¿Cómo funciona la ablación láser en la limpieza de metal?

Lo decisivo es la interacción entre material, estructura de la capa, fuente láser, energía del pulso, foco, velocidad de tratamiento y estado superficial deseado. Solo cuando estos factores encajan entre sí se obtiene un proceso estable y económicamente razonable.

Por eso, este artículo no analiza de forma general las posibilidades de uso de la tecnología, sino concretamente los factores que influyen en la eliminación de material sobre superficies metálicas.

¿Qué determina si una capa se elimina?

Durante el tratamiento, la radiación láser incide sobre una capa superficial existente y sobre el sustrato situado debajo. Ambos pueden diferir notablemente en cuanto a absorción, conducción térmica, reflexión y comportamiento térmico.

El fundamento físico se explica en el glosario de Beamlux, en ablación láser. Para la aplicación práctica, lo decisivo es sobre todo si llega suficiente energía a la capa que se debe eliminar para producir una eliminación de material controlada. En ello intervienen conjuntamente varias magnitudes:

• Potencia del láser, energía del pulso y duración del pulso
• Frecuencia y diámetro del haz
• Posición del foco y anchura de barrido
• Velocidad de desplazamiento y número de pasadas
• propiedades ópticas del recubrimiento
• propiedades térmicas del material base

El Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT (Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser) describe expresamente los procedimientos basados en láser para la limpieza, el decapado y el pretratamiento de superficies. Para ello pueden emplearse tanto fuentes de haz pulsadas como continuas.

De ello se deriva una conclusión importante para los usuarios: no existe un juego de parámetros universal para cada superficie metálica. Un óxido superficial fino sobre una chapa de acero constituye técnicamente una tarea distinta de un recubrimiento de pintura de varias capas sobre una pieza de máquina o de una fina capa de óxido sobre acero inoxidable.

Considerar por separado el material base y la capa superior

En una nueva aplicación deberían considerarse al menos dos niveles: el material base y la capa que se debe eliminar. Como material base entran en consideración, por ejemplo, el acero, el acero inoxidable, el aluminio o el cobre. Sobre él pueden encontrarse herrumbre, pintura, cascarilla, óxidos, residuos de producción u otras capas.

Para el proceso no solo importa qué se debe eliminar. Igual de importante es qué aspecto debe tener la superficie tras el tratamiento y cómo se va a seguir procesando. Una viga de acero maciza que después se vuelve a recubrir plantea requisitos distintos de los de una superficie visible de acero inoxidable. También una superficie de soldadura puede necesitar un estado final distinto del de una superficie de encolado.

Por eso, la pregunta de si un láser puede tratar un determinado metal se queda corta. Técnicamente resulta más útil preguntar: ¿qué capa se debe eliminar de qué material base y qué estado superficial se necesita después? Solo con esta información se puede evaluar un proceso de forma razonable.

Densidad de energía y umbral de ablación

Dos magnitudes importantes son la densidad de energía y el umbral de ablación. La simple indicación de la potencia del láser todavía no describe con qué concentración llega realmente la energía a la superficie.

Si la energía se concentra en una superficie pequeña, cambia la solicitación local. Si el haz se desplaza más rápido, se reduce el tiempo de interacción en una zona concreta. En cambio, con varias pasadas aumenta el aporte total de energía. Por eso, dos operarios con la misma máquina pueden obtener resultados distintos si trabajan con otras distancias, velocidades o anchuras de barrido.

Por eso, en un proceso industrial estable no se fija únicamente un número de vatios. Se definen varios parámetros y se ajustan entre sí. Esto es especialmente importante en piezas recurrentes: una vez determinada una ventana de proceso adecuada, los parámetros pueden documentarse y volver a utilizarse. Así, un tratamiento manual se convierte en un proceso reproducible.

Por qué los láseres pulsados funcionan de forma distinta a los sistemas CW

Al elegir un sistema, a menudo se comparan primero las cifras de potencia. Un sistema de 2.000 vatios parece necesariamente más potente en la ficha técnica que un equipo de 200 o 300 vatios. Sin embargo, esta consideración es incompleta cuando se comparan entre sí distintos tipos de láser.

Un láser pulsado transmite la energía en impulsos cortos. Dentro de estos pulsos pueden alcanzarse potencias de pico elevadas. En cambio, un láser continuo (CW) trabaja con una emisión de potencia continua. Por ello, las interacciones con la superficie son distintas.

Los sistemas pulsados suelen resultar interesantes cuando se requiere una eliminación de material controlada y precisa. Los sistemas CW pueden desplegar sus ventajas cuando se van a tratar superficies robustas y superficies de mayor tamaño. Fraunhofer IWS muestra igualmente que tanto los sistemas pulsados como los láseres continuos de alta potencia pueden emplearse para el pretratamiento de superficies.

Por eso, las clases de potencia no deberían entenderse como una simple clasificación. La pregunta correcta es más bien: ¿qué tecnología produce en la pieza concreta el resultado exigido dentro del tiempo de proceso necesario? Esta comparación se profundiza en el artículo sobre el aporte de energía de ambos tipos de sistema.

Energía del pulso, frecuencia y velocidad de tratamiento

Especialmente en los sistemas pulsados, el número de vatios por sí solo no basta. Además de la potencia media, la energía del pulso, la duración del pulso y la frecuencia desempeñan un papel central. La energía del pulso describe la energía de un único impulso. La frecuencia indica cuántos pulsos se generan en un segundo.

Al mismo tiempo, el haz se desplaza sobre la superficie. Este movimiento genera un solapamiento de los distintos puntos de tratamiento. Si se trabaja despacio, determinadas zonas pueden recibir energía con mayor frecuencia. Con una velocidad de desplazamiento mayor disminuye el tiempo de actuación por superficie. Por ello, distintas combinaciones pueden dar lugar a resultados muy diferentes.

Una película superficial fina puede tratarse, en su caso, con una sola pasada rápida. Un recubrimiento más grueso puede necesitar varias pasadas. Por eso, en las aplicaciones industriales siempre se debe sopesar la relación entre calidad y tiempo de ciclo. Un resultado técnicamente excelente no es suficiente para una producción en serie si se supera claramente el tiempo de cadencia necesario.

Posición del foco y anchura de barrido

La posición del foco influye en cómo se distribuye la energía del haz sobre la superficie de la pieza. Por eso, ya un cambio de la distancia de trabajo puede influir en el resultado.

A ello se añade la anchura de barrido. Un barrido ancho cubre una superficie mayor por movimiento. Al mismo tiempo, sin embargo, cambia la distribución de la energía. Por eso, «más ancho» no significa automáticamente «más rápido»: una anchura de barrido grande con una densidad de energía efectiva demasiado baja puede hacer que un recubrimiento no se elimine por completo. En cambio, una anchura de barrido demasiado pequeña puede costar un tiempo innecesariamente largo.

Para lograr un alto rendimiento por superficie, el ancho de barrido, la potencia, la distancia y la velocidad de movimiento deben encajar entre sí. Sobre todo en los sistemas manuales influye además el movimiento uniforme del operario. En los procesos automatizados, estas secuencias de movimiento se pueden reproducir con gran precisión.

La herrumbre, la pintura y los óxidos requieren procesos distintos

El término suciedad engloba técnicamente materiales muy diferentes.

Capas de corrosión

La herrumbre puede presentarse como una ligera capa de óxido superficial o como una gruesa capa de corrosión. En caso de corrosión profunda debe tenerse en cuenta que el láser puede eliminar los productos de corrosión existentes, pero no restituye el material base ya perdido. Para el caso de aplicación general existe la página independiente Tratamiento del óxido con láser en distintas superficies metálicas. Este artículo se centra exclusivamente en los factores técnicos de influencia.

Sistemas de pintura

Un sistema de pintura industrial puede constar de imprimación, capas intermedias y capa de acabado. Las distintas capas pueden reaccionar de forma diferente a la energía aportada. Por eso el proceso puede cambiar al pasar de una capa de pintura a la siguiente.

Capas de óxido

Los óxidos pueden ser extremadamente finos o presentarse como cascarilla claramente marcada. También los colores de revenido tras los procesos de soldadura pertenecen a este ámbito. Una capa de óxido fina no requiere necesariamente los mismos parámetros que una cascarilla masiva sobre una pieza laminada en caliente.

Acero, acero inoxidable y aluminio

Acero

El acero es uno de los materiales que se tratan con más frecuencia. Además del óxido o del recubrimiento presentes, es importante qué ocurre después del tratamiento. ¿Se va a recubrir, soldar, encolar o solo limpiar la pieza? Este proceso posterior define el estado superficial deseado.

Acero inoxidable

En el acero inoxidable, el foco puede estar en los óxidos, las decoloraciones y los residuos industriales. Precisamente en superficies visibles no solo debería comprobarse si se elimina una capa, sino también cómo cambian la estructura y el aspecto.

Aluminio

El aluminio tiene propiedades de reflexión y de conducción térmica distintas a las del acero. Por eso los parámetros no deberían trasladarse sin comprobación de una pieza de acero al aluminio. Además, las distintas aleaciones de aluminio se diferencian entre sí. En piezas de alto valor resulta por tanto especialmente razonable realizar un ensayo sobre el material original.

Por qué un ensayo de material es decisivo para el proceso

Los datos técnicos teóricos ofrecen una primera orientación. Para una decisión real de inversión o de proceso, una prueba de tratamiento suele ser mucho más significativa. Un ensayo de material muestra, por ejemplo:

• si la capa deseada se elimina por completo
• qué aspecto tiene la superficie después
• cuántas pasadas son necesarias
• qué velocidad se puede alcanzar
• si resulta más adecuado un sistema pulsado o uno continuo (CW)
• qué clase de potencia parece razonable

Para las empresas es especialmente importante el tiempo real de proceso. Una máquina puede lograr técnicamente un resultado muy bueno y aun así ser demasiado lenta para el propio volumen de producción. A la inversa, para componentes pequeños de alto valor una clase de potencia inferior puede resultar económicamente del todo suficiente. Beamlux ofrece ensayos de material y demostraciones en directo para aplicaciones concretas.

Cuándo resulta realmente razonable una potencia mayor

Una potencia mayor puede aportar una ventaja sobre todo cuando hay que tratar en poco tiempo superficies más grandes o cantidades mayores de una capa que se debe eliminar. Esto vale, por ejemplo, para piezas metálicas robustas en el mantenimiento.

Sin embargo, la potencia más alta solo es una ventaja si se sigue alcanzando de forma fiable el estado superficial deseado. Por eso, para la comparación deberían tenerse en cuenta al menos tres factores: ¿Se alcanza el estado objetivo definido? ¿Es el tratamiento suficientemente rápido? ¿Puede generarse el resultado de forma repetible? Solo cuando los tres puntos encajan puede valorarse razonablemente una clase de potencia.

La vista general de sistemas Beamlux para aplicaciones profesionales muestra los tipos constructivos y los rangos de potencia disponibles.

Automatización y procesos reproducibles

Los procedimientos de superficie basados en láser se prestan en principio bien a secuencias automatizadas. Escáneres, robots o sistemas de ejes pueden recorrer de forma reproducible trayectorias de tratamiento definidas. Esto resulta interesante, por ejemplo, para:

• superficies de soldadura y superficies de encolado
• zonas de contacto
• zonas de recubrimiento localizadas
• geometrías de herramienta recurrentes

Fraunhofer ILT menciona expresamente como campo de aplicación la integración de los correspondientes procesos de limpieza y decapado en las secuencias de producción industrial. Fraunhofer IWS describe asimismo pretratamientos de superficie automatizables y sistemas basados en escáner. Una vez determinada una ventana de proceso estable, pueden documentarse el movimiento, la velocidad y los parámetros del láser. Con ello aumenta la repetibilidad. Otros campos de aplicación se resumen en la página Áreas de aplicación para piezas y superficies.

La seguridad laboral y la aspiración forman parte del proceso

La optimización técnica del proceso no debe considerarse por separado de la seguridad laboral. Los sistemas manuales de alta potencia pueden ser láseres de la clase 4. La guía práctica DGUV FBHM-139 «Strahlarbeiten – Reinigen und Entschichten mit Laserstrahlung» (trabajos de chorreado: limpieza y decapado con radiación láser), edición 06/2024, trata expresamente los equipos láser manuales de la clase 4.

Además de la radiación láser, se tienen en cuenta también las sustancias peligrosas que se generan y la captación de las emisiones del proceso. Por eso, una aspiración de proceso adecuada forma parte de un concepto profesional del puesto de trabajo. Otros puntos pueden ser:

• evaluación de riesgos y control de acceso
• apantallamiento de la zona láser
• formación del personal y protección ocular adecuada
• consideración de las reflexiones
• riesgo de incendio y evaluación de las sustancias eliminadas

Para la evaluación del riesgo y de las medidas de protección son además relevantes las TROS Laserstrahlung (reglas técnicas alemanas sobre radiación láser). La BAuA publica las partes correspondientes en la versión de julio de 2018. Precisamente cuando los lugares de uso cambian, debe evaluarse también el entorno concreto. Los puntos más importantes se resumen en la página Indicaciones de seguridad sobre la clase de láser 4.

Conclusión: la ventana de proceso es más importante que el número de vatios

¿Cómo funciona la ablación láser en la limpieza de metal? La respuesta breve es: mediante una interacción controlada de energía láser, capa, material base y movimiento. Para la práctica industrial es decisivo desarrollar a partir de ello un proceso reproducible.

No es una única cifra la que decide el resultado. El material, el recubrimiento, el tipo de láser, los parámetros de pulso, la densidad de energía, la posición del foco, el ancho de barrido y la velocidad actúan conjuntamente. Por eso dos sistemas técnicamente muy distintos pueden ser ambos correctos — para tareas diferentes. Un sistema pulsado puede ser razonable para tratamientos de precisión. Un sistema continuo (CW) de alta potencia puede ofrecer ventajas en superficies robustas de mayor tamaño.

Quien quiera dominar el proceso debe saber qué controla la eliminación de material. La forma de proceder razonable es: determinar el material base, analizar la capa que se debe eliminar, fijar el estado superficial deseado, definir el rendimiento por superficie necesario, comparar los tipos de láser adecuados, ensayar sobre el material original, valorar conjuntamente la calidad y el tiempo de proceso — y elegir después la clase de potencia adecuada. Así, una especificación de equipo se convierte en un proceso B2B sólido.

Fuentes

• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT — «Reinigen» (limpieza): información sobre limpieza, decapado y pretratamiento de superficies basados en láser.
• Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS — información sobre pretratamiento de superficies, técnicas de unión y procesos láser basados en escáner.
• DGUV — FBHM-139 «Strahlarbeiten – Reinigen und Entschichten mit Laserstrahlung» (trabajos con haz láser: limpieza y decapado con radiación láser), edición 06/2024.
• BAuA — TROS Laserstrahlung, versión de julio de 2018.

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