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1. INTRODUCCIÓN

El origen del corte por arco de plasma data del 1909 cuando el Alemán Schonherr creó un dispositivo con vértice de gas estabilizado. En esta unidad el gas se soplaba tangencialmente dentro de un tubo a través del cual pasaba el arco, la fuerza centrífuga del gas estabilizaba el arco a lo largo del eje del tubo mediante la creación de un núcleo de baja presión axial. Podían producirse arcos de varios metros de largo.

En el año 1922 encontramos un nuevo intento de construcción de un equipo como tal para el corte por plasma cuando Gerdien y Lots, siguiendo las ideas anteriores, construyeron un dispositivo donde el agua entraba tangencialmente al tubo, el arco pasaba a través de este y el agua lo concentraba aumentando su temperatura, este dispositivo no tubo aplicación en la práctica debido al rápido consumo de electrodos y al vapor de agua generado, pero fue el padre de los equipos actuales. No es hasta los años 50 cuando el método de corte por plasma surge como tal, para el corte de láminas y chapas de acero.

Uno de los descubrimientos que más contribuyó al desarrollo actual del método lo aportó en 1953 Gotc, quien observó la similitud entre un arco eléctrico largo y una llama de gas ordinario. Sus esfuerzos por controlar el calor y la intensidad del arco lo llevaron al desarrollo de una antorcha para el arco por plasma que fue la base de la usada en la actualidad.

Con el desarrollo del método se obtienen velocidades de corte muy elevadas, sobre todo en materiales de poco espesor. Con el desarrollo de la electrónica y la técnica se ha logrado disminuir el costo de inversión de estos equipos lo cual era una de sus principales limitaciones. En la actualidad existen equipos pequeños en el mercado, simples y económicos los cuales convierten el corte por plasma en una alternativa viable al oxicorte. No obstante ser en la actualidad más barata estos equipos, todavía su costo resulta un poco caro para la obtención, por parte de nuestras empresas, de estos productos. Es por eso que surge este trabajo, como parte de un proyecto abarcador que pretende disminuir aún más el costo de inversión de estos equipos para de esta forma ser adquiridos por nuestras empresas.

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2. EL PLASMA

Por lo general, pensamos que la materia se encuentra en tres estados naturales: líquido, sólido y gaseoso. Sin embargo la materia se puede encontrar en un cuarto estado: el plasma.

Este estado de la materia es muy diferente al estado gaseoso, debido a sus condiciones y características.

El estado plasma se presenta cuando un gas se somete a temperaturas muy altas, lo que hace que sus electrones sean liberados del átomo y floten alrededor del gas.

Es el estado más abundante en el universo, ya que todo lo que podemos observar en el espacio exterior está constituido por plasma.

El estado plasma se puede clasificar en artificial o natural. El plasma artificial se puede encontrar en aquellos elementos producidos por el ser humano con diferentes fines; por ejemplo en la elaboración de bombillas y tubos fluorescentes para la iluminación. En el entretenimiento se utiliza en la fabricación de televisores y monitores plasma.

En la industria metalmecánica, el estado plasma se emplea como mecanismo de soldadura para unir piezas metálicas. En la aeronáutica espacial, se puede observar en la materia que expulsan los cohetes en los despegues. La materia en estado plasma también se utiliza en los recubrimientos de naves espaciales que las protegen cuando ingresan a la atmósfera terrestre.

El estado plasma de origen natural se puede encontrar en fenómenos como la aurora boreal y los rayos; también lo encontramos en la ionosfera. El estado plasma está presente en las estrellas, como el Sol, en los vientos solares y en las nebulosas.

3. CORTE POR PLASMA

Este proceso usa un arco eléctrico concentrado el cual funde el material a través de un haz de plasma de muy alta temperatura. Cualquier material conductivo puede ser cortado con este sistema. ESAB CUTTING SYSTEMS ofrece equipos para corte por plasma con potencias desde 20 hasta 1000 amperios para cortar materiales desde 0,5 hasta 160mm. de espesor. Los gases plasmaticos que pueden usarse son aire comprimido, nitrógeno, oxigeno o argón/hidrogeno, para cortar materiales tales como el acero al carbono, aceros de alta aleación, inoxidables, aluminio, cobre, etc.

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La tecnología de uniones de piezas metálicas por arco eléctrico vio sus éxitos en 1930 al construir un barco totalmente soldado en Carolina del Sur en Estados Unidos, años después se introdujo mejoras en el proceso como corriente alterna, y se utilizó protección como fundente granulado.

En los años 40 se introdujo el primer proceso con protección gaseosa empleando un electrodo no consumible de wolframio y heliocomo gas protector, recibió el nombre de TIG (Tungsten Inert Gas).

En 1954, científicos descubren que al aumentar el flujo del gas y reducir la abertura de la boquilla utilizada en la soldadura TIG, se obtiene un chorro de plasma. Este chorro es capaz de cortar metales, lo que dio lugar al proceso de corte por plasma conocido hoy en día.

3.1. Fundamentos físico-químicos

En la naturaleza podemos encontrar materia en forma sólida, líquida o vapor, el plasma es el cuarto estado de la materia.

A muy elevadas temperaturas, los electrones tienen suficiente energía como para escapar de su órbita alrededor del núcleo del átomo, generando iones de carga positiva.

El plasma es el estado en el que se encuentran las estrellas por su elevada temperatura. En la atmósfera terrestre solo podemos conseguir el plasma por medios artificiales.

Al calentar un gas a temperaturas del orden de 50.000 ºC los átomos pierden electrones. Estos electrones libres se colocan en los núcleos que han perdido sus propios electrones, convirtiéndose así en iones. De esta forma el gas se convierte en plasma y por consecuencia tendremos un conductor eléctrico gaseoso con alta densidad de energía.

3.2. Proceso de mecanizado con plasma

El fundamento del corte por plasma se basa en elevar la temperatura del material a cortar de una forma muy localizada y por encima de los 20.000 °C, llevando el gas utilizado hasta el cuarto estado de la materia, el plasma, estado en el que los electrones se disocian del átomo y el gas se ioniza (se vuelve conductor).

El procedimiento consiste en provocar un arco eléctrico estrangulado a través de la sección de la boquilla del soplete, sumamente pequeña, lo que concentra extraordinariamente la energía cinética del gas empleado, ionizándolo, y por polaridad adquiere la propiedad de cortar.

Resumiendo, el corte por plasma se basa en la acción térmica y mecánica de un chorro de gas calentado por un arco eléctrico de corriente continua establecido entre un electrodo ubicado en la antorcha y la pieza a mecanizar. El chorro de plasma lanzado contra la pieza penetra la totalidad del espesor a cortar, fundiendo y expulsando el material.

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La ventaja principal de este sistema radica en su reducido riesgo de deformaciones debido a la compactación calorífica de la zona de corte. También es valorable la economía de los gases aplicables, ya que a priori es viable cualquiera, si bien es cierto que no debe de atacar al electrodo ni a la pieza.

No es recomendable el uso de la cortadora de plasma en piezas pequeñas debido a que la temperatura es tan elevada que la pieza llega a deformarse.

3.3. Características del proceso

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Esta moderna tecnología es usable para el corte de cualquier material metálico conductor, y más especialmente en acero estructural, inoxidables y metales no férricos.El corte por plasma puede ser un proceso complementario para trabajos especiales, como pueden ser la producción de pequeñas series, la consecución de tolerancias muy ajustadas o la mejora de acabados.También se produce una baja afectación térmica del material gracias a la alta concentración energética del arco-plasma. El comienzo del corte es prácticamente instantáneo y produce una deformación mínima de la pieza.Este proceso permite mecanizar a altas velocidades de corte y produce menos tiempos muertos, (no se necesita precalentamiento para la perforación).Permite espesores de corte de 0.5 a 160 milímetros, con unidades de plasma de hasta 1000 amperios.El corte por plasma también posibilita mecanizados en acero estructural con posibilidad de biselados hasta en 30 milímetros.Una de las características más reseñables es que se consiguen cortes de alta calidad y muy buen acabado.

4. Variables del proceso Las variables del proceso son: Gases empleados. El caudal y la presión de los mismos. Distancia boquilla pieza. Velocidad del corte. Energía empleada o intensidad del arco.

Las variables como el caudal, la presión del gas-plasma, la distancia boquilla-pieza y la velocidad del corte se pueden ajustar en las maquinas de corte por plasma existentes en el mercado según cada pieza a cortar. Su calidad varia en función del control de esos parámetros para conseguir mejor acabado de las piezas y mayor productividad.

4.1. Gas-plasma

Los principales gases que se utilizan como gases plasmágenos son, argón, nitrógeno y aire, o mezcla de estos gases, en general se utiliza el nitrógeno por su mejor comportamiento respecto a la calidad del corte y garantiza una

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durabilidad de la boquilla. El chorro del gas–plasma utilizado en el proceso se compone de dos zonas:

Zona envolvente, que es una capa anular fría sin ionizar que envuelve la zona central. Al ser fría conseguimos refrigerar la boquilla, aislarla eléctricamente y confinar el arco de la región de la columna-plasma.

La zona central, que se compone por dos capas, una periférica constituida por un anillo de gas caliente no suficientemente conductor y la columna de plasma o el núcleo donde el gas-plasma presenta su más alta conductividad térmica, la mayor densidad de partículas ionizadas y las más altas temperaturas, entre 10.000 y 30.000 ºC.

4.2. El arco eléctrico

La utilización del arco abierto puede mejorarse pasando el arco a través de un orific io, el avance más notable es la estabilidad en la dirección del chorro de plasma. Un arco convencional se descarga sobre la conexión de trabajo más cercana al suministro de energía y sé deflecta mediante campos magnéticos de baja potencia; mientras que un chorro de plasma uniforme tiende a ir en la dirección en que se apunte y es menos afectado por los campos magnéticos. Las altas densidades de energía que se producen a través de la constricción del arco se traducen en una alta densidad de temperatura en el arco de plasma, lo que revela que su principal ventaja no es la temperatura que se logra sino la estabilidad direccional y la focalización del arco de plasma, además de su relativa insensibilidad a las variaciones de la distancia de la antorcha a la superficie de trabajo.

El uso con efectividad del arco de energía suministrada, el grado de colimación del arco, su fuerza y su densidad de energía en la pieza de trabajo están en función de los siguientes factores:

Corriente de plasma. Diámetro y forma del orificio. Tipo de gas utilizado. Razón de fluido del gas. Tipo de gas de pantalla

Las diferencias fundamentales en el trabajo con metales aparecen mediante la relación de estos 5 factores, éstos se pueden ajustar para brindar energías térmicas muy altas o muy bajas. En el caso del corte se usa alta velocidad del chorro, un pequeño diámetro del orificio, una alta razón de fluido del gas y un gas que tenga una alta conductividad térmica

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4.3. Tipos de arco.

Existen dos tipos de arco:

Arco transferido. Arco no transferido.

4.3.1. el arco transferido

El arco se transfiere de un electrodo a la pieza de trabajo que es parte del circuito eléctrico y el calor se obtiene del ánodo, situado en la pieza de trabajo, así como del chorro de plasma. Con el arco no transferido este se estabiliza y se mantiene entre el orificio de constricción y el electrodo, el arco se fuerza a pasar a través del orificio por el chorro de plasma, la pieza de trabajo no está en el circuito del arco y el calor utilizado solo se obtiene del chorro de plasma.

El arco transferido tiene la ventaja de transferir una mayor energía al trabajo.

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4.3.2. El arco no transferido

puede ser utilizado en el corte y unión de piezas de trabajo no conductoras o para aplicar donde sean necesarias bajas concentraciones de energía. En el caso de la existencia de un insuficiente fluido a través del orificio o una corriente de arco demasiada alta para una determinada forma de boquilla o si esta llega a hacer contacto con la pieza de trabajo puede afectarse por el llamado fenómeno de doble arco. En este fenómeno la boquilla metálica de la antorcha forma parte del flujo de corriente del electrodo al suministro de energía y el calor generado afecta la boquilla. La naturaleza de la columna del arco de plasma constricto lo hace menos sensible a la variación de su longitud que en el proceso de arco común. Debido a que el arco no constricto tiene forma cónica el área de entrada de calor a la pieza varía cuadráticamente en relación con la longitud de éste, por lo que un pequeño cambio en la longitud del arco produce una variación considerable en la relación de

5. TIPOS DE CORTE POR PLASMA

Corte por plasma por aire Corte con inyección de agua Corte con inyección de oxígeno Corte con doble flujo

5.1. Corte por plasma por aire

En el año 1963 se introduce el corte por plasma por aire. El oxígeno del aire aumenta las velocidades de corte en un 25 por ciento en relación con el corte tradicional por plasma seco, sin embargo, también conlleva una superficie de corte muy oxidada y una rápida erosión del electrodo que está dentro de la boquilla de corte.

Corte con inyección de agua

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En 1968, Dick Couch, presidente de Hypertherm, inventa el corte con inyección de agua, un proceso que implicaba inyectar radialmente agua en la boquilla. El resultado final fue corte mejor y más rápido, así como con menos escoria. Este proceso también utiliza como gas nitrógeno pero como protector utiliza una capa de agua.

Corte con inyección de oxigeno

En 1983 se desarrolla una nueva técnica que implica la utilización de oxígeno como gas de corte y la introducción de agua por la punta de la boquilla. Este proceso denominado “corte por plasma con inyección de oxígeno” ayuda a solucionar los problemas del rápido deterioro de los electrodos y la oxidación del metal.

Corte con doble flujo

Este es el sistema convencional o stándard, de alta velocidad que utiliza como gas-plasma nitrógeno y como gas protector puede emplearse dióxido de carbono o bien oxígeno.

6. Cómo funciona el cortador de plasma CNC?

Los cortadores de plasma funcionan mediante el envío de un arco eléctrico a través de un gas que pasa a través de una abertura estrecha. El gas puede ser de nitrógeno, argón, oxígeno. etc. Esto eleva la temperatura del gas hasta el punto que entra en un cuarto estado de la materia. Todos estamos familiarizados con los tres primeros: sólido, líquido, y gaseoso. Los científicos a este cuarto el estado del plasma. A medida que el corte de metal éste forma parte del circuito, la conductividad eléctrica del plasma hace que el arco para transferir el trabajo.

La abertura restringida (boquilla), el gas pasa a través de él causa de apretar por a una velocidad alta, como el aire que pasa a través de un Ventura en un carburador. Estos cortes de gas a alta velocidad a través del metal fundido. El gas se dirige también alrededor del perímetro de la zona de corte para proteger el corte.

En muchos de los cortadores de plasma de hoy en día, un arco piloto entre el electrodo y la boquilla se utiliza para ionizar el gas e inicialmente generar el plasma antes de la transferencia de arco.

Otros métodos que se han utilizado son tocando la punta de la antorcha a los trabajos para crear una chispa, y el uso de un circuito de alta frecuencia de partida (como la chispa de un enchufe). Ninguno de estos dos últimos métodos es compatible con los cortes automatizados de CNC.

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El corte por plasma es un proceso vital para cualquier taller de fabricación de metal. A diferencia de los que usan carburantes de oxigeno, el plasma puede cortar acero inoxidable, aluminio y bronce, así como acero carbonatado.

6.1. Los cortadores de plasma Hypertherm

Hypertherm, Inc. USA fundado en 1968, es la marca líder en el mundo de la tecnología de corte por plasma. Tienen casi 40 años de experiencia en investigación y desarrollo, desarrollaron varias patentes hiper térmicas; diferentes tecnologías de corte que han jugado un papel muy importante en la era de los cortes por plasma.

6.2. El cortador de plasma por Thermadyne

Thermal Dynamics ha sido una operación realizada durante mas de 5 décadas es como un pionero en los sistemas de corte por plasma.

Los sistemas de arcos con corte termodinámico por plasma se puede utilizar para cortar prácticamente cualquier material, desde el calibre ligero hasta las 4 pulgadas (9,6 cm) de espesor, y el rango de las altamente portátiles unidades de 100V para HVAC funcionan a la velocidad más sofisticada, las altas definiciones de los sistemas de corte por plasma, para las fabricaciones más precisas.

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6.3. Suministros de cortadores de plasma doméstico:

Durante muchos años de desarrollo, los cortadores de plasma domésticos de China tiene una gran apoyo por parte del gobierno chino, ahora tiene una mejor calidad para hacer las trabajos de corte pesados, lo más importante es que los cortadores de plasma domésticos de China tiene un buen rendimiento y una excelente calidad-precio.

Características y Beneficios

1. Diseño portátil y fácil manejo, apropiado para el corte de chapa delgada.

2. Superficie de corte suave y pequeña deformación.

3. Este corte funciona mediante el uso de aire comprimido por plasma; no hay polución y es económico. La velocidad de corte es la misma que en la placa de acero espesa, es 3 veces más rápido que el cortado con llama; cuesta un tercio menos que éste, rápida velocidad de corte de metal por debajo de 30 mm de espesor.

4. Aplicable para cortar en todos los materiales tales como acero carbonatado, aluminio, cobre, zinc, metal revestido, hierro fundido, etc.

5. Cubierta de Metal/Plástico disponible para el corte.

7. CONCLUSIONES

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El corte por plasma se efectúa a través de un arco eléctrico que calienta el gas y lo convierte en plasma. En el arco eléctrico ocurren tres procesos electrofísicos que son: emisión electrónica, ionización y recombinación. Los electrones por tener menor masa que los iones, se mueven a mayor velocidad, siendo la corriente mayoritaria en el arco garantizada por los electrones. La existencia de iones negativos se debe fundamentalmente a la presencia de halógenos y oxigeno, cuyos átomos tienen gran afinidad hacia los electrones y provocan la desionización del arco.

La influencia particular de cada uno de los fenómenos electrofísicos presentes en el arco puede conocerse por separado mediante experimentos de laboratorio, pero como actúan un conjunto de factores se hace muy difícil su estudio sin el empleo de computadoras de registro y análisis de sus características. Para la construcción de una fuente para la soldadura o corte por Plasma se recomiendo el empleo de inversores de potencia.

8. Bibliografía

http://voluntad.com.co/zonactiva/images/pdfampliacion/ciencias_naturales/cuarto/za_elestado_c426.pdf

http://procesoscorteciateq.wikispaces.com/file/view/Corte+por+Plasma.pdf

http://www.esab.com/es/sp/education/procesos-corte-plasma.cfm

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