Usted puede cortarlo con plasma, pero ¿puede soldarlo?

El corte con plasma usando la configuración correcta de gas y soplete le facilita la vida al soldador

August 25, 2010

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¿Usted puede ayudar a un compañero de trabajo en el departamento de soldadura? Use la configuración correcta de gas y soplete de plasma correctos para mejorar la preparación para la soldadura.

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Pasan muchas cosas en un arco de plasma desde su generación en la superficie del electrodo hasta la pieza de trabajo. Entre muchos otros factores, el gas de formación del plasma y su material de protección circundante, ya sea gas o líquido, juegan un importante papel en la calidad final del corte.

Un corte de alta calidad se caracteriza por un bajo ángulo de biselado (idealmente entre 0 y 1 grados), ausencia de escoria inferior, ningún redondeo en el borde superior, mínima zona afectada por el calor (HAZ, por sus siglas en inglés), y una cara cortada lisa. La tersura del borde de corte puede verse afectada por la estabilidad de la columna del arco de plasma, debido en parte al diseño del soplete, así como a la precisión de la mesa de corte o robot. Además, una calidad de corte óptima requiere la altura adecuada del soplete para producir un ángulo de biselado mínimo.

Todas las variaciones del corte con plasma tienen una ventana de velocidad de corte óptima que produce cortes libres de escoria. Si el soplete va más rápido, el ángulo de biselado aumenta, provocando eventualmente escoria de alta velocidad que se pega en la parte inferior del corte, la cual puede ser difícil de eliminar. Si el soplete se mueve demasiado lento, el proceso produce escoria de baja velocidad, la cual es gruesa, porosa y más fácil de quitar. Pero la velocidad lenta provoca más calor en el material que el necesario, provocando una mayor HAZ y redondeo de la parte superior.

Todo borde de corte tosco o contaminado químicamente puede causarle problemas al soldador. Para asegurar la integridad de la soldadura, es posible que el soldador necesite considerar otros procedimientos como rectificado; metal de aportación alternativo; o un cambio en la velocidad de viaje. Un rectificado exhaustivo podría producir una superficie lista para soldadura por arco en corto circuito metálico protegido con gas, pero sin ese rectificado, el modo de transferencia puede ser problemático porque éste permite que el líquido del pozo de soldadura se congele rápidamente, y posiblemente atrape contaminantes, como nitrógeno. Los procesos de soldadura que producen pozos de soldadura de congelación más lenta, como la soldadura por arco sumergido o la soldadura por arco con núcleo de fundente, permiten que más contaminantes se desgasifiquen.

Eligiendo el Mejor Gas de Corte

En los años 70, cortar con plasma placa de acero al carbón con una combinación de nitrógeno-agua se prefería en lugar del corte con plasma de oxígeno, debido a su confiabilidad y versatilidad. Efectivamente, la inyección de nitrógeno-agua podría cortar cualquier metal. La cara cortada contaminada con nitrógeno, perjudicial para una soldadura posterior, se consideraba simplemente un inconveniente a cambio de la mayor velocidad del proceso con plasma y la solución más viable en ese momento.

Sin embargo, el tiempo gastado en la preparación exhaustiva para la soldadura puede eliminar fácilmente toda ganancia del corte con plasma más rápido. Dicho de otra manera, no importa qué tan rápido corte un plasma si la cara de corte resultante no puede soldarse de manera eficiente. Sin embargo, ha habido avances significativos en el corte con plasma, de hecho tan significativos, que es el proceso de elección cuando se trabaja con acero al carbón.

Acero al Carbón: Por qué el Oxígeno es Mejor

Cuando el acero al carbón se corta con plasma de nitrógeno, el nitrógeno es absorbido en la superficie de corte del metal base; de manera similar, el corte con plasma de oxígeno deja oxígeno detrás. El nitrógeno, sin embargo, es químicamente menos activo que el oxígeno. El oxígeno reacciona más fácilmente con la gama de elementos—como silicio, aluminio y manganeso—que pueden suministrarse a la zona de soldadura mediante elementos de aleación en materiales de aportación, gas de protección o agentes fundentes. Así, es más probable que el oxígeno permanezca en la zona de soldadura. Esto puede provocar islas de nitritos en los alrededores del grano así como porosidad en la soldadura, lo cual hace necesaria una preparación adicional de las superficies de corte con medios mecánicos como el rectificado o el maquinado.

Cortar con plasma acero al carbón con aire del taller puede ser incluso peor para la soldadura. De acuerdo con algunos estudios, hay sinergia en el arco de plasma altamente calentado entre las moléculas de oxígeno y nitrógeno en el aire ambiental.1 Se encontró que el plasma del aire aumenta la absorción de nitrógeno en la superficie de corte mientras que reduce el contenido de fierro del acero en la HAZ, dejando potencialmente una superficie de corte más susceptible a la ruptura. El dinero ahorrado usando aire del taller puede volverse irrelevante cuando se considera el tiempo adicional requerido para preparar la superficie de corte para soldadura y la probabilidad de discontinuidades en la superficie que pueden provocar un cambio en las propiedades mecánicas de la soldadura.

El corte con plasma de oxígeno del acero al carbón conduce a una mejor calidad de corte: mayor velocidad, menores ángulos de biselado (perpendicularidad), menos rugosidad en las caras de corte, mayor ventana libre de escoria, una HAZ más angosta, y una superficie de corte más amigable con la soldadura, lo cual puede reducir la cantidad de defectos perjudiciales en una estructura.

Además de reducir drásticamente los nitritos en la superficie de corte, el oxígeno también reduce la escoria que se adhiere al material durante el corte. Al trabajar con acero al carbón, el oxígeno reacciona exotérmicamente con el fierro en el metal líquido, creando óxido de fie-rro. La reacción libera energía extra que hace al metal líquido aún más caliente y menos viscoso. Esto facilita la remoción del metal líquido mediante el chorro de plasma, dejando un borde de corte limpio sin escoria en la parte inferior.

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Figure 2: Estas micrográficas muestran muestras cortadas de aluminio 5052 usando dos configuraciones diferentes: N2/H20 en la izquierda y H35 en la derecha. El corte con N2/H20 deja una superficie más tersa. Los indicadores muestran las ubicaciones de prueba de dureza. La distancia real entre el primero y el último indicador es 0.020 pulgadas.

Cuando el Nitrógeno Funciona: Acero Inoxidable y Aluminio

Esto no significa que el gas de plasma de nitrógeno nunca funcione. Los metales sin fierro como el aluminio o las aleaciones de fierro no reactivas como los aceros inoxidables no obtienen ningún beneficio del corte con plasma de oxígeno. Para el aluminio, el gas de oxígeno puede provocar óxidos pesados en el corte.

Sin reacción hierro-oxígeno, cortar con plasma estos metales se basa únicamente en la transferencia de calor del arco del plasma a la pieza de trabajo. Con estos materiales, el gas del plasma de argón-hidrógeno ha funcionado bien debido a que tiene una alta conductividad del calor. Una mejor conductividad del calor significa que se puede transferir más calor del arco al metal. Una mezcla común, H35, contiene 35 por ciento en volumen de hidrógeno. Para limitar la entrada de calor en materiales delgados, la mezcla puede tener un contenido en volumen de hasta un 5% de hidrógeno.

Debido a que la conductividad del calor de un arco de argón-hidrógeno es mayor, el arco pierde más calor, lo cual induce al arco de plasma a contraerse para aumentar la temperatura del núcleo para contrarrestar la pérdida de energía. Por supuesto, dicho arco requiere que se mantenga una potencia más alta.

Pero el argón-nitrógeno no es la única alternativa para el corte de aluminio y acero inoxidable. Con el diseño del soplete correcto, una inyección de nitrógeno-agua, menos cara que otros gases, puede funcionar bien cuando se corta con plasma material inoxidable y aluminio para una posterior soldadura.

El proceso implica un electrodo rodeado por nitrógeno, el cual es calentado por un arco eléctrico para formar el plasma. El arco de plasma resultante sale de la boquilla, y un escudo radial de agua incide en él. Una cortina de vapor se forma en la interfase plasma-agua, la cual protege al plasma contra la atmósfera y enfría el perímetro del plasma. Esto reduce el diámetro de la columna de plasma y concentra la energía hacia el núcleo interior del plasma, usando el mismo mecanismo explicado previamente para H35. El núcleo interior más caliente licúa eficientemente el metal fundido y lo expulsa de la parte inferior del corte Figura 1).

Un estudio reciente probó acero inoxi-dable 304 de 0.25 pulgadas y aluminio 5052-H2.2 El estudio implicó cortar con plasma cada uno de estos metales con una combinación de nitrógeno-agua (N2/H2O), luego soldarlos autógenamente (sin usar metal de aportación) con el proceso de arco de tungsteno con gas (vea la Figura 2 y la Figura 3). Se hicieron pruebas mecánicas y metalúrgicas a las uniones soldadas, incluyendo resistencia a la tensión y doblado. Después del corte, el contenido de nitrógeno de las superficies cortadas se midió usando microanálisis Auger de barrido (SAM, por sus siglas en inglés). Prácticamente, no se encontraron inclusiones de nitrógeno en las superficies cortadas.

Hay dos factores en el corte con plasma de nitrógeno-agua que pueden ayudar a producir dichos cortes tersos. Uno, el proceso es muy rápido; el borde del plasma está relativamente frío en comparación con los chorros de plasma convencionales debido al agua, la cual tiene un efecto de enfriamiento que resulta en una HAZ muy estrecha en el metal base.

Una mayor Densidad, un Mejor Corte

La meta en el corte con plasma, como en el corte por láser, es alcanzar la densidad de energía más alta posible para penetrar eficientemente la placa. Común a todos los procesos con plasma, el estre-chamiento y la estabilización se logran mediante un diámetro pequeño de la boquilla en combinación con el movimiento arremolinado del gas de formación del plasma. Dependiendo de la variación del proceso, puede lograrse un mayor estrechamiento usando agua como material de protección.

Otros mecanismos podrían usarse para estrechar y estabilizar el arco, como materiales con alta conductividad del calor para la boquilla, para evacuar el calor radiado por el arco reducido, o incluso campos magnéticos intensos. Actualmente, sin embargo, el costo de dichos sistemas anularía toda ganancia en calidad de corte y velocidad.

Los sistemas de plasma de alta defi-nición de la actualidad están mostrando muchos beneficios, particularmente para placa de 0.25 pulgadas y más gruesa. Qué tecnología de corte usar depende de los requerimientos de la aplicación. Pero con la mezcla correcta de gas, complementada con el diseño correcto del soplete, los sistemas de corte con plasma pueden hacer rápidamente cortes limpios—y facilitarle la vida al soldador.

Notas: 1. Ian D. Harris, Plasma cutting of Bridge Steels, National Cooperative Highway Research Program, Report 384 (Washington, D.C.; National Academy Press, 1997).

2. N. Hussary, G. Putnam, T. Renault, “Selection of Cost-Effective Plasma Cutting Processes for Weld Integrity,” en los procedimientos de FABTECH® International & AWS Welding Show, Chicago, 11-14 de Noviembre de 2007.



Geoffrey Putnam

Principal Engineering Associate
Victor Technologies
16052 Swingley Ridge Road
Suite 300
St. Louis, MO 63017
Phone: 636-728-3000

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