamente deteriorables con el calor, como por ejemplo se dan en la industria electrónica. En la actualidad las industrias del automóvil, aeroespacial y naval han incorporado el láser en sus cadenas de montaje para soldar una gran variedad de materiales. Entre estos se encuentran el plomo, metales y aleaciones preciosas, el cobre y sus aleaciones, el aluminio y sus aleaciones, el titanio y sus aleaciones, materiales refractarios, aceros inoxidables, aleaciones de níquel y hierro resistentes al calor. Los materiales no metálicos, como los plásticos, también se pueden soldar mediante el láser. El fundamento es el mismo: conseguir la fusión de los materiales para que al solidificarse se unan. Las limitaciones en este campo no vienen del láser sino de las características físicas de los plásticos, y hacen que su utilización sea mucho menor que en el caso de los metales. Los dos tipos de láser más utilizados en la industria son el láser de Nd:YAG y el láser de CO 2, tanto en modo pulsado como continuo. Los factores que determinarán la posible aplicación del láser, así como el tipo y la potencia del mismo son: el coeficiente de difusión térmica y el punto de fusión y ebullición del material, que determinarán la cantidad de energía necesaria para fundir el material y el grado de absorción o de reflexión de su superficie. Otros parámetros importantes en la soldadura por láser son la geometría de la unión, las mínimas tolerancias aceptables (distancia entre piezas), así como los referentes al gas de aporte y al plasma que se pueda formar en el punto de soldadura. En la tabla de la figura 101 se presentan los principales aspectos de la problemática de la utilización del láser en el campo de la soldadura. 111


Figura 10 1. Parámetros a tener en cuenta en la soldadura por láser.

TIPOS DE LÁSERES Y MODOS DE FUNCIONAMIENTO En el mercado se encuentran cuatro tipos de láseres útiles para la soldadura; el láser de Nd:vidrio, el láser de rubí, el láser de Nd:YAG y el láser de CO2. Los dos primeros sólo pueden operar en modo pulsado ofreciendo además un rendimiento muy bajo, lo que hace que sólo se utilicen en casos en los que sea importante la localización de la soldadura. Los más utilizados en la industria son el láser de Nd:YAG y el láser de CO 2. El primero emite radiación de 1,06 pm de longitud de onda y el segundo de 10,6 nm. Para proporcionar la densidad de potencia necesaria para fundir el material el láser puede operar en modo continuo o en modo pulsado. El láser de Nd:YAG opera generalmente en modo pulsado, aunque puede también hacerlo en modo continuo, mientras que el láser de CO 2 opera tanto en modo continuo como pulsado. Para la soldadura con el láser de CO 2 se puede utilizar un modo de pulsación estándar en el cual se producen pulsos cuya potencia máxima es el doble del nivel de potencia en onda continua, como se puede observar en la figura 102. Este pico de potencia elevada desciende al nivel de potencia en onda continua y se mantiene en este nivel hasta el final del pulso. En la soldadura de metales la duración del pulso es generalmente de 3 a 6 milisegundos, pero el pico de potencia elevada sólo existe en el primer milisegundo. Si se emplea un modo de pulsación intensificado, el pico alcanza un nivel máximo de potencia de unas cinco veces el nivel de 112


potencia del láser en onda continua. Este pico desciende rápidamente a un nivel de potencia menor que el de onda continua debido a que el láser está operando en modo de saturación de corriente. Trabajando en forma de pulsación intensificada el láser es muy estable y muy útil para la técnica de soldadura en profundidad. Otra de las ventajas de operar en modo pulsante es la menor formación de plasma, mejorando con ello el rendimiento del proceso. El plasma que se forma se sitúa justo en la zona de trabajo, donde incide el haz con el material absorbiendo gran cantidad de energía antes de que esta llegue a la pieza. Figura 102. Picos de potencia obtenidos al operar en modo pulsado.

Para que se forme el plasma es necesario superar un umbral de ionización en la zona. La ionización creada por la interacción del haz láser con la atmósfera creada sobre la soldadura, compuesta por el gas de aporte y vapores procedentes de la misma, contribuye a alcanzar dicho umbral. Con la utilización de un láser pulsado se reduce el tiempo de interacción, la ionización de la zona es menor y el plasma no llega a formarse. En la elección del tipo de láser a utilizar habrá que tener en cuenta el material a tratar, así como la potencia que requerirá el proceso. En cuanto el material, los láseres de Nd:YAG no pueden cortar ni fundir materiales transparentes tales como vidrios o plásticos, mientras que los láseres de CO2 sí lo permiten. Los láseres de CO2 existentes en el mercado son de potencias promedio mucho más altas y energéticamente más eficientes que los láseres de 113


Figura 103. Variación de la absorción con la temperatura para el acero inoxidable.

Nd:YAG. Para igual potencia promedio los láseres pulsantes de Nd:YAG son considerablemente más pequeños que los láseres de CO2. SOLDADURA DE METALES El principal problema que nos encontramos para soldar metales es el alto coeficiente de reflexión qué éstos presentan a la radiación de 10,6 nm Figura 104. Clasificación de los metales según su respuesta a los láseres de CO 2 .

114


y 1,06 pm propias de los láseres de CO 2 y de los láseres de Nd:YAG. Sin embargo la absorción de la radiación es función de la temperatura del material. Se trata, por consiguiente, de calentar lo suficiente la superficie del material a fin de que la reflexión de la radiación disminuya y la energía quede absorbida. En la figura 103 se presenta la variación de la absorción con la temperatura para el acero inoxidable. La forma de la curva es la misma para el resto de los metales, con ligeros cambios en los valores. Como se puede observar el punto umbral, a partir del cual aumenta la absorción, coincide con el punto de fusión del material. También se puede ver que para temperaturas bajas la absorción de la radiación de 1,06 pm es algo mayor que para la radiación de 10,6 μm, pasando a coincidir a temperaturas más altas. Esto hace que para la soldadura de metales con alta reflectividad, como el aluminio y las aleaciones de cobre, el láser de Nd:YAG sea el más apropiado. Figura 105. Mecanismo de soldadura.

En la figura 104 se clasifican los metales según su respuesta a la radiación de 10,6 pm procedente de láseres de potencias bajas y medias. En el caso de operar con láseres de algunos kilovatios de potencia, materiales como el cobre, el aluminio, la plata, el oro y el latón, pueden también tratarse con láser de CO2. Para conseguir superar este valor umbral de potencia y fundir el material el haz láser se focaliza sobre la superficie, .obteniéndose densidades de potencia comprendidas entre 0,5 X10 6 y 5 X107 W/cm2 . Se puede utilizar un láser en modo continuo de alta potencia o bien un láser pulsante con una frecuencia de pulsos suficiente para permitir su solapamiento. 115


Figura 106. Soldadura de acero inoxidable 304 con láser de CO2 de 600 W.

Existen dos tipos de soldadura: — Soldadura de penetración en profundidad. — Soldadura limitada por conducción. La soldadura de penetración en profundidad consiste en proporcionar una cantidad de energía capaz de evaporar una parte del material y conseguir así un cilindro hueco. Este cilindro hueco, que recibe el nombre de keyhole se llena de vapor de metal ionizado, con lo que es capaz de absorber el 95% de la radiación incidente. Figura 107. Soldadura de acero inoxidable 304 con láser de CO2 de 7.200 W.

116


El calor se transmite mejor superficialmente que en profundidad, formando una región de material fundido alrededor del cilindro, como puede observarse en la figura 105. Al mover el haz láser con respecto a la pieza, toda la zona del cilindro y su entorno de material fundido se traslada siguiendo el movimiento del láser, de manera que el espacio que va dejando atrás es rellenado por material fundido que proviene de la zona de la que se aleja el haz. Dicho material, una vez solidificado, completa la soldadura. Figura 108. Soldadura de acero inoxidable 304 con láser de CO 2 de 1.750 W.

Para conseguir este proceso, la densidad de potencia incidente debe estar comprendida entre 0,5 X10 6 y 5X107 W/cm2 . Si la densidad de potencia es menor la técnica del keyhole no se puede llegar a establecer, mientras que una excesiva potencia vaporiza demasiado el material y no permite que se forme la región de material fundido. Esta densidad de potencia se puede conseguir con láseres de centenares de watios, como mínimo unos 500 W , focalizados en haces de diámetros comprendidos entre 0,05 y 0,5 mm. Las dimensiones de la soldadura vienen dadas por la profundidad y la anchura de la zona de material fundido. En un corte transversal de la soldadura la zona de fusión presenta una forma de «pera invertida» con diferentes relaciones profundidad/anchura, como puede observarse en la parte superior de las figuras 106,107 y 108. La penetración de la soldadura es función de la velocidad del proceso, de la potencia del haz y de las características de su focalización. En las figuras precedentes se representan también la dependencia de la profundidad de la soldadura, así como de la relación profundidad/anchura con la velocidad del proceso. El material cortado es acero inoxidable 304 de 6 mm de espesor, utilizando una lente de 5 pulgadas y argón como gas de aporte. Las potencias utilizadas son respectivamente 600, 1200 y 1750 W de láseres continuos de CO 2. Para poder comparar las diferentes profundidades alcanzadas con las distintas 117


Figura 109. Curvas de profundidad en func ión de la velocidad para distintas potencias en la soldadura de acero inoxidable 304.

potencias se representan todas juntas en la figura 109. Observando las curvas de profundidad para las potencias de 600 y 1200 W vemos que mientras a velocidades bajas el doble de potencia implica el doble de profundidad, esto deja de cumplirse a velocidades superiores. En este caso esto deja de ser válido a partir de 2,5 m/min. Cuando utilizamos el triple de potencia sólo se consigue el triple de penetración a la velocidad Figura 110. Curvas de profundidad en f unció n de la potencia para distintas velocidades en la soldadura de acero inoxidable 304.

118


de 3 m/min. Para velocidades inferiores la profundidad es mayor que el triple y para velocidades superiores es menor. En la figura 110 se presentan las curvas de profundidad obtenidas con potencias superiores. En ellas se constata otra vez la no linealidad entre velocidad-potencia y profundidad de la soldadura. Figura 111. Relación de la profundidad y anchura de la soldadura con la distancia toco-superficie.

La máxima penetración para una potencia y velocidad dadas se alcanza focalizando el haz láser ligeramente por debajo de la superficie, decreciendo cuando el haz se focaliza en la misma superficie o a más profundidad en la pieza de trabajo, como se puede observar en la figura 111. Para este valor máximo de penetración se obtiene también la anchura mínima de la soldadura. En la tabla de la figura 112 se presentan las profundidades máximas que se pueden alcanzar para distintos materiales y tipos de láseres. En este tipo de soldadura se obtienen unas elevadas relaciones de profundidad/anchura, entre 5/1 y 12/1, lo que permite la realización de buenas soldaduras en materiales y tipos de láseres. En este tipo de soldadura se obtienen unas elevadas relaciones de profundidad/anchura, entre 5/1 y 12/1, lo que permite la realización de buenas soldaduras en materiales de espesores de hasta 20 mm. La zona de afectación térmica (ZAT) es la región adyacente a la zona fundida que sufre transformaciones durante la soldadura debido al calor recibido. Es un parámetro importante en la valoración de la calidad de la soldadura. 119


Figura 112. Tabla de profundidades máximas para distintos materiales y láseres.

De la misma manera que hablamos de una eficiencia en la absorción de la radiación incidente de los distintos materiales, podemos hablar de un rendimiento de la soldadura. Tomaremos este rendimiento como el cociente entre la energía necesaria para soldar el material y la energía total utilizada en el proceso. La diferencia entre estas dos energías es debida a las pérdidas por conducción dentro del material y por convección y radiación al ambiente. En la figura 113 se presentan algunos de estos valores para diferentes materiales, como puede observarse se consiguen rendimientos de hasta el 70%. La determinación de la energía necesaria para soldar un material se realiza mediante cálculo, en el cual se tienen en cuenta el área de la zona tratada, la velocidad de soldadura, la densidad y las propiedades térmicas del material.

Figura 113. Absorciones y eficiencias de distintos metales en la soldadura.

120


En la fotografía de la figura 114 puede verse una soldadura de dos piezas de acero en T, realizada con un láser de CO 2 de 2000 W operando en modo continuo. En la figura 115 se observa un posible montaje para la realización de esta soldadura. El haz láser ( a) entra por la parte superior y es deflectado por el espejo (b). Después es focalizado en la zona de trabajo por el espejo parabólico (c ). En la parte superior se observa una entrada (d) para líquido refrigerador del conjunto, necesaria cuando se trabaja con potencias de algunos kilovatios. El gas de aporte se lleva hasta la zona de trabajo con un tubo ( e) de forma adecuada. Figura 114. Soldadura en T de dos piezas de acero.

En la soldadura limitada por conducción el haz láser funde el material sin llegar a vaporizarlo. Se necesita menos densidad de potencia que en el caso de la soldadura de penetración. Para ello se utiliza un láser desfocalizado o bien de menor potencia. En este caso el keyhole no se forma. La energía incidente es absorbida por la superficie del material, transmitiéndose por conducción hasta llegar a fundirlo. Esta técnica es utilizada para soldar planchas delgadas, de espesores inferiores a 2 mm, y preferentemente en geometrías de soldadura a tope y de soldadura a filo. El láser utilizado puede ser continuo o pulsado. Si se utiliza este último la frecuencia de los pulsos debe ser suficientemente grande para permitir su solapamiento y poder así formar y mantener el líquido de la soldadura. 121


Estas soldaduras limitadas por conducción guardan como máximo la relación 1,5/1 lo que quiere decir que su profundidad puede ser sólo de una vez y media el valor de su anchura. El rendimiento del proceso oscila entre el 8% y el 15%. Por otra parte la zona de afectación térmica es bastante amplia. Figura 115. Conjunto focalizador para la realización de soldaduras en T.

Las principales aplicaciones de estos procesos se encuentran en el campo del automóbil, aeronáutica y naval. Así por ejemplo las casas alemanas Mercedes Benz y Volkswagen, la italiana Fiat y la francesa Renault, tienen incorporados en sus cadenas de montaje láseres de potencia de hasta 10 kW para la soldadura de piezas de transmisión y de las coronas de los piñones de las cajas de cambio. En la industria aeronáutica se utilizan para la soldadura de los componentes del fuselaje de aviones. Planchas de acero inoxidable de 20 mm de espesor pueden soldarse con un láser de CO2 de 20 kW. En estas industrias, así como en la construcción de reactores nucleares, es de vital importancia la posibilidad de acceso a zonas difíciles mediante robots y brazos provistos de espejos. 122


GEOMETRÍA DE LA SOLDADURA Un aspecto importante de la soldadura con láser es la ausencia de aporte de material exterior, es decir, toda la soldadura proviene de los materiales a unir. Esto hace que en la geometría de la soldadura la unión entre los cuerpos a soldar sea un punto crítico para evitar la formación de agujeros y consiguientemente de malas soldaduras. Hay que recordar que el diámetro del haz focalizado oscila entre 0,05 y 0,5 mm. Algunas geometrías utilizadas en la industria se pueden ver en la figura 116. En esta figura las flechas indican los lugares donde debe incidir el haz láser y con qué inclinación. Figura 116. Geometrías de soldadura.

La tolerancia de separación entre las piezas oscila entre el 10 y el 15% del espesor total, como presenta la figura 117. En algunos casos se utilizan pinzas u otros utensilios para hacer presión sobre los extremos de las mismas y conseguir así mayor unión entre ellas. Para la realización de soldaduras del tipo soldadura de córner, soldadura a tope, soldadura en T y soldadura de filo, no tienen que biselarse los extremos del material. Los cortes con segueta son aceptables si son rectangulares y las piezas se sujetan fuertemente durante la operación. Para soldar a solapa los bordes a escuadra no tienen gran importancia, pero el espacio entre las piezas limitará severamente tanto la penetración como la velocidad de soldadura. 123


Figura 117. Tolerancias en la geometría de la soldadura.

GAS DE APORTE Y EFECTOS DEL PLASMA En la mayoría de los procesos de soldadura se utiliza gas de aporte. La función del mismo es doble: por una parte protege la óptica de focalización de posibles partículas provenientes de la zona fundida, y por otra evita la oxidación de esta zona. Generalmente, este aporte de gas se realiza coaxialmente con el haz. Sólo en aquellos procesos en los que la oxidación de la superficie sea aceptada puede operarse sin gas de aporte, con el evidente peligro para la óptica. Un aspecto a tener en cuenta es la presencia de plasma en la zona de interacción haz-material. La formación de éste ocurre cuando el grado de ionización local supera un valor umbral. La ionización producida por la interacción del campo eléctrico del haz incidente con el gas existente sobre la zona de soldadura no es suficiente para superar este valor. Si unimos a esta ionización el gran número de electrones libres producidos en el keyhole, debido a las altas temperaturas alcanzadas en su interior, sí se llega a superar el valor umbral necesario para la formación del plasma. El plasma absorbe gran cantidad de la energía incidente, incluso puede llegar a absorber el 50% de la misma antes de que esta llegue al material, disminuyendo la profundidad de la soldadura. Además afecta a las características ópticas del haz y reduce su posibilidad de focalización. Los gases más utilizados son el helio y el argón. El helio es el mejor gas de aporte debido a su alto potencial de ionización (24,46 eV), lo que dificulta la formación del plasma. Con él se consigue la máxima penetración de la soldadura, pero es excesivamente caro. El argón es más barato, pero su potencial de ionización es considerablemente menor (15,68 eV), lo que 124


hace que sea ineficaz para soldaduras con láseres de algunos kilovatios. Una mezcla de ambos puede ser la solución. En algunos casos, como en la soldadura de láminas delgadas de acero inoxidable, cobre y aluminio, se ha utilizado nitrógeno (potencial de ionización de 14,53 e V ). Existen algunas técnicas para evitar la formación del plasma. Una de ellas es la utilización de un flujo transversal de gas que arrastre partículas ionizadas fuera de la zona de incidencia del haz. Este método ha sido utilizado con éxito en algunos casos, pero tiene el inconveniente del gran consumo de gas de aporte y la posible aspiración de aire con la consiguiente oxidación de la soldadura. En otra se aprovecha el hecho conocido de la no ignición instantánea del plasma. Así, con una periódica interrupción del haz, en una escala de tiempos menor que la necesaria para la formación del plasma, se consigue evitar la formación del mismo. Con esta técnica se han obtenido buenos resultados en la soldadura a tope de dos láminas de aleaciones de acero de 1,16 cm de espesor, a una velocidad de soldadura de 3,4 cm/s con un láser de 14 kW . Se utilizó una frecuencia de pulsado de 6000 Hz. El ciclo de trabajo fue del 75 %, es decir, dentro de cada pulso 167 μs de duración, el láser funcionó sólo durante 128 μs, y durante los 39 μs restantes permaneció apagado. TIPOS DE MATERIALES Las propiedades físicas de los materiales son de gran importancia para el éxito de la utilización del láser en la soldadura. Las propiedades que más influyen son la difusión térmica, que da idea de la transmisión de calor dentro del material, la reflexión de la radiación y los puntos de fusión y ebullición. A continuación veremos algunos aspectos de los principales metales utilizados en la industria. — Acero carbonado. Su principal constituyente, el hierro, presenta un valor medio de difusión térmica, altos puntos de fusión y ebullición y alta reflectividad a la radiación de 10,6 μs. A pesar de esta última característica se lleva a cabo la interacción de la radiación con el material. Aquellos aceros que contienen azufre, fósforo o impurezas en cantidades elevadas sufren roturas al enfriarse rápidamente. El plomo provoca la aparición de porosidades debido a que vaporiza en la zona de fusión por las altas temperaturas alcanzadas. Si el contenido de carbón supera el 0,25 %, la soldadura resulta altamente quebradiza y aparecen roturas si se produce un rápido enfriamiento. En estos casos un precalentamiento de la pieza a soldar, así como un lento enfriamiento después del proceso, se hacen necesarios para evitar dichas roturas. — Acero inoxidable. Presenta una menor difusión térmica y coeficiente de reflexión para el láser de CO 2, así como un nivel de impurezas menor que el acero carbonado. Esto hace que sea un buen material para soldar, obteniendo mayor profundidad de soldadura, menor anchura de ZAT y soldaduras más limpias que para el acero carbonado. — Aceros del tipo austeníticos (serie 300) son buenos candidatos para la soldadura con láser. Se obtienen mejores resultados que con las técnicas 125


tradicionales de soldadura debido a la mayor localización de la energía y a la vaporización de las impurezas. — Aceros del tipo ferríticos y martensítícos (serie 400) pueden también soldarse con láser. La única precaución que hay que tener es un precalentamiento de la pieza para evitar roturas durante el enfriamiento post soldadura. — Aleacio nes de aluminio. Tienen un coeficiente de difusión térmica muy alto y un coeficiente de reflexión alto, lo que hace que la interacción del láser con el material sea difícil. Por otra parte, el bajo punto de ebullición de zinc y del magnesio, típicos constituyentes de las aleaciones, favorecen niveles altos de porosidad en la soldadura. Esto deja a las aleaciones 2219, 3003 y al aluminio puro como los únicos materiales en los que se pueden obtener buenas soldaduras con láser. — Aleaciones de cobre. Estas aleaciones presentan un coeficiente de reflexión y difusión térmica aún más altos que las de aluminio. Para poder tratar estos materiales con láser es necesario un tratamiento de la superficie, a fin de rebajar el coeficiente de reflexión. Una vez solucionado este problema se pueden realizar soldaduras con láser, aunque la potencia requerida es mayor que para el caso de aleaciones de aluminio. En el latón, por la alta proporción de zinc, las soldaduras presentan una gran porosidad. — Aleaciones de níquel. Estas presentan buena absorción de la radiación por lo que, al igual que las de acero, las aleaciones que pueden soldarse por métodos convencionales también pueden hacerse por láser. El níquel es muy sensible a la contaminación por aceite, grasa o suciedad, por lo que es necesario limpiar profundamente la superficie a soldar. — Tántalo, titanio y zirconio. Estos materiales tienen un bajo coeficiente de difusión térmica y de reflexión, lo que permite llevar a cabo buenas soldaduras con láser. La principal dificultad es la gran facilidad que tienen para oxidarse, lo que obliga a realizar la soldadura en una atmósfera inerte. MICROSOLDADURA Y SOLDADURA DE NO METALES Un campo de aplicación muy importante de la soldadura por láser es la industria de la electrónica. En ella se aprovecha por un lado la posibilidad que ofrece la soldadura por láser de extrema localización de la misma, y por otro la fiabilidad del proceso. Esto se aplica en la realización de soldaduras próximas a uniones vidrio-metal o a componentes deteriorables por el calor y en el sellado de componentes electrónicos de gran valor o baja producción que deben garantizar su funcionamiento incluso bajo severas condiciones ambientales. Este es el caso de elementos destinados a aplicaciones aeronáuticas, tanto civiles como militares. Puede utilizarse para soldar paquetes planos de circuitos integrados impresos sobre tablilla. Esta tiene zonas grabadas de cobre que se estañan previamente. Un haz láser de 50 W , enfocado con una lente de 2,5 pulgadas, se dirige a cada zona para refundir la soldadura. Con este método la aplicación de calor a la placa es mínima porque sólo se dirige la cantidad de energía que se requiere para que la soldadura vuelva a fluir. Componentes pequeños, como condensadores y resistencias en plaquitas, también pueden soldarse. 126


Otra aplicación es la soldadura de contactos delicados y chapas de materiales recubiertos en los que una herramienta del equipo láser elimina el recubrimiento del equipo a soldar mientras se está soldando, cosa que con equipos convencionales hay que realizar en dos pasos. También se utiliza para soldar materiales diferentes en los que el afino metalúrgico producido por la soldadura láser impide la formación de juntas frágiles. Una aplicación con gran éxito ha sido la soldadura de electrodos a batería y cables de terminales. En ellos la zona afectada por el calor no daña otras partes de las baterías o del circuito. Se han conseguido para ello sistemas automáticos basados en un láser de CO 2 de 3 kW, incrementando la producción en más de un 10% respecto a la obtenida por los métodos convencionales. Otro ejemplo lo encontramos en la joyería. El grupo francés Cheval utiliza un láser de Nd:YAG de 100 W en la soldadura de malla de cadena de oro. En este proceso se obtienen mejoras económicas, integración en la cadena de producción, rapidez, mejor utilización del material y calidad de soldadura. El mecanismo de soldadura con láser para materiales no metálicos es el mismo que para cualquier otro tipo de material. Mediante el aporte de energía se crea una zona de material fundido el cual, al solidificarse, une los materiales. En el caso de los plásticos encontramos que sus características físicas los hacen excelentes candidatos para el corte con láser pero limitan severamente su soldadura con esta técnica. Su bajo coeficiente de conductividad térmica no permite una gran profundidad de zona fundida dentro del material. Para incrementar esta profundidad el láser debe moverse muy lentamente. Sin embargo, existe un límite inferior para esta velocidad, ya que si el láser se mueve demasiado lentamente se produce un exceso de absorción de la energía incidente y con ello la vaporización del material. Por otra parte, algunos plásticos presentan cambios en su estructura química si la temperatura del material fundido es demasiado elevada. Debido a estas circunstancias, el rango de temperaturas de trabajo se reduce a unos pocos grados centígrados, aspecto que dificulta enormemente la operación. Dadas estas consideraciones, queda claro que la soldadura de plástico con láser se podrá realizar en plásticos muy delgados y con características térmicas y de absorción muy peculiares. El polietileno y el polipropileno son los mejores candidatos para soldadura con láser de CO2. Estos plásticos son semitransparentes al haz, lo que permite una mayor profundidad de la zona fundida, y además son químicamente estables a alta temperatura. Por ejemplo, la soldadura de un cilindro de polipropileno de 12 cm de perímetro a una tapa de este mismo material puede realizarse en 1 segundo empleando un láser de 500 W de potencia. Algunos vidrios y cuarzos amorfos también pueden ser soldados con láser obteniendo excelentes resultados. Estos materiales presentan un punto de fusión alto, una baja conductividad térmica, son muy estables a 127


alta temperatura y la tendencia a la vaporización de la superficie es mucho menos pronunciada que en los plásticos. Para realizar soldaduras profundas en cuarzo amorfo es necesaria una operación de calentamiento previo del material para evitar roturas durante el enfriamiento posterior a la soldadura. En el caso de vidrios como el UIE (de muy bajo coeficiente de expansión), esta operación no es necesaria y se pueden realizar fácilmente soldaduras de 0,2 mm de profundidad. VENTAJAS DE LA SOLDADURA LÁSER Y COMPARACIÓN CON OTRAS TÉCNICAS La principal ventaja de la soldadura láser frente a las otras técnicas de soldadura es la ausencia de contacto con el material. Esto elimina la distorsión mecánica de las piezas, particularmente en la soldadura de láminas delgadas. Uniendo a esto la dirigibilidad del haz es posible la realización de soldaduras en áreas muy restringidas, siempre que exista una línea óptica de visión. Mediante la utilización de espejos o de fibra óptica pueden realizarse soldaduras en zonas de difícil acceso, como pueden ser oleoductos o reactores nucleares. Estas cualidades permiten utilizar el láser en sistemas automáticos de soldadura a alta velocidad. En soldadura completa de plancha delgada se alcanzan velocidades comprendidas entre 6 y 8 cm/min, mientras que en soldadura por puntos se pueden alcanzar velocidades de 150 a 300 cm / min. Desde un punto de vista metalográfico, una soldadura de penetración en profundidad presenta una buena estructura cristalina con pocas impurezas. Esto es debido al alto coeficiente de absorción que las impurezas no metálicas presentan a la radiación, lo que hace que se vaporicen rápidamente. Debido a la focalización del haz se produce un calentamiento de la pieza muy localizado, obteniéndose zonas de afectación térmica muy estrechas. Como ya se dijo anteriormente, no es necesario el aporte de material exterior en la mayoría de los casos. En comparación con la soldadura por haz de electrones la principal ventaja es poder trabajar a presión atmosférica, así como la posibilidad de efectuar soldaduras en materiales magnéticos sin afectar a las propiedades de los mismos. Es también importante la ausencia de producción de rayos X, características de la soldadura por haz de electrones. En el caso de soldadura por láser el único peligro proviene de la reflexión de parte del haz hacia el exterior del sistema. Para evitar lesiones en el operario basta con encerrar la zona de soldadura mediante chapas de metal si se utiliza un láser de Nd:YAG. En el caso de trabajar con un láser de CO 2 pueden utilizarse también vidrio o plástico. Las ventajas que ofrece la soldadura por haz de electrones frente a la soldadura por láser son la disponibilidad en el mercado de fuentes de mayor potencia y la mayor absorción que los materiales presentan frente a los electrones que frente al haz láser, especialmente en el caso del CO 2. La experiencia indica que para la realización de soldaduras con penetraciones de hasta 8 mm la técnica de soldadura por láser ofrece mejores resultados. 128

Perforado de materiales

INTRODUCCIÓN Poco después de la invención del láser en la década de los sesenta, se empleaba la primera máquina industrial que incorporaba un láser de rubí para perforar troqueles de diamante para trefilar alambres (estirar hilos para reducir su diámetro). Esta fue declarada como la primera aplicación industrial conocida del láser a nivel de producción. El perforado láser continuó desarrollándose en Estados Unidos a lo largo de los años setenta, empleándose para taladrar agujeros en componentes de motores en la industria aérea. Por entonces se utilizaban los láseres de rubí y Nd:vidrio, adoptándose con posterioridad el uso del láser de neodimio: YAG. Este método ha demostrado ser un proceso seguro y efectivo durante más de quince años, y en la actualidad es conocido suficientemente bien como para ser considerado una de las herramientas imprescindibles para la obtención de un perforado de precisión y alta calidad. GEOMETRÍA DEL TALADRO Cuando se trata de mecanización clásica, el diámetro y la forma del agujero vienen determinados por las características de la herramienta empleada. Del mismo modo, en el perforado con láser influirán el tipo de láser, la distribución de energía, el nivel de potencia, el sistema óptico y la técnica utilizada, así como el material a taladrar. El diámetro del agujero se puede controlar variando la cantidad de energía suministrada por el haz y también por la longitud focal y el grado de desfocalización de la lente. El diámetro mínimo vendrá determinado además por la longitud de onda del láser. Un láser de CO 2 producirá agujeros con diámetro mínimo de 0,003 pulgadas (0,07 milímetros) en materiales de poco espesor, mientras que un láser de Nd:YAG taladrará agujeros de 0,0002 pulgadas (0,005 milímetros) en chapas delgadas. En condiciones favorables pueden obtenerse agujeros perfectamente cilíndricos, con un diámetro del orden de 0,1 milímetros y con una relación profundidad/diámetro de 20. Esto es válido también para materiales muy duros que presentan dificultad para ser agujereados normalmente, como cerámica, diamante, acero templado o materiales refractarios. Las ventajas de taladrar con láser en una aplicación particular pueden ser la obtención de agujeros limpios, con poco material refundido, estrechos y profundos, además de la característica común a todos los procesos láser de no ofrecer contacto con la superficie ni emplear herramientas adicionales, con lo que las fuerzas de mecanización son prácticamente nulas. 129


Presenta además la posibilidad de actuar sobre lugares de difícil acceso o en ángulos estrechos respecto a la superficie, perforando agujeros de pequeñas dimensiones, donde las herramientas comunes suelen ser susceptibles de rotura. El perforado con láser es un proceso inducido térmicamente, en el que el material a tratar debe presentar una adecuada absorción óptica de la luz. De modo análogo al corte, se trata de un haz luminoso altamente direccional que puede focalizarse a pequeños diámetros para crear una elevada densidad de potencia. Con un diámetro de haz de 0,001 pulgadas y una potencia de 500 W puede alcanzarse una densidad de potencia superiora 4X106 W/cm2. Este nivel de potencia producirá calentamiento, fusión y vaporización en la mayoría de materiales. Figura 118. Aspecto cónico de un agujero perforado con láser.

Suele utilizarse en modo pulsado ya que presenta dos efectos beneficiosos: El primero consiste en que la cantidad de energía transmitida al material puede regularse por el tiempo de duración del pulso. El segundo en que la primera parte del pulso puede presentar un pico de potencia varias veces superior a la potencia media obtenida cuando el láser opera en modo continuo. La mayoría de láseres industriales de CO2 pueden pulsarse a 2500 Hz y algunos incluso por encima de 10000 Hz. Los láseres de Nd:YAG pueden ser pulsados a una frecuencia superior a 500 Hz. La profundidad de penetración de cada pulso depende del material, tamaño del haz focalizado, longitud, frecuencia y energía del pulso y pico de potencia del láser. La naturaleza del perforado láser conduce a agujeros ligeramente cónicos, siendo el diámetro de entrada algo superior que el de salida (figura 118). Esto depende en gran medida de si se emplea un único pulso energético para la penetración completa o bien varios de menor energía. Para taladros 130


de profundidades inferiores a 0,3 milímetros, el efecto cónico es pequeño, pudiéndose utilizar el método de un solo pulso. Para agujeros más profundos, se conseguirá menor distorsión usando varios pulsos de corta duración. Como en el corte y soldadura láser, el perfil del procesado dependerá de la posición relativa entre el plano focal y la superficie de la pieza y de la profundidad de campo. Esta última dependerá a su vez de la longitud focal de la lente. En la figura 119 se muestra el efecto de la focalización del haz a través de una lente. Alrededor del punto focal, el diámetro del haz es mínimo, constituyendo la profundidad de foco. Figura 119. Focalización de un haz a través de una lente.

TÉCNICAS DE PERFORADO LÁSER Dependiendo del material, el perforado con láser se consigue por vaporización, fusión, o por una combinación de ambos fenómenos físicos. Así, en los metales se produce eliminación del material en estado líquido y vapor, formándose pequeñas gotas de metal que deben expulsarse del agujero. Esto ocurre gracias a la simultánea formación de vapor que al expandirse crea un aumento de presión que empuja al metal fundido, pero suele ayudarse por el empleo de un flujo coaxial de gas de aportación que lo impele a través del orificio de salida. Una fracción del material resolidifica formando una fina capa que recubre el interior de las paredes del agujero, conociéndose por el nombre de refundido. Dicha capa suele ser de unas milésimas de espesor, dependiendo en cualquier caso del tipo de material, del número de pulsos, su longitud y energía, así como de los parámetros concernientes al gas de aportación. La proporción de líquido obtenida frente a la de vapor depende de la duración del pulso. Cuanto mayor es la amplitud del pulso mayor es la fracción líquida formada, con lo que aumenta la eficacia, pero presenta al mismo tiempo el inconveniente de causar un incremento en el espesor del refundido. 131


La obtención de agujeros por láser puede realizarse por dos métodos: — Perforado centrado o por percusión. — Perforado en círculo o trepanado. El perforado centrado presenta dos variantes ya citadas: utilización de un único pulso por agujero, sistema válido en el procesado de materiales de poco espesor (microtaladros) o empleo de multipulsos, que constituye el método de percusión propiamente dicho, para materiales de mayor espesor. En éste, tanto la pieza como el haz láser permanecen estacionaFigura 120. Variación de la intensidad frente al radio del haz.

rios durante el proceso. La perforación tiene lugar por una serie de pulsos que inciden sobre el sustrato hasta conseguir la total vaporización o fusión del material. El tamaño del agujero está directamente relacionado con el diámetro del haz focalizado, que en aproximación se corresponde con el producto obtenido al multiplicar el valor de la divergencia (expresado en milirradianes) por la longitud focal de la lente empleada, según la ecuación: donde: diámetro del haz focalizado. Θ = ángulo sólido de divergencia. = longitud focal de la lente. f En muchas aplicaciones sobre sustratos metálicos el agujero suele ser d o

132

=


tan pequeño como el haz focalizado e incluso algo menor, como se observa en la figura 120. En ella se representa la intensidad del haz frente al diámetro para un modo gausiano TEM 00. Recordemos que el diámetro del haz focalizado d 0 viene definido por aquel en el que la intensidad del haz se ha reducido en 1 /e2 de su valor máximo l p. El diámetro del agujero viene determinado por los puntos de corte de la curva con el nivel de intensidad crítico. Dicho nivel es el necesario para perforar el material y depende de la naturaleza de cada sustrato. La intensidad disminuye rápidamente a ambos lados de la curva, con lo que ya no es efectiva para el proceso. Se puede modificar ligeramente el tamaño del agujero obtenido por variación de la distancia del plano de trabajo al punto focal teórico proporcionado por la lente. Al alejarnos de dicho punto el diámetro del haz aumentará y lo hará también el del agujero. Sin embargo, esta técnica sólo es válida para pequeñas oscilaciones en las dimensiones puesto que a medida que aumenta el tamaño del haz por desfocalización disminuye la densidad de potencia, lo que puede conducir a la pérdida de la capacidad de perforación. Por este motivo es más aconsejable el uso de lentes con longitud focal mayor o menor, obteniéndose haces focalizados de mayor o menor diámetro de modo que se asegure la máxima densidad de potencia. Otro sistema de variación de tamaño al perforar consiste en modificar ligeramente la potencia incidente. Una vez alcanzado el nivel de potencia mínimo requerido para la perforación, un exceso de energía conducirá a la fusión y vaporización de mayor cantidad de material y, por tanto, a un incremento de las dimensiones del agujero. Figura 121. Técnica de perforación por trepanado.

133


El método de trepanación es el indicado en la perforación de agujeros de tamaño del orden de 0,5 milímetros y superiores, donde los anteriores sistemas descritos pierden su utilidad. Consiste en la eliminación del material siguiendo la trayectoria de una espiral iniciada en el interior que se expande hasta alcanzar el diámetro deseado. De este modo se consiguen agujeros perfectamente circulares. En la figura 121 se muestra el tipo de trayectoria realizada por el láser al cortar el material por la técnica de trepanación. En esta técnica el haz se focaliza a un diámetro entre 0,003 y 0,015 pulgadas y se realiza en modo continuo o en modo pulsado, con una frecuencia tal que los pulsos se solapan para conseguir un corte de material continuo. Figura 122. Perforado por trazado de círculos por rotación del haz láser.

El sistema mecánico empleado para este método de perforación puede consistir en una mesa de coordenadas controlada por control numérico, ya sea moviendo la pieza o el focalizador. Sin embargo, suele emplearse un dispositivo óptico de rotación en el que la lente focalizadora gira en un plano horizontal de modo excéntrico al eje de salida del haz, provocando así el giro del haz focalizado sobre la pieza, como se observa en la figura 122. El tamaño del agujero vendrá delimitado en este caso por las dimensiones de la lente empleada. Cuando se deseen obtener tamaños aún mayores, del orden de una pulgada o superiores, será preferible utilizar un sistema de rotación en el que por medio de un espejo deflector a 45 °, situado en el eje del haz, se 134


desvíe éste horizontal mente hasta la distancia requerida, donde por medio de un segundo espejo, también a 45 °, se dirija hacia la pieza a través de la lente focalizadora. La rotación la efectuará en este caso el conjunto formado por el segundo espejo deflector más la lente, abarcando un radio de giro y, por tanto, un diámetro de perforación considerablemente superiores, como se esquematiza en la figura 123. Figura 123. Perforado por trazado de círculos por rotación del sistema óptico.

En los dos métodos de perforado, centrado o trepanado, es necesaria la protección de la lente contra el material fundido o vaporizado que es expulsado del agujero, para evitar que se deposite al enfriarse por contacto con la superficie de la lente. Para este fin se incorporan boquillas de gas de aportación. Dicho gas, además de proteger la óptica del sistema, contribuye al perforado impeliendo fuera el material fundido y dejando el agujero limpio. En el perforado de no metales, un flujo de gas inerte a la combustión, como argón o nitrógeno, se emplea para minimizar los posibles efectos de oxidación o carbonización. Dependiendo del material a mecanizar, puede ser necesaria su protección antes de proceder al perforado (recubrimientos con ceras) o limpieza de las cavidades internas después de la perforación, teniendo en cuenta para la elección del método que la perforación centrada por pulsos suele expulsar el material fundido hacia la parte superior de la pieza, mientras que el trepanado lo hace hacia la inferior. 135


Figura 124. Tabla de láseres empleados en industria para el perforado.

TIPOS DE LÁSERES EMPLEADOS EN PERFORADO Los láseres más utilizados en industria para perforación se encuentran detallados en la tabla de la figura 124. A excepción del de CO 2, que es de gas, los otros tres: rubí, neodimio: vidrio y neodimio: YAG, son de estado sólido. La elección del láser más apropiado para cada aplicación viene siempre supeditada al tipo de material a perforar, diámetro y profundidad del agujero, requerimientos finales de superficie y acabados, así como velocidad de producción y coste del equipo. Los láseres de rubí y Nd: vidrio se usan en el perforado directo o método

Figura 125. Relación prof undid ad/diámet ro p ara el perforado con láser de Nd: YAG.

136


de percusión, con frecuencias de pulso muy bajas, en general siempre por debajo de 10 Hz, y elevados picos de energía por pulso, del orden de los 50-100 Joules. Los de Nd: YAG y CO 2 operan tanto en perforado centrado como en trepanado, lo que los hace más versátiles, siendo con diferencia los más empleados de los cuatro tipos citados. Para el perforado de agujeros profundos y pequeños en materiales metálicos, suele preferirse el láser de Nd:YAG frente al de CO 2, debido a que el de Nd:YAG puede focalizarse a un diámetro de haz más pequeño, obteniéndose por percusión agujeros con una relación profundidad/diámetro muy elevada, y al hecho de que los metales suelen presentar mayor absorción a la longitud de onda de 1,06 μm que a la de 10,6 μm del láser de CO2. La gráfica de la figura 125 muestra la relación profundidad/diámetro obtenida en perforado por láser de Nd:YAG. Los mejores resultados corresponden a diámetros de taladro inferiores a 0,25 μm.

Sin embargo, cuando se trata de agujeros mayores, el uso del láser de CO2 se impone totalmente a los de estado sólido debido a que puede alcanzar potencias muy superiores. En la tabla de la figura 126 se muestran los límites de proceso en perforado para estos láseres. El diámetro máximo para CO 2 en el método de trepanado viene limitado únicamente por el área de trabajo definida por el sistema mecánico. Una de las principales aplicaciones del perforado láser consiste en el mecanizado de alta precisión de sustratos cerámicos. A finales de los años sesenta se inició la perforación de finos discos de alúmina por medio de un láser de rubí en modo pulsado, consiguiendo agujeros del orden de 0,01 pulgadas en un espesor de 0,125 pulgadas. Posteriormente, el uso de un láser de Nd:YAG de mayor rango de potencia para la misma aplicación, proporcionó un aumento en la rapidez de producción al mismo tiempo que un abaratamiento de los costes en la fabricación de discos de alúmina con el mismo tipo de perforaciones. En la actualidad, además de los de Nd:YAG, también se utilizan láseres de CO2 para el taladrado de sustratos cerámicos, trabajando en modo pulsado, aprovechando el elevado nivel de energía que puede alcanzarse 137

Figura 126. Límites de proceso en perforado láser.


por medio del sistema Q-Switch, en el que cada pulso presenta un pico de potencia inicial varias veces superior al de la potencia media obtenible en medio continuo. La fotografía de la figura 127 muestra una pieza cerámica, totalmente mecanizada por láser de CO2, en la que se hace patente la precisión y pequeñas dimensiones de los taladros obtenidos. Otra aplicación que incluye el empleo de láseres de CO2 consiste en la perforación del papel de filtro de los cigarrillos, de modo que desciende el nivel de nicotina y alquitrán inhalados al permitir estos agujeros el paso de una mayor proporción de aire. La calidad de dichos agujeros rectangulares de 0,1 X 0,35 mm, en los que la velocidad del papel excede de los 30 metros por minuto, es mucho mejor que la de los obtenidos por perforaciones mecánicas. Figura 127. Pieza de cerámica perforada por láser de CO2

El perforado múltiple en cañerías de goma para irrigadores o el taladrado de tetinas de biberones son otros dos ejemplos de la diversidad de aplicaciones realizadas actualmente con láser de CO2. En cuanto al láser de Nd:YAG, además de los procesos ya citados, se conoce su utilización en el perforado de rubíes para maquinaria de relojería, agujeros cónicos en diamantes, agujeros con simetrías circulares o rectangulares sobre diversos tipos de sustratos cerámicos, pero donde recae su mayor utilización es en la industria del automóvil e ingeniería aérea, perforando agujeros en las cámaras de combustión de los motores o en las tapas de las bombas de gasolina, realizando agujeros de purga que permiten un mejor cebado de la bomba de modo que permiten un arranque más rápido del motor. Los taladros se realizan sobre acero zincado de 0,56 mm de espesor, con una tolerancia en el diámetro de ±8 pm, a una velocidad de un agujero por segundo. 138


VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PERFORADO LÁSER FRENTE A UN PROCESO SIN LÁSER El perforado por láser es una solución alternativa a otros procesos mecánicos de perforado que ofrece en muchos casos ventajas significativas: rapidez en el taladrado de agujeros, excelentes calidades geométricas y metalúrgicas, junto con una disminución de los costes de producción, han demostrado la flexibilidad y potencial de esta técnica. Figura 128. Comparación de las ventajas y desventajas del perforado l áser frente al perforado mecánico.

En alguna aplicación concreta se presenta como la única alternativa posible de mecanizado, como es el caso del corte y perforado de sustratos cerámicos para electrónica donde otros métodos fracasaban al intentar obtener pequeños agujeros en láminas de poco espesor, produciéndose microfracturas y fisuras en las piezas mecanizadas. Sin embargo, no es una solución para todos los problemas de perforación. Algunos materiales tales como oro, plata, o cobre, son difícilmente mecanizables por láser debido a la alta reflectividad y conductividad térmica que presentan. En el caso de materiales no metálicos, como son algunos plásticos de bajo punto de fusión, puede disminuir la calidad del taladro debido al elevado porcentaje de fundido respecto al vaporizado, agrandando el diámetro del agujero o formando gotas de difícil eliminación. Desde el punto de vista energético el perforado láser es un proceso costoso debido al hecho de que el material debe ser fundido y posteriormente vaporizado. Por ejemplo, en la mayoría de metales el calor necesario para la vaporización es aproximadamente unas 10 veces superior al calor que hay que suministrar para conseguir su fusión. Cabe destacar también que el vapor generado y sobrecalentado resulta extremadamente propenso a la ionización por el haz láser, siendo la energía de ionización unas 100 veces mayor que la asociada a la fusión. El vapor ionizado se combina con los gases de alrededor y forma una zona de plasma, es decir, de gas ionizado. Este tiende a absorber y al mismo tiempo a reflejar el haz láser, impidiéndole alcanzar la superficie a mecani139


Figura 129. Comparación de las ventajas y desventajas del perforado láser frente al sistema E.D.M.

zar. Este efecto puede minimizarse con el empleo del láser en modo pulsado, alcanzando altas densidades de energía y con la ayuda del gas deaporte que creará una atmósfera inerte no ionizable tan fácilmente. Los principales competidores del perforado por láser son el perforado mecánico y el perforado por descarga eléctrica (E.D.M.), aunque se utilizan también con cierta frecuencia los sistemas del haz de electrones o el mecanizado electroquímico (E.C.M.). Una comparación entre las ventajas y desventajas que presentan el método mecánico y el E.D.M. frente al láser se esquematiza en los cuadros de las figuras 128 y 129. Mientras el perforado por métodos mecánicos compite con ventaja en el bajo coste de inversión del equipo, presenta el inconveniente del coste de mantenimiento generado por el desgaste y rotura de brocas. El láser, una vez realizada la inversión inicial, resulta competitivo ya que los costes por consumibles son mínimos. Los taladros son de calidad superior y sin rebabas pero vienen limitados por el espesor máximo de la plancha a perforar. Comparando con el sistema E.D.M. la principal ventaja del equipo láser es su alta flexibilidad y el menor coste por operación. El perforado por descarga eléctrica necesita del empleo de electrodos. La velocidad global del proceso es lenta, aunque la calidad de los agujeros obtenidos es superior y no presentan forma cónica.

140

Mareaje de materiales

INTRODUCIÓN El mareaje por láser empezó en los años sesenta, con el desarrollo del procesado láser de materiales, como una más de las distintas posibilidades de aquella nueva tecnología. Desde entonces los láseres han evolucionado, encontrando un uso extensivo en numerosas aplicaciones industriales. Este sistema de mareaje también se ha ido desarrollando durante estos últimos veinte años, creciendo en importancia hasta configurar un sector independiente de la industria. Hoy día compite económicamente con otras muchas tecnologías alternativas de marcado, erigiéndose como el preferido y, en ocasiones, como el único sistema de mareaje utilizable en determinadas aplicaciones. De este modo está aumentando considerablemente su incorporación en la industria. A pesar de que su precio de venta es más elevado que el de los tradicionales métodos por tinta, el bajo coste que representa su mantenimiento y el de los consumibles que utiliza hace rentable su inversión en un corto plazo de tiempo. DEFINICIÓN DE MARCAJE POR LÁSER La definición del mareaje por láser cae en algún lugar entre la imprenta y el procesado de materiales. A pesar de que estos sistemas láser pueden emplearse para generar líneas de texto sobre papel u otro tipo de sustrato imprimible, no pueden competir con la alta velocidad que adquieren otros sistemas más sofisticados como, por ejemplo, las impresoras láser. Por otro lado, pueden ser utilizados también en otras aplicaciones industriales, como corte o perforado, aunque es recomendable el empleo de otros sistemas láser ya optimizados para ello. Cabe preguntarse entonces qué es lo que hacen mejor los sistemas de marcado láser. La respuesta es que permiten marcar mensajes de corta o media longitud o imágenes directamente en productos ya terminados. Estas marcas son típicamente permanentes, aplicadas sin contacto directo con la pieza, sin emplear herramientas, no requieren ningún otro tipo de proceso posterior de fijado y no introducen ningún material adicional. Cualquiera de estas características, además de la alta velocidad y flexibilidad, pueden ser suficientes como para seleccionar este sistema frente a los otros. EFECTOS EN EL MATERIAL Por medio de elementos ópticos convencionales, tales como espejos y lentes, se puede dirigir el haz láser sobre la superficie del sustrato de un 141


modo coordinado, para producir la marca deseada. El efecto del haz sobre dicho material puede ser de tres tipos: fusión, vaporización o reacción fotoquímica. Cada uno de estos efectos puede conseguir una marca permanente con contraste visible y fácilmente interpretable. Un ejemplo de contraste por fusión es el del marcado de obleas de silicona. El proceso eleva la temperatura de la superficie de la silicona justo hasta el punto de fusión. Después de un ligero desplazamiento de la zona fundida el material resolidifica produciendo una zona ondulada. El contraste visual viene proporcionado por la diferencia de reflexión de la luz entre la zona ondulada y la lisa, originando zonas de sombras. La principal ventaja de esta técnica reside en que no hay eliminación de material ni genera desperdicios, y en la mínima afectación térmica generada en la silicona. La vaporización produce contraste visual por eliminación de material de la superficie, haciendo visible el de la capa inmediatamente inferior o alternándolo. El contraste es el resultado de diferencias de color, reflectancia o textura o producción de sombras. El oscurecimiento por carbonización es también un efecto usual para muchos materiales. Por ejemplo, en la fotografía (figura 130) pueden verse las marcas realizadas sobre una plancha de corcho con un láser de CO2. El haz produce la combustión superficial en los puntos de incidencia, haciendo visible el marcado por contraste. Figura 130. Placa de corcho marcada por láser de CO2 con sistema scanner.

La exposición a la luz láser puede generar también efectos fotoquímicos, especialmente en plásticos y otros materiales orgánicos. Así, las altas temperaturas generadas por la absorción de la radiación por el material pueden causar el cambio de color de pigmentos o el cambio de fase del material, sumándose a los efectos mecánicos ya citados. El tipo de efecto es función del material al tratar, del tipo de láser empleado y de la técnica de mareaje o tipo de marca seleccionado. 142


SISTEMAS DE MARCAJE La obtención de marcas por sistema láser se consigue de dos modos diferentes: por máscara y por haz focalizado. El sistema de máscara es similar al de un proyector de diapositivas. Una fuente intensa de luz, en este caso el láser, ilumina una plantilla metálica, la cual es proyectada con una lente sobre la superficie que va a ser marcada. La máscara es iluminada por un pulso de elevada intensidad, en el que el diámetro del haz láser es lo suficientemente ancho para cubrir todo el área de la máscara. Para cubrir áreas mayores o mensajes largos se necesita una sucesión de pulsos, cubriendo cada uno de ellos una porción de la plantilla. Es necesario que la plantilla no esté en contacto con la superficie a marcar. Esto permite trabajar a distancias de hasta treinta centímetros entre la fuente de haz láser y la superficie. La principal ventaja de este sistema de trabajo es que pueden realizarse fácilmente marcas sobre superficies en movimiento, ya que el pulso necesario para realizar la impresión tiene una duración inferior a un microsegundo. Esto permite alcanzar altas velocidades de proceso sin que se observe ningún tipo de distorsión en la producción de la imagen. En la fotografía de la figura 131 se puede ver una máscara metálica para el grabado por láser de CO 2, donde aparecen unas leyendas con motivos árabes. Empleando el sistema de haz focalizado las marcas se obtienen por desplazamiento de dicho haz sobre la pieza. Esto puede conseguirse trazando perfiles o contornos directamente o bien realizando un barrido de líneas superpuestas hasta configurar la totalidad de la imagen. Cada Figura 131. Máscara para el mareaje con láser de CO2 -TEA. -TEA.

143


carácter suele estar formado por una serie de pulsos relativamente numerosa. El sistema mecánico empleado para mover el haz puede ser cualquier conjunto óptico incorporado a unos ejes de coordenadas X-Y, gobernado por control numérico, o bien por medio de espejos controlados galvanométricamente, métricamente, como en el caso de un scanner. TIPOS DE LÁSERES EMPLEADOS En la elección del láser para el marcado deberán considerarse dos parámetros: la longitud de onda del haz y la anchura del pulso. Se ha conseguido obtener marcas sobre distintos sustratos empleando láseres cuyas longitudes de onda varían desde el infrarrojo hasta el visible e incluso el ultravioleta. Como en cualquier otro tipo de proceso láser, los factores determinantes son la absorción y r eflexión que presenta el material frente a una longitud de onda dada. Los materiales totalmente reflectantes o totalmente transparentes a una radiación no podrán ser marcados por ella ya que no se absorberá ningún tipo de energía. Cuando la absorción se produzca en profundidad se producirá marca pero las mejores condiciones serán aquellas en las que la absorción de la radiación se lleve a cabo de forma superficial. Como en todos los procesos vistos hasta ahora, los láseres de elección son el de CO2 y el de Nd:YAG. El primero es el adecuado para el marcado de sustratos no metálicos mientras que el segundo se emplea para el tratamiento de los metales. Aunque Aunqu e puede p uede trabajarse traba jarse también tambié n en e n modo mo do contin c ontinuo, uo, el empleo emple o de d e los l os sistemas láser en modo pulsado es el más ampliamente extendido. El efecto obtenido sobre el material depende de la duración del pulso ya que influye directamente en la densidad de potencia del pico. Esta anchura de pulso puede variar desde nanosegundos hasta alcanzar casi el modo continuo. Puede utilizarse un láser de Nd:YAG pulsado normal o bien uno de superpulsos. En cuanto a los de CO 2 son interesantes los TEA, que operan en pulsos discretos de elevada energía. MARCAJE CON LÁSER DE CO2 –TEA Los láseres de CO2 de tipo TEA generan un pulso de elevada potencia, del orden de uno a diez megavatios, que vaporiza la superficie de la mayoría de materiales no metálicos, propiedad que se aprovecha para el proceso de marcado. La corta duración de este tipo de pulso, típicamente inferior a un microsegundo, permite que no se produzca emborronado de la marca. La generación de la marca se realiza utilizando el método de la máscara. Este sistema se utiliza en industrias diversas: electrónica, farmacéutica, cosmética y alimentación, donde se utilizan para marcar códigos de fabricación, fechas de caducidad o cualquier otro tipo de información. El haz transmitido a través de la máscara es focalizado por una lente simple sobre la superficie de la pieza. Para que el haz incidente pueda 144


cubrir con un solo pulso toda la superficie de la máscara es necesario introducir una lente que provoque la expansión del haz antes de que éste llegue a la plantilla. Variando la distancia entre la máscara, la lente y la superficie del objeto a marcar, puede modificarse a voluntad el tamaño de la imagen y, portante, el de la marca, siempre que se mantenga la relación: y también

1/ X 1 + 1/ X 2 =1/ F D=X 2 /X 1

donde X 1 y X 2 son las distancias entre la máscara y la lente y entre la lente y el objeto a marcar, respectivamente; F es la longitud focal de la lente y D el aumento de tamaño de la imagen en el objeto respecto al de la máscara. Siempre que la densidad de potencia emitida por el láser sea suficiente y que el objeto presente la absorción adecuada a la radiación incidente, la imagen de la máscara quedará impresa en la superficie. La profundidad de foco es un parámetro que conviene optimizar para conseguir una mayor tolerancia en la distancia a la que se sitúa el objeto sin que se desenfoque la imagen, o para permitir una cierta flexibilidad para marcar objetos no planos. Cuanto mayor sea la longitud focal de la lente empleada mayor profundidad de foco se conseguirá. Sin embargo, la densidad de energía disminuye con el cuadrado de la distancia, pudiendo llegar a la situación en que la energía que incide en el plano no sea suficiente como para realizar la marca. Es importante destacar que la energía que no se transmite a través de la máscara, como incide sobre una superficie metálica es reflejada hacia atrás, pudiendo llegar a cualquier punto del sistema óptico o del cabezal del láser y dañar algún componente. Por tanto, es conveniente proteger esta zona. Una forma simple de protección consiste en colocar la máscara inclinada de modo que los reflejos se desvíen lateralmente. Una de las principales ventajas del empleo de un láser de CO 2 de tipo TEA es que se puede realizar el marcado de las piezas a una velocidad muy alta, siendo un proceso dinámico. Gracias a la corta duración del pulso, siempre muy inferior a la velocidad mecánica de desplazamiento de cualquier tipo de cadena de fabricación, el movimiento de los objetos aparece "congelado", es decir, durante el marcado se comportan como si estuvieran quietos respecto al haz. Esto hace que la calidad obtenida sea excelente, sin que se observe ningún tipo de distorsión o estelas acompañando la marca. Al mismo tiempo, el láser puede repetir su pulso a una frecuencia muy superior al desplazamiento de la cadena, pudiendo acoplarse a cualquier velocidad de producción. La conductividad térmica durante el pulso es despreciable, de modo que la densidad de energía absorbida permanece localizada, produciendo el calentamiento de una fina capa de la superficie hasta causar la eliminación por vaporización de dicho material. El aspecto de la marca vendrá determinado, además, por el tipo de 145


acabado del material. Cuando se trate de sustratos sin recubrimientos, la marca responderá a alguno de los tres efectos citados anteriormente: fusión, vaporización o reacción. Por el contrario, la eliminación del recubrimiento puede dar lugar a marcas por contraste al hacerse visible la capa inmediatamente inferior, como ocurre en las superficies tratadas con una película de tinta o pintura. Figura 132. Sistema láser con scanner (Cortesía: MACSA).

MARCAJE CON LÁSER DE CO2 CONTINUO Este método realiza el marcado por desplazamiento del haz láser focalizado sobre la pieza. La fuente láser, que emite un haz de forma continua, se incorpora a un conjunto de espejos deflectores controlados electróniFigura 133. Placas metálicas marcadas con láser de

146


camente por un sistema de baja inercia (scanner). Esto permite posicionar el haz con elevada precisión y velocidad, permitiendo abarcar zonas efectivas de mareaje de 180 X180 mm para un sistema de dos ejes, y de hasta 320 X 320 mm en el caso de emplear tres ejes. La fotografía de la figura 132 muestra un detalle de un scanner realizando el marcado de una placa de aluminio anodizado por medio de un láser de CO 2. Un detalle de la marca obtenida puede verse en la figura 133. El haz láser elimina el tratamiento superficial; al dejar al descubierto el aluminio metálico se hacen visibles los caracteres por contraste. La principal característica de este método reside en el bajo coste del equipo, pues incorpora un láser de baja potencia. Son suficientes entre 5 y 30 W para conseguir una marca. A ello se suma el bajo coste de mantenimiento y de consumibles. Un coste típico de mareaje en papel o plástico se cifra en menos de 0,001 ptas. de consumible por dígito marcado. Figura 134. Embalajes de cartón marcados con láser de CO2 .

Dentro de estos sistemas se diferencian dos modelos: estático y dinámico, en función de la velocidad relativa que presente la superficie a marcar respecto al conjunto óptico de deflexión. El sistema denominado estático se caracteriza por que la pieza aparece quieta durante la impresión de la marca con relación al movimiento del haz. Esto permite grabar entre 20 y 40 caracteres por segundo, valor que depende del material y de la calidad deseada. En el dinámico se permite que durante el mareaje el producto se desplace con respecto a la óptica con una velocidad constante no superior a los 35 metros por minuto. Materiales tales como papel, cartón, vidrio, piel, cuero, madera, corcho, etc., además de una amplia gama de plásticos, son susceptibles de ser marcados por este sistema. Como es lógico, serán los mismos que en el caso de emplear máscara, es decir, todos aquellos que presenten la 147


Figura 135. Marcas realizadas por eliminación de la pintura con láser de CO2 por el sistema de máscara.

adecuada absorción a la radiación de la longitud de onda característica del láser de CO2. La fotografía de la figura 134 muestra marcas realizadas en cajas de cartón para embalaje por eliminación de la pintura superficial, realizadas con un láser de CO 2, la misma técnica se empleó para la obtención de las marcas de las fechas que aparecen en la siguiente fotografía (figura 135). Las grabaciones obtenidas son imborrables, permaneciendo la marca inalterable, sea cual sea el proceso que se realice después, siempre que no se destruya el producto o el lugar donde se halla dicha marca. Además, las superficies a grabar no precisan estar limpias, sin que influya en la calidad. Figura 136. Marcas de dibujos realizados sobre piel para confección con láser de CO 2 .

148


El tratamiento de diferentes superficies ofrece muchas más posibilidades que el marcado de códigos o informaciones. Un ejemplo elocuente lo constituye la fotografía de la figura 136, en la que aparece un fragmento de piel para la confección. El marcado realizado con láser de CO 2 crea unos dibujos de tono dorado sobre el color negro de la piel, al mismo tiempo que puede lograrse un ligero repujado. MARCAJE CON LÁSER DE Nd:YAG El empleo de un láser de Nd:YAG permite el marcado de superficies metálicas, trabajando con potencias del orden de 60 W en continuo, debido al mayor coeficiente de absorción que presentan este tipo de materiales a la radiación de 1,06 μm generada por el láser de estado sólido. Si se quisiera marcar metales con un láser de CO 2, serían necesarias potencias mucho más elevadas, por presentar una menorabsorción frente a la radiación de 10,6 μm. En el proceso de marcado, al igual que en los casos anteriores, se necesita el movimiento relativo entre el haz y la pieza. Unos ejes de coordenadas pueden mover la pieza bajo el haz estático o desplazar el haz sobre la superficie a grabar. Figura 137. Placa metálica marcada con láser de Nd: YAG

El manipulado del haz se suele realizar también por medio de espejos deflectores, controlados galvanométricamente, que lo dirigen una vez focalizado sobre una pieza estacionaria. El haz es reflejado en el sentido del eje X por un espejo y luego en el sentido del eje Y por el otro. Los láseres de Nd:YAG pueden trabajar en modo continuo o pulsado, según su diseño, siendo los pulsados los más utilizados industrialmente, con una duración de pulso de 10" 6 segundos. Las marcas se producen de modo análogo a las originadas por un láser de 149


CO2: la absorción de la radiación causa un incremento de la temperatura de la zona de contacto durante un intervalo de tiempo inferior a un microsegundo. Esto no permite que el calor se transmita por debajo del punto focal, limitando a dicho punto la zona de afectación térmica. La marca aparecerá por eliminación de material, lo que se corresponde con un verdadero grabado, o por la aparición de un color de contraste. Por ejemplo, al marcar un material con un recubrimiento, como puede ser una placa metálica con una capa de pintura, el haz incidente produce la eliminación de dicha capa, dejando al descubierto el material de base. Esta es la técnica que se ha empleado para generar el dibujo que aparece en la fotografía de la figura 137. Una técnica usual de mareaje es la que se realiza por matriz de puntos. Esta emplea un láser de Nd:YAG pulsado unido a un sistema de scanner que realiza un barrido de líneas horizontales consecutivas. La velocidad de pulso es bastante lenta, del orden de cien pulsos por segundo. Se realiza así un marcado de líneas punteadas, originadas por las zonas de material evaporadas por cada pulso. La generación de un código o una secuencia alfanumérica no es por marcado de un carácter después de otro, sino que el total del mensaje se Figura 138. Marcas realizadas con láser de Nd: YAG

va marcando en líneas s ucesivas, respondiendo la calidad obtenida al número de puntos por línea y carácter que se utilice. Puede marcarse también por el sistema de líneas continuas, carácter tras carácter. En este caso se utilizan láseres de Nd:YAG del tipo Q-switch, que en contraposición a los anteriores trabajan a una velocidad del orden de 10000 pulsos por segundo. Esto provoca que a pesar de operar en modo pulsado el efecto sea una línea continua, ya que dichos pulsos se solapan al ser mucho más rápidos que el movimiento de desplazamiento. En la fotografía de la figura 138 puede verse el marcado de una placa metálica, realizada con un láser de Nd-YAG, donde los caracteres aparecen en forma de trazos c ontinuos. 150


COMPARACIÓN ENTRE LAS DIFERENTES TÉCNICAS DE MARCAJE INDUSTRIAL Las técnicas clásicas de mareaje o grabado industrial son por pintura o por estampación por calor. Como en todas las aplicaciones industriales la elección del método vendrá condicionada por las prestaciones y resultados deseados en el producto acabado. El láser ofrece una solución alternativa, competitiva con las técnicas actuales. Sus principales características son las de realizar un mareaje a alta velocidad, con caracteres imborrables y de alta calidad, obteniéndose marcas muy claras aún en tamaños realmente pequeños. El coste de mantenimiento es barato y no necesita aporte de material, lo que lleva a la reducción del precio global por marca. La ausencia de contacto del láser con la superficie, junto con el hecho de que no se realiza un proceso destructivo durante el mareaje, hace posible trabajar con sustratos frágiles sin tener que tomar precauciones adicionales. A pesar de que ofrece gran versatilidad dentro de una gama de materiales, no todos pueden ser tratados por el mismo equipo láser, constituyendo una limitación en el caso de una industria que opere con materiales muy distintos debido al elevado coste del equipo. En comparación con el sistema láser, el mareaje por tinta es mucho más barato en cuanto al equipo, pero requiere el empleo de tintas de precios muy elevados. Además, la velocidad de trabajo se ve claramente disminuida y las marcas son de inferior calidad. Un inconveniente adicional es que las superficies a tratar deben estar completamente limpias. La estampación por calor es un proceso destructivo, de caro mantenimiento y que produce marcas de calidad inferior a las obtenibles por láser. Cabe decir aquí que las marcas por láser pueden ser automatizadas y la profundidad del grabado es controlable. Cuando el sistema de elección sea un equipo láser, la pregunta será si es mejor el empleo del método de mareaje por máscara o bien por scanner. Cada tipo de mareaje tiene sus ventajas y limitaciones. En algunas aplicaciones, los dos métodos ofrecen soluciones viables. En otras, uno de ellos puede presentar claras ventajas frente al otro. Las consideraciones en la elección del método suelen ser tres: material, flexibilidad y velocidad. Los sistemas de máscara, con láser de CO 2-TEA, normalmente son los que mayor velocidad alcanzan. Con un pulso por mensaje y láseres capaces de trabajar a más de 50 pulsos por segundo pueden marcarse miles de piezas por minuto. El cambio de mensajes es sencillo, sólo requiere el intercambio de máscaras ya prefabricadas, lo que puede realizarse manualmente o de forma automatizada. Cuando los mensajes sean de pocos caracteres, pueden alcanzarse velocidades de hasta 20 piezas por segundo. Grandes áreas de marcado o largos mensajes requieren la utilización de múltiples pulsos, lo cual reduce la velocidad de producción. 151


Los sistemas de espejos galvanométricos con el haz focalizado son mucho más flexibles. Como estos espejos son controlados por computadora los mensajes pueden ser cambiados entre marca y marca sin que esto afecte a la velocidad de proceso global. Además, pueden combinarse fácilmente tamaños, orientaciones y rotaciones incluyendo diferentes gráficos en un mismo trabajo. Los campos de trabajo suelen ser cuadrados de 100 milímetros de lado. La velocidad alcanzable por estos estos sistemas es inferior al de la máscara, del orden de una pieza por segundo. Sin embargo, la longitud del mensaje puede ser mayor, de hasta 40 caracteres. Atendiendo al tipo de material, cuando se trate de sustratos orgánicos podrá elegirse cualquiera de los dos modelos, pero en el mareaje de superficies metálicas no puede emplearse el sistema de máscara. Del mismo modo, los sistemas scanner que incorporen un láser de Nd:YAG serán aconsejables para el tratamiento de metales mejor que para plásticos o materiales orgánicos.

152

Tratamiento superficial

INTRODUCCIÓN El objetivo del tratamiento superficial es conseguir dotar a la superficie de las propiedades necesarias para resistir la operación continuada bajo ciertas condiciones, tales como cargas mecánicas elevadas, alta temperatura y entornos químicamente agresivos. Los métodos mayormente utilizados son el endurecimiento térmico y la aleación superficial. En ambos casos el láser se utiliza como fuente de calor. Las mismas propiedades de flexibilidad, precisión, control y ausencia de distorsión que caracterizan el corte, la soldadura, el perforado y el mareaje, pueden conseguirse en el tratamiento térmico con láser. A diferencia de los procesos anteriores, es más importante la distribución espacial de la energía incidente que su concentración. En el tratamiento de grandes superficies con láseres de alta potencia se trabaja con el haz no focalizado. ENDURECIMIENTO TÉRMICO El endurecimiento térmico consiste en proporcionar al material la suficiente energía para conseguir niveles de temperatura capaces de provocar cambios en sus propiedades metalúrgicas, sin llegara la fusión o evaporación del material. Esta característica diferencia este proceso de los estudiados hasta ahora, en los que era necesaria la sustracción de la totalidad o de parte del material. Por lo general, el endurecimiento por láser da una dureza máxima a la mayoría de los metales, siendo hierros fundidos y aceros los elementos más tratados. Este endurecimiento se debe a la consecución de la estructura martensítica que se alcanza al enfriar rápidamente la superficie caliente. Previamente, debido al calor proporcionado por el láser, la superficie del material había adquirido la estructura austenítica. Para llevar a cabo este proceso es necesaria una cantidad importante de energía durante un período de tiempo relativamente prolongado, lo que hace que el láser de CO 2 sea el más apropiado. En aquellos casos en los que el metal a tratar está recubierto por una película transparente se utiliza un Nd:YAG, ya que si no ésta se destruiría. En este sentido, la consecución de láseres de 1,06 μm de alta potencia puede impulsar la utilización de esta técnica. El láser permite realizar este ciclo de endurecimiento a gran velocidad 153


con lo que, unido a la bien delimitada zona de trabajo, se consigue una mínima distorsión de la pieza. Por otra parte, esta localización permite además que el enfriamiento de la zona se realice por el resto de la masa de la pieza, acelerando mucho el proceso y obteniendo excelentes resultados. Podemos hablar de un autotemplado. Si la masa total de material no es suficiente para realizar este autotemplado, como es el caso de chapas delgadas, o no interesa que el calor se propague hacia el interior del material, para evitar distorsiones se puede enfriar la superficie por medios externos. En el uso de gases, líquidos o sólidos para este fin ha de tenerse en cuenta la absorción de energía incidente que puedan provocar. Una de las ventajas del tratamiento con láser es la posibilidad de tratar únicamente cierta zona deseada, debido a la dirigibilidad del haz y a su pequeño diámetro. Así es usual la distribución periódica a lo largo de un eje de zonas "duras" y "blandas". Con ello las zonas blandas absorben el desgaste mecánico en tanto que en las zonas duras la superficie de apoyo permanece sin modificación. Otro ejemplo típico es el endurecimiento de los dientes de sierras circulares en las que, para conservar la integridad estructural, la pieza completa no puede ser tan dura como el filo. Estas propiedades permiten además el tratamiento de zonas de difícil acceso. Es el único tratamiento térmico que se realiza a escala industrial. La General Motors ha puesto en marcha una macroinstalación en la que 20 láseres tratan las superficies guía de las carcasas de dirección a razón de 3.000 diarias. La misma empresa dispone de varios láseres de más de 5 kW para tratar las paredes interiores de las camisas de los cilindros de fundición de hierro aleada de los motores diesel. Su implantación en la industria va ligada al desarrollo de láseres de Nd:YAG de 1 kW de potencia o superiores y de láseres de CO 2 de alta potencia. ALEACIÓN SUPERFICIAL Este proceso ha sido posible gracias al desarrollo de fuentes láser. Consiste en disponer el material de la aleación sobre la pieza a tratar en forma de polvo, láminas o varillas. Al actuar el haz láser con su gran intensidad se genera la alta temperatura y el gradiente térmico que exige la aleación. A través de ellos el material añadido se funde, se agita vigorosamente y se difunde por las capas adyacentes del material base, consiguiendo unas velocidades de difusión altísimas. El enfriamiento brusco determina la microestructura fina de las capas aleadas. Por selección apropiada de las condiciones de aplicación del láser puede incluso ajustarse con precisión la distribución en profundidad de los elementos que forman la aleación. El interés de la aleación superficial por láser reside en la notable calidad de las piezas, dotadas de propiedades no comunes. A ello hay que añadir el beneficio económico que supone la reducción de la cantidad necesaria de materiales costosos, ya que es mínima la cantidad de material desaprovechado. 154

Visión de mercado

INTRODUCCIÓN En este capítulo se ofrece una visión del estado actual del mercado. Se incluyen tipos de láseres y de aplicaciones que no han sido estudiados a lo largo del texto, pero creemos que son de interés para situar la importancia que el mercado del láser tiene en la economía mundial. La diversidad del mercado, así como la no uniformidad de criterios en la configuración de las estadísticas, hace que se puedan encontrar datos distintos según las fuentes consultadas, con lo que hay que tomar los datos presentados como orientativos. La verdadera eclosión del láser de utillaje, es decir, del conjunto de elementos necesarios para la realización de procesos industriales mediante el láser, se sitúa a principios de los años 80. Es a partir de aquí cuando el láser entra a formar parte del mercado civil de la herramienta de utillaje, alcanzando tasas de crecimiento anual de hasta el 20% durante el primer quinquenio, disminuyendo ligeramente en los últimos años. En un pequeño resumen histórico, la evolución del láser desde sus inicios hasta su utilización actual puede dividirse en tres etapas, coincidiendo con las tres últimas décadas. En los años sesenta se consiguen los primeros láseres, primero de estado sólido y después de gas, experimentando durante estos años el efecto láser en diversos materiales. Durante los años setenta los láseres se introducen en el mercado público: armamentístico, científico y laboratorios de desarrollo, adquiriendo progresivamente las características necesarias para la introducción de los mismos en la industria: fiabilidad de las fuentes y de las ópticas, calidad del haz y adaptación de técnicas paralelas al utillaje con láser, como por ejemplo el campo de la informática. Los láseres de CO 2 y Nd:YAG son los que experimentan una mayor evolución. Es en la década de los ochenta cuando el mercado civil del láser empieza a estructurarse y las empresas no sólo ofrecen láseres de alta fiabilidad, sino que aportan soluciones para la incorporación de estos a las cadenas de montaje y logran resolver los problemas que plantea una utilización industrial. La industria del láser de CO 2 experimenta un gran desarrollo, especialmente para potencias medias y altas, gracias a los esfuerzos realizados por los laboratorios de investigación de las empresas privadas. Un ejemplo lo encontramos en las industrias automovilísticas americanas, así la General Motors contaba en 1984 con un total de 132 láseres, 100 eran de CO2 y 32 de Nd:YAG. De estos 132 láseres 120 formaban parte de las cadenas de montaje, y los 12 restantes estaban 155


dedicados a la investigación. Las necesidades en la industria de la microelectrónica son las que principalmente han potenciado el desarrollo de los láseres de Nd:YAG. Una característica del mercado del láser es la diversidad de aplicaciones y de equipos, como puede verse en la gráfica de la figura 139. En ella se presentan los volúmenes de venta, en millones de dólares para distintos campos de aplicaciones durante el año 1986 y las previsiones para el año 1987, según la revista Laser Focus de enero .de 1987. Figura 139. Ventas mundiales de láseres en millones de dólares según sus aplicaciones en 1986 y para 1987.

Los principales campos de aplicaciones son el láser como herramienta en la industria, aplicaciones científicas, memorias ópticas y medicina. El tipo de láser más vendido es el de CO 2, seguido por el láser de Nd:YAG, con una proporción de 2 a 1, aunque puede variar con el desarrollo de láseres de Nd:YAG de potencias altas. En este punto no hemos tenido en cuenta el diodo-láser utilizado en los campos de las impresoras y los compact-disk. Este último mercado ha experimentado durante el año 1987 un aumento del 60% en el número de ventas, mientras que los restantes tipos de láseres presentan un crecimiento del 12% respecto al año anterior. En el campo del tratamiento de materiales, los láseres más utilizados son el de CO 2 y el de Nd:YAG, experimentando un aumento del 15% en el número de ventas respecto a 1986. Hay que señalar aquí que este crecimiento ha sido menor en el campo de potencias bajas y medias, entre 100 W y 2 kW, debido a la competencia de otras máquinas-herramienta. 156

Visión de mercado

En cuanto a la utilización de estos láseres, el corte y perforado constituyen el 80% de las aplicaciones, seguidos de la soldadura con el 18% y por último del tratamiento de superficie con el 2%. En una visión de conjunto de las industrias de láser situamos a las americanas a la cabeza de las fabricantes de láseres de potencia en 1983. En los años siguientes se produce un desarrollo de las industrias europeas, especialmente a partir de 1985. Las industrias alemanas, en especial Trumpf y Rofin-Sinar, están adquiriendo el liderato en la gama de láseres industriales de 1 a 5 kW y en la gama de láseres excitados por radiofrecuencia. Las razones de este liderato las encontramos en dos motivos: por un lado la existencia de programas de investigación y desarrollo basados en fondos públicos, así como colaboraciones con empresas americanas, y por otro una acertada gama de productos muy acorde con la demanda. Todo esto hace que en la actualidad la industria alemana sea la de mayor implantación en Europa, como testifica el volumen de sus exportaciones. La industria americana sigue ostentando el liderato en número de ventas, pero sufre una competencia cada día mayor en el campo de los láseres de 1 a 5 kW. Esto hace que en la actualidad; después de una fuerte implantación en el mercado europeo, haya cedido parte de este mercado y se le observe una actitud defensiva. Figura 140. Gráfica comparativa del número de láseres de 100 W utilizados en diferentes países.

En las industrias francesa y británica se observa una activa participación, tanto de utilización como de fabricación de láseres. En el caso francés, la producción de láseres sólo logra alcanzar el mercado nacional, existiendo además una gran introducción de productos extranjeros. El mercado británico parece estar menos invadido. En el mercado italiano existe una gran competencia extranjera, basada en el gran dinamismo del mismo. Como ejemplo podemos tomar la 157


empresa automovilística Fiat; desde 1971 muestra su interés por la tecnología láser, en 1977 adquiere un láser de la casa Avco de 15 kW y en 1987 dispone de 29 láseres de más de 800 W de diversas nacionalidades. En España el grado de utilización es sensiblemente inferior al de estos países, observándose un ligero aumento en estos últimos años. El nivel de introducción de empresas extranjeras es importante en el campo de potencias altas. En el terreno de potencias bajas y medias, la aparición en el mercado de equipos de fabricación nacional permite que esta influencia extranjera sea cada día menor. Figura 141. Gráfica comparativa del número de láseres de 100 W utilizados en países europeos.

El mercado que mayor desarrollo ha protagonizado según las últimas estadísticas es el japonés. El parque industrial y el crecimiento del mercado entre 1983 y 1987 es muy elevado. Se estima que de los 150 láseres de CO2 existentes en 1983 se pasará a los 1365 en 1988, asimismo, el parque de láseres de Nd:YAG pasará de 400 a 1820. La industria del láser de Nd:YAG ha experimentado un considerable aumento del número de ventas gracias a su aplicación al campo de la microelectrónica y a la obtención de sistemas láser muy especializados. La competencia del mercado japonés con el americano se empieza a sentir en Europa para los láseres de CO2 de 1 a 2 kW debido a los mejores precios ofrecidos. En la figura 140 se representa aproximadamente el número total de sistemas láser de más de 100 W existentes en Estados Unidos, Japón y Europa en 1986. El número total de sistemas es de 5800, siendo Estados Unidos el país con mayor número de equipos. Los 1400 sistemas instalados en Europa representan el 24 % del total. En la figura 141, se compara la distribución de estos equipos en los diferentes países europeos. Como puede observarse la superioridad alemana es clara. 158

Visión de mercado

En la decisión de la adquisición de un equipo láser intervienen dos factores, el económico y el técnico. Desde el punto de vista económico la existencia de otros sistemas de trabajo permite la comparación de costes iniciales y de rendimiento. El campo técnico puede también determinar la compra de un equipo. La facilidad del sistema para real izar diversas tareas y su fácil manejo hace que los láseres tengan gran utilización en confección de prototipos y series cortas. En aquellos campos en los que el láser permite la realización de operaciones que con otras técnicas no se pueden realizar o son de muy bajo rendimiento, es donde tiene mayor implantación. Por último, factores de calidad de acabado pueden influir en la determinación de la compra de un equipo. Los sectores de mayor utilización de equipos láser son el automovilístico, el electrónico, el eléctrico, el médico, la industria del cartón y del papel, el del vidrio y el aeronáutico. El sector automovilístico es históricamente un sector pionero en la utilización y desarrollo de equipos láser en sus aplicaciones de corte, perforado, soldadura y tratamiento de superficies, especialmente con láseres de CO2. Han sido de gran importancia las aportaciones realizadas por este sector en países como Italia y Estados Unidos. La industria de la electrónica se interesa desde los años 70 en la utilización de láseres de Nd:YAG para corte de semiconductores y ajuste de resistencias, aunque esto último también puede realizarse con un láser de CO2. Junto con el sector informático emplean el mayor número de láseres, si tenemos en cuenta los láseres de He-Ne y diodo-láser. Un ejemplo clásico de aplicación de la soldadura con láser es la soldadura de baterías eléctricas con láser de CO 2. En la industria del papel y del cartón se utiliza para la confección de cajas o para el agujereado de los filtros de cigarrillos. Sería aquí imposible la enumeración de todas las aplicaciones del láser en la industria, pero la constatación de esta realidad en otros países permite una visión más amplia de esta nueva técnica.

159

Aplicaciones industriales del láser

Recommend Documents