Un láser de fibra de 30 kW inicia un trabajo de corte de placa. Los láseres de alta potencia cortan placa rápidamente, pero los beneficios reales vienen de eliminar operaciones secundarias. Imágenes: Metal Warehouse
Si usted recorrió los pasillos de FABTECH en septiembre, puede que haya observado la ejecución de algún corte de placa extraordinario—no con oxicombustible, ni con plasma, ni siquiera con chorro de agua, sino con el láser de fibra de potencia ultra-alta. A medida que las potencias llegan a 20, 30, 50 kW y más allá, los láseres de fibra tienen el potencial de transformar el mercado del corte de placa.
Think about que está manejando un taller que se ha especializado en placa gruesa por décadas, usando un grupo de máquinas de corte con oxicombustible y plasma—y ahora, ha instalado su primer láser de fibra de alta potencia. ¿Qué puede esperar?
Para guiarlo a través del proceso, The Fabricator habló con Steve Pugh, director de ingeniería láser de Metal Warehouse, en South Bend, Indiana. Por más de 20 años, Pugh ha trabajado desafiando los límites del láser, probando la calidad del materials del centro de servicio, que incluye su distintivo materials decapado y aceitado rolado en caliente (el cual corta muy bien el rayo láser de fibra de alta potencia). Él ha trabajado con fabricantes de metallic para sacar el máximo provecho de sus operaciones, y ha manejado las capacidades de corte térmico internas de Metal Warehouse. Reflexionando sobre toda esta experiencia, Pugh identificó seis factores que pueden ayudar a los veteranos del corte con plasma a pasar al corte con fibra de potencia ultra-alta.
1. Considere el aspecto económico
“He visto mesas de quemado con cabezas de corte con plasma que literalmente han sido golpeadas por los elevadores magnéticos pesados que cuelgan de una grúa”, dijo Pugh, y agregó que “la mayoría de las mesas de plasma son sistemas de piñón y cremallera. Los técnicos simplemente los volvían a armar de nuevo y la mesa de quemado estaba de nuevo en servicio. Usted no va a hacer eso con un láser de fibra. Si golpea cosas, empieza a destruir cosas”.
Los láseres de fibra tienen recintos alrededor de la cabeza de láser de fibra, por supuesto, y en las máquinas más grandes, el recinto viaja con el pórtico conforme éste se mueve a lo largo de la cama larga de corte. En todo caso, Pugh contó la historia para mostrar un punto: tratar un láser de fibra simplemente como otra máquina de corte de placa puede ir en contra de la razón por la que un fabricante de placa invierte en la nueva tecnología ante todo. Los láseres de fibra tienen sistemas de posicionamiento de precisión. Todo aquello que altere la posición de la pieza de trabajo con relación a la boquilla de la cabeza de corte puede dar al traste con parámetros de corte establecidos cuidadosamente.
Una operación de corte de placa realmente tiene una razón basic para invertir en un láser de fibra: producir más cortes de alta calidad en menos tiempo usando menos espacio. Traducción: un láser de fibra de alta potencia puede reemplazar a varias mesas de corte plasma. Es por eso que, a diferencia de lo que pasa en el mundo de la chapa metálica, hablar de cortar pulgadas por minuto (IPM, por sus siglas en inglés) sigue permeando en el escenario del corte de placa.
“Estamos cortando materials de 2 pulgadas de espesor a 40 IPM (100 cm por minuto)”, dijo Pugh. “En un sistema potente de plasma, cortar ese mismo materials sería a alrededor de 27 IPM (68.6 cm por minuto), así que usted está ganando 13 IPM (33 cm por minuto).
La calidad de rendija también tiene un rol en el aspecto económico del corte. Un arco de plasma puede producir un borde terso, casi brillante, mientras que un borde de corte láser limpio seguirá teniendo una estriación notoria. Sin embargo, el arco de plasma produce un borde inclinado, y en materials de 2 pulgadas de espesor, esa inclinación será bastante notoria. La rendija del láser, por otro lado, “será completamente recta”, dijo Pugh, y agregó que esto, entre otras cosas, es la razón de que el láser gane en exactitud del corte.
Ahora que los láseres de alta potencia tienen cabezas de corte capaces de biselar, las operaciones de soldadura se están beneficiando de esto, especialmente aquéllas con preparaciones en Y que implican caras de raíz angostas. “En un plasma, es fácil cortar la cara de raíz en un paso”, dijo. “Es muy difícil mantener una tolerancia estrecha justo en el borde del materials. Este tipo de corte en bisel se vuelve mucho más fácil con el láser de fibra de alta potencia. Si tiene bien sus ajustes, podría tener que hacer un poco de limpieza, pero eso es todo”.
Think about una placa cortada con precisión que se está quitando del láser y que se fija directamente en un sistema de soldadura robótica, donde los cortes biselados y las caras de raíz de precisión se empatan perfectamente para crear lo que parece ser una ranura en V con cero separación—lo que le facilita la vida al departamento de soldadura. Ese flujo rápido, desde el corte directamente a la soldadura, representa el aspecto económico del corte láser de alta potencia.
Partes grandes cortadas con láser acomodadas para empacado y entrega. Los bordes no tienen inclinación notoria y, por ende, no requirieron maquinado secundario.
“No nos gustan las operaciones secundarias”, dijo Pugh.
Por supuesto, hay excepciones. Algunos OEM requieren actualmente una lisura de tal precisión—nuevamente, think about poner una placa en una sujeción de soldadura robótica sin ajuste alguno—que necesitará nivelación secundaria de la parte después del corte. Sin embargo, en la mayoría de los casos, ese flujo directo del corte láser a la siguiente operación importante sigue siendo el preferrred.
Cuando cortan los láseres de fibra, producen partes de una manera sumamente rápida. Sin embargo, cuando salen de operación, quitan una enorme cantidad de capacidad de corte en un instante. Son equipos de precisión y, como tales, demandan atención única.
2. Considere el manejo de materials
En una mesa de plasma de formato grande, una vez que la antorcha se detiene, los operadores retiran las partes mientras el plasma empieza a cortar de nuevo en otra área de la mesa. “Se puede hacer esto debido a los tiempos de operación lentos del plasma”, explicó Pugh. Levantar partes manualmente toma tiempo, pero el ciclo de corte del plasma puede tardar incluso más, especialmente si está cortando un nido grande de partes pequeñas.
Los láseres de fibra de alta potencia cambian esto. Cortan muy rápido incluso los nidos más intrincados, y la mayoría de las operaciones de desanidado guide simplemente no pueden seguirle el ritmo. Cuando el rayo no está activo, esa inversión no está generando tanto dinero como podría—de ahí la necesidad de una buena estrategia de manejo de materials.
“Para mantener la máquina alimentada, necesita asegurarse de que las partes estén fuera de la mesa”, dijo Pugh. “Cuando esa máquina no está cortando, es un costo”.
En lugar de operadores levantando partes con imanes o herramientas manuales en la mesa de corte en sí, Pugh recomendó quitar toda la placa—las partes más el esqueleto—de la mesa de corte y transportarla a una estación de descarga. Una vez allí, los operadores pueden quitar las piezas del esqueleto. Conforme aumentan los volúmenes de corte de placa, dijo Pugh, más automatización de manejo de materials empieza a ser factible. Sin embargo, agregó que los sistemas de manejo de materials deben considerar la naturaleza de la placa, especialmente aquéllas en el mercado de materials de segunda.
“Si no está comprando materials de primera, necesita poner atención a las variaciones en el ancho de la placa”, dijo Pugh. “Si está comprando materials de 80 pulgadas (203.2 cm) de ancho, podría obtener placa de 82 pulgadas (208.3 m). Y ¿sabe qué? Su automatización podría no ser capaz de manejar eso”.
3. Considere el rendimiento del materials
Cuando cambian al corte láser, los gerentes podrían ver ese corte libre de inclinación en placa gruesa, y luego pensar de inmediato en las posibilidades de utilización del materials. Imaginan nidos dinámicos que hacen uso pleno de cortes de línea común; ya no es sólo que el láser corta más rápido, sino que además corta dos partes a la vez.
Pugh agregó que, sí, abunda el potencial de cortes con línea común, siempre que los parámetros de corte estén ajustados y que la calidad del materials sea alta. Además, anidar dinámicamente varios trabajos puede dar lugar a un esqueleto ralo y disparar el rendimiento del materials, y la rentabilidad de un trabajo.
Partes cortadas con láser, apiladas y listas para la siguiente operación.
Sin embargo, conforme el corte láser se mueve hacia espesores extremos, también disminuye el número de clientes que utilizan placas de tan gran espesor. “Cuando corta materials de 0.75 pulgadas o más grueso, podría tener sólo un puñado de clientes que usen ese materials”, dijo Pugh. Esto puede significar el uso de nidos estáticos para clientes específicos al cortar placa gruesa, lo cual puede reducir el rendimiento del materials resultante.
Pugh aclaró que la situación varía según el perfil de clientes de un fabricante, así como por las formas y tamaños de las piezas que éstos requieren. De cualquier modo, cuando un taller puede identificar varios clientes grandes que usan el mismo grado y espesor de materials, aumenta la posibilidad de un mayor rendimiento de materials. Cuando sólo uno o unos cuantos clientes usan, por decir, materials de 1.5 pulgadas de espesor, baja el potencial de un rendimiento sumamente alto. Los programadores simplemente no tienen tantas partes de donde echar mano cuando están haciendo un arreglo de nido.
4. Considere la calidad del materials
Pugh recordó su trabajo con un fabricante que estaba cortando placa rolada en caliente de 3/8 de pulgada de espesor. “Con fines demostrativos, empezamos a cortar este materials, y conforme lo hacíamos, la comba period tan mala, que salían volando partes del esqueleto. Period como si el materials hubiera querido retomar la forma de una bobina, sin provenir de una, pues se había obtenido rolando la barra directamente a placa. Es uno de los peores materiales que he visto, y podría haber dañado seriamente la cabeza láser”.
El materials con frecuencia puede ser el componente más grande del costo de los bienes vendidos (COGS, por sus siglas en inglés), especialmente en fabricación pesada, por lo que evidentemente se ve como un área potencial de reducción de costos. Sin embargo, como lo explicó Pugh, el materials barato puede resultar muy, muy caro—especialmente cuando se corta con láser.
Para identificar materials de calidad, Pugh enumeró tres áreas que se deben observar. Primero está el esfuerzo residual y la distorsión potencial. El materials puede ser nivelado por rolado, por templado de paso o por estirado—pero sin importar el método, prevalece la necesidad de que el materials permanezca plano durante y después del corte. Si el materials se mueve durante el corte, el proceso en normal se vuelve menos predecible—y una colisión de cabeza en una máquina extraordinariamente productiva puede obstaculizar seriamente la capacidad.
“Si tiene un materials de mala calidad, éste se va a mover después del corte láser”, dijo Pugh. “No hay forma de evitarlo”.
El segundo elemento que se debe observar es la calidad de la superficie superior de la placa. Algunos de los mejores materiales de placa en el mercado ofrecen una calidad de superficie que facilita un corte limpio. Esto incluye la cascarilla de laminación en materials rolado en caliente. “Si tiene una cascarilla de laminación justa y estética, los láseres de fibra de alta potencia funcionan a la perfección, al igual que con el materials decapado y aceitado. Sin embargo, si hace rolado en caliente con una superficie escamosa, tendrá problemas, por lo que necesitará limpiar esa superficie”.
Pugh describió cómo Metal Warehouse ha instituido un proceso de pre-limpieza para ese materials rolado en caliente. Los operadores ponen la placa gruesa en el piso y usan un dispositivo parecido a una pulidora de pisos de empuje. “Ponemos almohadillas grandes con un grano grueso”, y agregó que “esto tiende a romper la cascarilla suelta”.
El tercer issue de calidad del materials que se debe observar es la consistencia química. “La composición química de cada materials parece dictar cómo ajustamos el corte óptimo”, dijo.
Pugh agregó que el materials con contenido más alto de silicio (como 0.8% o más alto, aunque la composición exacta depende del grado y de la aplicación) tiende a afectar la calidad del corte. Específicamente, el silicio tiende a formar “bolitas” durante el corte y causa mucha estria y fusión en el fondo de la rendija. Para compensar, los operadores podrían hacer un ajuste fino de los parámetros de corte para controlar el calor—quizás usar menos oxígeno en la mezcla de nitrógeno-oxígeno, aumentar la velocidad de corte, o reducir un poco la potencia.
A diferencia de los bordes tersos del corte con plasma, los bordes cortados con láser tienen estriass, pero no muestran inclinación y ofrecen una alta exactitud dimensional.
Los operadores experimentados que conocen los fundamentos del corte láser (más sobre esto más adelante) pueden hacer los ajustes apropiados. Sin embargo, si la composición química es sumamente inconsistente, entonces todos esos ajustes (en el corte, pero también en el doblado y más allá) empiezan a hacer el láser menos productivo de lo que podría ser.
5. Considere las tablillas
“Si se está teniendo que cambiar la posición en el eje Z de la cabeza de corte debido a acumulación de escoria”, dijo Pugh, “es que el mantenimiento de tablillas es increíblemente malo”.
Como un proceso, el plasma arroja mucha escoria hacia las tablillas, pero como lo explicó Pugh, la acumulación de escoria en una máquina láser puede causar estragos en la rentabilidad del proceso de corte. Demasiada escoria significa otra variable más sin management a la mezcla, lo cual puede dificultar la productividad.
Las tablillas de cobre pueden ser de utilidad: menos escoria se adhiere a éstas, y requieren menos esfuerzo para limpiarse. “Sin embargo, si está procesando materials grueso, las puntas de la tablilla de cobre tienden a desgastarse más rápido”, dijo Pugh. “Bajo el peso de la placa gruesa, pueden doblarse”. Esto cambia la altura de la placa, y, por ende, afecta la calidad del corte.
La mejor solución de largo plazo es integrar el mantenimiento de tablillas en la rutina del operador—ya sea una vez por semana o incluso una vez por turno. Haga la tarea lo más fácil posible y considere tiempo para ésta en el calendario de producción.
“De hecho, hemos diseñado nuestro propio guide de limpiadores de tablillas”, dijo Pugh, y agregó que el equipo habló con los operadores sobre lo que podría facilitar el proceso lo más posible. Ellos querían una herramienta ligera y sencilla que pudiera pasarse a través de las tablillas de manera common. Entonces, se pusieron a trabajar y desarrollaron una, con dientes que descascaraban la escoria conforme los operadores jalaban la unidad hacia ellos.
6. Considere el proceso de corte
Como lo explicó Pugh, capacitar a los operadores de corte con plasma en corte láser de alta potencia generalmente no es difícil. La naturaleza del trabajo es related. Los buenos operadores de plasma inspeccionan el electrodo y otros elementos en busca de desgaste. Los buenos operadores de láser buscan variaciones en las boquillas, asegurándose de que el orificio esté libre de desperdicios. Ambos hacen calibraciones del sistema, y ambos observan la columna debajo del corte y buscan variaciones.
Para aquéllos con experiencia previa en corte térmico, los fundamentos del corte láser deben de sonarles familiares. Las grandes diferencias están en la sensibilidad del proceso. “Un plasma cortará casi cualquier cosa, siempre que se mantenga el arco”, dijo Pugh, “y cualquier cosa que haga tierra mantendrá el arco”.
La concept en el corte láser es mantener ese flujo laminar de gasoline auxiliar alrededor de un rayo adecuadamente enfocado. El corte de acero al carbón con gasoline auxiliar oxígeno usa una reacción exotérmica para impulsar el corte, y la presión y el flujo son relativamente bajos. Cuando se opera con gasoline auxiliar de nitrógeno solo (corte por fusión), la energía del láser funde el materials y el gasoline auxiliar nitrógeno lo evacúa de la rendija—un logro que requiere mucha presión y altos ritmos de flujo.
“Cuando cortamos con láser placa de 2 pulgadas con gasoline auxiliar oxígeno, estamos operando a apenas alrededor de un bar de presión, o alrededor de 14.5 PSI”, dijo Pugh. “Por otro lado, cuando cortamos materials de 20 mm con nitrógeno solo, operamos entre 8 y 10 bar, o a alrededor de 140 PSI”.
La estrategia de gasoline auxiliar puede cambiar el foco de rayo óptimo. Actualmente, las máquinas de alta potencia que cortan acero al carbón o aluminio grueso con un gasoline mezclado con frecuencia usan un foco negativo—es decir, un foco posicionado debajo de la superficie del materials. Lo mismo se aplica al corte con nitrógeno solo. En ambos casos, la concentración de energía dentro del corte tiende a ayudar a sacar el metallic fundido limpiamente.
Por otra parte, cortar acero al carbón sumamente grueso con gasoline auxiliar oxígeno se beneficia de un foco positivo, encima del materials, una posición que puede optimizar la reacción exotérmica que impulsa la acción de corte.
“Cuando corta con láser 2 pulgadas o más, es casi como si estuviera cortando con flama”, dijo Pugh. “Es una flama mucho más concentrada y controlada, y un corte mucho más rápido, pero esa reacción exotérmica es la que tiene el mando”.
Las mesas de maquinaria ofrecen una base sólida, y éstas varían con la máquina específica. Pugh además describió cómo los operadores podrían hacer un ajuste fino de los valores para optimizar el corte. Esto se scale back a controlar el calor y dar tiempo para que el metallic fundido salga de la rendija (y no se “congele” en el fondo como escoria). Para que esto ocurra se requiere un rayo bien enfocado y gasoline auxiliar con suficiente flujo y presión. Si, por decir, varios láseres usan nitrógeno de una sola fuente masiva todos a la vez, el sistema de alimentación de gasoline auxiliar debe asegurar que la presión permanezca estable. Si no, los operadores corren el riesgo de perder el corte.
Como un proceso, el corte láser ofrece muchas “perillas” para el ajuste fino, y casi todas dependen de la aplicación (Pugh calificó cada sugerencia de parámetro de corte láser con “generalmente”, o “con frecuencia”, nunca con una expresión generalizada). Los operadores podrían aumentar o reducir la velocidad, cambiar la presión y el flujo del gasoline auxiliar, quizás incluso cambiar la mezcla de gasoline auxiliar para obtener más o menos “impulso” del contenido de oxígeno.
Sorprendentemente, cuando usamos un gasoline mezclado, podríamos usar una boquilla más chica, dado que eso ayuda a dirigir el flujo y ofrece una mejor calidad de corte”, dijo Pugh.
Sin embargo, agregó que el ajuste fino de los parámetros de corte puede volverse un poco quijotesco, con operadores pasando sus días cazando esos metafóricos molinos de viento. Podrían estar combatiendo la mala calidad del materials; equipo con mal mantenimiento; una boquilla de corte con un orificio que ya no es redondo; plomería mal diseñada e insuficiente presión del gasoline auxiliar; tablillas “atascadas”; y no menos importante, una estrategia de negocios normal que no obtiene el máximo provecho del proceso de corte láser.
Esto es parte del porqué a Pugh le gusta pensar en la rentabilidad del corte láser de placa gruesa primero: cortar más partes en menos tiempo usando menos espacio, sin requerirse procesos secundarios. Mientras más rápido salgan por la puerta partes de calidad rumbo al cliente, más rotaciones de inventario ocurren, y más exitoso puede ser un fabricante de corte de placa.
