Soldadura y corte con arco de plasma
Introducción al arco de plasma
El arco de plasma se forma cuando un gas es calentado eléctricamente a temperaturas extremadamente altas, provocando la ionización de sus átomos y permitiendo la conducción de electricidad. Este proceso se utiliza tanto en soldadura como en corte de materiales conductores. La antorcha de plasma es similar a la de soldadura TIG, pero el electrodo se encuentra alojado dentro de la antorcha, evitando el contacto directo con la pieza de trabajo y previniendo la contaminación.
En la soldadura con plasma, se emplea un gas inerte de protección, mientras que en el corte con plasma se usa aire comprimido o una mezcla de gases. La acción del arco de plasma se concentra en una zona reducida, generando cortes precisos o soldaduras profundas sin necesidad de material de aporte en algunos casos.
Figura: Esta ilustración muestra los componentes básicos de la distribución del arco de plasma. Los dos cilindros de gas de protección son sólo realmente requeridos en las grandes máquinas industriales, no en las portátiles para el hogar o taller que funcionan con aire comprimido. Las cortadoras de tamaño medio y gran tamaño pueden ser usadas con un cuerpo de antorcha recta (mecanizada) para corte de trazo.
Principio de funcionamiento
La antorcha de plasma consta de un electrodo rodeado por una boquilla constreñida que forma una cámara de presión alrededor del electrodo. El gas de plasma atraviesa este compartimento y es ionizado por una corriente eléctrica entre el electrodo y la boquilla o la pieza de trabajo. La alta temperatura provoca la expansión del gas, que sale a gran velocidad por un pequeño orificio en la boquilla. Para encender el arco principal, se requiere un arco piloto o una chispa de alta frecuencia.
El plasma resultante alcanza temperaturas de hasta 16,000°C (30,000°F) y velocidades de hasta 6,000 m/s (20,000 ft/s). La energía del arco se focaliza en un área reducida, provocando una fusión y eliminación rápida del material.
Modos de operación del arco de plasma
- Arco transferido: La corriente del arco fluye entre el electrodo y la pieza de trabajo. Se utiliza tanto para soldadura como para corte, garantizando mayor eficiencia en la transferencia de calor.
- Arco no transferido: La corriente fluye entre el electrodo y la boquilla de la antorcha, calentando el gas de plasma antes de que salga a alta velocidad. Se emplea en procesos como la proyección térmica de recubrimientos.
Métodos de soldadura con plasma
Existen tres métodos principales de soldadura con plasma:
- Soldadura convencional: Similar a la soldadura TIG, con adición de material de aporte.
- Soldadura por arco de aguja: Se funden las partes sin necesidad de material de aporte.
- Soldadura por "ojo de cerradura" (keyhole): El calor concentrado atraviesa completamente la pieza, generando una unión superior con penetración completa.
Historia y desarrollo
La tecnología de plasma fue desarrollada en los años 50 en los laboratorios de Linde Air Products Company (posteriormente LTEC Company). Originalmente se utilizó para el corte de acero inoxidable y aluminio, evolucionando con el tiempo para ofrecer ventajas sobre el corte con oxicombustible en materiales como el acero al carbono y otros metales no ferrosos.
Corte con arco de plasma (PAC)
Fig. 1 - Terminología de antorcha de plasma
Fig. 2 - Circuito básico de corte de plasma
El corte por plasma emplea un chorro de gas ionizado de alta velocidad que funde y expulsa el material derretido del corte. Este proceso permite cortes precisos y rápidos, con mínima afectación térmica y sin necesidad de acabados adicionales. A diferencia del corte con oxicombustible, el corte con plasma no depende de una reacción química, sino únicamente de la conductividad del material.
Figura: En el corte de arco de plasma, usualmente hay un gas (en todas excepto en las máquinas grandes), y es el aire del compresor de aire del taller, que es forzado a fluir alrededor del electrodo para soplar el kerf hacia afuera
Ventajas y limitaciones del corte con plasma
Ventajas
- Corte sin contacto, reduciendo la fuerza necesaria para manipular la pieza.
- Mayor velocidad en comparación con otros métodos de corte térmico.
- No requiere precalentamiento, ideal para cortes interrumpidos.
- Utiliza aire comprimido en versiones portátiles, eliminando el uso de gases peligrosos.
- Menor distorsión térmica y oxidación en los bordes.
Limitaciones
- Mayor costo inicial del equipo en comparación con el corte oxicombustible.
- Consumo elevado de energía eléctrica.
- Posibilidad de generar descargas eléctricas, ruido y emisiones de gases.
- Mayor dificultad en el control preciso del corte en comparación con procesos mecánicos.
Equipamiento para corte y soldadura con plasma
Antorchas
Figura : En la versión de soldadura de arco tipo aguja, el arco delgado y alto forma una soldadura que produce un 100% de penetración, arriba y abajo. La técnica es usada principalmente en aplicaciones industriales de precisión.
Las antorchas de plasma pueden ser manuales o mecanizadas, con diferentes tamaños según el espesor del material a cortar. Algunos modelos permiten el contacto directo con la pieza de trabajo, mientras que otros requieren un espacio de separación. Las partes consumibles, como el electrodo y la boquilla, deben reemplazarse periódicamente para mantener la calidad del corte.
Fuentes de alimentación
Se requieren fuentes de corriente continua con voltajes de funcionamiento entre 50 y 200V y voltajes de circuito abierto entre 150 y 400V. Los modelos más recientes incluyen tecnología de conmutación electrónica para mayor eficiencia y portabilidad.
Sistemas de movimiento
El corte mecanizado puede realizarse con equipos de control numérico (CNC) o robots para aplicaciones automatizadas. En talleres, se utilizan tractores de corte rectilíneo y sistemas de guiado manual.
Control ambiental y seguridad
El corte por plasma genera chispas y radiación intensa, por lo que se deben usar medidas de protección adecuadas, como gafas de seguridad y extracción de humos. Para reducir emisiones y ruido, se puede realizar el corte sobre una mesa de agua o sumergir parcialmente la pieza.
En comparación con el corte a gas, el plasma ofrece mayor seguridad, ya que no utiliza gases inflamables ni genera residuos peligrosos. Además, el menor aporte térmico reduce el riesgo de distorsión en materiales delgados, lo que lo hace ideal para aplicaciones en carrocerías y metalurgia fina.
Términos destacados :
Arco de plasma ( Plasma arc )
Ionización ( Ionization )
Electrodo ( Electrode )
Boquilla ( Nozzle )
Gas inerte ( Inert gas )
Soldadura con plasma ( Plasma welding )
Corte con plasma ( Plasma cutting )
Antorcha de plasma ( Plasma torch )
Temperatura del plasma ( Plasma temperature )
Alta frecuencia ( High frequency )
Arco transferido ( Transferred arc )
Arco no transferido ( Non-transferred arc )
Proceso de soldadura ( Welding process )
Proceso de corte ( Cutting process )
Material de aporte ( Filler material )
Tecnología de plasma ( Plasma technology )
Fuente de alimentación ( Power supply )
Corte CNC ( CNC cutting )
Velocidad de corte ( Cutting speed )
Energía térmica ( Thermal energy )
Control numérico ( Numerical control )
Soldadura keyhole ( Keyhole welding )
Gases de protección ( Shielding gases )
Aire comprimido ( Compressed air )
Zona afectada por el calor ( Heat-affected zone )
Metal base ( Base metal )
Distorsión térmica ( Thermal distortion )
Soldadura industrial ( Industrial welding )
Corte subacuático ( Underwater cutting )
Precisión de corte ( Cutting precision )
El corte y la soldadura con arco de plasma han evolucionado significativamente desde su invención, convirtiéndose en procesos clave en la industria metalmecánica. Su capacidad para trabajar con una amplia gama de materiales y su precisión lo hacen una opción superior en muchas aplicaciones, desde talleres de automóviles hasta grandes industrias de manufactura.
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