Mecanizado por Arco de Plasma Explicado: Componentes, Operación y Aplicaciones

¿Qué es el Plasma?

El plasma es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia, estudiado sistemáticamente por primera vez por Irving Langmuir en la década de 1920. Consiste en un gas de iones, átomos o moléculas que tienen uno o más electrones orbitales arrancados (o, raramente, un electrón extra adjunto), y electrones libres.

Excluyendo la materia oscura y la aún más elusiva energía oscura, el plasma es la forma más abundante de materia ordinaria en el universo. El plasma está mayormente asociado con estrellas, incluyendo nuestro Sol, y extendiéndose al medio intracultural enrarecido y posiblemente a regiones intergalácticas.

El plasma puede generarse artificialmente calentando un gas neutro o sometiéndolo a un fuerte campo electromagnético. La presencia de partículas con carga libre hace que el plasma sea eléctricamente conductor, con la dinámica de partículas individuales y el movimiento macroscópico del plasma gobernados por campos electromagnéticos colectivos y muy sensibles a campos aplicados externamente.

La respuesta del plasma a campos electromagnéticos se usa en muchos dispositivos tecnológicos modernos, como televisores de plasma o grabado por plasma.

¿Qué es el Mecanizado por Arco de Plasma?

El mecanizado por arco de plasma se usa para remover material de la pieza de trabajo. En este proceso, un chorro de gas a alta velocidad y alta temperatura se usa para fundir y remover material de la pieza. Esta alta velocidad de gas caliente también se conoce como chorro de plasma.

Cuando un gas o aire se calienta a una temperatura de más de 5000 °C, entonces comienza a ionizarse en iones positivos, iones negativos e iones neutros. Cuando el gas o aire se ioniza, su temperatura alcanza de 11.000 °C a 28.000 °C y este gas ionizado se llama plasma.

El gas o aire se calienta con arco y el plasma producido al calentar el gas se usa para remover material de la pieza. Así, todo el proceso se llama Mecanizado por Arco de Plasma.

En este proceso, una alta velocidad de aire a alta temperatura se usa para remover material de la pieza fundiéndolo.

El gas usado en el mecanizado por arco de plasma se elige según el metal que se usa como pieza de trabajo.

El mecanizado por arco de plasma se usa para cortar aceros aleados, acero inoxidable, aluminio, níquel, cobre y hierro fundido.

Funcionamiento del Mecanizado por Arco de Plasma

El principio básico es que el arco formado entre el electrodo y la pieza se constriñe por un orificio fino, boquilla de cobre. Esto aumenta la temperatura y velocidad del plasma que emana de la boquilla.

La temperatura del plasma supera los 20.000 °C y la velocidad puede acercarse a la velocidad del sonido. Cuando se usa para corte, el flujo de gas de plasma se aumenta para que el chorro de plasma profundamente penetrante corte a través del material y el material fundido se remueve en el plasma de flujo.

El mecanizado por arco de plasma consta de una pistola de plasma. La pistola de plasma tiene un electrodo hecho de tungsteno situado en la cámara. Aquí, este electrodo de tungsteno está conectado al terminal negativo de la fuente de alimentación CC. Así, el tungsteno actúa como cátodo.

Mientras que el terminal positivo de la fuente de alimentación CC está conectado a la boquilla. Así, la boquilla de la pistola de plasma actúa como ánodo.

Al dar alimentación al sistema, se desarrolla un arco eléctrico entre el electrodo de tungsteno catódico y la boquilla anódica. A medida que el gas entra en contacto con el plasma, hay una colisión entre los átomos de gas y electrones de un arco eléctrico y como resultado, obtenemos un gas ionizado.

Eso significa que obtenemos el estado de plasma que queríamos para el mecanizado por arco de plasma. Ahora, este plasma se dirige hacia la pieza con alta velocidad y comienza el proceso de mecanizado. Una cosa a notar es que se aplica una alta diferencia de potencial para obtener el estado de plasma.

En todo el proceso, se requieren condiciones de alta temperatura. Como gases calientes salen de la boquilla hay posibilidades de sobrecalentamiento. Para prevenir este sobrecalentamiento, se usa una camisa de agua.

Componentes del Mecanizado por Arco de Plasma

1. Pistola de Plasma

Diferentes gases como nitrógeno, hidrógeno, argón o una mezcla de estos gases se usan para crear plasma. Esta pistola de plasma tiene una cámara que tiene un electrodo de tungsteno. Este electrodo de tungsteno está conectado al terminal negativo y la boquilla de la pistola de plasma está conectada al terminal positivo de la fuente de alimentación CC. La mezcla de gas requerida se suministra a la pistola. Se produce un arco fuerte entre el ánodo y el cátodo.

Después de eso, hay una colisión entre el electrón del arco y las moléculas del gas y debido a esta colisión, las moléculas de gas se ionizan y se genera calor.

2. Fuente de Alimentación

Se usa una fuente de alimentación CC para desarrollar dos terminales en la pistola de plasma. Se aplica una gran diferencia de potencial a través del cátodo y ánodo para que el arco producido sea fuerte y capaz de ionizar la mezcla de gas y convertirla en plasma.

3. Mecanismo de Enfriamiento

Se agrega un mecanismo de enfriamiento a la pistola de plasma ya que se produce calor en ella al pasar continuamente gases calientes desde la boquilla.

Se usa una camisa de agua para enfriar la boquilla. La boquilla está rodeada por un chorro de agua.

4. Pieza de Trabajo

Diferentes materiales pueden trabajarse usando este mecanizado por arco de plasma. Diferentes metales como aluminio, magnesio, carbono, acero inoxidable y aceros aleados pueden trabajarse usando este proceso.

Aplicaciones del Mecanizado por Arco de Plasma

• Se usa para cortar aceros aleados, acero inoxidable, hierro fundido, cobre, níquel, titanio, aluminio y aleación de cobre y níquel, etc.
• Se usa para corte de perfiles.
• Se usa exitosamente para torneado y fresado de materiales difíciles de mecanizar.
• Puede usarse para corte de apilamiento, corte de formas, perforación y corte submarino.
• El pulverizado de película delgada uniforme de materiales refractarios en diferentes metales, plásticos, cerámicas también se hace por arcos de plasma.

Ventajas del Mecanizado por Arco de Plasma

• Puede usarse para cortar cualquier metal.
• La tasa de corte es alta.
• Comparado con el proceso de corte por llama ordinario, puede cortar acero al carbono común cuatro veces más rápido.
• Se usa para desbaste de materiales muy difíciles.
• Debido a la alta velocidad de corte, la deformación de la chapa metálica se reduce mientras que el ancho del corte es mínimo y la calidad superficial es alta.

Desventajas del Mecanizado por Arco de Plasma

• Produce una superficie cónica (biselada).
• La protección contra ruido es necesaria.
• El costo del equipo es alto.
• La protección ocular es necesaria para el operador y personas trabajando en áreas cercanas.
• Oxidación y formación de escoria ocurren. Por lo tanto, requiere protección.
• La superficie de trabajo puede sufrir cambios metalúrgicos.