corte plasma

PlasmaEng Roberto Joaquim Eng Jos Ramalho

INTRODUO Usualmente o plasma definido como sendo o quarto estado da matria. Costuma-se pensar normalmente em trs estados da matria sendo eles o slido, lquido e gasoso. Considerando o elemento mais conhecido, a gua, existem trs estados: o gelo, gua e vapor. A diferena bsica entre estes trs estados o nvel de energia em que eles se encontram. Se adicionarmos energia sob forma de calor ao gelo, este transforma-se em gua, que sendo submetida a mais calor, vaporizar. (Figura 1).

Figura 1 - Plasma, o quarto estado da matria

Porm se adicionarmos mais energia, algumas de suas propriedades so modificadas substancialmente tais como a temperatura e caractersticas eltricas.

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Este processo chamado de ionizao, ou seja a criao de eltrons livres e ons entre os tomos do gs.

Quando isto acontece, o gs torna-se um "plasma", sendo eletricamente condutor, pelo fato de os eltrons livres transmitirem a corrente eltrica. Alguns dos princpios aplicados conduo da corrente atravs de um condutor metlico tambm so aplicados ao plasma. Por exemplo, quando a seco de um condutor metlico submetido a uma corrente eltrica reduzida, a resistncia aumenta e torna-se necessrio aumentar-se a tenso para se obter o mesmo nmero de eltrons atravessando esta seco, e consequentemente a temperatura do metal aumenta. O mesmo fato pode ser observado no gs plasma; quanto mais reduzida for a seco, tanto maior ser a temperatura. DESENVOLVIMENTO DOS PROCESSOS A ARCO PLASMA Em 1950, o processo TIG estava fortemente implantado como um novo mtodo de soldagem para soldas de alta qualidade em metais nobres. Durante a pesquisa e desenvolvimento do processo TIG, cientistas do laboratrio de solda da Union Carbide descobriram que ao reduzir consideravelmente o dimetro do bocal direcionador de gs da tocha TIG, as propriedades do arco eltrico poderiam ser bastante alteradas. A reduo do dimetro do bocal constringia o arco eltrico, aumentando a velocidade do gs e o seu calor por efeito Joule. A temperatura e a tenso do arco cresceram dramaticamente, e a fora do gs ionizado removeu a poa de fuso em alta velocidade. Ao invs de soldar, o metal foi cortado pelo arco plasma.


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Figura 2 - Temperaturas do arco TIG e jato Plasma Na figura 2, os dois arcos esto operando em 200 Ampres. O jato plasma apenas moderadamente constringido ( do orifcio do bocal = 4.8 mm), mas operado com o dobro da tenso e produz um plasma muito mais quente que o arco correspondente ao TIG. Se a mesma corrente forada a passar atravs do orifcio, com os mesmos parmetros operacionais, a tenso e temperatura aumentam. Ao mesmo tempo uma maior energia cintica do gs sai do bocal, ejetando o metal fundido provocando assim o corte. O arco do plasma foi consideravelmente mais quente que o arco TIG, conforme mostrado na figura acima. Essas altas temperaturas foram possveis em funo do alto suprimento de gs no bocal da tocha plasma formar uma fria camada circular de gs no ionizado nas paredes do mesmo, permitindo um alto grau de constrio do arco. A espessura desta camada circular pode ser aumentada pela ao de rotao do gs de corte. A maioria das tochas plasma atuam no sentido de forar a rotao do gs para aumentar a constrio do arco e consequentemente aumentar a temperatura do arco. ARCO TRANSFERIDO E NO TRANSFERIDO O arco plasma pode ser transferido, quando a corrente eltrica flui entre a tocha plasma (ctodo) e a pea de trabalho (anodo); ou de modo no transferido quando a corrente eltrica flui entre o eletrodo e o bocal da tocha. Os dois modos de operao so mostrados na figura 3.


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Embora o calor do arco plasma emerja do bocal nos dois modos de operao, o modo transferido invariavelmente usado para corte uma vez que o "heat imput" utilizvel na pea de trabalho mais eficientemente aplicado quando o arco est em contato eltrico com a pea de trabalho.

Figura 3 - Plasma transferido e no transferido ALTERANDO AS CARACTERSTICAS DO ARCO PLASMA As caractersticas do arco plasma podem ser bastante alteradas pela mudana do tipo e vazo do gs corrente de corte, tenso do arco e dimetro do bico de corte. Por exemplo, se usado uma baixa vazo de gs, o jato plasma torna elevada a concentrao de calor na superfcie da pea, sendo ideal para soldagem. Em contrapartida se a vazo de gs suficientemente aumentada, a velocidade do jato plasma to grande que ejeta o metal fundido atravs da pea de trabalho. CORTE PLASMA CONVENCIONAL (1957) Introduzida em 1957 pela UNION CARBIDE, esta tcnica podia ser usada para cortar qualquer metal a velocidades de corte relativamente altas. A faixa de espessuras abrangida variava de chapas finas (0.5 mm) at chapas grossas (250 mm). A espessura de corte est diretamente relacionada com a capacidade de conduo de corrente da tocha e propriedades do metal. Uma tocha mecanizada com capacidade para 1000 Ampres pode cortar 250 mm de ao inoxidvel ou Alumnio.


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Contudo, na maioria das aplicaes industriais, a espessura de corte no ultrapassa 50 mm. Nesta faixa de espessuras, o corte plasma convencional usualmente alargado e tem a ponta circular. Cortes largos so o resultado de um desbalanceamento energtico na face de corte. Um ngulo positivo de corte resulta da dissipao do calor na superfcie da pea conforme a progresso do corte.

Figura 4 - Plasma convencional Este desbalanceamento do calor reduzido pelo posicionamento da tocha to prximo quanto possvel pea de trabalho e aplicao do princpio de constrio de arco como mostrado na figura acima. O aumento da constrio do arco tende a tornar o perfil do arco maior e mais uniforme, causando um corte mais reto. Infelizmente a constrio de arco com um bico convencional limitada pela tendncia de o aumento da constrio desenvolver dois arcos em srie (figura 5), sendo um entre o eletrodo e o bico e outro entre o bico e a pea de trabalho.


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Figura 5 - Formao de duplo arco Este fenmeno conhecido como "duplo arco" e desgasta o eletrodo e o bico de corte. O arco duplo limita severamente a extenso do corte plasma com qualidade. Desde a introduo do processo de corte plasma nos anos 50, vrias pesquisas tem sido realizadas com o objetivo de aumentar a constrio do arco, sem porm a criao do duplo arco. O corte plasma como descoberto, atualmente denominado como corte plasma convencional. Este pode ser largamente aplicado ao corte de vrios metais e diferentes espessuras. Por exemplo, se o corte plasma convencional usado para cortar ao inoxidvel, ao Carbono e Alumnio, necessrio a utilizao de diferentes gases e vazes para otimizao da qualidade de corte nesses trs tipos de metais. O corte plasma convencional predominou desde 1957 at os anos 70, e frequentemente requerendo dispendiosas misturas de Argnio e Hidrognio. ARCO PLASMA "DUAL FLOW" (1962) A tcnica dual flow foi desenvolvida em 1963. Esta tcnica envolve uma pequena modificao em relao ao plasma convencional. Este processo utiliza-se das mesmas caractersticas como no plasma convencional, neste caso porm adicionado um segundo gs de proteo ao redor do bico de corte. Usualmente, em operao dual flow o gs plasma o Nitrognio e o segundo gs de proteo selecionado de acordo com o metal a ser cortado.____________________________________________________________________________________ www.infosolda.com.br/download/62ddn.pdf

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Gases tpicos para uso so normalmente ar comprimido ou Oxignio para ao Carbono, dixido de Carbono (CO2) para aos inoxidveis e misturas de Hidrognio/Argnio para Alumnio. A velocidade de corte melhor para aos ao Carbono quando comparado ao plasma convencional, contudo, a qualidade de corte inadequada para algumas aplicaes. A velocidade e qualidade de corte em aos inoxidveis e Alumnio, essencialmente a mesma que no plasma convencional. A maior vantagem neste processo que o gs secundrio forma uma proteo entre o bico de corte e a pea de trabalho, protegendo o mesmo de curto-circuitos, como mostrado na figura 6, e reduzindo a tendncia de "duplo arco". O gs de proteo tambm protege a zona de corte aumentando a qualidade e velocidade de corte, alm de refrigerar o bico de corte e bocal da tocha.

Figura 6 - Plasma "Dual Flow" CORTE PLASMA COM AR COMPRIMIDO (1963) O corte plasma por ar comprimido surgiu no incio dos anos 60 para o corte de ao Carbono. O Oxignio presente no ar proporcionava uma energia adicional em aos ao Carbono proveniente da reao exotrmica com o ferro incandescente. Esta energia adicional aumenta a velocidade de corte em 25% sobre o plasma com Nitrognio.____________________________________________________________________________________ www.infosolda.com.br/download/62ddn.pdf

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Embora o processo possa ser usado para o corte de aos inoxidveis e Alumnio, a superfcie de corte nesses materiais fica mais fortemente oxidada e no aceitvel para algumas aplicaes (Figura 7).

Figura 7 - Corte plasma a ar comprimido O maior problema com o corte por ar comprimido a rpida eroso do eletrodo. Eletrodos especiais feitos de Zircnio, Hfnio ou ligas de Hfnio, so necessrios, uma vez que o eletrodo de Tungstnio desgasta-se em poucos segundos se o gs de corte conter Oxignio. Mesmo com a utilizao deste eletrodos especiais, a vida til dos mesmos consideravelmente menor que no processo plasma convencional. CORTE PLASMA COM PROTEO DE GUA (1965) O corte plasma com proteo de gua semelhante ao processo "dual flow", onde o gs de proteo secundrio substitudo por gua (Figura 8). O efeito de resfriamento provocado pela gua aumenta a vida til do bico de corte alm de melhorar significativamente a aparncia do corte, entretanto, o esquadrejamento e velocidade de corte permanecem constantes uma vez que a gua no prov uma constrio adicional do arco.


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Figura 8 - Corte plasma com proteo de gua ARCO PLASMA COM INJEO DE GUA (1968) No incio, estava estabelecido que uma ferramenta para aumentar a qualidade de corte era atravs do aumento da constrio do arco evitando-se o duplo arco. No processo plasma com injeo de gua, a gua injetada radialmente no arco de maneira uniforme como mostrado na figura 9. A injeo de gua no arco contribui para um maior grau de constrio do arco atuando como se fosse um segundo bico de corte. As temperaturas do arco nesta regio so estimadas em aproximadamente em 50.000K ou seja 9 vezes a temperatura da superfcie 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 eliminao da escria para corte de ao Carbono.


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Figura 9 - Corte Plasma com injeo de gua Um outro mtodo utilizado para constrio do arco plasma com gua o desenvolvimento de um redemoinho de gua em volta do arco. Com esta tcnica, a constrio do arco depende da velocidade angular necessria a produzir um redemoinho estvel de gua. A fora centrfuga criada pela alta velocidade de giro tende a achatar o filme aneliforme de gua contra o arco, consequentemente obtm-se uma menor constrio de arco que na injeo radial de gua (Figura 10).

Figura 10 - Direo de injeo da gua


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Ao contrrio do processo convencional descrito primeiramente, uma tima qualidade de corte com o plasma com injeo de gua obtida para todos os metais com apenas um tipo de gs - Nitrognio. A utilizao de apenas um gs torna o processo mais econmico e fcil de operar. Fisicamente o Nitrognio ideal por causa de sua superior habilidade em transferir calor do arco pea. O calor absorvido pelo Nitrognio quando dissociado transferido quando em contato com a pea de trabalho. A despeito das elevadas temperaturas no ponto em que a gua adicionada ao arco, menos de 10% da gua vaporizada. A gua restante sai atravs do bocal sob forma de um spray cnico, vindo a refrigerar a superfcie da pea. Este resfriamento adicional previne a formao de xidos na superfcie de corte e resfria o bico da tocha. A razo da constrio do arco na regio de injeo de gua a formao de uma camada isolada de vapor entre o jato plasma e a gua injetada, como mostrado na Figura 11.

Figura 11 - Camada de vapor de gua A vida til do bico de corte largamente aumentada com a tcnica de injeo de gua, porque a camada de vapor isola o mesmo da alta intensidade de calor proveniente do arco ao mesmo tempo que a gua protege e isola o bico do maior ponto de constrio do arco e de mxima temperatura. A proteo obtida pela camada de vapor d'gua tambm permite uma inovao no desenho do bocal: Este pode ser de cermica, consequentemente, o arco duplo, a maior causa da destruio do bico deixa de existir. Uma importante caracterstica das extremidades cortadas, que o lado direito do corte seja reto e o outro lado seja levemente chanfrado.____________________________________________________________________________________ www.infosolda.com.br/download/62ddn.pdf

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Este fenmeno no causado pela gua injetada, sendo resultado de uma pequeno redemoinho em sentido dos ponteiros do relgio no gs. Este giro causa uma maior energia de arco a ser despendido no lado direito do corte. A mesma dessimetria de corte pode ser observada no corte plasma convencional, quando h turbilhonamento do gs de plasma. Este fato acarreta em que sentido de corte deve ser adequadamente escolhido de modo a provocar um corte de ngulo reto em todas as faces da pea (Figura 12).

Figura 12 - Direo do corte Na figura 13, o anel mostra o lado de fora do corte feito na direo dos ponteiros do relgio, dando como resultado um corte reto no lado direito do corte. Similarmente o lado interno do corte feito esquerda para manter os bordos retos no lado interno do anel.


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Figura 13 - Direo de corte MUFLA DE GUA E TBUA DE GUA (1972) Desde que os processos por arco plasma possuem uma elevada concentrao de calor, acima de 50.000K, h alguns efeitos negativos inerentes ao processo: A altas correntes, o corte plasma gera um intenso nvel rudo, superior ao nvel normal nas reas de trabalho, requerendo proteo para os operadores. Fumaa e gases txicos em potencial desenvolvem-se em reas de trabalho, exigindo uma boa ventilao. A gerao de radiao ultravioleta, pode causar queimaduras na pele e olhos, requerendo o uso de vestimenta adequada e utilizao de culos escuros.

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Este grupo de efeitos garantiram ao processo plasma algumas crticas do ponto de vista de meio ambiente. Alguma coisa tinha que ser feita com relao a esse aspecto. Em 1972, foi introduzido pela Hyperterm dois sistemas de anti-poluio, sendo a mufla de gua e tbua de gua, que controlam os efeitos nocivos do processo plasma.


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Mufla d'gua O sistema de mufla d'gua cria uma camada protetora ao redor da tocha, produzindo os seguintes efeitos benficos quando usados com a tbua d'gua: O alto nvel de rudo do processo plasma substancialmente reduzido pela barreira criada pela gua. A fumaa e gases txicos so confinados na barreira d'gua, que acoplado a um sistema purificador, remove as partculas slidas. A claridade do arco reduzida a nveis que so menos perigosos aos olhos. Com uma colorao adequada, a radiao ultravioleta diminuda.

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Tbua de gua Trata-se de um reservatrio de gua localizado abaixo da pea a ser cortada, a qual, tem a finalidade de absorver grande parte do rudo e fumaa gerada nas operaes de corte.

CORTE SUBAQUTICO (1977) Desenvolvimentos na Europa com o objetivo de diminuir o nvel de rudo e eliminao da fumaa, levaram ao surgimento do corte plasma subaqutico. Este mtodo para fontes plasma acima de 100 Ampres tem se tornado to popular que atualmente muitos sistemas de corte plasma cortam sob gua. Para o corte subaqutico, a pea imersa sob 2 a 3 polegadas de gua, e a tocha plasma corta enquanto imersa. Como consequncia, o rudo, a fumaa e as radiaes do arco eltrico so drasticamente reduzidas. Um aspecto negativo neste mtodo que a pea no pode ser observada durante o corte e a velocidade de corte diminuda de 10-20%. Alm do fato do operador no determinar pelo som do arco se o processo de corte est se dando normalmente ou se as partes consumveis da tocha se desgastaram. Finalmente, no corte subaqutico, pequena quantidade de gua dissociada na zona de corte, provocando a formao de ons de Oxignio e Hidrognio.____________________________________________________________________________________ www.infosolda.com.br/download/62ddn.pdf

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O Oxignio tem a tendncia de se combinar com o metal fundido (principalmente em Alumnio e ligas leves) formando xidos, deixando Hidrognio livre dentro d'gua. Este Hidrognio forma bolsas sob a pea, que quando em contato com o jato plasma causa pequenas exploses. Em funo deste fato, a gua deve ser constantemente agitada quando do corte destes metais. CORTE SUBAQUTICO COM MUFLA Baseado na popularidade do corte subaqutico, foi desenvolvido em 1986 este tipo de corte, no qual injetado ar ao redor da tocha, estabelecendo uma bolha de ar onde o corte se processa. Este torna-se um corte subaqutico com injeo de ar, sendo mais frequentemente usado com Oxignio para cortes acima de 260 Ampres. O uso desta tcnica aumenta a qualidade e velocidade de corte.

CORTE PLASMA A AR COMPRIMIDO DE BAIXA CORRENTE (1980) Em 1980, os fabricantes de equipamentos introduziram no mercado, equipamentos usando ar como gs de plasma, particularmente para sistemas de baixa corrente. A Termal Dynamics (EUA) lanou o PAK3 e a SAF (Frana) introduziu o ZIP-CUT, as duas unidades foram um grande sucesso nos mercados Norte Americano e Europeu respectivamente. Este fato propiciou uma nova era para o corte plasma, aumentando em 50 vezes o mercado nos anos 80, surgindo novos fabricantes. A partir desta data, o corte plasma foi aceito como um novo mtodo para corte de metais, sendo considerado uma valiosa ferramenta em todos os segmentos da indstria metalrgica moderna. Com este novo alento, aumentou a competitividade na indstria de corte plasma, um grande nmero de inovaes tecnolgicas foram introduzidos, tornando o processo fcil de usar. O processo tornou-se muito mais confivel e operacional.


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A utilizao da tecnologia dos inversores melhorou as caractersticas do arco ao mesmo tempo que diminuiu as dimenses e peso dos sistemas. Outras evolues foram introduzidas como no caso do arco piloto por contato ("blow back" - retrao do eletrodo), eliminando a alta frequncia na tocha e tambm o anel injetor de ar que protege as partes frontais da tocha durante as operao de corte. CORTE PLASMA COM OXIGNIO (1983) O corte plasma com injeo de Oxignio contornou o problema da vida til do eletrodo pelo uso de Nitrognio como gs de plasma com a injeo de Oxignio abaixo da sada do bocal, como mostrado na figura 14.

Figura 14 - Plasma com injeo de Oxignio Este processo usado exclusivamente para ao Carbono e tem como consequncia um pequeno aumento na velocidade de corte, contudo, algumas desvantagens so notadas, como uma deficincia no esquadrejamento do corte, excesso de material removido, pequena vida til do bocal e limitaes quanto ao metal a ser cortado (ao Carbono). Em alguns locais onde este processo foi usado, o pequeno aumento na velocidade de corte associado as desvantagens citadas no justifica um investimento extra em um novo tipo de tocha.


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CORTE PLASMA DE ALTA DENSIDADE (1990) O corte LASER tem se tornado um importante e competitivo mtodo na indstria metalrgica em funo de sua habilidade de produzir cortes precisos e de excelente qualidade. Com o objetivo de alcanar uma fatia deste mercado, os fabricantes de equipamentos plasma tem investido em projetos para aumentar a qualidade de corte de seus equipamentos. Em 1990, foi visto a primeira instalao de plasma de alta densidade de 40 a 90 Ampres. Este processo produz um corte esquadrejado e de espessura reduzida, aumentando a velocidade de corte.

Espera-se que a qualidade de corte no plasma de alta densidade seja igual ao do corte laser. Considerando que o custo de implantao do processo plasma exige um investimento inicial bem menor, este tornar-se- o maior concorrente do processo LASER. CONCLUSO Ao fim desta reviso, tornou-se claro que o processo plasma teve um assombroso progresso nos ltimos 35 anos, particularmente nos ltimos 5 anos. Atualmente trs tendncias principais devem ser observadas: 1. O mercado para unidades portteis abaixo de 200 Ampreses continuar a se expandir. 2. O mercado para mquinas de corte e robs continuar necessitando de alta qualidade de corte e tolerncias cada vez menores para o processo plasma. 3. Pesquisas e desenvolvimentos nas partes consumveis e tochas continuaro constantemente estendendo a vida til dos mesmos e aumentando a qualidade de corte.


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