Processo De Corte Em Arco Plasma

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ESCOLA DE ENGENHARIA DE PIRACICABA FUNDAÇÃO MUNICIPAL DE ENSINO Curso de Engenharia Mecatrônica Processos de Fabricação II Prof. Jose Aldo de Galiza Processo de Corte a Arco Plasma NOME: Paulo Ricardo Zambianco Campos José Ricardo Dell’Abio Thiago Junite Kumagae Vitor Marin Perota RA: 268071429 268071471 268071421 268071468 Piracicaba – SP, 28 de maio de 2010. Processos de Fabricação Corte a Plasma Processo de Corte em Arco Plasma PROFESSOR: Jose Aldo de Galiza O objetivo deste trabalho é apresentar uma revisão dos conceitos relativos ao processo de arco a plasma, dando um amplo conhecimento, evidenciando sua tecnologia, utilização, a associação dos mesmos às Máquinas de Corte e a importância da utilização de Softwares de arranjos de layout de peças, além de apresentar uma análise comparativa a outros processos de corte mecânicos. 2 Processos de Fabricação Corte a Plasma SUMÁRIO Página Título .............................................................................................................. 4 Introdução....................................................................................................... 4 Definições do Processo .................................................................................. 4 Princípios do processo ................................................................................... 5 Aplicações Equipamentos e Vantagens ......................................................... 6 Processo....................................................................................................... 12 Conclusão..................................................................................................... 18 Referências Bibliográficas ............................................................................ 18 3 Processos de Fabricação I. Corte a Plasma Título Processo de corte através do uso de Arco Plasma II. Introdução Sabemos que a matéria pode se apresentar nos estados sólido, líquido e gasoso. Entretanto, há um estado chamado plasma, conhecido também como o quarto estado da matéria. No caso da água, considerando seu estado gasoso se continuarmos adicionando calor ao vapor algumas de suas propriedades são alteradas, como a temperatura e características elétricas. Esse processo é chamado ionização, e quando isso acontece os gases tornam-se plasma. Figura 01 – Nível dos estados da matéria Em 1950, o processo TIG (gás inerte de tungstênio) de soldagem estava implantado como um método de alta qualidade para soldar metais nobres. Durante o desenvolvimento desse processo, os cientistas envolvidos no trabalho descobriram que se reduzissem o diâmetro do bocal por onde saía a tocha de gás para soldagem, as propriedades do arco elétrico do equipamento de soldagem ficavam bastante alteradas. A redução do diâmetro de saída comprimia o arco elétrico, aumentando a velocidade e a temperatura do gás. O gás, ionizado, ao sair pelo bocal, em vez de soldar, cortava metais. III. Definição do Processo “Uma coleção de partículas carregadas contendo quase a mesma quantidade de elétrons e íons positivos, e, embora apresente quase todas as características dos seus gases formadores, se difere deles por ser um bom condutor de eletricidade”. A ionização do gás causa a criação de elétrons livres e íons positivos entre os átomos de gás. Quando isso ocorre, o gás em questão torna-se eletricamente condutivo com 4 Processos de Fabricação Corte a Plasma excelente capacidade para transmissão de corrente elétrica. O melhor exemplo de plasma na natureza é a tempestade de raios. Exatamente como na tocha plasma, os raios movem à eletricidade de um ponto a outro. Para o raio, os gases do ar são os gases ionizados. IV. Princípios do Processo O corte a Plasma é um processo que utiliza um bico com orifício otimizado para constringir um gás ionizado em altíssima temperatura, tal que possa ser usado para derreter seções de metais condutores. Um gás eletricamente condutivo (plasma) é usado para transferir energia negativa fornecida pela fonte plasma da tocha para o material a ser cortado (obra). A tocha serve de suporte para os consumíveis e fornece um fluído refrigerante para estas peças (gás ou água). O distribuidor ou difusor de gás é construído de material isolante e tem como principal finalidade de dar sentido rotacional ao gás. O eletrodo conduz a corrente até um inserto de háfnio que emite os elétrons para geração do plasma. O bico constringe o plasma e o guia para o metal a ser cortado. A capa tem como função manter os consumíveis alinhados e isolar a parte elétrica do bocal frontal. O bocal frontal guia o fluxo de jato de ar coaxial. Por ser refrigerado e isolado, o bocal pode ser apoiado à chapa. A ionização dos gases gera elétrons livres e íons positivos entre os átomos de gás.Quando isto ocorre, o gás torna-se eletricamente condutor, com capacidade de transportar corrente. Um gás eletricamente condutor é usado para transferir energia fornecida por uma fonte de energia elétrica, da tocha ao material a cortar. O processo de corte plasma foi criado na década de 50 e tornou-se muito utilizado na indústria devido sua capacidade de cortar qualquer metal condutor de eletricidade principalmente os metais não ferrosos que não podem ser cortados pelo processo oxicorte. O processo consiste na utilização do calor liberado por uma coluna de plasma, resultante do aquecimento por maio de um arco elétrico de um gás, em alta vazão rotacional. Este plasma é transferido ao metal a ser cortado. A parte do metal se funde pelo calor do plasma e este metal é expulso com auxílio do gás em alta vazão. 5 Processos de Fabricação V. Corte a Plasma Aplicações equipamentos e Vantagens Corte Manual Figura 10 – Detalhe do Processo de Corte Manual Corte Mecanizado Corte mecanizado é todo aquele onde um sistema automático manipula a tocha de plasma. Os sistemas pode ser simples como uma “tartaruga” ou até os mais complexos manipulados e comandados por CNC. Os sistemas manuais podem ser adaptados para trabalhar no método mecanizado e devem ser respeitados os limites de aplicação recomendados pelo fabricante do sistema para este método. Geralmente a capacidade de corte dos sistemas manuais é reduzida à metade para o corte mecanizado. Esta redução não está relacionada diretamente com a capacidade da fonte, e sim pelo aquecimento progressivo da tocha. Como no plasma a velocidade reduz sensivelmente com o incremento da espessura, em chapas mais espessas o tempo de corte é grande devido a baixa velocidade. Esta é a principal razão de se limitar a espessura para se garantir uma velocidade razoável e permitir o refrigeração adequada da tocha. Os sistemas mecanizados dedicados geralmente possuem tochas refrigeradas por líquido refrigerante. O liquido é guiado na parte interna do eletrodo permitindo um jato de líquido exatamente na parte traseira do ráfnio – parte que fica no estado líquido durante o corte. Um sistema básico mecanizado é constituído por 5 partes principais conforme mostrado na figura 11: 6 Processos de Fabricação Corte a Plasma 1.Fonte de Energia 2.Console de Ignição – Alta Freqüência 3.Console de controle de gás 4.Tocha plasma 5.Conjunto de Válvulas Figura 12 – Maquina de Corte 7 Processos de Fabricação Corte a Plasma Este conjunto é parte integrante de uma célula ou máquina de corte. A qualidade do corte, bem como o desempenho da célula depende da combinação, interação e características dos componentes como: Sistema de Corte Plasma – os 5 itens mostrados acima, Comando CNC, Controle de altura (eixo Z) e Sistema de movimentação X-Y. A figura 12 mostra um exemplo de máquina de corte com comando CNC e os itens componentes gás de plasma e de proteção. A seleção deve se dar primeiramente para atender aos requisitos de qualidade e produtividade do material a se cortar. O Ar comprimido é sempre a melhor segunda opção técnica e a primeira em conveniência e custo. Quando se deseja a melhor combinação para obter melhor qualidade e produtividade, os gases recomendados são mostrados na tabela. SELEÇÃO E TIPOS DE GASES O gás no processo plasma tem duas funções distintas: a) insumo para geração do plasma e b) refrigeração dos consumíveis. Ainda, nos sistemas com partida por contato, serve como agente para afastar o eletrodo móvel. Anteriormente vimos que o plasma é gás aquecido por uma diferença de potencial elétrico. Portanto, a qualidade e eficiência do processo estão intrinsecamente relacionadas com a qualidade do gás. Na grande maioria dos sistemas manuais, utiliza-se uma única fonte de suprimento de gás para realizar as duas funções de formação de plasma e refrigeração dos itens consumíveis. Neste caso a vazão do gás torna-se um fator de extrema importância para o desempenho do processo. Se a vazão é excessiva implicará numa boa ação de refrigeração, porém com conseqüências danosas ao plasma. Se insuficiente, além da perda de qualidade do plasma, a vida útil do consumível é reduzida drasticamente. A vazão nos sistemas de gás único e sempre mais elevado que nos sistemas de múltiplos gases. Existem alguns sistemas manuais, de correntes mais elevadas que podem utilizar a combinação de mais de um gás. Em conseqüência tem-se uma tocha mais robusta e pesada. Os sistemas mecanizados dedicados possibilitam o uso de dois gases distintos para plasma e para proteção. Nestes casos, o eletrodo é refrigerado internamente por um líquido refrigerante. A vantagem dos sistemas múltiplos gases está no fato de selecionar um gás de plasma mais adequado ao tipo de material a se cortar independente de sua capacidade de refrigeração. As tabelas 1a e 1 b mostram respectivamente as características recomendações para gás de plasma e de proteção. A seleção deve se dar primeiramente para atender aos requisitos de qualidade e produtividade do material a se cortar. O Ar comprimido é sempre a melhor segunda opção técnica e a primeira em conveniência e custo. Quando se deseja a melhor combinação para obter melhor qualidade e produtividade, os gases recomendados são mostrados na tabela. Tabela 1a – Guia para Seleção de Gás Plasma 8 Processos de Fabricação Corte a Plasma Tabela 1b – Guia para Seleção de Gás Proteção 9 Processos de Fabricação Corte a Plasma Tabela 2 – Recomendações de Gases de Plasma e Proteção. 10 Processos de Fabricação Corte a Plasma Tabela 3 – Níveis de qualidade de superfície de corte conforme norma ISO 9013 O processo de corte à Plasma, parece estar perfeitamente entre os processos de corte quando o assunto é custo-benefício e viabilidade de implantação. Em relação ao Oxicorte possuí melhor velocidade de corte, menor sangria de corte, melhor acabamento desde que trabalhando na faixa adequada de operação (até 3” ou 76mm de espessura), além de ter opções para eliminação de ruído e fumos através da utilização de cortes com escudo d’água ou corte subaquático. É facilmente operado e não se utiliza da produção de chama com gases combustíveis que requer maiores cuidados com a segurança do operador. Pode ser aplicado para o corte de qualquer material condutor de eletricidade. Outra vantagem seria que o Oxicorte é limitado a alguns metais, ou seja, em geral não se consegue cortar aços inoxidáveis o que já não é problema para o corte à Plasma. Suas limitações em relação ao Oxicorte seria a dificuldade de se cortar espessuras maiores. No processo de Oxicorte pode-se cortar espessuras maiores sem que se perca a qualidade do corte e, principalmente, manter o esquadro da peça, já que uma das características do processo Plasma é o surgimento de chanfros na aresta de corte, os quais tornam-se mais significativos a medida que se aumenta a espessura da chapa. Para se controlar isso, torna-se necessária uma rigorosa avaliação dos parâmetros de corte e uso de consumíveis sempre em ótimas condições. Com relação ao corte Laser, levando-se em consideração que o custo de implantação do Corte Plasma é bem menor que este, já foi dito anteriormente que o processo de corte Plasma de Alta Densidade, que teve início de aplicação a partir de 1990, tornarse-á um forte concorrente do corte Laser por apresentar um corte esquadrejado, de espessura reduzida e aumentar a velocidade de corte. Dos três processos de corte operados com máquinas CNC relacionados, a precisão de corte segundo catálogos da hypertherm fica: Oxicorte: aproximadamente 0,8mm Plasma: aproximadamente 0,8mm podendo chegar a 0,23mm para plasma de alta definição Laser: 0,076mm 11 Processos de Fabricação Corte a Plasma Software Nesting É um sistema de arranjo de formas. Este sistema atua como suporte para as máquinas equipadas com CNC, permitindo que etapas como criação e desenho, formação de lotes de peças, arranjo automático ou manual das peças, criação de programas NC com todas as funções de corte e marcação, e principalmente, fornece alta contribuição para que o sistema de gerenciamento de ordens e retalhos seja simplificado. VI. Processo a) Corte Plasma Convencional A técnica do Corte Plasma Convencional, foi introduzida em 1957 pela UNION CARBIDE. Esta técnica podia ser usada para cortar qualquer metal a velocidades de corte relativamente altas. Esta técnica permitia se cortar chapas de espessuras que variavam de chapas finas (0,5mm) até chapas grossas (250mm). A espessura de corte está diretamente relacionada com a capacidade de condução de corrente da tocha e propriedades do metal. Uma tocha mecanizada com capacidade para 1000 Ampéres pode cortar 250 mm de aço inoxidável ou Alumínio. Contudo, na maioria das aplicações industriais, a espessura de corte não ultrapassa 50 mm. Nesta faixa de espessuras, o corte plasma convencional é usualmente alargado e tem a ponta circular. Cortes largos são o resultado de um desbalanceamento energético na face de corte. Um ângulo positivo de corte resulta da dissipação do calor na superfície da peça conforme a progressão do corte. Figura 3.10 - Plasma convencional 12 Processos de Fabricação Corte a Plasma Figura 3.11: Formação de duplo arco Fazendo o posicionamento da tocha tão próximo quanto possível à peça de trabalho e aplicando o princípio da constrição de arco como mostrado na figura 3.10, conseguimos reduzir este desbalanceamento de calor. O aumento da constrição do arco tende a tornar o perfil do arco maior e mais uniforme, causando um corte mais reto. Mas infelizmente, a constrição de arco com um bico convencional é limitada pela tendência de o aumento da constrição desenvolver dois arcos em série, conforme figura 3.11, sendo um entre o eletrodo e o bico e outro entre o bico e a peça. Este fenômeno é conhecido como “duplo arco” e desgasta o eletrodo e o bico de corte. O arco duplo limita severamente a extensão do corte plasma com qualidade. Desde a introdução do processo de corte plasma nos anos 50, várias pesquisas tem sido realizadas com o objetivo de aumentar a constrição do arco, sem, porém a criação do duplo arco. O corte plasma como descoberto, é atualmente denominado como corte plasma convencional. Este pode ser largamente aplicado ao corte de vários metais e diferentes espessuras. Por exemplo, se o corte plasma convencional é usado para cortar Aço Inoxidável, Aço Carbono e Alumínio, é necessário à utilização de diferentes gases e vazões para otimização da qualidade de corte nesses três tipos de metais.O corte plasma convencional predominou desde 1957 até os anos 70, e freqüentemente requerendo dispendiosas misturas de Argônio e Hidrogênio. b) Plasma de Alta Definição A definição ou qualidade de corte é caracterizada pelo desvio e angularidade da superfície de corte. A norma ISSO 9013 estabelece critérios de avaliação com base na espessura do material conforme mostrado na tabela 3. Os níveis vão de 1 a 5, sendo o 1 de maior qualidade. O processo plasma de alta definição foi criado com o objetivo de produzir cortes com qualidade nível 3. Porém em produção, com as constantes variações de pressão e vazão nos gases de plasma e proteção, aliado ao desgastes da tocha e dos consumíveis, o processo se mantinha com nível de qualidade entre o 4 e 5 e uma vida útil do bico e eletrodo de aproximadamente 2 horas. Por este fato o processo tendia 13 Processos de Fabricação Corte a Plasma ao colapso na sua utilização para a indústria devido ao alto custo operacional e baixa consistência. Em 2003 foram investidas elevadas quantias em pesquisa e desenvolvimento para resolver a inconsistência e aprimorar o processo de alta definição. O resultado foi o desenvolvimento de duas novas tecnologias que revolucionaram o plasma de alta definição. Um controle sinérgico para o gás e um novo desenho de tocha que permite a flutuação do tubo de refrigeração dentro do eletrodo proporcionou a consistência do processo, ou seja, produção de cortes com qualidade nível 3 por um longo período de vida dos consumíveis bico e eletrodo. O processo que foi batizado de Hyperformance, ou plasma de Alto Desempenho, já é comercializado desde 2004 e os resultados médios comprovam a qualidade nível 3 em uma vida útil de eletrodo e bico em média de 6 horas. A figura 13 mostra algumas peças cortadas com processo de alta definição. c) Arco Plasma “DUAL FLOW” A técnica dual flow foi desenvolvida em 1963. Esta técnica envolve uma pequena modificação em relação ao plasma convencional. Este processo utiliza-se das mesmas características como no plasma convencional, neste caso, porém é adicionado um segundo gás de proteção ao redor do bico de corte. Usualmente, em operação dual flow o gás plasma é o Nitrogênio e o segundo gás de proteção é selecionado de acordo com o metal a ser cortado. Gases típicos para uso são normalmente Ar Comprimido ou Oxigênio para aço Carbono, dióxido de Carbono (CO2) para aços inoxidáveis e misturas de Hidrogênio/Argônio para Alumínio. A velocidade de corte é melhor para aços ao Carbono quando comparado ao plasma convencional, contudo, a qualidade de corte é inadequada para algumas aplicações. A velocidade e qualidade de corte em aços inoxidáveis e Alumínio, é essencialmente a mesma que no plasma convencional. A maior vantagem neste processo é que o gás secundário forma uma proteção entre o bico de corte e a peça de trabalho, protegendo o mesmo de curtos-circuitos, como mostrado na figura 3.12, e reduzindo a tendência de "duplo arco". O gás de proteção também protege a zona de corte aumentando a qualidade e velocidade de corte, além de refrigerar o bico de corte e bocal da tocha. Figura 3.12 Plasma "Dual Flow” 14 Processos de Fabricação d) Corte a Plasma Corte Plasma Com Ar Comprimido O Oxigênio presente no ar proporcionava uma energia adicional em aços ao Carbono proveniente da reação exotérmica com o ferro incandescente. Esta energia adicional aumenta a velocidade de corte em 25% sobre o plasma com Nitrogênio. Embora o processo possa ser usado para o corte de aços inoxidáveis e Alumínio, a superfície de corte nesses materiais fica mais fortemente oxidada e não aceitável para algumas aplicações (Figura 3.13). Figura 3.13 - Corte plasma a ar comprimido O maior problema com o corte por ar comprimido é a rápida erosão do eletrodo. Eletrodos especiais feitos de Zircônio, Háfnio ou ligas de Háfnio são necessários, uma vez que o eletrodo de Tungstênio desgasta-se em poucos segundos se o gás de corte conter Oxigênio. Mesmo com a utilização destes eletrodos especiais, a vida útil dos mesmos é consideravelmente menor que no processo plasma convencional. e) Corte Plasma com Proteção de Água O corte plasma com proteção de água é semelhante ao processo "dual flow", onde o gás de proteção secundário é substituído por água (Figura 3.14). O efeito de resfriamento provocado pela água aumenta a vida útil do bico de corte além de melhorar significativamente a aparência do corte, entretanto, o esquadrejamento e velocidade de corte permanecem constantes uma vez que a água não provê uma constrição adicional do arco. 15 Processos de Fabricação Corte a Plasma Figura 3.14 - Corte plasma com proteção de água f) Arco Plasma com Injeção de Água No início, estava estabelecido que uma ferramenta para aumentar a qualidade de corte era através do aumento da constrição do arco evitando-se o duplo arco. No processo plasma com injeção de água, a água é injetada radialmente no arco de maneira uniforme como mostrado na figura 3.15. A injeção de água no arco contribui para um maior grau de constrição do arco atuando como se fosse um segundo bico de corte. As temperaturas do arco nesta região são estimadas em aproximadamente em 50.000°K, ou seja, nove vezes a temperatura da superfície do sol ou ainda duas vezes a temperatura do arco plasma convencional. Como resultado final destas altas temperaturas, tem-se um grande aumento do esquadrejamento do corte, da velocidade de corte e eliminação da escória para corte de aço Carbono. Figura 3.15 - Corte Plasma com injeção de água g) Corte Plasma com Oxigênio O corte plasma com injeção de Oxigênio contornou o problema da vida útil do eletrodo pelo uso de Nitrogênio como gás de plasma com a injeção de Oxigênio abaixo da saída do bocal, como mostrado na figura 3.20. 16 Processos de Fabricação Corte a Plasma Figura 3.20 - Plasma com injeção de Oxigênio Este processo é usado exclusivamente para aço Carbono e tem como conseqüência um pequeno aumento na velocidade de corte, contudo, algumas desvantagens são notadas, como uma deficiência no esquadrejamento do corte, excesso de material removido, pequena vida útil do bocal e limitações quanto ao metal a ser cortado (aço Carbono). Em alguns locais onde este processo foi usado, o pequeno aumento na velocidade de corte associado às desvantagens citadas não justifica um investimento extra em um novo tipo de tocha. 17 Processos de Fabricação VII. Corte a Plasma Conclusão Ao fim desta revisão, tornou-se claro que o processo Plasma teve um assombroso progresso nos últimos 35 anos, particularmente nos últimos 5 anos. Atualmente três tendências principais devem ser observadas: 1. O mercado para unidades portáteis abaixo de 200 Ampéres continuará a se expandir. 2. O mercado para máquinas de corte e robôs continuará necessitando de alta qualidade de corte e tolerâncias cada vez menores para o processo plasma. 3. Pesquisas e desenvolvimentos nas partes consumíveis e tochas continuarão constantemente estendendo a vida útil dos mesmos e aumentando a qualidade de corte. VIII. Referências Bibliográficas http://www.azdoctips.com/doc/3970065/Aula-64-Corte-plasma www.infosolda.com.br,2004 http://www.baw.com.br/images/products/sup_3_Artigo_Corte_Plasma.pdf 18