EQUIPOS Y TECNOLOGÍAS PARA CORTE DE CHAPA

Entre aquellos procesos no convencionales cuyo campo de aplicación es principalmente el corte de chapa, se puede realizar una particular clasificación que nos lleva a englobar muchos de ellos (90% de las aplicaciones industriales) en un sólo grupo denominado procesos de corte por chorro (beam cutting processes). En estos procesos, la herramienta se sitúa en dirección perpendicular a la superficie de la chapa. El chorro incide en esta dirección y corta la chapa. La naturaleza del chorro determina una segunda clasificación de los diferentes procesos de corte por chorro:

• Aquellos procesos que utilizan la acción mecánica directa, ya sea de un único material o combinándolo con abrasivos, para incidir sobre el material a cortar, se denominan procesos de corte por chorro mecánico (mechanical beam processes). Se utilizan cuando no pueden emplearse técnicas tradicionales debido a la dureza del material, a su extrema fragilidad o, principalmente, cuando pueden resultar dañados si se mecanizan por procesos eléctricos o térmicos (sensibilidad a altas temperaturas). Cabe citar, dentro de los procesos de esta naturaleza, el corte por chorro de agua con o sin abrasivos (waterjet machining, WJM y abrasive waterjet machining, AWJM) y el corte por chorro de aire con abrasivos (abrasive jet machining, AJM).

• Cuando la separación del material se debe principalmente al efecto de las altas temperaturas localizadas sobre una pequeña zona de material, estamos ante los procesos de corte por chorro térmicos. Tienen un amplio campo de aplicación, y ocupan un segmento cada vez mayor del mercado. Esto se debe en parte, no sólo al incremento en el número de máquinas, sino también a la diversidad de fuentes de energía utilizadas para provocar el aumento térmico localizado. El oxicorte (flame or oxygen-flame cutting), el arco de plasma (plasma arc system) y el láser (laser beam cutting) son los principales procesos aplicables a la chapa. El corte por haz de electrones (electron beam cutting) pertenece también a este tipo de procesos, pero no está indicado para el corte 2D de chapa, sino más bien para mecanizado de precisión en el taladrado de pequeños agujeros, grabado, tratamientos térmicos, etc.

Un parámetro crítico que presentan todos éstos procesos alrededor de la línea de corte es la zona afectada térmicamente (ZAT) alrededor de la línea de corte. Actualmente existen trabajos encaminados a reducir dicha zona, no sólo controlando los parámetros de corte sino mejorando y/o ensayando nuevas tecnologías. En el corte por láser se reducen significativamente las anchas zonas ZAT que presentan procesos como el plasma o el oxicorte (1-4 mm), alcanzándose en condiciones óptimas y utilizando procesos como el láser, valores de 0.1 mm. Esta disminución de la ZAT, en ciertos procesos térmicos, redunda en la posibilidad de cortar materiales sensibles al calor como plásticos, telas, etc. aumentando sensiblemente su campo de aplicación.

El proceso fue desarrollado completamente en el siglo XX y sus primeras aplicaciones se llevaron a cabo en Europa. No obstante, su total desarrollo hasta lo que hoy conocemos por oxicorte se produjo en Estados Unidos durante el primer cuarto del siglo XX.

El proceso de oxicorte, al contrario de lo que pueda parecer, no consiste en una fusión del metal, el corte se produce por una literal combustión del mismo. En otras palabras al cortar quemamos el metal a medida que avanzamos con el soplete. Por esta razón, la presencia de aleantes se hace crítica, ya que merman la capacidad del acero a ser quemado.

Para que se produzca una reacción de combustión son necesarios tres requisitos; presencia de combustible (a su temperatura de ignición), presencia de comburente (en una mínima proporción), y un agente iniciador. En el proceso de oxicorte, el combustible es el Fe, el comburente el O2, y el agente iniciador la llama del soplete. En condiciones normales, aunque apliquemos un agente iniciador a una pieza de acero, ésta no arde espontáneamente por dos motivos; el Fe contenido no está a su temperatura de ignición (aproximadamente 870°C) y el O2 atmosférico no es lo suficientemente puro (el O2 atmosférico se encuentra en una proporción del 20% y la proporción mínima necesaria para quemar el Fe es un 87%).

El soplete de corte juega tres papeles distintos: llevar el Fe contenido en el acero a su temperatura de ignición, aportar una atmósfera envolvente con una proporción mayor que la mínima necesaria en O2 y, por último, generar el agente iniciador.

Para lo primero el soplete de corte utiliza parte del O2 disponible para mezclarlo con el gas combustible y así crear la llama de precalentamiento formada por un anillo de llamas en la boquilla de corte. La llama de precalentamiento puede alcanzar temperaturas entre 2.425°C y 3.320°C dependiendo del tipo de gas utilizado y la riqueza de O2 en la mezcla. La proporción de O2 y gas en la mezcla para el precalentamiento se controla a través de las dos válvulas que incorpora el soplete. Con la llama de precalentamiento bien ajustada, se acerca ésta a la pieza a cortar hasta que se alcanza la temperatura de ignición. Una vez alcanzada ésta, el metal se torna en un color naranja brillante y pueden verse algunas chispas saltar de la superficie.

Fig. 1.- Cuatro sopletes trabajando simultáneamente
sobre la misma chapa (ARGON)

En este momento debe ser accionada la palanca del soplete para permitir la salida por el orificio central de la boquilla de un chorro de O2 puro (llamado chorro de corte) (figura 1). Así se consigue enriquecer en O2 la atmósfera que rodea la pieza precalentada para que sea posible la combustión.

Inmediatamente, y gracias a la presencia de la llama de precalentamiento que actúa también como agente iniciador, comienza la reacción exotérmica de combustión del Fe, que nos llevará finalmente al corte de la pieza. Como toda combustión, la reacción de oxidación del Fe es altamente exotérmica, y precisamente esa enorme cantidad de energía desprendida en la reacción ayuda a llevar las zonas colindantes a la temperatura de ignición, y poder así progresar en la acción del corte.

El óxido resultante de la combustión fluye constantemente por la ranura, cuyas paredes calienta propagando la reacción de combustión. Para obtener cortes limpios y económicos, es conveniente no utilizar presiones de O2 demasiado elevadas. A menudo los fabricantes de máquinas de oxicorte suministran tablas tecnológicas con los valores más recomendados de presión, velocidad de corte, etc. en función del espesor del material a cortar (tabla 1).

En algunos casos, las tablas incluyen datos relativos a la sangría del corte (tabla 2) en función de la presión (proporcional al espesor), y del tipo de soplete utilizado (para chaflanes, de tipo doble o triple, etc.). Otras tablas aportan datos del consumo de los diferentes gases utilizados con la finalidad de poder determinar el coste de las operaciones de corte.

Tabla 2.- Valores recomendados para el proceso de oxicorte (SAF)

En la combustión del Fe, se observan las siguientes reacciones químicas estequiométricamente igualadas:

1ª reacción:
2 Fe + O2 3v4 u 2 FeO + 128 kcal
2ª reacción:
3 Fe + 2 O2 3v4 u Fe3O4 + 268 kcal
3ª reacción:
4 Fe + 3 O2 3v4 u 2 Fe2O3 + 394 kcal

Para poder comparar las tres reacciones, debemos tomar las tasas de calor liberado por kg de Fe, que son respectivamente: 1.142 kcal, 1.598 kcal y 1.762 kcal. Aunque la tercera ecuación es la más exotérmica, y por tanto, parece ser la más espontánea (teóricamente lo es), en la práctica no es la reacción predominante puesto que la cantidad de O2 necesaria para quemar 1 kg de Fe siguiendo cada una de las reacciones es respectivamente: 200, 267 y 300 l. Por tanto, la práctica nos muestra que mientras la tercera reacción solamente se da en el oxicorte de grandes secciones (donde se aplica un abundante chorro de O2 de corte), la primera y la segunda son mucho más comunes.

A medida que el Fe va siendo oxidado y se forman sus óxidos correspondientes, éstos, y parte del Fe de la pieza, se van fundiendo por la acción térmica en juego y van siendo expulsados por la acción física del chorro de O2. La propiedad de los óxidos de Fe de fundir a temperaturas semejantes al Fe atómico hace posible el fenómeno del oxicorte. Esta propiedad es excepcional, puesto que la mayoría de los metales funden a temperaturas menores que sus óxidos. Precisamente por éste motivo metales como el Al, Mg o Cr no pueden ser cortados por este proceso dado que sus óxidos funden a una temperatura mucho mayor que su fase atómica.

Es por ello que la aplicación fundamental de oxicorte, y para la cual está diseñado, es el corte de aceros de bajo contenido en Carbono (normalmente entre 0,1% y 0,3%) y bajo contenido en aleantes. La presencia en altas concentraciones de los aleantes normalmente presentes en el acero afecta a la capacidad del proceso de cortar el metal. Elementos como el Mn, Si, P y S, afectan poco a esta capacidad cuando están presentes en concentraciones normales. Por otra parte, elementos como el Cr, Ni, Mo, y por supuesto el C, reducen la capacidad de corte del O2 existiendo algunos límites a partir de los cuales el corte no es posible: 5% para el Cr, 7% para el Ni, etc.

Antes de intentar cortar una chapa mediante oxicorte, deben tenerse en cuenta los elementos aleantes contenidos en su material, sus combinaciones, exactamente igual a como debe hacerse antes de aplicar un tratamiento térmico o un endurecimiento a la llama. Todos los metales deben examinarse, no solamente desde el punto de vista de los aleantes que contienen, sino también de las propiedades que las combinaciones que dichos aleantes tienen.

La principal función de la llama de precalentamiento es llevar la pieza hasta la temperatura de ignición, que como se ha mencionado anteriormente es de aproximadamente 870°C. No obstante, la llama de precalentamiento tiene otras funciones:

Tal y como se ha explicado anteriormente, es obvio que el O2 de corte juega un papel principal durante la operación de corte. Su pureza debe ser del 99,5% o superior. Una pérdida de pureza de un 1% implica una pérdida de velocidad de avance de aproximadamente un 25% y a su vez incrementa el consumo de O2 en aproximadamente un 25%. Con una pureza de O2 de un 95% la acción de corte por oxidación es imposible de conseguir y se transforma en una acción de fusión y limpieza.

Para conseguir la mejor calidad en el corte, siempre deben observarse las recomendaciones del fabricante de los equipos de corte referentes a:

Existen muchas aplicaciones de oxicorte en las que no se requiere estos niveles de calidad y normalmente se aceptan cortes más bastos. Este es el caso más general en el que la superficie del corte va a ser cubierta con soldadura, escondida dentro de la pieza a fabricar o cubierta con pintura. Si la calidad que se le exige al corte no es la máxima, la velocidad de avance puede ser, en muchos casos, incrementada.

La máquina de oxicorte consta de un pórtico sobre el que se monta el soplete, de forma que su velocidad de desplazamiento es constante y se mantiene invariablemente a la altura e inclinación correctas, condiciones esenciales para obtener cortes limpios y económicos. Normalmente se controlan también las presiones de todos los gases. La mayoría de la máquinas-herramienta de este tipo incorporan la posibilidad de utilizar también sopletes de plasma, los cuales se montan sobre el pórtico de igual forma que los de oxicorte, pero acoplándolos ahora a los distintos gases que requiere el plasma.

Fig. 2.- Máquina de oxicorte (Oxiser). Detalle del pórtico con varios sopletes

Hay muchos modelos de máquinas de oxicorte, desde la máquina portátil, que se apoya y se desplaza sobre la chapa, hasta la máquina fija (figura 2), con una o varias cabezas de corte, capaces de cortar chapas de espesores muy diversos. Todavía hoy en día, es habitual ver máquinas que utilizan un dispositivo de lectura o copiador óptico que va siguiendo el contorno de la/s pieza/s a cortar dibujadas sobre un plano fijado sobre una mesa incorporada a la máquina. No obstante, cada día es más común la incorporación del control numérico (CN) a la máquina de oxicorte, de tal forma que la geometría y los parámetros tecnológicos se introducen en el CN en forma de un programa codificado. La instalación de una máquina de oxicorte, aún dotada de control numérico, no es muy costosa si se compara con cualquier otra máquina-herramienta.

Tanto con el uso de los copiadores ópticos como del CN, el oxicorte permite realizar todo tipo de cortes rectilíneos y curvos sobre chapas de acero de cualquier espesor, o sobre perfiles, tubos, etc. Pueden cortarse en buenas condiciones chapas superpuestas, incluso muy delgadas, si están bien sujetas unas contra otras. Cuando el soplete está bien regulado (presión, mezcla y velocidades adecuadas), los cortes son uniformes y presentan buen aspecto; basta un posterior y sencillo desbarbado para obtener un acabado aceptable. Aunque depende de la aplicación, frecuentemente se dejan los bordes tal como quedan después del corte.

Los procesos de corte por chorro presentan, de forma similar a lo que sucede en otros procesos como el mecanizado por arranque de material, unos parámetros tecnológicos críticos que son necesarios controlar para obtener los acabados superficiales y las tolerancias dimensionales requeridas. Para los procesos menos extendidos como el láser y el corte por agua, cabe decir que todavía hoy se siguen probando nuevas combinaciones de parámetros tecnológicos en función de aquellos materiales (ya sean nuevos o mejorados) susceptibles de ser cortados por estos métodos.

En cuanto al oxicorte e incluso el corte por plasma, adecuados para la mayoría de los aceros de construcción, aceros de fundición y aceros aleados (incluso inoxidables), son procesos relativamente sencillos con pocas variables a controlar. A pesar de ello, el número de empresas que optimizan realmente esas pocas variables (parámetros tecnológicos) es muy reducido, creando una falsa idea de que son procesos donde no se pueden conseguir buenos acabados ni mucho menos pequeñas tolerancias (del orden de 1 mm).

Las imprecisiones dimensionales pueden ser debidas a trayectorias de corte erróneas, a movimientos de la chapa o de las piezas durante el corte o a tensiones residuales en la chapa. Los defectos que se puedan corregir durante la programación del CN, utilizando trayectorias idóneas como por ejemplo insertando puentes en los perfiles de las piezas durante el corte, controlando el sentido de recorrido (figura3), etc., serán tratados en el apartado siguiente. En otros casos se recurre a técnicas externas a la programación, realizándose el enfriamiento de la ZAT con aire frío inmediatamente después del corte cuando la chapa aún presente tensiones residuales, utilización del plasma en mesas de agua, control de las presiones y caudales de los gases, etc.

Fig. 3.- Influencia del sentido de recorrido de las trayectorias en la calidad del corte

Todos los problemas y defectos que se citan a continuación, incluyendo sus causas y sus posibles soluciones, han sido preparados no sólo gracias a la literatura existente, sino también teniendo en cuenta la experiencia de usuarios y, sobre todo, de fabricantes de máquinas de oxicorte y plasma.

La calidad de la superficie del corte para la fabricación de estructuras metálicas viene recomendada por la norma DIN 2310, y recientemente, por el proyecto de norma europeo EN 1090-1-1993. En la figura 4 se muestra una parte de esta norma, correspondiente al acabado del corte, en la que se indica como deben controlarse la desviación angular de la superficie de corte (en la dirección del chorro) y la profundidad de las estrías o marcas en el sentido de recorrido (dirección de avance del corte). La norma establece también que ambos requisitos pueden suavizarse si las chapas o componentes estructurales se van a soldar en la superficie del corte.

Fig. 4.- Detalle de la norma europea EN 1090-1-1993 referente al acabado
de las superficies de corte para estructuras metálicas

Los distintos errores observados por causas tecnológicas, se pueden clasificar en función del daño o defecto causado en la chapa. Esta clasificación se establece con la finalidad de reconocer sus causas y posibilitar su posterior remedio. Debe hacerse notar que los errores son de tipo individual, es decir, debidos principalmente a un sólo parámetro, pero la combinación de varios de ellos puede dar lugar a contradicciones en los pronósticos de las causas que los originaron. También debe considerarse que para la elaboración de los defectos aquí listados no se han tenido en cuenta causas externas al proceso, como vibraciones de la propia máquina o de otras máquinas próximas en el taller, etc. Se asume además que el O2 empleado es de pureza estándar industrial.

Fig. 5.- Defectos propios de la arista superior del perfil cortado (Messer)

Todas las desviaciones e irregularidades de la superficie ideal de corte se definen de acuerdo a la distancia entre dos planos paralelos, separados por la sangría y creados por contacto entre la llama y los puntos superior e inferior de la chapa sobre el perfil de corte. Teóricamente, el ángulo correcto de la chapa con la superficie cortada debe ser de 90º, de forma que la sangría debe permanecer constante a lo largo de todo el espesor de la chapa.

Fig. 6.- Defectos en la superficie de la pieza cortada: Irregularidades (Messer)

La separación y dirección de las líneas de marcado, forman un patrón que delata cómo se está realizando el proceso. Las normas DIN 2310 y EN 1090-1-993, detallan cual debe ser el patrón de marcado ideal y qué profundidad pueden tener las marcas. El patrón ideal debe tener las marcas formando ángulo recto con el borde superior del corte y una pequeña desviación hacia atrás en el sentido de la marcha, con el borde inferior. Cualquier desviación, tanto en la dirección de las líneas de marcado cómo en la profundidad, denotará un mal empleo de alguno de los parámetros.

Fig. 7.- Defectos en la superficie del corte: Marcado (Messer)

Son defectos caracterizados por la pérdida de continuidad del corte, produciendo defectos de separación, total o parcial, entre las superficies de corte.

Fig. 8.- Defectos en la superficie de corte: Cortes Incompletos (Messer)

Los depósitos de escoria en la parte inferior o central de la superficie del corte son un defecto muy perjudicial para el proceso puesto que sólo pueden ser eliminados con dificultad.

Fig. 9.- Defectos por adhesión de escoria (Messer)

Fig. 10.- Defectos de agrietamiento (Messer)

Normalmente los fabricantes de máquinas de corte, controles numéricos e incluso los suministradores de los gases, elaboran tablas que resumen las causas y los defectos más comunes. En ocasiones, estas tablas de "consejos prácticos" llegan a establecer causas de distinto orden de magnitud para un mismo tipo de fallo, transformándose en auténticos manuales de usuario.

Todos los problemas mencionados hasta el momento tienen que ver con parámetros tecnológicos en los que no interviene directamente la generación de trayectorias. Con controles numéricos que permiten programar la velocidad de corte, la presión de los gases, e incluso la distancia de la boquilla a la chapa (sistema de control de distancia con palpador), se solucionan fácilmente y no supondrán ninguna dificultad a la hora de la programación automática utilizando un sistema CAD/CAM.

Sin embargo, los problemas que se presentan en el siguiente capítulo sí requieren una programación específica, y actualmente sólo se pueden abordar con éxito cuando se dispone de un sistema CAM muy especializado.