El corte por plasma es un método de mecanizado que utiliza el calor de un arco de plasma a alta temperatura para hacer que el metal en el corte de la pieza se funda parcialmente y se evapore, y con el impulso del plasma a alta velocidad, el metal fundido es expulsado para formar un corte.
Al basarse en reacciones de fusión y no de oxidación para cortar materiales, su campo de aplicación es mucho más amplio que el oxicorte. Puede cortar prácticamente todos los metales, no metales, multicapas y materiales compuestos.
Los cortes son estrechos, con una buena calidad superficial, una velocidad de corte rápida y pueden alcanzar un grosor de 160 mm.
Además, debido a la elevada temperatura y velocidad del arco de plasmaAl cortar chapas finas, no se producen deformaciones.
Especialmente al cortar acero inoxidable, aleaciones de titanio y materiales metálicos no férreos, se consigue una excelente calidad de corte.
Por lo tanto, corte por plasma se utiliza ampliamente en industrias como la del automóvil, recipientes a presión, maquinaria química, industria nuclear, maquinaria general, maquinaria de construcción y estructuras de acero.
A cortadora de plasma ioniza gases mezclados mediante un arco eléctrico de alta frecuencia, haciendo que algunos gases se "descompongan" o ionicen en partículas atómicas básicas, generando así "plasma".
Cuando el arco salta sobre la pieza, el gas a alta presión expulsa el plasma por la boquilla de la antorcha a una velocidad de salida de 800-1000 m/s (unos 3 Mach).
La temperatura de la columna de arco de plasma es extremadamente alta, alcanzando de 10.000°C a 30.000°C, superando con creces la punto de fusión de todos los materiales metálicos o no metálicos.
Esto hace que la pieza que se está cortando se funda rápidamente, y el metal fundido es expulsado por la corriente de aire a alta presión expulsada.
Por lo tanto, se necesitan equipos de extracción de humos y eliminación de escorias. El corte por plasma combinado con diferentes gases de trabajo puede cortar diversos metales difíciles de cortar con oxicorteespecialmente metales no ferrosos (acero inoxidable, aluminio, cobre, titanio, níquel) con mejores efectos de corte.
Sus principales ventajas son que cuando corte de metal materiales con un espesor no demasiado grande, el corte por plasma es rápido, especialmente cuando se cortan chapas finas de acero al carbono ordinario, la velocidad puede alcanzar 5-6 veces la del oxicorte con una superficie de corte lisa, una deformación térmica mínima y prácticamente ninguna zona afectada por el calor.
Con el desarrollo del corte por plasma, el gas de trabajo utilizado (el gas de trabajo es el medio conductor del arco de plasma, y es el portador de calor, y también expulsa el metal fundido del corte) tiene un efecto significativo en las características de corte del arco de plasma, así como en la calidad y velocidad de corte.
Los gases de trabajo del arco de plasma más utilizados son el argón, el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, el aire, el vapor y algunos gases mixtos.
Es una de las características más importantes para evaluar la calidad del funcionamiento de una cortadora y refleja el radio mínimo que la cortadora puede manejar. Se mide en su punto más ancho, y la mayoría de las cortadoras de plasma producen un ancho de corte entre 0,15 y 6,0 mm.
Los factores que influyen son: a. Las ranuras excesivamente anchas no sólo desperdician material, sino que también reducen la velocidad de corte y aumentan el consumo de energía. b. La anchura de la ranura está relacionada principalmente con la abertura de la boquilla, siendo normalmente de 10% a 40% mayor que ésta. c. La anchura de la ranura está relacionada principalmente con la abertura de la boquilla, siendo normalmente de 10% a 40% mayor que ésta.
A medida que aumenta el espesor de corte, suele ser necesaria una mayor apertura de la boquilla, lo que a su vez ensancha la sangría. d. Una mayor anchura de la sangría puede provocar una mayor deformación de la pieza que se está cortando.
Describe el aspecto de la superficie cortada y determina si es necesario un tratamiento posterior tras el corte. También es una medida del valor Ra a dos tercios de la profundidad de corte.
La rugosidad se debe principalmente a las vibraciones longitudinales causadas por el flujo de aire de corte en la dirección de corte, que dan lugar a ondulaciones de corte.
El requisito general para la rugosidad superficial después del corte oxiacetilénico es: Clase 1 Ra≤30μm, Clase 2 Ra≤50μm, Clase 3 Ra≤100μm.
El corte por arco de plasma suele producir un valor Ra mayor que corte con llama pero menos que el corte por láser (menos de 50μm).
Se trata de otro parámetro importante que refleja la calidad de corte y está relacionado con el grado de mecanizado posterior necesario tras el corte. Este índice suele representarse mediante la verticalidad U o la tolerancia angular.
Para el corte por arco de plasma, el valor U está estrechamente relacionado con el espesor de la chapa y los parámetros del proceso, normalmente U≤(1%~4%)δ (siendo δ el espesor de la chapa).
Esta métrica es crucial para los materiales templables o termotratables. aceros de baja aleación o aceros aleados, ya que una amplia zona afectada por el calor puede alterar significativamente las propiedades cerca del corte.
El corte por arco de plasma aéreo tiene una anchura de la zona afectada por el calor de unos 0,3 mm, que puede ser más estrecha en el corte por arco de plasma subacuático.
Describe la cantidad de escoria oxidada o material recristalizado adherido al borde inferior del corte tras el corte térmico. El grado de escoria suele determinarse mediante inspección visual, y suele describirse como nulo, ligero, moderado o grave.
Además, debe haber requisitos específicos para la linealidad del corte, la fusión del borde superior y las muescas.
La calidad superficial de un corte por arco de plasma suele estar entre la del corte oxiacetilénico y la del corte con sierra de cinta.
En comparación con el corte mecánico, el corte por arco de plasma tiene una mayor tolerancia. Cuando el grosor de la chapa supera los 100 mm, las velocidades de corte más lentas hacen que se funda más metal, lo que suele provocar un corte desigual.
La norma para un buen corte es: anchura estrecha, sección transversal rectangular, superficie lisa, sin escoria ni rebabas, y la dureza de la superficie cortada no debe dificultar el mecanizado posterior.
La anchura de corte se refiere a la distancia en el borde superior del corte entre las dos caras causadas por el haz de corte. En el caso de fusión en el borde superior del corte, denota la distancia entre las dos caras de corte justo debajo de la capa de fusión.
El arco de plasma a menudo elimina más metal de la parte superior que de la parte inferior del corte, causando una ligera inclinación en la cara de corte, con el borde superior típicamente apareciendo cuadrado, pero a veces ligeramente redondo.
La anchura de la sangría del corte por arco de plasma es de 1,5 a 2,0 veces mayor que la del corte por oxígeno-acetileno, y a medida que aumenta el grosor de la chapa, también aumenta la anchura de la sangría.
Para el acero inoxidable o el aluminio con un grosor inferior a 25 mm, se puede utilizar el corte por arco de plasma de baja corriente, que da como resultado un mayor rectitud del corte.
Especialmente con un espesor de corte inferior a 8 mm, se pueden cortar bordes pequeños y, a veces, se puede soldar directamente sin más procesamiento, lo que es difícil de conseguir con el corte por arco de plasma de alta corriente.
Esto facilita el corte de curvas irregulares y de orificios no estándar en chapas finas. La planitud de la superficie de corte se refiere a la distancia entre dos líneas paralelas realizadas en la dirección del ángulo de la superficie de corte, desde los puntos más alto y más bajo de la superficie cortada.
La superficie del corte por arco de plasma tiene una capa fundida de unos 0,25 a 3,80 mm de espesor, pero su composición química permanece inalterada.
Por ejemplo, al cortar una aleación de aluminio que contiene 5% w(Mg), aunque hay una capa fundida de 0,25 mm de espesor, la composición permanece inalterada y no aparece óxido.
Si la superficie de corte se suelda directamente, todavía se puede obtener una soldadura densa. Al cortar acero inoxidable, como la zona afectada por el calor atraviesa rápidamente la temperatura crítica de 649 ℃, el carburo de cromo no precipitará a lo largo del límite del grano. Por lo tanto, el corte por arco de plasma del acero inoxidable no afecta a su resistencia a la corrosión.
Las muescas irregulares de distintas anchuras, profundidades y formas en la superficie de corte interrumpen la uniformidad del corte. La escoria de óxido de hierro que se adhiere al borde inferior de la superficie de corte tras el corte se conoce como escoria colgante.
Tomando el acero inoxidable como ejemplo, debido a la escasa fluidez del acero inoxidable fundido, es difícil expulsar todo el metal fundido del corte durante el proceso de corte.
El acero inoxidable tiene una escasa conductividad térmica, y el fondo del corte puede sobrecalentarse fácilmente, dejando tras de sí el metal fundido que no se sopló.
Ésta se fusiona con el fondo del corte y se solidifica al enfriarse para formar lo que se denomina escoria colgante. El acero inoxidable es duro, y esta escoria es muy robusta, por lo que resulta difícil de eliminar y plantea importantes retos para el mecanizado.
Por lo tanto, la eliminación de la escoria del corte por arco de plasma del acero inoxidable es una cuestión crítica.
Al cortar cobre, aluminio y sus aleaciones, debido a su buena conductividad térmica, es menos probable que el fondo del corte vuelva a fundirse con el metal fundido.
Aunque esta escoria "cuelga" bajo el corte, es fácil de eliminar. Cuando se utiliza el corte por arco de plasma, las medidas específicas para eliminar la escoria son las siguientes:
(1) Asegurar la concentricidad entre el tungsteno electrodo y la boquilla
Una mala alineación del electrodo de tungsteno y la boquilla puede alterar la simetría del gas y el arco, impidiendo que el arco de plasma se comprima bien o provocando la desviación del arco.
Esto reduce la capacidad de corte, da lugar a cortes asimétricos, aumenta la aparición de grumos de fusión y, en casos graves, provoca arcos dobles que interrumpen el proceso de corte.
(2) Asegúrese de que el arco de plasma tiene suficiente potencia
Al aumentar la potencia del arco de plasma, aumenta la energía del arco de plasma y se alarga la columna del arco, lo que eleva la temperatura y la fluidez del metal fundido durante el proceso de corte.
Bajo el efecto de la corriente de aire a alta velocidad, el metal fundido puede ser expulsado fácilmente.
El aumento de la potencia de la columna de arco puede mejorar la velocidad de corte y la estabilidad del proceso de corte, permitiendo el uso de un mayor caudal de aire para aumentar la fuerza de soplado, lo que resulta muy beneficioso para eliminar los grumos de fusión en el corte.
(3) Elegir el caudal de gas y la velocidad de corte adecuados
Un caudal de gas insuficiente puede provocar fácilmente la formación de grumos de fusión. Si no se modifican las demás condiciones, a medida que aumenta el caudal de gas mejora la calidad del corte y se consigue un corte sin grumos de fusión.
Sin embargo, un flujo excesivo de gas acortará el arco de plasma, reduciendo su capacidad de fusión en la parte inferior de la pieza, aumentando el retraso tras el corte, haciendo que éste adopte forma de V y, en consecuencia, facilitando la formación de grumos de fusión.
La aparición de arcos dobles en los arcos de plasma transferidos está relacionada con condiciones específicas del proceso. En el corte por arco de plasma, la presencia de arcos dobles conduce inevitablemente a un rápido desgaste de la boquilla.
Un desgaste menor modifica la forma geométrica del orificio de la boquilla, desestabilizando el arco y afectando a la calidad del corte; un desgaste grave puede provocar fugas en la boquilla, obligando a detener el proceso de corte.
Por lo tanto, al igual que con soldadura por arco de plasmaEn este sentido, es fundamental tener en cuenta los factores que influyen en la formación de arcos dobles para evitar que se produzcan.
En la producción, el corte por arco de plasma puede utilizarse ahora para cortar acero inoxidable con un espesor de 100 a 200 mm. Para garantizar la calidad del corte placas gruesas, deben tenerse en cuenta las siguientes características técnicas:
(1) A medida que aumenta el espesor de corte, también aumenta la cantidad de metal a fundir, por lo que se requiere una mayor potencia del arco de plasma. Cuando se cortan planchas de más de 80 mm de espesor, la potencia del arco de plasma oscila entre 50 y 100 kW.
Para reducir el desgaste de la boquilla y del electrodo de tungsteno, es aconsejable aumentar la tensión de corte del arco de plasma a la misma potencia.
Por lo tanto, la tensión en vacío de la fuente de alimentación de corte debe ser superior a 220 V.
(2) El arco de plasma debe ser esbelto y rígido, y la columna del arco debe mantener una temperatura elevada a gran distancia.
Es decir, el gradiente de temperatura axial debe ser pequeño y la distribución de la temperatura en la columna del arco debe ser uniforme. De este modo, la parte inferior del corte puede recibir suficiente calor para garantizar la penetración.
El efecto es aún mejor si se utiliza una mezcla de nitrógeno e hidrógeno con una gran entalpía térmica y una elevada conductividad térmica.
(3) Durante la transferencia del arco, debido a las grandes fluctuaciones de corriente, a menudo se produce la interrupción del arco o la quema de la boquilla, por lo que es necesario que el equipo utilice un método para aumentar la corriente gradualmente o transferir el arco por etapas.
Generalmente, se puede insertar una resistencia limitadora de corriente (alrededor de 0,4 Ω) en el circuito de corte para reducir el valor de la corriente durante la transferencia del arco, y luego se cortocircuita la resistencia.
(4) El precalentamiento es necesario cuando se inicia el corte, y el tiempo de precalentamiento viene determinado por las propiedades y el grosor del material que se va a cortar.
Para el acero inoxidable, cuando el grosor de la pieza es de 200 mm, es necesario un precalentamiento de 8 a 20 segundos; cuando el grosor de la pieza es de 50 mm, se requieren de 2,5 a 3,5 segundos de precalentamiento.
Una vez iniciado el corte de una pieza gruesa, debe esperar a que se haya cortado a lo largo de la dirección del grosor antes de mover el soplete de corte para conseguir un corte continuo, de lo contrario la pieza no se cortará completamente.
El arco debe cortarse sólo cuando la obra esté completamente separada.
Medidas de control de calidad:
Para evitar defectos de soldaduraPara controlar la desalineación a ambos lados de la soldadura, se han utilizado y colocado dispositivos de soldadura; para evitar la oxidación de la pared interior de la carcasa soldada, se ha adoptado una protección interna de relleno de argón.
(1) El acero inoxidable martensítico endurecido por precipitación presenta una excelente soldabilidad y puede soldarse en cualquier estado -tratado por disolución, envejecido o sobreenvejecido- sin necesidad de precalentamiento ni enfriamiento lento posterior a la soldadura.
Sin embargo, si se requiere una resistencia equivalente en la unión soldada, debe utilizarse para el material de aportación la misma composición química que la del material base, y deben realizarse un tratamiento de disolución posterior a la soldadura y un tratamiento térmico de envejecimiento.
(2) Para mitigar el reblandecimiento y la segregación en la unión, al soldar acero inoxidable martensítico endurecido por precipitación mediante soldadura por fusión, debe limitarse estrictamente la entrada de energía de línea.
Soldadura por haz de electrones, soldadura lásery la soldadura pulsada con gas inerte de tungsteno son las opciones preferentes. Cuando se utiliza la soldadura por resistencia, deben respetarse unas especificaciones estrictas.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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