CORTE POR ARCO-PLASMA

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1 CORTE POR ARCO-PLASMA CONTENIDOS PÁGINA Definición... 2 Instalación... 2 Proceso... 4 Tipos... 5 Seguridad en el corte... 6 Defectología en el corte... 7 I.E.S. JUAN ANTONIO SUANZES AVILÉS Prof: Asunción Argüelles-Ignacio Escudero Departamento: FABRICACIÓN MECÁNICA 1

2 CORTE POR PLASMA Definición.- Proceso de corte por fusión que utiliza gas y electricidad. Funcionamiento.- El arco se forma entre el electrodo y la pieza a cortar a través de un gas ionizado (plasma). Para que se cierre el circuito eléctrico es necesario que el material a cortar sea conductor, como lo son los metales. Por eso, el plasma:, Corta la mayoría de los metales. Ventajas del corte por plasma Comparando el corte por plasma con los métodos de corte más 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 obtención 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 utilización del corte por plasma es más sencillo. El corte por plasma puede resultar más económico ya que podemos utilizar gases más baratos. Particularidades y aplicaciones.- La alta velocidad, va unida a también una elevada calidad del corte no solo desde el punto de vista de la forma de los bordes, sino desde el punto de vista metalúrgico debido a que la zona afectada térmicamente (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 magnéticos fundamentalmente debido a las grandes velocidades de salida del chorro. El campo de aplicación 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-níquel Aceros inoxidables Aluminio y aleaciones Latón 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 energía Distribuidor de gas Generador de alta frecuencia Portaelectrodos y canalizaciones Esquemáticamente podemos ver los elementos de los que consta un equipo de corte por Arco Plasma. Fuente de energía: Las principales características son: 1. Tipo: transformador-rectificador trifásico. 2. Elevada tensión de vacío ( v). I.E.S. JUAN ANTONIO SUANZES AVILÉS Prof: Asunción Argüelles-Ignacio Escudero Departamento: FABRICACIÓN MECÁNICA 2

3 3. Alta potencia (~ 300 w). 4. Característica 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 presión permitiendo mezclas de gases de distinta naturaleza y proporción. Gases.- Los gases utilizados normalmente son: Argón 1. Facilita el cebado 2. Arco de pequeña potencia 3. Caro 4. Eficaz Hidrógeno 1. Arco potente 2. Cortes limpios y brillantes 3. Muy ligero 4. Forma parte de algunas mezclas Nitrógeno 1. Barato 2. Difícil cebado Aire 1. Puede dar buenos resultados 2. Deteriora más rápidamente electrodos y boquillas El aire se suministra con un compresor que proporcione la presión indicada por cada fabricante y en cada situación. Algunos de los gases anteriores suelen usarse mezclados Argón + hidrógeno Nitrógeno + hidrógeno Argón + hidrógeno Generador 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 misión el producir el plasma de forma continua y expulsarlo hacia la pieza y está formado por: 5. Boquilla metálica y cilíndrica. 6. Electrodo de Wolframio, Circonio o Hafnio en función del gas a utilizar: Tungsteno Argón Argón + hidrógeno Nitrógeno Nitrógeno + hidrógeno Argón + hidrógeno Hafnio, zirconio más sus óxidos y nitruros: Aire Oxígeno I.E.S. JUAN ANTONIO SUANZES AVILÉS Prof: Asunción Argüelles-Ignacio Escudero Departamento: FABRICACIÓN MECÁNICA 3

4 El afilado, si hay que realizarlo, también se efectuará en función de lo mismo. Definición de plasma.- Podemos considerar que el plasma es en realidad un gas que se encuentra en un estado en que es conductor eléctricamente. Este plasma existe, por definición, en toda operación de soldadura por arco ya que es indispensable para mantener este último. Proceso de formación del arco plasma.- Consta de las siguientes fases: 1. Ionización del gas: En el comienzo del proceso, el gas, que proviene de la botella correspondiente, sufre una ionización inicial, causada por el campo eléctrico 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 continúa con la ionización del gas una vez extinguido, automáticamente, el arco piloto. 2. Constreñimiento y recombinación 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 energía cinética producida en el estrangulamiento y la energía térmica, producida en la recombinación de los átomos del gas, funden y expulsan fuera de la sangría el material. La figura, ilustra las fases anteriormente descritas 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 eléctrica). 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 condi cione s, 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 iniciará entre ambos el arco principal y se mantendrá 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 eléctrica. Nada más iniciarse el arco principal, debe interrumpirse el arco piloto para evitar el fenómeno conocido como doble arco. I.E.S. JUAN ANTONIO SUANZES AVILÉS Prof: Asunción Argüelles-Ignacio Escudero Departamento: FABRICACIÓN MECÁNICA 4

5 La energía 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: 15 a 20 Amperios 100 a 200 Amperios 15 l/min 30 a 60 l/min Tipos de corte por plasma En la actualidad existen varios tipos de corte por plasma, que a continuación pasamos a clasificar según sea el gas de corte utilizado, el tipo de porta-electrodos o el corte sobre mesa. Según el tipo de gas 1) Corte por fusión. En este caso necesitaremos la energía suficiente para llevar a cabo la fusión del material. Dicha energía la podremos obtener del arco eléctrico empleado para el cebado. Los gases que se suelen emplear son los siguientes: Nitrógeno. Argón. Argón + Nitrógeno. Nitrógeno + Hidrógeno. Según el tipo de gas empleado como fluido plasmógeno, utilizaremos un electrodo determinado, siendo el más aconsejado en este caso el de Tungsteno. 2) Corte por oxidación parcial. Este método de corte se fundamenta en la reacción exotérmica del acero cuando está en presencia del oxígeno y a una elevada temperatura. Por ello podemos deducir que este tipo de corte tendrá una mayor eficacia en aceros dulces. Los fluidos plasmágenos más utilizados en este caso son los siguientes: Aire. Oxígeno. Los electrodos de Hafnio y Zirconio son los más empleados, dado que sufren menos desgastes al reaccionar con el oxígeno; sin embargo, la utilización del oxígeno como gas plasmágeno provoca un consumo excesivo tanto del electrodo como de la boquilla. Según el tipo de portaelectrodos utilizado. 1. Corte convencional. Este sistema de corte se caracteriza porque utiliza un solo gas como fluido plasmógeno; la finalidad de este gas es aislar, tanto eléctrica como térmicamente, la boquilla del arco eléctrico. 2. Corte con gas secundario. Es básicamente similar al corte convencional, con la única salvedad que añade un gas secundario que rodea el arco plasmático. En la mayoría de los casos usaremos Nitrógeno como fluido plasmógeno, estando la elección del gas secundario en función del material a cortar: Aluminio... Mezcla de Argón e Hidrógeno. Acero inoxidable...dióxido de carbono (C0 2) - I.E.S. JUAN ANTONIO SUANZES AVILÉS Prof: Asunción Argüelles-Ignacio Escudero Departamento: FABRICACIÓN MECÁNICA 5

6 Acero suave... Aire u Oxígeno. 3. Corte con inyección de agua. Se caracteriza por la inyección de un chorro de agua tangencial o radial al flujo de plasma, mediante un soporte cerámico acoplado en la boquilla, siendo el gas plasmático más utilizado el Nitrógeno. Con ello se pretende tener un chorro plasmático más compacto, así como; ionizar parcialmente el hidrógeno y el oxígeno del agua, que al combinarse con el material a cortar en la sangría provoca un aumento de la temperatura que facilitará el corte, proporcionando una velocidad de corte mayor. 4. Corte con inyección de oxígeno. Consiste en inyectar al chorro de gas plasmático un flujo de oxígeno. Este método de corte es usado únicamente en aceros dulces, por carecer de rentabilidad en otros materiales. El corte con inyección de oxígeno tiene como gran inconveniente el constante deterioro que sufren las piezas de consumo tales como el electrodo o la boquilla. Según el método de corte en mesa de agua. Este método viene caracterizado por la utilización 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 distorsión por efecto del calor del plasma. Menor producción de humos. Mayor atenuación 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 éste no puede ser controlado visualmente debido a la refracción que produce el agua. 1. Chapa sobre el nivel del agua 2. Chapa en contacto con el agua y boquilla con cortina de agua I.E.S. JUAN ANTONIO SUANZES AVILÉS Prof: Asunción Argüelles-Ignacio Escudero Departamento: FABRICACIÓN MECÁNICA 6

7 3. Chapa con boquilla sumergida en agua (6 a 10 cm por debajo del agua) En el caso de corte en piezas totalmente sumergidas deberemos automatizar el corte, ya que éste no puede ser controlado visualmente debido a la refracción que produce el agua. Seguridad a tener en cuenta en el corte por plasma De las siguientes especificaciones a tener en cuenta para la seguridad de los operarios tendremos que reseñar que muchos de estos problemas son característicos de la mayoría de los métodos de soldadura Los efectos principales que es necesario considerar para la prevención de accidentes son: Producción de gas inflamable como el oxihidrógeno. Producción de gases tóxicos. Radiaciones producidas por el arco de corte. Altos voltajes Humos Ruidos Producción de gas inflamable, como el oxihidrógeno. El hidrógeno al combinarse con el aire en la proporción adecuada se hace fácilmente inflamable en presencia de una chispa y por esta razón en el caso de usar hidrógeno como gas plasmágeno haremos hincapié en las siguientes medidas de seguridad: Aislaremos en la medida de lo posible el hidrógeno de la caja de controles. Con ello preveeremos cualquier ignición en caso de fuga por la acción de una chispa eléctrica. En el caso de no ser posible dicho aislamiento se recomienda ventilar adecuadamente la caja de controles eléctricos. Producción de gases tóxicos. Radiaciones producidas por el arco eléctrico. El arco eléctrico desprende radiaciones cuya intensidad estarán en función de la energía eléctrica y del tipo de gas utilizado como plasma. I.E.S. JUAN ANTONIO SUANZES AVILÉS Prof: Asunción Argüelles-Ignacio Escudero Departamento: FABRICACIÓN MECÁNICA 7

8 Las radiaciones del arco se podrán disminuir dependiendo del procedimiento de corte por plasma que se emplee, atenuándose en mayor medida en el corte por Plasma en mesa de agua, donde la pieza a cortar está total o parcialmente sumergida Altos voltajes. Según hemos visto con anterioridad, la boquilla del equipo está a un potencial elevado, ya que el arco eléctrico se produce entre la boquilla y el electrodo, por tanto y atendiendo a la seguridad del operario, la boquilla está provista de un aislamiento eléctrico para evitar descargas en el caso de ser tocada por accidente. En el tiempo de cebado, la boquilla tiene un voltaje ligeramente inferior al voltaje de vacío del equipo, entre los 100 v. y los 400 v. Humos. En el corte por plasma se producen gran cantidad de humos, que se desprenden tanto del metal cortado como de la combustión del fluido plasmático; para evitarlos, en gran medida se pueden emplear los siguientes procedimientos: Corte a bajo amperaje, por debajo de los 100 Amp. Sustitución M gas secundario por agua. Corte con cortina de agua. Corte en mesa de agua. Ventilación forzada en la parte inferior de la mesa de corte. Buena ventilación del local. Ruidos. En el corte por plasma es normal el elevado grado de ruidos. Ello es debido básicamente a dos factores: A la velocidad que lleva el fluido plasmógeno en su salida por la boquilla. Al diseño de la pistola de corte por plasma. Defectología Porosidad en las soldaduras de juntas cortadas con plasma Cuando se utiliza aire como gas de corte, aparecen poros en las soldaduras que posteriormente se realicen debido a la gran concentración de nitrógeno en las superficies de corte; dicha concentración es bastante mayor a la de solubilidad en el acero. El riesgo mayor de porosidad se produce cuando se obtiene una penetración incompleta, lo cual da una concentración elevada de porosidad en la raíz del cordón. A continuación mencionaremos los diferentes procedimientos para disminuir la porosidad: Esmerilar la superficie cortada antes de soldar. Reemplazar, cuando se trate de aire, por el oxígeno. Conseguir que la penetración sea completa Someter las uniones a un tratamiento térmico de fusión. Conseguir una aleación del metal de aportación con titanio ó aluminio. Defectos generales A continuación detallaremos los defectos más comunes: Localización Defecto Ac. Carbono Ac. Inoxidable Aluminio I.E.S. JUAN ANTONIO SUANZES AVILÉS Prof: Asunción Argüelles-Ignacio Escudero Departamento: FABRICACIÓN MECÁNICA 8

9 Perpendicularidad Borde inferior Borde superior Ciclo formativo: CONSTRUCCIONES METÁLICAS Redondeado Con gotas y escorias Rugosidad superficial Velocidad Rara vez V Excesiva conc. De hidrógeno Concentración de hidrógeno errónea Raras veces V incorrecta Poco hidrógeno Chaflán V y distancia boquilla V y distancia boquilla V Poco hidrógeno Mordedura Rara vez Rara vez Rara vez Redondeado V Rara vez Rara vez Con gotas y escorias V Dist. Excesiva Exceso de H V lenta H alto V Con rugosidad superficial Distancia corta H excesivo H insuficiente Chaflán Rara vez Rara vez H excesivo Divergencia superior e inferior Rara vez Intensidad alta H excesivo V baja Intensidad alta H excesivo Convergencia superior e inferior V V Intensidad baja Rara vez Para situar correctamente los defectos en las piezas cortadas haremos las siguientes apreciaciones: Entenderemos por borde, tanto superior como inferior, a la intersección de la superficie de corte con la cara superior e inferior de la pieza a cortar respectivamente. En los bordes superior e inferior nos podremos encontrar con escorias ó gotas y bordes redondeados. Tanto en su parte superior como en la parte inferior podremos localizar defectos de chaflán, rugosidad superficial y perpendicularidad. I.E.S. JUAN ANTONIO SUANZES AVILÉS Prof: Asunción Argüelles-Ignacio Escudero Departamento: FABRICACIÓN MECÁNICA 9