The Role of Assist Gas in Metal Laser Cutting

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Principio del gas de asistencia

El haz láser se enfoca en la línea de corte y penetra el metal — empieza con una perforación (pierce) y luego avanza por el contorno mediante acción térmica. Al mismo tiempo, se dirige a la zona de corte, de forma coaxial, un gas de asistencia (gas de proceso). Este expulsa el material fundido del kerf. Según el gas elegido, puede reaccionar con el metal o enfriarlo. Una parte del metal se vaporiza.

Durante el corte, bajo la acción del haz láser, el material en la zona de corte se funde, se inflama, se vaporiza o es expulsado por el chorro de gas.

Pureza del gas

Un gas limpio (de alta calidad) influye en la calidad del borde y en la velocidad de corte para la misma potencia. Con gas de baja calidad, el metal no se corta correctamente a la velocidad estándar — pueden aparecer rebabas, cascarilla y decoloración en aceros de alta aleación.

La pureza se expresa como el porcentaje de la molécula principal. Para nitrógeno, oxígeno y argón, la pureza suele ser del 99 % más varios decimales — cuanto más "9" tras la coma, mayor la pureza. Cuanto más grueso el metal, mayor debe ser la pureza.

Las empresas industriales utilizan oxígeno técnico al 99,5 % o 99,7 %. No tiene sentido buscar gas ultrapuro con muchos "9" — basta con 99,99 %.

La elección del gas depende del tipo de material, del espesor de la chapa y de las operaciones posteriores. Con nitrógeno, la pureza no siempre es prioritaria; con oxígeno, los resultados dependen directamente de su pureza.

Factores de consumo de gas

En el corte de metal con láser de fibra, el consumo de gas depende de:

tipo de gas utilizado;
presión;
espesor del material;
boquilla (nozzle).

Tipos de gas para corte láser

Aire comprimido (mezcla de gases);
Oxígeno (gas activo);
Nitrógeno (gas condicionalmente inerte);
Argón y Helio (gases verdaderamente inertes);
Dióxido de carbono licuado (gas activo).

Código de colores de los cilindros

Dióxido de carbono — cilindro negro con letras amarillas;
Oxígeno — cilindro azul;
Nitrógeno — cilindro negro con franja marrón;
Argón — cilindro negro con franja blanca;
Helio — marrón;
Aire comprimido — cilindro negro con letras blancas.

Almacenamiento del gas

Cilindros de 40 o 70 L — no es la opción óptima: hay que cambiarlos a menudo.
Batería de cilindros (manifold) — cilindros interconectados con mangueras. Duran más tiempo, pero el recambio y el transporte son complejos y ocupan mucho espacio.
Tanque criogénico (gasificador) — depósito de gran capacidad con gas licuado. Es la opción preferida: gas más puro y menor consumo.
Centrales de gas (generadores) — producen gas en el propio sitio; usadas en grandes plantas.

Gases activos e inertes

Gases activos. El dióxido de carbono protege al metal del contacto con el oxígeno, mientras que el oxígeno se usa como componente oxidante: reacciona con el metal y forma óxidos. Como la superficie de casi todos los metales y aleaciones está cubierta por una fina capa de óxido, el gas entra en una reacción exotérmica — bien adaptada al corte de acero al carbono.

Los gases inertes tienen una reactividad casi nula y no entran en la reacción exotérmica. Así se evita la oxidación y se protege el borde y la microestructura de los aceros de alta aleación contra corrosión y daños estructurales.

Funciones del gas de asistencia

Eliminación del material fundido de la zona de corte — función principal.
Refrigeración del borde de corte. Una ventaja clave del corte láser frente a otros métodos es la ausencia de deformación térmica. Solo la zona de corte se calienta intensamente; el resto no se calienta lo suficiente para deformarse. La refrigeración por el chorro de gas contribuye en gran medida.
Supresión del plasma. El chorro de gas en la zona de corte impide la formación de un foco de plasma que alteraría el proceso de forma impredecible.
Protección de la óptica. El gas, bien direccionado, protege la óptica del láser del metal fundido y vaporizado que podría dañarla.
Función reactiva — depende del gas:
- un gas activo entra en la reacción exotérmica y hace el corte más rápido y eficiente;
- un gas inerte aísla la zona de corte de los gases reactivos del aire e impide que los bordes reaccionen.

Aire comprimido (Air)

Componentes constantes del aire: oxígeno — 21 %, nitrógeno — 78 %, gases inertes (principalmente argón) — 0,94 %; componentes variables: dióxido de carbono — 0,03 %, más impurezas (vapor de agua, polvo, óxidos de azufre y nitrógeno y otros gases).

Como el aire contiene cerca del 78 % de nitrógeno, en principio basta como gas de asistencia para cortar chapa fina (hasta 3 mm). Funciona mejor en aleaciones de alto carbono; el acero de bajo carbono no debería reaccionar con las impurezas y el CO₂ del aire, así que para él es preferible el nitrógeno. El aire debe estar correctamente secado y filtrado.

Habitualmente con aire comprimido se corta acero negro, acero galvanizado, latón y aluminio.

Los cortes con aire comprimido son, en el mejor caso, de calidad media. El aire contiene en torno a 75 % de nitrógeno y 25 % de oxígeno (en volumen), y el oxígeno puede oxidar el material, deteriorando el borde. Por otra parte, el aire combina cierto efecto de "quemado" del oxígeno con la velocidad del nitrógeno — toma lo mejor de ambos mundos. Sin embargo, se nota un ligero tono amarillento en el borde debido al oxígeno. Si se prevé mucho postprocesado, no se recomienda aire comprimido.

Aunque es la opción más rentable, presenta problemas serios.

El aire atmosférico se suministra mediante un compresor que mantiene la presión necesaria en la línea. Es imprescindible un sistema de tratamiento eficaz.

Las trazas de aceite y las gotas de agua se depositan en el cristal protector del cabezal láser, reduciendo su transmitancia. Su transparencia cae rápidamente y hay que cambiarlo. El aire arrastra humedad y aceite de los compresores — esto contamina el aire, daña la lente protectora y, en el peor caso, el cabezal. Toda la línea de aire se ensucia. Se requiere filtración rigurosa, sin concesiones.

Qué le pasa al acero inoxidable cortado al aire

El acero inoxidable es resistente y estable frente a entornos agresivos. A diferencia del acero negro, no se corroe fácilmente al contacto con el aire y la humedad — al menos dentro del rango para el que se diseña cada grado. Esto se consigue con elementos de aleación, siendo el principal el cromo.

El problema del cromo es que reacciona con el CO₂ siempre presente en el aire atmosférico. En teoría también reacciona en condiciones normales, pero a tasa tan baja que no se notan cambios en una vida humana. En estado incandescente durante el corte láser, en cambio, el cromo reacciona con el CO₂ al instante.

Consecuencias:

Los granos de carburo de cromo formados reducen la resistencia de la pieza — en la matriz metálica homogénea aparecen inclusiones que no sostienen los enlaces. Aparecen muchos puntos débiles.
El cromo así combinado deja de cumplir su función de aleación. Un inox de calidad acaba comportándose como si le hubieran robado la mitad del cromo — se oxida donde no debería.

Si corta titanio al aire atmosférico, el material queda arruinado — hay que sustituir el aire por argón puro.

Oxígeno (O₂)

El oxígeno es un gas químicamente activo que entra en reacciones exotérmicas de oxidación del hierro. Actúa como catalizador y añade casi un 40 % de energía a la zona de corte. Se forman óxidos de baja viscosidad. El oxígeno acelera la oxidación: primero oxida el material fundido y luego retira los residuos.

El corte con oxígeno se basa en la capacidad del metal de arder en un chorro de oxígeno técnicamente puro tras calentarse hasta cerca de la temperatura de fusión del acero. Consiste en:

calentar el metal hasta la temperatura de ignición en el chorro de oxígeno;
combustión del metal;
expulsión por el chorro de oxígeno de los óxidos y partículas fundidas.

La temperatura de precalentamiento al inicio del corte depende de la masa (espesor) y, sobre todo, de la composición del metal: a mayor masa y más aleantes, mayor precalentamiento. La intensidad de la oxidación crece con la pureza del oxígeno y con la temperatura. La expulsión de los óxidos (escoria) comienza simultáneamente con la oxidación del metal.

Por tanto, el oxígeno no solo expulsa el fundido — junto a la radiación láser participa en la fusión y en el flujo del metal fuera de la zona calentada por el láser. Por ello, al cortar con oxígeno hay que prestar atención al ajuste de presión, así como a potencia, velocidad y posición del foco.

Para aceros finos (hasta 3 mm) pueden usarse tanto oxígeno como nitrógeno. Con oxígeno en material fino la potencia debe ser menor que con nitrógeno para evitar quemar el borde, pero la velocidad también baja.

El corte de metales finos con oxígeno 99,5 % tiene velocidad y calidad próximas al aire comprimido; para chapa gruesa (más de 10 mm) esta pureza no sirve.

Por ser un gas activo, el oxígeno se usa a menor presión que el nitrógeno o el aire, lo que reduce su consumo. Hace falta una regulación precisa: tras perforar, la presión debe subirse — de lo contrario habrá salpicaduras al cortar. La presión típica con oxígeno no supera 1 bar, mientras que con nitrógeno suele llegar hasta unos 20 bar. El oxígeno es más económico que el nitrógeno.

El oxígeno se usa habitualmente para aceros de baja y media aleación, salvo piezas cuyos bordes vayan a pintarse después. La distancia focal con oxígeno es menor, y el foco debe situarse normalmente en la cara superior del acero.

Curiosamente, con oxígeno — al contrario que con nitrógeno — al aumentar el espesor la presión debe bajarse, no subirse, para evitar reacciones exotérmicas descontroladas que arruinen el corte y la pieza. Para acero de más de 12 mm suele bastar con no superar 1 bar de oxígeno. La contracara de tan baja presión: incluso pequeñas variaciones afectan la uniformidad del corte — son indispensables reguladores fiables.

El corte con oxígeno tiene sus desventajas: el oxidante también actúa sobre los bordes, lo cual es muy indeseable. Con parámetros bien ajustados este efecto secundario puede paliarse en acero negro y de baja aleación. En acero inoxidable el control es mucho más difícil. Bajo alta temperatura y exceso de oxígeno, el metal del borde se oxida y arde — la perforación involuntaria (burn-through) es muy probable. El metal pierde su propiedad esencial: la resistencia a la corrosión. Por tanto, el corte láser de inox en atmósfera de oxígeno no da calidad y convierte el borde de "inoxidable" en "oxidable".

El corte con oxígeno en aluminio deja un borde rugoso. Si las irregularidades en el borde y la capa de óxido en la zona de corte no son críticas (sí lo son al pintar bordes en polvo), el oxígeno es viable.

Para perforar y cortar cobre se suele usar oxígeno a alta presión.

¿Qué hace el oxígeno al cortar aluminio? Arruina la principal cualidad del corte láser — bordes limpios y rectos. El aluminio cortado con oxígeno queda desigual y con rebabas. Antes se cortaba aluminio con oxígeno igualmente por falta de potencia, y luego se mecanizaba el borde, encareciendo y alargando la producción. Hoy, con fuentes potentes, el nitrógeno da corte limpio en una pasada.

Nitrógeno (N₂)

Este gas se considera condicionalmente inerte. Para el corte láser puede usarse nitrógeno con pureza desde 99,5 %. El nitrógeno y otros gases inertes no provocan reacciones exotérmicas. Es "condicionalmente" inerte porque romper el triple enlace de la molécula N₂ no es sencillo — el nitrógeno tarda en reaccionar. Pero, en principio, sus moléculas pueden reaccionar. Con el titanio esto es crítico: se forman moléculas de nitruro de titanio que arruinan la resistencia, igual que los carburos de cromo arruinan el inox.

Por eso el titanio se corta con argón — un gas verdaderamente inerte cuyos átomos son "autosuficientes" y no reaccionan.

El nitrógeno supone más del 70 % del aire, por lo que es fácil de obtener. A diferencia del argón, sí se combina con otras sustancias y participa en reacciones químicas. Se considera inerte porque no es oxidante: en atmósfera de nitrógeno no hay combustión ni formación de plasma.

Con nitrógeno se cortan principalmente: acero inoxidable, acero de alta aleación, níquel, aluminio. El nitrógeno también puede procesar aceros ferrosos, pero rinde mucho menos que el oxígeno. Sin propiedades inox que preservar, la oxidación que causa el oxígeno puede ignorarse.

Hay materiales imposibles de cortar limpios con nitrógeno, no digamos con oxígeno — uno es el titanio. Al nitrógeno le falta inercia: reacciona con el titanio y el material empieza a desmoronarse, cambia propiedades y estructura. Aquí se necesita un gas más neutro — el argón, que no interactúa con ningún material.

Ventajas del corte de inox con nitrógeno:

ausencia de cambios en estructura y composición química del inox en la zona de corte;
posibilidad de cortar y perforar con calidad chapa fina;
precisión excelente y ausencia de deformación térmica y mecánica — las piezas pueden pasar al ensamblaje sin mecanizado adicional.

Por qué se usa nitrógeno:

Acero inoxidable. Incluso una pequeña cantidad de oxígeno a alta temperatura oxida el borde y destruye las propiedades anticorrosivas. En atmósfera de nitrógeno la película de óxido pasivada con cromo no se daña y se conservan las propiedades del inox.
Superficies galvanizadas, incluido el zincado. El corte con nitrógeno preserva la capa protectora.
Superficies pintadas. El nitrógeno como gas de asistencia evita la cascarilla y minimiza el acabado posterior.
Bordes destinados a pintura. El nitrógeno impide la formación de óxidos en el borde, que perjudicarían la adherencia de la pintura en polvo.
Aluminio y metales no férricos. El oxígeno no aumenta la velocidad de corte en estos materiales, y la calidad es mayor en atmósfera de nitrógeno.

Para latón, el nitrógeno es el gas de asistencia adecuado.

Si va a cortar aceros finos y prioriza velocidad y calidad, sin preocuparse por el mayor coste por consumo de gas — elija nitrógeno.

Con nitrógeno, el foco del láser debe situarse más cerca de la cara inferior de la chapa. El kerf resultante es más ancho y recibe más nitrógeno comprimido. Suelen usarse boquillas de 1,5 mm de diámetro o mayores.

Argón (Ar) y Helio (He)

Los gases verdaderamente inertes — argón y helio — no solo no participan en la oxidación: tampoco reaccionan en absoluto con el material fundido. Y desplazan de la zona de corte todos los gases que sí podrían reaccionar.

Para la mayoría de los metales esto no hace falta. No pasa nada si el aluminio puede reaccionar con nitrógeno. Pero, por ejemplo, con el titanio sí importa.

Recordemos: el titanio se considera, con razón, uno de los materiales más difíciles de procesar. Es algo más duro que el inox, por lo que no se puede cortar titanio del mismo espesor que el inox. Curiosamente, el titanio es casi un 40 % más ligero que el inoxidable.

Al cortar titanio con otros gases pueden aparecer no solo óxidos indeseados que arruinan el borde, sino también compuestos titanio-nitrógeno — extremadamente frágiles y no deben estar. Así que el titanio no se corta con nitrógeno; sí con gases verdaderamente inertes. Los gases inertes también se usan a menudo en inox y aluminio — evitan la oxidación y dan una superficie de corte limpia y lisa. Pero estos gases cuestan mucho más que el nitrógeno, así que solo se usan cuando es realmente imprescindible.

Argón:

contenido en el aire: 0,9 % en volumen y 1,3 % en masa;
densidad en condiciones normales: 1,78 kg/m³;
punto de ebullición: −186 °C.

El argón es un gas inerte que no reacciona con la mayoría de los metales ni entra en reacciones químicas. Una de las ventajas del corte con argón es la ausencia de oxidación en la superficie resultante. El argón ofrece alta pureza y precisión del corte, bordes lisos y uniformes — especialmente importante en chapa fina.

Argón y helio se usan poco en corte láser de fibra. El argón tiene mayor capacidad térmica específica — puede absorber calor de la zona de corte. Esto puede causar un endurecimiento local y un enfriamiento rápido en el corte, dañando el material. Por ello solo se usa como alternativa para metales que puedan reaccionar con nitrógeno.

El corte con argón procesa metales de varios espesores y composiciones: inox, aluminio, metales aleados y otros. Pero su precio, consumo y riesgo de daño al material lo convierten en un gas específico y poco frecuente.

Helio. Tiene el punto de ebullición más bajo de todas las sustancias conocidas. No es combustible, ni tóxico, ni explosivo. Su conductividad térmica es mayor que la del argón — permite aumentar la velocidad y reducir el aporte térmico al metal. Se usa con frecuencia en corte de metales finos con alta precisión.

Dióxido de carbono licuado (gas activo)

En el corte láser — en nuestro caso, en equipos de fibra óptica — el CO₂ como gas de trabajo se usa poco, aunque reacciona escasamente con el metal sin oxidarlo. El CO₂ es más pesado que el aire, por lo que aísla bien el metal fundido del contacto atmosférico. Es una alternativa cuando no hay compresor: más barato que el nitrógeno, pero más caro que el oxígeno. Apto para inox, con calidad claramente inferior a la del nitrógeno. Se comprime mal — entra menos gas en la botella.

Se usa solo en casos extremos y no lo recomienda ningún fabricante de equipos láser.

Por qué cortar latón y cobre con láser es tan difícil

La baja absorción de la radiación láser infrarroja dificulta el corte de estos metales.
Cobre y latón (aleación cobre-zinc) son buenos reflectores — y, por tanto, malos absorbedores — de la luz láser infrarroja (IR), especialmente en sólido.
El cobre puro sólido refleja > 95 % de la radiación IR cercana (longitud de onda ~1 µm).
La reflectividad del cobre y otros metales reflectivos disminuye al calentar y cae bruscamente al fundir (por ejemplo, a < 70 % para cobre fundido). Fundidos absorben mucha más energía láser.

Por la alta propensión a la oxidación de metales como bronce, latón y aluminio, el corte láser debe hacerse con gases inertes. Estos crean en la zona de corte una atmósfera sin oxígeno que evita la oxidación rápida. El corte de aluminio, cobre o bronce en oxígeno produce bordes irregulares y con rebabas, que requieren mecanizado.

En la práctica, en las plantas se usa con más frecuencia el nitrógeno. Es la opción más económica y normalmente proporciona la calidad de corte requerida.

Factores a considerar al planificar el suministro de gas

Tipo y espesor de los materiales (dieléctricos, metales, qué metales);
existencia y número de picos de consumo y demanda en pico;
consumo medio mensual;
presión de trabajo prevista en el punto de uso (cabezal de corte);
diámetro de la boquilla;
caída de presión en pico entre la fuente de gas (tanque criogénico o manifold) y el punto de uso;
volumen residual mínimo en el tanque criogénico para operación segura e ininterrumpida;
frecuencia de entrega mensual;
crecimiento esperado de la producción y de la demanda de gas.