Compreender o princípio da máquina de corte a plasma

A indústria moderna requer o processamento de metais pesados e ligas, e o fabrico de ferramentas e veículos de transporte necessários para as actividades diárias não pode ser separado dos metais.

Por exemplo, gruas, carros, arranha-céus, robôs e pontes suspensas são todos feitos de componentes metálicos maquinados com precisão.

A razão é simples: os materiais metálicos são muito fortes e duradouros. Para a maioria dos processos de fabrico, especialmente os que envolvem artigos grandes e/ou robustos, materiais metálicos são uma escolha natural.

Curiosamente, a resistência dos materiais metálicos é também a sua desvantagem: como os metais não se danificam facilmente, é muito difícil processá-los em formas específicas. Quando é necessário processar um componente com o mesmo tamanho e resistência de uma asa de avião, como é que se consegue um corte e uma modelação precisos?

Na grande maioria dos casos, isto requer a utilização de um corte por plasma máquina. Embora isto possa parecer algo saído da ficção científica, de facto, desde a Segunda Guerra Mundial, as máquinas de corte por plasma têm sido amplamente utilizadas.

Em teoria, o princípio de uma máquina de corte por plasma é muito simples. É processado através da manipulação de uma das formas de matéria mais comuns no universo conhecido.

Neste artigo, vamos desvendar o misterioso véu das máquinas de corte a plasma e ver como esta ferramenta mágica molda o nosso mundo.

Durante a Segunda Guerra Mundial, as fábricas americanas produziram armaduras, armas e aviões cinco vezes mais depressa do que as potências do Eixo, graças às grandes inovações feitas pela indústria privada na produção em massa.

A forma de cortar e ligar mais eficazmente os componentes das aeronaves deu origem a algumas inovações tecnológicas.

Muitas fábricas que produzem aviões militares adoptaram um novo método de soldadura, que envolve a utilização de materiais inertes soldadura com proteção gasosa.

A descoberta revolucionária reside no facto de o gás electrolisado pela corrente poder formar uma barreira perto da soldadura para evitar a oxidação. Este novo método torna as soldaduras mais limpas e a estrutura de ligação mais forte.

História do corte a plasma

No início dos anos 60, os engenheiros fizeram outra descoberta. Descobriram que aumentar a taxa de fluxo de ar e reduzir o tamanho dos poros pode ajudar a melhorar a temperatura de soldadura. O novo sistema pode atingir temperaturas mais elevadas do que qualquer máquina de soldadura comercial.

De facto, a temperaturas tão elevadas, esta ferramenta já não serve como dispositivo de soldadura. Em vez disso, é mais como uma serra que corta metal duro como uma faca quente na manteiga.

Arco de plasma

A introdução do arco de plasma revolucionou a velocidade, a precisão e a variedade de ferramentas de cortee pode ser aplicado a vários metais. Na próxima secção, apresentaremos os princípios científicos subjacentes a este sistema.

A facilidade com que uma máquina de corte por plasma pode penetrar no metal deve-se às propriedades únicas do estado do plasma. O que é um estado de plasma?

Existem quatro estados da matéria no mundo. A maioria das substâncias com que entramos em contacto no nosso dia a dia são sólidos, líquidos ou gases. O estado da matéria é determinado pela interação entre as moléculas. Tomemos a água como exemplo:

A água sólida é o gelo. O gelo é um sólido composto por átomos eletricamente neutros dispostos numa estrutura hexagonal. Como a interação entre as moléculas é estável, o gelo mantém uma forma fixa.

A água líquida é água potável.As moléculas continuam a exercer forças umas sobre as outras, mas movem-se lentamente. Os líquidos têm um volume fixo, mas não uma forma fixa. A forma do líquido muda consoante a forma do recipiente.

A água gasosa é o vapor de água. No vapor de água, as moléculas movem-se rapidamente e não existe qualquer ligação entre elas. Uma vez que não existe força entre as moléculas, os gases não têm uma forma ou volume fixos.

A quantidade de calor (convertida em energia) absorvida pelas moléculas de água determina as suas propriedades e o seu estado. Em termos simples, mais calor (mais energia) faz com que as moléculas de água atinjam um estado crítico em que as ligações químicas entre elas se quebram.

A baixas temperaturas, as moléculas estão fortemente ligadas entre si e a substância encontra-se no estado sólido. A absorção de mais calor enfraquece as interacções entre as moléculas e a substância torna-se líquida.

A absorção de ainda mais calor faz com que as interacções entre as moléculas quase desapareçam, e a substância torna-se um gás. Então, o que acontece se continuarmos a aquecer o gás? Isso fará com que ele entre no quarto estado, o estado de plasma.

Quando um gás atinge temperaturas extremamente elevadas, entra num estado de plasma. A energia começa a separar completamente as moléculas umas das outras e os átomos começam a dividir-se.

Normalmente, os átomos são constituídos por protões e neutrões no núcleo atómico (ver teoria atómica), bem como por electrões que rodeiam o núcleo atómico.

No estado de plasma, os electrões estão separados dos átomos. Quando a energia térmica faz com que os electrões abandonem os átomos, começam a mover-se a alta velocidade. Os electrões têm uma carga negativa, enquanto os restantes núcleos atómicos têm uma carga positiva. Estes núcleos atómicos com carga positiva são chamados iões.

Quando os electrões de alta velocidade colidem com outros electrões ou iões, libertam enormes quantidades de energia. São precisamente estas energias que conferem ao plasma as suas propriedades especiais e as suas incríveis capacidades de corte.

Conhecimento comum sobre o estado do plasma:

Cerca de 99% da matéria no Universo encontra-se no estado de plasma. Devido à sua temperatura extremamente elevada, não é comum encontrá-lo na Terra; no entanto, é muito comum em corpos celestes como o Sol. Na Terra, este estado pode ser visto nos relâmpagos.

Máquina de corte a plasma

As máquinas de corte a plasma não são os únicos dispositivos que manipulam a energia do plasma. Dispositivos como as luzes de néon, as luzes fluorescentes e os ecrãs de plasma funcionam todos com base no estado do plasma. Estes dispositivos utilizam o estado de plasma "frio". Embora o plasma frio não possa ser utilizado para corte de metalA sua aplicação continua a ser considerável.

As máquinas de corte por plasma existem em várias formas e tamanhos. Existem máquinas de corte a plasma gigantes controladas por braços robóticos para um corte preciso, bem como máquinas de corte a plasma manuais simplificadas utilizadas em oficinas.

Independentemente do seu tamanho, todas as máquinas de corte por plasma baseiam-se nos mesmos princípios e têm concepções estruturais semelhantes.

Quando uma máquina de corte por plasma está em funcionamento, gases comprimidos, como o nitrogénio, árgon ou oxigénio, são conduzidos através de um canal estreito. Um elétrodo negativo é colocado no meio do canal. Quando é fornecida energia ao elétrodo negativo e o bocal está em contacto com o metal, forma-se um circuito condutor de eletricidade, gerando faíscas de alta energia entre o elétrodo e o metal.

À medida que o gás inerte flui através do canal, as faíscas aquecem o gás até este atingir o quarto estado da matéria. Esta reação produz um fluxo de plasma com uma temperatura até cerca de 16.649 graus Celsius e um caudal até 6.096 metros por segundo, transformando rapidamente o metal em escória.

O próprio plasma tem uma corrente a fluir através dele. Desde que o elétrodo seja continuamente alimentado e o plasma esteja em contacto com o metal, o ciclo do arco será contínuo.

Para evitar a oxidação e os danos causados por propriedades desconhecidas do plasma, o bocal do cortador de plasma está equipado com outro conjunto de canais que libertam continuamente gás de proteção para proteger a área de corte. A pressão do gás de proteção pode controlar eficazmente o raio do plasma colunar.

Corte a plasma

As máquinas de corte por plasma tornaram-se uma ferramenta comum na indústria moderna. Têm sido amplamente utilizadas em oficinas de automóveis personalizados, bem como no fabrico de chassis e carroçarias personalizados pelos fabricantes de automóveis.

As empresas de construção utilizam máquinas de corte por plasma em projectos de grande escala para cortar e fabricar grandes vigas e placas de metal. Os serralheiros podem utilizar máquinas de corte de plasma para fazer furos em áreas seguras quando os clientes estão fechados à chave.

Em a CNC (Controlo Numérico Computadorizado), não é necessário tocar no material. Tudo o que tem de fazer é desenhar a forma que pretende cortar no computador e o processo de corte será automatizado.

1. Princípio de funcionamento

O plasma é um gás aquecido a temperaturas extremamente elevadas e altamente ionizado. A energia do arco é transferida para a peça de trabalho, que derrete e é soprada, criando um estado de trabalho de plasma corte em arco.

O ar comprimido entra na tocha de corte e é distribuído em duas correntes pela câmara de gás, formando o gás de plasma e o gás auxiliar. O arco de gás plasma derrete o metal, enquanto o gás auxiliar arrefece as várias partes da tocha de corte e sopra o metal derretido.

A fonte de alimentação de corte inclui um circuito principal e um circuito de controlo. O diagrama de blocos do princípio elétrico é apresentado na figura:

O circuito principal é constituído por um contactor, um transformador de potência trifásico de elevada resistência a fugas, um retificador de ponte trifásico, uma bobina de ignição por arco de alta frequência e elementos de proteção. Apresenta uma caraterística externa acentuada causada pela elevada resistência de fuga. O circuito de controlo completa todo o processo de corte através do interrutor de botão na tocha de corte:

Alimentação pré-gás - Alimentação do circuito principal - Ignição do arco de alta frequência - Processo de corte - Paragem do arco - Paragem.

A fonte de alimentação do circuito principal é controlada pelo contactor; o fluxo de gás é controlado pela válvula solenoide; e o oscilador de alta frequência acende o arco e pára de funcionar depois de o arco estar estabelecido.

Além disso, o circuito de controlo possui ainda as seguintes funções de bloqueio interno:

Ação do interrutor de controlo térmico, deixa de funcionar.

2. Avarias de corte

(1) Não cortar:

a: A espessura da placa excede a gama aplicável do equipamento.

b: A velocidade de corte é demasiado rápida.

c: A inclinação da tocha de corte é demasiado grande.

d: A pressão do ar comprimido é demasiado alta ou demasiado baixa.

e: A tensão de rede é demasiado baixa.

(2) Instabilidade do arco de plasma:

a: A tocha de corte move-se demasiado devagar.

b: A alimentação eléctrica é fornecida por duas fases e a tensão de funcionamento diminui.

c: A pressão do ar comprimido é demasiado elevada.

3. Instalação, manutenção e substituição de peças da tocha de corte

Ao instalar ou substituir as peças da tocha de corte, desmonte-as pela ordem da cobertura de proteção-bocal condutor-distribuidor de gás-corpo da tocha de corte com a cabeça da tocha de corte virada para cima e monte-as pela ordem inversa.

Ao instalar o bocal, certifique-se de que está concêntrico com o elétrodo. A tampa de proteção deve ser apertada e o bocal deve ser pressionado firmemente. Se houver folga, o corte não pode ser efectuado.

Utilizar o maçarico de corte de forma razoável. Contactar o bocal com a peça de trabalho antes da ignição do arco. Quando o corte estiver terminado, solte o botão do punho para parar o arco e afaste a tocha de corte da superfície da peça de trabalho para prolongar a vida útil das peças. Quando a cavidade central do bocal afecta a qualidade do corte, deve ser substituída atempadamente.

Quando o centro do elétrodo está recuado mais de 2 milímetros ou não consegue acender o arco, o elétrodo pode ser instalado ao contrário ou atualizado.

Se a tampa de proteção ou o distribuidor de gás estiverem rachados ou muito danificados, devem ser substituídos atempadamente.

Se o isolamento do corpo da tocha de corte, o revestimento de couro sintético, o isolamento do cabo ou os danos no tubo de gás forem detectados, devem ser reparados ou substituídos atempadamente.

Para retirar a tocha de corte, recolher o casaco de couro sintético, desmontar os fios de ligação do interrutor, recolher o punho para trás e, em seguida, desmontar as juntas de ligação do corpo da tocha de corte.

Ao substituir uma nova cobertura de proteção de cerâmica, aplique um pouco de óleo de vaselina no anel de vedação no corpo da tocha de corte antes de a aparafusar, para prolongar a vida útil da vedação.

4. Avarias comuns e métodos de resolução de problemas

5. Diagrama esquemático elétrico