Procesos de Corte de Metales Por Cierre y Plasma

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    25-Dec-2015

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PROCESOS INDUSTRIALES II

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PROCESOS INDUSTRIALES II | 2015PROCESOS INDUSTRIALES II | 2015Procesos de corte de metales por cierre y plasmaCORTE CON ARCO DE PLASMA (PAC)El corte por Arco de Plasma (PAC) corta metales al fundir una zona localizada del material con un arco elctrico restringido que remueve el material fundido con un chorro de alta velocidad de gas ionizado caliente.El proceso de PAC puede utilizarse para cortar cualquier metal elctricamente conductor si su espesor y forma permiten la penetracin completa del chorro de plasma. Como el proceso PAC se puede usar para cortar materiales no ferrosos y es ms rpido que el corte de combustible oxigenado con materiales ferrosos de menos de tres pulgadas de espesor, es la alternativa ms econmica para muchas aplicaciones industriales.El equipo de PAC est disponible para cortar un amplio rango de espesores de materiales, y el plasma a precisin puede generar cortes de calidad lser en algunas aplicaciones con costos de equipo y operativos significativamente ms bajos.Definicin.- Proceso de corte por fusin que utiliza gas y electricidad. Funcionamiento.- El arco se forma entre el electrodo y la pieza a cortar a travs de un gas ionizado (plasma). Para que se cierre el circuito elctrico es necesario que el material a cortar sea conductor, como lo son los metales. Por eso, el plasma: Corta la mayora de los metales. Ventajas del corte por plasmaComparando el corte por plasma con los mtodos de corte ms usados, pode-os mencionar las siguientes ventajas: Mayor rapidez de corte en chapas finas, comparado con el oxicorte. Posibilidad de cortar casi todos los metales conductores de la electricidad. Con la obtencin de un arco compacto y una mayor velocidad en el corte, evitaremos las deformaciones, ya que estaremos produciendo una cantidad de calor local menor. La utilizacin del corte por plasma es ms sencilla. El corte por plasma puede resultar ms econmico ya que podemos utilizar gases ms baratos.Particularidades y aplicacionesLa alta velocidad, va unida a tambin una elevada calidad del corte no solo desde el punto de vista de la forma de los bordes, sino desde el punto de vista metalrgico debido a que la zona afectada trmicamente (ZAT), es mucho menor comparada con otros procesos de corte. Otra ventaja del procedimiento es la gran estabilidad direccional de la columna de plasma y a la que no le afectan corrientes de aire o campos magnticos fundamentalmente debido a las grandes velocidades de salida del chorro. El campo de aplicacin comprende el resanado, corte y soldadura de todos los metales conductores de la electricidad entre los que podemos destacar los siguientes: Aceros al carbono Aceros cromo-nquel Aceros inoxidables Aluminio y aleaciones Latn Cobre Hierro fundido Se pueden obtener velocidades de corte muy elevadas para espesores de 2 a 15 mm, aunque el proceso nos permite realizar cortes de hasta 200 mm de espesor. Elementos principales. Los elementos principales del equipo de corte con Arco Plasma son: Fuente de energa Distribuidor de gas Generador de alta frecuencia Portaelectrodos y canalizacionesEsquemticamente podemos ver los elementos de los que consta un equipo de corte por Arco Plasma.Fuente de energaLas principales caractersticas son: 1. Transformador-rectificador trifsico. 2. Elevada tensin de vaco (100-400v).3. Alta potencia (~ 300 w). 4. Caracterstica descendente. Corriente. Al describir el generador como un rectificador, es evidente que la corriente ha de ser continua y hemos de conectar el electrodo al polo negativo, mientras que la boquilla y el material base han de conectarse al polo positivo. Distribuidor de gas. Alimentado por botellas de gas a presin permitiendo mezclas de gases de distinta naturaleza y proporcin.Gases.- Los gases utilizados normalmente son: Argn 1. Facilita el cebado 2. Arco de pequea potencia 3. Caro 4. Eficaz Hidrgeno 1. Arco potente 2. Cortes limpios y brillantes 3. Muy ligero 4. Forma parte de algunas mezclas Nitrgeno 1. Barato 2. Difcil cebado Aire 1. Puede dar buenos resultados 2. Deteriora ms rpidamente electrodos y boquillas El aire se suministra con un compresor que proporcione la presin indicada por cada fabricante y en cada situacin. Algunos de los gases anteriores suelen usarse mezclados:Argn + hidrgeno Nitrgeno + hidrgenoArgn + hidrgenoGenerador de alta frecuencia.- Se utiliza para ionizar parcialmente el gas que se encuentra entre el electrodo y la boquilla, ya que genera un arco (arco piloto) que luego da lugar a todo el proceso. Portaelectrodo.- Tiene como misin el producir el plasma de forma contina y expulsarlo hacia la pieza y est formado por: Boquilla metlica y cilndrica. Electrodo de Wolframio, Circonio o Hafnio en funcin del gas a utilizar: TungstenoArgn Argn + hidrgeno Nitrgeno Nitrgeno + hidrgeno Argn + hidrgeno Hafnio, zirconio ms sus xidos y nitruros:Aire OxgenoEl afilado, si hay que realizarlo, tambin se efectuar en funcin de lo mismo. Definicin de Plasma.- Podemos considerar que el plasma es en realidad un gas que se encuentra en un estado en que es conductor elctricamente. Este plasma existe, por definicin, en toda operacin de soldadura por arco ya que es indispensable para mantener este ltimo. Proceso de formacin del arco plasma.- Consta de las siguientes fases: 1. Ionizacin del gas: En el comienzo del proceso, el gas, que proviene de la botella correspondiente, sufre una ionizacin inicial, causada por el campo elctrico formado por una chispa de alta frecuencia que salta entre el electrodo y la boquilla y que se denomina arco piloto. Este arco, que es no transferido, da lugar al arco que ya se forma entre el electrodo y la pieza (transferido) y que contina con la ionizacin del gas una vez extinguido, automticamente, el arco piloto. 2. Constreimiento y recombinacin del gas: El estrechamiento de la tobera produce un estrangulamiento del arco plasma, lo que produce un gran aumento de la velocidad e, inmediatamente de chocar con la pieza, los iones del gas comienzan a recombinarse con el consiguiente desprendimiento de calor.3. Corte: La energa cintica producida en el estrangulamiento y la energa trmica, producida en la recombinacin de los tomos del gas, funden y expulsan fuera de la sangra el material.Dispositivo de cebado: Un generador de alta frecuencia produce, entre el electrodo y la boquilla, un arco piloto que genera una cantidad de calor, suficiente para elevar la temperatura del gas hasta el punto donde adquiere las propiedades plasma (conductividad elctrica). El arco formado entre el electrodo y la boquilla es un arco no transferido y, aunque se forma en el interior de la antorcha, bajo determinadas condiciones, puede salir un poco del conducto para volver enseguida al extremo de la tobera.Si este arco piloto es seguido por un voltaje a circuito abierto, lo suficientemente alto, entre el electrodo y la pieza a cortar, se iniciar entre ambos el arco principal y se mantendr estable. El arco transferido se forma entre el electrodo y la pieza a cortar en donde el chorro de plasma es recorrido totalmente por la corriente elctrica. Nada ms iniciarse el arco principal, debe interrumpirse el arco piloto para evitar el fenmeno conocido como doble arco.La energa que recibe la pieza, en el arco transferido, proviene del arco y del chorro de plasma, siendo mucho menor en al arco no transferido. Las corrientes y caudales de gas en las distintas fases son aproximadamente:Tipos de corte por plasma.- En la actualidad existen varios tipos de corte por plasma, que a continuacin pasamos a clasificar segn sea el gas de corte utilizado, el tipo de porta-electrodos o el corte sobre mesa. Segn el tipo de gas.1) Corte por fusin. En este caso necesitaremos la energa suficiente para llevar a cabo la fusin del material. Dicha energa la podremos obtener del arco elctrico empleado para el cebado. Los gases que se suelen emplear son los siguientes: Nitrgeno. Argn. Argn + Nitrgeno. Nitrgeno + Hidrgeno.Segn el tipo de gas empleado como fluido plasmgeno, utilizaremos un electrodo determinado, siendo el ms aconsejado en este caso el de Tungsteno. 2) Corte por oxidacin parcial. Este mtodo de corte se fundamenta en la reaccin exotrmica del acero cuando est en presencia del oxgeno y a una elevada temperatura. Por ello podemos deducir que este tipo de corte tendr una mayor eficacia en aceros dulces. Los fluidos plasmgenos ms utilizados en este caso son los siguientes: Aire. OxgenoLos electrodos de Hafnio y Zirconio son los ms empleados, dado que sufren menos desgastes al reaccionar con el oxgeno; sin embargo, la utilizacin del oxgeno como gas plasmgeno provoca un consumo excesivo tanto del electrodo como de la boquilla.3) Segn el tipo de Portaelectrodos utilizado.a) Corte convencional. Este sistema de corte se caracteriza porque utiliza un solo gas como fluido plasmgeno; la finalidad de este gas es aislar, tanto elctrica como trmicamente, la boquilla del arco elctrico.b) Corte con gas secundario. Es bsicamente similar al corte convencional, con la nica salvedad que aade un gas secundario que rodea el arco plasmtico. En la mayora de los casos usaremos Nitrgeno como fluido plasmgeno, estando la eleccin del gas secundario en funcin del material a cortar: Aluminio Mezcla de Argn e Hidrgeno. Acero inoxidable Dixido de carbono (C02) Acero suave Aire u Oxgeno.c) Corte con inyeccin de agua. Se caracteriza por la inyeccin de un chorro de agua tangencial o radial al flujo de plasma, mediante un soporte cermico acoplado en la boquilla, siendo el gas plasmtico ms utilizado el Nitrgeno. Con ello se pretende tener un chorro plasmtico ms compacto, as como; ionizar parcialmente el hidrgeno y el oxgeno del agua, que al combinarse con el material a cortar en la sangra provoca un aumento de la temperatura que facilitar el corte, proporcionando una velocidad de corte mayor.d) Corte con inyeccin de oxgeno. Consiste en inyectar al chorro de gas plasmtico un flujo de oxgeno. Este mtodo de corte es usado nicamente en aceros dulces, por carecer de rentabilidad en otros materiales. El corte con inyeccin de oxgeno tiene como gran inconveniente el constante deterioro que sufren las piezas de consumo tales como el electrodo o la boquilla.Segn el mtodo de corte en mesa de agua. Este mtodo viene caracterizado por la utilizacin de una mesa especialmente el material a cortar sobre la superficie parcialmente sumergido o totalmente sumergido en el agua. Con este sistema de corte podemos obtener las siguientes ventajas respecto al corte convencional: Control de la distorsin por efecto del calor del plasma. Menor produccin de humos. Mayor atenuacin de los ruidos. Mayor limpieza en las caras de corte.En el caso de corte en piezas totalmente sumergidas deberemos automatizar el corte, ya que ste no puede ser controlado visualmente debido a la refraccin que produce el agua.Chapa sobre el nivel del aguaChapa en contacto con el agua y boquilla con cortina de aguaChapa con boquilla sumergida en agua (6 a 10 cm por debajo del agua)VentajasTiene un espectro de aplicacin sobre materiales ms amplio. Su costo operativo es sensiblemente inferior Facilidad de su operacin hace posible trabajar en corte manual. Corta metales con espesores pequeos, con oxicorte no sera posible.Otras desventajas del oxicorte son la baja calidad de corte y el efecto negativo sobre la estructura molecular, al verse afectada por las altas temperaturas. Brinda mayor productividad toda vez que la velocidad de corte es mayor (hasta 6 veces mayor vs. Oxicorte). Mayor precisin y limpieza en la zona de corte.Oxi-corte (OFC)El corte con Oxigeno combustible es un mtodo rentable de preparacin de bordes de placa para la soldadura en bisel y ranurada. Se puede usar para cortar fcilmente placas oxidadas y escamadas y requiere un conocimiento moderado para generar resultados exitosos. El proceso de corte de gas de Oxigeno combustible crea una reaccin qumica del Oxgeno con el metal base a temperaturas elevadas para cortar el metal. La temperatura necesaria es mantenida por una llama de la combustin de un gas combustible seleccionado mezclado con Oxgeno puro.El proceso se basa en la rpida formacin de xido de hierro que se produce cuando se introduce una corriente de Oxgeno puro a alta presin en la envoltura de corte. El hierro se oxida rpidamente por el Oxgeno de Alta Pureza y esta reaccin libera calor. La corriente de Oxgeno y el gas quemado transportan el xido fundido y el metal en sus trayectorias de quemado, y producen un corte angosto conocido como ranura. La formacin continua de xido de hierro requiere el suministro de grandes cantidades de Oxgeno en la zona de corte a una presin preestablecida controlada. El intenso calor producido por esta reaccin permite el proceso de corte y la produccin del corte.Las aplicaciones comunes de corte de Oxgeno combustible se limitan a Carbn y Acero de baja aleacin. Estos materiales pueden cortarse econmicamente y la configuracin es rpida y simple. Para el corte de Oxgeno combustible manual no hay ningn requisito de energa elctrica y los costos de los equipos son bajos. Con el Oxgeno combustible manual comnmente se cortan materiales de 1/16 pulgadas (1,6 mm) a 4 pulgadas (102 mm) de espesor. Los materiales de 12 pulgadas (0,3 m) o ms de espesor se cortan exitosamente utilizando corte mecanizado.Corte por haz lser (LBC)El corte por haz lser (LBC) es un proceso de corte trmico que utiliza fundicin o vaporizacin altamente localizada para cortar el metal con el calor de un haz de luz coherente, generalmente con la asistencia de un gas de alta presin. Se utiliza un gas de asistencia para eliminar los materiales fundidos y volatilizados de la trayectoria del rayo lser. Con el proceso de rayo lser pueden cortarse materiales metlicos y no metlicos. El haz de salida con frecuencia se pulsa a potencias mximas muy altas en el proceso de corte, aumentando la velocidad de propagacin de la operacin de corte.Los dos tipos ms comunes de lser industrial son Dixido de Carbono (CO2) y granate de Aluminio de itrio dopado con neodimio (Nd: YAG). Un lser CO2 utiliza un medio gaseoso para producir la accin lser mientras que el Nd: YAG utiliza un material cristalino. El lser CO2 est disponible comercialmente en potencias de hasta 6kW y los sistemas Nd: YAG estn disponibles en hasta 6kW.Si se realiza con equipo mecanizado, los cortes lser brindan resultados altamente reproducibles con anchuras de ranuras angostas, mnimas zonas afectadas por el calor y prcticamente ninguna distorsin. El proceso es flexible, fcil de automatizar y ofrece altas velocidades de corte con excelente calidad. Los costos del equipo son altos pero estn bajando a medida que la tecnologa de resonadores es menos costosa.112

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