oct 16, 2017 blogsadm Soldadura y corte No hay comentarios

Corte Plasma: proceso, tipos y gases

Introducción

El proceso de corte térmico con tecnología plasma, comúnmente llamado “corte plasma”, es un proceso que cuenta con una fuerte presencia en la industria. Su versatilidad en rango de espesores, diferentes materiales metálicos a cortar y calidad de corte combinados con unos costes de adquisición relativamente bajos o medios, ha permitido que durante mucho tiempo y antes de la introducción de corte láser, fuera el proceso de corte de metales por excelencia.

El corte plasma ha sufrido constantes desarrollos y mejoras haciendo que hoy en día existan diferentes tipologías y configuraciones de máquina. En su constante evolución el papel de los gases industriales ha adquirido cada vez más complejidad y relevancia, no sólo por su fuerte influencia en la buena marcha del proceso tanto a nivel productividad como de calidad de corte, sino por la gran cantidad de gases que pueden formar parte del proceso.

Mediante este artículo técnico Nippon Gases define de forma general en qué consiste el proceso de corte plasma, qué modalidades existen y cuáles son sus características profundizando posteriormente en la tecnología de gases asociada al proceso, definiendo qué tipo de gases intervienen y cuál es su función.

Definición del proceso

El plasma es un gas que se ha calentado a gran temperatura y conduce la electricidad. La energía necesaria para producir el corte se genera mediante un arco eléctrico entre un electrodo y el metal base en dicho gas altamente ionizado. Este arco es estrangulado en la boquilla dando lugar al calor y efecto de “soplo” necesario para desalojar el metal fundido.

Tipos de Corte Plasma

Estándar
El arco es estrangulado en una única boquilla con el empleo de un único gas de corte sin emplear gas de protección. Generalmente, el gas de corte se añade tangencialmente rodeando al electrodo. El giro de los gases origina que la parte más fría (también más pesada) se mueva radialmente hacia la parte exterior formando una capa protectora en la parte interior de la boquilla. Esto ayuda a una mayor duración de ésta.
Dual
Se obtiene mediante una modificación del plasma estándar añadiendo un segundo gas alrededor de la boquilla, de protección o secundario, consiguiendo un estrechamiento adicional del haz. Tanto el gas de corte como el de protección se seleccionan de acuerdo con el metal a cortar. Las velocidades logradas son más elevadas que con el plasma estándar.

Alta definición
Al igual que en el plasma dual, en alta definición también se emplean dos gases: de protección y de corte. La diferencia es la creación de una “boquilla virtual” mediante un flujo de gas que estrangula y estabiliza aún más el arco plasma. Esto significa un corte más suave, recto y sin pérdidas.

En algunos fabricantes se mejora aún más el proceso mediante la rotación del gas secundario produciendo un estrechamiento del haz de plasma, estabilizándolo y protegiéndolo.

Bajo agua

El corte bajo agua se desarrolla bajo las exigencias de las aplicaciones de corte industrial, reduciendo los niveles de ruido, radiación UV y polvo.  El haz necesita ser protegido del agua ya que se corta por debajo de su superficie. Ésto se consigue con un gas secundario que rodea adicionalmente el arco eléctrico.

Marcado

La tecnología plasma con equipos electrónicos permite realizar marcas o entallas en la superficie del material base. La profundidad de dicha marca dependerá de la intensidad, siempre baja, a la que se realice.

Funciones de los gases

Según el tipo de proceso se tendrán presentes diferentes tipos de gases. De su calidad y pureza dependerá gran parte de la calidad siguiente y repetitividad del mismo.

Gas plasmógeno

Se denomina gas plasmógeno a todo gas o mezcla gaseosa que puede emplearse para generar el arco de plasma y llevar a cabo el proceso de corte. Pueden considerarse dos fases principales del arco de plasma: la fase de ignición y la fase de corte. Del mismo modo, el gas plasmógeno puede dividirse en gas de ignición y gas de corte, los cuales pueden diferenciarse tanto en su composición como en su caudal.

Gas de Ignición

Este gas se emplea en el proceso de ignición del arco de plasma. Tiene como función facilitar la ignición y puede influir positivamente sobre la vida útil del cátodo.

Gas de corte

Al ionizarse, el gas de corte se vuelve conductor y es capaz de producir el arco eléctrico principal entre el cátodo y la pieza que se quiere cortar. A continuación, la energía del arco eléctrico funde el material, el cual se desprende al incidir sobre él el gas de corte a gran velocidad. Para poder obtener resultados de corte óptimos los gases de corte varían según el tipo de material y su espesor.

Gas de Marcado

Se denomina gas de marcado al gas empleado para marcar con plasma.

Gas Secundario o de Protección.

Este gas envuelve el arco de plasma. Contribuye a mejorar la calidad del corte ya que reduce la sección del arco y enfría el mismo protegiendo de esta forma los consumibles al perforar y al realizar cortes sumergidos en agua. También puede tener distintas composiciones.

Tipos de gases utilizados

Los gases influyen considerablemente en la calidad del corte. Para que el proceso resulte rentable y se obtengan resultados óptimos según para qué material deben utilizarse unos gases plasmágenos de proceso determinados. La elección depende en gran parte de sus propiedades físicas. Tiene que considerarse la energía de ionización y de disociación, la conductividad térmica, el peso atómico y la reactividad química.

Argón

El argón es un gas inerte por lo que no reacciona con el material durante el proceso. Por su peso atómico (el más alto de todos los gases utilizados en el corte por plasma) favorece la expulsión del material fundido de la vía de corte. Esto se debe a la elevada energía cinética que puede alcanzar el haz de plasma. Por su bajo potencial de ionización sirve perfectamente para encender el haz de plasma. Sin embargo, el argón no puede utilizarse en solitario para cortar ya que presenta una conductividad térmica reducida y un bajo contenido calorífico.

 Hidrógeno

En comparación con el argón, el hidrógeno presenta una buena conductividad térmica y además se disocia a altas temperaturas. Esto significa que absorbe mucha energía del arco eléctrico (como en la ionización) con lo que las capas exteriores se enfrían. Este efecto contribuye a estrechar el arco generando una densidad energética mayor. Debido a procesos de recombinación, la energía absorbida vuelve a liberarse en el baño de fusión en forma de calor. Sin embargo, el hidrógeno no puede utilizarse en solitario ya que al contrario que el argón tiene un peso atómico muy bajo y por ello no es capaz de generar energía cinética suficiente para expulsar el material fundido.

La mezcla de Argón – Hidrógeno será la mejor elección para los corte de acero inoxidable y aluminio de cierto espesor. Esta mezcla proporciona una mayor temperatura y, por tanto, una mayor capacidad de corte máximo. En acero inoxidable proporciona un corte recto y una superficie de corte casi pulida.

Cuando se utiliza Argón – Hidrógeno como gas plasma es habitual utilizar Nitrógeno como gas de protección.

Nitrógeno

El nitrógeno es un gas poco reactivo, es decir, sólo reacciona con la pieza a altas temperaturas y permanece inerte a temperaturas bajas. En cuanto a sus propiedades (conductividad térmica, entalpía y peso atómico) se sitúa entre el argón y el hidrógeno por lo que puede utilizarse en solitario para cortar chapas delgadas de aceros de alta aleación, tanto como gas secundario como plasmágeno.

Oxígeno

Por su conductividad térmica y peso atómico el oxígeno puede clasificarse junto al nitrógeno. Presenta buena afinidad con el hierro, es decir, en el proceso de oxidación se desprende calor que puede utilizarse para alcanzar una velocidad de corte más alta. Sin embargo, esta reacción crea un proceso de corte por fusión y no de oxicorte ya que la reacción con el material se produce demasiado lentamente y éste se ha fundido antes. El oxígeno se utiliza como gas de corte y secundario para cortar aceros sin aleación o de baja aleación.

Aire

Básicamente, el aire se compone de nitrógeno (aprox. 70%) y oxígeno (aprox. 21%), por lo que permite utilizar las propiedades de ambos gases. El aire es uno de los gases más baratos y se utiliza para cortar chapas de aceros sin aleación y de baja y alta aleación.

Mezclas

A menudo se utilizan los gases anteriores formando mezclas gaseosas. Esto permite combinar, por ejemplo, las buenas propiedades térmicas del hidrógeno con el elevado peso atómico del argón. Los aceros de alta aleación y el aluminio pueden cortarse a partir de un espesor de 5 mm. La proporción de hidrógeno depende del espesor del material. A mayor espesor del material, más hidrógeno se utiliza. Como máximo puede utilizarse un volumen de H del 35% respecto al volumen total de la mezcla gaseosa. Naturalmente, pueden utilizarse también otras combinaciones como mezclas de nitrógeno-hidrógeno o argón-nitrógeno-hidrógeno.

Purezas de los gases en corte plasma

Es necesario utilizar gases con la pureza adecuada para la obtención de resultados óptimos y repetibles. Los niveles de dicha pureza dependerán de cada fabricante. En general se tiene:

gas plasmogenos

 

Criterios de selección de gases según corte o material

Cada fabricante de equipos de corte plasma establece el gas o mezcla de gases adecuados a cada material, espesor y rango de intensidad de corte. En la siguiente tabla se recogen las aplicaciones más habituales. No obstante, serán las tablas de corte de cada equipo las que determinen el gas, presión y caudal necesario:

  1. Perpendicularidad óptima. Superficies lisas y sin rebabas.
  2. Acero Inoidable fino (CrNi) entre 1 y 6 mm.
  3. Buena perpendicualridad de las superficies de corte. Superficies lisas y sin rebabas.
  4. Para Aluminio fino entre 1 y 8 mm.
  5. Para Aluminio fino entre 1 y 8 mm.
  6. Cortes casi verticales.

 

Acero al Carbono

El principal gas para el corte de Acero al carbono es el oxígeno. Así como en la tecnología de oxicorte la función principal del oxígeno es la de provocar un corte “químico”, consiguiendo una rápida oxidación del material a altas temperaturas, en el proceso plasma este efecto no llega a producirse debido a la muy alta temperatura alcanzada (>30.000 ºC). La ventaja vendrá dada por la producción de proyecciones más finas de material, de manera que cada gota tendrá menor tensión superficial y será más fácilmente expulsada de la sangría.

Acero Inoxidable

El principal gas para el corte plasma de Acero Inoxidable en el Nitrógeno ya que, en caso de utilizar aire u oxígeno, se producirán oxidaciones en la superficie de corte. Sin embargo, si es necesario evitar la posible nitruración en la zona de corte o se requiere un acabado superficial de mejor calidad, se deberán emplear mezclas con Hidrógeno o mezclas de Argón + Hidrógeno. El tipo de mezcla y los porcentajes de las mismas dependerán del fabricante del equipo.

Aluminio

Para el corte plasma de aluminio se utilizarán los mismos gases que en el corte de acero inoxidable.

En la siguiente tabla se resumen las características y usos de diferentes variedades de corte plasma según material y proceso utilizado.

Conclusión

En el uso de la tecnología plasma es necesario prestar una atención especial a los gases que intervienen en el proceso.

Hay que usar cada gas o mezcla de gases dentro de su campo de funcionabilidad, teniendo en cuenta qué tipo de material va a ser cortado y en qué rango de espesores.

También es muy importante observar la pureza adecuada de cada gas o mezcla de gases, de manera que no se llegue a comprometer la calidad de corte.

Por último, es esencial garantizar el mantenimiento del rango de presiones y caudales óptimos para cada gas en el punto de aplicación del mismo.

Nippon Gases, a través de sus expertos, ofrece el asesoramiento adecuado para que la implementación del suministro de gases en la tecnología de corte plasma sea un éxito. Nuestro alcance no sólo se centra en la correcta selección del gas y sus purezas, sino en el estudio y dimensionamiento de las instalaciones y formatos de suministros, garantizando los mejores ratios de calidad y productividad del proceso.

 

¡Puedes descargar el artículo completo aquí!