Corte por plasma

Cortadora de plasma

Una cortadora por plasma es una máquina o herramienta capaz de cortar piezas metálicas de todo tipo mediante altas temperaturas que pueden alcanzar más de 20.000ºC. Las claves para cortar fácilmente metal, incluso grosores elevados mediante este proceso es esa temperatura tan elevada, las propiedades del plasma (estado al que se lleva el gas mediante un arco eléctrico), y la polarización.

En el estado de plasma, ese gas se vuelve conductor de la electricidad al estar ionizado. Si se hace pasar por una boquilla de soplete muy fina, se puede direccionarse de forma muy precisa hacia donde se quiere cortar. Es decir, gracias a la temperatura tan elevada (producida por un arco eléctrico de corriente continua) y mediante la concentración de la energía cinética de este gas, se puede cortar fácilmente con mucha precisión.

Ten en cuenta que hay electrodos que aplican una polarización entre la antorcha o soplete y la pieza que se pretende cortar. Al ser polos opuestos, se usan los átomos de gas como un “proyectil” en un sentido contra la superficie metálica, logrando atravesarla. Lo bueno es que se puede usar cualquier gas, aunque bien es verdad que no debe ser un gas reactivo con el tipo de metal que se está cortando…

Además de poder elegir cualquier gas, otra ventaja es que los bordes cortados no necesitarán tratamientos posteriores para corregir imperfecciones generadas durante el corte, y tampoco se tiene el riesgo de que la pieza se deforme por el calor al concentrarlo en un punto muy concreto (a diferencia del oxicorte, que calienta una zona más amplia).

Qué es el plasma

Plasma es el cuarto estado de agregación de la materia, ya que más allá de los estados básicos de la materia (solido, líquido y gaseoso), existen más. De hecho, es raro que no sea tan conocido como los tres populares, ya que es el estado más abundante en el universo.

Si recuerdas lo que he comentado en el apartado anterior de la polarización para dirigir el chorro de plasma, cobra sentido cuando sabes que el plasma es un estado similar al gas, pero donde las partículas están cargadas eléctricamente (son iones), y usando polos se pueden llevar como chorros de átomos/moléculas hacia donde quieras, de forma similar a como viajan los electrones a través de un conductor. Quizás así entiendas mejor el procedimiento de corte…

Para ionizar, o transformar en plasma un gas, se necesita calentar el gas o aplicar campos magnéticos fuertes mediante un láser o un generador de microondas. En el caso del corte por plasma, lo que se usa es un arco eléctrico para calentarlo, y por eso el gas ionizado se transforma en un plasma.

Antes de seguir, me gustaría explicar que un arco eléctrico es un fenómeno que vemos en la naturaleza, como los rayos. Pero también lo habrás visto en algunos artilugios como las bolas de plasma, o si eres electrónico sabrás lo que ocurre en un condensador cuando se rompe el dieléctrico… El arco se consigue mediante dos electrodos de distinto signo en los que se eleva la diferencia potencial mucho y, aunque no están en contacto y están separados por el aire (muy buen aislante), el aire termina por “quebrarse”, produciendo un rayo que va desde un electrodo a otro. En las tormentas ocurre algo similar entre las nubes cargadas negativamente y la tierra positivamente. Aunque nubes y tierra está separada por una gran capa de aire aislante, salta el rayo de un lugar al otro…

Dicho eso, puede que te estés preguntando qué es un ión, pues bien, puede ser un átomo o molécula de cualquier elemento o compuesto a la que se le ha alterado su número de electrones. Recuerda que los átomos o moléculas, por lo general están en un estado eléctrico de equilibrio, con la misma cantidad de cargas positivas (protón) y negativas (electrón), además de las neutras (neutrón).

De esa forma, si un átomo o molécula ha sido ionizado y posee un exceso de electrones frente a su estado de equilibrio, entonces será un anión. Mientras que si ha perdido electrones y predomina su carga positiva, entonces será un catión. El gas compuesto por esos aniones/cationes será ese plasma del que hablamos…

Y a lo que quiero ir con esto es que si está en equilibrio (gas normal), entonces, al aplicar una carga negativa o positiva mediante dos electrodos (uno en el soplete -, y otro en la pieza a cortar+), esos átomos/moléculas no harán nada. Pero al tener carga gracias a ese arco que los ioniza, un electrodo negativo puede atraer a los cationes y repeler a los aniones, y viceversa con un electrodo positivo. Es decir, se pueden dirigir, en este caso contra la superficie del metal para que sean como proyectiles, y a esas temperaturas, cortarlo como si fuese mantequilla…

Por cierto, no confundas ese desequilibrio de los iones con la radiactividad, ya que en ese caso es cuando un átomo es inestable debido a un mal balance entre los protones o neutrones del núcleo (los electrones están en la corteza orbitándo alrededor del núcleo, y son los afectados en el proceso de ionización). En el caso de la radiactividad, cuando hay un desequilibrio entre esos protones y neutrones el átomo se volverá inestable y necesitará liberar el exceso de neutrones o protones para tender a su equilibrio.

Esa emisión para intentar restablecer el equilibrio es la radiación, como las partículas alfa (helio), partículas beta (electrones o positrones) y radiación gamma (fotón a alta energía). Quizás te pueda llevar a confusión debido a que esta onda electromagnética gamma se considera una radiación ionizante, como los rayos X, UV, o el láser. Por lo cual, se puede usar para producir iones también.

Propiedades del plasma

El plasma tiene propiedades muy interesantes, algunas de ellas son vitales para que el corte por plasma funcione. Por ejemplo:

• Tiene partículas cargadas (iones). Debido a eso responden a campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos externos.
• Puede conducir la electricidad mejor que el gas.
• Al estar compuesto por partículas en estado caótico y altamente energético, el plasma produce su propia radiación electromagnética.
• En función de la temperatura y densidad de electrones puede haber varios tipos de plasma. Por ejemplo, hay plasmas cargados con un signo o con otro, como viste anteriormente. Y también encontrarás lo que llaman plasma frío y plasma caliente:
  • En el caso del plasma frío se tiene baja densidad de electrones, y su temperatura es fría (normalmente temperatura ambiente). Por ejemplo, el empleado en tubos fluorescentes y neones para ionizar el gas del interior y que conduzca y produzca esa luminiscencia al hacer pasar la corriente.
  • El pasma caliente, es el creado cuando se calienta el gas hasta que los electrones tienen energía suficiente para liberarse de los átomos, con un alto grado de densidad de electrones. Es lo que ocurre en el Sol, el usado para algunas científicas, o en el caso del corte con plasma. Por lo general, siempre se llamará plasma caliente al que está ionizado por debajo del 1% y si está ionizado casi completamente será caliente…

Como ves, son características muy peculiares que permiten varias aplicaciones industriales, como el corte.

Tipos

Dentro del corte por plasma podemos diferenciar entre varios tipos diferentes:

• Corte por plasma manual: es el corte de plasma que se realiza de forma manual, con un grupo de corte por plasma. Será el operario el encargado de manejar la punta de corte y cortar lo que desea moviendo la mano para dirigir el chorro de plasma.
• Corte por plasma CNC: a diferencia del procedimiento manual, también hay mesas o máquinas CNC que realizan el corte de forma automática con mayor precisión y rapidez, para cortes más precisos o industrias en los que se tenga que repetir un movimiento para múltiples piezas. De hecho, CNC (Control Numérico por Computador) es un sistema en el que programas por ordenador los cortes que se deben hacer, y una máquina o robot se encargará de realizar el corte programado.
• Corte por plasma por aire comprimido: a diferencia del plasma seco tradicional, en 1963 se consiguió aumentar la velocidad en un 25% gracias al oxígeno del aire. No obstante, ese oxígeno deja la superficie de corte muy oxidada y se erosiona rápidamente el electrodo.
• Corte por plasma con inyección de agua: cinco años más tarde del corte con aire, Dick Couch, presidente de Hypertherm, inventó este otro tipo de corte en el que se emplea agua que se inyecta en la zona de corte mediante una boquilla especial de forma radial. Eso genera un corte más rápido, de mejor calidad y con menos escoria.
• Corte por plasma con inyección de oxígeno: fue desarrollado en 1983, y en vez del nitrógeno se usa gas oxígeno para el corte y agua en la punta de la boquilla. Eso ayuda a reducir el deterioro del electrodo de corte y la oxidación de la superficie de corte.
• Corte por plasma con doble flujo: es el procedimiento convencional o estándar. Usa plasma de gas nitrógeno y un gas protector como el dióxido de carbono o el oxígeno en la boquilla de corte. Justo en el centro de la salida de los dos gases estará el electrodo. Por eso se llama de doble flujo.

Y aunque solo sea por curiosidad revisa la tecnología del corte con agua. Seguro que te resulta realmente interesante.