Perforado pesado con plasma

Las estrategias de corte superan los retos de la perforación inicial

April 27, 2012

A los fotógrafos les encantan las colas de gallo—esa salpicadura de metal fundido producida conforme una antorcha de plasma se mueve y perfora placa. Todas esas chispas forman espectaculares gráficas, muy buenas para los reportes anuales. Sin embargo, para el supervisor de un taller de fabricación, ese fotogénico chubasco de metal fundido representa un desperdicio indeseado pero necesario

Perforado pesado con plasma - TheFabricator.com

Figura 1: Los sistemas de plasma de alta densidad de la actualidad pueden cortar rápida-mente placa gruesa, y ciertas tecnologías han hecho que la perforación inicial no sea tanto problema. Foto cortesía de ESAB Welding & Cutting Products.

A los fotógrafos les encantan las colas de gallo—esa salpicadura de metal fundido producida conforme una antorcha de plasma se mueve y perfora placa. Todas esas chispas forman espectaculares gráficas, muy buenas para los reportes anuales. Sin embargo, para el supervisor de un taller de fabricación, ese fotogénico chubasco de metal fundido representa un desperdicio indeseado pero necesario.

Hasta que el arco penetra el fondo de la placa, el metal fundido necesita un lugar a donde ir. El metal salpicando hacia arriba y alrededor del área de perforación puede representar un costoso desastre. Luego está la cuestión del doble arco. La trayectoria típica del arco va del electrodo a la pieza de trabajo, pero con el doble arco, la trayectoria del arco va del electrodo a la boquilla y luego a la pieza de trabajo, lo cual puede dañar los consumibles. La salpicadura en el lado frontal de la antorcha puede precipitar este doble arco. Además, salpicadura en exceso puede acumularse en la antorcha y causar la destrucción prematura de los consumibles.

Las estrategias de perforado comba-ten esto (vea las Figuras 1 y 2). Los sistemas de plasma modernos pueden perforar de forma efectiva placa de dos pulgadas de espesor o incluso más gruesas. Sin embargo, conforme aumenta el espesor es difícil ir contra la física. Lo que el metal fundido sube tiene que bajar.

Los inicios en el borde pueden ser ideales en muchos casos (vea la Figura 3), pero no siempre son posibles ni prefe-ribles. Cortar desde el borde de la placa hasta el diámetro exterior (OD) de una parte en el nido puede crear mucho desperdicio. Si la antorcha debe cortar agujeros y otros diámetros interiores (IDs) de partes, el plasma no tiene otra opción que perforar de frente (vea la Figura 3).

Al inicio de la perforación, toda la energía del plasma se concentra en la superficie, pero conforme la perforación se hace más profunda, la energía del plasma se dispersa sobre un área más amplia. “Conforme se llega más abajo, se forman lados al agujero de perforación”, dijo Stephen Liebold, ingeniero de procesos con plasma de Hypertherm, en Hanover, N.H. “Así que ahora la energía no sólo se dirige hacia abajo, sino también hacia los lados del agujero. Esto hace que el proceso funda más metal y ensanche el agujero en la parte superior”.

Altas velocidades de flujo del gas pueden ayudar a soplar hacia arriba el metal fundido y sacarlo del agujero de perforación. Y durante el corte de acero al carbón, la protección de oxígeno reacciona con el metal sobrecalentado. Aunque esto acelera la perforación, también agranda el agujero perforado.

“Esto es suponiendo que se está haciendo todo fuera del agua”, dijo Robbie Smallwood, ingeniero de procesos con plasma de ESAB Welding & Cutting Products, Florence, S.C. “Cuando se perfora acero al carbón grueso debajo del agua, la salpicadura de la perforación se solidifica más rápido y se acumula a un nivel más alto en la parte superior de la placa. El oxígeno auxiliar no será tan efectivo”.

El acero inoxidable y las aleaciones no ferrosas como el aluminio hacen ineficaz la protección con oxígeno, por supuesto. Esto significa que la antorcha debe perforar sólo fundiendo y soplando el metal.

Para eso, los fabricantes pueden usar varias técnicas para lograr una perforación eficiente en placa gruesa, ya sea acero al carbón, acero inoxidable, aluminio u otros materiales. Todos tratan de minimizar ese fotogénico desecho del corte.

Perforación de viaje

Una perforación tradicional de viaje o de avance lento controla el flujo de ese metal fundido soplado de regreso, creando esas familiares colas de gallo que dispersan metal desde la antorcha de plasma. “Esencialmente se empieza con un corte”, dijo Liebold. La antorcha se pone en movimiento a una velocidad rápida de corte y luego se reduce a una velocidad de avance lento conforme se mueve varias pulgadas antes de penetrar. Esto ayuda a controlar a dónde va esa salpicadura fundida.

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Figura 2: Durante el corte, el metal fundido sale hacia abajo. Durante la perforación, por supuesto, el metal fundido sólo puede ir hacia arriba. Foto cortesía de Thermadyne Industries.

“Esto permite hacer un corte lento y con cuidado”, dijo Smallwood, “y deja que el material fundido vaya atrás de la dirección de la perforación. Se está desviando material fundido en cierta dirección, y éste puede ser controlable por programación”. Agregó que actualmente, los elevadores pueden subir la antorcha a una altura de perforación específica y luego bajarla a la altura de corte, lo que ayuda a minimizar la distancia de avance. “Esto permite que la longitud de inicio sea igual o menor que el espesor de la placa en la mayoría de los casos”.

Dichas longitudes de inicio pueden aumentar el desperdicio de material, una propuesta cara cuando se trata de material grueso, particularmente placa de acero inoxidable. Además presentan un problema obvio con agujeros de diámetro pequeño. “Si un agujero tiene un diámetro de 2 pulgadas, no hay mucho espacio dentro del agujero para moverse”, dijo Dirk Ott, vicepresidente de automatización global de plasma de Thermadyne Industries, St. Louis, Mo.

Corte en cadena y preperforado

Si un nido requiere corte de diámetros exteriores de muchas piezas pequeñas, el corte en cadena puede ser una estrategia que cobra sentido. Aquí, la antorcha perfora y luego corta muchos perfiles pequeños en una sola trayectoria, evitando la necesidad de perforar más de una vez.

Otra estrategia, el preperforado, funciona bien con nidos de muchos perfiles pequeños, especialmente aquellos con cortes de diámetros interiores. El programa de la máquina de plasma hace todas las perforaciones. Luego se detiene, para que el operador pueda limpiar la salpicadura y a veces cambiar los consumibles. Después de esto, el programa baja la antorcha y empieza a cortar, usando un inicio de borde en los agujeros preperforados. “El software de anidado programa la secuencia de preperforado para satisfacer los requerimientos de la [aplicación]”, dijo Smallwood.

La altura de perforación

El corte por arco de plasma usa fuentes de energía de CD de corriente constante, las cuales pueden alimentar corriente de salida a cualquier voltaje hasta el voltaje máximo de operación del sistema para la corriente seleccionada. Conforme la antorcha sube y la longitud del arco aumenta, el voltaje del arco aumenta hasta un punto crítico, acercándose al voltaje máximo de operación del sistema, antes de que la corriente empiece a disminuir. “En algún punto la fuente de energía no puede dar suficiente voltaje para soportar el arco, por lo que el arco simplemente se extingue”, dijo Jackie Winn, gerente de investigación y desarrollo de Kaliburn Inc., Ladson, S.C.

La fuente de energía en sí debe tener suficiente reserva en el voltaje de arco para soportar el aumento de la distancia de apertura y longitud del arco, agregó Ott. “Cuando se está demasiado arriba de la placa, se minimiza la salpicadura en la antorcha”.

Las fuentes de energía modernas ofre-cen voltajes máximos de operación, lo que permite distancias de apertura muy grandes entre la placa y la antorcha. El arco inicialmente se transfiere al metal a una altura preestablecida. Después de la transferencia del arco, elevadores de alta velocidad suben la antorcha a una altura mayor de perforación. Las fuentes de energía que pueden lograr mayores voltajes de arco a la corriente requerida pueden mantener el arco a la altura de perforación durante el tiempo que dure la perforación.

“Una vez que se concluye la perforación y se inicia el movimiento, [la antorcha] desciende a la altura de corte”, dijo Winn, y agregó que en este punto puede entrar en operación el control automático de voltaje, el cual monitorea el voltaje del arco para controlar la distancia de apertura de la antorcha durante el corte.

Liebold agregó que un voltaje má-ximo de operación alto da cierta flexibilidad cuando se trata de tiempos de perforación. Eso es debido a que tener suficiente voltaje disponible significa que la energía del arco no se reduce significativamente si el plasma se queda momentáneamente en un agujero abierto, porque puede mantener corriente incluso con una longitud grande de arco. Una gráfica de corte puede asignar una perforación de cinco segundos para un cierto espesor de metal, pero una configuración con consumibles nuevos puede penetrar la placa en menos de la mitad del tiempo. Sin embargo, después de varias horas de arco encendido, los consumibles se desgastan y los tiempos de perforación aumentan. El establecer un tiempo de perforación consistente, aunque más largo, ayuda a asegurar una penetración completa sin importar qué tan usados estén los consumibles.

En la boquilla

Para combatir el retorno de la llama, hay quienes usan un ángulo de punta de antorcha más puntiagudo. “Con un extremo frontal de la antorcha más largo y más fino, es posible que no haya tanta escoria golpeando la superficie de la antorcha”, dijo Winn.

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Figura 3: Un inicio en borde, mostrado aquí iniciando desde una sección cortada previamente, puede ser ideal para placa gruesa. Foto cortesía de ESAB Welding & Cutting Products.

Las antorchas además pueden tener copas de protección enfriadas por agua. Esto significa que en lugar de permanecer en la antorcha, la salpicadura golpea la antorcha enfriada y rápidamente se solidifica antes de tener oportunidad de pegarse. “La [salpicadura enfriada] tiende a descascararse con más facilidad”, dijo Liebold.

“Usted mantiene el metal de [protección de la antorcha] lo más frío posible”, dijo Ott, “porque cuando éste se calienta, la salpicadura se pega a la copa de protección”.

Ott agregó que algunos fabricantes grandes han usado sistemas integrados en los cuales una boquilla extra colocada cerca de la antorcha sopla oxígeno durante la perforación. “La idea es soplar el material fundido de la antorcha”.

Perforado extremo

Una estrategia ineficaz de perforado pue-de causar una perforación anquilosada o estancada—un pozo fundido de metal en el fondo del agujero de perforación parecido a un crisol. La energía del plasma calienta y recalienta la sopa, pero no el metal sin fundir que está debajo.

Una perforación estacionaria desde una fuente de energía con energía suficiente puede superar esto, incluso a una apertura grande. De ser necesario, un técnico puede programar una perforación de viaje largo. Pero en raros casos, hasta la perforación de viaje puede no ser ade-cuada. Cierto material puede ser tan caro que todo el tiempo empleado en reducir los desperdicios de las distancias de inicio de la perforación es tiempo bien gastado.

Como lo explicó Liebold, en estos casos, el sistema de plasma puede hacer una perforación doble. El arco de plasma primero perfora una parte del espesor del metal. Luego el arco se detiene, dejando un agujero ciego. El operador raspa la salpicadura de la superficie de la placa y luego reposiciona la antorcha para que el arco perfore alrededor de 0.25 pulgadas de la pared lateral del agujero de perforación. Esto hace espacio para que los gases y el metal fundido sean soplados hacia abajo y hacia arriba de la pared lateral opuesta del agujero ciego de perforación, hasta que el arco perfora el fondo de la placa.

Perforado inteligente

El técnico debe evaluar varios factores para determinar la estrategia de perforado más rentable. Sin embargo, como lo explicaron las fuentes, la velocidad y la precisión del plasma han hecho que este proceso sea una opción incluso para placa sumamente gruesa. Los sistemas de alta densidad de la actualidad pueden producir cortes con tolerancias exigentes de forma rápida y efectiva. Uno de los elementos más desafiantes, de hecho, es la simple perforación de lado a lado.

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Figura 4: La perforación de viaje no es una opción para agujeros de diámetro pequeño. Foto cortesía de Hypertherm Inc.



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