Corte por plasma y oxicorte. FMEH0209

Capítulo 1

Procesos de corte de chapa

Contenido

1. Introducción

2. Definiciones de los siguientes procesos: Oxicorte, Plasma, Láser y Chorro de agua

3. Resumen

1. Introducción

Los procesos de corte de chapa a nivel industrial por medio de corte por chorro (beam cutting processes), abarcan el 90 % de las aplicaciones industriales. En estos procesos la herramienta se sitúa en dirección perpendicular a la superficie de la chapa, el chorro incide en esta dirección y corta la chapa. La naturaleza del chorro determina una segunda clasificación:

Corte por chorro mecánico, cuando en el proceso se utiliza la acción mecánica directa.

Corte por chorro térmico, si la separación del material se debe, principalmente, al efecto de las altas temperaturas localizadas sobre una pequeña zona de material. El que será el tema a tratar en este capítulo.

2. Definiciones de los siguientes procesos: Oxicorte, Plasma, Láser y Chorro de agua

Los procesos de corte de chapa se dividen en dos clasificaciones según la naturaleza del chorro proyectado, pero si se contase con procesos de corte de metal convencionales también se incluirían los realizados con herramientas de corte (torno, fresa, sierra circular, etc.), aunque estos no van a ser tratados en este libro por lo cual no se entrará en mayor detalle.

Definición

Combustión

Es la reacción química de oxidación en la que el material (combustible) desprende energía en forma de calor y luz.

La fusión de un material

Es el proceso físico por el cual pasa de un estado sólido a un estado líquido por acción del calor.

2.1. Oxicorte (flame or oxygen-flame cutting, OFC)

Fue desarrollado completamente en el siglo XX y sus primeras aplicaciones se llevaron a cabo en Europa. No obstante, su total desarrollo hasta lo que hoy se conoce por oxicorte (OFC, corte con gas oxicombustible) se produjo en Estados Unidos en el año 1907, constituyó una verdadera revolución.

El proceso se basa en la experiencia de Lavoisier que data de finales del siglo XVIII, sobre la combustión en una atmósfera de oxígeno de un hilo de hierro previamente calentado. Se producía en su extremo un desprendimiento de chispas y el óxido fundido formado se iba desprendiendo, poco a poco, hasta consumir completamente el hilo.

El oxicorte pues, consiste en separar o dividir un metal mediante la combustión del mismo en presencia de oxígeno en alta concentración, produciéndose una oxidación rápida del hierro bajo temperaturas elevadas, según la ecuación química siguiente:

Se tienen que cumplir tres condiciones para que se produzca una reacción de combustión: el combustible (en este caso el hierro, Fe), el comburente (el O2, una mínima proporción) y un agente iniciador (siendo este la llama del soplete). Aunque en condiciones normales el acero no arderá instantáneamente por dos motivos: la temperatura de ignición del Fe (aproximadamente 870 ºC) en la pieza a cortar no se puede alcanzar inmediatamente y el O2 atmosférico no es lo suficientemente puro (el O2 atmosférico se encuentra en una proporción del 20 % y la proporción mínima necesaria para quemar el Fe es un 87 %).

Corte de acero mediante oxidación

Definición

Comburente

Es cualquier sustancia que en ciertas condiciones de temperatura y presión puede combinarse con un combustible, provocando así una combustión.

Como esta reacción no ocurre hasta que el acero se encuentra a más de 870 ºC, se emplea la llama de un soplete para calentar el metal hasta la temperatura a la cual se inicia la combustión. Al soplete se le suministra una corriente de oxígeno puro, o bien se aumenta el contenido de oxígeno de la mezcla oxigás, para oxidar el hierro. Entonces este, en estado líquido, es expulsado de la incisión por la energía cinética de la corriente de oxígeno y gas. Es un proceso de corte químico (oxidación-combustión) fuertemente exotérmico, esto ayuda a calentar las zonas adyacentes favoreciendo la continuidad de la reacción.

Corte de acero a través de oxicorte con soplete manual (© Fotografía: Aktron Vía Web - CC BY 3.0)

Definición

Exotérmica

Se dice que una reacción química es exotérmica cuando se produce un gran desprendimiento de energía, ya sea como luz o calor.

Sabía que...

Las condiciones de oxicorte solo las cumple el hierro, el acero al carbono y el acero de baja aleación, ya que son los únicos materiales que tienen una reacción de oxidación exotérmica y que producen un óxido con una temperatura de fusión inferior a la del metal.

El método de oxicorte no produce la incisión en el metal debido a una fusión con el metal (como sí ocurre con el corte por plasma) como cabe pensar, sino que ocurre una combustión, es decir, se quema el metal a medida que se avanza con el soplete. Por esto, el contenido de aleaciones en el metal reduce la capacidad del acero a ser quemado.

Es un método rentable para cortar materiales ferrosos con o sin preparación y de gran espesor (200 mm), y es una de las herramientas preferidas para el corte manual de acero de gran espesor (más de 38 mm). Corta de forma fácil chapas rugosas y oxidadas y no requiere excesiva habilidad para producir excelentes resultados.

Actividades

1. Una de las condiciones que se tiene que cumplir en el oxicorte es que el metal tiene que tener un punto de ignición superior al de fusión, ¿por qué?

2. Ante un metal con copa de óxido que se desea cortar, ¿qué se debería tener en cuenta?

2.2. Plasma

El corte por arco de plasma (PAC) se inventó a mediados de la década de 1950 y tuvo gran éxito comercial poco después de su introducción a la industria. La capacidad del plasma para cortar cualquier material conductor de la electricidad lo hizo muy atractivo para el corte de metales no ferrosos que con el oxicorte (OFC) no se podía. En los comienzos, el corte con plasma se utilizó para cortar metales que con el OFC no se podía o era muy dificultoso, como son el acero inoxidable y el aluminio, pero al ir desarrollándose se mostró muy ventajoso para el corte de materiales no ferrosos y aceros al carbono. Estas ventajas se resumen a continuación:

La fuerza utilizada para hacer cortes manuales es mucho menor que la utilizada con una herramienta mecánica. El peso del soplete es muy ligero y la resistencia que ofrece el soplete es casi nula ya que no hay contacto con el material.

El corte con plasma trabaja a unos niveles energéticos muy superiores que el oxicorte, por lo que alcanza velocidades de corte mayores.

Al ser un proceso eléctrico no hay necesidad de precalentamiento sino que se inicia instantáneamente. El inicio instantáneo resulta especialmente ventajoso en aplicaciones que implican interrupción del corte, como en el corte de mallas.

El PAC no carece de notables limitaciones si se compara con la mayor parte de los métodos de corte mecánicos, pero sí presenta algunos peligros como son el incendio, el choque eléctrico, la luz intensa, el humo y los gases y niveles de ruido que probablemente no estén presentes en los procesos mecánicos. Además, es difícil controlar el PAC con tanta precisión como algunos procesos mecánicos para trabajos con tolerancias estrechas. Un equipo de PAC suele ser más costo que uno de OFC, aparte de requerir energía eléctrica, lo cual conlleva también peligros de choque eléctrico.

Máquina de corte por plasma

El fundamento del corte con plasma es diferente al del oxicorte. Como se acaba de ver, este último se produce como una consecuencia de la combustión del acero previamente calentado en una atmósfera de oxígeno puro, mientras que el corte con plasma se realiza a altísimas temperaturas que se generan dentro del plasma (hasta 50000 ºC), que funden casi instantáneamente y llegan a volatilizar el material. El plasma se produce al combinar un chorro de gas plasma frío con un arco eléctrico proyectado a través del electrodo, con el que calienta este gas, para posteriormente hacerle pasar por un orificio estrecho para reducir su sección e incrementar la temperatura y la concentricidad del chorro. Se forma así lo que se denomina plasma, que es un gaseoso de alta densidad de energía formado por una mezcla de electrones libres, iones positivos, átomos disociados y moléculas de gas.

Corte de acero mediante plasma (© Fotografía: Commander, U.S. 7th Fleet Vía Web - CC BY-SA 2.0)

Este chorro de gas-plasma es conducido eléctricamente desde el cátodo de tungsteno o boquilla electrodo hasta la pieza a cortar, conectada eléctricamente para que haga de ánodo. Como la pieza está fría, parte del gas ionizado se desioniza y transfiere su energía en forma de calor al material a cortar. La incisión en el metal con el PAC no es debido a una combustión, como en el oxicorte, sino a una fusión del material debido a la altísima temperatura y velocidad del chorro de gas - plasma, es decir al chocar con la pieza funde y volatiliza dejando un corte limpio.

Este manual está enfocado en el corte con plasma y oxicorte, principalmente, por lo que serán los temas a desarrollar en los siguientes capítulos.

Actividades

3. El corte con plasma es interesante para los metales que no se oxidan fácilmente, ¿por qué?

Aplicación práctica

Necesita hacerse con un equipo para su trabajo como operario de máquina de corte in situ, que sea práctico, económico y eficaz. ¿Qué opción tomaría? Justifique la respuesta.

SOLUCIÓN

Primero hay que saber que seguramente se deberán cortar diversos materiales (hierro, aluminio, acero, etc.) y, que si se trabaja in situ, hará falta un equipo portátil que pueda funcionar en cualquier sitio. Por lo tanto la mejor opción sería un equipo portátil ligero y compacto (con compresor incorporado) de corte por plasma, que se pueda conectar a una fuente de alimentación monofásica 230 V. Aunque en un principio sea algo más caro que un equipo portátil de oxicorte, puede cortar cualquier material, y se llevará un equipo menos pesado que requiere menos mantenimiento.

2.3. Láser

A principios de la década de los 60 la tecnología láser empezó a despertar interés industrial para más tarde comercializarse el primer modelo para el procesado de materiales en taller. Desde entonces, y sobre todo a partir de 1980, tuvo gran auge gracias a la industria del automóvil y la industria auxiliar. Se aceleró la investigación de esta nueva técnica en sus aplicaciones en soldadura y corte.

Láser es una palabra compuesta por las iniciales Light Amplification by Simulated Emission of Radiation (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) y su funcionamiento radica en la amplificación de un rayo luminoso dentro de una cavidad resonante (resonador), que actúa como cámara de reacción, limitada por dos espejos: uno totalmente reflectante y otro solo parcialmente. En la siguiente imagen se puede ver el funcionamiento básico.

Sabía que...

La primera máquina de corte por láser creada en 1965 se utilizó para perforar agujeros en los troqueles de diamantes. Esta máquina fue realizada por el Western Electric Engineering Research Center.

El corte por rayo láser (LBC) consiste en la focalización del haz láser, en un punto del material que se desea tratar, para derretir y vaporizar el material a cortar. Como se puede ver en la siguiente imagen, el haz láser, con una determinada potencia procedente del generador y de un sistema de conducción, llegará al cabezal donde, un conjunto de lentes, se encarga de focalizar el haz con un diámetro determinado sobre el material a tratar. Uno de los parámetros importantes del LBC es la distancia focal del rayo respecto de la superficie que se va a cortar.

Todos los materiales conocidos pueden cortarse por este procedimiento. En el caso de algunos materiales no metálicos que no requieran tan elevadas temperaturas el mecanismo es simplemente una evaporación, pero en otros mucho materiales ferrosos puede suministrarse un gas cualquiera de naturaleza inerte que se aplica mediante la propia boquilla del cabezal, coaxial