Aplicación de la tecnología de corte por plasma en acero de alta resistencia y baja aleación

Application of Plasma Cutting Technology on Low Alloy High Strength Steel

Defina el acero de alta resistencia desde la perspectiva del corte por plasma y desarrolle las características de aplicación de la tecnología de corte por plasma en acero de alta resistencia. El proceso de corte por plasma se compara con otros tres procesos de corte ampliamente utilizados, y se compara la influencia del siguiente proceso de soldadura en estos procesos de corte. Analice la relación entre el efecto HAZ del proceso de corte por plasma de aire, la calidad de corte y el costo de reducción, y describa los requisitos del equipo para el corte por plasma de potencia de corte por plasma de acero de alta resistencia, ajuste de altura y sistema de control numérico CNC.

El concepto de aleación de acero de alta resistencia

El acero de baja aleación de alta resistencia (HSLA) o el acero microaleado está especialmente diseñado para proporcionar mejores propiedades mecánicas y / o una mayor resistencia a la corrosión ambiental que el acero al carbono convencional en condiciones normales porque está diseñado para cumplir con requisitos específicos. Las propiedades mecánicas requieren solo una composición no química. El contenido de carbono de HSLA es relativamente bajo, W (C) = 0.05% ~ 0.25%. El propósito es producir suficiente capacidad de forja y soldabilidad. El contenido de manganeso es como máximo del 2,0%. También hay una pequeña cantidad de componentes de cromo, níquel, molibdeno, cobre, nitrógeno, vanadio, niobio, titanio y circonio. Los materiales HSLA se utilizan a menudo en automóviles, camiones, grúas, barcos, puentes, montañas rusas y otras estructuras que se especializan en manejar una gran cantidad de estrés o que requieren una mejor relación resistencia-gravedad. Con la misma resistencia, el acero HSLA suele ser entre un 20% y un 30% más ligero que el acero al carbono.
HSLA se puede dividir en las siguientes categorías:
(1) Acero resistente a la intemperie. Está diseñado para exhibir una excelente resistencia a la corrosión ambiental.
(2) Acero laminado controlado. El proceso de laminación en caliente se lleva a cabo de acuerdo con el plan de laminación predeterminado, y el propósito es desarrollar una estructura de austenita de alta conformabilidad para que pueda transformarse en una estructura de ferrita equiaxial extremadamente fina durante el enfriamiento.
(3) La reducción de perlita en acero. La dureza se ve reforzada por la ferrita de grano fino y la fase de endurecimiento por precipitación, pero debido a que el contenido de carbono es muy bajo, casi no hay perlita en la microestructura.
(4) Acero microaleado. Añadiendo una pequeña cantidad de niobio, vanadio y (o) titanio, se mejora el tamaño de partícula y (o) el endurecimiento por precipitación.
(5) Acero ferrítico acicular. El contenido de carbono muy bajo tiene una templabilidad suficiente y se puede transformar en una estructura de ferrita acicular de alta resistencia muy fina durante el proceso de enfriamiento en lugar de la estructura de ferrita poligonal convencional.
(6) Acero bifásico. Después de ser procesado en una microestructura de ferrita que contiene martensita con alto contenido de carbono distribuida uniformemente en áreas pequeñas, el producto tiene un límite de fluencia bajo y una alta tasa de endurecimiento por trabajo, lo que proporciona acero de alta resistencia con excelente conformabilidad.

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¿Cómo cortar la placa de acero HSLA?

Hay cuatro procesos prácticos para cortar placas de acero HSLA.
(1) Corte por plasma
El proceso de corte por plasma puede cortar todos los materiales conductores, como placas de acero, placas de acero inoxidable, placas de aluminio, etc. El espesor del acero al carbono es de 0,5 a 50 mm y el espesor del acero inoxidable puede ser de hasta 160 mm. En el proceso de corte por plasma, se pueden utilizar aire, O2, N2, Ar / H2 u otros gases mezclados. El gas sale de la boquilla de corte a alta velocidad y se forma un arco en la superficie de la pieza de trabajo a través del electrodo de la boquilla de corte, y parte del gas se convierte en plasma. El gas de plasma a una temperatura de hasta 30 000 ° C derrite el metal cortado y se mueve rápidamente para expulsar el agua del metal fundido de la abertura de corte.
(2) Corte con llama
En el proceso de corte con llama, dependiendo del gas, el soplete de corte puede liberar hasta 3500 ℃ para calentar el acero con bajo contenido de carbono (no se pueden cortar otros metales) a la temperatura del punto de fusión, y luego se dirige una corriente de oxígeno al metal. para quemar el metal en oxidación El material sale de la incisión en forma de escoria.
(3) Corte por láser
El corte por láser utiliza energía luminosa con una longitud de onda de 488-10 600 nm y diferentes tipos de gases (como N2, O2, aire) para cortar todo tipo de materiales metálicos y materiales no metálicos como madera, vidrio y fibra. Como láser de dióxido de carbono, láser de estado sólido (YAG), láser de fibra y láser semiconductor.
El consumo de energía del corte por láser es aproximadamente el doble que el del corte por plasma, y se requiere N2 de alta presión y alta capacidad para cortar metales no ferrosos (el uso de gas es aproximadamente 35 veces mayor que el del corte por plasma), y el costo del medio de corte y placas gruesas es alto. La velocidad de corte por láser de placas delgadas es muy alta, pero cuando el grosor de la placa es superior a 10 mm, la velocidad de corte se reduce considerablemente y el tiempo de perforación se prolonga.
(4) Corte por chorro de agua
Waterjet es una herramienta de corte industrial que puede cortar una variedad de materiales. Utiliza agua a presión extremadamente alta para cortar materiales más blandos, como madera o caucho, o utiliza una mezcla de agua y abrasivos para cortar materiales más duros, como metal o piedra de granito. El proceso de corte por chorro de agua se suele utilizar en la fabricación de piezas mecánicas. Cuando el material a cortar es muy sensible a las altas temperaturas generadas en otros procesos de corte, los chorros de agua son el mejor método de corte. El corte por chorro de agua se utiliza ampliamente en operaciones de corte, conformado y escariado en diversas industrias, como la minería y la aeroespacial.
La desventaja del proceso de corte por chorro de agua es que la velocidad de corte del metal es extremadamente lenta y el material abrasivo debe agregarse continuamente al chorro de alta presión, por lo que la producción es baja, el costo del abrasivo es mayor y la hora el costo es muy alto. El corte por plasma puede obtener una calidad de corte similar al corte por chorro de agua, pero la velocidad de corte es más rápida y el costo de producción es extremadamente bajo. Por tanto, es una excelente alternativa al corte por chorro de agua en muchos casos.
La Tabla 1 muestra un resumen de los cuatro procesos de corte anteriores.

Método Calidad de corte Ventajas y desventajas Espesor / mm
Chorro de agua Alta calidad de corte
Alta precisión
Capacidad de procesamiento repetitivo medio
Lento
Costo de inversión en equipo medio
Alto costo operativo
1~50
Combustible oxigenado Baja calidad de corte
Baja exactitud
Gran capacidad de procesamiento repetitivo
Lento
Bajo costo de inversión en equipos
Alto costo operativo
30~300
Plasma Calidad de corte media
Precisión media
Capacidad de procesamiento repetitivo baja
alta velocidad
Bajo costo de inversión en equipos
Bajo costo operativo
5~50
Láser Alta calidad de corte
Alta precisión
Gran capacidad de procesamiento repetitivo
alta velocidad
Bajo costo de inversión en equipos
Alto costo operativo
1~12

La Tabla 2 es una clasificación resumida del desempeño de los cuatro procesos de corte, uno es el mejor y cuatro es el peor. La zona afectada por el calor (HAZ) es un indicador clave en la aplicación masiva de HSLA porque HAZ debe eliminarse en muchos casos para lograr la mejor soldabilidad. Aunque el proceso de corte por chorro de agua puede proporcionar el mejor rendimiento en la zona afectada por el calor (zona no afectada por el calor), su velocidad de corte ultralenta para placas gruesas sin duda limita el uso práctico de este proceso. El corte por láser ocupa el segundo lugar después del corte por chorro de agua y es el proceso preferido para el corte de láminas delgadas. Sin embargo, debido a su alta inversión inicial, muchos usuarios potenciales no elegirán el corte por láser. Por lo tanto, el proceso de corte por plasma se ha convertido en la primera opción para el corte HSLA debido a su buen rendimiento y flexibilidad.

Proyecto Plasma Combustible oxigenado Láser Chorro de agua
Zona afectada por el calor (ZAT) 3 4 2 1
Velocidad de corte (placas con un espesor de 6 mm) 2 3 1 4
Velocidad de corte (espesor de la placa superior a 6 mm) 1 3 2 4
Costo de inversión inicial 2 1 4 3
Reducción de costos 1 2 3 4
Precisión 3 4 1 2
Espesor del material 2 1 4 3
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Requisitos del sistema para corte por plasma HSLA

El sistema de corte por plasma consta de una fuente de alimentación, caja de control de gas, antorcha de corte y sistema de control numérico CNC.

1. Sistema de energía de plasma

La fuente de alimentación de plasma está diseñada según el principio de generación de arco de plasma. La fuente de alimentación de plasma utiliza aire comprimido como gas de trabajo y arco de plasma de alta temperatura y alta velocidad como fuente de calor para derretir parcialmente el metal que se cortará y, al mismo tiempo, soplar el metal fundido con un flujo de aire de alta velocidad. para formar una hendidura estrecha para lograr el propósito de cortar. El diseño de la fuente de alimentación de plasma utiliza tecnología de inversor innovadora, tecnología de conexión de señal de entrada / salida en serie para lograr una comunicación ilimitada entre la fuente de alimentación de plasma, el sistema de control CNC y el control de gas, y la eficiencia general del sistema mejora considerablemente. Los equipos controlados por microprocesador pueden proporcionar información operativa detallada en tiempo real. En un sistema de corte por plasma altamente integrado, esta información se puede mostrar directamente en el sistema de control CNC para facilitar que los usuarios comprendan con precisión las condiciones de operación del sistema actual en tiempo real.

2. Antorcha de corte y piezas de desgaste

El soplete de corte es la pieza clave para generar arco de plasma y corte. El electrodo de la antorcha generalmente adopta un electrodo de tungsteno enfriado por agua indirecto. El gas de trabajo puede ser O2, N2, aire o una mezcla de Ar / H2, y el gas protector puede ser O2, N2, Ar o agua. Las antorchas de corte modernas tienen capacidades de perforación más fuertes y el arco de alta densidad producido mejora en gran medida la calidad de corte, logrando los efectos de pequeñas hendiduras, cortes planos y pequeña deformación del material. La nueva tecnología de portatarjetas rápido hace que el reemplazo de piezas desgastadas sea conveniente y logra el tiempo más corto de la historia, reduciendo en gran medida el tiempo de inactividad causado por el reemplazo de piezas desgastadas.

Arc voltage height regulator

3. Control de ajuste de altura

El control de ajuste de altura es utilizar las características básicas de corriente constante de la fuente de alimentación de plasma para medir el cambio de altura de la antorcha en el proceso de corte por plasma detectando el cambio de voltaje del arco de plasma y para realizar el control de altura de la antorcha de corte. Las funciones básicas generalmente tienen posicionamiento automático inicial, funciones de arranque de perforación y levantamiento de arco, anticolisión de antorcha de corte, monitoreo de visualización de voltaje de arco dado y real, operación manual y automática, etc.

4. Sistema de control CNC

Para lograr un acabado de contorno de superficie de alta velocidad y precisión, es necesario mejorar la interpretación y las capacidades de procesamiento de los pequeños segmentos de la línea de contorno y el rendimiento del servoaccionamiento. El sistema CNC debe tener una velocidad de procesamiento de datos suficientemente alta para controlar con precisión la trayectoria de marcha de la mesa de corte para garantizar una alta precisión, repetibilidad, velocidad y aceleración, a fin de lograr la mejor calidad de corte de placa de acero HSLA.
En el proceso de corte por plasma, se puede utilizar O2 o aire como gas de plasma para cortar acero al carbono. Aunque el aire es más barato que el O2, tiene obvias desventajas en comparación con el O2. Usando aire como gas de plasma, la concentración de nitrato en la superficie de corte es muy alta, por lo que se requiere un tratamiento secundario antes de soldar, lo que aumenta la carga de trabajo y el costo. Si se usa O2, en la mayoría de los casos, no se requiere un tratamiento secundario. Al cortar láminas de HSLA, la zona afectada por el calor debe eliminarse en la mayoría de los casos.
Otra ventaja de un sistema de corte por plasma de alta precisión es que el arco de plasma altamente restringido da como resultado un ancho de hendidura más pequeño y una pendiente más pequeña en la superficie de corte, lo que resultará en una zona más pequeña afectada por el calor. Equipado con un controlador de altura profesional y un sistema de control numérico CNC puede lograr el mejor efecto de corte. Especialmente en aplicaciones de corte de acero de alta resistencia al desgaste y acero balístico, el control de altura es un elemento clave para evitar dañar las partes consumibles de la antorcha de corte por plasma durante el inicio del arco. El control de altura puede realizar funciones como perforación, retracción y retraso de elevación para optimizar el rendimiento de la perforación. Si el sistema de control numérico CNC se integra a la perfección en el sistema de corte por plasma, el rendimiento del corte se puede mejorar aún más mejorando la entrada y salida del cable y optimizando la calidad del corte del orificio.

En general, un sistema de plasma integrado es la mejor opción para cortar HSLA (acero de baja aleación y alta resistencia) en términos de rendimiento, reducción de costos y facilidad de uso. Aunque otros procesos de corte pueden proporcionar un mejor rendimiento de corte, tienen diferentes desventajas, como baja flexibilidad, baja velocidad de corte o alto costo de inversión inicial.

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