Procedimiento para el corte por plasma de una pieza de trabajo mediante un sistema de corte por plasma y corriente pulsante.

Procedimiento para el corte por plasma de una pieza de trabajo (5) mediante un sistema de corte por plasma, que comprende una fuente de corriente de plasma

(1) y una antorcha de plasma (4), que presenta un electrodo (4.1) y una boquilla (4.2), que tiene una pequeña distancia del electrodo (4.1) a un extremo inferior de la antorcha de plasma (4) a fin de formar en medio una cámara de plasma (4.7),

caracterizado porque

una corriente I generada por la fuente de corriente de plasma (1) y que fluye a través de la antorcha de plasma (4), sólo al menos 1 s tras alcanzar un valor medio aritmético predeterminado para el corte por plasma, de forma orientada o controlada, oscila alrededor de este valor medio para la pulsación con una frecuencia f libremente seleccionable en el rango de 0,1 Hz a 500 Hz.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/DE2010/001119.

Solicitante: KJELLBERG FINSTERWALDE PLASMA UND MASCHINEN GMBH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: Oscar-Kjellberg-Strasse 20 03238 Finsterwalde ALEMANIA.

Inventor/es: KRINK,VOLKER, IRRGANG,GERHARD, FRIEDEL,JENS, OLLMANN,JENS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > MAQUINAS-HERRAMIENTAS; TRABAJO DE METALES NO PREVISTO... > SOLDADURA SIN FUSION O DESOLDEO; SOLDADURA; REVESTIMIENTO... > B23K10/00 (Soldadura o corte mediante un plasma)

PDF original: ES-2456892_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Procedimiento para el corte por plasma de una pieza de trabajo mediante un sistema de corte por plasma y corriente pulsante.

La presente invención se refiere a un procedimiento para el corte por plasma de una pieza de trabajo mediante un sistema de corte por plasma según el preámbulo de la reivindicación 1 (véase, por ejemplo, el documento US 6 274 841) .

Como plasma se designa un gas térmicamente muy calentado, eléctricamente conductor que se compone de iones positivos y negativos, electrones, así como átomos y moléculas excitados y neutros.

Como gas de plasma se usan diferentes gases, por ejemplo, el argón monoatómico y/o los gases diatómicos hidrógeno, nitrógeno, oxígeno o aire. Estos gases se ionizan y disocian por la energía de un arco eléctrico. El arco eléctrico estrechado por una boquilla se designa luego como chorro de plasma.

El chorro de plasma se puede ver fuertemente influido en sus parámetros por la forma de la boquilla y el electrodo. Estos parámetros del chorro de plasma son, por ejemplo, el diámetro de chorro, la temperatura, densidad de energía y la velocidad del flujo del gas.

Durante el corte por plasma, por ejemplo, el plasma se estrecha por una boquilla que puede estar refrigerada por gas o agua. De este modo se pueden conseguir densidades de energía de hasta 2x106 W/cm2. En el chorro de plasma se originan temperaturas de hasta 30.000 ºC que en conexión con la elevada velocidad del flujo del gas producen velocidades de corte muy elevadas en los materiales.

Las instalaciones de corte por plasma se componen en general al menos de una fuente de corriente, una antorcha de plasma y un suministro de gas.

Debido a la elevada carga térmica de la boquilla, ésta se fabrica en general de un material metálico, preferentemente de cobre debido a su elevada conductividad eléctrica y conductividad térmica. Lo mismo es válido para el porta-electrodos, pero que también puede estar fabricado de plata. La boquilla se usa luego en una antorcha de plasma, cuyos componentes principales son un cabezal de la antorcha de plasma, una caperuza de boquilla, una pieza de guiado del gas de plasma, una boquilla, un soporte de boquilla, una recepción del electrodo, un porta-electrodos con inserto de electrodo y en las antorchas de plasma modernas un soporte de caperuza de protección de la boquilla y una caperuza de protección de la boquilla. El porta-electrodos fija un inserto de electrodo puntiagudo de wolframio que es apropiado para el uso de gases no oxidantes como gas de plasma, por ejemplo una mezcla de argón e hidrógeno. Un así denominado electrodo plano, cuyo inserto de electrodo está hecho, por ejemplo, de circonio o hafnio, también es apropiado para el uso de gases oxidantes como gas de plasma, por ejemplo aire u oxígeno. Para gases de plasma que contiene oxígeno se puede usar circonio. Sin embargo, debido a sus propiedades térmicas mejoradas es más apropiado el hafnio dado que su óxido es más resistente a la temperatura.

Para conseguir una elevada vida útil para la boquilla y el electrodo, se refrigera con frecuencia con un líquido, por ejemplo agua, pero también se puede refrigerar con un gas.

En este sentido se diferencia entre antorchas de plasma refrigeradas por líquido y refrigeradas por gas.

Para conseguir una elevada vida útil del electrodo, el material de alta temperatura se introduce como inserto de emisión en el soporte que luego se refrigera. El tipo más efectivo de refrigeración es la refrigeración por líquido. El arco eléctrico se forma entre el inserto de emisión del electrodo y la boquilla y/o la pieza de trabajo a cortar. Durante el funcionamiento el inserto de emisión se desgasta gradualmente y se perfora un agujero en el electrodo. Siempre se llega de nuevo a que el arco eléctrico también pase al porta-electrodos y lo destruya. Esto ocurre especialmente luego cuando el inserto de emisión está quemado más profundamente de 1 mm. Por consiguiente entonces se destruye todo el electrodo y se debe cambiar.

Las fuentes de corriente usadas para el corte por plasma son predominantemente fuentes de corriente continua con curva característica fuertemente descendente o curva característica de corriente constante. De este modo las oscilaciones de la tensión de corte provocadas de forma condicionada por el procedimiento no repercuten o sólo poco en la corriente de corte. Estas oscilaciones se provocan, por ejemplo, por diferentes distancias de la antorcha a la pieza de trabajo, por oscilaciones en el suministro de gas y por el desgaste de los componentes de la antorcha de plasma.

Ejemplos para fuentes de corriente con curva característica fuertemente descendente son transformadores de campo dispersión o de núcleo de dispersión con rectificador postconectado. Aquí se genera la característica descendente por la disposición de las bobinas del transformador.

En las modernas fuentes de corriente continua, la curva característica de corriente constante se realiza mediante la regulación de la corriente de corte con la ayuda de componentes electrónicos de potencia, por ejemplo, tiristores y transistores.

Básicamente se puede diferenciar aquí en fuentes de corriente conmutadas por la red y en fuentes de corriente con frecuencia aumentada.

Como fuentes de corriente conmutadas por la red se designan aquellas cuyo tiempo de intervención de la regulación se determina por la frecuencia de la tensión de la red de alimentación de corriente y su paso por cero. Una variante es un transformador con un rectificador postconectado controlado por tiristores. El tiempo de intervención mínimo posible de la regulación en el rectificador es según la variante de conexión entre 6, 6 ms en una conexión de puente de 3 pulsos y 1, 6 ms en una conexión de puente de 12 pulsos.

Las fuentes de corriente con frecuencia aumentada disponen de tiempos de intervención esencialmente menores de la regulación, dado que la frecuencia es claramente mayor que la frecuencia de la tensión de red. Aquí los tiempos de intervención se sitúan según la frecuencia de la fuente de corriente entre 100 μs y 5 μs.

Una variante se compone de un transformador, un rectificador de diodos no regulado y un interruptor de transistor postconectado, designado también como chopper, que regula la corriente. Otra variante, designada frecuentemente como inversor, se compone de un rectificador de diodos no regulado, un convertidor, un transformador y un rectificador de diodos. Como frecuencia para el chopper y el convertidor se usa una frecuencia entre 10 y 200 kHz.

Según el estado de la técnica se necesita, aparte de ruidos no deseados, pero inevitables, o de armónicos indeseados, una corriente continua lo más lisa posible para una buena calidad de corte y una larga vida útil de las piezas de desgaste de la antorcha de plasma. Para ello la mayoría de las veces se conectan componentes inductivos (bobinas de inductancia) en el circuito de la corriente de corte para reducir la ondulación que se provoca por la red de corriente y los procesos de conmutación de la fuente de corriente.

Las fuentes de corriente que trabajan con frecuencia más elevada pueden regular, al contrario que las fuentes de corriente conmutadas por la red, la ondulación de la corriente continua provocada por la frecuencia de la tensión de red, dado que la frecuencia de la fuente de corriente es claramente mayor que la frecuencia de la tensión de red. Con frecuencia tales fuentes de corriente sólo están a disposición en potencia limitada, por ejemplo 10 a 20 kW. Por ello se conectan en paralelo varias fuentes de corriente. También se pueden conectar en paralelo fuentes de corriente conmutadas por la red con fuentes de corriente con frecuencia aumentada.

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Reivindicaciones:

1. Procedimiento para el corte por plasma de una pieza de trabajo (5) mediante un sistema de corte por plasma, que comprende una fuente de corriente de plasma (1) y una antorcha de plasma (4) , que presenta un electrodo (4.1) y una boquilla (4.2) , que tiene una pequeña distancia del electrodo (4.1) a un extremo inferior de la antorcha de plasma (4) a fin de formar en medio una cámara de plasma (4.7) ,

caracterizado porque una corriente I generada por la fuente de corriente de plasma (1) y que fluye a través de la antorcha de plasma (4) , sólo al menos 1 s tras alcanzar un valor medio aritmético predeterminado para el corte por plasma, de forma orientada o controlada, oscila alrededor de este valor medio para la pulsación con una frecuencia f libremente seleccionable en el rango de 0, 1 Hz a 500 Hz.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la frecuencia f libremente seleccionable se sitúa en el rango de 30 Hz a 500 Hz, preferentemente de 35 Hz a 500 Hz, especialmente preferentemente de 55 Hz a 400 Hz.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la corriente de corte pulsante IS oscila con al menos un valor pico Imin y/o Imax libremente seleccionables en el rango del 5% al 70%, preferentemente del 10% al 50%, alrededor de su valor medio aritmético Im.

4. Procedimiento según la reivindicación 2 o 3, caracterizado porque la desviación mínima de un valor pico Imax y/o Imin del valor medio aritmético Im de la corriente de corte IS es de 5 A, preferentemente 10 A y más preferentemente 20 A.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque la desviación máxima de un valor pico Imax y/o Imin del valor medio aritmético Im de la corriente de corte IS es de 200 A, preferentemente 100 A.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque la cantidad de la velocidad de variación de corriente dI/dt máxima de la corriente de corte IS es de 400 A/ms y/o la cantidad de la velocidad de variación de corriente dI/dt mínima de la corriente de corte IS es de 2 A/ms.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque el factor de trabajo D = tImax/T de la corriente de corte IS se sitúa entre 0, 1 y 0, 9, preferentemente entre 0, 3 y 0, 7.

8. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la frecuencia f libremente seleccionable se sitúa en el rango de 0, 1 Hz a 30 Hz, preferentemente de 0, 1 Hz a 29 Hz, especialmente preferentemente de 0, 1 Hz a 20 Hz.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque cada pulso de corriente de corte de la corriente de corte IS pulsante presenta una duración de nivel bajo tImin y una duración de nivel alto tImax, siendo válido:

tImin + tImax = T,

con duración del periodo T = 1/f

y tImin o tImax < 25% de la duración del periodo T,

preferentemente tImin o tImax < 15% de la duración del periodo T.

10. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque cada pulso de corriente de corte de la corriente de corte IS pulsante presenta una duración de nivel bajo tImin y una duración de nivel alto tImax, siendo válido:

tImin + tImax < T,

duración del periodo T = 1/f

y

tImin +tImax < 50% de la duración del periodo T,

preferentemente tImin + tImax < 30% de la duración del periodo T.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el valor medio aritmético de la tensión de corte presenta un valor en el rango de 90 V a 250 V, preferentemente en el rango de 120 V a 220 V.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el flujo volumétrico del gas de plasma (PG) se mantiene constante.

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el electrodo (4.1) es un electrodo plano.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gas de plasma (PG) se pone en rotación en la cámara de plasma (4.7) .

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se usa un gas de plasma (PG) que contiene oxígeno.

16. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el valor medio aritmético de la corriente de corte IS presenta un valor en el rango de 25 A a 500 A.