Cómo funcionan los cortadores de plasma

La industria moderna depende de la manipulación de metales pesados ​​y aleaciones, ya que necesitamos metales para construir las herramientas y el transporte necesarios para el día a día. Por ejemplo, construimos grúas , automóviles, rascacielos , robots y puentes colgantes a partir de componentes metálicos formados con precisión. Sin embargo, a la humanidad le resultaría increíblemente difícil construir cualquiera de estas cosas sin los avances del corte por plasma .

Los metales son extremadamente fuertes y duraderos, por lo que son la opción lógica para la mayoría de las cosas que necesitan ser especialmente grandes, especialmente resistentes o ambas cosas. Sin embargo, lo curioso es que la fuerza del metal es también una debilidad. Debido a que el metal es tan bueno para resistir daños, es muy difícil manipularlo y darle forma en piezas especializadas. Entonces, ¿cómo se corta y manipula con precisión la gente los metales necesarios para construir algo tan grande y fuerte como el ala de un avión ?

En la mayoría de los casos, la respuesta es la cortadora de plasma. Puede parecer sacado de una novela de ciencia ficción, pero el cortador de plasma es en realidad una herramienta común que existe desde la Segunda Guerra Mundial. Conceptualmente, una cortadora de plasma es extremadamente sencilla. Hace el trabajo aprovechando uno de los estados de la materia más predominantes en el universo visible. En este artículo, analizaremos el misterio que rodea al corte por plasma y veremos cómo una de las herramientas más fascinantes ha dado forma al mundo que nos rodea.

Contenido

1. Orígenes del proceso de corte por arco de plasma
2. Estados de materia
3. Cómo crear gas plasma
4. ¿Qué es el plasma?
5. Dentro de una antorcha de plasma
6. El proceso de corte por plasma
7. Plasma en el trabajo
8. Cortar metales gruesos en arte de plasma

Orígenes del proceso de corte por arco de plasma

En la Segunda Guerra Mundial , las fábricas estadounidenses producían blindados, municiones y aviones casi cinco veces más rápido que las potencias del Eje. Esto se debió en gran medida a las tremendas innovaciones de la industria privada en el campo de la producción en masa.

Un área de innovación surgió de la necesidad de cortar y unir piezas de aviones de manera más eficiente. Muchas fábricas que trabajan en aviones militares adoptaron un nuevo método de soldadura que implicaba el uso de un gas inerte alimentado a través de un arco eléctrico. El descubrimiento revolucionario fue que cargar el gas con una corriente eléctrica formaba una barrera alrededor de la soldadura, que la protegía de la oxidación. Este nuevo método, llamado corte por arco de plasma, logró líneas mucho más limpias en las uniones y una construcción mucho más resistente.

A principios de los años 60, los ingenieros hicieron un nuevo descubrimiento. Descubrieron que podían aumentar las temperaturas acelerando el flujo de gas y reduciendo el orificio de liberación. El nuevo sistema podría alcanzar temperaturas más altas que cualquier otro soldador comercial. De hecho, a estas altas temperaturas, la herramienta ya no actuaba como soldador. En cambio, funcionó como una sierra, cortando metales duros como un cuchillo caliente corta mantequilla.

Al igual que una máquina de corte por láser futurista, el corte por arco de plasma revolucionó la velocidad, la precisión y los tipos de cortes que los fabricantes podían realizar en todo tipo de metales. En la siguiente sección, examinaremos la ciencia detrás de este sistema.

Estados de materia

Un cortador de plasma puede atravesar metales con poca o ninguna resistencia gracias a las propiedades únicas del plasma. Entonces, ¿qué es el plasma?

Hay cuatro estados de la materia en el mundo. La mayoría de las cosas con las que nos enfrentamos en nuestra vida diaria se encuentran en forma de sólidos, líquidos o gases. Estos estados se dividen en función de la forma en que se comportan las moléculas dentro de cada uno. Tomemos el agua como ejemplo:

• Como sólido , el agua toma la forma de hielo. El hielo está formado por átomos con carga neutra dispuestos en un patrón hexagonal que forma un sólido. Debido a que las moléculas permanecen bastante quietas entre sí, forman un sólido, algo que mantiene su forma.
• Como líquido , el agua toma su forma potable. Las moléculas todavía están unidas entre sí, pero se mueven entre sí a velocidades lentas. El líquido tiene un volumen fijo, pero no una forma constante. Cambia de forma para adaptarse a cualquier recipiente en el que lo coloques.
• Como gas , el agua toma la forma de vapor. En el vapor, las moléculas se mueven a altas velocidades, independientemente unas de otras. Debido a que las moléculas no están unidas entre sí, un gas no tiene forma ni volumen fijos.

Entonces, ¿cuál es el cuarto estado de la materia?

Cómo crear gas plasma

La cantidad de calor (que se traduce en cantidad de energía) aplicada a las moléculas de agua determina su comportamiento y por tanto su estado. En pocas palabras, más calor (más energía) excita las moléculas hasta el punto de que se liberan de los enlaces que las unen.

Con un mínimo de calor, las moléculas se unen estrechamente y se obtiene un sólido. Con más calor, las moléculas escapan de los enlaces rígidos y se obtiene un líquido. Con aún más calor, las moléculas escapan de los enlaces sueltos y se obtiene un gas.

Entonces, ¿qué pasaría si calentaras aún más el gas? Esto nos lleva al cuarto estado: plasma.

¿Qué es el plasma?

Si elevas un gas a temperaturas extremadamente altas , obtienes plasma. La energía comienza a romper las moléculas del gas y los átomos comienzan a dividirse. Los átomos normales están formados por protones y neutrones en el núcleo (ver Cómo funcionan los átomos ), rodeados por una nube de electrones.

En el plasma, los electrones se separan del núcleo . Una vez que la energía del calor libera los electrones del átomo, los electrones comienzan a moverse rápidamente. Los electrones están cargados negativamente y dejan atrás sus núcleos cargados positivamente. Estos núcleos cargados positivamente se conocen como iones.

Cuando los electrones que se mueven rápidamente chocan con otros electrones e iones, liberan grandes cantidades de energía. Esta energía es la que le da al plasma su estatus único y su increíble poder de corte .

Plasma común

Casi el 99 por ciento de toda la materia del universo es plasma. No es común en la Tierra debido a sus temperaturas extremadamente altas; pero en algún lugar como el sol , es la norma. En la Tierra lo encontramos, entre otros lugares, en los rayos.

Las cortadoras de plasma no son los únicos dispositivos que aprovechan el poder del plasma. Los letreros de neón , la iluminación fluorescente y las pantallas de plasma , solo por nombrar algunos, dependen de él para realizar el trabajo. Estos dispositivos utilizan plasma "frío". Aunque el plasma frío no se puede utilizar para cortar metales, tiene muchas otras aplicaciones útiles. Consulte Cómo funcionan las lámparas fluorescentes para obtener más información.

Dentro de una antorcha de plasma

Las cortadoras de plasma vienen en todas las formas y tamaños. Hay monstruosos cortadores de plasma que utilizan brazos robóticos para realizar incisiones precisas. También hay unidades portátiles compactas que puedes encontrar en cualquier tienda de mantenimiento. Independientemente del tamaño, todas las antorchas de plasma funcionan según el mismo principio y están construidas aproximadamente con el mismo diseño.

Los cortadores de plasma funcionan enviando un gas presurizado , como nitrógeno, argón u oxígeno, a través de un pequeño canal . En el centro de este canal, encontrarás un electrodo cargado negativamente . Cuando aplica energía al electrodo negativo y toca el metal con la punta de la boquilla de plasma, la conexión crea un circuito .

Se genera una poderosa chispa entre el electrodo y el metal. A medida que el gas inerte pasa por el canal, la chispa calienta el gas hasta que alcanza el cuarto estado de la materia. Esta reacción crea una corriente de plasma dirigido, aproximadamente a 30.000 F (16.649 C) y que se mueve a 20.000 pies por segundo (6.096 m/seg), que reduce el metal a material fundido.

El proceso de corte por plasma

El propio plasma conduce la corriente eléctrica. El ciclo de creación del arco de plasma es continuo mientras se suministre energía al electrodo y el plasma permanezca en contacto con el metal que se está cortando. Para asegurar este contacto, proteger el corte de la oxidación y regular la naturaleza impredecible del plasma, la boquilla del cortador tiene un segundo conjunto de canales. Estos canales liberan un flujo constante de gas protector alrededor del área de corte. La presión de este flujo de gas controla eficazmente el radio del haz de plasma.

Plasma en el trabajo

CNC se refiere a control numérico por computadora. Este tipo de proceso de corte permite al técnico evitar en absoluto tener que tocar el material. Las cortadoras de plasma CNC son ahora un elemento básico de la industria. Con la ayuda de una mesa de corte, los procesos de corte por plasma se utilizan principalmente en talleres de automóviles personalizados, así como en fabricantes de automóviles para personalizar y crear chasis y marcos.

Las empresas constructoras utilizan cortadoras de plasma en proyectos a gran escala para cortar y fabricar enormes vigas o láminas de metal. Los cerrajeros utilizan cortadores de plasma para perforar cajas fuertes y bóvedas cuando los clientes han sido bloqueados.

Cortar metales gruesos en arte de plasma

En el pasado, las cortadoras de plasma eran prohibitivamente caras y se utilizaban principalmente para grandes trabajos de corte de metales. En los últimos años, el costo y el tamaño de las antorchas de plasma han disminuido considerablemente, lo que las hace disponibles para proyectos más personales.

Artistas y trabajadores del metal utilizan cortadores de mano para crear obras de arte únicas que nunca serían posibles con herramientas convencionales para trabajar el metal. Una sola antorcha de plasma brinda a los artistas la capacidad de biselar cortes, perforar orificios precisos y cortar acero inoxidable de espesor medio prácticamente de cualquier forma que puedan concebir.

El cortador de plasma es una de las herramientas más interesantes y poderosas desarrolladas en el siglo XX. Utilizando principios básicos de la física para aprovechar el cuarto estado de la materia, el cortador de plasma funciona con resultados casi mágicos. Uno sólo puede imaginar, a medida que crezca nuestra comprensión del plasma, cuántas herramientas y aplicaciones más utilizarán esta fascinante fuerza de la naturaleza.

Para obtener más información sobre plasma y cortadoras de plasma, así como temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente.

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