Plasma, oxifuel y láser

Cómo elegir el proceso de corte idóneo para las necesidades de corte de metales

Existen muchas formas diferentes de cortar metales con un proceso de corte térmico. El láser, el oxifuel y el plasma son tres importantes procesos que se exploran en este artículo; cada uno de ellos es un método viable en función de las necesidades de corte del negocio.

El oxifuel utiliza una reacción química (exotérmica) entre el oxígeno y el hierro contenido en el acero dulce (al carbono). Esta reacción es la que provoca la fusión del material. El oxifuel sólo se usa para el corte de acero al carbono (material ferroso) y se utiliza típicamente para cortar chapa muy gruesa (de más de 50 mm).

El plasma combina la energía eléctrica con un gas para crear un gas ionizado a alta temperatura que corta cualquier material que conduzca la electricidad. El plasma resulta excelente en materiales ferrosos y no ferrosos, metales en cualquier estado (oxidado, pintado, en rejilla) y en un rango de espesores que va de los 0,5 a los 50 mm. El láser utiliza un láser de alta potencia para calentar, fundir y en parte vaporizar el material.

El láser ofrece buenos resultados en todo tipo de metales, aunque sí es necesario que el material se encuentre en buen estado (sin óxido). El láser se utiliza típicamente en chapa muy delgada (de menos de 6 mm), aunque puede usarse hasta los 25 mm. La elección del proceso depende de las necesidades del negocio y de las áreas que resulten más críticas, como calidad del corte, productividad, costes operativos, rentabilidad o flexibilidad. Estas áreas se examinan en más detalle a continuación.

En función del procesado posterior de las piezas cortadas, la calidad del corte puede tener una importancia menor o mayor. ¿Qué ocurrirá con la pieza tras el corte? ¿Necesita quedar lista para la soldadura? Se deben tener en cuenta los siguientes aspectos relativos a la calidad del corte.

Cada proceso produce una angularidad de corte diferente. La forma en la que se mide este factor es observando la desviación del canto, o cuánto es el ángulo de desviación que se produce con respecto a un canto recto. Típicamente el láser es el proceso que proporciona la mínima cantidad de desviación o ángulo en el canto; el oxifuel es el que mayor desviación o ángulo de canto presenta. El plasma se sitúa a medio camino. La Organización Internacional para la Estandarización (ISO) ha elaborado un conjunto de normas destinadas a medir la desviación del canto y las ha englobado bajo el número UNE-EN ISO 9013.

La ranura es la anchura del material eliminado durante el proceso. En el caso del láser, la ranura varía entre los 0,1524 y los 0,508 mm en función del espesor de la chapa. Recuerde que aunque la ranura es muy pequeña, es más ancha en la parte superior del corte. En comparación, la ranura en el caso del plasma puede estar entre los 1,346 mm y los 8,636 mm en función del espesor de la chapa. El oxifuel es el que produce la mayor anchura de ranura.

Los tres procesos producen cierta zona afectada por el calor (ZAC) en el canto del corte. El láser es el que proporciona las profundidades menores (de 0,1016 a 0,2032 mm); el oxifuel produce las mayores y el plasma está a medio camino. Tanto con el láser como con el plasma, los niveles de dureza dependen hasta cierto punto de los gases utilizados.

Los tres procesos pueden producir una cierta cantidad de rebaba o escorias. El oxifuel es el proceso que más produce, dado que se trata del proceso más lento de los tres y con frecuencia sus residuos son los más difíciles de eliminar. A medida que se forma, la rebaba se funde y se solidifica de nuevo, soldándose de nuevo al metal. Se adhiere con suma facilidad a las superficies calientes, lo que significa que los procesos que presentan la mayor zona afectada por el calor, como por ejemplo el oxifuel, producen la mayor cantidad de rebaba o escorias.

Tanto el láser como el plasma ofrecen un corte prácticamente sin rebaba hasta determinados espesores, más allá de los cuales se produce cierta rebaba. En el caso del plasma, la rebaba se suele poder eliminar con facilidad. Esto se debe en primer lugar a que existe menos rebaba y en segundo lugar a que el plasma produce una zona afectada por el calor más estrecha con menor área de la superficie caliente en la que pueda adherirse el metal.

Las tolerancias dependen en gran medida de la exactitud de la máquina de corte; por ello, aunque este artículo puede proporcionar ciertas directrices, la mejor opción es estudiarlas con el fabricante de su máquina. Aparte de la propia máquina de corte, existen otras muchas variables (habilidad del operador, espesor de la chapa, velocidad, altura de antorcha) que influyen en las tolerancias. Las siguientes figuras sólo proporcionan ciertas indicaciones generales; los parámetros exactos de su caso pueden variar. En general, el láser ofrece unas tolerancias que van desde los 0,0762 a los 0,254 mm. Las tolerancias del plasma van de los 0,254 a los 0,762 mm; por su parte, las del oxifuel van de los 0,508 a los 1,524 mm.

Otra área a considerar es la productividad. En otras palabras, “¿cuántas piezas puedo producir en un periodo de tiempo determinado?”. Un factor que influye de forma crítica en el número de piezas producidas es la velocidad. Existen otros muchos factores a considerar también, como por ejemplo: tiempo de espera para que se produzca el precalentamiento, retardos asociados a la perforación, posibles operaciones secundarias necesarias y cualquier otro factor potenciador de la productividad, por ejemplo características automatizadas con controles numéricos computerizados y controles de altura de antorcha.

La tabla indica las velocidades de unos pocos espesores seleccionados que pueden cortarse con los tres procesos. Observe que para la chapa más delgada, tanto el plasma como el láser son más rápidos que el oxifuel. El corte HyDefinition Plasma proporciona el máximo rendimiento en los tres espesores.

Otra forma de comparar los tres procesos es calcular cuántas piezas es capaz de producir cada uno. Las velocidades pueden usarse para calcular fácilmente el número de piezas producidas por hora. En primer lugar es necesario calcular la capacidad de longitud lineal de cada proceso. La velocidad de corte multiplicada por 60 minutos proporciona el número de milímetros lineales producidos en una hora.

La Tabla 3 muestra el número de milímetros (y metros) lineales que cada proceso es capaz de cortar a la hora en un material de 12 mm de espesor.

El paso siguiente es calcular el número real de piezas que cada proceso es capaz de producir. Para determinar el tamaño de la pieza, calcule primero los metros lineales. En nuestro ejemplo utilizamos un cuadrado de 300 mm de lado. Tome todos los lados y súmelos para obtener una sola línea larga. En este ejemplo, el resultado es 1.200 mm (4 veces 300 mm). Divida 1.200 mm entre 1.000 y obtendrá 1,2 metros, que es el tamaño de la pieza.

Divida el número total de metros cortados por una hora entre el tamaño de la pieza para obtener el número total de piezas cortadas en una hora. Los resultados de este cálculo se muestran en la Tabla 3.

Como puede ver en la tabla, HyDefinition Plasma produce el mayor número de piezas en una hora de corte, 222 piezas. El láser es el siguiente proceso por velocidad, con 95 piezas; el sistema de plasma de un gas corta 72 piezas; el oxifuel es el proceso menos productivo, con 25 piezas. Existen otros factores que contribuyen a la productividad. En el ejemplo indicado no se tienen en cuenta los retrasos asociados al precalentamiento ni la perforación, que se asocian habitualmente al oxifuel. Estos factores reducen aún más el número de piezas del proceso de oxifuel. El láser también presenta retardos de perforación, aunque menores que los del oxifuel.

De los tres procesos, el plasma es el que presenta el menor tiempo asociado al proceso de perforación. Los tres procesos utilizan algún tipo de método para el control del caudal automático de gases, lo que elimina la variabilidad que suele darse cuando los distintos operadores intentan ajustar los caudales de los gases para cada proceso.

Una última área a considerar es el de las operaciones secundarias. Si la calidad del corte es importante, es posible que necesite prever cierto tiempo para las operaciones secundarias, lo que supondrá una nueva reducción en el número de piezas en el caso del oxifuel, mientras que con el plasma y el láser es posible conseguir cortes prácticamente sin rebaba.

Existen muchos factores que influyen en los costes operativos de una máquina de corte térmico:

Consumibles, que constituyen la mayor parte de los costes operativos de una máquina de plasma. La vida útil de los consumibles influye enormemente en este aspecto, dado que si los consumibles duran más, no necesita comprar tanta cantidad de consumibles y conseguirá unos costes operativos más bajos.

El consumo eléctrico, que es insignificante en el caso del oxifuel, un gasto reducido en el caso del plasma y un gasto mayor en el láser.

El gas, que es el coste mayor asociado a los elevados caudales usados en el láser, especialmente si se utiliza nitrógeno como gas auxiliar.

Los recambios, que son una consideración principalmente en el caso del láser. Algunos elementos, como lentes y espejos, no se cambian frecuentemente, pero cuando es necesario sustituirlos pueden resultar bastante costosos, tanto por el precio de compra como por el tiempo de parada requerido para sustituirlos. Por tanto, debe incluir una parte proporcional de este costo como parte de los gastos operativos diarios.

Además de estos gastos, también se debe considerar la cantidad de operaciones secundarias necesarias, dado que éstas también aumentan los costes.

Mientras que los costes operativos del oxifuel pueden parecer bastante reducidos, recuerde que éste es el coste por hora. El coste que debe considerar en realidad es el coste por pieza. ¿Por qué esta cifra es la que debe usarse? Si algo cuesta 20 € por hora pero sólo permite producir 2 piezas, su eficiencia no se acerca ni por asomo a algo que cuesta 20 € por hora pero permite producir 100 piezas.

Para determinar el coste por pieza, divida los costes operativos de una hora entre el número de piezas producidas en esa hora. Los resultados de este cálculo se ilustran en la Tabla 4. Aunque los costes operativos por hora de HyDefinition están a medio camino de los otros dos procesos, se trata del sistema más económico por sus elevadas velocidades de corte. El sistema de láser es el más costoso.

Para saber si merece la pena invertir en cualquiera de estos procesos, basta con unos pocos cálculos para saber hasta qué punto es rentable cada sistema y comparar este parámetro con el precio total de compra. Por ejemplo, con un beneficio de 1 € por pieza, resulta fácil comprobar que el número de piezas producido en un periodo de tiempo determinado es un factor crítico. Más piezas equivale a más beneficios, lo que permite recuperar más rápidamente la inversión. Veamos los tres ejemplos:

Oxifuel = 25 piezas ó 25 € de beneficios por hora. Multiplique por 8 horas, lo que da 200 € de beneficio al día.

El plasma produjo 222 piezas, lo que equivale a un beneficio de 222 € por hora. Multiplique por 8 horas para obtener 1.776 € de beneficio al día.

El láser produjo 95 piezas o un beneficio de 95 € por hora. Multiplique por 8 horas para obtener 760 € de beneficio al día.

Utilice las cifras siguientes como una estimación de los distintos sistemas de corte basados en la necesidad de cortar chapa de 12 mm. Las cifras reales variarán en función de las preferencias individuales:

1. OXYFUEL: máquina de corte con 1 soplete de oxifuel, control basado en PC, control de altura de oxifuel y software de anidamiento: precio de compra = 50.000 €

2. PLASMA: máquina de corte de precisión con control basado en PC, THC con control de tensión, software de anidamiento, plasma de clase HyPerformance de 130 A: precio de compra = 100.000 €

3. LÁSER: sistema de 2,5 kW, mÁquina de corte de precisiÓn, control CNC, software de anidamiento: precio de compra = 300.000 €.

Divida el coste de la inversión entre el beneficio diario para determinar cuánto tiempo se tardará en recuperar la inversión. Para simplificar los cálculos, damos por hecho que la calidad del corte de cada uno de los procesos es aceptable, sin necesidad de operaciones secundarias.

OXIFUEL: 250 días para recuperar el coste de inversión; 200 € de beneficio al día a partir de ese momento.

LÁSER: 395 días para recuperar el coste de inversión; 760 € de beneficio al día a partir de ese momento.

PLASMA: 56 días para recuperar el coste de inversión; 1.776 € de beneficio al día a partir de ese momento.

Una última cosa a tener en cuenta es el grado de flexibilidad ofrecido por estos sistemas de corte. Para algunos usuarios, la posibilidad de cortar chapa delgada y de alto espesor es una ventaja. Además, si el metal está oxidado o pintado, planteará problemas con el láser, aunque el oxifuel y el plasma lo cortarán sin problemas.

Si necesita marcado, tanto el plasma como el láser pueden cortar y marcar, con frecuencia con los mismos consumibles, lo que ahorra tiempo.

Volvamos a la pregunta original: ¿qué sistema es el mejor? Confiamos en que llegamos a este punto decir que la respuesta es “¡Depende!” tenga sentido para usted, dado que de hecho depende de cada centro de producción en concreto. El láser se utiliza frecuentemente para cortar chapa fina (de menos de 6 mm) y cuando se requieren unas tolerancias estrictas. Tanto la inversión de capital como los costes operativos son elevados.

El oxifuel se utiliza principalmente para cortar únicamente acero al carbono de alto espesor (de más de 50 mm) si la calidad de corte no es esencial. Aunque el oxifuel presenta la inversión de capital y los costes operativos más bajos, el coste por pieza es mayor debido a sus bajas velocidades de corte y su menor calidad, que con frecuencia requiere operaciones posteriores.

El plasma proporciona un buen equilibrio en cuanto a inversión de capital, calidad de corte, productividad y costes operativos. Presenta un amplio rango de espesores y flexibilidad en cuanto a materiales, además de proporcionar las máximas velocidades de corte.