CO2 Laser

¿Cómo funciona un láser de CO2? - Mr Beam explica

Un láser permite un corte preciso y eficiente de numerosos materiales en la industria. El láser de CO2 funciona con una mezcla de gas de dióxido de carbono y es uno de los láseres más potentes. Fue desarrollado a mediados de la década de 1960 y fue impresionante en ese momento gracias a su alto nivel de eficiencia y costos de adquisición comparativamente bajos. En los últimos años, la tecnología se ha mejorado aún más. Este láser de gas está disponible en diferentes diseños y permite configurar diferentes rangos de potencia para diferentes áreas de aplicación.

¿Qué es un láser de CO2?

Mucha gente piensa en un láser como un rayo de luz que se puede usar para cortar varias cosas. Un láser de CO2 pertenece al grupo de los láseres de gas y funciona con una mezcla de dióxido de carbono, helio y nitrógeno. Esta mezcla sirve como medio láser activo. Después de ser excitadas por electrodos, las moléculas de dióxido de carbono emiten la radiación láser. En la industria, un láser de dióxido de carbono es una de las máquinas láser más importantes junto con un láser de fibra . Los láseres de CO2 se excitan eléctricamente y funcionan en el espectro infrarrojo lejano con longitudes de onda de alrededor de 10.600 nanómetros. La potencia de salida puede ser de hasta 80 kilovatios. Los láseres especiales de CO2 pueden emitir pulsos de energía de hasta 100 kilojulios. Hay muchas áreas diferentes de aplicación para un láser de dióxido de carbono en numerosas áreas de la industria.

El láser de dióxido de carbono fue inventado en 1964 por el físico láser Kumar Patel en Bell Laboratories en los Estados Unidos. En los últimos 10 a 15 años se ha mejorado esta técnica. Los láseres de dióxido de carbono ahora alcanzan una eficiencia de hasta el 11 % (en comparación, los láseres de semiconductores alcanzan una eficiencia de hasta el 35 %). Los láseres de CO2 en realidad no son adecuados para su uso en funcionamiento continuo, ya que la vida útil de la fuente láser disminuye continuamente debido a las inevitables fugas y contaminación del gas, independientemente del período de uso. Sin embargo, a menudo se utilizan en la producción porque los costos de adquisición, y por lo tanto un cambio de fuente, son comparativamente bajos a escala industrial.

¿Cómo funciona un láser de CO2?

Las ondas electromagnéticas en el rango de los megahercios se irradian a una mezcla gaseosa de dióxido de carbono, nitrógeno y helio, que sirve como medio activo. Las moléculas de dióxido de carbono son estimuladas y llevadas a un alto nivel de energía. La energía se almacena en estas moléculas en forma de vibración o rotación. Un láser de dióxido de carbono de emisión continua se puede excitar con un alto voltaje de hasta 20.000 voltios y la descarga luminiscente resultante. Las moléculas pueden ser excitadas por un alto voltaje de CC o un voltaje de CA de alta frecuencia.

Las moléculas de dióxido de carbono tienen diferentes formas de oscilación con diferentes niveles de energía. Si un fotón infrarrojo golpea una molécula de dióxido de carbono excitada, se libera energía en forma de fotón. Este proceso se denomina emisión estimulante. El número de fotones aumenta exponencialmente cuando hay suficientes moléculas de CO2. Para lograr esto, la radiación emitida se desvía hacia adelante y hacia atrás entre dos espejos a través del medio láser. Se crea un rayo láser a partir de la gran cantidad de fotones, lo que permite un corte preciso.


Efecto avalancha de emisión estimulada

Durante la emisión estimulada en el láser de CO2, cada fotón incidente que golpea una molécula de CO2 genera un fotón gemelo, con la misma longitud de onda, dirección, fase y polarización. La energía de la molécula de dióxido de carbono se reduce por la energía del fotón gemelo. Esta es la consecuencia directa de la conservación de la energía. El aumento de fotones producido por la emisión estimulada se denomina efecto avalancha. Un requisito previo para esto son suficientes moléculas de dióxido de carbono.

Grabado o corte por evaporación

El rayo láser generado se guía en la dirección de la pieza a procesar a través de un espejo en el láser de CO2 . Un cabezal de corte que enfoca el rayo láser está ubicado directamente sobre la pieza de trabajo. Hay una lente convergente en el cabezal de corte, que agrupa el rayo láser en un diámetro más pequeño.

El láser de CO2 es un láser de gas y normalmente funciona con evaporación. El gas a menudo se suministra en el cabezal de corte o cerca del punto donde el rayo láser golpea la pieza de trabajo. A diferencia de la vaporización, se agrega oxígeno durante el corte con llama, lo que ayuda al proceso de corte al oxidar la pieza de trabajo. Con gas inerte, que es principalmente argón o nitrógeno, el proceso de oxidación debe minimizarse.

El punto donde el rayo láser golpea la pieza de trabajo es el punto focal. En todo proceso de corte o grabado surgen en este punto temperaturas superiores a la temperatura de evaporación de la pieza. El corte o grabado generalmente es causado por la evaporación.

Diferentes tipos de láseres de CO2

Hay diferentes tipos de láseres de CO2. Básicamente, el láser de CO2 se puede dividir en cuatro tipos.

Láser longitudinal y de flujo cruzado

Un láser de CO2 de flujo longitudinal y transversal tiene un diseño comparativamente simple y una alta potencia de salida. Una mezcla de gas especial se aspira continuamente a través del tubo de descarga con una bomba de vacío. Parte del dióxido de carbono contenido en la mezcla de gases se descompone en monóxido de carbono y oxígeno mediante una descarga de corriente continua. Hay varias bombas en el sistema de tuberías, que hacen circular continuamente la mezcla de gas y aseguran la eliminación eficiente de la pérdida de calor. Debido a la alta complejidad y el esfuerzo de mantenimiento, este diseño solo se puede encontrar en sistemas industriales con varios kilovatios de potencia de salida.

Láser completado

La mezcla de gases no se intercambia mediante una bomba en un láser de CO2 cerrado. Idealmente, se agregan vapor, hidrógeno y oxígeno a la mezcla de gases. Esta mezcla asegura que el monóxido de carbono se regenere catalíticamente a dióxido de carbono a través de un electrodo de platino. Este diseño es significativamente más barato porque la estructura no prevé un intercambio de gas. En el caso de fuentes láser de vidrio especialmente económicas, no hay reprocesamiento del gas. Dichos tubos láser pierden potencia con el tiempo, independientemente de cuánto tiempo hayan sido utilizados. La información correspondiente a menudo se puede encontrar en las disposiciones de la garantía (por ejemplo, la garantía está limitada a 3 meses o 300 horas de uso, lo que ocurra primero).

láseres de té

TEA es la abreviatura de excitación eléctrica transversal a presión atmosférica, lo que significa presión atmosférica excitada transversalmente. Un láser TEA se utiliza cuando se requieren altas presiones de gas de hasta un bar con duraciones de pulso de hasta 100 ns. El voltaje de descarga se aplica a través del flujo de gas en pulsos cortos de solo un microsegundo. Los arcos se evitan con este diseño. Los láseres de pulso corto se utilizan exclusivamente en la ciencia y la industria.

láser de guía de ondas

El láser de guía de ondas también se conoce como láser de losa. Tiene un resonador cuboide y dos electrodos como guías de onda. Debido a la alta relación de aspecto de la sección transversal, el resonador tiene un área de superficie grande en comparación con el volumen. Por lo tanto, la pérdida de calor se puede transportar de manera eficiente.

¿Cómo se construye un láser de CO2?

Un láser de CO2 tiene un resonador lleno de gas. Este gas es un medio activo y genera altos niveles de radiación. Los electrodos de alto voltaje suelen estar presentes para excitar el gas. Hay un electrodo a cada lado del resonador. El láser también tiene un espejo que guía el rayo láser hacia la pieza de trabajo. El cabezal de corte está equipado con una lente convergente que enfoca el rayo láser. Este cabezal de corte está ubicado sobre la pieza de trabajo. Todo está alojado en una vivienda. Dado que hay diferentes diseños, la estructura de los diseños individuales puede diferir.

¿Cuál es la potencia de un láser de CO2?

Un láser de CO2 puede alcanzar una potencia de salida de hasta 100 kilovatios en operación de onda continua. El rendimiento depende de varios parámetros :

  • tamaño del resonador
  • longitud de onda
  • bombear energía.

Hay láseres de dióxido de carbono de diferentes potencias. Los láseres también permiten diferentes configuraciones de potencia. Los láseres más débiles solo tienen una salida de hasta 400 vatios. Los láseres más potentes con una potencia de al menos 1 a 6 kilovatios se utilizan para cortar metales en la industria.

¿Para qué se utilizan los láseres de CO2?

Para qué se pueden usar los láseres de dióxido de carbono depende del rango de potencia. Los láseres con rangos de potencia bajos de 10 a 400 vatios se pueden usar para cortar, grabar y perforar materiales orgánicos delgados como madera , plásticos, acrílico o textiles. La empresa austriaca Trotec es líder del mercado de láseres de CO2 en estas áreas de aplicación.

¿Qué es un láser de CO2? Un láser industrial con una potencia de 1 a 6 kilovatios no solo se puede utilizar para cortar, sino también para soldar, endurecer o refundir metales. En la industria moderna también se utilizan para el corte por láser sin óxido. En el procesamiento de chapa, son especialmente adecuados para lotes más pequeños. Sin embargo, con cantidades mayores, el troquelado es más económico.

Los láseres de CO2 se pueden utilizar en diversas industrias, tales como:

  • industria de procesos
  • procesando metal
  • Ingeniería Mecánica
  • industria automotriz
  • aviación
  • industria textil

ser usado. En la industria textil, por ejemplo, el láser es adecuado para el corte de tejidos.


¿Qué materiales se pueden procesar con el láser de CO2?

Un láser de dióxido de carbono permite el procesamiento de muchos materiales:


Ventajas del corte por láser en general:

  • numerosos usos posibles
  • Mecanizado preciso de la pieza de trabajo sin rebabas en los bordes, por lo que no es necesario eliminar las rebabas más adelante.
  • cortes o grabados precisos incluso con formas complejas
  • el resto de la pieza de trabajo solo está ligeramente sometida a esfuerzos térmicos
  • Programación individual rápida posible
  • poco posprocesamiento en la interfaz, por lo tanto, ahorro de tiempo
  • económico incluso para cantidades más pequeñas
  • El material se puede utilizar de manera óptima
  • alta fiabilidad del proceso, que también está garantizada en caso de repeticiones.

Ventajas y desventajas de los láseres de CO2

Los láseres de dióxido de carbono tienen una serie de ventajas:

  • alto rendimiento
  • también son absorbidos por materiales transparentes

Un láser de CO2 también tiene desventajas

Vida útil del láser de CO2 infográfico

  • vida útil comparativamente corta
  • La vida útil se reduce dramáticamente cuando se usa afuera 15 - 25 °C
  • En el PDF vinculado sobre la vida útil del láser , puede volver a leerlo detenidamente
  • Degradación del rendimiento con el tiempo, independientemente del tiempo de uso
  • Eficiencia con un máximo de 11% no actualizado
  • Alto consumo de energía
  • propenso a la vibración
  • Los sistemas con refrigeración por agua no permiten el uso a temperaturas inferiores a 15°C
  • mantenimiento complicado
  • Guiado de haz complejo y vulnerable con construcción de óptica fija
  • Dependiendo de la temperatura ambiente, a veces es necesario un reajuste de la óptica
  • no siempre preciso al grabar metal

Conclusión sobre el láser de CO2

¿Qué es un láser de CO2? Un láser de CO2 es un láser de gas que utiliza una mezcla de dióxido de carbono, nitrógeno y helio como medio activo. Las moléculas de dióxido de carbono están excitadas. Si un fotón infrarrojo golpea una molécula de dióxido de carbono, se crea un nuevo fotón. Esta emisión estimulada da como resultado un efecto de avalancha que eventualmente crea el rayo láser. El láser de CO2 se puede utilizar en la industria para procesar diversos materiales. Una desventaja es la vida útil comparativamente corta, la baja eficiencia, el alto consumo de energía y la susceptibilidad a la temperatura y la vibración.

Foto de portada: Copyright @istockphoto.com / Gizmo


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