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Corte por plasma

Corte por plasma.
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Robot en el proceso de corte con arco de plasma.
El corte con arco de plasma. Tambien denominado PAC (plasma arc cutting), separa metal empleando un arco constreñido para fundir un área localizada de la pieza de trabajo, que al mismo tiempo elimine el material derretido con un chorro de alta velocidad.

Origenes

La tecnología de uniones de piezas metálicas por arco eléctrico vio sus éxitos en 1930 al construir un barco totalmente soldado en Carolina del Sur en Estados Unidos, años después se introdujo mejoras en el proceso como corriente alterna, y se utilizó protección como fundente granulado.

En los años 40 se introdujo el primer proceso con protección gaseosa empleando un electrodo no consumible de wolframio y helio como gas protector, recibió el nombre de TIG (Tungsten Inert Gas).

En 1954 Los científicos descubren que, al aumentar el flujo del gas y reducir la abertura de la boquilla utilizada en la soldadura TIG, se obtiene un chorro de plasma. Este chorro es capaz de cortar metales, lo que dio lugar al proceso de corte por plasma conocido hoy en día.

Fundamentos físicos–quimicos

El plasma se considera el cuarto estado de la materia después de la sólida, el liquido y el gaseoso. El plasma cosiste en un aglomerado de iones positivos átomos neutros y electrones libres. Y obteniéndose por calentamiento de gases hasta temperaturas extremadamente elevadas. En los cambios de estados de la materia interviene una cierta calidad de calor (calor latente de la transformación) así, para trasformar agua en vapor es necesario aportar calor. De la misma forma. El arco suministra calor al gas para llevarlo al estado de plasma. Posteriormente cuando el plasma vuelve al estado gaseoso devuelve la misma cantidad de calor.

A muy elevadas temperaturas, los electrones tienen suficiente energía como para escapar de su órbita alrededor del núcleo del átomo, generando iones de carga positiva.

El plasma es el estado en el que se encuentran las estrellas por su elevada temperatura. En la atmósfera terrestre solo podemos conseguir el plasma por medios artificiales.

Al calentar un gas a temperaturas del orden de 50.000 ºC los átomos pierden electrones. Estos electrones libres se colocan en los núcleos que han perdido sus propios electrones, convirtiéndose así en iones. De esta forma el gas se convierte en plasma y por consecuencia tendremos un conductor eléctrico gaseoso con alta densidad de energía.

Descripción del proceso

Descripción proceso corte por plasma

El proceso de corte con arco de plasma, tambien denominado PAC (plasma arc cutting), separa metal empleando un arco constreñido para fundir un área localizada de la pieza de trabajo, que al mismo tiempo elimine el material derretido con un chorro de alta velocidad de gas ionizado que sale por el orificio de constricción. El gas ionizado es un plasma, de ahí el nombre del proceso. Los arcos de plasma por lo regular operan a temperaturas de 10 000° a 14 000°C. A continuación se muestra un esquema del funcionamiento de este proceso:

Un plasma de arco es un gas que ha sido calentado por un arco hasta alcanzar un estado de por lo menos ionización parcial, lo que le permite conducir una corriente eléctrica. En cualquier arco eléctrico existe un plasma, pero el término arco de plasma se aplica a sopletes que utilizan un arco constreñido. La principal característica que distingue a los sopletes de arco de plasma de otros sopletes de arco es que, para una corriente y tasa de flujo de gas dadas, el voltaje del arco es más alto en el soplete de arco constreñido. El arco se constriñe haciéndolo pasar por un orificio situado en el electrodo. Cuando el gas de plasma atraviesa el arco, se calienta rápidamente hasta una temperatura elevada, se expande y se acelera al pasar por el orificio de constricción hacia la pieza de trabajo.

La intensidad y la velocidad del plasma dependen de cierto número de variables, entre las que están el tipo de gas, su presión, el patrón de flujo, la corriente eléctrica, el tamaño y la forma del orificio y la distancia respecto a la pieza de trabajo. El proceso trabaja con corriente continua, depolaridad recta. El orificio dirige el chorro de plasma sobrecalentado desde el electrodo hasta lapieza de trabajo. Cuando el arco funde la pieza de trabajo, el chorro de alta velocidad expulsa el metal derretido para formar el corte. El arco de corte se conecta o "transfiere" a la pieza detrabajo, por lo que se conoce como arco transferido.

Características especiales del proceso

Esta moderna tecnología es usable para el corte de cualquier material metálico conductor, y mas especialmente en acero estructural, inoxidables y metales no férricos.

El corte por plasma puede ser un proceso complementario para trabajos especiales, como pueden ser la producción de pequeñas series, la consecución de tolerancias muy ajustadas o la mejora de acabados.

También se produce una baja afectación térmica del material gracias a la alta concentración energética del arco-plasma. El comienzo del corte es prácticamente intantáneo y produce una deformación mínima de la pieza.

Este proceso permite mecanizar a altas velocidades de corte y produce menos tiempos muertos, (no se necesita precalentamiento para la perforación).

Permite espesores de corte de 0.5 a 160 milímetros, con unidades de plasma de hasta 1000 amperios. El corte por plasma también posibilita mecanizados en acero estructural con posibilidad de biselados hasta en 30 milímetros.

Una de las características más reseñables es que se consiguen cortes de alta calidad y muy buén acabado.

Ventajas y desventajas

Ventajas

  • En comparación con los procesos de corte mecánicos, la cantidad de fuerza requerida para sostener la pieza de trabajo en su lugar y desplazar el soplete (o viceversa) es muy inferior en el caso del proceso de corte con arco de plasma, que no hace contacto
  • En comparación con el OFC, el proceso de corte con plasma opera en un nivel energético muy superior, lo que permite mayores velocidades de corte.
  • El PAC tiene la ventaja de iniciarse inmediatamente, sin necesidad de precalentamiento. El inicio instantáneo resulta especialmente ventajoso en aplicaciones que implican interrupción del corte, como en el corte de mallas.

Desventajas

  • En comparación con la mayor parte de los métodos decorte mecánicos, presenta peligros como son incendio, choque eléctrico, luz intensa, humo y gases, y niveles de ruido que probablemente no estén presentes en los procesos mecánicos.
  • Es difícil controlar el PAC con tanta precisión como algunos procesos mecánicos, para trabajos con tolerancias estrechas.
  • En comparación con el OFC, el equipo de PAC tiende a ser más costoso, requiere energía eléctrica y presenta peligros de choque eléctrico.

Equipamiento

El equipo necesario para aportar esta energía consiste en un generador de alta frecuencia alimentado por energía eléctrica, gas para generar la llama de calentamiento, y que más tarde se ionizará (argón, hidrógeno, nitrógeno), un electrodo y portaelectrodo que dependiendo del gas puede ser de tungsteno, hafnio o circonio, y por supuesto la pieza a mecanizar.

Gas-plasma

Dinámica de partículas en el gas y en el plasma. Átomos neutros en verde, iones positivos en azul y electrones en rojo.

Los principales gases que se utilizan como gases plasmágenos son, argón, nitrógeno y aire, o mezcla de estos gases, en general se utiliza el nitrógeno por su mejor comportamiento respecto a la calidad del corte y garantiza una durabilidad de la boquilla. El chorro del gas–plasma utilizado en el proceso se compone de dos zonas:

Zona envolvente, que es una capa anular fría sin ionizar que envuelve la zona central. Al ser fría conseguimos refrigerar la boquilla, aislarla eléctricamente y confinar el arco de la región de la columna-plasma.

La zona central, que se compone por dos capas, una periférica constituida por un anillo de gas caliente no suficientemente conductor y la columna de plasma o el núcleo donde el gas-plasma presenta su más alta conductividad térmica, la mayor densidad de partículas ionizadas y las más altas temperaturas, entre 10.000 y 30.000 ºC.

Arco eléctrico

El arco generado en el proceso de corte por plasma se denomina arco transferido. Como su propio nombre lo indica, el arco se genera en una zona y es transferido a otra.

Clasificación del corte por plasma

El corte por arco de plasma se clasifica teniendo en cuenta varios parametros, a continuación definimos algunos de ellos.

Corte por plasma por aire

En el año 1963 se introduce el corte por plasma por aire. El oxígeno del aire aumenta las velocidades de corte en un 25 por ciento en relación con el corte tradicional por plasma seco, sin embargo, también conlleva una superficie de corte muy oxidada y una rápida erosión del electrodo que está dentro de la boquilla de corte.

Corte con inyección de agua

En 1968, Dick Couch, presidente de Hypertherm, inventa el corte con inyección de agua, un proceso que implicaba inyectar radialmente agua en la boquilla. El resultado final fue corte mejor y más rápido, así como con menos escoria. Este proceso también utiliza como gas nitrógeno pero como protector utiliza una capa de agua.

Corte con inyección de oxigeno

En 1983 se desarrolla una nueva técnica que implica la utilización de oxígeno como gas de corte y la introducción de agua por la punta de la boquilla. Este proceso denominado “corte por plasma con inyección de oxígeno” ayuda a solucionar los problemas del rápido deterioro de los electrodos y la oxidación del metal.

Corte con doble flujo

Este es el sistema convencional o stándard, de alta velocidad que utiliza como gas-plasma nitrógeno y como gas protector puede emplearse bióxido de carbono o bien oxígeno.

Enlases externos

Fuentes

  • Hernández, Germán. “Manual del soldador”. Madrid: M-44.384, 2007.
  • Kalpakjian, Serowe. “Manufactura, ingeniería y tecnología”. Pearson, Educación, 2002.
  • Sierra Alcolea, Cayetano. Costa Herrero, Lluís. Buj Corral, Irene. Vivancos Calvet, Joan. Fabricacón de piezas por deformación plàstica y por sinterizado, Escola Técnica Superior d´Enginyeria Industrial de Barcelona. Universidad Politécnica de Cataluña.
  • Millán Gómez, Simón (2006). Procedimientos de Mecanizado. Madrid: Editorial Paraninfo. ISBN 84-9732-428-5.
  • Rosado Castellano, Pedro (1993). Procesos de mecanizado. Valencia: Universidad Politécnica de Valencia.