Corte por plasma

El corte por plasma es un proceso que corta materiales conductores de electricidad mediante un chorro acelerado de plasma caliente ( arco eléctrico ). Los materiales típicos que se cortan con una antorcha de plasma incluyen acero , acero inoxidable , aluminio , latón y cobre , aunque también se pueden cortar otros metales conductores. El corte por plasma se utiliza frecuentemente en talleres de fabricación , reparación y restauración de automóviles, construcción industrial y operaciones de recuperación y desguace . Gracias a la alta velocidad y precisión de los cortes, junto con su bajo coste, el corte por plasma se utiliza ampliamente, desde aplicaciones industriales de control numérico computarizado (CNC) a gran escala hasta pequeños talleres de aficionados.

El proceso básico de corte por plasma consiste en crear un canal eléctrico de gas sobrecalentado e ionizado (plasma) desde la propia cortadora, a través de la pieza a cortar, formando así un circuito eléctrico completo que regresa a la cortadora mediante una pinza de conexión a tierra . Esto se logra mediante un gas comprimido (oxígeno, aire, inerte u otros, según el material a cortar) que se sopla a alta velocidad a través de una boquilla focalizada hacia la pieza. Se forma un arco eléctrico dentro del gas, entre un electrodo cercano o integrado en la boquilla y la pieza. El arco eléctrico ioniza parte del gas, creando así un canal de plasma conductor. A medida que la electricidad de la antorcha de corte viaja a través de este plasma, proporciona el calor suficiente para fundir la pieza. Al mismo tiempo, gran parte del plasma de alta velocidad y el gas comprimido expulsan el metal fundido, separando así la pieza y cortándola.

El corte por plasma es un método eficaz para cortar materiales tanto delgados como gruesos. Las antorchas manuales suelen cortar placas de acero de hasta 38 mm (1,5 pulg.) de espesor, mientras que las antorchas más potentes controladas por ordenador pueden cortar acero de hasta 150 mm (6 pulg.) de espesor. ^{[ 1 ]} Dado que las cortadoras de plasma generan un cono de corte muy caliente y localizado, resultan extremadamente útiles para cortar chapa metálica con formas curvas o angulares.    

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 la formación del arco piloto. El arco piloto se forma dentro del cabezal de la antorcha, con la corriente fluyendo desde el electrodo hasta la boquilla. Durante esta fase, el arco piloto comienza a quemar la boquilla, una pieza consumible. A continuación, el aire expulsa el plasma a través de la boquilla hacia la pieza de trabajo, proporcionando una trayectoria de corriente desde el electrodo hasta la pieza. Cuando el sistema de control detecta que la corriente fluye desde el electrodo hacia la pieza, corta la conexión eléctrica a la boquilla. La corriente fluye entonces desde el electrodo hacia la pieza, y el arco se forma fuera de la boquilla. El corte puede entonces continuar sin quemar la boquilla. La vida útil de la boquilla está limitada por el número de arranques de arco, no por el tiempo de corte.

El corte por plasma surgió de la soldadura por plasma en la década de 1960 y se consolidó como un método muy productivo para cortar chapa y planchas metálicas en la década de 1980. ^{[ 2 ]} Presentaba ventajas sobre el corte tradicional "metal contra metal", como la ausencia de virutas metálicas, cortes precisos y un borde más limpio que el corte por oxicorte . Las primeras cortadoras de plasma eran grandes, algo lentas y costosas, por lo que solían dedicarse a la repetición de patrones de corte en un modo de "producción en masa".

Al igual que con otras máquinas herramienta, la tecnología CNC (control numérico computarizado) se aplicó a las máquinas de corte por plasma a finales de la década de 1980 y principios de la de 1990, lo que les otorgó mayor flexibilidad para cortar diversas formas "bajo demanda" según un conjunto de instrucciones programadas en el control numérico de la máquina. ^{[ 3 ]} 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 (conocido como corte XY).

Se requiere protección ocular y facial adecuadas para prevenir daños oculares, como la queratitis por arco eléctrico , así como daños por residuos. Se recomienda usar lentes verdes con tonalidad n.° 5. La OSHA recomienda una tonalidad 8 para corrientes de arco inferiores a 300 A, pero señala que «Estos valores se aplican cuando el arco real es claramente visible. La experiencia ha demostrado que se pueden usar filtros más claros cuando el arco está oculto por la pieza de trabajo». ^{[ 4 ]} Lincoln Electric, fabricante de equipos de corte por plasma, afirma: «Normalmente, una tonalidad oscura de n.° 7 a n.° 9 es aceptable». Longevity Global, Inc., otro fabricante, ofrece esta tabla más específica para la protección ocular en el corte por arco de plasma a amperajes más bajos:

También se recomiendan guantes de cuero, un delantal y una chaqueta para prevenir quemaduras por chispas y metal caliente. ^{[ 5 ]}

Es fundamental trabajar en un área limpia, libre de líquidos, materiales y gases inflamables. Las chispas y el metal caliente de una cortadora de plasma pueden provocar incendios rápidamente si no se aíslan de objetos inflamables. En ciertas situaciones, las cortadoras de plasma pueden lanzar chispas calientes hasta a 1,5 metros (5 pies) de distancia. Los operarios de la máquina suelen ser incapaces de ver cualquier incendio que se haya iniciado, ya que están protegidos por sus caretas faciales. ^{[ 6 ]}

Las cortadoras 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. Algunas cortadoras utilizan un circuito de alto voltaje y alta frecuencia para iniciar el arco. Este método tiene varias desventajas, incluyendo riesgo de electrocución, dificultad de reparación, mantenimiento del espacio de chispa y gran cantidad de emisiones de radiofrecuencia . ^{[ 7 ]} Las cortadoras de plasma que trabajan cerca de electrónica sensible, 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 es soplada hacia adelante. Un tercer método, menos común, es la descarga capacitiva en el circuito primario a través de un rectificador controlado de silicio .

Las cortadoras de plasma analógicas, que normalmente requieren más de 2 kilovatios, utilizan un transformador de alta frecuencia. Las cortadoras de plasma con inversor rectifican la corriente de la red eléctrica a CC, que se alimenta a un inversor de transistores de alta frecuencia, entre 10  kHz y aproximadamente 200  kHz. Las frecuencias de conmutación más altas permiten utilizar transformadores más pequeños, lo que reduce el tamaño y el peso totales del equipo.

Los transistores utilizados inicialmente eran MOSFET , pero actualmente se emplean cada vez más IGBT . Con MOSFET en paralelo, si uno de los transistores se activa prematuramente, puede provocar una falla en cascada que afecte a una cuarta parte del inversor. Los IGBT, una invención posterior, son menos propensos a este tipo de falla. Los IGBT se encuentran generalmente en máquinas de alta corriente donde no es posible conectar en paralelo suficientes transistores MOSFET.

La topología de conmutación se denomina convertidor directo fuera de línea de doble transistor. Si bien son más ligeras y potentes, algunas cortadoras de plasma con inversor, especialmente aquellas sin corrección del factor de potencia , no pueden funcionar con un generador (esto significa que el fabricante de la unidad inversora lo prohíbe; solo es válido para generadores portátiles pequeños y ligeros). Sin embargo, los modelos más recientes cuentan con circuitos internos que permiten que las unidades sin corrección del factor de potencia funcionen con generadores de baja potencia.

Algunos fabricantes de cortadoras de plasma construyen mesas de corte CNC , mientras que otros integran la cortadora en la propia mesa. Las mesas CNC permiten que un ordenador controle el cabezal de la antorcha, produciendo cortes limpios y precisos. Los equipos de plasma CNC modernos son capaces de realizar cortes multieje en materiales gruesos, lo que posibilita la creación de uniones de soldadura complejas que de otro modo serían imposibles. Para materiales más delgados, el corte por plasma está siendo reemplazado progresivamente por el corte por láser , debido principalmente a la superior capacidad de perforación de este último.

Un uso especializado de las cortadoras de plasma CNC se encuentra en la industria de la calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). El software procesa la información de los conductos y crea patrones planos que se cortan en la mesa de corte mediante la antorcha de plasma. Esta tecnología ha incrementado enormemente la productividad en 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. Por ejemplo, letreros comerciales y residenciales, arte mural, letreros de direcciones y adornos para jardines.

En los últimos años se ha producido un mayor desarrollo. Tradicionalmente, las mesas de corte de las máquinas eran horizontales, pero ahora existen máquinas de corte por plasma CNC verticales, que ofrecen un menor tamaño, mayor flexibilidad, seguridad óptima y un funcionamiento más rápido.

Existen tres configuraciones principales de corte por plasma CNC, que se diferencian principalmente por la forma de los materiales antes del procesamiento y la flexibilidad del cabezal de corte.

El electrodo dentro de la antorcha (que actúa como cátodo ) se desgasta durante el proceso de corte. Esta degradación es causada por las condiciones extremas cerca de su superficie, ^{[ 8 ]} así como por la emisión de electrones que mantienen la corriente del arco, factores que dañan su integridad estructural.

Para prolongar su vida útil, los electrodos de corte por plasma suelen estar compuestos de dos metales: una carcasa de cobre y un inserto de hafnio . El hafnio es un material refractario que ayuda a reducir la erosión, pero no la evita.

Por consiguiente, los electrodos se consideran componentes consumibles de las antorchas de corte por plasma. Tras un cierto tiempo de uso, se dañan demasiado y se destruyen instantáneamente. Un electrodo destruido ya no puede iniciar ni mantener un arco de corte y, por lo tanto, debe reemplazarse.

La vida útil de un electrodo no es del todo predecible. Un estudio ^{[ 9 ]} sugiere que esta variabilidad puede estar relacionada con las dimensiones del inserto de hafnio.

El corte por plasma produce ranuras, pero estas no tienen una forma perfecta. Idealmente, un corte por plasma debería dar como resultado una ranura perfectamente lineal y extremadamente estrecha.

En la práctica, sin embargo, los cortes realizados con plasma son más anchos en la superficie superior de la lámina de metal que en la inferior.

Además, los bordes izquierdo y derecho del corte (en relación con la dirección de corte) suelen ser asimétricos. El origen de estas asimetrías sigue sin estar claro. ^{[ 10 ]}

Varios parámetros de corte —como la velocidad de corte, la intensidad de la corriente del arco, la distancia entre la antorcha y la pieza de trabajo, y las presiones de inyección de gas— influyen significativamente en la calidad del corte. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

En la última década, los fabricantes de antorchas de plasma han desarrollado 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 estas antorchas para que los operarios puedan producir piezas que requieren poco o ningún acabado.

Inicialmente, las antorchas de plasma eran caras. Por ello, solían encontrarse únicamente en talleres de soldadura profesionales y en garajes y tiendas particulares bien surtidos. Sin embargo, las antorchas de plasma modernas son cada vez más económicas y ahora están al alcance de muchos aficionados, con precios inferiores a los 300 dólares. Si bien las unidades más antiguas pueden ser pesadas, siguen siendo portátiles, mientras que algunas de las más recientes, con tecnología inverter , pesan menos y ofrecen capacidades iguales o superiores a las de las antiguas.

• Corte por arco de carbono aéreo
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• Soldadura

• HowStuffWorks sobre el corte por plasma
• Declaración del método de trabajo seguro para cortadoras de plasma