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Soldadura y corte con arco de plasma

El arco de plasma se forma como resultado del calentamiento eléctrico de cualquier gas a una temperatura muy alta de manera que sus átomos sean ionizados y conduzcan electricidad. En su forma básica, el proceso de plasma usa una antorcha parecida a la soldadura TIG, pero el electrodo se encuentra profundamente introducido hacia arriba dentro de la antorcha, donde el mismo no puede ponerse en contacto con la pieza de trabajo y ser contaminado, el arco es mantenido en forma similar a una punta de aguja donde el aire entre el electrodo y la pieza de trabajo es ionizada. El aire o los gases alrededor del electrodo son calentados de tal manera que los mismos alcanzan el estado de plasma, en el cuales los gases mismos pueden conducir electricidad. Mientras el gas es ionizado y hace continuidad para el proceso de arco entre el electrodo y la pieza de trabajo, otro gas es introducido alrededor de la boquilla. En el caso de la soldadura con  plasma, el gas es un gas inerte de protección; en el caso del corte de plasma, el mismo es aire comprimido. En cualquier caso, sea soldadura o corte, la acción tiene lugar en una banda muy fina.

La antorcha de arco de plasma consiste en un electrodo rodeado por una boquilla constreñida que forma una cámara del pleno alrededor del electrodo. El gas de plasma atraviesa este compartimiento y es calentado y ionizado por una corriente eléctrica entre el electrodo y la boquilla o el elemento de trabajo. La calefacción hace que el gas se expanda fuertemente y salga por un pequeño orificio en el extremo de la boquilla a gran velocidad. Un arco piloto o una chispa de alta frecuencia se requieren para encender el arco principal. El gas de plasma sale de la boquilla a velocidades y temperaturas muy elevadas; hasta 16.000°C (30 000°F) y 6000 m/s (20 000 ft/s). La energía del arco se concentra en un área pequeña de tal modo que produce un choque muy rápido sobre el objeto en el que incide.

Hay dos formas de operación de la antorcha del arco de plasma: arco transferido y arco no-transferido. En el modo de arco transferido, la corriente del arco fluye entre el electrodo y el objeto de trabajo. Este modo de operación se utiliza para la soldadura y el corte. En la versión de arco no-transferida, la corriente fluye del electrodo a la boquilla de la antorcha. El arco dentro de la boquilla calienta el gas del plasma que sale de la boquilla a alta velocidad. Este modo de operación se utiliza para la proyección con plasma de polvo, donde no se hace ninguna conexión eléctrica con el objeto de trabajo. El calor extremo del arco es absorbido en parte por la boquilla refrigerada por agua y en parte por el gas de plasma en la ionización.

Cuando el gas ionizado pega sobre el objeto, entrega su energía para suministrar calor al objeto de trabajo a medida que vuelve al estado gaseoso normal.

Hay varios métodos para soldar con tecnología de plasma, un método convencional similar a la soldadura con gas de tungsteno donde se agrega material de aporte, un proceso de arco de aguja donde las partes son fundidas sin material de aporte, y un método tipo ojo de cerradura (keyhole en Inglés) donde una soldadura sin varilla de aporte puede ser hecha que en realidad funde el metal base en toda la superficie a unir al mismo tiempo, arriba y abajo. El último produce una unión muy buena y sin contaminación.  Podemos recordar aquí también que la técnica ojo de cerradura (keyhole) consiste en crear una fuente de calor concentrada que penetre total o parcialmente una pieza de trabajo, formando una figura similar a un ojo de cerradura en el extremo inicial del baño de soldadura. A medida que la fuente de calor progresa, el metal fundido llena hacia atrás el agujero para formar el cordón de soldadura.

Antecedentes históricos

La tecnología original de plasma fue desarrollada en los laboratorios de la Linde Air Products Company ( una pionera en muchos procesos de soldadura, posteriormente  LTEC Company) en los años cincuenta; y llegó a ser comercialmente exitoso poco después de su introducción en la industria. La capacidad del proceso de separar cualquier material eléctricamente conductor lo hizo especialmente atractivo para el corte de metales no ferrosos que no se podrían cortar por el proceso del corte con combustible oxigenado (OFC). Fue utilizado inicialmente para corte del acero inoxidable y el aluminio. A medida que el proceso de corte fue desarrollado, se determinó que tenía ventajas sobre otros procesos de corte para cortar el acero al carbón así como los metales no ferrosos.

Figura: Esta ilustración muestra los componentes básicos de la distribución del arco de plasma. Los dos cilindros de gas de protección son sólo realmente requeridos en las grandes máquinas industriales, no en las portátiles para el hogar o taller que funcionan con aire comprimido. Las cortadoras de tamaño medio y gran tamaño pueden ser usadas con un cuerpo de antorcha recta (mecanizada) para corte de trazo.

CORTE CON ARCO DE PLASMA (PAC)

Fig. 1 - Terminología de antorcha de plasma

Fig. 2 - Circuito básico de corte de plasma

 

Figura: En el corte de arco de plasma, usualmente hay un gas (en todas excepto en las máquinas grandes), y es el aire del compresor de aire del taller, que es forzado a fluir alrededor del electrodo para soplar el kerf hacia afuera

Es un proceso de corte con arco de plasma que utiliza un arco constreñido o estrechado y quita el metal fundido con un chorro de alta velocidad del gas ionizado que proveniente del orificio constreñido.

El corte al arco de plasma produce cortes rápidos, de alta calidad que a menudo no requieren ningún otro acabado. Se logra esto pasando una corriente eléctrica a través de una columna de gas, haciéndola ionizar y convertirse en plasma. El plasma resultante produce temperaturas de hasta 16000°C (30000°F). Esto hace que el gas se expanda y resulte un chorro de alta velocidad que atraviesa el orificio de la antorcha. Cuando esta corriente de alta temperatura del arco de plasma incide sobre un objeto, derrite el metal rápidamente, y el chorro de alta velocidad lo barre limpiándolo. El proceso hace cortes limpios y forma poca o ninguna escoria de metal o restos de metal fundido en la mayoría de los metales, no requiere ningún precalentamiento, y produce una zona afectada por el calor mínima, con poco o nada de distorsión.

Mientras que el corte de gas del combustible oxigenado se limita a los metales que se combinan con oxígeno a temperaturas elevadas, el corte al arco de plasma no se limita a esta reacción química: se limita solamente a los materiales que son conductores eléctricos.

Teoría de operación

Dentro de la fuente de alimentación de la hay un sistema de inicio de arco de alta frecuencia no muy diferente de las máquinas soldadoras de tungsteno, que produce el arranque del arco, dado que el electrodo no sobresales y puede acercarse lo suficiente  al metal de trabajo para iniciar el arco por si mismo. Este es llamado en circuito de arco piloto, y el mismo generalmente se desconecta luego de que el arco es establecido.

El arco es constreñido pasándolo a través de un orificio en dirección hacia el electrodo. La terminología básica y la distribución de las partes de un soplete cortador de plasma se muestran en la figura 1. A medida que el gas de plasma pasa a través del arco, se calienta rápidamente a una temperatura alta, se expande, y se acelera mientras pasa a través del orificio constreñido hacia el objeto. La corriente en el electrodo sobrecalienta el argón hasta que el gas mismo conduce electricidad, y un largo arco, extremadamente caliente es creado que suelda la pieza de trabajo. La intensidad y la velocidad del plasma está determinada por varias variables incluyendo el tipo de gas, su presión, el patrón de flujo, la corriente eléctrica, el tamaño y la forma del orificio, y la distancia al objeto. El trazado de circuito de corte al arco de plasma se muestra en la figura 2. El proceso funciona con corriente continua, de polaridad directa. El orificio dirige la corriente sobrecalentada de plasma desde el electrodo hacia el objeto de trabajo. Cuando el arco funde al objeto, el chorro de alta velocidad arrastra el metal fundido para formar el kerf o ancho de corte. El arco de corte se fija o “transfiere” al objeto de trabajo, y se conoce como arco transferido. Un segundo gas inerte es introducido en una larga tobera o boquilla alrededor de la boquilla central, de manera que un cono de gas de protección y enfriamiento sea formado alrededor de la larga columna de arco para proteger el área de soldadura de la contaminación, en forma muy similar a otros procesos de soldadura por arco.

Figura : En la versión de de arco tipo aguja, el arco delgado y alto forma una soldadura que produce un 100% de penetración, arriba y abajo. La técnica es usada principalmente en aplicaciones industriales de precisión.

Los gases usados para el corte con arco de plasma incluyen el nitrógeno, argón, aire, oxígeno, y mezclas de nitrógeno/hidrógeno y de argón/ hidrógeno.

La técnica de encendido de arco piloto más común es producir una chispa de alta frecuencia entre el electrodo y la extremidad de la antorcha. Un arco piloto se establece a través de la trayectoria ionizada resultante. Cuando la antorcha está bastante cercana al objeto de manera que el penacho o la llama del arco experimental toquen el mismo, se establece una trayectoria eléctricamente conductora del electrodo hacia objeto de trabajo. El arco del corte seguirá esta trayectoria al objeto.

Ventajas y limitaciones

Ventajas. Cuando se compara con los procesos mecánicos de corte, la fuerza requerida para sostener el objeto en el lugar y para mover la antorcha (o viceversa) es mucho más baja que con el proceso “sin contacto” de corte al arco de plasma. Comparado con el corte con combustible oxigenado, el proceso de corte de plasma funciona con un nivel de energía mucho más alta, dando por resultado una velocidad de corte más rápida. Además de su velocidad más alta, el corte con arco de plasma tiene la ventaja del arranque inmediato sin requerir precalentamiento. El arranque instantáneo es particularmente ventajoso para aplicaciones que requieren un corte interrumpido, tal como separación de partes.

El uso en la actualidad se viene incrementando por el lado de la tecnología de corte por plasma. Con una increíble curva de aprendizaje y si costos especiales de instalación, los beneficios del corte por arco de plasma, usualmente llamado corte de plasma, son cosechados por los negocios especializados en reparaciones de carrocerías de automotores, servicio de caños de escapes, astilleros, talleres de planchas de metal, reparadores de cañerías, constructores de automóviles y talleres de fabricación. Entre los beneficios están el uso de aire natural, sin tratamiento, de compresor de aire, no usa gases peligrosos, no hay llamas, con cortes parejos, menor distorsión de calor en los bordes que usted corta, poca oxidación de los extremos e increíble velocidad.

Los beneficios de usar un soldadora de plasma sobre la soldadura de gas de tungsteno convencional es que es mas fácil de operar mientras se mantenga exacta

Limitaciones. Hay limitaciones notables en el corte con arco de plasma. Cuando se compara con mayoría de los medios mecánicos de corte, el corte con arco de plasma introduce peligros tales como el fuego, descarga eléctrica, niveles intensos de luz, humos y gas, y ruidos que puedan no estar presentes con procesos mecánicos. Es también difícil controlar el corte con arco de plasma tan precisamente como algunos procesos mecánicos por poca tolerancia de trabajo. Cuando se compara con el corte con combustible oxigenado, el equipo de corte con arco de plasma tiende a ser más costoso, requiere bastante más cantidad de energía eléctrica, e introduce peligros de descargas eléctricas.

Equipo

Antorchas

El proceso de corte de plasma se utiliza tanto con una antorcha de mano como con una antorcha de montaje mecánico. Hay varios tipos y tamaños de cada una, dependiendo del espesor del metal que se cortará. Algunas antorchas se pueden arrastrar a lo largo en contacto directo con el objeto de trabajo, mientras que otras requieren que un aislamiento sea mantenido entre la extremidad de la antorcha y el objeto.

Ciertas piezas de la antorcha de arco de plasma se deben considerar como insumos consumibles. La extremidad y el electrodo son los más vulnerables al desgaste durante el corte, y la operación de corte los deteriora mientras se usan. El reemplazo oportuno de piezas consumibles se requiere para alcanzar cortes de buena calidad.

Fuentes de alimentación.

El corte con arco de plasma requiere una fuente de alimentación de corriente constante o características de voltio amperios filtrados y estables, relativamente alto voltaje, y corriente continua.

Para alcanzar un desempeño de disparo de arco satisfactorio, el circuito abierto de voltaje de la fuente de alimentación es generalmente dos veces más el voltaje de funcionamiento de la antorcha. Los voltajes de funcionamiento se extenderán desde 50 a 60 voltios hasta encima de los 200 voltios de manera que las fuentes de alimentación de PAC tendrán voltajes del circuito abierto desde aproximadamente 150 hasta más de 400 voltios.

Los nuevos modelos de fuentes de alimentación de corte de plasma incluyen control de fase electrónico y varios tipos de fuentes de alimentación tipo fuente conmutada o inversor. Las fuentes de alimentación conmutadas utilizan semiconductores de alta velocidad y de gran intensidad para controlar la salida. Pueden tanto regular la salida de una fuente de corriente continua estándar, la fuente de alimentación conocida como fuente con interruptor chopper, o pueden ser incorporadas en una fuente de alimentación tipo inversor.

A medida que nuevos tipos de semiconductores llegan a estar disponibles comercialmente, se puede esperar que versiones mejoradas de este tipo de fuente de alimentación aparezcan.

Las fuentes del modo conmutado tienen la ventaja de mayor eficiencia y de un tamaño más pequeño, y son atractivas para los usos donde la portabilidad y la eficacia son consideraciones importantes.

Equipo de movimiento.

Una variedad el equipo de movimiento está disponible para su uso con los sopletes cortadores mecanizados de plasma. Este equipo puede extenderse desde tractores rectilíneos a máquinas cortadoras de control numérico o controlado directamente por ordenador con sistema jerarquizado de piezas. El equipo de corte de plasma se puede también adaptar a actuadores robóticos para cortar otras placas planas.

Controles del medio ambiente.

En la tecnología de corte de plasma, la tecnología es casi la misma que la soldadura, pero el arco es aún mas constreñido, con la temperatura tan elevada que el arco puede cortar cualquier metal. El mismo arco constreñido corta una línea del tamaño de un lápiz a través del metal, y un fuerte chorro de gas a través de la boquilla sopla el metal fundido del kerf. La velocidad y estabilidad de la acción de corte es tal que los bordes de la soldadura se mantienen rectos y limpios.

Las ventajas de la tecnología de corte con plasma en el corte de metales son muchas. Los cortes son muy limpios, con poca oxidación del metal como se encuentra en el corte oxiacetilénico, la velocidad de la acción crear bordes mar parejos que necesitan mucho menos limpieza, y de hecho con las unidades industriales que son mecanizadas en forma muy similar a una cortadora de llama a gas y cortadora de formas, los cortes no necesitan limpieza o preparación para la soldadura. Hay poca o ninguna escoria remanente en el extremo inferior del kerf.

El corte de arco de plasma es considerado mas seguro en muchos ambientes de trabajo que el corte a gas. No hay gases inflamables involucrados, no hay humo de la acción de corte que moleste al soldador, éste puede observar el proceso mucho mas cerca y hay menos desprendimiento de chispas saliendo de la parte inferior del corte. Esto contrasta en gran medida con el corte a gas, donde hay una gran cantidad de calor generado, y desprendimientos de metal fundido que caen constantemente sobre el piso debajo de la soldadura, que crean un riesgo de incendio.

Hay algo de acción del calor en el corte con plasma, pero en un corto tiempo, dependiendo del espesor del material que se ha cortado, las partes están listas para ser movidas para trabajos posteriores. Con una antorcha de corte a gas, las partes están aún a rojo caliente. Algunos han descripto el proceso de corte de plasma como casi “corte frío”.  Otro beneficio de la acción de corte frío es que mucho menos calor es inducido en el metal base, por lo tanto al trabajar sobre materiales delgados, hay una gran reducción del alabeo.

Esto ha hecho a la cortadora de plasma tan popular en los talleres de carrocerías del automotor y trabajadores de hojas de metal. Los metales delgados pueden ser cortados virtualmente sin distorsión y a gran velocidad.

Para grandes superficies de corte, diversos dispositivos y técnicas están disponibles para controlar y contener los peligros. Un acercamiento de uso general para reducir emisiones de ruido y de humo es cortar sobre una tabla de agua y rodear el arco con una cubierta de agua. Este método requiere una tabla de corte llena de agua hasta la superficie de soporte del trabajo, un accesorio para cubierta de agua para la antorcha, y una bomba de recirculación para extraer el agua de la tabla de corte y para bombearla a través de la cubierta de agua. En este caso, un caudal de agua relativamente alto de 55 a 75 Wpm (15 a 20 gpmm) se utiliza.

Otro método, el corte subacuático de plasma, es también de uso común. Con este método, el extremo de trabajo de la antorcha y la placa que se cortará se sumergen bajo aproximadamente 75 milímetros (3 pulgadas) de agua. Mientras que la antorcha está bajo el agua pero sin cortar, un flujo constante de aire comprimido se mantiene a través de la antorcha para expulsar el agua.

Los requisitos fundamentales en el diseño de la tabla de agua son una fuerza adecuada para soportar el trabajo, suficiente capacidad de desecho para retener la escoria o metal fundido resultante del corte, procedimiento para quitar la escoria, y capacidad para mantener el nivel del agua en contacto con el objeto de trabajo. Cuando la tabla se utiliza para corte subacuático, es necesario proporcionar medios de levantar y de bajar rápidamente el nivel del agua. Esto puede ser logrado bombeando el agua dentro y fuera de un tanque intermedio, o desplazándola con aire en un recinto bajo la superficie del agua.

Una tabla de corte para el corte mecanizado o manual de plasma está equipada generalmente con un dispositivo de escape de tiro descendente. Este se expulsa al aire libre en algunos casos, aunque los dispositivos de extracción de humo o de filtración pueden requerir ajustarse a regulaciones de contaminación atmosférica.

 


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