Mecanizado Por Plasma 344j5r

Alumnos: UNIVERSIDAD NACIONAL DE Arenas Chancan, Víctor TRUJILLO Caipo Montoya, DE Víctor FACULTAD INGENIERÍA Castro Zavaleta, Homero ESCUELA DE INGENIERIA MECÁNICA Loayza Arias, Emmanuel Segura Cenas, Albert “PROCESOS DEDiego MECANIZADO Torres Sánchez, Vásquez Herrera, Fernando POR PLASMA” Docente: Dr. Víctor Alcántara Alza Curso: Diseño de Sistemas de Producción Ciclo: IX TRUJILLO – PERÚ 2015

Contenido 1

Introducción............................................................................................. 2

2

Sistemas de mecanizado por plasma.......................................................2 2.1

Arco de plasma.................................................................................. 3

2.2

Plasma a chorro................................................................................. 4

2.3

Plasma blindado................................................................................ 5

2.3.1

Inyección con oxígeno.................................................................5

2.3.2

Inyección de agua.......................................................................6

2.4

Aire inyección.................................................................................... 7

3

Tasa de remoción de material..................................................................8

4

Precisión y calidad superficial..................................................................9

5

Método de proyección por plasma.........................................................10 5.1

Técnica de la proyección por plasma...............................................10

5.1.1

Cañón de plasma.......................................................................11

5.1.2

Inyección del polvo....................................................................12

5.2

Parámetros a considerar..................................................................12

5.2.1

Gases plasmógenos...................................................................12

5.2.2

Tamaño de partícula de polvo...................................................12

5.2.3

Modo de inyección del polvo.....................................................13

5.2.4

Distancia al substrato................................................................13

5.2.5

Velocidad de las partículas........................................................13

5.2.6

Interacción de las partículas con el substrato...........................14

5.2.7

Atmósfera de protección...........................................................15

6

Aplicaciones........................................................................................... 16

7

Ventajas y desventajas..........................................................................17 7.1

Ventajas........................................................................................... 17

7.2

Desventajas..................................................................................... 18

8

Selección del plasma............................................................................. 18

9

Bibliografía............................................................................................. 18

10

Lincografia.......................................................................................... 18

1

1 Introducción Cuando la temperatura de un gas se eleva a aproximadamente 2000 ° C, las moléculas de gas se disocian en átomos separados. A temperaturas más altas, 30.000 ° C, estos átomos se ionizan. El gas en esta etapa se denomina plasma. El mecanizado por el plasma se adoptó en la década de 1950 como un método alternativo para el corte de llama oxi-gas de acero inoxidable, aluminio y otros metales no ferrosos. Durante ese tiempo las limitaciones del proceso con respecto a la baja velocidad de corte, la mala calidad de mecanizado, y el equipo no fiable eran claras. Recientemente mecanizado tanto de materiales metálicos y no conductores se ha convertido en mucho más atractivo. Una característica importante de mecanizado haz de plasma (PBM), es que es el único método de fabricación que funciona más rápido en acero inoxidable que lo hace en acero dulce.

1 Sistemas de mecanizado por plasma En el mecanizado por plasma se genera un arco continuo entre un cátodo de tungsteno caliente y el ánodo de cobre enfriado con agua. Un gas se introduce alrededor del cátodo y fluye a través del ánodo. La temperatura, en el orificio estrecho alrededor del cátodo, llega a 28.000 ° C, que es suficiente para producir un arco de plasma de alta temperatura. En estas condiciones, el metal que hay que trabajar es muy rápido fundido y vaporizado. La corriente de gases ionizados vuelca lejos el mecanizado de escombros como fino rocío, creando líneas de flujo sobre la superficie mecanizada. Las características generales del PBM se muestran en la Tabla 1. Las tasas de eliminación de este método son sustancialmente más altas que los de operación convencional de inflexión de un solo punto. Los sistemas de mecanizado de plasma se dividen en arco de plasma, chorro de plasma, plasma blindado y plasma aire.

2

Tabla 1. Características generales del BPM. PARÁMETRO Velocidad de chorro de plasma Tasa de remoción de material Energía específica Rango de potencia Voltaje Corriente eléctrica Velocidad de mecanizado Máximo espesor de placa

NIVEL 500 m/s 150 cm3/min 100 W/(cm3 ⋅min) 2–200 kW 30–250 V Hasta 600 A 0.1–7.5 m/min 200 mm

1.1 Arco de plasma Como se muestra en la Figura 1, el arco es golpeado desde el electrodo posterior de la antorcha de plasma a la pieza de trabajo conductiva, causando temperaturas tan altas como 33.300 °C. El efecto doble arco entre la boquilla y la pieza de trabajo dañan el electrodo y la pieza de trabajo. Las tasas de transferencia de calor ocurren durante el arco de plasma debido a la transferencia de todo el calor del ánodo a la pieza de trabajo. Debido a la mayor eficiencia de los sistemas de arco de plasma, se utilizan a menudo para mecanizado de metales. El arco de plasma no depende de una reacción química entre el gas y el metal de trabajo. Debido a que la temperatura es alta, el proceso es adecuado para cualquier material eléctricamente conductivo incluyendo aquellos que son resistentes a la de corte de gas de oxi-combustible.

3

Figura 1. Sistema de arco de plasma transferido.

1.2 Plasma a chorro En la naturaleza podemos encontrar materia en forma sólida, líquida o vapor, el plasma es el cuarto estado de la materia. A muy elevadas temperaturas, los electrones tienen suficiente energía como para escapar de su órbita alrededor del núcleo del átomo, generando iones de carga positiva. El plasma es el estado en el que se encuentran las estrellas por su elevada temperatura. En la atmósfera terrestre solo podemos conseguir el plasma por medios artificiales. Al calentar un gas a temperaturas del orden de 50.000 °C los átomos pierden electrones. Estos electrones libres se colocan en los núcleos que han perdido sus propios electrones, convirtiéndose así en iones. De esta forma el gas se convierte en plasma y por consecuencia tendremos un conductor eléctrico gaseoso con alta densidad de energía. El fundamento del corte por plasma se basa en elevar la temperatura del material a cortar de una forma muy localizada y por encima de los 20.000 °C, llevando el gas utilizado hasta el cuarto estado de la 4

materia, el plasma, estado en el que los electrones se disocian del átomo y el gas se ioniza (se vuelve conductor). El procedimiento consiste en provocar un arco eléctrico estrangulado a través de la sección de la boquilla del soplete, sumamente pequeña, lo que concentra extraordinariamente la energía cinética del gas empleado, ionizándolo, y por polaridad adquiere la propiedad de cortar. Resumiendo, el corte por plasma se basa en la acción térmica y mecánica de un chorro de gas calentado por un arco eléctrico de corriente establecido entre un electrodo ubicado en la antorcha y la pieza a mecanizar. El chorro de plasma lanzado contra la pieza penetra la totalidad del espesor a cortar, fundiendo y expulsando el material. La ventaja principal de este sistema radica en su reducido riesgo de deformaciones debido a la compactación calorífica de la zona de corte. También es valorable la economía de los gases aplicables, ya que a priori es viable cualquiera, si bien es cierto que no debe de atacar al electrodo ni a la pieza. No es recomendable el uso de la cortadora de plasma en piezas pequeñas debido a que la temperatura es tan elevada que la pieza llega a deformarse. En este sistema, se muestra en la FIgura 2, el arco no transferido opera dentro de la propia antorcha, solo gas ionizado (plasma) se emite en forma de chorro causando temperatura tan alta como 16 600 ° C. Desde que la propia antorcha misma es el ánodo, una gran parte del calor del ánodo se extrae por el agua de refrigeración y no se utiliza efectivamente en el proceso de eliminación de material. Materiales no conductores que son difíciles de mecanizar, por métodos convencionales, a menudo son abordados con éxito por el sistema de chorro de plasma.

5

Figura 2. Sistema de plasma no transferido.

1.3 Plasma blindado 1.3.1Inyección con oxígeno Cuando el mecanizado de diferentes materiales tales como aluminio, acero inoxidable, y acero al carbono, los gases que asisten puede ser utilizado con el fin de producir cortes de calidad aceptable. En tal caso un escudo exterior de gas, se añade, alrededor de la boquilla, para reducir el efecto de la atmósfera en el gas de mecanizado (nitrógeno o argón). El gas de protección depende del metal que se está mecanizando. Para el acero inoxidable, aluminio y otros metales no ferrosos, el hidrógeno se usa a menudo como un gas de protección. El dióxido de carbono es muy popular para los metales ferrosos y no ferrosos. Para los aceros suaves, pueden ser también utilizados aire u oxígeno.

1.3.2Inyección de agua Como se muestra en la Figura 3, el nitrógeno se utiliza para el mecanizado mientras que el gas de protección se sustituye por agua. El agua forma una chaqueta radial alrededor de la antorcha de plasma. El efecto de enfriamiento de agua se informó para reducir la anchura de la zona de corte y mejorar la calidad de corte. Sin embargo, no mejora tanto en la velocidad de corte y la cuadratura del corte ha sido reportada por McGeough (1988).

6

Figura 3. Plasma blindado por agua 1.3.2.1 Características del proceso: 

Esta moderna tecnología es usable para el corte de cualquier material metálico conductor, y más especialmente en acero



estructural, inoxidables y metales no férricos. El corte por plasma puede ser un proceso complementario para trabajos especiales, como pueden ser la producción de pequeñas series, la consecución de tolerancias muy ajustadas o



la mejora de acabados. También se produce una baja afectación térmica del material gracias a la alta concentración energética del arco-plasma. El comienzo del corte es prácticamente instantáneo y produce una



deformación mínima de la pieza. Este proceso permite mecanizar a altas velocidades de corte y produce menos tiempos muertos, (no se necesita



precalentamiento para la perforación). Permite espesores de corte de 0.5 a 160 milímetros, con unidades de plasma de hasta 1000 amperios.

7



El corte por plasma también posibilita mecanizados en acero



estructural con posibilidad de biselados hasta en 30 milímetros. Una de las características más reseñables es que se consiguen cortes de alta calidad y muy buen acabado.

1.4 Aire inyección El aire comprimido se utiliza como gas de mecanizado en lugar de nitrógeno o argón (Figura 4). Cuando el aire se somete a la alta temperatura del arco eléctrico, se descompone en sus gases constituyentes. Dado que el oxígeno, en el plasma resultante, es muy reactivo especialmente con metales ferrosos, las tasas de mecanizado son criados por 25 por ciento. El principal inconveniente de este método es la superficie fuertemente oxidada, que se obtiene con frecuencia en caso de acero inoxidable y aluminio. Debido a que el tungsteno es reactivo con el oxígeno, cobre hafnio (Hf-Cu) o circonio hafnio

(Hf-Zr)

aleaciones

también

reemplazan

electrodos

de

tungsteno. Sin embargo, la vida de estos electrodos se hace más corto. Materiales eléctricamente conductores, tales como aceros inoxidables y níquel cromo de aleación, aluminio y cobre se pueden mecanizar por plasma de aire. Puesto que el aire se utiliza para fines de

blindaje

de

mecanizado

y,

el

coste

de

mecanizado

es

aproximadamente la mitad de plasma de gas o agua blindado. Cuando se utiliza una mezcla de gas de 80% de nitrógeno y 20% de oxígeno, la tasa de mecanizado de acero suave se incrementa alrededor de 25 por ciento.

8

Figura 4. Plasma inyección.

2 Tasa de remoción de material Durante PBM absorber la energía de calor desde el chorro de plasma dirigido a la pieza de trabajo activa la retirada de metal. La antorcha de plasma sopla el fundido y se evapora el metal como un fino rocío o vapor. Las tasas de corte resultantes y por lo tanto la maquinabilidad dependen de la pieza de trabajo que se está mecanizando, así como del tipo de corte y gases de protección que determinan las velocidades máximas de transferencia de temperatura. La velocidad máxima de mecanizado, como un índice de maquinabilidad para plasma de gas dual de acero al carbono, acero inoxidable, y aluminio, se muestra en la Figura 5. La figura 6 muestra el factor de consumo de energía necesaria en el desbaste de plasma de algunas aleaciones. Un bajo factor indica un bajo consumo de energía requerido o altas tasas de remoción. La velocidad de mecanizado tiende a disminuir al aumentar el espesor del metal o de la anchura de corte en caso de biselado. A medida que aumenta la potencia, la eliminación eficiente de metal fundido tiende a necesitar un aumento 9

correspondiente en la tasa de flujo de gas. Durante el mecanizado de plasma de placa de acero de 12 mm de espesor usando 220 kW la velocidad de mecanizado es 2500 mm/min, que es 5 veces mayor que para el corte oxi-gas.

Figura 5. Maquinabilidad de diferente material en gas blindado de plasma.

3 Precisión y calidad superficial Los bordes de las piezas de trabajo cortadas por PBM a menudo son biselados. McGeough (1988) informó que el lado derecho del arco de plasma con respecto a la dirección de corte produce un borde cuadrado dentro de +/-3°. El borde de la izquierda está biselada a alrededor

15°

debido

al

remolino

hacia

la

derecha

del

gas

mecanizado. Debido a la alta tasa de transferencia de calor de la profundidad de metal fundido se extiende a aproximadamente 0,18 mm por debajo de la superficie de corte. La alta velocidad de mecanizado no permite que el calor penetre más de unas pocas

10

micras de los bordes de corte que produce poca o ninguna distorsión en la pieza cortada. El borde de corte del material tiende a ser más duro que el material de base. Se ha informado una mayor zona afectada por el calor (HAZ) de espesor de 0,25 a 1,12 mm, además debido al enfriamiento rápido, las grietas pueden surgir más allá de la zona afectada por el calor a 1,6 mm PBM produce una superficie limpia y lisa. Se puede lograr grandes tolerancias de +/-1.6 mm Cortes de acabado son, por lo tanto, requeridas cuando se pidan tolerancias estrechas.

Figura 6. Consumo de energía en PBM.

4 Método de proyección por plasma 4.1 Técnica de la proyección por plasma La técnica de proyección por plasma tuvo su origen en Alemania, en los años veinte, sin embargo, no fue hasta finales de los años cincuenta, cuando comenzó el proceso a ser ampliamente usado y considerado. 11

Esta técnica de proyección puede ser empleada con una amplia variedad de materiales, incluidos los cerámicos, y con un elevado rendimiento. Su empleo disminuye el riesgo de degradación del revestimiento y del substrato, en comparación con otros procesos a altas temperaturas.

4.1.1Cañón de plasma Desde el año 1970, la técnica de la proyección por plasma ha experimentado una profunda evolución, a pesar de lo cual, el diseño del cañón empleado para la proyección de dicho plasma apenas ha sufrido modificaciones. Este dispositivo, que aparece ilustrado en la figura 2, consta de dos electrodos: un cátodo en forma cónica situado en el interior de un ánodo cilíndrico, que se extiende más allá del cátodo, formando una boquilla en su extremo. La refrigeración de los electrodos durante el proceso, se realiza por medio de unos circuitos con agua en circulación en su interior, lo que evita la fusión de dichos electrodos. El cañón comienza a operar cuando un impulso de corriente crea un arco entre los dos electrodos. Este arco es mantenido por una corriente estacionaria de elevada intensidad y con un potencial de alrededor de 50 voltios.

Fig. 7. Cañón de plasma-spray. 12

Un gas inerte fluye a través del espacio comprendido entre los dos electrodos, el cual y debido al arco eléctrico establecido disocia sus moléculas en sus átomos constituyentes ionizándolos. De este modo, el gas existente en el interior del arco se transforma en un conjunto de iones y electrones muy energéticos, es decir, un plasma. La corriente en su recorrido entre los dos electrodos alcanza la boquilla del cañón, formando allí una llama de plasma. Tanto la temperatura como la velocidad de dicho plasma son muy elevadas, tal como se ve en la figura 7.

4.1.2Inyección del polvo El material que va a originar el revestimiento es transportado por medio de un gas portador, e inyectado en la llama de plasma, pudiendo estar el inyector de polvo situado en el interior o en el exterior de la boquilla. La llama de plasma, acelera las partículas de polvo inyectadas, fundiéndose estas debido a la elevada temperatura del plasma. Estas gotas de material fundido salen dirigidas hacia la superficie del material a recubrir (substrato); allí se solidifican y acumulan, originando un recubrimiento protector grueso y compacto. El criterio básico utilizado es que las partículas deben fundirse completamente,

sin

una

excesiva

vaporización,

y

permanecer

fundidas hasta que colisionen con el substrato. Si las partículas no se funden suficientemente, puede resultar un recubrimiento de pobre calidad.

4.2 Parámetros a considerar 4.2.1Gases plasmógenos En la práctica, el argón o el nitrógeno son los gases primarios utilizados, junto con adiciones que varían entre el 5% y el 25%, de un 13

gas

secundario,

normalmente

hidrógeno

o

helio.

Estos

gases

secundarios como el hidrógeno, consiguen una gran energía debido a la disociación de sus moléculas, que unido a la energía de ionización, origina el contenido calorífico del plasma. No obstante, la limitación en porcentaje de los mismos es debida al efecto negativo que tienen en la erosión de los electrodos.

4.2.2Tamaño de partícula de polvo Para cada material de revestimiento y para cada cañón de plasma existe un tamaño adecuado de las partículas del polvo, oscilando éste entre 5 y 60 mm, un tamaño superior al adecuado originará que las partículas no lleguen a fundirse, con lo cual podrán separarse de la llama o rebotar en el substrato sin adherirse a él. Por el contrario, un tamaño inferior al adecuado puede producir la vaporización de dichas partículas.

4.2.3Modo de inyección del polvo La forma en que las partículas se introducen en la llama condiciona su fusión y posterior deposición. La presión del gas portador del polvo, debe estar convenientemente ajustada para que las partículas lleguen a la llama, pero sin atravesarla. El flujo de gas requerido se determina en función de:

1.- Diámetro de la manguera de transporte. 2.- Densidad del polvo. 3.- Tamaño y forma del polvo. 4.- Velocidad y densidad del gas portador del polvo.

4.2.4Distancia al substrato Cuando la proyección se realiza en o con el aire, las partículas de polvo comenzarán a enfriarse y desacelerarse al chocar contra las 14

moléculas de aquel, una vez que han abandonado la llama de plasma. Por lo tanto, un factor básico a considerar es la distancia entre el cañón y la superficie a revestir, la cual suele oscilar entre los 5 y los 10 centímetros cuando la proyección se realiza en o con el aire. La eficacia de la proyección varía en función de la distancia de proyección.

4.2.5Velocidad de las partículas La velocidad de salida del plasma es del orden de los 600 m/seg, observándose que las partículas de polvo de mayor tamaño responden más lentamente a la aceleración imprimida por el gas, y que dichas partículas una vez aceleradas perdían velocidad más lentamente que el propio gas. La variación de la velocidad de las partículas de polvo en función de la distancia de proyección, aparece reflejada en la figura 8.

15

Figura 8. Temperatura del plasma y velocidad de partícula.

4.2.6Interacción de las partículas con el substrato Cuando las partículas de polvo fundidas llegan al substrato, colisionan con él; dicho substrato ha de haber sido previamente sometido a un proceso de limpieza y de acabado superficial que le confiera cierta rugosidad para que aumente la adhesión del recubrimiento. Estas partículas se solidifican y van recubriendo todas las irregularidades del substrato con el material proyectado (Figura 9). Las partículas continúan llegando y acumulándose sobre el revestimiento en una cuantía que dependerá de la superficie a revestir y de la velocidad con que el cañón se mueva sobre dicha superficie.

16

Figura 9. Formación de un recubrimiento

4.2.7Atmósfera de protección En las propiedades que presente la capa depositada influirá de un modo decisivo el tipo de atmósfera en el que se realice la proyección. Así, según como sea dicha atmósfera, existirán dos posibles métodos de proyección: proyección por plasma en el aire y proyección por plasma en el vacío. En el primer caso, APS (air plasma spraying), el proceso de proyección se produce en condiciones atmosféricas ambientales. Debido al efecto protector del haz inerte del plasma y los cortos períodos de estancia de las partículas en el plasma, las posibilidades de reacción del polvo con el aire son bastante limitadas. Los polvos de metales reactivos o de aleaciones pueden oxidarse algo en la superficie. La elevada velocidad de solidificación y enfriamiento da lugar a que las estructuras de las capas de plasma sean de un grano muy fino, presentando mayor resistencia al desgaste. 17

El segundo de los métodos de proyección VPS (vacuum plasma spraying), se emplea cuando se exige de las capas depositados requisitos exigentes en lo que respecta a densidad, pureza, ausencia de óxidos y adherencia; en este caso la proyección se debe realizar en una cámara con atmósfera inerte. En la proyección plasma en vacío, la presencia de argón evita la reacción no deseada entre la atmósfera y el haz de plasma, el material de base o el material proyectado. El resultado son capas de mayor densidad, mejor adherencia y cohesión y estructura óptima.

5 Aplicaciones 

PAM es un método de inflexión atractivo para materiales difíciles de mecanizar por métodos convencionales. En este sentido, las velocidades de corte de 2 m/min y una velocidad de alimentación de 5 mm por revolución, produce un acabado superficial de 0,5 mm Rt. La profundidad de corte puede ser controlado a través del consumo de energía en el mecanizado o



superficie de la velocidad (Fig. 10). PBM CNC se utiliza para el corte de perfiles de los metales que son difíciles de abordar por la técnica de gas oxiacetileno como el acero inoxidable y aluminio. Un gran número de partes también se puede producir a partir de una hoja grande de



cizallamiento eliminando así las operaciones. PBM puede cortar ranuras de 1,5 mm de profundidad, 12,5 mm de ancho, en acero inoxidable a 80 mm3/min, usando 50 kW como el poder de corte. Esta alta tasa de mecanizado es 10 veces la tasa de molienda y métodos de astillado. Las tasas de mecanizado más bajas son obtenibles cuando estas ranuras se cortan en materiales no conductores. La dimensión de la ranura sin embargo depende de la velocidad de desplazamiento,



potencia de arco, y el ángulo y la altura del arco de plasma. Se recomienda el proceso para piezas que tienen las operaciones de soldadura subsiguientes.

18

Figura 10. Arco de plasma giratorio. 

Un arco de plasma puede cortar tubos de espesor de pared de hasta 50 mm. En este caso no se requiere desbarbar antes



soldar tubos (Mecanizado Handbook, 1989). Submarino NC de corte por plasma puede

alcanzar

el

mecanizado de precisión de +/-0.2 mm de 9 m, a velocidades de corte bajas.

6 Ventajas y desventajas 6.1 Ventajas  

No requiere un análisis químico complicado o mantenimiento Utiliza clorados fluorocarbonos no nocivos, solventes o ácidos



químicos de limpieza Opera limpiamente, a menudo eliminando la necesidad de vapor desengrasante, limpiador disolvente de limpieza por



ultrasonidos, y chorro de arena No requiere exposición de los trabajadores a productos



químicos peligrosos Necesita menos energía para funcionar

19

6.2 Desventajas 

Las fuentes de grandes suministros necesarios (220 kW) están obligados a cortar a través de la placa de acero al carbono de



12 mm de espesor a 2,5 m /min. El proceso también produce calor que podría estropear la pieza de trabajo y producir humos tóxicos.

7 Selección del plasma En la selección del plasma es preciso contemplar la velocidad de corte oxi-gas que permanece prácticamente estable. En este entorno basta con 100 o 200 amperios para triplicar o cuadriplicar las velocidades de corte. Si ya se están considerando plasmas de 400 amperios, incluso en 25 mm, se llega al entorno de 2000 mm/min, lo que supone triplicar la velocidad de corte. En costes por metro cortado, la rentabilidad del proceso de plasma es importante siempre que nos situemos en el rango más suave de aplicación.

8 Bibliografía 

Hassan, El-Hoffy, Advanced Machinning Processes, Mc Graw-Hill,



1ra edición. Hyperhorm, Sistema de Corte por Plasma, 2007.

9 Lincografia 

Informe sobre Tecnologías Emergentes en el Sector del Metal,



Proyecto EMERTEC, PAG 185 Memorias del Congreso Internacional de Metalúrgica y Materiales, Universidad Tecnológica Nacional de México.

20



Fresado asistido por plasma de superaleaciones , departamento



de ingeniería mecánica, universidad del país Vasco. Laboratorio de Recubrimientos por Plasma, universidad



tecnológica nacional, facultad regional Haedo. Recubrimientos de proyección por plasma, departamento de construcción de ingeniería de fabricación, universidad de



Oviedo. Tecnología mecánica, mecanizados no convencionales, Ing.



Guillermo Orlando Castro, Universidad de Buenos Aires. Interempresas, Corte de Chapa por Plasma, Selección de



Plasma. http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/12114-



Corte-de-chapa-por-plasma.html http://www.surmart.com/prod_maqui_equiposdecorteplasma.ht ml

21