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Tecnologías de corte de chapa

Ferran Puig Vilar, a partir de una ponencia de José Carlos Rico (Universidad de Oviedo) pronunciada en el Simposium sobre Corte de Chapa de Maquitec.01/02/2003

En este artículo se describen los distintos procesos de corte de chapa con la excepción del cizallado y aserrado por ser ya muy conocidos. Se presenta su principio de funcionamiento, ventajas e inconvenientes de cada uno y sus respectivos campos de aplicación.

Los distintos procesos de corte de chapa pueden ser clasificados en tres grupos: térmicos, procesos de erosión y mecánicos.

Procesos térmicos:

Oxicorte (de tipo químico)
Plasma
Láser

Procesos de erosión:

Corte con agua
Corte con agua con abrasivos

Procesos mecánicos:

Punzonado
Cizallado
Aserrado

Oxicorte

No es un proceso de corte por fusión sino por combustión, es un proceso de tipo químico y no de tipo térmico, se desarrolla en los primeros 20 o 25 años del siglo XX y aunque es una tecnología que se empieza a desarrollar en Europa es en Estados Unidos donde se termina el proceso como actualmente se conoce.

Es un proceso de combustión en el que lógicamente se necesitan tres agentes: un combustible, en corte de acero va ser el hierro, un comburente que puede ser el oxigeno y un iniciador de esa combustión que va ser una llama. Por supuesto, el hierro en presencia del aire, donde hay oxigeno, no va a entrar en combustión y necesitamos reunir una serie de condiciones que nos permitan alcanzar una temperatura elevada en el orden de 800º. La llama calentará el material hasta alcanzar esta temperatura y lo lograremos mediante la mezcla de oxígeno con un gas combustible. Esta llama hará el proceso de precalentamiento hasta llegar al proceso de oxidación final.

Fig. 1.- Principio de funcionamiento del proceso térmico de oxicorte (proceso de combustión)

Cuando esa llama calienta el material de forma adecuada hasta producir el proceso de combustión, se inyecta un chorro de oxígeno en la boquilla, de tal manera que este oxigeno acelera el proceso. Esta combustión oxida el material y gracias a la temperatura utilizada, los óxidos se funden y luego son expulsados por la parte inferior aprovechando el chorro de oxígeno. Es decir, que lo que se funde son los óxidos que se originan del material y no el material en sí.

Para que un material pueda ser tratado con oxicorte la temperatura de fusión del óxido debe ser menor a la temperatura de fusión del metal. Esto ocurre con el hierro ya que su temperatura de fusión es inferior a la del propio acero, de modo que se puede cortar simplemente fundiendo el óxido sin fundir el metal.

Este característica no es muy común en todos los materiales, de hecho, en la mayoría de los metales ocurre lo contrario ya que tienen un punto de fusión inferior al del óxido con lo cual se fundirían antes.

Por ejemplo, dos materiales que no se pueden cortar fácilmente mediante oxicorte son aquellos que tienen elementos aleantes como el aluminio, el cromo, o el magnesio, o que tengan un contenido muy elevado de carbón.

Fig. 2.- Fases del proceso de oxicorte

En cuanto a los gases que se utilizan en el proceso, se debe tener en cuenta que la pureza del chorro de oxígeno debe ser elevada ya que de lo contrario no se consigue la combustión. Debe ser superior al 99,5%, si se reduce este porcentaje puede disminuir la velocidad de manera importante. Ya que se necesita un oxigeno de alta pureza no se vale el que está contenido en el aire.

En cuanto al gas combustible que utilizamos para originar la llama que calienta el material, tenemos el acetileno, el propano o el MAPP (abreviación de metal, acetileno y propileno).

Cada una de las empresas dedicadas a producir todos estos gases han ido creando nuevas mezclas y nuevas composiciones de gases buscando que su temperatura y capacidad calorífica sean iguales

El acetileno alcanza una mayor capacidad calorífica y una mayor temperatura frente al resto de gases. Su calentamiento ocurre en el centro de la llama, con lo cual está en la zona que precisamente queremos cortar, por lo tanto puede ser el más apropiado para este proceso de corte.

Existen otros gases como el propano que tienen una temperatura un poco inferior y por lo tanto con un deceso bastante importante de la capacidad calorífica. El MAPP, es un caso intermedio entre el acetileno y el propano con temperatura y poder calorífico intermedios.

Otros gases como el gas natural, tienen una temperatura muy elevada pero tienen un poder calorífico muy bajo y aunque puede que no sirva para la parte inicial del proceso, podría funcionar una vez que éste ya ha empezado y se está realizando el corte, aún teniendo un poder calorífico reducido.

Dentro de las ventajas de este proceso encontramos las siguientes:

Baja inversión / bajo coste de operación
Capacidad para cortar grandes espesores
Uso de varias antorchas simultáneamente: aunque la baja velocidad de corte se ha visto como uno de los inconvenientes, también es cierto que en grandes producciones la máquina de corte puede equiparse con varias boquillas, de tal manera que puede estar cortando simultáneamente piezas similares al mismo tiempo, así que en caso de necesitar una producción acelerada y que el número de piezas sea de series muy grandes podríamos aumentar bastante esta velocidad.
Buena opción cuando haya operaciones secundarias, como mecanizado posterior o fresado.
Como inconvenientes encontramos:
Baja velocidad de corte, teniendo en cuanta la anotación anterior.
Necesita tiempo de precalentamiento
La zona afectada térmicamente es grande
Alabeo de la chapa
Limitación a aceros de baja aleación
Problemas con inoxidables y aleaciones de Aluminio
Tolerancias más amplias que en plasma, agua o láser

Gas	Temperatura Llama (ºC)	Proporción O₂/gas	Capacidad Calorífica (kJ/m³)
Acetileno	3160	1:5	18890
Propano	2810	4,3:1	10433
MAPP	2927	3,3:1	15445
Propileno	2872	3,7:1	16000
Gas natural	2770	1,8:1	1490

Tabla I.- Comparación de las características de los distintos gases empleados en oxicorte

Corte por plasma

También es un proceso de tipo térmico y en este caso si se persigue la fusión del material. Se busca una temperatura ideal para poder fundirlo y mediante un gas que se aporta y que es el que consigue calentar la pieza, se expulsa el material fundido y se va cortando y avanzando.

En muchas bibliografías se habla del plasma como un cuarto estado de la materia, sin embrago, el plasma no es más que un gas ionizado, es decir, que conduce la electricidad y que por lo tanto es capaz de alcanzar una temperatura muy elevada, la suficiente como para que al proyectarse sobre una pieza la funda.

Fig. 3.- Principio de funcionamiento del corte por plasma (proceso por fusión)

El gas contenido en la boquilla circula en la corriente con el fin de ionizarlo, se calienta y después se hace salir por una boquilla con un diámetro muy reducido, de tal manera que el gas ionizado se comporta como cualquier material conductor de la electricidad.

Si se reduce mucho la sección por donde pasa la corriente se estará aumentando la resistencia, provocando un calentamiento del gas alcanzando temperaturas muy elevadas y velocidades muy altas, más o menos la velocidad del sonido.

Este gas caliente es el que se aporta sobre la pieza y es el que consigue la fusión y la propia presión del gas, además evacua ese material fundido por la parte inferior de la chapa.

Una de las principales causas de las investigaciones que se realizan al respecto desde la década de los cincuenta, es la de acelerar el proceso a través de temperaturas más elevadas, por lo cual se han desarrollado varios tipos de procesos dentro del corte por plasma:

Fig. 4.- Fases del proceso de corte por plasma

Tipos de procesos:

Arco transferido / No transferido:

Generalmente es el más usado ya que se precalienta el material y se favorece el proceso de fusión del mismo.

En seco: tiene varias opciones:

- Sin gas de aportación: se utiliza un solo gas para calentar y fundir la pieza

- Con gas de protección: se inyecta alrededor de la boquilla del método convencional y crea una zona que restringe la proyección del gas ionizado y además la mantiene limpia.

- Aire como gas plasma: favorece la oxidación del material y una reacción exotérmica que generalmente también favorece el proceso.

Con agua:

- Arco protegido por agua, en vez de utilizar el gas protector en la parte exterior de la boquilla, se utiliza agua inyectada a presión lo que favorece la refrigeración de la boquilla, pieza que sufre bastante durante el proceso por las altas temperaturas. El agua también consigue que esta zona esté limpia subiendo la calidad del corte, y restringe la temperatura en la zona con lo que se acelera la velocidad.

- Arco sumergido

- Reduce el ruido y la radiación ultravioleta

- Evita la formación de humos y gases

- Se reduce la velocidad (10 – 20%)

- Peligro de pequeñas explosiones: debido al hidrógeno, ya que con la pieza completamente sumergida en agua puede presentarse una disociación de la misma, el oxígeno se va por el material fundido y el hidrógeno se deposita sobre todo en la parte inferior de la chapa. Para evitar esto se mantiene el agua en constante agitación.

Alta definición

Se busca una densidad de energía muy elevada. La densidad de energía es la intensidad de la corriente por centímetro cuadrado y lo que se busca con este proceso es que esté mucho más elevada que con cualquier tipo de corte por plasma convencional. Se consiguen densidades tres veces más altas, del orden de 6000 o 9000 amperios por centímetro cuadrado, acelerando la velocidad de corte. Este proceso compite con el láser para cortar espesores bastante reducidos, tanto en velocidad como en calidad de corte.

La limitación para cortar con plasma es simplemente que el material que se esté cortando sea conductor de la electricidad.

Gases para distintos materiales

El aire se puede utilizar en todos estos procesos. En el corte del acero se resalta el uso del oxigeno que favorece las reacciones exotérmicas que generan calor. En materiales inoxidables y aleaciones de aluminio se suele utilizar el hidrógeno como gas de aporte, dependiendo del rango de aplicaciones y espesores con la idea de utilizar lo menos posible el hidrógeno que se puede remplazar por el propano.

Material	Gas de corte	Gas de aportación	Rango aplicación
Acero	Aire0₂	Aire	1 a 20 mm
Inoxidable	Aire 0_2,N_2, Ar/H₂/N₂	Aire, N₂+Propano	Espesores >6 mm Alta calidad pieza Grandes espesores+ calidad Grandes espesores
Aleaciones	Aire, N_2,N_2, Ar/H₂	Aire,N_2,N₂+ propano	Bajo contenido Al, 1 a 3 mm espesor,2 a 19 mm espesor, Grandes espesores

Tabla II.- Comparación de las características de los distintos gases empleados en corte por plasma

Corte por agua + abrasivo

Es un proceso por erosión de tipo mecánico. Se desarrolló en los años sesenta para utilizar exclusivamente agua ya que había industrias como la electro espacial que tenia problemas para cortar algunos materiales como los recién aparecidos materiales tipo fibra.

Sin embargo, el origen es un poco anterior a eso ya que la primera persona que se encargo de desarrollar el tema del agua como herramienta de corte fue Norman Franz, un ingeniero forestal que trabajaba en el desarrollo de nuevas tecnologías para el corte de madera, llegando a hacer unas máquinas prototipo con las que experimentó intentando alcanzar grandes presiones de agua, bastante mayores de las que se utilizan hoy industrialmente. El problema era que no se podía mantener esa presión de forma continua.

Fig.7.- Principio de funcionamiento de proceso de corte por agua (proceso de erosión)

Con este proceso por erosión se inyecta agua a presión en la pieza a través de la boquilla, si a esta agua le añadimos un abrasivo, en este caso es él quien se encarga de realizar la erosión del material y poder arrancar las partículas para al final realizar el corte.

Lo principal es alcanzar una presión muy elevada del agua, una de las máximas que se alcanzan actualmente es de 414 MPa, 40.000 N/cm. La forma de conseguir esta presión es mediante una bomba que se denomina intensificador, que fue introducida por Ingresa Run, y que nos permite alcanzar estas presiones de agua.

El agua a presión se hace pasar por una boquilla muy reducida y se consigue una velocidad muy alta, del orden de 3 veces la del sonido. Esta velocidad tiene como finalidad arrancar el corte. Luego, se pasa a la cámara donde se le añade el abrasivo y así sale por un extremo para cortar el material.

Tal vez uno de los problemas con los procesos de corte por agua es que a medida que avanza el chorro, este se flexiona o electa hacía atrás y hace que la parte superior de la pieza se corte antes que la inferior. Si se hace un corte recto no hay problema, pero si es necesario cortar esquinas interiores tendríamos que avanzar el corte para poder cortar la parte inferior y superior, lo que al final nos puede dar un mal acabado y en algunas aplicaciones se tendría que rechazar el producto.

Otro problema es el de la inclinación de los bordes, normalmente la zona superior que está enfrentada al chorro tiene una abertura mayor que en la parte inferior. El sistema de corte dinámico controla para reducir estos problemas, en este caso, reduciendo la velocidad antes de llegar a las esquinas se evitan estas entradas en la parte superior de la pieza y en el caso de los bordes inclinados se corrige la inclinación de la boquilla.

Sin embargo, este proceso tiene las siguientes ventajas:

No se origina una zona afectada térmicamente
Puede cortar cualquier material con amplio rango espesores
No requiere operaciones secundarias
Kerf reducido (0,5 – 1 mm)
Fuerza de corte pequeña (1,4 – 2,3 kg)
Proceso limpio, sin gases
Puede realizar agujeros para iniciar corte
Proceso seguro (baja compresibilidad del agua)
Corta formas y geometrías de gran detalle
Finalmente, como otros inconvenientes de este proceso, encontramos:
Más lento que oxicorte o plasma
Coste elevado de abrasivo (0,23 kg/min a 1 kg/min
Ruido
Inversión inicial elevada (mayor que oxicorte o plasma)

Fig. 8.- Fases del proceso de corte por agua

Fig 9.- Esquema del proceso de corte por agua

Corte por láser

Es un proceso de tipo térmico. En este caso no se produce la fusión del material sino que se llega a vaporizar ya que la temperatura que se alcanza en el corte es muy elevada. El láser se consigue utilizando un material activo ya sea sólido, líquido o gaseoso que al ser excitado mediante una fuente de energía externa, que puede ser de diferentes tipos; luminosa, eléctrica, etc., emite radiaciones luminosas de tipo láser.

Todo esto se hace dentro de un resonador que es una cámara con dos espejos en sus extremos en donde rebotan las radiaciones luminosas amplificándose. Uno de estos espejos es semitransparente, en algunas partes refleja el material y en otras lo deja pasar.

Para conducir este láser a la zona que queremos cortar se usan los espejos deflectores y una vez que llega al cabezal de zona se focaliza reduciendo el diámetro del haz con el fin de aumentar la potencia y por tanto la temperatura.

Algunos tipos de láser de los que más se habla industrialmente son:

Láser de CO2

Su medio activo son moléculas de CO₂
La excitación del medio se realiza mediante corriente eléctrica
La radiación emitida es de 10,6 mm
Requiere espejos para conducir el haz láser = Mayor complejidad
Tiene un mayor coste y mayor mantenimiento
Potencia de 1500 a 6000 W
Es muy usado industrialmente (85%)

Láser Nd:YAG

Su medio activo es un cristal de granate de Itrio y Aluminio (YAG) dopado con iones de Nd
El medio activo se excita mediante lámpara flash de alta intensidad
Radiación emitida es de 1,064 mm (Se conduce por fibra óptica)
No requiere espejos para conducir el haz láser
Interactúa mejor que el láser de CO₂ con materiales como: aceros galvanizado, Al, Cu, Latón, etc.Potencia de 2550 a 4500 W. Poco usado industrialmente del proceso de corte por láser de Nd:YAG

Entre las ventajas del proceso de corte por láser encontramos las siguientes:

Más rápido que plasma de alta definición
Corta perfiles de forma compleja
Elevada precisión y calidad de piezas cortadas (sobre todo en espesores
pequeños y medianos)
Kerf reducido
Zona Afectada Térmicamente muy reducida
Variedad de materiales a cortar
Algunos inconvenientes de este proceso son:
No puede cortar materiales reflectantes (Al, Cu, etc.)
Velocidad reducida para espesores < 3 mm
Inversión inicial elevada (en comparación con oxicorte, plasma o agua)
Inversión alta / Coste elevado de consumibles (boquillas, electrodos)

Fig. 10.- Fases del proceso de corte por láser

Fig. 11.- Principio de funcionamiento del corte por láser

Fig. 12.- Esquema del proceso de corte por láser de CO2

Fig. 12.- Esquema del proceso de corte por láser de CO₂

Corte por punzonado

Proceso de tipo mecánico originado por cizalladura. Intervienen dos herramientas, una que se coloca en la parte inferior de la chapa a punzonar o matriz, y otra que se coloca en la parte superior o punzón.

La compresión del material genera una deformación, a medida que avanza la penetración del punzón en el material se inician grietas en los bordes de contacto entre el punzón y la pieza y la matriz y la pieza, y a medida que avanzan esas grietas se produce una rotura o fractura que hace que se separe la chapa del material de recorte, coinciden las dos grietas y el punzón sigue penetrando hasta provocar la expulsión del material cortado.

Entre las ventajas de este proceso encontramos las siguientes:

Permite cortar y además operaciones de conformado
Más barato que el Láser para el corte de golpes sueltos (tiempos = décimas segundo)
En la actualidad hay máquinas de mucha velocidad (1200 golpes/min en punzonado

y 2800 golpes/min en mascado)

Inconvenientes:

Requiere operaciones secundarias de acabado (cuello de botella)
Problemas para cortar espesores muy elevados (agujeros de gran diámetro)
Coste de herramientas y reafilado

Para finalizar, no podríamos decir con exactitud cuál de todos los procesos anteriormente citados es la mejor tecnología de corte, tal vez lo que tendríamos que tener en cuenta son los siguientes datos de referencia para elegir el que más se adapte a nuestras necesidades:

Tipo de material a cortar
Espesores de corte
Velocidad de corte
Acabado pieza cortada
Precisión
Zona afectada térmicamente
Necesidad de operaciones secundarias
Complejidad de la pieza a cortar
Costes de operación
Inversión necesaria.

Fig. 15.- Principio de funcionamiento del corte por punzonado (proceso

Fig. 16.- Esquema del corte por punzonado (proceso mecánico)

Comparación final

Material	Oxicorte	Plasma	Plasma alta definición	Agua Abrasivo	Láser CO₂	Láser Nd:YAG	Punzonado

Acero al C	500	90	13	180	20	10	10
Inoxidable	-	90	13	100	12	10	10
Aluminio	-	150	13	180	10	5	10
Cobre	-	60	13	100	-	5	10
Níquel	-	75	13	75	10	10	-
Titanio	300	75	13	180	10	10	-
Madera	-	-	-	100	25	-
Papel	-	-	-	-	V	-	V
Polímeros	-	-	-	V	2	-	V
Vidrio	-	-	-	V	2	2	-
Cerámica	-	-	-		2	2	-
Goma	-	-	-	V	10	-	V

Material	Espesor (mm)		Velocidad (mm/min)
Material	Espesor (mm)	Oxicorte	Plasma	Agua	Láser CO₂, (1 kW)	Láser Nd:YAG,(0,8 kW)
Acero	5	700	4500(*)	200	2200	600
Acero	20	400	2000(*)	50		-
Inoxidable	3	-	5000(*)	200	6500	900
Inoxidable	40	-	500(*)	10-20		-
Aluminio	2	-	6000(*)	800	1000	1200
Aluminio	40	-	1200(*)	80		-