La evolución del corte con plasma

April 24, 2014

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Los fabricantes en metal con equipo de corte con plasma de 10 años o más pueden sorprenderse de saber lo lejos que ha llegado la tecnología. Ha evolucionado al punto en que los bordes exteriores son más tersos que nunca, y se pueden cortar agujeros de precisión para albergar sujetadores.

El corte con plasma ha recorrido un largo camino desde que fue desarro-llado a finales de los años 50 por in-genieros de Union Carbide Corp. Actualmente es uno de los procesos de corte de placa metálica de uso más amplio para una gran variedad de industrias.

Los primeros sistemas de corte con plasma (ve la Figura 1) se usaban principalmente para cortar placa de acero inoxidable y aluminio de 0.5 a más de 6 pulgadas de espesor. Estos sistemas, primitivos para los estándares de diseño de la actualidad, eran el método más práctico para cortar placa gruesa de material no ferroso. La mayoría estaban montados en máquinas de corte estilo pantógrafo XY que usaban trazadores de fotoceldas para duplicar dibujos de ingeniería grandes en líneas negras de las partes a ser cortadas, o un trazador magnético para seguir la trayectoria de una plantilla de acero.

Los ingenieros trabajaron sin cesar en el proceso durante toda la década de 1960 con la meta de mejorar la calidad de corte y la vida de las boquillas y electrodos consumibles en la antorcha de corte. El plasma empezó a ganar impulso durante este periodo conforme el proceso mejoró y conforme los usuarios se dieron cuenta de su capacidad para cortar formas complejas en materiales no ferrosos a muy altas velocidades.

En 1968 se introdujo la inyección radial de agua. Esta tecnología de boquilla patentada usaba agua pura inyectada radialmente alrededor del chorro de plasma para estrechar el arco, aumentando su densidad de energía mientras que mejoraba el enfriamiento de la boquilla permitiendo de esta forma velocidades de corte más rápidas, cortes de mayor calidad, y la capacidad de cortar aceros al carbón a velocidades de cuatro a seis veces más rápidas que un proceso de corte con oxicombustible.

Más o menos por esa misma época, la tecnología de máquina de corte con accionamiento en coordenadas XY estaba siendo mejorada. La tecnología de control por microprocesador empezó a convertirse en el cerebro de las máquinas de control de movimiento en XY, permitiendo una mejor precisión, velocida-des de corte más altas (necesarias para los sistemas de plasma con nueva tecnología), y niveles más altos de automatización y productividad en el taller.

En la década de 1970 la tecnología de corte con plasma reemplazó a muchas de las aplicaciones de corte de acero basadas en oxicombustible en espesores de 0.25 a 1 pulgada, mientras que siguió conservando su bastión en los mercados del acero inoxidable y del aluminio. Aun cuando el plasma podía cortar acero con espesor mayor a 1 pulgada, el proceso con oxicombustible seguía siendo una alternativa a menor costo para placa de acero más gruesa.

Cronología de los avances más importantes en ingeniería

Partiendo de la historia inicial estable-cida del plasma, echemos un vistazo a algunos de los avances más importantes en ingeniería con esta tecnología.

1957 El proceso de corte con plasma fue desarrollado y patentado por Union Carbide como una extensión del proceso de soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW).

1962-1967 Se concluyeron varios nuevos desarrollos en diseño de consumibles, y se diseñó la antorcha de flujo dual para ayudar a mejorar la vida de los consumibles y la calidad de corte en materiales no ferrosos.

1968 Se comercializó el proceso de inyección de agua. Este proceso permitió cortar bordes limpios de corte cuadrado y velocidades más rápidas, así como cortar aceros al carbón con una calidad de corte aceptable.

Figura 1
Los primeros sistemas de corte con plasma, primitivos para los estándares de diseño de la actualidad, fueron los más prácticos para cortar placa gruesa no ferrosa.

1970-1979 Debutaron la mesa de agua y el amortiguador de agua, diseñados para brindar control de vapores y humos. Surgieron controles automatizados de altura basados en voltaje de arco para una calidad de corte más consistente y una vida más larga de las partes consu-mibles.

1980-1984 Se introdujeron sistemas de corte con plasma basado en oxígeno, que ayudaban a mejorar lo cuadrado de los bordes y la metalurgia de los bordes (un borde soldable más terso) y permitían cortar aceros al carbón a menores niveles de potencia y mayores velocidades de corte (vea la Figura 2).

1984-1990 Muchos desarrollos en el proceso de corte con plasma de aire permitieron una mejor portabilidad y menores niveles de potencia para corte manual y corte mecanizado de hoja delgada.

1990 Se desarrollaron diseños de fuentes de potencia que usaban salidas controladas por corriente y moduladas por ancho de pulso. Algunos sistemas empezaron a usar fuentes de potencia con tecnología de inversores más pequeños de peso más ligero, adecuadas para sistemas de plasma portátiles manuales.

1992 Se introdujo la tecnología de proceso con oxígeno de larga vida. Se trataba esencialmente de un método controlado por microprocesador para controlar las presiones ascendentes del gas de plasma así como el amperaje de salida de la fuente de potencia. Ayudaba a aumentar la vida de las partes consumibles del corte con plasma de oxígeno entre cuatro y seis veces; mejoraba la consistencia de las partes; y ayudaba a reducir el costo del corte con plasma.

1993 Se desarrolló el plasma de alta definición, una técnica que requirió la implementación de la tecnología del oxígeno de larga duración. Este proceso permitió un nuevo diseño de boquilla que aumentó la densidad de energía de un arco de plasma de oxígeno hasta cuatro veces, permitiendo cortes más cuadrados y más limpios en todos los espesores de material.

1996 Surgieron los sistemas automatizados de control de flujo de gas. Éstos se conectaban digitalmente con los CNC de las máquinas. Estos controles de flujo de gas eliminaron en parte la posibilidad de errores relacionados con el operador de la máquina en el ajuste de parámetros para el proceso de corte.

1996-2006 Ocurrieron muchos desarrollos relacionados con la mejora de la calidad de corte y la productividad, y con la automatización de muchos parámetros de corte del proceso. Éstos incluyeron el plasma integrado, un sistema que acoplaba estrechamente el CNC, la fuente de potencia del plasma, el control de flujo de gas, el software CAM y el sistema de control de altura para automatizar el proceso. Con esta caracte-rística integrada al sistema, el trabajo del operador de la máquina se volvió mucho más simple, y el proceso dependió menos de la pericia del operador.

Recientes desarrollos tecnológicos

En los últimos siete años, los desarrollos en tecnología de corte con plasma se han dado a un ritmo muy rápido. La revisión más reciente en máquinas de alta defini-ción es su completa integración con las máquinas CNC con las que están acopladas. Los nuevos CNC tienen accesibilidad por pantalla táctil, minimizando el número de botones involucrados en ope-rar una máquina de corte con plasma, y haciendo la operación tan simple como casi cualquier software basado en Windows®. La capacitación del operador se ha simplificado incluso en las máquinas CNC de corte con plasma más grandes y complejas.

El trabajo del operador también se ha hecho más fácil con mejoras en la función de control de altura con auto-cali-bración. El operador no necesita hacer ajustes conforme las partes consumibles de la antorcha se desgastan.

Figura 2
El surgimiento de los sistemas de corte con plasma basado en oxígeno a principios de la década de 1980 significó la mejora de la calidad de corte (abajo) con respecto a los sistemas tradicionales de corte con plasma basado en nitrógeno de aquella época (arriba).

El corte de agujeros se ha mejorado con una gran base de datos de información en el software CAM, que reco-noce automáticamente las funciones CAD e implementa la mejor trayectoria de corte posible y parámetros de corte con plasma, incluyendo cambios de gas de protección sobre la marcha que casi eliminan la conicidad normal encontrada en agujeros cortados con plasma en acero (vea la Figura 3). Este proceso es transparente para el operador de la máquina y para el programador del sistema, eliminando la necesidad de que sean expertos.

Se han incorporado mejoras en los tiempos de ciclo de corte a corte en el sistema CAM. El software reconoce automáticamente áreas de un nido de corte completo (partes múltiples) y modifica el tiempo de avance, el tiempo de retracción de la antorcha, y el tiempo de preflujo de gas, para reducir los tiempos de producción y mejorar el rendimiento.

El software de anidado ahora aplica los puntos de alimentación de la manera más efectiva para evitar atravesar áreas propensas a colisiones con partes cortadas previamente.

El software de biselado de placa mejorado ha simplificado la integración y adopción de una cabeza de bisel con máquinas de corte CNC en XY. Este avance, de nuevo asociado con el software CAM del sistema, ahorra muchas de las pruebas de ensayo y error del programador/operador que siempre han sido necesarias para obtener las mejores tolerancias en aplicaciones de biselado de borde de placa, como preparación para soldadura.

La muy nueva tecnología de mezclado de gas y boquilla venteada ha ayudado a mejorar la calidad de borde en acero inoxidable. Los bordes son más cuadrados, brillosos y soldables.

Los sistemas de corte con plasma de aire de los principales fabricantes también mejoraron espectacularmente en términos de calidad de corte, vida de los consumibles y ciclos de trabajo. Estos sistemas, diseñados principalmente para aplicaciones de corte portátiles y manuales en taller, ahora están disponibles

con antorchas mecanizadas de cambio rápido, y se conectan fácilmente a diversas máquinas CNC de menor costo. Hay sistemas que van desde una unidad de 30 amperes tamaño tostador que opera con corriente doméstica a 120 V para cortar materiales de hasta 0.5 pulgadas de espesor, hasta una unidad industrial de ciclo de trabajo pesado al 100 por ciento de 125 amperes que puede cortar materiales de 2.25 pulgadas. Ambos sistemas portátiles pueden usarse con una antorcha manual o pueden mecanizarse para diversas aplicaciones de corte automatizado.

Los sistemas mecanizados industriales típicamente tienen un ciclo de trabajo pesado del 100 por ciento, disponibles con antorchas de máquina, y diseñados para usar diversos

gases comprimidos para un ajuste fino de la calidad de corte para diferentes materiales. Estos sistemas están disponibles en varios tamaños y capacidades de 130 a 800 amperes.

Se han hecho muchos otros avances para mejorar la confiabilidad, el de-sempeño, la vida de los consumibles, la calidad de corte y la facilidad de uso desde que se creó el primer sistema de plasma. El proceso comparte el mercado del corte con el corte láser, el chorro de agua abrasivo y el corte con oxicombustible, brindando todos ellos precisión, productividad y rentabilidad a largo plazo cuando se usan para las aplicaciones adecuadas.

Figura 3
El corte de agujeros ha mejorado desde los primeros días (arriba) del corte con plasma. La tecnología de plasma de la actualidad puede brindar agujeros cortados con precisión que cumplen las especificaciones más estrictas (abajo).



Jim Colt

Applications Technology Manager
Hypertherm Inc.
P.O. Box 5010
21 Great Hollow Road
Hanover, NH 03755
Phone: 603-643-3441

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