Procesos de Corte de Metales Por Cierre y Plasma

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PROCESOS INDUSTRIALES II | 2015

Integrantes:

CAYETANO RAMOS, Esther PaolaCHUCUYA AUCAFURO, Juan JoelOLORTEGUI QUINTANA, LauraROSALES PONTE, Eder Martín

2015FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y MECÁNICA

PROCESOS INDUSTRIALES II

PROCESOS DE CORTE DE METALES POR CIERRE Y

PLASMA

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PROCESOS DE CORTE DE METALES POR CIERRE Y PLASMA

CORTE CON ARCO DE PLASMA (PAC)

El corte por Arco de Plasma (PAC) corta metales al fundir una zona localizada del material con un arco eléctrico 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 eléctricamente conductor si su espesor y forma permiten la penetración completa del chorro de plasma. Como el proceso PAC se puede usar para cortar materiales no ferrosos y es más rápido que el corte de combustible oxigenado con materiales ferrosos de menos de tres pulgadas de espesor, es la alternativa más económica para muchas aplicaciones industriales.

El equipo de PAC está disponible para cortar un amplio rango de espesores de materiales, y el plasma a precisión puede generar cortes de calidad láser en algunas aplicaciones con costos de equipo y operativos significativamente más bajos.

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 plasmaComparando 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.

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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 sencilla. El corte por plasma puede resultar más económico ya que podemos utilizar gases

más baratos.

Particularidades y aplicacionesLa 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.

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Fuente de energía

Las principales características son:

1. Transformador-rectificador trifásico.

2. Elevada tensión de vacío (100-400v).

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

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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 + hidrógenoArgón + 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 continúa y expulsarlo hacia la pieza y está formado por:

Boquilla metálica y cilíndrica. Electrodo de Wolframio, Circonio o Hafnio en función del gas a utilizar:

TungstenoArgón Argón + hidrógeno Nitrógeno Nitrógeno + hidrógeno Argón + hidrógeno

Hafnio, zirconio más sus óxidos y nitruros:Aire Oxígeno

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.

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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.

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 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 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”.

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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:

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.

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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.

3) Según el tipo de Portaelectrodos utilizado.

a) 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.

b) 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 (C02) Acero suave Aire u Oxígeno.

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c) 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.

d) 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.

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Chapa sobre el nivel del agua

Chapa en contacto con el agua y boquilla con cortina de agua

Chapa con boquilla sumergida en agua (6 a 10 cm por debajo del agua)

Ventajas

Tiene un espectro de aplicación sobre materiales más amplio. Su costo operativo es sensiblemente inferior Facilidad de su operación hace posible trabajar en corte manual. Corta metales con espesores pequeños, con oxicorte no sería 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.

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Brinda mayor productividad toda vez que la velocidad de corte es mayor (hasta 6 veces mayor vs. Oxicorte). Mayor precisión y limpieza en la zona de corte.

OXI-CORTE (OFC)

El corte con Oxigeno combustible es un método rentable de preparación de bordes de placa para la soldadura en bisel y ranurada. Se puede usar para cortar fácilmente placas oxidadas y escamadas y requiere un conocimiento moderado para generar resultados exitosos. El proceso de corte de gas de Oxigeno combustible crea una reacción química del Oxígeno con el metal base a temperaturas elevadas para cortar el metal. La temperatura necesaria es mantenida por una llama de la combustión de un gas combustible seleccionado mezclado con Oxígeno puro.

El proceso se basa en la rápida formación de óxido de hierro que se produce cuando se introduce una corriente de Oxígeno puro a alta presión en la envoltura de corte. El hierro se oxida rápidamente por el Oxígeno de Alta Pureza y esta reacción libera calor. La corriente de Oxígeno y el gas quemado transportan el óxido fundido y el metal en sus trayectorias de quemado, y producen un corte angosto conocido como ranura. La formación continua de óxido de hierro requiere el suministro de grandes cantidades de Oxígeno en la zona de corte a una presión preestablecida controlada. El intenso calor producido por esta reacción permite el proceso de corte y la producción del corte.

Las aplicaciones comunes de corte de Oxígeno combustible se limitan a Carbón y Acero de baja aleación. Estos materiales pueden cortarse económicamente y la configuración es rápida y simple. Para el corte de Oxígeno combustible manual no hay ningún requisito de energía eléctrica y los costos de los equipos son bajos. Con el Oxígeno combustible manual comúnmente 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 más de espesor se cortan exitosamente utilizando corte mecanizado.

CORTE POR HAZ LÁSER (LBC)

El corte por haz láser (LBC) es un proceso de corte térmico que utiliza fundición o vaporización altamente localizada para cortar el metal con el calor de un haz de luz coherente, generalmente con la asistencia de un gas de alta presión. Se utiliza un gas de asistencia para eliminar los materiales fundidos y volatilizados de la trayectoria del rayo láser. Con el proceso de rayo láser pueden cortarse materiales metálicos y no metálicos. El haz de salida con frecuencia se pulsa a potencias máximas muy altas en el proceso de corte, aumentando la velocidad de propagación de la operación de corte.

Los dos tipos más comunes de láser industrial son Dióxido de Carbono (CO2) y granate de Aluminio de itrio dopado con neodimio (Nd: YAG). Un láser CO2 utiliza un medio gaseoso

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para producir la acción láser mientras que el Nd: YAG utiliza un material cristalino. El láser CO2 está disponible comercialmente en potencias de hasta 6kW y los sistemas Nd: YAG están disponibles en hasta 6kW.

Si se realiza con equipo mecanizado, los cortes láser brindan resultados altamente reproducibles con anchuras de ranuras angostas, mínimas zonas afectadas por el calor y prácticamente ninguna distorsión. El proceso es flexible, fácil de automatizar y ofrece altas velocidades de corte con excelente calidad. Los costos del equipo son altos pero están bajando a medida que la tecnología de resonadores es menos costosa.

Procesos de Corte de Metales Por Cierre y Plasma

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