Cómo funcionan los cortadores de plasma

Cortador de plasma en funcionamiento. Ver más imágenes de herramientas eléctricas .

La industria moderna depende de la manipulación de metales pesados y aleaciones: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 con componentes metálicos formados con precisión. La razón es simple:los metales son extremadamente fuertes y duraderos, por lo que son la opción lógica para la mayoría de las cosas que deben ser especialmente grandes, especialmente resistentes o ambas cosas.

Lo curioso es que la fuerza del metal es también una debilidad:debido a que el metal es tan bueno para resistir el daño, es muy difícil manipularlo y formar piezas especializadas. Entonces, ¿cómo cortan y manipulan con precisión 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 el cortador de plasma. Puede sonar como algo 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, un cortador de plasma es extremadamente simple. Hace el trabajo aprovechando uno de los estados más predominantes de la materia en el universo visible. En este artículo, analizaremos el misterio que rodea al cortador de plasma y veremos cómo una de las herramientas más fascinantes ha dado forma al mundo que nos rodea.

Contenido

Dónde fallaron las sierras
Estados de la materia
¿Qué es Plasma?
Dentro de un cortador de plasma
Plasma en el trabajo
Arte de plasma

Donde fallaron las sierras

Así se veía el corte por plasma en 1980.

En la Segunda Guerra Mundial, las fábricas de EE. UU. producían blindajes, artillería y aviones casi cinco veces más rápido que las potencias del Eje. Esto fue en gran parte gracias 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 partes de aeronaves de manera más eficiente. Muchas fábricas que trabajaban 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 gran descubrimiento 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 generó líneas mucho más limpias en las juntas y una construcción mucho más resistente.

A principios de la década de 1960, 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 a través de la mantequilla.

Esta introducción del 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 la 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 tratamos en nuestra vida diaria están 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 un 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 relativamente inmóviles 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 contenedor en el que lo coloques.
Como un gas , el agua toma la forma de vapor. En el vapor, las moléculas se mueven a gran velocidad, independientemente unas de otras. Debido a que las moléculas no están unidas entre sí, un gas no tiene forma fija ni volumen fijo.

Haz clic en Cold, Warm y Hot para ver el H2O en este vaso de agua

moverse a través de tres estados de la materia.

La cantidad de calor (que se traduce en cantidad de energía) aplicada a las moléculas de agua determina su comportamiento y por lo 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 calor mínimo, 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 sucede si calientas aún más el gas? Esto nos lleva al cuarto estado:plasma.

¿Qué es Plasma?

Si eleva un gas a temperaturas extremadamente altas, obtiene plasma. La energía comienza a romper las moléculas de 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 lo 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 encuentras en los relámpagos, entre otros lugares.

Los cortadores 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 hacer el trabajo. Estos dispositivos utilizan plasma "frío". Aunque el plasma frío no se puede usar para cortar metales, tiene muchas otras aplicaciones útiles. Consulte Cómo funcionan las lámparas fluorescentes para obtener más información.

Dentro de un cortador de plasma

Dentro de un cortador de plasma:el electrodo está en el centro y la boquilla justo debajo. La pieza naranja es el anillo giratorio, que hace que el plasma gire rápidamente a medida que pasa.

Los cortadores de plasma vienen en todas las formas y tamaños. Hay cortadores de plasma monstruosos que usan brazos robóticos para hacer incisiones precisas. También hay unidades portátiles compactas que puede encontrar en una tienda de mantenimiento. Independientemente del tamaño, todas las cortadoras de plasma funcionan según el mismo principio y están construidas aproximadamente con el mismo diseño.

Los cortadores de plasma funcionan enviando un gas a presión , 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 la punta de la boquilla con el metal, la conexión crea un circuito . Una poderosa chispa se genera entre el electrodo y el metal. A medida que el gas inerte pasa por el canal, la chispa calienta el gas hasta llegar al cuarto estado de la materia. Esta reacción crea una corriente de plasma dirigido, de aproximadamente 30 000 F (16 649 C) y moviéndose a 20 000 pies por segundo (6096 m/seg), que reduce el metal a escoria fundida.

El propio plasma conduce la corriente eléctrica. El ciclo de creación del arco es continuo siempre que 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 cortadora tiene un segundo juego de canales. Estos canales liberan un flujo constante de gas de protección alrededor del área de corte. La presión de este flujo de gas controla efectivamente el radio del haz de plasma.

Haga clic en el interruptor de encendido/apagado para ver un cortador de plasma en acción.

Plasma en el trabajo

En el corte CNC (controlado numéricamente por computadora), usted organiza sus formas en la pantalla de la computadora y las corta automáticamente, sin tener que tocar el material.

Los cortadores de plasma son ahora un elemento básico de la industria. Se utilizan principalmente en talleres de automóviles personalizados, así como por fabricantes de automóviles para personalizar y crear chasis y marcos. Las empresas de construcción utilizan cortadores de plasma en proyectos a gran escala para cortar y fabricar vigas enormes o productos de láminas de metal. Los cerrajeros usan cortadores de plasma para perforar cajas fuertes y bóvedas cuando los clientes han sido bloqueados.

Arte Plasma

Cortador de plasma Powermax 600

En el pasado, las cortadoras de plasma eran prohibitivamente caras y se usaban principalmente para trabajos de corte de metal de gran envergadura. En los últimos años, el costo y el tamaño de las cortadoras de plasma se han reducido considerablemente, por lo que están disponibles para proyectos más personales. Los artistas y trabajadores del metal utilizan cortadores manuales para crear obras de arte únicas que nunca serían posibles con herramientas convencionales para trabajar el metal. Esta única herramienta brinda a los artistas la capacidad de realizar cortes biselados, perforar orificios precisos y cortar 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 los principios básicos de la física para aprovechar el cuarto estado de la materia, el cortador de plasma funciona con resultados casi mágicos. Uno solo puede imaginar, a medida que crece nuestra comprensión del plasma, cuántas herramientas y aplicaciones más utilizarán esta fascinante fuerza de la naturaleza.

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

Más enlaces excelentes

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Miller:¿Por qué plasma?
Plasmas.org:Perspectivas sobre los plasmas
Plasma Gate:Plasma en Internet