Laser Cutting of Carbon / Mild Steel

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Generalidades sobre el acero al carbono

El acero al carbono es una aleación de hierro y carbono con un contenido de carbono de hasta el 2 %. Según el contenido de carbono se clasifica en:

Acero de bajo carbono — contenido de carbono inferior al 0,25 %.
Acero de medio carbono — contenido del 0,25 al 0,6 %.
Acero de alto carbono — contenido superior al 0,6 %.

Por el método de laminado, el acero al carbono puede ser laminado en caliente o laminado en frío. La diferencia principal es la temperatura del proceso.

El acero laminado en caliente se fabrica a partir de materia prima de menor calidad, por lo que su precio es inferior al del laminado en frío. El espesor del acero laminado en caliente puede superar los 160 mm.

El acero laminado en frío se utiliza normalmente para estructuras de chapa fina, de 0,4 mm a 6 mm. Su calidad es superior, por lo que también su precio es mayor.

Selección del material

Calidad del acero suministrado:

Primera calidad
Segunda calidad
Tercera calidad
Fuera de especificación

Para corte láser sirven la primera y la segunda calidad, especialmente para piezas destinadas a pintura o productos decorativos. Las calidades difieren en la composición y el proceso de fabricación.

Para un trabajo estable, el operador de corte láser debe solicitar al fabricante una chapa de prueba del espesor requerido, con descripción de la aleación y del proceso. Así puede detectar defectos, evaluar riesgos y, de acuerdo con el proveedor, definir un régimen estable para producción en serie, manteniéndolo como socio fijo — o cambiar de proveedor para evitar problemas en la producción seriada.

Composición del material

El material utilizado es decisivo. El acero de baja calidad suele contener impurezas muy reactivas durante el calentamiento. Se producen varias reacciones térmicas que afectan a la formación de escoria, eyecciones bruscas de metal y otros defectos. Si la viscosidad del fundido es alta, la escoria se adhiere al material y exige limpieza adicional. Bajar la velocidad o añadir acabados no es deseable.

Calidad del material

Si el laminado se hizo fuera de la tecnología y las chapas se almacenaron mal, encontrará chapas con óxido, superficie heterogénea, espesor variable y porosidad en el metal — todo ello provoca defectos de corte.

Selección del gas

Oxígeno y aire se utilizan típicamente para cortar acero al carbono y aceros de baja aleación. El nitrógeno es un gas universal de corte, pero por su elevado consumo se reserva para casos especiales.

Corte con oxígeno

Provoca una reacción exotérmica favorable al corte de acero al carbono. Sin embargo, deja bordes oxidados y exige un control estricto de parámetros para minimizar adherencia de escoria, slag, dross, rugosidad y zona afectada por el calor (ZAC / HAZ).

La presión de oxígeno en la tobera suele estar entre 0,5 y 5 bar.
A mayor espesor, menor presión de oxígeno (para evitar quemado) y mayor diámetro de la tobera.
La pureza del gas es importante: una chapa de 1 mm puede cortarse hasta un 30 % más rápido con O₂ del 99,9 % o 99,99 % en comparación con el 99,7 % estándar.
El espesor máximo cortable es relativamente mayor con oxígeno que con nitrógeno a alta presión.

Aire comprimido

Mejor para chapas finas. La velocidad de corte es muy superior a la del oxígeno.
A partir de 2 mm es difícil evitar defectos — se requerirá acabado adicional.
Una presión de aire elevada a 5–6 bar basta para expulsar el metal fundido de la sangría.
Como casi el 80 % del aire es nitrógeno, el corte con aire comprimido es en esencia corte por fusión.
Inconveniente del compresor: mantenimiento regular (cambio de aceite) y filtros que pueden fallar. Tras tres meses de funcionamiento normal pueden empezar a "escupir": el condensado del depósito entra en la línea. Si la vía se contamina una vez, no basta con poner filtros nuevos: hay que limpiar la propia vía soplándola con alcohol.

Alineación del haz y verificación del sistema óptico y de la tobera

Al inicio del turno, compruebe que la alineación del haz láser es correcta y que los cristales de protección están limpios. Si aparecen defectos, comience el diagnóstico verificando el centrado del haz y la limpieza de los cristales. Recuerde también que en el corte con oxígeno conviene usar toberas dobles y comprobar regularmente la geometría del orificio.

Defectos de corte: escoria, rebabas, slag, dross

Escoria es el acumulado indeseado de residuos procedentes del material fundido — un subproducto del proceso de corte.

Tres causas principales: escoria a baja velocidad, escoria a alta velocidad y escoria finamente dispersa (slag).

Escoria a alta velocidad. Si la velocidad es demasiado alta, el arco se retrasa en la sangría y deja material sin cortar en la parte inferior de la chapa. La escoria se acumula y la calidad cae.

Escoria a baja velocidad. Si la velocidad es demasiado baja, el cortador "busca" material adicional. El diámetro del arco crece, la sangría se ensancha y el plasma de alta velocidad ya no dispersa el metal fundido, que se acumula bajo la chapa.

Slag (escoria finamente dispersa). Aparece cuando el metal resolidificado deja depósitos en la superficie que después se desprenden. Suele deberse a dos factores: velocidad demasiado alta o presión insuficiente en la tobera. A diferencia de las otras, retirarla es trivial.

Dross (rebaba endurecida). Gotas solidificadas de metal fundido en el borde de la pieza, que aparecen cuando la velocidad u otros parámetros tecnológicos del corte de grandes espesores se desvían.

Dross en forma de perlas con surcos hacia abajo, adheridos al acero estructural. Causa: foco demasiado alto respecto al nominal o velocidad excesiva. Solución: reducir la velocidad un 10 % o bajar el foco.
Dross con migas y picaduras en la pieza. Causa: foco por debajo del nominal junto con presión de oxígeno alta y adherencia de partículas a alta velocidad. Solución: subir el foco y reducir la velocidad un 5–10 %.

Rebaba (burr) es material solidificado muy adherente, o slag de óxido solidificado, formado en la cara inferior del corte. Los materiales fundidos con alta tensión superficial y baja viscosidad son más difíciles de retirar del frente de corte con el gas de asistencia y pueden producir adherencia de escoria en la cara inferior.

Zona afectada por el calor (ZAC / HAZ)

El corte láser crea una zona afectada por el calor (ZAC) junto al borde del corte. La ZAC es la parte del metal cuya estructura se ve influida por el calor sin llegar a fundir. El cambio microestructural en la ZAC es una de las características que determinan la calidad del corte láser.

La ZAC provoca cambios estructurales que debilitan la pieza en esa zona, por lo que cualquier eyección de metal dificulta el corte posterior. Soluciones: pre-pinchado, soplado continuo, corte desde el centro hacia fuera en distintas direcciones, soplado adicional.

Reventón / cráter de perforación

Rotura de la pieza por el lado de entrada, cráter al perforar. Producido por foco bajo, parámetros incorrectos (altura de corte baja, alta frecuencia, tobera sobredimensionada, potencia de perforación excesiva).

Para evitar este defecto:

suba el foco;
use una tobera más pequeña;
ajuste los parámetros de entrada por defecto;
realice un pre-pinchado.

Condiciones para el corte con oxígeno

Para el corte de metal con oxígeno deben cumplirse las siguientes condiciones:

(a) La temperatura de combustión del metal en oxígeno debe ser inferior a la de fusión, de lo contrario el metal funde antes de empezar a arder en oxígeno.

(b) Los óxidos metálicos formados deben fundir a una temperatura inferior a la de combustión del metal y no ser demasiado viscosos.

(c) La cantidad de calor liberada al arder el metal en oxígeno debe ser suficiente para mantener el proceso. En el corte de acero, aproximadamente el 70 % del calor de precalentamiento procede de la combustión del metal en oxígeno y solo el 30 % de la llama de precalentamiento.

(d) La conductividad térmica del metal no debe ser demasiado alta; de lo contrario, la intensa disipación térmica puede interrumpir el corte.

Influencia de la composición del acero

Las condiciones anteriores se cumplen óptimamente con hierro puro y aceros de bajo carbono. El hierro puro tiene una temperatura de ignición en oxígeno de 1050 °C y una temperatura de fusión de 1528 °C. Con un 0,7 % de carbono en el acero, la temperatura de ignición sube a 1300 °C, igual al inicio de la fusión para esa composición. Según A. N. Shashkov, la oxidación selectiva del hierro en oxígeno durante el corte empieza hacia 1130 °C; a partir de 1300 °C comienza la combustión intensa del carbono.

Además de la composición, la temperatura de ignición depende del estado de la superficie, del tamaño de las piezas y de la presión y velocidad del flujo de oxígeno. Una superficie rugosa facilita la ignición. El polvo de hierro puede inflamarse en oxígeno puro a 315 °C — muy por debajo del metal laminado. La superficie de un trozo grande de acero se inflama a 1200–1300 °C. A 25 kgf/cm² de presión y 180 m/s de velocidad del flujo de oxígeno, la temperatura de ignición del acero al carbono cae a 700–750 °C.