El papel de los gases auxiliares en la calidad del corte de una máquina de corte por láser.

Al observar una máquina de corte por láser, es fácil ver el haz láser, el rápido movimiento del cabezal de corte y los bordes lisos que deja tras de sí. Sin embargo, ocurre mucho más de lo que simplemente sugiere el haz láser realizando todo el trabajo. Allí donde el haz entra en contacto con el material, se expulsa un chorro de gas. Este es el gas auxiliar, y su importancia para la calidad de los cortes es mayor de lo que la mayoría de las personas comprende.

Cuando se opera una máquina de corte por láser, el gas auxiliar es una parte integral del proceso y afecta la velocidad de corte, la nitidez de los bordes y la presencia de escoria adherida a la pieza de trabajo. Independientemente del material, se requieren distintos gases, así como distintas presiones y caudales, según el espesor del material. Elegir correctamente estos parámetros determina si se obtiene una pieza de calidad o una que requiere trabajo adicional.

¿Qué hacen los gases auxiliares? ¿Por qué son importantes?

El gas auxiliar desempeña un papel multifacético. En primer lugar, ayuda a eliminar el material fundido de la ranura de corte. Al cortar con láser, el metal fundido generado debe ser expulsado de la ranura para evitar que se solidifique y dañe el borde de la misma. El gas auxiliar contribuye a evacuar el metal fundido desde la parte inferior del corte. En segundo lugar, protege los ópticos: el flujo del gas auxiliar mantiene limpios la lente y la boquilla, evitando la acumulación de residuos, chispas y gotas metálicas. Por último, en el caso de algunos materiales, el gas auxiliar participa activamente en el proceso de corte. Por ejemplo, la reacción exotérmica del oxígeno acelera dicho proceso; por su parte, el nitrógeno, que no reacciona, también contribuye a evacuar el metal de la ranura de corte.

Para seleccionar el gas adecuado para una aplicación específica, es fundamental comprender la función del gas auxiliar. Asimismo, cada gas presenta especificaciones distintas, como caudal, presión y pureza.

Oxígeno: un gas que genera calor

El oxígeno es uno de los gases más utilizados para cortar acero al carbono. Para aplicaciones industriales de corte, su pureza es de al menos el 99,5 %. Cuando se utiliza oxígeno de alta pureza, el metal calentado en el borde de corte comienza a arder. Esta combustión hace que el metal libere energía y ayuda al láser de corte a procesar materiales más gruesos a mayor velocidad. La reacción entre el chorro de oxígeno y el precipitado metálico puede aumentar la velocidad de corte en un 40 % a un 50 % en comparación con el uso de gases no reactivos.

El corte con oxígeno se realiza a baja presión, típicamente en el rango de 0,5 a 5 bares, o de 7 a 70 PSI. Para acero al carbono grueso de 8 a 22 milímetros de espesor, se emplea una presión de aproximadamente 10 bares y un consumo de gas de unos 20 a 22 metros cúbicos por hora. En placas extremadamente gruesas, la presión puede mantenerse en el rango de 0,05 a 0,07 MPa al utilizar boquillas de doble capa especialmente diseñadas.

El inconveniente de utilizar oxígeno puro es el resultado de una reacción conocida como borde oxidado. El borde oxidado deja una capa oscura de óxido que puede requerir limpieza previa antes de poder pintarlo o soldarlo. El borde puede ser ligeramente más rugoso que el obtenido con otros gases. En cuanto a la capacidad de corte con gas oxígeno, su velocidad y espesor máximos suelen ser la mejor opción para acero al carbono en la mayoría de los talleres de fabricación.

Nitrógeno: El gas para bordes limpios

En comparación con el oxígeno, el nitrógeno es un gas inerte y requiere una pureza del 99,95 % o superior para el corte por láser. La mayoría de los profesionales prefieren y utilizan una pureza del 99,99 %. Para la mayoría de las aplicaciones, esta pureza es suficiente y resulta económicamente más viable. Simplemente expulsa el material fundido fuera del corte, dejando una superficie limpia.

Como el nitrógeno depende de la fuerza mecánica y la utiliza, exige significativamente más presión. Los rangos de trabajo típicos oscilan entre 10 y 20 bares, o entre 150 y 300 PSI. En el corte de materiales de menos de 8 mm, es habitual emplear presiones de 15 bares junto con un caudal de 50 metros cúbicos por hora. Para espesores de 12 a 15 mm, son imprescindibles presiones de 15 a 22 bares y caudales de 120 metros cúbicos por hora. En la sección más gruesa, de 22 mm, las presiones típicas oscilan entre 22 y 30 bares (319 a 435 PSI) y los caudales alcanzan los 150 metros cúbicos por hora.

Al cortar acero inoxidable y aluminio con nitrógeno, el borde resulta brillante y libre de oxidación, decoloración y cascarilla. Las piezas cortadas están listas para soldarse y pintarse directamente tras salir de la máquina. El inconveniente es que las velocidades de corte son más lentas con nitrógeno y el consumo de gas es mucho mayor. Por ejemplo, un depósito de nitrógeno de 40 litros a una presión de 15 MPa y una pureza del 99,99 % durará solo 35 minutos al cortar con una boquilla de 2,0 mm a una presión de 1,2 MPa. Esto resulta significativo en la producción a gran volumen.

Aire comprimido: la opción intermedia

El aire comprimido es la alternativa más económica y representa, literalmente, un compromiso. La composición del aire comprimido es aproximadamente un 78 % de nitrógeno y un 21 % de oxígeno, con un pequeño porcentaje de otros gases. Esto explica por qué existe cierta oxidación debida al componente de oxígeno, aunque menor que con oxígeno puro. Los bordes de corte serán más limpios que con oxígeno, pero no tan limpios como con nitrógeno. Las velocidades de corte con aire comprimido son mejores, aunque no tan buenas como con los otros dos gases.

Si necesita cortar materiales finos de 3 a 4 mm de espesor y la calidad no es un factor determinante, el uso de aire comprimido es una buena forma de ahorrar dinero. Los únicos costes recurrentes son la energía necesaria para hacer funcionar el compresor de aire y los costes de mantenimiento del sistema de filtración del compresor de aire.

Sin embargo, utilizar aire comprimido para trabajos de corte supone un gran riesgo. El aire contiene muchos contaminantes, como polvo, agua y aceite, que dañarán los ópticos y reducirán la calidad del corte. Para evitar este tipo de problemas, será necesario incorporar equipos adicionales que protejan sus ópticos y la calidad del corte. En cuanto a los filtros de aire, las normas industriales recomiendan que el aire comprimido utilizado contenga como máximo 0,01 ppm de aceite y un punto de rocío igual o inferior a 10 grados Celsius. Por ello, deberá emplearse un sistema de filtración multicapa de alta calidad, lo cual resulta muy costoso.

Se utilizan gases especiales, como el argón, para cortar titanio y aleaciones de titanio. Estos procesos requieren un entorno seguro, y el argón lo proporciona al ser un gas inerte. Un gas inerte es aquel que no reacciona con la mayoría de los materiales durante el proceso. Para trabajos de corte de titanio, la pureza del argón debe ser del 99,99 %. Asimismo, la presión del gas debe superar los 1,2 MPa en piezas de titanio más gruesas.

Existen ciertas mezclas personalizadas de gases diseñadas para usos específicos, pero para la mayoría de los talleres, el oxígeno, el nitrógeno y el aire son los componentes gaseosos que cubren la mayor parte del trabajo.

Pureza y normas de calidad de los gases

La pureza de los gases no es solo una especificación, sino un elemento clave que influye directamente en la calidad del corte. En cuanto al nitrógeno, si está presente incluso una traza de oxígeno, los bordes del acero inoxidable se decolorarán, lo que anulará por completo el propósito deseado de utilizar nitrógeno. En el caso del oxígeno, las impurezas reducirán la eficiencia de la reacción exotérmica, haciendo que los cortes se realicen más lentamente y que los bordes tengan una menor calidad.

A continuación se indican los requisitos habituales para los distintos tipos de gases utilizados en la industria:

Tanto el nivel de filtración como la variación en la calidad del aire son factores fundamentales.

Tablas prácticas de parámetros para materiales comunes

Aunque el tipo de gas comprimido sí influye en la calidad del corte, también son importantes la presión y el caudal. Si la presión es demasiado baja, el material fundido no se eliminará y quedará escoria en el borde inferior del corte. Si la presión es demasiado alta, el corte podría verse interrumpido, podrían generarse turbulencias y podría producirse un enfriamiento excesivo del material.

El caudal del nitrógeno dentro del corte, en particular, es fundamental. El consumo de gas se registra en litros por minuto o en metros cúbicos por hora, y está influenciado en gran medida por el tamaño de la boquilla y la presión utilizada. Por ejemplo, un cilindro de nitrógeno de 40 litros a una presión de 15 MPa durará solo aproximadamente 13 minutos cuando se utilice una boquilla de 4,0 milímetros a una presión de 0,6 MPa, mientras que durará 35 minutos cuando se utilice una boquilla de 2,0 milímetros a una presión de 1,2 MPa. Esta es también la razón por la cual la selección de la boquilla constituye un factor tan importante para determinar sus costes operativos.

Existen varios factores que deben tenerse en cuenta al determinar cómo ajustar el enfoque o la profundidad de corte óptima de la máquina. El fondo del corte dependerá del espesor del material que se esté cortando. Un fondo de ranura más profunda requerirá una expulsión del metal fundido a mayor velocidad, lo que a su vez exigirá una presión más elevada. Cuanto mayor sea la presión aplicada al sistema, mayor será su consumo; por lo tanto, encontrar la presión mínima efectiva para la tarea constituye el método más eficaz para controlar los costos.

Resolución de problemas relacionados con los gases

Si el corte que está realizando no es correcto, el primer aspecto que debe revisar es el gas. La escoria en la parte inferior suele indicar que la presión es insuficiente o que el gas utilizado no es el adecuado para el material en cuestión. Se recomienda ajustar la presión en incrementos de 0,5 bar para comprobar si se produce alguna mejora.

Si hay decoloración en el corte del acero inoxidable al utilizar gas nitrógeno, esto indica que el gas está penetrando en la zona contaminada del corte. Se debe inspeccionar la pureza del gas y verificar posibles fugas en el sistema de suministro. Asimismo, la boquilla no debe estar dañada. Una coloración amarillenta o azul claro indicará que el gas está contaminado.

La rugosidad de los bordes del corte puede indicar que se está generando turbulencia debido a una boquilla dañada o a una presión excesiva en el sistema. Se debe inspeccionar el orificio de la boquilla para detectar cualquier deformación o daño. Los bordes del corte deben ser uniformes, lo que significa que el flujo de gas también debe ser uniforme. Si el corte se realiza cerca del extremo de la chapa metálica, también se debe inspeccionar el flujo de gas para verificar si existen obstrucciones en el suministro.

El aspecto económico de los gases auxiliares

Los gases auxiliares constituyen otro costo operativo, ya que se adquieren según el volumen utilizado durante la producción. Los gases de nitrógeno son los más costosos, ya que su consumo puede provocar un aumento del 25 % o más en los costos operativos si la presión se establece tan solo 4 bares por encima de lo necesario. Por su parte, el oxígeno es más económico que el nitrógeno, y siempre que estén disponibles el compresor y el sistema de filtración, el aire puede utilizarse sin costo alguno.

Sin embargo, el costo del gas es solo una parte del costo total. También hay que considerar el tiempo. Un corte más rápido con un gas auxiliar de oxígeno podría significar que los ahorros en costos laborales compensen la pérdida de calidad del corte. Por otro lado, un gas auxiliar de nitrógeno puede producir un corte más limpio, lo que reduciría la cantidad de operaciones posteriores al corte —como rectificado, lijado u otros procesos de acabado— que podrían ser necesarias. Por lo tanto, se recomienda analizar el costo total de cada pieza fabricada, en lugar de centrarse únicamente en el consumo de gases auxiliares.

Cómo DP Laser le ayuda a hacerlo correctamente

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Los gases de asistencia son una parte fundamental del proceso de corte, ya que influyen en la velocidad, la calidad y el costo. Para elegir los mejores gases para sus procesos de corte, deberá tener en cuenta la composición del gas, su pureza, la presión del gas y el caudal del gas en relación con el material que está cortando. Tómese el tiempo necesario para analizar los requisitos de su máquina y realice algunas pruebas mientras toma notas. Póngase en contacto con nosotros si necesita ayuda. Una configuración adecuada de gases tendrá un impacto significativo en los materiales producidos por su máquina.