Mecanizado por Arco de Plasma Explicado: Partes, Proceso 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 los años 1920. Consiste en un gas de iones, átomos o moléculas que han perdido uno o más electrones orbitales (o, raramente, han ganado uno extra), 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. Se asocia mayormente con estrellas, incluido nuestro Sol, extendiéndose al medio intergaláctico raro 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 cargadas libres hace que el plasma sea eléctricamente conductor, con la dinámica de partículas individuales y el movimiento macroscópico 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 (Plasma Arc Machining) se usa para remover material de la pieza. En este proceso, un chorro de gas a alta velocidad y alta temperatura funde y remueve material. Este chorro de gas caliente a alta velocidad también se conoce como chorro de plasma.

Cuando un gas o aire se calienta a más de 5000 °C, comienza a ionizarse en iones positivos, negativos y neutros. Cuando el gas 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 se usa para remover material de la pieza. Así, todo el proceso se llama Mecanizado por Arco de Plasma.

En este proceso, un chorro de aire a alta velocidad y alta temperatura remueve material fundiéndolo.

El gas usado se elige según el metal de la pieza.

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 una boquilla de cobre de orificio fino. 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 del sonido. Al usarse para corte, el flujo de gas de plasma aumenta para que el chorro penetrante corte el material y el material fundido se remueva en el plasma de escape.

El mecanizado por arco de plasma consta de una pistola de plasma. Esta tiene un electrodo de tungsteno en la cámara. El electrodo de tungsteno se conecta al terminal negativo de la fuente de alimentación CC. Así, el tungsteno actúa como cátodo.

El terminal positivo de la fuente CC se conecta a la boquilla. Así, la boquilla actúa como ánodo.

Al alimentar el sistema, se desarrolla un arco eléctrico entre el electrodo de tungsteno catódico y la boquilla anódica. Al contactar el gas con el plasma, hay colisión entre átomos de gas y electrones del arco, resultando en gas ionizado.

Es decir, se obtiene el estado de plasma deseado. Ahora, este plasma se dirige hacia la pieza a alta velocidad y comienza el mecanizado. Cabe notar que se aplica una alta diferencia de potencial para obtener el estado de plasma.

En todo el proceso se requieren condiciones de alta temperatura. Al salir gases calientes de la boquilla hay riesgo de sobrecalentamiento. Para prevenirlo, se usa una camisa de agua.

Componentes del Mecanizado por Arco de Plasma

1. Pistola de Plasma

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

Luego, hay colisión entre electrones del arco y moléculas de gas, ionizando las moléculas y generando calor.

2. Fuente de Alimentación

Se usa fuente CC para desarrollar los dos terminales en la pistola. Se aplica una gran diferencia de potencial entre cátodo y ánodo para que el arco sea fuerte y pueda ionizar la mezcla de gas y convertirla en plasma.

3. Mecanismo de Enfriamiento

Se añade enfriamiento a la pistola ya que el calor se produce por el paso continuo de gases calientes por la boquilla.

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

4. Pieza de Trabajo

Diferentes materiales pueden trabajarse con este mecanizado. Metales como aluminio, magnesio, carbono, acero inoxidable y aceros aleados.

Aplicaciones del Mecanizado por Arco de Plasma

• Corte de aceros aleados, acero inoxidable, hierro fundido, cobre, níquel, titanio, aluminio, aleaciones de cobre-níquel, etc.
• Corte de perfiles.
• Torneado y fresado de materiales difíciles de mecanizar.
• Corte de pilas, corte de formas, perforación y corte submarino.
• Pulverización de película uniforme de materiales refractarios sobre metales, plásticos, cerámicas.

Ventajas del Mecanizado por Arco de Plasma

• Puede cortar cualquier metal.
• Alta velocidad de corte.
• Comparado con corte por llama ordinario, corta acero al carbono cuatro veces más rápido.
• Usado para desbaste de materiales muy difíciles.
• Por la alta velocidad, la deformación de chapa se reduce, el ancho de corte es mínimo y la calidad superficial alta.

Desventajas del Mecanizado por Arco de Plasma

• Produce superficie cónica (tapered).
• Requiere protección contra ruido.
• Coste de equipo alto.
• Protección ocular necesaria para operador y personal cercano.
• Oxidación y formación de escamas. Requiere blindaje.
• La superficie de trabajo puede sufrir cambios metalúrgicos.