El corte por plasma es un proceso que corta materiales conductores de electricidad mediante un chorro acelerado de plasma caliente . Los materiales típicos cortados con un soplete de plasma incluyen acero , acero inoxidable , aluminio , latón y cobre , aunque también se pueden cortar otros metales conductores. El corte por plasma se utiliza a menudo en talleres de fabricación , reparación y restauración de automóviles, construcción industrial y operaciones de salvamento y desguace . Debido a los cortes de alta velocidad y precisión combinados con un bajo costo, el corte por plasma se usa ampliamente desde aplicaciones de control numérico por computadora (CNC) industriales a gran escala hasta pequeños talleres de aficionados.
El proceso básico de corte por plasma implica la creación de un canal eléctrico de gas sobrecalentado, ionizado eléctricamente, es decir, plasma, desde el propio cortador de plasma, a través de la pieza de trabajo que se va a cortar, formando así un circuito eléctrico completo de vuelta al cortador de plasma a través de una pinza de conexión a tierra . Esto se logra mediante un gas comprimido (oxígeno, aire, inerte y otros, según el material que se esté cortando) que se sopla a través de una boquilla enfocada a alta velocidad hacia la pieza de trabajo. Luego se forma un arco eléctrico dentro del gas, entre un electrodo cercano o integrado en la boquilla de gas y la propia pieza de trabajo. El arco eléctrico ioniza parte del gas, creando así un canal de plasma eléctricamente conductor. A medida que la electricidad del soplete de corte viaja por este plasma, proporciona suficiente calor para fundir la pieza de trabajo. Al mismo tiempo, gran parte del plasma de alta velocidad y el gas comprimido expulsan el metal fundido caliente, separando, es decir, cortando, la pieza de trabajo.
El corte por plasma es una forma eficaz de cortar materiales tanto finos como gruesos. Los sopletes manuales suelen poder cortar chapas de acero de hasta 38 mm (1,5 pulgadas) de espesor, y los sopletes más potentes controlados por ordenador pueden cortar acero de hasta 150 mm (6 pulgadas) de espesor. [ cita requerida ] Dado que los cortadores de plasma producen un "cono" muy caliente y muy localizado con el que cortar, son extremadamente útiles para cortar chapas de metal en formas curvas o en ángulo.
Los arcos se generan en un proceso de tres pasos. Una chispa de alto voltaje ioniza brevemente el aire dentro del cabezal de la antorcha. Esto hace que el aire sea conductor y permite que se forme el "arco piloto". El arco piloto se forma dentro del cabezal de la antorcha, con corriente que fluye desde el electrodo hasta la boquilla dentro del cabezal de la antorcha. El arco piloto comienza a quemar la boquilla, una pieza consumible, durante esta fase. Luego, el aire expulsa el plasma por la boquilla hacia la pieza de trabajo, lo que proporciona una ruta de corriente desde el electrodo hasta la pieza de trabajo. Cuando el sistema de control detecta que fluye corriente desde el electrodo hasta la pieza de trabajo, corta la conexión eléctrica con la boquilla. Luego, la corriente fluye desde el electrodo hasta la pieza de trabajo y se forma el arco fuera de la boquilla. Luego, se puede continuar con el corte sin quemar la boquilla. La vida útil de la boquilla está limitada por la cantidad de inicios del arco, no por el tiempo de corte.
El corte por plasma surgió de la soldadura por plasma en la década de 1960 y surgió como una forma muy productiva de cortar chapa y placas de metal en la década de 1980. [1] Tenía las ventajas sobre el corte tradicional "metal contra metal" de no producir virutas de metal, proporcionar cortes precisos y producir un borde más limpio que el corte con oxicorte . Los primeros cortadores de plasma eran grandes, algo lentos y costosos y, por lo tanto, tendían a dedicarse a repetir patrones de corte en un modo de "producción en masa".
Al igual que con otras máquinas herramienta, la tecnología CNC (control numérico por computadora) se aplicó a las máquinas de corte por plasma a fines de la década de 1980 y principios de la de 1990, lo que les dio a las máquinas de corte por plasma una mayor flexibilidad para cortar diversas formas "a pedido" según un conjunto de instrucciones que se programaron en el control numérico de la máquina. [2] Sin embargo, estas máquinas de corte por plasma CNC generalmente se limitaban a cortar patrones y piezas en láminas planas de acero, utilizando solo dos ejes de movimiento (lo que se conoce como corte XY).
Se necesita una protección ocular y una máscara facial adecuadas para evitar daños oculares, denominados " ojos de arco " , así como daños causados por residuos. Se recomienda utilizar lentes de color verde n.° 5. OSHA recomienda un tono 8 para corrientes de arco inferiores a 300 A, pero señala que "estos valores se aplican cuando el arco real se ve claramente. La experiencia ha demostrado que se pueden utilizar filtros más claros cuando el arco está oculto por la pieza de trabajo". [3] Lincoln Electric, un fabricante de equipos de corte por plasma, afirma: "Normalmente, un tono oscuro de n.° 7 a n.° 9 es aceptable". Longevity Global, Inc., otro fabricante, ofrece esta tabla más específica para la protección ocular para el corte por arco de plasma a amperajes más bajos: [ cita requerida ]
También se recomiendan guantes de cuero, delantal y chaqueta para evitar quemaduras por chispas y metal caliente. [4]
Es muy importante trabajar en un área limpia y libre de líquidos, materiales y gases inflamables. Las chispas y el metal caliente de un cortador de plasma pueden provocar incendios rápidamente si no se los aísla de los objetos inflamables. Los cortadores de plasma pueden enviar chispas calientes que vuelan hasta 1,5 metros (5 pies) de distancia en determinadas situaciones. Los operadores de la máquina normalmente no se dan cuenta de que se ha iniciado un incendio porque están detrás de sus protectores faciales. [5]
Los cortadores de plasma utilizan varios métodos para iniciar el arco. En algunas unidades, el arco se crea poniendo la antorcha en contacto con la pieza de trabajo. Algunos cortadores utilizan un circuito de alta tensión y alta frecuencia para iniciar el arco. Este método tiene una serie de desventajas, incluido el riesgo de electrocución, la dificultad de reparación, el mantenimiento del espacio de chispa y la gran cantidad de emisiones de radiofrecuencia . [6] Los cortadores de plasma que trabajan cerca de dispositivos electrónicos sensibles, como hardware CNC o computadoras, inician el arco piloto por otros medios. La boquilla y el electrodo están en contacto. La boquilla es el cátodo y el electrodo es el ánodo . Cuando el gas de plasma comienza a fluir, la boquilla se impulsa hacia adelante. Un tercer método, menos común, es la descarga capacitiva en el circuito primario a través de un rectificador controlado por silicio .
Los cortadores de plasma analógicos, que normalmente requieren más de 2 kilovatios, utilizan un transformador de frecuencia de red pesado. Los cortadores de plasma con inversor rectifican la alimentación de red a CC, que se alimenta a un inversor de transistor de alta frecuencia entre 10 kHz y aproximadamente 200 kHz. Las frecuencias de conmutación más altas permiten utilizar transformadores más pequeños, lo que da como resultado una reducción general del tamaño y el peso.
Los transistores utilizados inicialmente eran MOSFET , pero ahora se utilizan cada vez más IGBT . Con MOSFET en paralelo, si uno de los transistores se activa prematuramente puede provocar un fallo en cascada de una cuarta parte del inversor. Una invención posterior, los IGBT, no están tan sujetos a este modo de fallo. Los IGBT se pueden encontrar generalmente en máquinas de alta corriente donde no es posible conectar en paralelo suficientes transistores MOSFET.
La topología de modo conmutado se conoce como convertidor directo fuera de línea de transistor dual. Aunque son más livianos y potentes, algunos cortadores de plasma con inversor, especialmente aquellos sin corrección del factor de potencia , no pueden funcionar con un generador (eso significa que el fabricante de la unidad inversora prohíbe hacerlo; solo es válido para generadores portátiles pequeños y livianos). Sin embargo, los modelos más nuevos tienen circuitos internos que permiten que las unidades sin corrección del factor de potencia funcionen con generadores de energía livianos.
Algunos fabricantes de cortadoras de plasma construyen mesas de corte CNC y otros tienen la cortadora incorporada en la mesa. Las mesas CNC permiten que una computadora controle el cabezal de la antorcha y produzca cortes limpios y precisos. Los equipos de plasma CNC modernos son capaces de cortar materiales gruesos en varios ejes, lo que permite realizar cordones de soldadura complejos que no son posibles de otra manera. Para materiales más delgados, el corte por plasma está siendo reemplazado progresivamente por el corte por láser , debido principalmente a las capacidades superiores de corte de orificios del cortador láser.
Un uso especializado de las cortadoras de plasma CNC ha sido en la industria de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). El software procesa información sobre los conductos y crea patrones planos que se cortan en la mesa de corte con el soplete de plasma. Esta tecnología ha aumentado enormemente la productividad dentro de la industria desde su introducción a principios de la década de 1980.
Las cortadoras de plasma CNC también se utilizan en muchos talleres para crear trabajos decorativos en metal, como por ejemplo, señalización comercial y residencial, arte mural, letreros de direcciones y arte para jardines al aire libre.
En los últimos años, el desarrollo ha sido aún mayor. Tradicionalmente, las mesas de corte de las máquinas eran horizontales, pero ahora están disponibles máquinas de corte por plasma CNC verticales, que ofrecen un espacio más reducido, mayor flexibilidad, máxima seguridad y un funcionamiento más rápido.
Hay tres configuraciones principales de corte por plasma CNC, y se diferencian en gran medida por las formas de los materiales antes del procesamiento y la flexibilidad del cabezal de corte.
Esta es la forma más común y convencional de corte por plasma CNC. Produce perfiles planos, donde los bordes cortados están a 90 grados de la superficie del material. Las mesas de corte por plasma CNC de alta potencia están configuradas de esta manera, capaces de cortar perfiles de placas de metal de hasta 150 mm de espesor. [ cita requerida ]
Una vez más, un proceso para producir perfiles planos a partir de chapa o placa de metal, sin embargo, con la introducción de un eje de rotación adicional, el cabezal de corte de una máquina de corte por plasma CNC puede inclinarse mientras se lo lleva a través de una trayectoria de corte bidimensional convencional. El resultado de esto son bordes cortados en un ángulo distinto de 90 grados con respecto a la superficie del material, por ejemplo, ángulos de 30 a 45 grados. Este ángulo es continuo en todo el espesor del material. Esto se aplica típicamente en situaciones en las que el perfil que se está cortando se va a utilizar como parte de una fabricación soldada, ya que el borde en ángulo forma parte de la preparación de la soldadura. Cuando la preparación de la soldadura se aplica durante el proceso de corte por plasma CNC, se pueden evitar operaciones secundarias como el rectificado o el mecanizado, [ cita requerida ] reduciendo el costo. La capacidad de corte angular del corte por plasma tridimensional también se puede utilizar para crear agujeros avellanados y bordes biselados de agujeros perfilados.
Se utiliza en el procesamiento de tubos, cañerías o cualquier forma de sección larga. El cabezal de corte por plasma generalmente permanece estacionario mientras se introduce la pieza de trabajo y gira alrededor de su eje longitudinal. [ cita requerida ] Hay algunas configuraciones en las que, como en el corte por plasma tridimensional, el cabezal de corte puede inclinarse y girar. Esto permite realizar cortes en ángulo a través del espesor del tubo o la sección, algo que se suele aprovechar en la fabricación de tuberías de proceso, donde las tuberías cortadas se pueden proporcionar con una preparación de soldadura en lugar de un borde recto.
En la última década, los fabricantes de sopletes de plasma han diseñado nuevos modelos con una boquilla más pequeña y un arco de plasma más fino. Esto permite una precisión casi láser en los bordes cortados con plasma. Varios fabricantes han combinado el control CNC de precisión con estos sopletes para permitir a los fabricantes producir piezas que requieren poco o ningún acabado.
Las antorchas de plasma solían ser bastante caras, por lo que normalmente solo se encontraban en talleres de soldadura profesionales y en garajes y tiendas particulares muy bien abastecidos. Sin embargo, las antorchas de plasma modernas son cada vez más baratas y ahora están al alcance de muchos aficionados, por menos de 300 dólares. Las unidades más antiguas pueden ser muy pesadas, pero aún así son portátiles, mientras que algunas de las más nuevas con tecnología inverter pesan solo un poco, pero igualan o superan las capacidades de las más antiguas. [ cita requerida ]
