Índice. Luis Roberto Morales Pérez Aportación al tema: Corte por Oxicorte.

Transcripción

1 Índice 1. INTRODUCCIÓN TECNOLOGÍA DEL CORTE DE MATERIAL POR OXICORTE El Proceso El soplete La combustión de Fe El precalentamiento El chorro de O 2 de corte Máquinas de Oxicorte CONTROL DE LOS PARÁMETROS TECNOLÓGICOS Y CALIDAD DEL CORTE Defectos en el filo superior del corte Defectos en la superficie del corte: Irregularidades Defectos en la superficie del corte: Cortes incompletos Defectos por adhesión de escoria PROBLEMÁTICA DEL CORTE DE MATERIAL Y LA GENERACIÓN DE TRAYECTORIAS Problemática referente a la geometría de partida Geometrías especiales de partida: superficies desarrollables para caldería Problemática en la generación de trayectorias Problemática en pequeños espesores Problemática en medios y grandes espesores Problemática en la programación. Controles numéricos y postprocesadores CARACTERÍSTICAS QUE DEFINEN LA PELIGROSIDAD DEL OXÍGENO EN EL RIESGO DE INCENDIO Y EXPLOSIÓN SITUACIONES EN LAS QUE SE PUEDE PRESENTAR RIESGO DE INCENDIO Y EXPLOSIÓN POR ATMÓSFERAS SOBREOXIGENADAS MEDIDAS TÉCNICAS DE PREVENCIÓN... 34

2 1. INTRODUCCIÓN Entre aquellos procesos no convencionales cuyo campo de aplicación es principalmente el corte de material, se puede realizar una particular clasificación que nos lleva a englobar muchos de ellos (90% de las aplicaciones industriales) en un sólo grupo denominado procesos de corte por oxicorte. En estos procesos, la herramienta se sitúa en dirección perpendicular a la superficie de la material. El gas inflamado y el oxigeno, inciden en esta dirección y corta la material. La naturaleza del chorro determina una segunda clasificación de los diferentes procesos de corte por oxicorte: Aquellos procesos que utilizan la acción mecánica directa, ya sea de un único materia y/o combinándolo con abrasivos, para incidir sobre el material a cortar, se denominan procesos de corte por chorro mecánico (mechanical beam processes). Se utilizan cuando no pueden emplearse técnicas tradicionales debido a la dureza del material, a su extrema fragilidad o, principalmente, cuando pueden resultar dañados si se mecanizan por procesos eléctricos o térmicos (sensibilidad a altas temperaturas). Cabe citar, dentro de los procesos de esta naturaleza, el corte por chorro de agua con o sin abrasivos (waterjet machining, WJM y abrasive waterjet machining, AWJM) y el corte por chorro de aire con abrasivos (abrasive jet machining, AJM). Cuando la separación del material se debe principalmente al efecto de las altas temperaturas localizadas sobre una pequeña zona de material, estamos ante los procesos de corte por chorro térmicos. Tienen un amplio campo de aplicación, y ocupan un segmento cada vez mayor del mercado. Esto se debe en parte, no sólo al incremento en el número de máquinas, sino también a la diversidad de fuentes de energía utilizadas para provocar el aumento térmico localizado. El oxicorte (flame or oxygen-flamecutting), el arco de plasma (plasma arc system) y el láser (laser beam cutting) son los principales procesos aplicables a la material. 2. TECNOLOGÍA DEL CORTE DE MATERIAL POR OXICORTE 2.1. El Proceso El proceso fue desarrollado completamente en el siglo XX y sus primeras aplicaciones se llevaron a cabo en Europa. No obstante, su total desarrollo hasta lo que hoy conocemos por oxicorte se produjo en Estados Unidos durante el primer cuarto del siglo XX.

3 El proceso de oxicorte, al contrario de lo que pueda parecer, no consiste en una fusión del metal, el corte se produce por una literal combustión del mismo. En otras palabras al cortar quemamos el metal a medida que avanzamos con el soplete. Por esta razón, la presencia de aleantes se hace crítica, ya que merman la capacidad del acero a ser quemado. Para que se produzca una reacción de combustión son necesarios tres requisitos; presencia de combustible (a su temperatura de ignición), presencia de comburente (en una mínima proporción), y un agente iniciador. En el proceso de oxicorte, el combustible es el Fe, el comburente el O2, y el agente iniciador la llama del soplete. En condiciones normales, aunque apliquemos un agente iniciador a una pieza de acero, ésta no arde espontáneamente por dos motivos; el Fe contenido no está a su temperatura de ignición (aproximadamente 870 C) y el O2 atmosférico no es lo suficientemente puro (el O2atmosférico se encuentra en una proporción del 20% y la proporción mínima necesaria para quemar el Fe es un 87%). 2.2 El soplete El soplete de corte juega tres papeles distintos: llevar el Fe contenido en el acero a su temperatura de ignición, aportar una atmósfera envolvente con una proporción mayor que la mínima necesaria en O2 y, por último, generar el agente iniciador. Para lo primero el soplete de corte utiliza parte del O2 disponible para mezclarlo con el gas combustible y así crear la llama de precalentamiento formada por un anillo de llamas en la boquilla de corte. La llama de precalentamiento puede alcanzar temperaturas entre C y C dependiendo del tipo de gas utilizado y la riqueza de O2 en la mezcla. La proporción de O2 y gas en la mezcla para el precalentamiento se controla a través de las dos válvulas que incorpora el soplete. Con la llama de precalentamiento bien ajustada, se acerca ésta a la pieza a cortar hasta que se alcanza la temperatura de ignición. Una vez alcanzada ésta, el metal se torna en un color naranja brillante y pueden verse algunas chispas saltar de la superficie.

4 En este momento debe ser accionada la palanca del soplete para permitir la salida por el orificio central de la boquilla de un chorro de O2 puro (llamado chorro de corte) (figura1). Así se consigue enriquecer en O2 la atmósfera que rodea la pieza precalentada para que sea posible la combustión. Inmediatamente, y gracias a la presencia de la llama de precalentamiento que actúa también como agente iniciador, comienza la reacción exotérmica de combustión del Fe, que nos llevará finalmente al corte de la pieza. Como toda combustión, la reacción de oxidación del Fe es altamente exotérmica, y precisamente esa enorme cantidad de energía desprendida en la reacción ayuda a llevar las zonas colindantes a la temperatura de ignición, y poder así progresar en la acción del corte. Espesor (mm) Diámetro Boquilla (mm) Presiones en el soplete (bar) Velocidad de corte m/h Tabla 1.- Valores recomendados para Oxicorte El óxido resultante de la combustión fluye constantemente por la ranura, cuyas paredes calienta propagando la reacción de combustión. Para obtener cortes limpios y

5 económicos, es conveniente no utilizar presiones de O2 demasiado elevadas. A menudo los fabricantes de máquinas de oxicorte suministran tablas tecnológicas con los valores más recomendados de presión, velocidad de corte, etc. en función del espesor del material a cortar (ejemplo tabla 1).En algunos casos, las tablas incluyen datos relativos a la sangría del corte (ejemplo tabla2) en función de la presión (proporcional al espesor), y del tipo de soplete utilizado (para chaflanes, de tipo doble o triple, etc.). Otras tablas aportan datos del consumo de los diferentes gases utilizados con la finalidad de poder determinar el costo de las operaciones de corte.

6 2.3 La combustión de Fe A medida que el Fe va siendo oxidado y se forman sus óxidos correspondientes, éstos, y parte del Fe de la pieza, se van fundiendo por la acción térmica en juego y van siendo expulsados por la acción física del chorro de O2. La propiedad de los óxidos de Fe difundir a temperaturas semejantes al Fe atómico hace posible el fenómeno del oxicorte. Esta propiedad es excepcional, puesto que la mayoría de los metales funden a temperaturas menores que sus óxidos. Precisamente por éste motivo metales como el Al, Mg o Cr no pueden ser cortados por este proceso dado que sus óxidos funden a una temperatura mucho mayor que su fase atómica. Es por ello que la aplicación fundamental de oxicorte, y para la cual está diseñado, es el corte de aceros de bajo contenido en Carbono (normalmente entre 0,1% y 0,3%) y bajo contenido en aleantes. La presencia en altas concentraciones de los aleantes normalmente presentes en el acero afecta a la capacidad del proceso de cortar el metal. Elementos como el Mn, Si, P y S, afectan poco a esta capacidad cuando están presentes en concentraciones normales. Por otra parte, elementos como el Cr, Ni, Mo, y por supuesto el C, reducen la capacidad de corte del O2 existiendo algunos límites a partir de los cuales el corte no es posible: 5% para el Cr, 7% para él Ni, etc...antes de intentar cortar una material mediante oxicorte, deben tenerse en cuenta los elementos aleantes contenidos en su material, sus combinaciones, exactamente igual a como debe hacerse antes de aplicar un tratamiento térmico o un endurecimiento a la llama. Todos los metales deben examinarse, no solamente desde el punto de vista de los aleantes que contienen, sino también de las propiedades que las combinaciones que dichos aleantes tienen. 2.4 El precalentamiento La principal función de la llama de precalentamiento es llevar la pieza hasta la temperatura de ignición, que como se ha mencionado anteriormente es de aproximadamente 870 C. No obstante, la llama de precalentamiento tiene otras funciones:

7 Limpiar la superficie de la pieza a cortar de cualquier sustancia extraña como óxido, suciedad, escamas, no sólo durante el precalentamiento sino también durante la acción de corte Ayudar a alcanzar la temperatura de ignición a medida que se avanza con el corte. Mantener un entorno de protección alrededor del chorro de O2 de corte. Precalentar el O2 contenido en el chorro de corte haciéndolo más reactivo. Ayudar a mantener las escorias producidas en la ranura del corte en estado fluido para que puedan ser expulsadas. 2.5 El chorro de O2 de corte Tal y como se ha explicado anteriormente, es obvio que el O2 de corte juega un papel principal durante la operación de corte. Su pureza debe ser del 99,5% o superior. Una pérdida de pureza de un 1% implica una pérdida de velocidad de avance de aproximadamente un 25% y a su vez incrementa el consumo de O2 en aproximadamente un 25%. Con una pureza de O2 de un 95% la acción de corte por oxidación es imposible de conseguir y se transforma en una acción de fusión y limpieza. Para conseguir la mejor calidad en el corte, siempre deben observarse las recomendaciones del fabricante de los equipos de corte referentes a: Tamaño de la boquilla en función del grosor de material a cortar. Ajuste de la llama de precalentamiento. Presión de gas. Presión de O2 de corte. Velocidad de corte. Si se siguen correctamente las recomendaciones se conseguirá un corte adecuado en el que podremos observar las siguientes características (ver apartado 3) Caras de corte perpendiculares Ausencia de mordeduras Canto superior anguloso, ni redondeado ni fundido. Canto inferior libre de escorias y rebabas Existen muchas aplicaciones de oxicorte en las que no se requiere estos niveles de calidad y normalmente se aceptan cortes más bastos. Este es el caso más general en el

8 que la superficie del corte va a ser cubierta con soldadura, escondida dentro de la pieza a fabricar o cubierta con pintura. Si la calidad que se le exige al corte no es la máxima, la velocidad de avance puede ser, en muchos casos, incrementada. 2.6 Máquinas de Oxicorte La máquina de oxicorte consta de un pórtico sobre el que se monta el soplete, de forma que su velocidad de desplazamiento es constante y se mantiene invariablemente a la altura e inclinación correcta, condiciones esenciales para obtener cortes limpios y económicos. Normalmente se controlan también las presiones de todos los gases. La mayoría de la máquinas-herramienta de este tipo incorporan la posibilidad de utilizar también sopletes de plasma, los cuales se montan sobre el pórtico de igual forma que los de oxicorte, pero acoplándolos ahora a los distintos gases que requiere el plasma. Hay muchos modelos de máquinas de oxicorte, desde la máquina portátil, que se apoya y se desplaza sobre la material, hasta la máquina fija (figura 2), con una o varios cabezales de corte, capaces de cortar materiales de espesores muy diversos. También existen máquinas que utilizan un dispositivo de lectura óptico que va siguiendo el

9 contorno de la/s pieza/s a cortar dibujadas sobre un plano fijado sobre una mesa incorporada a la máquina. No obstante, cada día es más común la incorporación del control numérico (CNC) a la máquina de oxicorte, de tal forma que la geometría y los parámetros tecnológicos se introducen en el CNC en forma de un programa codificado. Tanto con el uso de los lectores ópticos como del CNC, el oxicorte permite realizar todo tipo de cortes rectilíneos y curvos sobre materiales de acero de cualquier espesor, o sobre perfiles, tubos, etc. Pueden cortarse en buenas condiciones materiales superpuestas, incluso muy delgadas, si están bien sujetas unas contra otras. Cuando el soplete está bien regulado (presión, mezcla y velocidades adecuadas), los cortes son uniformes y presentan buen aspecto; basta un posterior y sencillo desbarbado para obtener un acabado aceptable. Aunque depende de la aplicación, frecuentemente se dejan los bordes tal como quedan después del corte. 3. CONTROL DE LOS PARÁMETROS TECNOLÓGICOS Y CALIDAD DEL CORTE. Los procesos de corte por oxicorte presentan, de forma similar a lo que sucede en otros procesos como el mecanizado por arranque de material, unos parámetros tecnológicos críticos que son necesarios controlar para obtener los acabados superficiales y las tolerancias dimensionales requeridas. Para los procesos menos extendidos como el láser y el corte por agua, cabe decir que todavía hoy se siguen probando nuevas combinaciones de parámetros tecnológicos en función de aquellos materiales (ya sean nuevos o mejorados) susceptibles de ser cortados por estos métodos. En cuanto al oxicorte e incluso el corte por plasma, adecuados para la mayoría de los aceros de construcción, aceros de fundición y aceros aleados (incluso inoxidables), son procesos relativamente sencillos con pocas variables a controlar. A pesar de ello, el número de empresas que optimizan realmente esas pocas variables (parámetros tecnológicos) es muy reducido, creando una falsa idea de que son procesos donde no se pueden conseguir buenos acabados ni mucho menos pequeñas tolerancias (del orden de1 mm). Las imprecisiones dimensionales pueden ser debidas a trayectorias de corte erróneas, movimientos del material o de las piezas durante el corte o a tensiones residuales en material. Los defectos que se puedan corregir durante la programación del CNC, utilizando trayectorias idóneas como por ejemplo insertando puentes en los perfiles de las piezas durante el corte, controlando el sentido de recorrido (figura3), etc., serán tratados masa delante. En otros casos se recurre a técnicas externas a la programación, realizándose el enfriamiento de la ZAT

10 con aire frío inmediatamente después del corte cuando el material aún presente tensiones residuales, utilización del plasma en mesas de agua, control de las presiones y caudales de los gases, etc. La calidad de la superficie del corte para la fabricación de estructuras metálicas viene recomendada por la norma DIN 2310, y recientemente, por el proyecto de norma europeo EN En la figura 4 se muestra una parte de esta norma, correspondiente al acabado del corte, en la que se indica cómo deben controlarse la desviación angular de la superficie de corte (en la dirección del chorro) y la profundidad de las estrías o marcas en el sentido de recorrido (dirección de avance del corte). La norma establece también que ambos requisitos pueden suavizarse si las materiales o componentes estructurales se van a soldar en la superficie del corte. 3.1 Defectos en el filo superior del corte. Fusión de las esquinas. El filo del corte, presenta un redondeo excesivo debido a la fusión del material en dicha zona. Este defecto se debe principalmente a una velocidad de corte demasiado baja o a una llama de corte (presión de O2) demasiado fuerte. También se puede deber a una distancia boquilla-material demasiado grande o demasiado pequeña o a una mezcla con demasiado O2(figura 5a) Formación de cadena de gotas fundidas. La cadena de gotas fundidas de la figura5b, formadas sobre el filo de corte son debidas a suciedad, óxidos, etc. Existentes en la superficie de la material. En segundo orden de magnitud pueden deberse a una distancia excesivamente pequeña entre boquillamaterial.

11 Filo de corte colgante. La formación de un filo de corte colgante, con forma convexa sobre el filo ideal (a escuadra), se debe a una llama demasiado fuerte. Aún cuando la presión y mezcla de O2 es correcta se puede producir este defecto si la distancia entre boquilla y material es pequeña o la velocidad de corte es excesivamente lenta (figura 5c). Borde separado de la zona de corte con adherencia de escorias. En la figura 5d se puede observar este error causado generalmente por una distancia de la boquilla al material demasiado grande. Cuando la distancia es la correcta, se puede producir por una presión del O2 de corte demasiado alta. 3.2 Defectos en la superficie del corte: Irregularidades Todas las desviaciones e irregularidades de la superficie ideal de corte se definen de acuerdo a la distancia entre dos planos paralelos, separados por la sangría y creados por contacto entre la llama y los puntos superior e inferior de la material sobre el perfil de corte. Teóricamente, el ángulo correcto de la material con la superficie cortada debe ser de90º, de forma que la sangría debe permanecer constante a lo largo de todo el espesor de la material. Concavidad bajo el borde superior. La concavidad que se produce en la parte inmediatamente inferior al borde superior de la superficie de corte se debe a una presión de O2 demasiado alta, que produce un chorro turbulento

12 inicialmente, volviéndose laminar al penetrar en la material. Este tipo de daños revela también suciedades en la boquilla (figura 6a). Estrechamiento del filo (sangría convergente). Este defecto se produce cuando ambas superficies de corte (derecha e izquierda), convergen hacia la parte inferior. Claramente indica un chorro de corte débil que puede ser debido a una velocidad demasiado alta, alta distancia de la boquilla o al empleo de una boquilla de diámetro demasiado pequeño para el espesor de la material que se quiere cortar (figura 6b). Ensanchamiento del filo (sangría divergente). Es el defecto contrario al anterior, se consideran también las causas opuestas (figura 6c). Sección cóncava de la superficie del corte. La concavidad se produce a lo largo de toda la superficie, particularmente en la zona media (figura 6d). Se produce principalmente por una velocidad de corte demasiado elevada o por utilizar poca presión de O2. Otras causas secundarias son debidas a la boquilla, diámetro pequeño para el espesor considerado, suciedad o deterioro, etc. Sección ondulada de la superficie del corte. La sección transversal de corte presenta en este caso unas inflexiones cóncavas y convexas alternadas (figura6e). Como en la mayoría de estos defectos, la alta velocidad de corte es la causa primordial. En este caso, el empleo de boquillas demasiado grandes o su vibración (causada por suciedad a lo largo de la guía, etc.) pueden también originar estas ondulaciones. Superficie de corte desviada de la vertical. Si las superficies son paralelas, sin defectos en su interior, debemos presuponer que la presión, velocidad, y distancia de la boquilla son correctas. Por lo tanto, este defecto sólo puede ser debido a un incorrecto posicionamiento angular de la torcha. Ocasionalmente puede producirse por defectos superficiales o suciedad en la material (figura 6f). Borde inferior redondeado. En la figura 6g se observa este defecto, pudiendo ser más o menos severo en función de ciertos daños sufridos por la boquilla. También puede producirse cuando la velocidad de corte es muy alta (flujo muy turbulento de la llama). Escalón en el borde inferior. Se trata de un defecto similar al anterior. Las causas son también las mismas aunque predominando el exceso de velocidad (figura6h) Dirección defectuosa del corte y superficie transversal ondulada. La superficie de corte no sigue una línea recta, sino que presenta un contorno ondulado (figura6i). Esta irregularidad en la dirección del corte se debe principalmente al exceso de velocidad o al elevado contenido de los aleantes. Causas secundarias pueden ser la suciedad o daños en la boquilla, contenido en

13 Carbono elevado o llama con exceso de gas comburente. Si el control de la velocidad se hace de forma irregular también se manifiesta de esta forma. La separación y dirección de las líneas de marcado, forman un patrón que delata cómase está realizando el proceso. Las normas DIN 2310 y EN , detallan cual debe ser el patrón de marcado ideal y qué profundidad pueden tener las marcas. El patrón ideal debe tener las marcas formando ángulo recto con el borde superior del corte y una pequeña desviación hacia atrás en el sentido de la marcha, con el borde inferior. Cualquier desviación, tanto en la dirección de las líneas de marcado cómo en la profundidad, denotará un mal empleo de alguno de los parámetros. Excesiva deflexión del marcado inferior. Es un defecto muy usual en este tipo de procesos y quizás el menos importante. La excesiva velocidad de corte es la causa principal. Cuando las exigencias de acabado no sean muy severas, es preferible utilizar una alta velocidad de corte aún cuando las marcas presenten dicha deflexión (figura 7a). Marcado superior con deflexión. El patrón superior se encuentra trasladado hacia la parte de atrás. Se debe a un ángulo incorrecto de la torcha en la dirección del corte. (Figura 7b).

14 Excesiva deflexión del marcado inferior hacia adelante. Normalmente indica que hay un defecto en la boquilla que produce un flujo de la llama muy turbulento (figura 7c). Deflexiones locales del patrón de marcado. Las irregularidades de las marcas del patrón que se manifiestan por deflexiones en uno u otro sentido (hacia adelante o hacia atrás) como las de la figura 7d, son causadas por líneas de segregación, inclusiones distribuidas (de zonas con distinta concentración de aleantes), inclusiones de escoria y otros defectos similares sobre la material. Profundidad del marcado excesiva. Cuando en sentido transversal al corte, la profundidad de las marcas es excesiva, e independientemente del patrón demarcado que quede grabado sobre la superficie, esto indica que la velocidad de desplazamiento de la antorcha es demasiado alta o irregular. También puede deberse a una distancia demasiado corta entre boquilla-material (figura 7e).Irregularidades en la profundidad del marcado. Las diferencias en cuanto a las profundidades de marcado, pasando desde un marcado normal al del caso anterior y viceversa (figura 7f), ponen de manifiesto que se ha producido irregularidad o exceso en la velocidad de corte.

15 3.3 Defectos en la superficie del corte: Cortes incompletos. Son defectos caracterizados por la pérdida de continuidad del corte, produciendo defectos de separación, total o parcial, entre las superficies de corte. Zonas aisladas de corte interrumpido. En la figura 8a, se puede observar un defecto de este tipo, que se manifiesta por la aparición de un triángulo de material remanente, no cortado, en la parte inferior. Como es de esperar, se debe a una velocidad de corte excesiva o a una llama demasiado débil que no traspasa todo el espesor de la material. Grupos de zonas de corte interrumpido. Cuando se produce el mismo defecto anterior, pero esta vez en forma de grupos aislados e irregulares distribuidos a lo largo de una zona, significa no sólo que la velocidad es demasiado alta (llama demasiado débil) sino que además hay zonas oxidadas, escoria, etc. en la superficie de la material (figura 8b). Zonas erosionadas en la parte inferior. Este fenómeno, caracterizado por grandes zonas erosionadas, durante intervalos irregulares, situados en la parte inferior (figura 8c), es una consecuencia usual del empleo de una velocidad de corte excesivamente lenta.

16 3.4 Defectos por adhesión de escoria. Los depósitos de escoria en la parte inferior o central de la superficie del corte son un defecto muy perjudicial para el proceso puesto que sólo pueden ser eliminados con dificultad. Barras de escoria adherida en la parte inferior. La formación de una "cadena" de escoria en el borde inferior de la superficie de corte (figura 9a) puede deberse avalores excesivamente bajos de la velocidad, aunque la causa más usual consiste en el empleo de boquillas demasiado pequeñas para el espesor. Otras causas secundarías son, una llama demasiado fuerte, o una llama con alto contenido de gas comburente Zonas de escoria incrustada en la superficie de corte. El defecto que se observa en la Figura 9b, se debe a un contenido en aleantes demasiado alto Defectos de agrietamiento Las grietas pueden aparecer dentro o sobre la superficie de corte y son atribuibles al material. Las grietas visibles (sobre la superficie) son mucho más frecuentes que las internas. Grietas en la superficie de corte. Las grietas que se esquematizan en la figura10a, siempre visibles externamente, se producen por contenido en carbono o en aleantes demasiado elevado, acero susceptible a rotura térmica, insuficiente tratamiento térmico de la pieza, enfriamiento demasiado rápido, etc. Grietas internas en las proximidades a la superficie de corte. Las grietas aparecen dentro de la material, en zonas cercanas a la superficie de corte, sólo son visibles en una sección transversal (figura 10b). Las causas son análogas a las del caso anterior.

17 Todos los problemas mencionados hasta el momento tienen que ver con parámetros tecnológicos en los que intervienen directamente la generación de trayectorias. Con los controles numéricos que permiten programar la velocidad de corte, la presión de los gases, e incluso la distancia de la boquilla al material, se soluciona fácilmente y se supondrá ninguna dificultad a la hora de la programación automática utilizando un sistema CAD/CAM. Sin embargo, los problemas que se presentan a continuación, sí requieren una programación específica, y actualmente sólo se pueden abordar con éxito cuando se dispone de un sistema CAM muy especializado

18 4. PROBLEMÁTICA DEL CORTE DE MATERIAL Y LA GENERACIÓN DE TRAYECTORIAS. Trabajar con una aplicación CAD/CAM destinada a la generación automática de trayectorias de corte 2D para máquinas de oxicorte requiere inevitablemente conocer toda la problemática específica que presenta este proceso. Aunque este conocimiento se centra principalmente en los problemas que requiere la generación de trayectorias, inevitablemente lleva con frecuencia a tratar problemas relacionados con la geometría de partida, constatando la dificultad añadida que conlleva generar un trayectoria correcta si el perfil de la pieza no está perfectamente definido. Un tipo especial de geometría muy utilizada en calderería, como es el caso de aquellas que provienen del desarrollo plano de piezas 3D de material (tolvas, codos, etc.), también llevan asociado un tratamiento específico. Otros problemas aportados por la experiencia de los usuarios, y relativos a temas técnicos cómo el control de los parámetros tecnológicos (espesor, velocidad, etc.) de cada proceso, el pos procesado de los programas CNC y su correspondiente transmisión al control numérico de la máquina, etc., influyen también decisivamente en el modo en que se generarán las trayectorias. 4.1 Problemática referente a la geometría de partida. Un primer aspecto que debe contemplar una aplicación de CAD/CAM para corte automático de material en 2D es la "identificación del perfil" de la pieza a cortar, con la finalidad de garantizar una correcta generación de las trayectorias correspondientes. En este sentido, se hace imprescindible un reconocimiento automático de todas las entidades que conformen el dibujo seleccionado con el fin de determinar exactamente cuál es el perfil de la pieza y en su defecto, que errores presenta. Si durante esta identificación se detecta algún error, el sistema debe ser capaz de corregirlo (en la medida de lo posible) de acuerdo con el usuario. La geometría de partida en cualquier sistema de CAD puede haber sido generada por el propio sistema o importada a través de formatos normalizados (DXF, IGES, etc.). Cuando esta geometría se realiza sobre el propio sistema de CAD y se orienta a la generación de trayectorias de corte en 2D, debe tratarse de un perfil plano perfectamente construido. En muchas ocasiones, esto no es así y a menudo el delineante o programador comete errores inherentes a su forma de trabajo, no selecciona adecuadamente los puntos iniciales o finales de un segmento para enlazarlo con el siguiente, duplica entidades (una encima del otro), se

19 producen cruces de elementos que deben ser consecutivos, etc. Este tipo de problemas deben ser solucionados si se quieren evitar trayectorias erróneas, cortes repetidos de un mismo segmento/s, etc. Otro tipo de problemas asociados a la geometría consiste en todas aquellas bifurcaciones, zonas de entidades que se solapan, etc., que se suelen producir durante el trazado manual debido al empleo de elementos auxiliares, textos o cotas que han debido ser borrados posteriormente, etc. Los problemas de esta índole no son fáciles de detectar, ni siquiera ampliando la zona de trabajo. En el caso de cruces y/o bifurcaciones la detección puede ser relativamente sencilla, ampliando el dibujo hasta que el defecto sea visible. Probablemente una función de chequeo a nivel de toda la información asociada al plano o que recorra automáticamente el perfil en busca de elementos mal cerrados, puede ser muy conveniente es estos casos. Si el perfil de la pieza a cortar no está correctamente cerrado, esto es, si el punto final de una entidad no coincide exactamente con el inicial de la siguiente, la trayectoria simplemente no puede ser generada por falta de continuidad. Si la distancia de separación de los elementos es grande, del orden del kerf o compensación de la herramienta (separación que depende del tipo de torcha, presión del gas que se suministra, etc.), es posible que la geometría tenga realmente un final en dicho extremo. En el caso de que la distancia de separación sea igual o un poco más pequeña que la sangría, la pieza cortada no se corresponderá con la que realmente se ha dibujado, y cuando esa distancia de separación es mucho más pequeña (menor de 1 mm) lo más probable es que se trate de un error no detectado por el usuario. En todos estos casos, será imposible generar la trayectoria completa deseada. El último de los casos mencionado anteriormente es un problema frecuente cuando se trabaja con dibujos generados con otros sistemas de CAD. Aquí la pérdida de precisión en los decimales asociados a los puntos de la geometría que se tiene al utilizar formatos normalizados (DXF o IGES) puede provocar problemas de contornos abiertos muy difíciles de detectar (incluso con ampliaciones sucesivas) a simple vista, incluso del orden de mm, y en consecuencia la imposibilidad de generar correctamente las trayectorias de corte. 4.2 Geometrías especiales de partida: superficies desarrollables para caldería. En los sectores de construcción metálica y sobre todo de calderería, aparece un tipo diferente de problemas debida al uso común de un tipo especial de piezas. Se trata despiezas formadas, total o parcialmente por superficies desarrollables de material que además presentan intersecciones entre sí. El desarrollo plano de éstas superficies se han venido realizando tradicionalmente de forma manual, bien por métodos gráficos de triangulación, utilizando plantillas flexibles, etc. Los errores de

20 precisión añadidos por la diferencia de espesor del trazado manual se suman a los debidos al redondeo de decimales, etc. y a la hora de su lectura por medio del copiador óptico de la máquina de corte, se traducen en una dificultad añadida para conseguir las tolerancias dimensionales requeridas, aún cuando éstas sean amplias (del orden de ± 1 ó 2 mm).para la clasificación de los desarrollos usualmente empleados en calderería, suelen considerarse una serie de elementos, agrupados por su forma: Cilindros Conos Codos Pantalones Tolvas Transformadores De igual forma debe resolverse el desarrollo de todo de intersecciones, cilindro-cilindro, cilindro-cono, cilindro-codo, cono-codo, etc. Los parámetros de definición de cada uno de los elementos varía, incluso dentro delmismo grupo de clasificación. Entre estos parámetros de definición se encuentra elnúmero de divisiones deseadas por el usuario para obtener el desarrollo de las zonas noplanas. En base a este número de divisiones, obtendremos en el desarrollo una mayor omenor precisión en las líneas del contorno que definirán la pieza. Un elevado número de divisiones puede provocar un programa CNC excesivamente largo (cada división generará una línea) y, dependiendo del proceso y del material, esta precisión puede no ser factible (debido a una sangría demasiado grande, etc.).asimismo, en el dibujo del desarrollo se deben incluir las posibles líneas de soldadura, con el fin de posibilitar la división de la pieza en dos o más partes cuando el tamaño del desarrollo completo exceda al de la material base. Las líneas de soldadura se han hecho coincidir, bien con las generatrices de menor longitud de cada desarrollo, o con líneas perpendiculares al borde de la pieza. De esta forma, se consigue que los cordones de soldadura sean lo más reducidos posibles, permitiendo un ahorro en el tiempo, o facilitando su montaje posterior. En el caso de elementos simétricos, se debe contemplar la posibilidad de obtener sólo una de las partes de su desarrollo. El desarrollo completo se puede construir utilizando las herramientas del programa base CAD/CAM.

21 4.3 Problemática en la generación de trayectorias. Los requerimientos expuestos por las empresas a la hora de proceder a generar la trayectoria sobre una pieza (dibujo) se pueden agrupar en varios apartados según el proceso de corte considerado, según el espesor de la material implicada, según el tipo de CNC (postprocesador) y su capacidad de memoria, etc. El estudio de la problemática en función del espesor de la material como parámetro más significativo, fue la elegida para estructurar el presente apartado, dada su mayor relevancia frente al resto de factores Problemática en pequeños espesores. El corte de material de pequeño espesor, menor de 3 mm, suele requerir mejores acabados. Implícitamente, estos pequeños espesores llevan asociado una zona afectada térmicamente también menor, y si el sistema utilizado es el corte por agua o por láser nos podemos situar en el orden del milímetro o las décimas de milímetro con facilidad y común buen control de los parámetros de corte. En el oxicorte o en el plasma podemos llegar a ZAT de 2 o 3 milímetros. Pero incluso así, puede haber piezas de material que requieran mejores acabados, no sólo en cuanto a la zona térmica sino también en cuanto a la rugosidad de la superficie de los bordes. Un buen acabado de las piezas (dado un material y espesor), que no exija posteriores operaciones de desbarbado, debe ser controlado por los parámetros tecnológicos propios del proceso (presión de O2, velocidades, etc.), pero no se debe olvidar que la forma de realizar las trayectorias de corte va a seguir jugando un papel muy importante. Sobre todo en dos zonas de la pieza: En las esquinas angulosas (con ángulo exterior >= 90º), donde la herramienta o soplete pase por velocidad nula En las zonas o puntos de Entrada/Salida (E/S) del corte del perfil de la pieza. En las esquinas pronunciadas se debe disminuir la potencia, bien programándola en el postprocesado (láser) o controlando manualmente la presión del gas (oxicorte o plasma), para que la zona cercana a la esquina no resulte "dañada" o fundida. Sin embargo a menudo esta reducción de energía no es suficiente y requiere una importante experiencia del programador o del

22 operador en los aspectos tecnológicos del proceso, por lo que se recurre a una solución consistente en generar "bucles de seguridad". Estos bucles sutilizan tanto en material delgada como de medio espesor (entre 3 y 4.76 mm), con la finalidad de mejorar el acabado en éstas zonas e incluso para poder conseguir el perfil real de la pieza. Los bucles se obtienen modificando la trayectoria previamente generada (arco), de forma que se sustituye ésta por un lazo (triangular o circular) que sale y entra en forma tangencial con respecto al perfil (figura 11). Se evita de esta forma que la velocidad de desplazamiento del soplete se haga nula (o disminuya) en las zonas cercanas a las esquinas pronunciadas del perfil real, trasladando los cambios de velocidad y dirección a zonas alejadas del perfil. Respecto a las zonas donde se produce la E/S del corte, la forma en que ésta se realice, determinará el acabado. Así por ejemplo, la entrada perpendicular y salida perpendicular al perfil, suelen originar un "pico" o muesca indeseable sobre la pieza y, dependiendo del proceso, esta muesca puede llegar a tener un tamaño inaceptable. Cuando se programa una E/S con un cierto ángulo, se disminuye la muesca, y se puede llegar a eliminar por completo si se adopta una E/S tangencial al perfil o se provoca un solapamiento (pequeña zona por la que se pasa dos veces). Siempre que el perfil disponga de una esquina formada por tramos rectos se puede iniciar el corte en esa esquina de forma que no exista ninguna muesca en el resto del perfil. Todos estos aspectos se pueden observar en la figura 12.

23 FIg. 12 La generación de las trayectorias de corte debe posibilitar la creación de "puentes" entre piezas con la finalidad de que los perfiles así cortados no se desprendan prematuramente de la material base e incluso que permanezcan unidos una vez cortada toda la material. Una solución de este tipo suele ser muy recomendable en el corte por láser de pequeños espesores, evitando que la herramienta pueda colisionar con alguna pieza "ladeada" sobre la material. En la figura 13 pueden observarse los dos tipos de puentes más utilizados: puentes exteriores, generados entre piezas para mantenerlas unidas entre sí; y puentes interiores, dejando pequeñas zonas del contorno sin cortar. Los puentes interiores disminuyen además la pérdida de rigidez que producen los sucesivos cortes cuando la material es muy delgada (< 2 mm).

24 Un último aspecto que debe ser tenido en cuenta, causado por la fragilidad de la chapa que se acentúa a medida que transcurre el corte, atañe también a chapas de medio espesor (hasta 5 o 6 mm). Las trayectorias deben tener el sentido de recorrido de la pieza de tal forma que la parte donde queda el borde inservible de la chapa, zona más débil, se corte en último lugar. Este efecto (figura 14), puede provocar alabeos y deformaciones en las piezas finales. Se ha considerado dentro del apartado siguiente puesto que también se produce en chapas de medio espesor y además se prefiere el agrupamiento de las figurasen función de la problemática. En este caso la solución vendrá dada por la posibilidad del cambio del sentido de recorrido Problemática en medios y grandes espesores Cuando se trabaja con chapa en medios y grandes espesores (> 4.76 mm), el costo del material se incrementa sustancialmente. Esto obliga a ser todavía más cuidadoso debido al riesgo que supone cualquier desperdicio de material. Como se desprende de los aspectos tecnológicos vistos hasta el momento, sólo el oxicorte y el plasma (aunque también recientemente el corte por agua) permiten el corte de grandes espesores. Los problemas de pérdida de rigidez o movimiento de las piezas sobre la chapa base ya no tienen sentido en este caso, pero siguen siendo válidas las necesidades de programación de diferentes tipos de E/S al corte de las piezas, sobre todo para eliminar la salida (apagando el soplete justo al terminar el perfil) impidiendo daños por reflujo de gases. También debe contemplarse la posibilidad de realizar salidas programadas fuera del perfil que vayan hasta el borde exterior de la chapa. Esta trayectoria tiene la finalidad de facilitar (incluso permitir en algunos casos) la extracción de la pieza una vez cortada. En este caso, el problema se presenta cuando se corta chapa muy gruesa (espesores del orden de 200 mm o más), puesto que el perfil transversal de corte en este rango de espesores resulta ser cónico y en

25 consecuencia impide la posterior extracción de la pieza. En la figura 15 pueden observarse como deberían programarse 3 salidas diferentes para facilitar la extracción de la pieza. Otro aspecto que se presenta durante el corte de chapas de grandes espesores, en este caso por encima de los 60 mm, es la necesidad de elevada presión del gas en el soplete. Esta alta presión, necesaria para el corte, produce una elevada cantidad de chispas con desprendimientos fundidos del material en la zona donde el chorro incide sobre la chapa que queda por cortar. Si este chorro de chispas se dirige contra el operario, impedirá su visibilidad y no podrá realizar una inspección "in situ", lo que a veces resulta muy necesario (por ejemplo, cuando se realiza un control manual de la velocidad de avance en las entradas o en perfiles complicados).razones adicionales para controlar el sentido de recorrido residen en que la parte sobrante debe quedar, durante el mayor recorrido posible, del lado donde hay más material. Si fuera preciso se cambiará el punto de entrada, en concordancia con dicho sentido (figura 16). Esto, junto con la elección de dicho sentido de acuerdo con la calidad del corte, de forma que la superficie de corte más perpendicular quede del lado donde está la pieza, (figura 13), evitará innecesarias distorsiones debidas al calentamiento, a falta de rigidez (en chapa de medio espesor, de 3 a 5 mm), etc., que producirán unas dimensiones inadecuadas. Por tanto, el programa de generación de trayectorias de corte deberá permitir el cambio del sentido de recorrido del perfil de la pieza cuando sea necesario (figura 14 y 16).

26 También en grandes espesores, es necesario efectuar no solo un precalentamiento del material base sino también unas perforaciones previas con soplete en los puntos previstos de la entrada de corte (trayectorias intermedias entre desplazamientos en vacio y en corte), permitiendo la posterior entrada al perfil del chorro de corte en condiciones optimas. La generación de las trayectorias de corte deberá contemplar por tanto, la posibilidad no solo de programar a esas perforaciones previas (zonas de entrada), sino la de evitar zonas próximas a dichas perforaciones, que son zonas muy difíciles de cortar por haberse endurecido por temple. (Figura 17 y 18)

27 La necesidad de aprovechamiento de material se hace más patente en espesores medios y grandes. Podemos encontrar un buen ejemplo de ello en la posibilidad de generar piezas adosadas o con un lado común. Por ello, bien sobre un mismo programa de CNC o bien sobre todas las piezas que forman parte de una chapa base, se generan algunas trayectorias con una compensación de herramienta determinada (por ejemplo, izquierda) y otras trayectorias con otra compensación (por ejemplo, derecha o con compensación nula).esta particularidad de cambio de compensación de herramienta dentro del mismo programa CNC, no suele aparecer en los programas CAD/CAM de tipo comercial empleados en el corte de chapa. En cambio, su inclusión permitiría por ejemplo, cortar piezas adosadas (con un lado común), con el consiguiente ahorro de material, tiempo y costo asociado al corte (figura 19).

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29 Cuando se procede a preparar la chapa para el montaje y posterior soldadura, se disponen cabezales de corte con sopletes girados, pudiendo también montarse dispositivos con sopletes dobles o triples. La programación del orden de encendido (I, II y III en la figura 20) y la zona donde comienza y termina el chaflán, ya sea chaflán simple (unión en V), doble (unión en X o en Y), o triple (unión en K), debe tenerse en cuenta a la hora de la generación de trayectorias, de forma que el postprocesado pueda reconocer las líneas sobre las que debe aplicar el/los chaflanes. Esto permite dejar la pieza preparada para cualquier tipo de soldadura, tanto en perfiles curvos como rectos (figura 21) Problemática en la programación. Controles numéricos y postprocesadores Aparte de los problemas ya mencionados, existe otra problemática asociada al material que es prácticamente independiente al espesor. Estos problemas son debidos al propio proceso y afectan a la forma de programación, al posicionamiento del material, a las particularidades del CNC y del postprocesador, etc. A este respecto cabe citar que los bordes del material no suelen formar parte de las piezas, debido a su oxidación y al mal acabado que presentan. En algunos casos como en el oxicorte, esta exigencia se acentúa aun más debido al reflujo de gases, sobre la

30 parte inferior del material, al entrar a cortar el material. En chapa de poco espesor, se puede entrar a cortar el material desde el exterior, pero la zona adyacente, de unos 5 o 10 mm de margen, no puede pertenecer a la pieza (distancias X min e Y min en la figura 22). Se prefiere incluso entrar a cortar desde el interior de la chapa, dando por perdida esa pequeña zona de margen. El posicionamiento de la chapa base con respecto a la mesa (punto de imbricación), el origen de coordenadas (0,0) y del programa (situación inicial del soplete) deben ser controlados perfectamente por el sistema. El operario debe tener conocimiento de todos estos aspectos y si es posible, trabajar conjuntamente con el programador a la hora de prefijarlos. En este mismo sentido, las funciones iniciales del programa que se encarguen de estas tareas, deben posibilitar una total movilidad de la chapa, por medio del punto de imbricación (vértice inferior-izquierdo de la chapa), al cual se referirá el origen de coordenadas (0,0 del programa CAD/CAM) y el origen de programa (0,0 del CNC).

31 5. CARACTERÍSTICAS QUE DEFINEN LA PELIGROSIDAD DEL OXÍGENO EN EL RIESGO DE INCENDIO Y EXPLOSIÓN. El oxígeno es un gas incoloro, inodoro e insípido, por lo que la presencia de una atmósfera sobreoxigenada no es detectable por los sentidos, además de no producir efectos fisiológicos que puedan delatar su presencia, a la presión atmosférica. El oxígeno es más pesado que. El aire, lo que le hace susceptible de acumularse en sótanos, fosos, salas bajo nivel, etc., en el caso de producirse vertidos o escapes. El oxígeno, como gas comburente, mantiene y aviva la combustión de muchos materiales cuando su concentración en el aire es del 21 %. Ahora bien, a medida que dicha concentración va aumentando, los materiales arden más intensamente, de forma que por encima del 25%, la situación se vuelve peligrosa, pudiendo alcanzar la reacción de combustión carácter explosivo. A medida que aumenta la concentración de oxígeno, se necesita menor temperatura para iniciar la combustión, y la temperatura alcanzada por la llama es mayor, aumentando así el poder destructivo. En presencia de una atmósfera sobreoxigenada pueden arder, incluso enérgicamente si la concentración de oxígeno es la adecuada, materiales que no arden en una atmósfera normal e incluso materiales clasificados como ignífugos. Cuando el oxígeno se encuentra a presión, el riesgo se acrecienta, ya que la misma juega un papel importante al reducir la temperatura necesaria para la auto inflamación o auto ignición y aumentarla velocidad de la reacción de combustión. El aceite, las grasas y en general los materiales orgánicos, son materias a considerar con especial atención en atmósferas sobreoxigenadas, debido a su tendencia a arder con carácter explosivo, aún con un ligero golpe. Mantener siempre las válvulas y llaves limpias de aceite y grasas. La vaporización de un litro de oxígeno-líquido, produce 854 litros de oxígeno-gas, a una temperatura de 15º C y 1 bar de presión. El oxígeno puede impregnar las ropas de los trabajadores sin que exista señal física de ello. Ante la presencia de óxido de hierro, el oxígeno líquido vuelve espontáneamente explosivos materiales como el carbón de madera. Otros materiales que pueden explotar son la madera, el papel, el cartón ondulado, los tejidos y las materias plásticas porosas.

32 Entre los cuerpos extraños que aumentan la sensibilidad de explosión con oxígeno líquido hay que tener en cuenta los fragmentos de sílice. Como riesgo asociado, el oxígeno en estado líquido, que se mantiene a -183º C puede, en el caso de escape, producir quemaduras criogénicas y fragilizar materiales como el acero y el hormigón. 6. SITUACIONES EN LAS QUE SE PUEDE PRESENTAR RIESGO DE INCENDIO Y EXPLOSIÓN POR ATMÓSFERAS SOBREOXIGENADAS Se indica a continuación una serie de situaciones en las que puede aparecer dicho riesgo: Fugas en conducciones de oxígeno. Situación que puede ser extremadamente peligrosa, si ocurren en lugares mal ventilados, cerrados o semi cerrados, fosos, zanjas, etc. Es corriente utilizar cantidades de oxígeno superiores a la necesaria, con lo que el excedente puede enriquecer la atmósfera del lugar a niveles peligrosos. Procesos de soldadura y corte oxiacetilénico; la purga de conductos flexibles, el retardo en el encendido de los sopletes, empleo de boquillas inadecuadas, fugas en grifos, etc., hacen posible el enriquecimiento local en oxígeno, lo que tiene particular importancia si se trata de locales cerrados o semicerrados con mala ventilación. Así mismo, los conductos flexibles usados en soldadura oxiacetilénica, al estar por el suelo, pueden sufrir, cortes y abrasiones que pueden dar lugar a escapes, así como caer sobre ellas chispas que produzcan quemaduras y las deterioren. Vertidos de oxígeno líquido: Un vertido, al evaporarse, forma una nube densa de aire enriquecido en oxígeno que puede impregnar los vestidos de las personas que se encuentren en la proximidad, y ante cualquier foco de ignición, arde instantáneamente. Por otra parte, si el suelo donde se ha producido el vertido, está constituido por material orgánico, como madera, asfalto, etc., la impregnación de los mismos con oxígeno, puede ocasionar una explosión por un simple golpe. Particular importancia se debe de dar a aquellos materiales que son capaces de absorber oxígeno, como gel de sílice, tamices moleculares, etc., y que se encuentren a baja