T-1-13

ASOCIACIÓN ESPAÑOL A DE SOLDADURA SOLDA DURA Y TECNOLOGÍAS TECNOL OGÍAS DE UNIÓN

Tem a 1 1.13

PROCESOS D DE C CORTE Y Y P PREP A R A CIÓN DE B B ORDES A c t u al i zad o p p o r : F Fél i x B B o l añ o s S Si er r r a

Sept Septiemb iembre re 2004 2004

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN

ÍNDICE 0.- INTRODUCCIÓN 1.- PREPARACIÓN DE BORDES PARA SOLDADURA 1.1.- Conceptos Fundamentales de Preparación Preparación de Bordes 1.1.1.- Aspectos Geométricos 1.1.2.- Aspectos Químicos y Metalúrgicos 1.2.- Tipos de Preparación y sus Aplicaciones 1.3.- Procesos de corte y preparación de bordes 2.- MECÁNICOS 2.1.- Corte por Cizalladura 2.1.1.- Cizallado 2.1.2.- Punzonado 2.2.- Arranque de Viruta 2.2.1.- Aserrado 2.2.2.- Mecanizado 2.3.- Abrasión 2.3.1.- Abrasivo Aglomerado (Amolado) 2.3.2.- Abrasivo Suspendido (Chorro de Agua) 2.3.2.1.- Aplicaciones 2.3.2.2.- Características 2.3.2.3.- Instalaciones 3.- TÉRMICOS 3.1.- Oxicorte 3.1.1.- Gases para Oxicorte 3.1.2.- Influencia de la pureza del oxigeno 3.1.3.- Función de la llama de calentamiento en el oxicorte 3.1.4.- Reguladores. Válvulas de seguridad y canalizaciones 3.1.5.- El Soplete 3.1.6.- Boquillas de Cortina 3.1.6.1.- Pureza del oxigeno de corte 3.1.6.2.- Diseño de una boquilla de cortina 3.1.6.3.- Soplete adecuado 3.1.6.4.- Datos de corte 3.1.6.5.-Calidad 3.1.6.5.-Calidad de bordes 3.1.6.6.- Influencia del gas combustible 3.1.6.7.- Aspectos económicos 3.1.7.- Datos de trabajo para oxicorte 3.1.8.- Regulación de la llama y calidad de corte 3.1.9.- Oxicorte con adición de polvo de hierro 3.1.10.- Instalaciones y configuraciones de corte 3.2.- Plasma 3.2.1.- Definición del plasma gaseoso 3.2.2.- Fluidos plasmágenos plasmágenos 3.2.3.- Equipos de corte con plasma 3.2.4.- Principios de la operación 3.2.5.- Tipos de corte con plasma 3.2.5.1.- Corte por fusión 3.2.5.2.- Corte con oxidación parcial 3.2.5.3.- Corte convencional convencional 3.2.5.4.- Corte con gas secundario (DUAL FLOW) 3.2.5.5.- Corte con inyección de agua 3.2.5.6.- Corte con inyección de oxígeno 3.2.5.7.- Corte en mesas de agua 3.2.6.- Parámetros de corte -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.13 -1-


3.2.7.- Efectos metalúrgicos 3.2.7.1.- Acero al carbono 3.2.7.2.- Acero inoxidable 3.2.7.3.- Aluminio 3.2.8.- Defectología 3.2.9.- Porosidad en la soldadura de juntas cortadas con plasma 3.2.10.- Seguridad en el corte con plasma 3.2.10.1.- Altos voltajes 3.2.10.2.- Producción de gases nocivos 3.2.10.3.- Producción de gas oxi-hidrógeno inflamable 3.2.10.4.- Radiación proveniente del arco 3.2.10.5.- Ruido 3.2.10.6.- Humos 3.2.11.- Comparación con otros procesos 3.3.- Láser 3.3.1.- Partes fundamentales de un láser 3.3.2.- Tipos de láser en función de la fuente 3.3.2.1.- CO2 3.3.2.2.- Nd: YAG 3.3.2.3.- Otros 3.3.3.- Tipos de focalización 3.3.4.- Calidad del haz 3.3.5.- Interacción con el material base 3.3.6.- Instalaciones 3.3.7.- Consumibles 3.3.8.- Variables del proceso 3.3.9.- Seguridad en el corte por láser 3.4.- Otros procesos de corte 3.4.1.- Arco aire 3.4.2.- Lanza térmica

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.13 -2-


0.- INTRODUCCIÓN Una de las primeras tareas a realizar en los procesos de soldeo es el corte y preparación de bordes. Estas operaciones que no son en sí, el propio proceso, son vitales para el logro de unos buenos resultados en las operaciones operaciones posteriores de soldeo. De cómo realicemos estas tareas t areas previas van a depender muchos parámetros importantes que nos afectarán posteriormente de manera decisiva en el resultado de las uniones soldadas que realicemos. El corte y la preparación de bordes condicionarán posteriormente parámetros tan importantes como: -

Impurezas e inclusiones en los bordes a soldar.

-

Acabado superficial de los bordes.

-

Geometría de la unión soldada y la distribución de calor.

-

Procesos de soldeo apropiados. apropiados.

-

Número y forma de los cordones o pasadas.

-

Deformaciones Deformaciones post soldadura.

-

Probabilidad de que se produzcan determinados tipos de defectos. defectos .

Es por ello que para la consecución de unas buenas soldaduras irremediablemente tendremos como punto de partida la realización de una correcta y adecuada preparación de bordes.

1.- PREPARACIÓN PREPARACIÓN DE BORDES PARA SOLDADURA SOLDA DURA Entendemos por preparación de bordes las operaciones que se realizan sobre los materiales base previamente a la ejecución del soldeo, para adecuarlos a los procesos que vamos a utilizar, dejando los materiales de base de la manera más óptima para conseguir los mejores resultados posibles.

1.1.- Conceptos Fundamentales de Preparación de Bordes En las preparaciones de bordes para soldeo existen dos tipos de aspectos fundamentales que van a afectar posteriormente al desarrollo de la soldadura y que debemos tener en cuenta, que son las modificaciones geométricas geométricas y las químico-metalúrgicas del material base. 1.1.1. 1.1.1.-- Aspecto s Geométrico s

Existen una serie de parámetros que definen la geometría de una preparación de bordes: -

Espesor (e)

-

Ángulo (α)

-

Ángulo complementario complementari o ( γ)

-

Talón (m)

-

Garganta o entrehierro (x)

-

Radio (r)


Tema 1.13 -3-


-

Forma

-

Acabado superficial

FIGURA 1.0 DIMENSIONES QUE DEFINEN UNA PREPARACION DE BORDES

1.1.2.- Aspectos Químicos y Metalúrgicos

De los procesos de preparación de bordes pueden quedar restos e inclusiones sólidas, líquidas o gaseosas que modifiquen los posteriores resultados de la soldadura. Como ejemplo de esto, podemos apuntar los óxidos y escorias de tipo sólido; las grasas, taladrinas e hidrocarburos de tipo líquidas (las de tipo líquidas serán mas bien siempre de restos y no inclusiones) y de tipo gaseoso como hidrógeno y nitrógeno retenidos retenidos (las de tipo gaseoso serán mas bien siempre de inclusiones y no de restos). También en los distintos procesos de preparación de bordes podremos producir transformaciones metalúrgicas en las zonas próximas a dicha preparación que afectarán a los resultados posteriores de las operaciones de soldeo.

1.2. 1.2.-- Tipos d e Preparación Preparación y sus Aplic aciones Las distintas preparaciones de bordes dependen principalmente del espesor del material a soldar y los procesos que se van a aplicar, siendo los rangos habituales los siguientes: Para soldaduras a tope manuales y semiautomáticas: Bordes rectos:

sin separación, soldando por un solo lado, hasta 2 mm. Sin separación, soldando por ambos lados para espesores de hasta 3 mm. con separación, de ½ del espesor por un lado de 2 a 4 mm. con separación ,de ½ del espesor por ambos lados de 3 a 6 mm.


Tema 1.13 -4-


Chaflán en bisel simple:

Se utilizan para espesores de más de 4 mm. tipo semi V se usan con ángulos mayores de 45º tipo V o Y se usan normalmente con ángulos de 60 a 70º Tipo J y U se utilizan normalmente con ángulos ángulos de 35 y 45º respectivamente.

Los chaflanes de tipo J se utilizan en lugar de los de tipo semi V cuando el espesor es tal que el volumen de metal a depositar es sustancialmente menor y compensa la menor aportación de material y el menor tiempo de ejecución el sobre-coste económico que acarrea la mayor dificultad de la realización del bisel. Así mismo y por idénticas razones se emplean los biseles de tipo U en lugar de los de los tipos V e Y. Chaflán en bisel doble:

Se pueden utilizar para espesores superiores a 10 ó 12 mm. tipo K se usan normalmente con ángulos de 45º o mayores tipo X se usan normalmente con ángulos de 60 a 70º tipo doble J se utilizan normalmente con ángulos de 35º tipo doble U se utilizan normalmente con ángulos de 45º

Se usan en lugar de los de bisel simple cuando hay acceso a soldar por ambos lados, y aportan la ventaja, de compensar las deformaciones, reducir prácticamente a la mitad el material aportado, como se puede observar en la figura 1.1, y disminuir en gran medida los riesgos de defectología en las pasadas de raíz, al permitir el saneado de la misma desde el lado opuesto. En cambio presentan la desventaja de aumentar la manipulación de la pieza para ejecutar las soldaduras, lo que acarrea una gran dificultad en caso de piezas de gran volumen y/o masa.

FIGURA 1.1 COMPARACION VOLUMEN DE MATERIAL APORTADO ENTRE UNA PREPARACION EN V Y OTRA DE IGUAL ESPESOR EN X

Los chaflanes de tipo doble J se usan en lugar de los de tipo K y los de doble U en lugar de los de tipo X en los mismos casos y condiciones en los que se usaban los de tipo J y U en lugar de los de tipo semi V y V o Y respectivamente. respectivamente. Así mismo, en general, los chaflanes o biseles de tipo J y U se podrán usar con ángulos tanto más pequeños cuanto mayor sea el radio de la parte inferior, de tal manera que siempre se permita un buen acceso del arco al fondo de la unión y una buena fusión en los bordes.


Tema 1.13 -5-


Para soldaduras automáticas: Se usan otro tipo de preparaciones que van a depender en gran medida del proceso y los parámetros que se empleen. De las preparaciones preparaciones habituales para los distintos procesos y espesores se dan algunos ejemplos en las figuras siguientes en donde se muestran preparaciones preparaciones usuales.


Tema 1.13 -6-


En I ( Bordes Rectos )

En T

En V

En V con talón o En Y

En T con penetración por una cara

En X

En X Asimétrica

En T con penetración total

En K

Por una sola cara con soporte

En T con penetración por una cara con soporte

En U

FIGURA 1.2 PREPARACIONES A TOPE MÁS FRECUENTE

FIGURA 1.3 PREPARACIONES EN SOLDADURA EN ÁNGULO


Tema 1.13 -7-


FIGURA 1.4 PREPARACIONES DE SOLDADURA MANUAL

FIGURA 1.5 PREPARACIONES DE SOLDADURA SEMIAUTOMATICA


Tema 1.13 -8-


FIGURA 1.6 PREPARACIONES DE SOLDADURA AUTOMATICA POR UN LADO HASTA 14 MM. Y DE 15 A 22 MM.

FIGURA 1.7 PREPARACIONES DE SOLDADURA AUTOMATICA POR DOS LADOS PARA MAS DE 22 MM.


Tema 1.13 -9-


Ø

+

FIGURA 1.8 PREPARACIONES DE UNA SOLA CARA EN SOLDADURA MANUAL HORIZONTAL Y CORNISA


Tema 1.13 -10-


FIGURA 1.9 PREPARACIONES DE SOLDADURA SEMIAUTOMATICA HASTA 7 MM., DE 8 A 15 MM., MAS DE 15 MM. HORIZONTAL Y PARA ESPESORES DE MENOS DE

40 MM. EN CORNISA

FIGURA 1.10 PREPARACION DE SOLDADURA AUTOMATICA


Tema 1.13 -11-


FIGURA 1.11 PREPARACIONES DE SOLDADURA T .I.G. HASTA 6 MM., DE 7 A 14 MM., MAS DE 14 MM. HORIZONTAL

1.3. 1.3.-- Procesos de c orte y preparación preparación de bordes Los distintos procesos de corte y preparación de bordes, que posteriormente desarrollaremos, se muestran de forma esquemática en la siguiente tabla en función de su naturaleza.


Tema 1.13 -12-


Procesos de Corte y Preparación de Bordes

Mecánico

Térmico

Cizallado

Oxicorte

Cizalladura

Energía de Combustión

Punzonado

Arranque de de Viruta

Aserrado

Plasma

Mecanizado

Láser

Energía Eléctrica

Arco Aire

Abrasivo Aglomerado (Amolado)

Otros

Abrasión Abrasivo suspendido (Chorro Agua)

FIGURA 1.12 PROCESOS DE CORTE Y PREPARACION DE BORDES EN FUNCION DE SU NATURALEZA

Cada uno de estos procesos procesos tiene sus propias propias posibilidades posibilidades y limitaciones, tanto tanto en materiales, materiales, espesores y acabados para los que cada uno de ellos son mas adecuados. En la figura 1.13 podemos ver de forma esquemática los usos mas habituales de cada proceso y sus rangos de aplicación.


Tema 1.13 -13-


FIGURA 1.13 MATERIALES Y ESPESORES DE USO PARA LOS DISTINTOS PROCESOS DE CORTE HASTA 6 MM., DE 7 A 14 MM., MAS DE 14 MM. HORIZONTAL


Tema 1.13 -14-


2.- PROCESOS MECÁNICOS Llamaremos mecánicos a aquellos procesos de corte y preparación de bordes en los que la geometría final de la pieza se produce por arranque de material. También podemos hablar de corte en frío pues aunque el arranque de material genera calor en el mismo, no se produce la fusión de este. Vamos a ver en que consisten básicamente, aunque profundizaremos en ellos de una forma menor que en los procesos térmicos, dada la menor relación que estos tienen con las tecnologías de soldeo.

2.1.2.1.- Cort Cort e por Cizalladur Cizalladur a La particularidad principal que distinguirá a los procesos de cizalladura del resto de los procesos de corte mecánicos es la no existencia de sangría, viruta o material arrancado del material base, y aunque técnicamente son el mismo proceso, distinguiremos el cizallado lineal o con cuchillas rectas y el punzonado realizado con matrices de diferentes geometrías. geometrías. 2.1.1.2.1.1.- Cizallado

No permite una preparación de bordes que no sea con cantos rectos y soldaduras rectilíneas, Además añade el inconveniente de que generalmente produce deformación en las chapas lo que nos obligará en muchos casos al aplanado de las mismas. Por estas razones, lo podemos calificar como proceso de preparación de baja calidad.

FIGURA 2.1 CIZALLA CON POSICIONADO POR CNC

La operación de corte por cizallado consiste en hacer que se deslicen dos porciones de un cuerpo, que son separadas por la acción de unas cuchillas; las cuchillas en primer lugar provocan el alargamiento alargamiento de las fibras de la chapa hasta que se produce la rotura, iniciada por una incisión seguida de una cortadura o arrancado de las fibras.


Tema 1.13 -15-


Las aristas cortantes de las láminas o cuchillas han de ser vivas, y el juego entre las mismas muy reducido, de acuerdo con el esfuerzo cortante, para que las secciones resulten lisas y sin rebabas. Los distintos pasos para producir el corte se pueden observar en la figura siguiente.

FIGURA 2.2 SECUENCIA DEL PROCESO DE CIZALLADO

−

Angu An gulo lo de Cort Co rte e

El ángulo de corte está formado por las dos caras de la cuchilla con la arista cortante como vértice; su valor, inferior a 90º, hace disminuir la resistencia de la arista cortante y facilita el seccionamiento del material de corte, haciendo que esta sección sea limpia (sin arrugas) y vertical. Para facilitar el corte se coloca un tope sobre la chapa para que esta no se levante, como se puede observar en la figura 2.2. El valor del ángulo de corte se hace de acuerdo con el material de las cuchillas y el de la chapa que se corta; valores bastante normales son los que se reflejan en la figura 2.3.

FIGURA 2.3 ANGULOS DE CORTE PARA EL PROCESO DE CIZALLADO

−

Angu An gulo lo de Ataq A taque ue

El ángulo de ataque es el que forman las aristas cortantes. Si este fuera cero, el esfuerzo cortante sería muy grande, este esfuerzo se reduce a medida que crece el ángulo de ataque dentro de unos determinados límites, llegando a ser del orden de una cuarta parte del mismo para un ángulo adecuado. En la siguiente figura se ilustra el ángulo de ataque y los valores usuales para distintas aplicaciones.


Tema 1.13 -16-


FIGURA 2.4 ANGULO DE ATAQUE DEL PROCESO DE CIZALLADO −

Cizallas Cizallas portátiles

Las cizallas portátiles tienen dos pequeñas cuchillas, del orden de 10 o 20 mm. de longitud que permiten el corte de chapas con una geometría distinta de la rectilínea mediante un movimiento alternativo continuo de las cuchillas, tipo máquina de coser, y el guiado de la propia máquina mientras va cortando. Este tipo de máquinas permiten el corte curvo pero están limitadas a espesores muy pequeños del orden de 1 o 2 mm.

FIGURA 2.5 CIZALLA PORTATIL REALIZANDO CORTES CURVOS Y RECTOS

−

Biseladoras portátiles

Existe un tipo particular de cizalla portátil, llamada “biseladora”, que mediante la aplicación de una sufridera con ángulo regulable permite el biselado de piezas previamente cortadas, pudiendo regular el ángulo del bisel y el talón. Tienen el inconveniente de que la superficie superficie resultante suele ser muy irregular, irregular, precisando posteriormente un proceso de amolado para igualar las superficies de la preparación de bordes.


Tema 1.13 -17-


FIGURA 2.6 BISELADORA PORTATIL REALIZANDO EL BISELADO DE UNA PIEZA

2.1.2.-Punzonado

No permite una preparación bordes que no sea con cantos rectos, aunque a diferencia del cizallado, con el uso de distintos tipos de punzones permite el corte de todo tipo de figuras. No produce grandes deformaciones en las chapas puesto que al cortar de un sólo golpe un perímetro cerrado éstas se compensan, por lo que, por lo general, no precisaremos el aplanado posterior. En cambio tiene el inconveniente de presentar aristas vivas entre los distintos golpes de que se compone el corte. Por ello como preparación de bordes, lo pedemos calificar como de preparación de media calidad.

FIGURA 2.7 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL PUNZONADO


Tema 1.13 -18-


El punzonado es una operación de corte cerrado, mayormente en forma circular, cuya primera función fue la de producir agujeros en chapas y perfiles laminados para fabricar estructuras de calderería mediante la unión por medio de tornillos o roblones. Posteriormente se pusieron los punzones en máquinas automáticas con control numérico que mediante la sucesión de golpes sincronizado con el movimiento de las chapas a cortar, producen cortes de distintas geometrías.

FIGURA 2.8 PUNZONADORA CNC

El material punzonado sufre previamente la presión o golpe de cortadura y después es arrancado. Cuando el espesor de la chapa punzonada es grande, las paredes de los agujeros punzonados no son muy lisas, llegando a poder presentar ligeras grietas, por lo que, en algunos casos, antes de proceder a soldar habrá que eliminar las superficies cortadas por amolado u otro proceso. Evidentemente las chapas cortadas por punzonado presentan en el corte una sangría que será la del diámetro de la matriz de corte y que deberá de ser tenida en cuenta a la hora de cortar para que la pieza resultante sea del tamaño y geometría deseados. −

Punzón y Matriz

El juego o huelgo entre el punzón y la matriz, de formas circulares u otras, será el adecuado según el material a punzonar. La forma del punzón es troncocónica correspondiendo el diámetro mayor al de corte, facilitando esta disposición el corte o punzonado así como también la salida del punzón del corte efectuado. La matriz, así mismo, tendrá sus paredes paredes ligeramente inclinadas inclinadas o cónicas hacia fuera para para permitir la salida del material cortado; estas funciones se pueden facilitar con un lubricado adecuado, que posteriormente supondrá un inconveniente para la soldadura, por lo que se deberá evitar en la medida de lo posible para la preparación de bordes de soldadura.


Tema 1.13 -19-


FIGURA 2.9 ANGULOS HAB ITUALES PARA PUNZONADO CIRCUL AR

Las holgura lateral entre punzón y matriz (perfectamente centrados) se hace habitualmente de: (d1 – d) = e / 10

para punzonado de materiales blandos

(d1 – d) = e / 8

para punzonado de materiales semiduros

(d1 – d) = e / 6

para punzonado de materiales duros

2.2.2.2.- Arranqu e de Viruta La característica principal que define el arranque de viruta es; que un material o herramienta mas duro que el que pretendemos conformar, realiza una incisión en el otro, (material base) cortándolo y arrancándole una parte del mismo, variando por tanto su geometría. Aunque el arranque de viruta o mecanizado es toda una disciplina de la mecánica y sus variables son múltiples en función de la geometría de las máquinas, forma de trabajo, herramientas herramientas utilizadas, etc. En este caso nos centraremos en algunos aspectos simples, que serán de interés y trataremos sólo el caso del aserrado para corte de piezas y el mecanizado, con carácter general (Fresado, Mandrinado, Torneado, contorneado o cualquier otro proceso de mecanización). mecanización). El proceso básico del arranque de viruta queda representado por el mas simple de ellos que sería la acción de un cincel cortando un material representado en la figura siguiente, en donde los parámetros a considerar son: El Ángulo Libre α (De Incidencia) El Ángulo de Corte β El Ángulo de Salida γ (De Desprendimiento) Todos ellos (α + β + γ) suman 90º


Tema 1.13 -20-


FIGURA 2.10 CINCELADO COMO EJEMPLO GENÉRICO DE ARRANQUE DE VIRUTA

2.2.1.- Aserrado

La configuración de una sierra es una sucesión de dientes que actúan como un cincel individual cada uno de ellos de manera consecutiva. Las hojas de sierra, que pueden ser rígidas, flexibles, para máquinas alternativas, de cinta, circulares, manuales etc., se caracterizan en todos los casos por el paso o distancia entre los dientes consecutivos y por la disposición de los mismos que pueden ser triscados u ondulados, disposiciones que se realizan para favorecer el corte y la salida de la viruta, evitando que las sierras se atasquen. las c aracterísticas señaladas quedan plasmadas en la siguiente figura:

FIGURA 2.11 TRISCADO, PASO Y ONDULADO DE UNA SIERRA


Tema 1.13 -21-


FIGURA 2.12 DATOS DE USOS HABITUALES DE SIERRAS RECTAS


Tema 1.13 -22-


FIGURA 2.13 DATOS DE USOS HABITUALES DE SIERRAS DE CINTA

FIGURA 2.14 DATOS DE USOS HABITUALES DE SIERRAS CIRCULARES


Tema 1.13 -23-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 2.2.2.2.2.2.- Mecanizado

El mecanizado es una disciplina que por si misma puede ser tan extensa y compleja como la propia soldadura; por ello en este tema y dado que es de soldadura de lo que hablamos, no profundizaremos en la amplia tecnología del mecanizado sino que nos centraremos mas bien en los efectos y resultados que con ella podemos obtener en el corte y preparación de bordes para soldar. La preparación de bordes por mecanizado es la que nos ofrece una mejor calidad, además nos posibilita la realización de estos en las mas diversas geometrías, incluido superficies curvas, algo que prácticamente sólo con el mecanizado se puede conseguir. Las superficies obtenidas son lisas, las tolerancias estrechísimas, muy inferiores a las necesarias y la repetitividad es casi perfecta. Pero algún problema ha de tener: pues sí, es, sin lugar a dudas, el método mas lento y caro de los que se aplican, por lo que sólo se aplica cuando la geometría no se puede conseguir por otro método o cuando el acabado superficial o la tolerancia dimensional que se requieren no se pueden obtener por otro método. A continuación podemos ver en la siguiente figura una “Contorneadora” “Contorneadora” (Máquina de mecanizar especialmente diseñada para la realización de biseles en chapas planas) para que no haya obstáculos que impidan el biselado de todo el contorno, el amarrado de la pieza se realiza mediante una mesa magnética que sujeta la pieza mientras el cabezal la mecaniza.

FIGURA 2.15 CONTORNEADORA


Tema 1.13 -24-


En la siguiente figura podemos observar dos cabezales preparados para mecanizar biseles con talón en semi V y en J respectivamente. Las plaquitas cuadradas de la parte superior realizan el mecanizado del talón al mismo tiempo que las plaquitas recta en diagonal y curva en cada caso, realizan el resto del bisel determinando el tamaño del talón la altura del cabezal en el momento de proceder al mecanizado

FIGURA 2.16 CABEZALES DE MECANIZADO PREPARADOS PARA LA REALIZACION DE BISELES EN SEMI V Y J RESPECTIVAMENTE AMBOS CON TALÓN DE UNA SÓLA PASADA

En la siguiente figura vemos resultado obtenido en una chapa en la que se ha preparado un lado en Semi V y otro en J. (El plegado es posterior a la realización de los biseles)

FIGURA 2.17 PIEZA BISELADA EN SEMI V Y J CON TALON


Tema 1.13 -25-


2.3.- Abrasión El principio de la abrasión consiste en que, al poner en íntimo contacto dos materiales de distinta dureza y producir un desplazamiento relativo entre ellos al mismo tiempo que se mantiene una presión sobre la cara de unión, el mas duro arranca partículas al otro. El proceso es parecido al arranque de viruta con la diferencia de que en este caso el efecto es de arrastre de material; en cambio en el arranque de viruta se produce el corte. El material abrasivo se introduce en un sustrato para su utilización y este puede ser sólido, como en el caso del amolado, o líquido como en el caso del corte por chorro de agua. Existen otras muchas aplicaciones de los abrasivos, distintas de las de corte y preparación de bordes en las que los sustratos pueden ser de otra naturaleza, por ejemplo con sustrato gaseoso (generalmente aire) los abrasivos se utilizan para el chorreado. chorreado. 2.3.1. 2.3.1.-- Abrasiv o Agl omerado (Amol ado)

El uso de abrasivos aglomerados para el corte y preparación de bordes se limita a las reparaciones y preparaciones preparaciones de biseles de forma manual en casos puntuales o en ajustes en obra. Las herramientas son, elementos de revolución, generalmente discos de diferentes formas y tamaños en donde se diseminan partículas de un elemento duro en dispersión mas o menos concentrada dentro de un aglomerante que da forma al disco. Estos discos se ponen en máquinas, normalmente portátiles, neumáticas o eléctricas que los hacen girar para que al entrar en contacto con la pieza produzcan la abrasión de esta y el arranque del material. Aunque el abrasivo abrasivo que contiene contiene el disco es es mas duro que que el material a amolar, amolar, éste también también se desgasta desgasta debido a que las partículas abrasivas se v an desprendiendo desprendiendo del aglomerante que las contiene. Los abrasivos usuales son: El Diamante.- Es el mas duro de los empleados. No se utiliza en muelas para preparación de • bordes. •

Borazón (Nitruro de Boro).- Sigue en la escala de dureza al diamante. Su uso tampoco es para preparación de bordes.

•

Óxidos de Aluminio.- Se emplea para el amolado de aceros aleados y no aleados.

•

Carburo de Silicio.- Se emplea para Hierro fundido, metales no férreos, y materiales no metálicos.

En cuanto a los aglomerantes pueden ser; vitrificados, resinoides, de caucho o metálicos. Estos últimos usados casi exclusivamente como sustrato para las muelas de diamante. Independientemente del abrasivo que se utilice, éste puede también tener varios tamaños de grano en función del uso a que se destine. Evidentemente, para desbaste se utilizan granos más gruesos y para pulido o acabado granos más finos. Así mismo, los aglomerantes pueden ser más compactos o más porosos en función del uso. Los materiales que tienen tendencia a embotar los discos, porque las partículas arrancadas al material base se adhieren plásticamente, requieren el uso de discos blandos que se desgranen fácilmente, permitiendo así la eliminación de los residuos y que el disco siga trabajando de una forma efectiva.


Tema 1.13 -26-


Las amoladoras pueden ser de varios tipos, tamaños y potencias en función del uso a que se destinen, existiendo de varias velocidades y potencias así como de diversas formas geométricas que faciliten su uso para aplicaciones determinadas. determinadas. Especial cuidado hay que tener en el uso de las muelas, en los diámetros de los discos, pues aunque los discos de distintos tamaños se pueden poner en todas las amoladoras la velocidad que mantiene fija la amoladora es la velocidad angular o de giro, lo que al variar el diámetro del disco varía significativamente la velocidad lineal o de trabajo del borde exterior, pudiendo ser peligroso, descender el rendimiento o hacer inefectivo el disco para su uso. Los discos suelen ir provistos dentro del aglomerante de una red de fibras muy tenaces para impedir que ante la rotura de un pedazo del disco este pueda salir a modo de proyectil impulsado por la enorme energía cinética que adquiere cuando gira a velocidades de entorno a 8000 rpm. A continuación podemos ver en la figura los tipos más usuales de discos y sus aplicaciones en la siguiente figura:


Tema 1.13 -27-


FIGURA 2.18 FORMAS DE LAS MUELAS NORMALIZADAS HABITUALES


Tema 1.13 -28-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 2.3.2. 2.3.2.-- Abrasiv o Suspendi do (Chorro de Agua)

El principio de este proceso consiste en presurizar el agua a presiones superiores a los 4000 bar. y posteriormente posteriormente hacerla pasar por un orificio pequeño, del orden de décimas de mm. de diámetro, que oscila normalmente entre 0,1 mm. y 0,5 mm., lo que convierte la presión en energía cinética al reducir drásticamente la sección del fluido, con lo que se consiguen velocidades del orden de 1200 m/s. El proceso se utilizó inicialmente a mediados de siglo para corte de carbón, pero su uso como proceso industrial de corte comenzó en los años 70, aunque se reducía a corte de materiales relativamente blandos. Fue a mediados de los 80 cuando se extendió su uso a materiales duros como; metales, mármol, cerámica o vidrio, con la incorporación incorporación al chorro de agua, por efecto venturi, de partículas abrasivas. La configuración de una instalación de corte por agua es muy parecida, excepto en los cabezales de corte, a una de láser, plasma u oxicorte, pero al no ser un proceso térmico, no hay combustión y por tanto no se produce deterioro de los bordes cortados ni transformaciones transformaciones metalúrgicas. Esto permite el corte de la práctica totalidad de los materiales. Otra ventaja que añade el proceso a otros conocidos es la facilidad que presenta para el corte en tres dimensiones. 2.3.2.1.- Aplicaciones

Las aplicaciones mas favorables de este proceso son todas aquellas en que se requiera cortar materiales no aptos para cortar con procesos térmicos y en aquellos en que se requiera el no calentamiento de los bordes para evitar transformaciones metalúrgicas o reacciones favorecidas por el aporte térmico, así es corriente su uso para corte de; vidrio, cerámica, polímeros, plásticos, metales, telas, papel e incluso en la industria de alimentación. alimentación. A continuación podemos ver en la figura diversas piezas de distintos materiales cortadas por chorro de agua en dos y tres dimensiones.


Tema 1.13 -29-


FIGURA 2.19 PIEZAS DE DISTINTOS MATERIALES CORTADOS CON CHORRO DE AGUA EN

2 D, Y 3 D

Otra posibilidad interesante es la de cortar composiciones tipo sándwich de materiales distintos, lo cual no sería posible por procesos térmicos debido principalmente a las distintas temperaturas de fusión. Una instalación de corte por chorro de agua se muestra en la figura cortando un sándwich compuesto por cinco materiales distintos.


Tema 1.13 -30-


FIGURA 2.20 BOQUILLA DE CORTE POR CHOORO DE AGUA CORTANDO UN SANDWICH DE 5 MATERIALES DISTINTOS COMPUESTO POR:



ACERO AL CA RBONO



LATON



COBRE



ALUMINIO



ACERO INOXIDABL E

2.3.2.2.-Características



No deforma el material ni daña las superficies pulidas o protegidas



El proceso se puede robotizar y por tanto cortar en 3 D.



No produce humos



No altera las propiedades físicas ni químicas de los materiales a cortar



Corta espesores no accesibles a otros procesos de alta definición como láser o plasma



La sección de corte es recta y lisa



Perfora en cualquier dirección y punto de inicio, sin que este se diferencie apenas del resto del corte



La sangría es pequeña, del orden de décimas a algo mas de un milímetro según aplicaciones

2.3.2.3.-Instalaciones

La instalación de corte por agua se compone básicamente de las siguientes partes: 



Planta de tratamiento tratamiento que filtra, descalcifica descalcifica y desaliniza el agua. Equipo de bombeo que abastece a la instalación del caudal de agua necesario y a la presión requerida. Presiones del orden de 4000 bar. son usuales en este proceso.


Tema 1.13 -31-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 







Unidad opcional de alimentación de polvo abrasivo conectada directamente a la boquilla de corte. Boquilla de corte, provista en su extremo de un zafiro o un diamante con un orificio de salida de pequeño diámetro, del orden de unas décimas de milímetro. Aislamiento de seguridad de de la zona de trabajo con pantalla pantalla o por sistemas sistemas electrónicos Planta de tratamiento de residuos y reutilización del polvo abrasivo.

FIGURA 2.21 REPRESENTACION ESQUEMÁTICA DE UNA INSTALACION DE CORTE POR CHORRO DE AGUA

FIGURA 2.22 INSTALACIÓN TÍPICA DE CORTE POR CHORRO DE AGUA


Tema 1.13 -32-


3.- PROCESOS TÉRMICOS Llamaremos térmicos a aquellos procesos de corte y preparación preparación de bordes en los que la geometría final de la pieza se produce con aporte de energía externa, conduciendo finalmente a la fusión o la combustión del material base, a lo que también podemos llamar corte en caliente. Dentro de estos procesos, podemos distinguir claramente dos tipos: aquellos en los que la energía calorífica proviene de la combustión de elementos y aquellos en los que la energía aportada proviene de una fuente que tiene como origen la electricidad.

3.1.3.1.- Oxicor te El término oxicorte indica la operación de seccionamiento seccionamiento o corte c orte del acero por la acción del dardo de un soplete alimentado por un gas combustible y el oxígeno. Es por tanto, un proceso de combustión del material a cortar, esto quiere decir que al cortar el acero, el hierro arde al combinarse con el oxígeno formándose óxidos de hierro, debido a una reacción fuertemente exotérmica. Efectivamente, un hilo de hierro llevado a la temperatura de 900 a 1.000 oC y puesto en presencia de oxígeno puro, arde rápidamente continuando la combustión por la energía liberada en la propia reacción de oxidación. Los óxidos forman una escoria fundida que puede evacuarse fácilmente de la sección cortada. Uno de los requisitos básicos que debe cumplirse para que se pueda realizar el proceso de oxicorte es que los productos de la combustión (óxidos del metal) tengan un punto de fusión inferior al del metal propiamente dicho. El hierro es uno de los pocos metales en que sucede esto. Puro, tiene un punto de fusión de 1.530 oC. En el diagrama de la figura 3.1.1 podemos observar las temperaturas de fusión de aleaciones compuestas de hierro y oxígeno, en donde la temperatura se expresa en función de un incremento progresivo de 0 2. Siendo la temperatura más baja de fusión de los óxidos de hierro de 1.400 oC.

FIGURA 3.1.1 TEMPERATURAS DE FUSION DE LOS COMPUESTOS DE HIERRO Y OXIGENO


Tema 1.13 -33-


Una vez estudiado este gráfico, nos viene una pregunta a la memoria: ¿Por qué algunos metales, como por ejemplo el aluminio, no se pueden oxicortar? La respuesta es bien sencilla, porque el óxido de aluminio (alumina) tiene un punto de fusión que es de unos 1.000 oC superior al del aluminio puro. Como todos conocemos, el hierro puro no se emplea como material para la construcción, sino que está aleado con otros elementos, tales como C, Mn, Cr, Ni, etc. Como es lógico, estos elementos pueden formar compuestos con el Fe puro que tengan distinto punto de fusión que éste. Veamos que influencia tiene estos elementos en la aptitud para el oxicorte: a) CARBONO En aceros con contenido de hasta el 0,3 % de C se oxicorta sin dificultades. En aceros con contenido de C desde 0,3% hasta 2%, puede ser preciso el precalentamiento. precalentamiento. En el gráfico de la figura 3.1.2 podemos observar la influencia que tiene el contenido de carbono en la aleación con el hierro. La temperatura más baja de fusión la tenemos con contenido 4,3% de carbono con unos 1.150oC. Esta es una de las razones que dificultan el oxicorte de las fundiciones.

FIGURA 3.1.2 TEMPERATURAS DE FUSION DE LOS COMPUESTOS DE HIERRO Y CARBONO

b) MANGANESO El manganeso no tiene ninguna influencia ya que en estado puro se corta más fácil que el acero común.


Tema 1.13 -34-


c) SILICIO En las proporciones que se encuentra en los aceros no reduce la aptitud de corte, pero si tiene influencia si se aumenta su contenido en la velocidad de corte, ya que a mayor contenido en Si, tenemos una menor velocidad de corte. d) CROMO Hasta un 5% de Cr, no afecta excesivamente al acero y se puede realizar el oxicorte sin dificultades, pero ya unos contenidos mayores lo dificultan grandemente.. La llama utilizada para cortar los aceros al cromo debe ser carburante. e) NÍQUEL Se puede cortar acero que tenga hasta un 3%. f) MOLIBDENO Aquí podemos podemos repetir lo dicho dicho para el Cromo. Cromo. g) WOLFRAMIO El contenido máximo para no presentar dificultades es del 10%. h) COBRE Hasta un 2% de contenido en cobre no tiene influencia en el corte. El cobre puro no se puede cortar con oxicorte. i) ALUMINIO Hasta un 10% de aluminio no tiene influencia apenas en el oxicorte. Pero hay que recordar que el aluminio no se puede oxicortar. j) FÓSFORO Y AZUFRE En los contenidos en que se encuentran en los aceros, no dificultan el corte. k) VANADIO En pequeñas cantidades, facilita el oxicorte. La segunda condición necesaria para que sea posible el proceso de oxicorte es, que la temperatura de ignición del metal sea inferior al punto de fusión, ya que de lo contrario, el metal se fundiría antes de que se pudiera iniciar el proceso de oxicorte. La tercera condición se refiere a que, es preciso que los productos de la combustión no sean gaseosos en una proporción apreciable, ya que éstos diluyen el oxígeno utilizado para cortar. Esta es la causa por la -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.13 -35-


que no podemos cortar la madera con oxicorte, ya que debido a estas diluciones el contenido de O 2 baja tanto que hace que el corte se detenga. Como cuarta condición, es necesario que al arder el metal desarrolle el calor suficiente para que la propia combustión del hierro prosiga, es decir, que debe liberarse una cantidad de calor suficiente para que esto ocurra. Por último, es necesario que el metal tenga una conductividad relativamente mala, mala, ya que si ésta es muy buena, el calor aportado a la sección de corte se disipa rápidamente, lo cual dificulta el proceso de combustión. Estos condicionantes hacen que se oxicorten con facilidad únicamente los aceros al carbono de bajo carbono y los débilmente aleados. Para oxicortar aceros aleados habrá que recurrir a procesos adicionales como precalentamiento, o adición de polvos metálicos en la zona de corte, proceso que se explicará mas adelante. 3.1.1.- Gases para Oxicorte

Para el oxicorte se utiliza una llama, resultado de quemar un combustible en ambiente de oxígeno, y un chorro de oxígeno que es el que realiza propiamente el oxicorte. A continuación se estudian algunas particularidades de los gases combustibles y del oxígeno, así como su influencia sobre el proceso de corte. 3.1.2. 3.1.2.-- Influenci a de la pur eza del ox igeno

El contenido de impurezas en el O 2 tiene gran incidencia en la velocidad de corte que puede alcanzarse. Cuanto mayor es el contenido de impureza, menor es la velocidad de corte y mayor, por tanto, el desfase o retardo. El O2 industrial tiene un contenido mínimo de oxígeno del 99,5%. Esto significa que el O 2 de oxicorte que sale de la boquilla tiene, al menos, esa pureza. La figura siguiente muestra de forma simplificada, el recorrido del chorro de oxígeno de corte a través del espesor de una plancha. Obsérvese la capa de oxígeno contaminado que rodea al chorro de gas.


Tema 1.13 -36-


FIGURA 3.1.3 RECORRIDO DEL CHORRO DE OXIGENO A TRAVES DEL ESPESOR DE LA PIEZA

Cuando el oxígeno de corte sale de la boquilla, entra inmediatamente en un ambiente en el que hay otros gases. Aunque el chorro del soplete tiene una velocidad gran velocidad, es contaminado por los gases circundantes, al menos en la capa exterior. El medio en el que el chorro de O 2 choca primero es la zona extremadamente caliente entre las llamas de calentamiento. calentamiento. La alta temperatura de los productos de combustión facilita la mezcla del O 2, el cual, merced a su alta velocidad, arrastra consigo una pequeña parte de los gases de las llamas. Por ello, cuando el chorro de oxígeno de corte choca con el acero ya está rodeado de una delgada capa, cuyo contenido de este gas es claramente inferior al 95,5%. Cuando el O2 se consume durante la combustión del acero, las impurezas que contenía subsisten. Esto significa que la cantidad de contaminación en la capa superficial del chorro de O 2 aumenta a lo largo del recorrido del chorro por el acero. El O2 no tiene la misma pureza en la parte superior del corte que en la inferior. Puesto que la pureza influye sobre la velocidad de corte, la conclusión que sacamos es que el corte no se desarrolla a la misma velocidad en la parte superior de la hendidura que en la inferior. Por tanto, se produce un desfase o retardo. Un estudio más exhaustivo de esta influencia, se puede observar en el procedimiento de oxicorte Jetex, que trataremos más adelante.


Tema 1.13 -37-


3.1.3. 3.1.3.-- Función d e la llama de calentamiento calentamiento en el oxico rte

Antes de iniciar el proceso proceso de oxicorte, hay que calentar calentar el acero hasta la temperatura temperatura de ignición, ignición, que es de 1.150ºC. Cuando el proceso de corte ya se ha iniciado, se genera una gran cantidad de calor por la combustión del hierro, principalmente en el fondo del corte. Debido a que el acero tiene una conductividad térmica deficiente, no hay tiempo para que a la superficie de arriba de la plancha pueda llegar una cantidad suficiente del calor producido en la reacción, como para que el acero superficial alcance a calentarse hasta la temperatura de ignición. Por ello, al empezar a cortar y durante todo el proceso hay que aportar calor a la parte superior de la plancha. Esta es una de las misiones de la llama de calentamiento; Otras son: -

Quemar la pintura y la cascarilla de laminación.

-

Concentrar el chorro del oxígeno oxígeno de corte, que que al tener concéntrica concéntrica dicha llama, llama, hace que el mismo esté perfectamente centrado y uniforme.

La cantidad de energía transferida a la pieza depende del poder calorífico de la llama y de la proporción de esta energía que pasa a la pieza. El poder calorífico de la llama depende, entre otras cosas, del tipo de boquilla que se utilice y del gas elegido. Vamos a referirnos a esto último y tenemos, que en la llama se pueden diferenciar dos partes: la primera, es el núcleo o llama central. La segunda, es la llama secundaria. (fig. 3.1.4) El poder calorífico de la llama central es de gran importancia para la velocidad de calentamiento de la plancha hasta la temperatura de ignición; también se requiere que este poder esté concentrado en una superficie pequeña con el fin de que se produzca un fuerte calentamiento en el punto en que debe iniciarse el proceso de corte.

Llama

FIGURA 3.1.4

El gráfico de la figura 3.1.5 muestra el poder calorífico por unidad de superficie en la llama central del acetileno y del propano. La diferencia entre los dos es muy grande. Queremos resaltar resaltar la gran influencia que tiene la proporción de mezcla entre el gas combustible y el oxígeno que se aporta a la combustión por unidad de tiempo. Esto significa que el poder calorífico lo determina, por un lado, el área total de los canales de oxígeno-gas de combustión de la boquilla y por otro, la velocidad con que la mezcla de oxígeno-gas combustible sale por los canales. Esta velocidad a su vez está limitada por la velocidad de combustión de la mezcla de gases. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.13 -38-


FIGURA 3.1.5 PODER CALIRORÍFICO DE LOS DISTINTOS GASES COMBUSTIBLES DE USO COMÚN

En el gráfico de la figura 3.1.6 puede apreciarse que la velocidad de combustión del acetileno aumenta considerablemente al incrementar la mezcla de O 2. Si la cantidad de O 2 en comparación con la llama normal, se aumenta el doble, también se incrementa casi en el doble la velocidad de la combustión. En el propano, el incremento de la velocidad de combustión es mucho menor. La transferencia de calor desde la llama hasta la superficie es mayor cuanto mayor es la velocidad del gas. Otra consecuencia de la mayor velocidad de combustión del acetileno es que la llama es más concentrada, en comparación con la del propano. Esto es también una explicación de por que es tan grande la diferencia entre el poder calorífico de ambos gases. Por tanto, para conseguir un efecto calorífico determinado se necesita una llama mayor de propano que de acetileno. La mayor extensión de la llama es una de las explicaciones del por qué las planchas delgadas se deforman más fácilmente cuando se utiliza propano como gas combustible. El gráfico de la figura 3.1.7 nos muestra las distintas temperaturas de la llama de acuerdo con los gases combustibles y su proporción de mezcla con el O2.


Tema 1.13 -39-


FIGURA 3.1.6 VELOCIDAD DE COMBUSTIÓN ACETILENO /PROPANO EN FUNCION DE LA PROPORCION DE OXIGENO

FIGURA 3.1.7 TEMPERATURA DE LA LLAMA DE ACETILENO /PROPANO EN FUNCION DE LA PROPORCION DE OXIGENO


Tema 1.13 -40-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN Los prin cipales componentes de un equipo equipo de oxico rte son:

1. Fuente de Oxígeno. 2. Fuente de Gas combustible. 3. Reguladores, Reguladores, válvulas válvulas y mangueras mangueras de canalización de los gases. 4. El soplete. Normalmente los gases se suministran en cilindros o paquetes de cilindros, así como en estado líquido el O2 en los talleres donde el consumo sea elevado. No así el acetileno que solo se suministra en cilindros o paquetes de ellos. 3.1.4. 3.1.4.-- Regulador Regulador es. Válvu Válvu las de segur idad y canalizaciones

Debido a que los gases que están almacenados en los cilindros, lo están a una elevada presión (O 2 a 150 kgs/cm2 y C2H2 a 10 kg/cm2) y estando comprendida la presión de utilización para el O 2 entre 1 y 10 kgs. Y para el C2H2 entre 0.1 y 1,5 kgs., tenemos que intercalar entre los cilindros y las mangueras de alimentación de los sopletes, y conectados a los grifos de las botellas, unos aparatos llamados reguladores, cuya misión es la de reducir la presión de la botella a la presión de trabajo. También se les suele llamar manorreductores. Dichos reguladores son normalmente de latón y llevan 2 manómetros, uno que indica la presión del gas del cilindro y el otro la presión de salida después de realizada la reducción de presión. En la figura 3.1.8 pueden verse los distintos componentes de un regulador. La presión de trabajo se controla mediante el tornillo de reglaje 10. Del regulador al soplete, el gas circula por las mangueras que, normalmente son de color azul las de O 2, rojas las de C 2H2 y naranjas las de C 3H8. Para evitar el retroceso de la llama, en la entrada de los gases al soplete, se ponen unas válvulas antiretorno que permiten el paso del gas en un sentido, pero no en el contrario, normalmente mediante un muelle que comprime una bola o un pequeño vástago tarado a una presión determinada.


Tema 1.13 -41-


1. Manómetro de trabajo 2. Manómetro de contenido 3. Dispositivo de estrangulamiento estrangulamiento 4. Espiga para manguera 5. Resorte de obturación 6. Vástago de válvula 7. Asiento de válvula 8. Membrana 9. Muelle de reglaje FIGURA 3.1.8 CORTE ESQUEMÁTICO DE UN REGULADOR

3.1.5.3.1.5.- El Sopl ete

En la figura siguiente se han señalado las partes más esenciales de un soplete, aparato que sirve para generar la llama y hacer que ésta sea estable y regulable, así como controlar y dirigir el chorro de oxígeno de corte. Los hay de varios tipos según el caudal, y en función del espesor a cortar y del tipo de trabajo a realizar. También se diferencian por la forma en que mezclan el O 2 y el C2H2: unos lo hacen en una cámara dispuesta en el soplete por medio de un inyector y otros lo hacen en la boquilla de corte, lo que los hace menos peligrosos al retroceso de la llama. Si observamos una boquilla de corte vemos que tiene un orificio central para el O 2 de corte y otros que lo rodean concéntricamente por donde sale la llama de calentamiento. Ajustada perfectamente la llama de calentamiento, el metal puede alcanzar la temperatura de combustión rápidamente. Entonces entra en acción la corriente constante de O 2 y comienza la reacción química del O 2 con el metal, en 3 etapas sucesivas para producir: Fe O, Fe 3 O4 y Fe2 O3.


Tema 1.13 -42-


FIGURA 3.1.9 SOPLETE

A continuación damos damos algunas algunas nociones sobre el manejo de de los sopletes y que que hay que tener tener en cuenta. cuenta. ALGUNAS AL GUNAS NOCIONES SOBRE EL MANEJO MA NEJO DE LOS SOPLETES SOPL ETES •

COMIENZO COMIENZO DEL TRABAJ O

A) Sopl So plado ado previ pr evio o Se sopla por las mangueras de forma que éstas solo contengan gases puros. El fijado de la presión de trabajo y el soplado de la manguera se puede hacer al mismo tiempo, pero solo para un gas. La válvula del soplete de gas en cuestión debe estar completamente abierta. La válvula del soplete para el otro gas debe estar cerrada. Se debe comenzar por el oxígeno. B) Encendido del soplete El soplete es encendido por acetileno puro o por acetileno con una pequeña cantidad de O 2 para evitar el carbono superficial no absorbido. La válvula del soplete de acetileno será abierta en primer lugar. La regulación de la llama se debe hacer por medio de la válvula de Oxígeno. •

TERMINACIÓN TERMINACIÓN DEL TRABAJ O

A) Apag A pagado ado del sopl so plete ete Se cierra primero la válvula del soplete de acetileno, y después la válvula de oxígeno. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.13 -43-


B) Eliminación de presión en las mangueras Al terminar el trabajo (una vez cerrado el paso de gas en los manorreductores), manorreductores), las mangueras mangueras deberán ser aliviadas de su presión. Se vacía una manguera sola, mientras la válvula del otro gas permanece cerrada. Se debe comenzar con el O 2. •

RETROCESO RETROCESO DE DE LA LLAMA LLA MA

En caso de retroceso de la llama, debemos cerrar primero el oxígeno, para que cese la combustión. Y en el caso de incendio en las mangueras, cerraremos primero el grifo de la botella de oxígeno y después el de la de acetileno. Para evitar éste, todos los sopletes deben tener colocadas las válvulas antirretorno. antirretorno. Unas muestras de este tipo de válvulas podemos verlas en las figuras siguientes.

FIGURA 3.1.10 VÁLVULAS ANTIRRETORNO


Tema 1.13 -44-


FIGURA 3.1.11 VÁLVULAS ANTERRETORNO DE SOPLETE

Una variable en el Oxicorte, y que tiene una gran influencia en la calidad y rendimiento de éste es la velocidad de corte. De ella hablaremos largo y tendido en los apartados siguientes al tratar las boquillas de cortina. 3.1.6. 3.1.6.-- Boqui llas d e Cortina

El incremento en la velocidad de corte puede ser atribuido parcialmente a un incremento en la pureza de oxígeno y al desarrollo de las boquillas de corte, especialmente en lo concerniente al diseño de su canal de oxígeno de corte. (fig. 3.1.12). En 1.965, una compañía japonesa resucitó la vieja idea concerniente a las boquillas de alta velocidad de corte, protegiendo el chorro de oxígeno de corte por una cortina concéntrica de oxígeno puro, para evitar la contaminación de aquél por los subproductos de la combustión de la llama de calentamiento y del nitrógeno de la atmósfera. Desarrollando esta nueva boquilla, se obtuvieron considerables incrementos en la velocidad de corte, pero algunas desventajas: •

Tendencia a sobrecalentarse las boquillas en el calentamiento y la perforación.

•

dificultades para el corte con bisel.

•

Sangría mucho más ancha.


Tema 1.13 -45-


•

Gran sensibilidad a la variación de la distancia de la boquilla a la chapa.

•

Gran consumo de oxígeno.

Hoy, la mayoría de estas desventajas han sido eliminadas o reducidas considerablemente. considerablemente. Pero quizás la condición más importante para el funcionamiento de una boquilla de cortina es que esté fijada a un soplete adecuado.

FIGURA 3.1.12 EVOLUCIÓN PROGRESIVA EN EL TIEMPO DE LA VELOCIDAD DE CORTE


Tema 1.13 -46-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 3.1.6.1.- Pureza del Oxigeno de Corte

Como ya vimos anteriormente, el contenido de impurezas en el oxígeno tiene una gran incidencia en la velocidad de corte que pueda alcanzarse, ya que cuanto mayor es el contenido de impurezas, menor es la velocidad de corte y mayor el desfase o retardo. El oxígeno industrial tiene una pureza no menor del 99,5%, y la media suele ser de un 99,7%. Como se puede observar en la fig. Siguiente, la velocidad de corte disminuye rápidamente con el incremento de la contaminación del oxígeno.

FIGURA 3.1.13 EFECTO DE LA CONTAMINACIÓN DEL OXÍGENO DE CORTE SOBRE LA VELOCIDAD DE CORTE

En la fig. 3.1.13 se ha representado, en una gráfica, un caso particular obtenido en el oxicorte de una chapa de 25 mm., de espesor y en el cual tenemos:


Tema 1.13 -47-


Pureza del Oxígeno

Primer caso

Segundo caso

Diferencia

%

99,7

99,3

0,4

395

335

60

Velocidad de corte mm/min

Un aumento en la contaminación del oxígeno de únicamente un 0,4% reduce la velocidad de corte en 60 mm/min., que es aproximadamente un 15%. La figura 3.1.3 del mencionado apartado 3.1.2 nos mostraba, de forma simplificada, el recorrido del chorro de oxígeno por una plancha, y la capa de oxígeno contaminado que rodea dicho chorro.

FIGURA 3.1.14 LA PUREZA MÍNIMA DEL OXÍGENO SUMINISTRADO ES DE

99,5%

…Alt 1

… Alt 2

Diferencia

Pureza del oxígeno cortante

99,7

99,3%

0,4%

Velocidad de corte mm/min

395

335

15%


Tema 1.13 -48-


Objetivo Objetivo de la cortina:

-

Impedir la mezcla de gases de combustión con el chorro del oxígeno cortante.

La contaminación del oxígeno de corte puede atribuirse a tres causas: -

Cuando el oxígeno de corte sale de la boquilla, entra inmediatamente en un ambiente en el que hay otros gases. Aunque tiene una velocidad alta, es contaminado por los gases circundantes, al menos en la capa exterior.

-

El oxígeno de corte se consume y se contamina contamina en la combustión combustión del acero, debido debido a que éste, no solo contiene hierro, sino también otros elementos, como por ejemplo el carbono. Parte de este último arde durante el proceso, convirtiéndose en monóxido de carbono. Cuando el oxígeno se consume durante la combustión del acero, las impurezas que contenía subsisten. Esto significa que la cantidad de contaminación en la capa superficial del chorro de oxígeno aumenta a lo largo del recorrido.

La contaminación que trae el oxígeno, debido al mal estado de las canalizaciones (manguera, tuberías, etc.). Únicamente los puntos 1º y 3º pueden ser controlados. El primero, usando una boquilla de cortina, y el tercero, por una cuidadosa preparación y adecuación del sistema de canalización. 3.1.6. 3.1.6.2.2.- Diseño Diseño de una boq uil la de cor tin a.


Tema 1.13 -49-


a) boquilla cilíndrica

b) boquilla de canal expansivo

1y4 2 3

c) boquilla de cortina

canal de oxígeno de corte llama de calentamiento calentami ento de oxígeno acetileno cortina de oxígeno FIGURA 3.1.15


Tema 1.13 -50-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 3.1.6.3.- Soplete adecuado

La boquilla de cortina que se ha descrito en la figura anterior, es la más sensible al sobrecalentamiento si no está provista de un mecanismo de refrigeración. Poniendo en el soplete una válvula de refrigeración, podemos enfriar la boquilla durante el calentamiento y la perforación. La fig. 3.1.16, muestra el principio de funcionamiento de una válvula de refrigeración que va incorporada al soplete. Esta válvula aporta un flujo adicional por el canal de oxígeno de corte de 20 a 30 litros/hora, durante el calentamiento; flujo que es suficiente para evitar el sobrecalentamiento sobrecalentamiento de la boquilla, lo que hace que la vida de ésta se multiplique por un factor de 5 a 10. En un soplete convencional que no tenga válvula de enfriamiento, (fig. 3.1.17) los gases de la combustión de la llama, que alcanzan unos 500º C, son empujados por el canal del oxígeno de corte hacia el interior del soplete, habiendo el riesgo de que los bordes del conducto de oxígeno de corte se deterioren y cuando comienza el corte, las proyecciones y escorias se pueden adherir a las paredes calientes de las boquillas.

FIGURA 3.1.16 PRECALENTAMIENTO CON VÁLVULA DE REFRIGERACIÓN


Tema 1.13 -51-


FIGURA 3.1.17 PRECALENTAMIENTO SIN VÁLVULA DE REFRIGERACIÓN

3.1.6.4.- Datos de corte

La fig. 3.1.18, nos da una referencia de la velocidad de corte en diferentes espesores de plancha, usando una boquilla de cortina comparada con una convencional de alta velocidad de corte. En la siguiente tabla vemos las comparaciones de las velocidades empleando una u otra boquilla, y comprobamos que los mayores incrementos de velocidad se encuentran en los espesores medios y pequeños. Espesores de plancha mm

Boquilla de cortina

Boquilla de corte de alta velocidad

Increment o%

3

1050 – 1100

720 – 900

46

10

870 – 920

650 – 720

34

20

680 – 740

550 – 660

24

40

420 – 480

400 – 450

5

70

260 - 320

340 - 385

---


Tema 1.13 -52-


Con Boquilla de Cortina

FIGURA 3.1.18 VELOCIDAD DE CORTE, BOQUILLA CONVENCIONAL DE ALTA VELOCIDAD DE CORTE , B . CORTINA

3.1.6.5.- Calidad de Bordes

La cortina de oxígeno en una boquilla de cortina tiene 2 misiones: Proteger el dardo de oxígeno de corte de la contaminación de la combustión de la llama de calentamiento, calentamiento, ya mencionada. mencionada. Mejorar la calidad de corte. La cortina de oxígeno también tiene una cierta capacidad de corte lo que da en los bordes del corte una superficie más fina y más pulida, aún a unas velocidades muy elevadas de corte. 3.1.6.6.- Influencia del gas combustible

A menudo es ignorada. Con una boquilla de cortina, es posible cortar a velocidades muy altas. Tal y como podíamos observar en los datos de la tabla anterior. En chapas chorreadas de 3 mm. de espesor, podemos cortar a 1.100 mm/min., pero esto es posible debido al uso de un gas combustible adecuado. El gas de corte mas efectivo es el acetileno que tiene un gran poder calorífico, mayor que el del propano, por ejemplo. (Fig. 3.1.19) Una llama efectiva de calentamiento es también muy importante para cebar rápidamente el corte y para hacer el perforado más rápido.


Tema 1.13 -53-


FIGURA 3.1.19

UN CORTE EFECTIVO EXIGE UN GAS COMBUSTIBLE EFECTIVO -

Calentamiento Calentamiento más más rápido. Tiempo inicial más breve al hacer perforaciones. perforaciones.

-

Zona de calentamiento calentami ento concentrada que reduce la deformación de la chapa.

-

Limpieza más efectiva de la superficie de la chapa.

PROPORCIONA UNA MAYOR ECONOMÍA DE CORTE 3.1.6.7.- Aspectos Económicos

Para terminar queremos hacer hincapié aquí, de la importancia que tiene el aumento de la velocidad de corte, ya que en los costos totales del oxicorte, la porción más grande la constituye la mano de obra, que además crecen continuamente. (fig. 3.1.20)


Tema 1.13 -54-


La mayor rentabilidad, se obtiene cortando más material en el mismo tiempo. En otras palabras, incrementando incrementando la velocidad de corte, reduciendo el tiempo inicial (perforación), y evitando las interrupciones innecesarias. Con sólo un incremento del 10% en la producción cuando se cortan materiales delgados y de espesor medio, se reducen los costos en una cantidad equivalente al valor total del oxígeno y del gas combustible. En la fig. 3.1.21, podemos observar, como influyen los distintos componentes en el costo total del metro cortado

FIGURA 3.1.20 INCREMENTO DEL COSTO

FIGURA 3.1.21 COSTO POR METRO CORTADO


Tema 1.13 -55-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 3.1.7. 3.1.7.-- Datos de tr abajo para oxi cort e.

A continuación vemos vemos unas tablas tablas en las que muestran muestran los datos de de corte utilizando utilizando acetileno y propano propano como gases combustibles.

Datos Datos orientativos de consumo para boquill as de oxicort e con acetileno acetileno Espesor de la pieza (m/m)

3 4 5 6 8 10 10 15 20 25 25 30 35 40 50 50 60 80 80 90 100 100 130 150 150 200 230 230 250 300

Presión Oxígeno Presión Oxígeno Velocidad de Consumo calentar (bar.) corte (bar) corte (mm/min) Acetileno (m3/h)

2,5 2,5 2,5 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 6,5 7 7,5 6,5 7 7,5

2 2,5 3 4 4,5 5 8 8,5 10 11 8,5 9 9,5 10 11 9 10 12 9,5 10 11 6,5 7 7 6,5 7 7,5 6,5 7 7,5

850 800 750 750 735 700 725 645 590 530 530 510 485 460 415 415 375 330 330 300 280 280 230 210 210 180 140 150 130 110

0,36 0,36 0,36 0,41 0,41 0,41 0,41 0,41 0,41 0,41 0,41 0,41 0,41 0,41 0,41 0,41 0,41 0,41 0,41 0,41 0,41 0,52 0,52 0,52 0,82 0,85 0,88 0,83 0,85 0,88

Consumo Oxígeno calentar (m3/h)

Consumo Oxígeno de corte (m3/h)

0,47 0,47 0,47 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,68 0,68 0,68 1,06 1,1 1,14 1,08 1,1 1,14

0,4 0,46 0,52 1 1,1 1,2 2,7 2.8 3,3 3,6 3,6 3,8 4 4,2 4,6 6,7 7,4 8,6 8,9 9,3 10,1 12,1 12,9 12,9 19,4 20,8 22 28,5 30 32,5


Consumo T. Oxígeno (m3/h)

0,87 0,93 0,99 1,53 1,63 1,73 3,23 3,33 3,83 4,13 4,13 4,33 4,53 4,73 5,13 7,23 7,93 9,13 9,43 9,83 10,63 12,78 13,58 13,58 20,46 21,9 23,14 29,58 31,1 33,64

Tema 1.13 -56-


Datos Datos orientativos de consumo para boquill as de oxicort e con propano Espesor de la pieza (mm)

3 4 5 6 8 10 7 8 10 12 15 15 20 25 25 30 35 40 40 50 60 60 80 100 100 150 200 200 250 250 300

Presión Oxígeno Presión Oxígeno Velocidad de calentar (bar) corte (bar) corte (mm/min)

1,5 1,5 1,5 2 2 2 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 4,5 4,5 4,5 5 5 5 5

1 1,5 2 2,5 3,5 5 5 5,5 6 6,5 7 6 6,5 7 6 7 7,5 7,5 5,5 6,5 7,5 6 7,5 8,5 7,5 8,5 9,5 6,5 8,5 6,5 8,5

780 740 720 700 650 600 670 650 630 590 560 560 510 460 460 440 420 400 400 360 340 340 300 270 270 230 180 180 130 130 110

Consumo Propano (m3/h)

Consumo Oxígeno calentar (m3/h)

Consumo Oxígeno de corte (m3/h)

0,28 0,28 0,28 0,33 0,33 0,33 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,62 0,62 0,62 0,68 0,68 0,68 0,68

1,1 1,1 1,1 1,3 1,3 1,3 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 2,3 2,3 2,3 2,5 2,5 2,5 2,5

0,6 0,8 1 1,2 1,6 2,2 1,8 1,9 2 2,2 2,3 2,5 2,8 3,1 3,8 4,3 4,5 4,5 4,2 4,9 5,6 7,6 9,4 10,6 13,3 14,9 16,5 17,5 22 22,4 28,2

Consumo T. Oxígeno (m3/h)

1,7 1,9 2,1 2,5 2,9 3,5 3,3 3,4 3,5 3,7 3,8 4 4,3 4,6 5,3 5,8 6 6 5,7 6,4 7,1 9,1 10,9 12,1 15,6 17,2 18,2 20 24,5 24,9 30,7

Aunque en el siguiente capitulo veremos los efectos que pueden producir los desajustes en los parámetros de corte, en la figura 3.1.22 podemos ver algunos de estos desajustes en la velocidad de corte. Así mismo podemos podemos ver la secuencia secuencia de inicio del corte en la figura figura 3.1.23.


Tema 1.13 -57-


Velocidad adecuada

Velocidad excesiva

Velocidad Insuficiente

FIGURA 3.1.22 INFLUENCIA EN LA CALIDAD DEL CORTE DE LA VELOCIDAD DE AVANCE

Precalentamiento Precalentami ento

Fusión del metal

Oxidación con escoria

Oxicorte en todo

Rebotada

espesor

FIGURA 3.1.23 SECUENCIA DE ARRANQUE EN EL CORTE

3.1.8. 3.1.8.-- Regulaci Regulaci ón de la ll ama y calidad d e cort e

Para que se pueda realizar el proceso de oxicorte a pleno rendimiento es necesario una adecuada regulación de la llama de calentamiento. En función de los porcentajes que usemos de cada gas podremos tener una llama carburante (exceso de combustible) (fig. 3.1.24), oxidante (exceso de oxígeno)(fig. 3.1.25) o neutra (proporciones compensadas)(fig. 3.1.26). La regulación correcta se produce cuando se obtiene una llama neutra en presencia del chorro de oxígeno de corte, lo que podemos apreciar en la f igura 3.1.27.


Tema 1.13 -58-


FIGURA 3.1.24 LLAMA CARBURANTE COLOR: ROJIZO DARDO: POCO DEFINIDO

FIGURA 3.1.25 LLAMA OXIDANTE OXIDANTE COLOR: AZULADO DARDO: DEFINIDO CON PENACHO

FIGURA 3.1.26 LLAMA NEUTRA NEUTRA COLOR: BLANCO DARDO: DEFINIDO


Tema 1.13 -59-


FIGURA 3.1.27

A

LLAMA DE CALENTAMIENTO CON EXCESO DE GAS COMBUSTIBLE.

B

LLAMA DE CALENTAMIENTO NEUTRA SIN OXIGENO DE CORTE

C

LLAMA DE CALENTAMIENTO NEUTRA EN PRESENCIA DEL CHORRO DE OXIGENO DE CORTE

En cuanto a la calidad del corte veamos a continuación un serie de imágenes ilustrativas de los resultados que se pueden obtener y sus causas:

CORTE PERFECTO -

Superficie regular Curvas ligeras en la parte inferior del rayado Cascarilla fina desprendible en la parte superior

CORTE DE PRODUCCIÓN -

Superficie casi lisa Curvas moderadas en la parte inferior de rayado Buena relación calidad – precio

BOQUILLA SUCIA Escoria o suciedad adheridas a la boquilla desvían el chorro de oxigeno de corte -

Superficie irregular Excesiva profundidad en el rayado Interrupciones Interrupciones en el corte Bocados


Tema 1.13 -60-


VELOCIDAD EXCESIVA Velocidad de avance demasiado rápida -

Parte superior del corte aceptable Profundidad de rayado aceptable Escoria en la parte inferior Superficie ligeramente cóncava VELOCIDAD ALTA

Velocidad de avance rápida -

Corte de calidad aceptable para algunos usos Profundidad de rayado aceptable Libre de escoria en la parte inferior Curvatura notable del rayado en casi todo el espesor VELOCID VELOCIDAD AD BAJA B AJA

Velocidad de avance lenta -

Superficie del corte aceptable Profundidad de rayado es notable Borde superior redondeado Rayado vertical y recto

VELOCIDAD INSUFICIENTE Velocidad de avance muy lenta, el rayado profundo pone de manifiesto el exceso de oxigeno de corte por: Boquilla muy grande, presión de oxígeno de corte excesiva. -

Borde superior del corte redondeado Al reducir el caudal de oxigeno las rayas profundas van descendiendo hasta desaparecer BOQUILLA EXCESIVAMENTE PROXIMA

Una parte del dardo de precalentamiento arde en el interior del corte desviando el chorro de corte, lo que genera inestabilidad del mismo -

Profundidad de rayado no uniforme Rayado vertical y recto


Tema 1.13 -61-


BOQUILLA EXCESIVAMENTE LEJANA El precalentamiento es insuficiente por la lejanía del dardo, hay riesgo de perdida del corte si no se reduce la velocidad de corte -

Borde superior del corte redondeado Rayado vertical y recto

EXCESO DE OXIGENO DE CORTE El oxígeno excedente para oxidar el material envuelve la escoria originando huellas profundas, que descienden hasta desaparecer desaparecer si se reduce el oxígeno -

Borde superior del corte redondeado Rayado vertical y dividido en dos zonas EXCESO DE PRECALENTAMIENTO

El precalentamiento excesivo es un desperdicio inútil de gas que no tiene efecto positivo alguno -

Borde superior del corte redondeado Rayado vertical y recto

Para mayor información sobre clasificación e imperfecciones en cortes térmicos, se pueden consultar las siguientes normas: UNE-EN ISO 9013:2003 CORTE TERMICO. CLASIFICACION DE LOS CORTES TERMICOS. ESPECIFICACION GEOMETRICA DE LOS PRODUCTOS Y TOLERANCIAS DE CALIDAD. (ISO 9013:2002 ) UNE-EN 12584:1999 12584:1999 IMPERFECCIONES EN LOS CORTES CORTES REALIZADOS POR OXICORTE, OXICORTE, CORTE POR LASER Y CORTE POR PLASMA. TERMINOLOGIA. 3.1.9.- Oxicorte con adición de polvo de hierro

Un caso especial de oxicorte consiste c onsiste en la incorporación al proceso de un aporte de polvo de hierro, que puede aportarse a través de la propia boquilla de corte o bien por medio de uno o varios conductos externos, inyectado en la zona de fusión suspendido en un gas. El polvo principalmente de hierro acelera y propaga la reacción de combustión, incluso removiendo, reaccionando o arrastrando óxidos refractarios y escorias. Este efecto hace que se mejore la posibilidad de oxicortar ciertos materiales, que sin el polvo presentan dificultades para ser oxicortados o que incluso sin la inyección del polvo metálico no pueden serlo.


Tema 1.13 -62-


La inyección de polvo se puede realizar por dos métodos; uno de ellos es por medio de un sistema neumático que arrastra el polvo de una tolva, y el otro es por medio de un mecanismo vibratorio que hace que el polvo vaya cayendo al sistema eyector de una forma progresiva y controlada. 3.1.10.- Instalaciones y configuraciones de corte

Además del uso manual de los sopletes de oxicorte, en la industria se utilizan habitualmente habitualmente en instalaciones semiautomáticas como la que podemos ver en la figura 3.1.28, o automáticas, bien con seguimiento de una célula fotoeléctrica como como en la figura 3.1.29 o de Control Control Numérico como la que se puede apreciar en la figura 3.1.30, estas últimas son muy parecidas a las que podemos utilizar en los procesos de plasma y láser que veremos posteriormente.

FIGURA 3.1.28 CARRIL PORTATIL PARA EL GUIADO SEMI- AUTOMÁTICO AUTOMÁTICO DE SOPL ETES DE OXICORTE


Tema 1.13 -63-


FIGURA 3.1.29 INSTALACION DE OXICORTE CON SEGUIMIENTO POR FOTOCÉLULA DE PLANOS A ESCALA

FIGURA 3.1.30 INSTALACION DE OXICORTE AUTOMATICA CON CONTROL NUMÉRICO


Tema 1.13 -64-


En todos estos casos los sopletes cambian de los manuales, pues su geometría, prescinde de los elementos propios de agarrar con la mano y presentan una configuración lineal preparada para ajustar en altura, un esquema de este tipo de soplete puede ser observado en la figura 3.1.31.

ENTRADA DE OXIGENO DE CALENTAMIENTO

REGULACION DE CAUDAL DE OXIGENO

ENTRADA DE OXIGENO DE CORTE ENTRADA DE GAS COMBUSTIBLE DE CALENTAMIENTO

REGULACION DE CAUDAL DE GAS COMBUSTIBLE

FIGURA 3.1.31 SOPLETE CE CORTE PARA INTALACIONES AUTOMÁTICAS

CREMALLERA DE REGULACIÓN VERTICAL CUERPO DEL SOPLETE

TUERCA DE FIJA FIJACI CI N DE LA BOQUILLA BOQUILLA DE CORTE

La regulación en altura puede ser manual o automática, en este último caso la cremallera es accionada por un pequeño motor que recibe información de la altura de la boquilla, de un captador inductivo o de otro tipo. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.13 -65-


En este tipo de instalaciones automáticas se pueden colocar uno o varios sopletes de corte, para cortar varias piezas a la vez, en cuyo caso se sitúan paralelos, o bien, en distintos ángulos con el fin de producir en las piezas a cortar chaflanes compuestos como los que podemos observar en las siguientes figuras.

DIRECCION DE CORTE

DIRECCION DE CORTE

VISTA EN PLANTA

VISTA EN PLANTA

CHATARRA PIEZA

VISTA FRONTAL

FIGURA 3.1.32 CONFIGURACION DE SOPLETES PARA CORTE DE BISELES EN SEMI V CON TALON O SEMI Y

PIEZA

CHATARRA

VISTA FRONTAL

FIGURA 3.1.33 CONFIGURACION DE SOPLETES PARA CORTE DE BISELES EN SEMI X SIN TALON


Tema 1.13 -66-


FIGURA 3.1.32 CONFIGURACION DE SOPLETES PARA CORTE DE BISELES EN SEMI X CON TALON

3.2.- Plasm Plasm a El corte con plasma es un método de corte térmico que se ejecuta usando un arco delgado. En él, los gases se disocian e ionizan en parte. Si el gas es noble y por tanto monoatómico, como es natural sólo se producirá ionización. El chorro de plasma así obtenido tiene una alta temperatura y una elevada energía cinética, que funde y en cierto grado vaporiza la pieza cortada. Cuando la máquina de cortar con plasma (o la pieza de trabajo) se desplaza, se produce un corte. Ventajas: -

Alta velocidad de de corte en chapa chapa y plancha semigruesa. semigruesa.

-

Calentamiento Calentamiento limitado, especialmente ventajoso al c ortar formas en chapa.

-

Adecuado para para cortar acero acero suaves y aleados, aleados, aluminio, cobre, cobre, etc.


Tema 1.13 -67-


A con c onsi si derar: der ar:

-

Radiaciones de rayos ultravioleta Superficies de corte no paralelas Distancia excesiva entre el punto de entrada y el de salida del chorro de plasma. Dificultades en perforar plancha gruesa Ruido Emisión de humos Grandes inversiones Costos de energía eléctrica.

FIGURA 3.2.1

El plasma es un conductor eléctrico en estado gaseoso, o también una mezcla ionizada eléctricamente neutra. En el corte y soldadura por arco, se trata de convertir la energía eléctrica en energía térmica; para ello, se hace saltar un arco eléctrico en el seno de un gas, entre un electrodo y la pieza a cortar o soldar. Si el plasma obtenido se estrangula haciéndolo pasar por una tobera de pequeño diámetro, se obtienen temperaturas del orden de 20.000ºC en el centro del chorro del plasma.

3.2.1. 3.2.1.-- Defin Defin ici ón del p lasma gaseoso

¿QUÉ ES UN UN PLASMA? Un plasma se compone de: -

Moléculas Átomos Iones Electrones

FIGURA 3.2.2

Las partes interiores del chorro de plasma pueden alcanzar temperaturas de hasta 25.000 K.


Tema 1.13 -68-


LOS CUATRO ESTADOS DE DE LA MATERIA

Sólido Líquido Gaseoso Plasma

ESTADOS DE LA MATERIA

Temperatura K

o

C Ionización H+ + O+ + electrones en estado de plasma

8.000 -

5.000 Disociación H + O en estado gaseoso 3.000 -

Vapor H2O en estado gaseoso +100 375 273 0

0 - 273

Agua H2O en estado líquido Hielo H2O en estado sólido

FIGURA 3.2.3 LOS CUATRO ESTADOS DE LA MATERIA

En estado normal, un gas está formado por átomos y moléculas neutras, es decir, el gas es aislante eléctricamente. A temperatura ambiente, los átomos están animados de movimientos rápidos y desordenados, entrando en colisión algunas veces. Si se aumenta la temperatura, estos movimientos se harán más rápidos, creciendo el número de choques y haciéndolos cada vez más violentamente. La relación entre la energía cinética media de una partícula y la temperatura está establecida por la fórmula: m.V2/2 = 3/2 K.T. Siendo: -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.13 -69-


m = masa de la partícula y V = velocidad de la partícula; K = Constante de Boltamann y T = temperatura en grados Kelvin. Al aumentar la temperatura, temperatura, es posible disociar las moléculas e incluso ionizar el gas, es decir, separar los electrones portadores de cargas negativas, tal y como se puede apreciar para el hidrógeno en la figura 3.2.4. Así, el átomo se convierte en un ión cargado positivamente.

FIGURA 3.2.4

A medida que va aumentando aumentando la temperatura, temperatura, el número de iones y electrones libres aumenta rápidamente rápidamente y las cargas positivas y negativas se equilibran. Cuando la temperatura alcanza varios millares de grados, no hay prácticamente molécula ni átomos neutros. Estamos en presencia de un cuerpo gaseoso ionizado y por lo tanto, conductor de la electricidad, se conoce como estado de plasma. La aplicación de un potencial eléctrico al gas, permite hacer pasar una corriente entre ánodo y cátodo y así, establecer un arco eléctrico. En la industria el nombre de plasma se aplica al estado de alta energía que se produce cuando el arco es mecánicamente estrangulado, mediante un diafragma. El estrangulamiento de un arco en atmósfera gaseosa a través de un orificio de pequeño diámetro, da lugar a una concentración de energía en el centro del arco, consiguiéndose altas temperaturas en dicha zona. Esta concentración de energía se debe a fenómenos de estrangulamiento electromagnético y térmico: el campo magnético producido por la corriente eléctrica ejerce una fuerza que tiende a estrechar la columna de arco, resultando una gran densidad de corriente, un calentamiento por efecto Joule y una temperatura elevada en el eje del plasma. En cambio, en la periferia del chorro de plasma, el gradiente de temperatura es muy grande y la conductividad térmica y eléctrica pequeñas, actuando esta capa exterior como un aislante térmico y eléctrico permitiendo el mantenimiento de temperaturas elevadas en el centro del chorro del plasma. Por otra parte, la tensión del arco aumenta con el estrangulamiento y el caudal de los gases. (Fig. 3.2.5)


Tema 1.13 -70-


FIGURA 3.2.5

Y dado que la temperatura máxima en el plasma crece con el producto VxI, es posible conseguir elevadas temperaturas temperaturas con corrientes moderadas, tal y como se indica la Fig. 3.2.6. La Fig. 3.2.7 representa las temperaturas medias existentes en diferentes regiones, para un arco en atmósfera de argón, de 4,75 mm. de diámetro. En ambos ejemplos la intensidad es de 200 A. Para el arco libre, la tensión es de 14,5 V.(mitad izquierda) izquier da) y para el estrangulado es de 29 V.(mitad derecha)

FIGURA 3.2.6


Tema 1.13 -71-


FIGURA 3.2.7

Las principales cualidades que podemos destacar de un arco plasma son: -

Gran densidad de energía

-

Elevadas temperaturas temperaturas

-

Chorro de plasma a gran velocidad (rigidez)

-

Arco muy estable, estable, localizado y de gran poder poder de penetración penetración

3.2.2.- Fluidos plasmágenos

Los fluidos a utilizar en el corte con plasma son elegidos el egidos en función de las siguientes características: -

Potencial de ionización y disociación.

-

Poder calorífico.

-

Conductividad térmica.

-

Conductividad eléctrica.

-

Masa molecular.

-

Reactividad química.

Los principales gases utilizados son los siguientes: Argó Ar gón: n: Este gas, debido a su débil potencial de ionización, permite el cebado y el mantenimiento de arco auxiliar (entre el electrodo y la boquilla) preparatorio del corte. Su poder calorífico y conductividad térmica son bajos,


Tema 1.13 -72-


por lo que no se suele utilizar sólo, como gas de corte. Sin embargo, su alta masa molecular hace aumentar la energía cinética de la mezcla con otro gas. Hidrógeno: Este gas, posee una buena conductividad térmica y eléctrica y un elevado poder calorífico, por lo que cuando se le mezcla con un gas de alta masa molecular (argón o nitrógeno), produce un potente plasma con transferencias de energía rápidas y elevadas. Así mismo, la reactividad química del hidrógeno hidrógeno como reductor, impide la formación de óxidos en la superficie cortada, presentando éstas un aspecto limpio y brillante. Nitrógeno: Este gas, posee un poder calorífico alto y una masa molecular elevada, por lo que se le puede utilizar sólo en el corte con plasma, sin tener que mezclarlo con otros gases. Da unas transferencias elevadas de energía hacia el metal a cortar. Las superficies cortadas con este gas son limpias y exentas de óxidos y escorias. Agua: Ag ua: Como se sabe, este fluido es una combinación de hidrógeno y oxígeno. El agua se utiliza con un efecto secundario de estrangulamiento, a sumar al de la boquilla, por lo que reduce el chorro de plasma y eleva su energía. Las altas temperaturas del plasma ionizan parcialmente el oxígeno y el hidrógeno del agua, que al recombinarse en la sangría, aumentan el rendimiento calorífico del plasma, permitiendo utilizar mayores velocidades. Otro efecto que produce la utilización del agua en plasma, es la refrigeración de la chapa, reduciendo las distorsiones de las planchas y las modificaciones de estructura del metal a cortar. Aire: Ai re: Es un mezcla del 79% de nitrógeno y 21% de oxígeno. Estos dos gases diatómicos, tienen un poder calorífico parecido, formando una mezcla muy energética. energética. El aire como fluido plasmágeno es muy barato, pero tiene el inconveniente del consumo excesivo de electrodos. Para su utilización deberá estar exento de aceite y agua. En las figuras 3.2.8, 3.2.9, 3.2.10 y 3.2.11 se pueden apreciar algunas características de los distintos gases utilizados en el corte con plasma.


Tema 1.13 -73-


FIGURA 3.2.8

FIGURA 3.2.9


Tema 1.13 -74-


FIGURA 3.2.10

GASES QUE PUEDEN UTILIZARSE EN EL CORTE CON PLASMA GAS

SIG SIGNO QUÍM UÍMICO ICO

PESO ESO MOLECU ECULAR LAR

Argón

Ar

40

Hidrógeno

H2

2

Nitrógeno

N2

28

Aire

N2, O2, Ar…

---

Helio

He

4

Neón

En

20

Oxígeno

O2

32

FIGURA 3.2.11

3.2.3. 3.2.3.-- Equipo s de cort e con plasma

Los elementos necesarios para formar un equipo de corte con plasma, son los siguientes: -

Fuente de energía.

-

Distribuidor de gas.

-

Generador de alta frecuencia.

-

Portaelectrodo.


Tema 1.13 -75-


FIGURA 3.2.12 SISTEMA CLÁSICO DE CORTE CON PLASMA

Fuente de energía Normalmente es un transformador-rectificador trifásico. Debe tener una tensión en vacío elevada, alrededor de los 100 a 400 voltios, con el fin de conseguir el potencial de ionización del gas plasmógeno. Así mismo, las características deberán ser verticales con el objeto de que la intensidad permanezca constante, cualquiera que sean los parámetros secundarios, secundarios, tales como: diámetro de la tobera, distancia del portaelectrodo portaelectrodo a la pieza, caudal del gas, etc...

FIGURA 3.2.13 CURVAS VOLT- AMP AMP TÍPICAS DE UNA UNIDAD DE FUERZA PARA CORTE POR PLA SMA


Tema 1.13 -76-


Distribuidor d e gas gas Está alimentado por botellas de gas comprimido, permitiendo mezclas de gases de distinta naturaleza y proporción. Grupo de refrigeración Debe de permitir un flujo continuo de agua de refrigeración refrigeración a la pistola. Generador Generador d e alta frecuencia Se utiliza para ionizar parcialmente el gas en el arco secundario formado entre el electrodo y la boquilla. Portaelectrodo La misión del portaelectrodo es producir un plasma de forma continua y expulsarlo hacia la pieza a cortar. En esencia el portaelectrodo portaelectrodo está formado por: -

Una cámara cilíndrica provista en su extremidad de una pieza con un taladro central que tiene como misión contraer el chorro del plasma, aumentando así su temperatura temperatura central.

-

Un electrodo de tungsteno, hafnio o circonio, en función del gas a utilizar:

-

Una corriente de agua que refrigera el portaelectrodo.

En las siguientes figuras podemos ver unos ejemplos de cómo se refrigeran los electrodos y boquillas de plasma.

FIGURA 3.2.14 DIFERENTES SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE LOS ELECTRODOS


Tema 1.13 -77-


FIGURA 3.2.15 DIFERENTES SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE LAS BOQUILLAS

GAS

ELECTRODO

PUNTO DE FUSIÓN (oC)

Tungsteno

3.370

Hafnio

2.150

Óxido de Hafnio

2.530

Aire

Nitruro de Hafnio

3.310

Oxígeno

Circonio

1.868

Óxido de Circonio

2.700

Nitruro de Circonio

2.950+

Argón Argón + Hidrógeno Hidrógeno Nitrógeno Nitrógeno + Hidrógeno Argón + Nitrógeno Nitrógeno


Tema 1.13 -78-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 3.2.4. 3.2.4.-- Princi pios de la operación

La figura 3.2.16 muestra el esquema básico del circuito de corte.

FIGURA 3.2.16

El proceso opera con corriente continua, polaridad directa (electrodo al negativo) con arco transferido. El inicio del proceso se realiza haciendo pasar el gas de plasma, o en algunos sistemas de sopletes el gas piloto (Argón), entre el electrodo y la boquilla. A continuación se hace saltar un arco eléctrico entre el electrodo y la parte interior interior de la boquilla (arco no transferido) mediante alta frecuencia; este arco piloto consigue una ionización parcial del gas y lo hace conductor. Por último se alimenta positivamente la pieza a cortar c on lo que se transfiere el arco piloto a la pieza y se hace llegar a la boquilla el gas o mezcla de gases de corte. Automáticamente se corta la alimentación positiva de la boquilla, con lo cual cesa el arco piloto entre la boquilla y el electrodo. En el arco así establecido, se forma el chorro de plasma, en cuya parte central se alcanzan temperaturas temperaturas de diez mil a veinte mil grados centígrados. El gas plasmágeno en la boquilla, adquiere una velocidad muy elevada (500 a 1500 m/s) debido a su rápida dilatación por las altas temperaturas. Las energías térmicas y cinética así engendradas permiten la fusión y expulsión del material al impacto del chorro del plasma.


Tema 1.13 -79-


FIGURA 3.2.17

3.2.5. 3.2.5.-- Tipos de corte con plasma

A continuación estableceremos estableceremos un cuadro cuadro resumen de los distintos tipos de corte corte con plasma, atendiendo atendiendo a las siguientes características: -

Gas de corte utilizado.

-

Tipo de portaelectrodos. portaelectrodos.

-

Corte en mesas de agua.


Tema 1.13 -80-


Corte por fusión Gas de corte Corte de oxidación parcial Corte convencional Corte con gas secundario Corte por plasma

Tipo de portaelectrodo portaelectrodo Corte con inyección de agua Corte con inyección de oxígeno Corte con cortina de agua Corte en mesas de agua

Corte sobre nivel del agua Corte dentro del agua

3.2.5.1.- Corte por fusión

En este sistema la energía necesaria para la fusión del material se obtiene del arco eléctrico. Los gases normalmente empleados son: -

Argón.

-

Nitrógeno.

-

Argón + Nitrógeno. Nitrógeno.

-

Nitrógeno + Hidrógeno.

Como electrodo se suele utilizar el tungsteno, ya que no reacciona con los gases anteriormente reseñados. 3.2.5.2.- Corte con oxidación parcial

Este sistema tiene su mayor eficacia en el corte de los aceros dulces. Se basa en el aporte adicional de energía que produce la reacción exotérmica del oxígeno con el acero. Los gases empleados son: -

Aire.

-

Oxígeno.


Tema 1.13 -81-


Este aporte adicional de energía incrementa la velocidad del corte en un 25% sobre el corte con nitrógeno. Como electrodos se utilizan el hafnio y circonio o compuestos de éstos, que se queman menos con el oxígeno. Aún así, el consumo de electrodos y boquillas suele ser grande, sobre todo en el corte con oxígeno. 3.2.5.3.- Corte convencional

Este sistema, también llamado “plasma seco”, utiliza un solo gas que le sirve a la vez para producir el plasma de corte y para aislar térmica y eléctricamente a la boquilla de la columna del arco, dadas las altas temperaturas que se producen a la salida de la boquilla.

FIGURA 3.2.18 ARCO PLASMA TRANSFERIDO

g = gas e = agua ca = columna del arco gc = gas caliente cf = capa aislante de gas frío

En aplicaciones industriales, el corte con plasma seco se suele utilizar hasta espesores de planchas de 30-40 mm. En este campo de espesores los cortes con c on plasma convencionales son generalmente biselados y tienen un borde redondo. (figura 3.2.19)


Tema 1.13 -82-


FIGURA 3.2.19

El corte achaflanado tiene su origen en un desequilibrio en la aportación de calor en la cara del corte, siendo mayor este en la parte superior del corte que en el fondo del mismo.

FIGURA 3.2.20

Una manera de reducir este desequilibrio en la distribución del calor, es estrangular más el chorro del plasma, con lo que obtienen unas temperaturas más uniformes. Este tipo de solución tiene el peligro de que se establezcan dos arcos en serie: electrodo-boquilla y boquilla-pieza. Lo cual puede dañar al electrodo y a la boquilla. La circulación del gas que rodea al electrodo, se puede realizar de dos formas:


Tema 1.13 -83-


-

Centrífuga por inyección del gas tangencialmente a la periferia del electrodo, ver fig. 3.2.21, con lo que se incrementa el estrangulamiento del arco y fuerza a éste a permanecer alejado de las paredes de la boquilla, paliando la tendencia a formar el arco doble. Además el arco es más estable y mejora la calidad del corte. Generalmente Generalmente el electrodo utilizado por este sistema es romo.

-

La circulación del gas paralela al eje del electrodo, ver fig. 3.2.22. El electrodo normalmente utilizado para este sistema es de punta.

En el corte con plasma convencional puede resultar engorrosa su aplicación si el usuario tiene que cortar una gama amplia de metales y espesores, ya que para obtener un rendimiento óptimo del corte, es necesario aplicar diferentes diferentes tipos de gases, según el metal y espesor a cortar.

FIGURA 3.2.21

FIGURA 3.2.22

3.2.5.4.- Corte con gas secundario secundario (DUAL FLOW)

Esta técnica se introdujo hacia el año 1.964. Tiene las mismas características que el corte convencional, con la excepción que se añade un gas secundario rodeando el arco de plasma. El doble arco se evita por la capa cerámica que sobresale de la línea frontal de la boquilla.


Tema 1.13 -84-


FIGURA 3.2.23

El gas para plasma es normalmente nitrógeno. El secundario se elige en función del metal a cortar. Gases de protección secundarios típicos son: -

Acero suave

Aire u oxígeno oxígeno

-

Acero inoxidable inoxidable

CO2

-

Aluminio

Mezcla de argón argón e hidrógeno hidrógeno

Como ventajas de este sistema se pueden indicar las siguientes: -

El gas secundario asiste a la columna de plasma en la expulsión del metal fundido, por lo que resulta un corte más rápido y limpio.

-

El ajuste de parámetros críticos es más sencillo.

-

Refrigera las piezas frontales de la boquilla, prolongando su vida útil.

-

Reduce las salpicaduras en la boquilla.

-

Permite un taladrado más fácil.

3.2.5.5.- Corte con inyección inyección de agua

Utiliza un gas productor del chorro de plasma al que se le inyecta (tangencial o radial) agua, con lo cual se consigue un doble efecto, una mayor contrición del chorro de plasma y la ionización parcial del oxígeno e hidrógeno del agua que al recombinarse en la sangría dan un aporte calorífico complementario. Con esto se obtiene un plasma más potente, pudiéndose utilizar mayores velocidades de corte.(figura 3.2.24)


Tema 1.13 -85-


Como gas de plasma se emplea el nitrógeno. Los caudales de agua suele oscilar entre 1,5 a 2 litros por minuto.

FIGURA 3.2.24

A pesar de las temperaturas temperaturas tan elevadas que se obtienen con este sistema (aprox. 50.000ºK) sólo se evapora un 10% del agua, contribuyendo el resto a enfriar la pieza, con lo cual se obtienen superficies libres de óxidos y cortes con menos deformaciones. 3.2.5.6.- Corte con inyección de oxígeno

Este procedimiento utiliza nitrógeno como gas de plasma e inyecta oxígeno al haz de plasma, tal como muestra la figura 3.2.25.

FIGURA 3.2.25


Tema 1.13 -86-


Se suele aplicar casi exclusivamente para el corte de acero dulce. Con una mezcla de 80% de nitrógeno y 20% de oxígeno, la velocidad en un acero dulce es de un 25% superior al corte convencional de plasma. Este sistema tiene como desventajas su poca versatilidad y la muy corta vida de las piezas consumibles. 3.2.5.7.3.2.5.7. - Corte en mesas de agua

Es un perfeccionamiento del corte con plasma que utiliza una mesa especial para el corte del metal. Las principales mejoras que se obtienen con respecto al corte convencional con plasma, son las siguientes: -

Control de la distorsión por efecto del calor del plasma.

-

Menor producción de humos.

-

Atenuación del del nivel sonoro del corte.

-

Gran limpieza de las caras del corte.

En la figura 3.2.26, se puede apreciar un porta-electrodo porta-electrodo para utilizarlo en las mesas de agua. Utiliza una cortina de agua, con la cual se obtienen las ventajas enumeradas anteriormente; en cambio, tiene las desventajas de que la instalación es fija y que sólo es posible emplearla en corte mecanizado.

FIGURA 3.2.26

En el corte sobre mesa de agua, la chapa a cortar puede adoptar varias posiciones con respecto al nivel de agua, según las ventajas que se quieran obtener y el equipo de corte que se tenga. Así, tenemos:


Tema 1.13 -87-


-

Chapa sobre el nivel del agua o en contacto con ella. En la figura 3.2.27, se puede apreciar una instalación en la que se reduce la producción de humos. En la figura 3.2.28, viene esquematizada otra instalación, en la cual la chapa está en contacto con el agua y el portaelectrodos utiliza la cortina de agua.

FIGURA 3.2.27

FIGURA 3.2.28

-

Chapa completamente sumergida en agua. En la figura 3.2.29 viene esquematizada una instalación de este tipo, con lo cual se previene eficazmente la distorsión y se elimina la producción de humos, ruidos y el resplandor del corte. El equipo para esta instalación debe de tener suficiente potencia para compensar la rápida evacuación del calor de las chapas sumergidas; además requiere cierto automatismo ya que el corte no se puede controlar visualmente. visualmente.


Tema 1.13 -88-


FIGURA 3.2.29

3.2.6.3.2.6.- Parámetro s de cor te

Es evidente que la velocidad de corte en cualquier proceso es inversamente proporcional proporcional al espesor de la chapa. La relación entre uno y otro parámetro en el corte con plasma viene definida aproximadamente por la ecuación:

S

=

I

8 ⋅T

Siendo: S = Velocidad en pulgadas/minuto. I = Intensidad de corriente en amperios. T = Espesor de la chapa en pulgadas. En cortes achaflanados esta relación viene definida por la ecuación:

S

=

I cos α 8 ⋅T

Siendo α el ángulo del chaflán con respecto a la vertical. Estas ecuaciones son válidas para acero dulce e inoxidable. En el corte de aluminio y para una energía dada, la velocidad de corte es un 25% mayor que para el acero. A continuación a modo de ejemplo, se especificarán los parámetros para el corte de diversos materiales mediante distintos procedimientos y gases.


Tema 1.13 -89-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN TABLA N º

1

Material : Acero inoxidable Procedimiento: Argón-Hidrógeno ESPESOR

TENSIÓN

INTENSIDAD

CAUDAL GAS

VELOCIDAD

mm

V.

A.

l/mn

cm/mm

Ar

H2

5

100

110

30

6

150

10

130

150

40

10

120

15

130

150

45

12

100

20

130

180

45

12

80

30

145

180

45

12

50

40

140

200

50

14

40

50

140

200

60

14

18

TABLA N º

2

Material: Aluminio Procedimiento: Argón-Hidrógeno ESPESOR

TENSIÓN

INTENSIDAD

CAUDAL GAS

VELOCIDAD

mm

V.

A.

l/mn

cm/mm

Ar

H2

5

110

130

30

10

320

10

120

200

40

10

300

15

110

200

40

10

180

20

110

200

40

10

110

30

160

200

40

10

80

40

160

200

50

14

60

50

160

200

50

14

30


Tema 1.13 -90-


3

Material: Acero dulce Procedimiento: Procedimiento: Nitrógeno con inyección de agua ESPESOR

TENSIÓN

INTENSIDAD

CAUDAL GAS

VELOCIDAD

mm

V.

A.

l/mn

cm/mm

N2

--

3

160

220

45

--

500

5

170

220

45

--

400

8

170

220

45

--

350

10

170

220

45

--

180

15

170

220

45

--

100

20

170

220

45

--

60

TABLA N º

4

Material: Acero inoxidable Procedimiento: Procedimiento: Nitrógeno con inyección de agua ESPESOR

TENSIÓN

INTENSIDAD

CAUDAL GAS

VELOCIDAD

mm

V.

A.

l/mn

cm/mm

N2

--

3

160

200

45

--

400

5

160

200

45

--

300

7

160

200

45

--

200

10

160

200

45

--

200

15

175

200

45

--

150

20

180

200

45

--

70

25

180

200

45

--

25


Tema 1.13 -91-


5

Material: Aluminio Procedimiento: Procedimiento: Nitrógeno con inyección de agua ESPESOR

TENSIÓN

INTENSIDAD

CAUDAL GAS

VELOCIDAD

mm

V.

A.

l/mn

cm/mm

N2

--

3

170

180

45

--

400

6

160

200

45

--

300

10

160

200

45

--

250

15

160

200

45

--

150

20

160

200

45

--

100

TABLA N º

6

Material: Acero dulce Procedimiento: Procedimiento: Aire ESPESOR

TENSIÓN

INTENSIDAD

CAUDAL GAS

VELOCIDAD

mm

V.

A.

l/mn

cm/mm

Aire

--

3

170

125

35

--

500

5

170

125

35

--

400

10

160

150

35

--

250

15

165

160

45

--

125

20

170

160

45

--

100


Tema 1.13 -92-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 3.2.7.- Efectos metalúrgicos

El fuerte calor generado en el arco de plasma, produce una zona afectada por el calor a lo largo de la superficie de corte similar a la producida por soldadura. soldadura. 3.2.7.1.- Acero al carbono carbono

La zona de fusión se extiende hasta 0,01 mm. desde la superficie de corte. Existe una zona afectada por el calor de una profundidad aproximada aproximada de 0,3 mm. en la que se producen cambios micro-estructurales con aumento de la dureza. 3.2.7.2.- Acero inoxidable

Por la elevada velocidad de corte, la superficie de corte pasa muy rápidamente a través de la temperatura temperatura crítica de sensibilización de los aceros inoxidables, por lo que prácticamente no se producen modificaciones modificaciones sensibles en las propiedades mecánicas del metal base. 3.2.7.3.- Aluminio

La zona de fusión se extiende hasta 0,04 mm. desde la superficie de corte. La zona afectada por el calor tiene una profundidad de hasta 1 mm., pudiendo aparecer en esta zona porosidad, debidas al gas de corte y fusiones incipientes en los límites de grano. 3.2.8.- Defectología

Una característica importante del corte con plasma, cuando el gas fluye de forma centrifugada alrededor del electrodo, es que cuando se mira en la dirección del corte, se presenta el lado derecho con corte recto, mientras que el lado izquierdo está ligeramente achaflanado. Esta característica está asociada con el gas, que revoluciona en le mismo sentido que las agujas del reloj. Por tanto, es importante seleccionar la secuencia de corte y el sentido de avance de forma que, a ser posible, el lado malo quede en la parte de pieza que se va a desechar. (figura 3.2.30).

FIGURA 3.2.30


Tema 1.13 -93-


EXTRACTO DE DE “ DVS 8, TECNOLOGÍ TECNOLOGÍA A DEL PLASMA, FUNDAMENTOS Y APLICACIÓN” Posibles defectos en el corte con plasma y su corrección.

Aspec As pecto to del defect def ecto o

Posibles causas en el: Acero Ac ero de con c onst stru rucc cc ión ió n Acero Ac ero inox in oxid idabl able e

Alum Al umin inio io

Demasiada velocidad, Como en el acero de Raras veces Demasiada distancia del construcción quemador

Demasiada distancia de Como en el acero de Como en el acero de la torcha, composición construcción construcción incorrecta del gas de plasma Demasiada demasiado plasma

velocidad, Poca gas de demasiado plasma

velocidad, Demasiada velocidad, gas de poco gas de plasma

Demasiada velocidad, Como en el acero de Como en el acero de demasiada distancia del construcción construcción quemador, poco gas de plasma

Raras veces

Raras veces

Demasiado plasma

gas

gas

de

Poco gas de plasma, de velocidad excesivamente pequeña

Raras veces

Demasiado plasma

Demasiada velocidad

Demasiada velocidad, Raras veces poco gas de plasma

La punta del electrodo no Como en el acero de Como en el acero de está en el centro, tobera construcción construcción de corte obturada


Tema 1.13 -94-


Para mayor información sobre clasificación e imperfecciones en cortes térmicos, se pueden consultar las siguientes normas: UNE-EN ISO 9013:2003 CORTE TERMICO. CLASIFICACION DE LOS CORTES TERMICOS. ESPECIFICACION GEOMETRICA DE LOS PRODUCTOS Y TOLERANCIAS DE CALIDAD. (ISO 9013:2002 ) UNE-EN 12584:1999 12584:1999 IMPERFECCIONES EN LOS CORTES CORTES REALIZADOS POR OXICORTE, OXICORTE, CORTE POR LASER Y CORTE POR PLASMA. TERMINOLOGIA. 3.2.9. 3.2.9.-- Porosi dad en en la sol dadura de junt as cortadas con plasma

Este problema se descubrió en la soldadura de chapas de acero que previamente habían sido cortadas por el procedimiento de plasma de aire. Su origen se debe al aumento de la concentración de nitrógeno en la superficie de corte, en una cantidad aproximadamente 200 veces mayor al máximo de solubilidad del nitrógeno en el acero. (0,044%). Por otra parte, la superficie afectada en el corte es tan pequeña, que durante el proceso de soldadura debería de diluirse esta sobreconcentración de nitrógeno en el baño de fusión. Sin embargo, se han detectado ciertas zonas en las que se siguen manteniendo grandes concentraciones de nitrógeno que posteriormente dan lugar a porosidades en la soldadura. El riesgo de porosidad es máximo cuando la penetración es incompleta, apareciendo estas porosidades en la raíz del cordón.

FIGURA 3.2.31

Como resultado del estudio realizado en el corte de planchas de acero de 6 mm. de espesor por distintos procedimientos; en la figura 3.2.32 se pueden apreciar las concentraciones de nitrógeno en función de la distancia a la superficie de corte. Existen varias formas de disminuir el riesgo de porosidad en la soldadura:


Tema 1.13 -95-


1) Reemplazar el aire por plasma de oxígeno. 2) Modificar el procedimiento de soldadura de manera que la penetración sea completa. 3) Esmerilar la superficie cortada (más común). 4) Alear el metal de aportación con aluminio o titanio. 5) Someter la unión a un tratamiento térmico de difusión.

FIGURA 3.2.32

3.2.10 3.2.10..- Seguridad en el corte con pl asma

Los problemas de seguridad en el corte con plasma pueden provenir de las causas siguientes: -

Altos voltajes.

-

Producción de gases nocivos.

-

Producción de gas oxi-hidrógeno inflamable.

-

Radiación proveniente del arco.


Tema 1.13 -96-


-

Ruido.

-

Humos.

Conviene destacar que algunas son específicas del corte con plasma y otras suelen aparecer en todos los procesos de soldadura por arco. 3.2.10.1.- Altos voltajes

Como se sabe, el voltaje en vacío de los equipos de plasma está comprendido entre 100 V. y 400 V. Durante el cebado del arco puede haber momentos en que la parte interior de la boquilla esté a un voltaje ligeramente inferior al del equipo. El riesgo potencial de que algunas de las partes de la boquilla pudiera ser tocada accidentalmente por el utilizador y sufrir una fuerte descarga, está eliminado gracias al perfecto aislamiento de estas zonas. 3.2.10.2.- Producción de gases nocivos

En la tabla nº 7 puede apreciarse la tasa de emisión de diversos gases nocivos para distintos procedimientos de corte con plasma. Así mismo, en la tabla nº 8 se especifican los valores límites de concentración de estos gases en el aire. TABLA N º

7

T ASAS DE EMISIÓN DE GAS NOCIVO PARA UN FACTOR DE MARCH A DEL 100. L OS VALORES ESTÁN INDICADOS EN GRAMOS /HORA.

Nº Ensayo 1

Tipo plasma

I (A)

Aire

CO

CO2

NO

NO2

O3

COCl2

150

11,7

Trazas

85,2

1,9

0,2

< 0,2

2

Aire/mesa agua

150

14

Trazas

63,6

4,2

0,4

< 0,2

3

Nitrógeno

200

10,5

Trazas

165,4

4,8

0,2

< 0,2

200

7

Trazas

63,6

12

0,8

< 0,2

170

7

Trazas

101,8

12

--

< 0,2

120

1,2

Trazas

101,8

8,5

--

< 0,2

80

4,1

Trazas

33,1

2,1

0,12

< 0,2

200

9,3

Trazas

76,3

5,3

--

< 0,2

4 5 6

Nitrógeno “Vortex” agua

7

de

Argón + 8 Hidrógeno


Tema 1.13 -97-


8 CIFRAS DEL INRS ( X)

Gas

Valor límite media ponderada ponderada

Valor límite para una exposición de corta duración

ppm

mg/m3

ppm

mg/m3

CO

50

55

75

82,5

CO2

5.000

9.000

6.250

11.250

NO

25

30

37,5

45

NO2

5

9

5

9

O3

0,1

0,2

0,3

0,6

CO 0,05 0,2 0,05 Cl2 CO - CO2: Mono y dióxido de Carbono NO - NO2: Mono y dióxido de Nitrógeno O3: Ozono COCl2: Oxicloruro de Carbono (Fosgeno) (x) (INRS: Institut National de Recherche et de Securite)

0,2

Cabe destacar, que según datos experimentales, pueden aparecer concentraciones de ozono por encima del TLV. Este ozono proviene de la acción de la radiación ultravioleta sobre el oxígeno del aire. En cuanto al dióxido de nitrógeno, se ha comprobado que éste se produce en el plasma cualquiera que sea el gas utilizado. Las mediciones existentes indican concentraciones superiores al TLV a una distancia del arco de 20 25 cm.; sin embargo, este gas tiende a disiparse rápidamente y rara vez se encuentran concentraciones concentraciones peligrosas a distancias superiores a 30 cm del arco. 3.2.10.3.- Producción de gas gas oxi-hidrógeno inflamable inflamable

Cuando se utiliza el hidrógeno como gas de plasma y los equipos de distribución del gas están alojados en la misma caja que los controles eléctricos del corte, pueden producirse escapes de hidrógeno que al combinarse con el aire y en presencia de una chispa, forman una mezcla inflamable. Por tanto, es aconsejable sacar todo el control de gas de la caja, o bien, ventilar convenientemente ésta, procurando en este caso que los controles eléctricos estén separados de los del gas. 3.2.10.4.- Radiación proveniente proveniente del arco

El enorme calor producido por un arco de plasma (dos veces más caliente que la superficie del sol) produce radiaciones de distinto tipo, principalmente de rayos ultravioleta (UV). Pero también se está expuesto a rayos infrarrojos (IR) y radiaciones visibles. Debido a que las radiaciones son de distinta longitud de onda, se está expuesto a diferentes riesgos. -

Las radiaciones visibles intensas pueden causar daños permanentes a la retina. Las radiaciones infrarrojas de onda corta producen enturbiamiento enturbiamiento del cristalino, lo cual después de 10 – 30 años puede producir cataratas.


Tema 1.13 -98-


-

Las radiaciones ultravioleta causan quemaduras quemaduras en los ojos, notándose como si se tuviera arena en los ojos, y quemaduras en la piel iguales a las del sol. Las radiaciones ultravioleta de onda larga perturban el equilibrio de calor del cuerpo.

FIGURA 3.2.33


Tema 1.13 -99-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 3.2.10.5.- Ruido

En la tabla nº 9 vienen indicados los niveles sonoros que se alcanzan en el corte de acero dulce con distintos procedimientos. procedimientos. Este ruido se debe al diseño de la pistola y a la velocidad con que el plasma sale de la boquilla. Dado que estos niveles de ruido suelen ser altos, conviene que el personal que trabaje en las cercanías del plasma lleve protegidos los oídos. TABLA N º

Espesor chapa (mm)

9

Tipo plasma

I (A)

Nivel max dB (A) 1m 5m

9

10 acero suave

Aire

150

107,5

92

10

10 acero suave

Aire / mesa agua

150

103,3

90,3

11

10 acero suave

Nitrógeno

200

111,3

91,3

12

10 acero suave

Nitrógeno + Vortex de agua

200

113,8

94,3

13

10 acero suave

Nitrógeno + Vortex de agua

200

80,3

76,3

14

10 acero suave

Argón +

80

98,3

84,3

15

20 acero suave

Hidrógeno

200

118,3

91

3.2.10.6.- Humos

El corte con plasma genera una gran cantidad de humos provenientes de los gases empleados y del metal que se está cortando. En la figura 3.2.34. se indica la temperatura temperatura de formación de algunos vapores.

FIGURA 3.2.34 TEMPERATURAS DE FORMACIÓN DE VAPOR DE ALGUNOS ELEMENTOS TÍPICOS


Tema 1.13 -100-


Existen varios remedios contra la aparición de estos humos: Corte a bajo amperaje. Cortando por debajo de los 100 Amps. suelen solucionarse en gran parte, los problemas derivados de la producción de humos. Corte con protección de agua (water-shield). Es un sistema semejante al DUAL FLOW, en el que se sustituye el gas secundario por agua. -

Corte con cortina de agua.

-

Corte en mesa de agua.

-

Ventilación forzada por la parte inferior de la mesa de corte.

-

Ventilación general del local.

3.2.11 3.2.11..- Comparación con otros procesos

FIGURA 3.2.35 COMPARACIÓN DE VELOCIDADES DE CORTE CON LÁSER, PLASMA Y GAS


Tema 1.13 -101-


TIEMPO NECESARIO, MIN SECUENCIA

OXICORTE

CORTE

CON

PLASMA Colocación de la plancha

5

5

Posicionado del quemador, programa, etc.

5

5

Punzonado/marcado Punzonado/marcado N/C

20

20

Tiempo de corte N/C

45 (500 mm/min)

10 (2250 mm/min)

10

10

5

5

90

55

50% (45/90)

18% (10/55)

Extracción de los componentes terminados y chatarra Mantenimiento, tiempo del operario Tiempo total del ciclo Intermitencia (tiempo de corte/tiempo total del ciclo)

FIGURA 3.2.36 TIEMPOS REPRESENTATIVOS DE LOS CICLOS DE TRABAJO CON OXICORTE Y CORTE CON PLASMA

3.3.- Láser El láser es una fuente de luz coherente, que se genera en un medio físico; sólido , líquido o gaseoso, contenidos en una cámara situada entre espejos: uno de ellos reflector y otro semi-reflector a través del cual sale el haz de luz (Figura 3.62) que focalizado en un área muy pequeña, concentra una gran cantidad de energía. Esta energía puede ser usada para el corte de metales y otros materiales, bien por fusión o bien por ablación de estos (según el material de la sangría sea licuado en el caso de la fusión o sublimado en el caso de la ablación). LASER son las siglas de; L ight A ight Amplification mplification by Simulated Emisión of Radiation cuyo significado vendría ser algo así como (amplificación de la luz mediante la emisión estimulada de radiaciones).


Tema 1.13 -102-


Fuente de luz Haz Láser

Lente focalizadora

Profundidad focal

FIGURA 3.3.1

La focalización de la energía láser se produce en un área reducida dentro de un rango de profundidad entorno al punto de focalización (como se puede ver en la figura 3.3.1), fuera de este rango el haz láser se abre aplicando la energía sobre un área mayor disminuyendo por tanto la densidad de energía. Esto permite su uso además de para el corte, para soldadura y grabado puesto que permite trabajar en zonas muy determinadas determinadas incluso en capas inferiores a las superficiales. El corte que produce el proceso láser es muy fino y de una gran precisión (como el que se observa en la Figura 3.3.2).

FIGURA 3.3.2

3.3.1. 3.3.1.-- Partes fun damentales de u n l áser

En un láser podemos distinguir tres partes diferenciadas que lo caracterizan en función de la misión que cada una de ellas desarrolla en el proceso; -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.13 -103-


una primera parte es la fuente láser o resonador, parte formada principalmente por un generador de luz que, como veremos mas adelante, puede ser de varios tipos, encuadrado entre dos espejos o reflectores, uno reflectante y otro semi-reflectante. semi-reflectante. −

Una segunda parte parte es la óptica, cuya misión es focalizar la luz proveniente proveniente de la fuente fuente y que también abordaremos abordaremos posteriormente los distintos tipos. −

Y una tercera parte que está compuesta por la zona de trabajo con el haz focalizado y el gas de asistencia en el caso de que lo haya.

−

Además tendremos la instalación que guía y soporta todo el sistema láser, bien sea CNC o robotizada. En cualquier caso será de gran precisión. 3.3.2.3.3.2.- Fuent e

Básicamente la fuente de luz láser, consiste en una cámara que amplifica la luz producida en su interior como en el caso de los láser de tipo CO 2 o proveniente de su entorno como en los de tipo Nd:YAG y que está situada entre dos espejos o reflectores uno de ellos totalmente reflectante y el otro semi- reflectante a través del cual sale el haz y entre los cuales se refleja la luz. El esquema básico de funcionamiento es el que podemos apreciar en la figura 3.3.3. Así mismo en ambos casos la energía de origen puede ser continua o pulsada. La luz del haz de láser es muy intensa, y tiene una única longitud de onda (luz monocromática) y la divergencia es muy baja, lo que facilita la transferencia del haz a largas distancias y el enfoque en un punto de reducidas dimensiones, lo cual permite la obtención de temperaturas temperaturas elevadísimas.

Haz Láser

Espejo semitransparente

FIGURA 3.3.3

3.3.2.1.- CO2

Aunque recibe el nombre de láser CO 2 realmente consiste en una mezcla de CO 2, Nitrógeno y Helio. En este caso la energía inicial se produce mediante una descarga eléctrica (con corriente continua CC o pulsada) entre dos electrodos situados en los extremos de la cámara (llamada resonador) que contiene el gas (a una presión baja del orden de 100 mbar), lo que excita las moléculas del gas, que emiten energía en forma de luz. Esta emisión estimula la continuidad de la misma de forma que la emisión es amplificada. La -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.13 -104-


luz emitida en la dirección de la generatriz se refleja en los espejos situados en los extremos del tubo de forma que se produce una segunda amplificación. Como uno de los espejos es semitransparente, sólo refleja parcialmente la luz permitiendo el paso del resto para la generación generación del rayo láser. Existen láser del orden de 25 Kw. Pero generalmente se usan de forma comercial para corte hasta 5 Kw. Existen varios tipos de láser de CO2 de aplicación para para el corte que que son los siguientes: siguientes: Láser de flujo lento de CO 2, cuyo principio de funcionamiento es el siguiente; El gas fluye lentamente a lo largo del eje del resonador con un caudal suficiente para retirar el CO 2 asociado a las descargas, frecuentemente se recircula el gas para ahorrar consumo. Como el flujo es lento el gas se calienta, lo que reduce su rendimiento, haciendo necesaria necesaria la refrigeración de la cámara. La potencia de estos láser es baja, del orden de 1Kw. Y el esquema básico de funcionamiento lo podemos ver en la figura 3.3.4.

−

FIGURA 3.3.4

Láser de flujo axial rápido de CO 2, cuyo principio de funcionamiento es el siguiente; El gas fluye rápidamente por el eje del resonador por lo que se calienta en menor medida que los de flujo lento. El gas es recirculado tras pasar por un intercambiador intercambiador de calor externo al tubo resonador. Como el CO 2 se disocia en CO + O, para regenerarlo se añade gas nuevo, retirando parte del usado en igual medida. La potencia de estos láser es del orden de 0,5 Kw a 10 Kw. Y el esquema básico de funcionamiento lo podemos ver en la figura 3.3.5. −


Tema 1.13 -105-


FIGURA 3.3.5

Láser de flujo transversal de CO 2, cuyo principio de funcionamiento es el siguiente; El gas fluye rápidamente perpendicular al eje del resonador. El gas es recirculado tras pasar por un intercambiador de calor interno y para regenerarlo regenerarlo se añade gas nuevo, retirando parte del usado en igual medida. La potencia de estos láser es del orden de 1 Kw a 25 Kw. No suele usarse para aplicaciones de corte y el esquema básico de funcionamiento lo podemos ver en la figura 3.3.6. −

FIGURA 3.3.6

Como ya hemos comentado los láser de CO 2 pueden excitarse de manera continua o pulsada por radiofrecuencia, la excitación continua tiene la ventaja de producir un haz continuo y el de radiofrecuencia que los electrodos se sitúan en el exterior de la cámara por lo que el deterioro de los electrodos es menor. El esquema de funcionamiento de ambos casos se observa en las siguientes figuras 3.3.7 y 3.3.8.


Tema 1.13 -106-


Excitación por CC

FIGURA 3.3.7

Excitación por RF

FIGURA 3.3.8

En cuanto a la función que desempeñan los distintos gases laséricos podemos comentar lo siguiente: -

-

-

El CO2 es el gas que genera la luz láser en sí, con una longitud de onda λ = 10,6 10,6 µm. Que resulta resulta de las colisiones de los electrones de la descarga eléctrica con las moléculas de CO2. El Nitrógeno N 2 se excita mas fácilmente que el CO 2 con las descargas eléctrica y las vibraciones que adquieren sus moléculas se transmiten fácilmente a las de CO 2, por lo que aumenta la emisión de luz de éste, aumentando la potencia. El Helio, tiene una gran conductividad térmica por lo que favorece la evacuación del calor generado hacia el exterior y estabiliza las descargas. 3.3.2.2.- Nd: YAG

El láser Nd: YAG o láser sólido, se diferencia de los de CO 2 en que la cámara que contiene el gas se sustituye por una barra sólida de Ytrio-Aluminio-Granate ( Ytrium Aluminium A luminium Garnet) dopado al 1% de 3+ Neodimio Nd y la excitación en lugar de por descarga eléctrica es producida por unas lámparas de Kripton o Xenon situadas en paralelo con la barra. La barra tiene unas dimensiones de 150 mm. De longitud y 9 mm. De diámetro, sus extremos son planos, pulidos y paralelos con unas tolerancias muy estrictas y están plateados para conseguir una superficie reflectante. Pueden ser continuos o pulsantes y la longitud de onda característica de emisión es λ = 1,06 µm. Esta longitud de onda es la propia del Nd 3+ y es casualmente la décima parte de la de los láser de CO 2. La menor longitud de onda produce que haya menor reflectividad en los metales, por lo que se pueden cortar materiales de igual espesor empleando menor potencia que en los láser CO2. Siendo muy útil para aplicación en materiales de alta reflectividad como es el caso del aluminio, el cobre o el latón. La radiación de estos láser es transportable por fibra óptica lo que facilita mucho su aplicación en sistemas robotizados al poder prescindir de los espejos cuyo alineamiento es una operación dificultosa. Al tener una longitud de onda menor el punto focal generado es de menor diámetro por lo que aumenta la precisión y disminuye el ancho de la sangría de corte. En la figura 3.3.9 podemos observar el esquema básico de un láser Nd: YAG.


Tema 1.13 -107-


VISTA SUPERIOR

LAMPARA DE KRIPTON OPTICA DE FOCALIZACION

ELECTRODO ESPEJO 100% REFLECTOR

ESPEJO PARCIALMENTE REFLECTOR

PIEZA DE TRABAJO

ELECTRODO LASER

VISTA FRONTAL LAMPARA

FIGURA 3.3.9

3.3.2.3.- Otros

Existen otros tipos de láser aunque de menor aplicación como son los siguientes: -

Láser de cristal, muy similar al Nd: YAG en el que se sustituye a este por cristal dopado con Nd 3+ en mayor cantidad que el Nd: YAG. Tiene mayor potencia de emisión que este por el mayor dopado pero presenta el inconveniente que la baja conductividad térmica del cristal dificulta la refrigeración y por tanto su uso con alta potencia o grandes frecuencias de pulso.

-

Láser de Rubí, es muy similar al Nd: YAG con la diferencia de que emite luz visible. Fue el primer láser que se utilizó y tiene unas características similares a las de los láser de cristal.

-

Láser Excimer, son láser de gas a alta presión de una mezcla de gas noble y un halogenado y su funcionamiento funcionamiento es parecido a los láser de CO 2

3.3.3. 3.3.3.-- Tipos de foc alización

Una vez generado el rayo láser es necesario focalizarlo para que pueda cumplir su misión de generar una alta densidad de energía en un punto relativamente pequeño, esto se consigue con la focalización. La focalización mas simple la podemos observar en la figura 3.3.10 en donde esta se produce por la acción de una única lente.


Tema 1.13 -108-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN Lente

Profundidad de Foco

DO Diámetro del Haz DF Diámetro del Punto Focal

Haz Láser Distancia Focal

FIGURA 3.3.10

Normalmente la focalización en un láser se produce de manera mas compleja y por medio de espejos que a su vez desvían el rayo para dirigirlo a la zona de trabajo. Las focalizaciones mas habituales son las que se muestran en la figura 3.3.11. ESPEJO ESFÉRICO

ESPEJO ESFÉRICO ESPEJO PLANO CON AGUJERO

HAZ

HAZ

CENTRADO EN EL EJE

ESPEJO PLANO

NO CENTRADO EN EL EJE

ESPEJO ESFÉRICO

ESPEJO PARABÓLICO HAZ

HAZ

ESPEJO CILÍNDRICO

PARABÓLICO

ESFÉRICO CORREGIDO

FIGURA 3.3.11

3.3.4.- Calidad del haz

La calidad del haz la mediremos en función de la homogeneidad de la densidad de energía en su sección, es decir, de la capacidad de ser enfocado del haz. Esto va a depender principalmente de las aberraciones y divergencias en los elementos ópticos y de los campos electromagnéticos que se generen en el interior de la fuente. En función de esto se establecen los indicadores de calidad TEM ( Transverse Electromagnetic Modes) que se expresan expresan como como TEM TEMmn en donde m y n especifican el número de valles -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.13 -109-


energéticos que se producen en los ejes perpendiculares a la propagación de haz. La designación TEM 00 sería para un haz perfecto con una distribución de energía Gaussiana. En la figura 3.3.12 tenemos unas muestras de las distribuciones de densidad de energía y sus designaciones. designaciones.

DENSIDAD DE ENERGIA RELATIVA

SECCIÓN DEL HAZ DENSIDAD DENSIDAD DE ENERG A RELATIVA

SECCION DEL HAZ

DENSIDAD DE ENERGIA EN EL

SECCION DEL HAZ

REPRESENTACION TRIDIMENSIONAL DE LA DENSIDAD DE ENERGIA EN EL HAZ

FIGURA 3.3.12


Tema 1.13 -110-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 3.3.5. 3.3.5.-- Interacción con el material b ase

Como ya comentamos el corte del material se puede producir o bien por fusión, o bien por sublimación de este, especialmente en el caso de fusión necesitaremos la ayuda de un gas llamado de asistencia que sale por la boquilla del láser para apartar o retirar los restos de material fundido. Los gases que se utilizan para esta misión son: Aire, Oxigeno, Nitrógeno o Argón y se seleccionan principalmente principalmente en función del material a cortar. En la siguiente tabla podemos observar los gases de asistencia utilizables para cada material:

Gas de asistencia Aire Oxígeno Nitrógeno Argón

Alu mi nio ni o

Mater ial es no metálicos

Acer o al carbono

Acero Ac ero Inoxidable

Aleaci Al eacion ones es de cobre

Aleaci Al eacion ones es de níquel

Titanio

Si los gases de asistencia usados son el aire y muy especialmente el oxígeno, estos contribuyen al proceso de corte de manera activa, oxidando el metal fundido en una reacción exotérmica que aporta mayor calor al proceso, además de la función f unción de arrastre que tanto estos como el Nitrógeno y el Argón realizan. En la figura 3.3.13 podemos observar la disposición de la boquilla de corte y la intervención del gas de asistencia en el momento del corte. Haz

Espejo

Láser

Lente Gas de asistencia Dirección de desplazamiento

Material fundido arrastrado por el gas de asistencia

FIGURA 3.3.13

Algunos materiales, en especial algunos metales, tienen una alta reflectividad a las longitudes de onda con las que trabaja el láser por lo que al iniciar el corte el rayo es menos eficiente. Posteriormente la situación mejora puesto que la reflectividad de las ondas por parte del material disminuye drásticamente drásticamente con


Tema 1.13 -111-


la temperatura por lo que aumenta la absorción de calor. Este efecto lo podemos observar en la figura 3.3.14.

FIGURA 3.3.14

En la figura 3.3.15 podemos observar como interactúan el láser y el material base en el momento en el que se produce el corte, en donde se observan los distintos factores intervinientes y la acción que cada uno de ellos realiza. GAS DE ASISTENCIA HAZ LÁSER

ENER ENERGI GIA A L SER SER APORTADA

CALOR POR RADIACION

MATERIAL FUNDIDO

CALOR POR CONDUCCI ÓN ENERGIA LASER REFLEJADA

MATERIAL BASE

EJECCION DE MATERIAL FIGURA 3.3.15

La forma en que el material del corte se transforma depende de la densidad de energía aportada, de tal manera que los láser Nd:YAG que trabajan con densidades superiores a 10 5 W/mm2 volatilizan el material, mientras que los láser CO 2 que trabajan con densidades de en torno a 10 4 W/mm2 funden el material que debe ser apartado con un gas de asistencia. Las distintas formas de actuar el láser en función de la densidad de energía aportada las podemos observar en el gráfico de la figura 3.3.16. En donde se representa la profundidad del Keyhole ( ojo de cerradura ) con respecto al espesor total, que se produce a las distintas densidades de energía.


Tema 1.13 -112-


ZONA DE VAPORIZACIÓN ZONA DE FUSIÓN SUPERFICIAL

ZONA DE KEYHOLE FUSIÓN + VAPORIZACIÓN CALENTAMIENTO

DENSIDAD DENSIDAD DE DE ENERGÍA ENERGÍA EN EN (W / MM ) FIGURA 3.3.16

3.3.6. 3.3.6.-- Instalacio nes

El hecho de que el proceso láser sea de gran precisión exige que los equipos se monten sobre instalaciones que al menos tengan dicha precisión, como ya hemos comentado: la distancia focal y las vibraciones afectan de manera determinante a la capacidad de corte del proceso. Si a esto añadimos que con el proceso láser se pueden realizar cortes con una precisión de 0,1 mm. Esto evidentemente evidentemente nos obliga a que las instalaciones sean capaces de aportar este tipo de precisión. Por ello para corte en 2D se utilizan normalmente mesas de CNC como la que podemos ver en la figura 3.3.17 cuyo cabezal se puede ver trabajando en la figura 3.3.18; para el caso de corte en 3D, en la figura 3.3.19 podemos ver un láser montado sobre un brazo robotizado.

FIGURA 3.3.17


Tema 1.13 -113-


FIGURA 3.3.18

FIGURA 3.3.19

3.3.7. 3.3.7.-- Cons umib les

Para un láser de CO 2 tendremos como consumible a reponer por el uso normal del equipo los siguientes materiales: -

Electricidad

-

Elementos ópticos internos de la fuente láser

-

Gases laséricos ( CO2, N2, He )

-

Gas de asistencia ( O2, N2, Ar, Aire (en este caso sólo el corte de filtrar y comprimir))

-

Lentes focales

Para un láser Nd: YAG los consumibles serán los siguientes: -

Electricidad

-

Elementos ópticos

-

Lámparas de descarga

-

Gas de asistencia ( O2, N2, Ar, Aire (en este caso sólo el corte de filtrar y comprimir))


Tema 1.13 -114-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 3.3.8. 3.3.8.-- Variables del proc eso

Los distintos parámetros o variables que van a determinar el resultado del proceso los vamos a dividir en tres tipos: los relacionados con el material de base a cortar, los relacionados con el equipo láser y los relacionados con el proceso. Variables relacionadas relacionadas con el material base. -

Espesor.- Es una variable importante que será será inversamente inversamente proporcional proporcional a la velocidad velocidad de de corte.

-

Acabado superficial.- acabados acabados brillantes brillantes en aluminios, cobres cobres o inoxidables aumentan la reflectividad del material y por tanto dificultan especialmente el inicio del corte. En el caso del acero al carbono los óxidos empobrecen la aportación energética del oxígeno como gas de asistencia, lo que empeora el acabado de los bordes de corte.

Variables relacionadas relacionadas con el equipo. -

Potencia del del equipo.- Los equipos equipos láser en la actualidad tienen potencias potencias comerciales comerciales que difícilmente cortan espesores superiores a 20 mm. en aceros al carbono, bajando casi a la mitad si hablamos de inoxidables, y menos de la mitad en aluminios.

-

Calidad del haz.haz.- Los haces ideales ideales son son los Gaussianos TEM00 pero su efectividad efectividad disminuye disminuye para espesores superiores superiores a la profundidad de foco, espesores para los cuales la calidad del haz haz tiene una influencia decreciente en el acabado del corte.

-

Frecuencia de los pulsos.- En función de de si tenemos tenemos una una emisión emisión continua continua o pulsada y en este caso dependiendo de la frecuencia de los pulsos, variará la energía media aportada y por tanto el rendimiento del equipo, aunque haces pulsados pueden ser convenientes para determinadas aplicaciones.

-

Propagación Propagación del haz.- La distancia variable variable normalmente normalmente entre la fuente láser láser y el cabezal cabezal de trabajo, hacen que la focalización de haz sea compleja, especialmente en los del tipo CO2 con distancias focales del orden de los 10 m. Pequeñas desviaciones en la ubicación del punto focal en el material a cortar, producen variaciones significativas en el acabado final del corte.

Variables relacionadas relacionadas con el proceso. -

Focalización.- Diámetros focales focales pequeños pequeños y bajas profundidades profundidades de foco, generan mejor acabado pero sólo son efectivas para espesores finos; para espesores gruesos se necesitan profundidades de foco mayores, lo que aumenta el diámetro focal y disminuye la calidad del acabado del corte.

-

Gas de asistencia.- en en función de los materiales, espesores y velocidades velocidades de corte, será será necesario determinar el tipo de gas, la presión, el diámetro de la boquilla y la distancia boquilla pieza mas adecuadas.

-

Acabado superficial requerido.requerido.- ancho de la sangría de de corte, corte, rugosidad rugosidad superficial superficial de los los bordes, bordes, adherencia de escorias a los bordes, son elementos a determinar y que generalmente condicionaran condicionaran la productividad y el coste del proceso.


Tema 1.13 -115-


-

Tolerancias dimensionales.dimensionales.- Las Las tolerancias tolerancias dimensionales dimensionales del del corte corte dependerán dependerán principalmente principalmente de; la correcta programación, de la fiabilidad y repetitividad de la instalación, de la estabilidad del cabezal láser y de las deformaciones deformaciones que el material base pueda sufrir durante el proceso.

3.3.9. 3.3.9.-- Seguri Seguri dad en el co rte por láser

Las reglas básicas de seguridad para trabajar con instalaciones láser son las derivadas de los siguientes elementos. Normas generales de seguridad. Todas las que se deben tener en cuenta para trabajar con cargas suspendidas, piezas calientes, piezas cortantes, máquinas en movimiento, manipulación de gases comprimidos, etc... Equipos con altos voltajes. Por el tipo de instalación particular en la que se producen altos voltajes hay que tomar las debidas precauciones precauciones en su manipulación, para prevenir una posible electrocución. Exposición al haz láser directo o reflejado. Como hemos comentado a lo largo del tema el haz láser posee una muy alta densidad de energía lo que puede resultar muy lesivo en caso de incidencia sobre el cuerpo, muy especialmente especialmente sobre los ojos. Aun en el caso de que el rayo incidente sea reflejado por un tercer elemento. Humos provenientes del corte. Como hemos comentado con anterioridad en gran parte de los casos el corte se produce por volatilización de los materiales a cortar, esto produce humos y vapores de metales y otros elementos pesados o tóxicos que pueden ser muy nocivos si son inhalados.

3.4. 3.4.-- Otros procesos de corte Existen otros procesos de corte y preparación de bordes que aunque su aplicación principal es otra, pueden usarse para estas tareas de forma circunstancial. Dentro de estos procesos podríamos mencionar; el arco aire, las lanzas térmicas y el haz de electrones. 3.4.1.- Arco aire

Se emplea principalmente para el resanado de soldadura o de defectos en aceros fundidos, aunque en reparaciones reparaciones podríamos considerarlo proceso de preparación de bordes circunstancialmente. circunstancialmente. Básicamente consiste en un electrodo de carbono recubierto de cobre que al cerrar el circuito con la pieza a través de la masa produce un arco eléctrico que genera la energía suficiente para fundir el material de base en el entorno del arco, adicionalmente en la pinza que sujeta el electrodo, hay unos orificios conectados a un compresor por los que sale aire a presión cuya misión es el soplado del metal fundido, produciendo la eliminación de este, una representación esquemática del proceso se puede ver en la figura 3.4.1.


Tema 1.13 -116-


FIGURA 3.4.1

El equipo consiste en una fuente de corriente que puede ser de corriente continua o de corriente alterna, un generador de aire comprimido y la pinza portaelectrotodos, de la cual tenemos una representación esquemática en la figura 3.4.2. Los equipos de corriente pueden ser de tres tipos: -

Controlados por corriente.- equipos de tensión tensión constante constante y regulación variable de la corriente.

-

Controlados por tensión.- equipos de corriente corriente constante y regulación regulación variable de la tensión.

-

Bicontrolados.Bicontrola dos.- equipos que pueden fijar la tensión o la corriente y operar con el otro parámetro.

Los electrodos tambien pueden ser a su vez de tres tipos: -

Electrodos cobreados de corriente corriente continua.continua.- Es el tipo mas mas usado, y da buenas características de estabilidad de arco y uniformidad de resanado.

-

Electrodos desnudos de corriente corriente continua.continua.- No tienen tienen recubrimiento recubrimiento de cobre, cobre, se consumen mas rápidamente rápidamente que los anrteriores y los resultados son peores en general.

-

Electrodos cobreados de corriente corriente alterna.alterna.- En el alma del electrodo, electrodo, el carbón se mezcla con tierras raras para dar estabilidad al arco en corriente alterna.


Tema 1.13 -117-


PIEZAS AISLANTES

PINZA DE SUJECCION

VALVULA DE AIRE

CABEZA

CABLE CONDUCTOR

ELECTRODO CUERPO CONECTOR HEMBRA

AISLAMIENTO DEL CABLE AIRE COMPRIMIDO

FIGURA 3.4.2

3.4.2.- Lanza térmica

Su uso está prácticamente limitado al desguace de materiales en derribos y separación de materiales sin ninguna precisión. El fundamento del proceso es la oxidación violenta del acero de una barra hueca rellena de varillas que sirve de electrodo y por cuyo interior circula oxígeno, esta oxidación es fuertemente exotérmica y genera altísimas temperaturas superiores a los 5000ºC. Inicialmente se debe provocar el proceso calentando el extremo de electrodo en presencia de una pequeña cantidad de oxígeno, cuando la reacción de ardido del acero se produce se aumenta el caudal de oxigeno y el proceso se auto alimenta, generando la oxidación violenta del acero, un calor residual residual que dirigido por el propio propio flujo de oxígeno y los gases de la combustión combustión es capaz de cortar aceros, hormigones hormigones y otros materiales. En las figuras 3.4.2 y 3.4.3 podemos ver una lanza térmica perforando perforando un tubo de acero y el resultado de la perforación.


Tema 1.13 -118-


FIGURA 3.4.2

FIGURA 3.4.3

Podríamos considerar el corte al oxi-arco un caso particular de las lanzas térmicas pues el proceso es muy similar con la particularidad de que en este caso el electrodo está conectado eléctricamente a una fuente de energía eléctrica que puede ser por ejemplo una batería, que mediante la conexión de la pieza a cortar a masa, establece un arco que genera la energía inicial necesaria para comenzar la ignición y favorece el mantenimiento de esta.


Tema 1.13 -119-

T-1-13

Recommend Documents