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An�lisis del rendimiento del corte en aceros al carbono mediante una m�quina de corte de plasma

 

Analysis of cutting performance in carbon steels using a plasma cutting machine

 

An�lise do desempenho de corte em a�os carbono utilizando m�quina de corte a plasma

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: ronald.ipaz@utc.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 08 de mayo de 2024 *Aceptado: 30 de mayo de 2024 * Publicado: �27 de junio de 2024

 

        I.            Universidad T�cnica de Cotopaxi, Facultad LM Ciencias de la ING y Aplicadas, La Man�, Ecuador.

      II.            Universidad T�cnica de Cotopaxi, Facultad LM Ciencias de la ING y Aplicadas, La Man�, Ecuador.

   III.            Universidad T�cnica de Cotopaxi, Facultad LM Ciencias de la ING y Aplicadas, La Man�, Ecuador.

 

Resumen

En este estudio, se presenta un an�lisis experimental del rendimiento del corte en aceros al carbono mediante una m�quina de corte de plasma. Se presenta un an�lisis de consumo de energ�a el�ctrica durante el lapso de tiempo que toma hacer un corte en acero A36 con espesores de 2mm y 3mm, evaluando de manera integral el proceso de corte para optimizarlo y lograr resultados de alta calidad y eficiencia. Para la medici�n de potencia consumida durante un corte se us� un multimedidor Sentron PAC 3120 y un interfaz (HMI), que permiti� la recopilaci�n y almacenamiento de distintos par�metros el�ctricos proporcionados durante el proceso del corte por plasma. Los efectos de los par�metros de corte por plasma fueron determinados utilizando un an�lisis de varianza y de regresi�n simple. Como principal resultado se obtuvo que la corriente, presi�n y distancia de la antorcha a la pieza y la interacci�n entre ellos tienen un efecto significativo en el consumo de energ�a para un nivel de confianza del 95%.

Palabras clave: Corte plasma; Arco de plasma; Acero de carbono; Estructuras met�licas.

 

Abstract

In this study, an experimental analysis of the cutting performance of carbon steels using a plasma cutting machine is presented. An analysis of electrical energy consumption is presented during the period of time it takes to make a cut in A36 steel with thicknesses of 2mm and 3mm, comprehensively evaluating the cutting process to optimize it and achieve high quality and efficient results. To measure the power consumed during a cut, a Sentron PAC 3120 multimeter and an interface (HMI) were used, which allowed the collection and storage of different electrical parameters provided during the plasma cutting process. The effects of plasma cutting parameters were determined using analysis of variance and simple regression. The main result was that the current, pressure and distance from the torch to the piece and the interaction between them have a significant effect on energy consumption for a 95% confidence level.

Keywords: Plasma cutting; plasma arc; Carbon steel; Metallic structures.

 

Resumo

Neste estudo � apresentada uma an�lise experimental do desempenho de corte de a�os carbono utilizando uma m�quina de corte a plasma. � apresentada uma an�lise do consumo de energia el�trica durante o tempo necess�rio para realizar um corte em a�o A36 com espessuras de 2mm e 3mm, avaliando de forma abrangente o processo de corte para otimiz�-lo e obter resultados de alta qualidade e efici�ncia. Para medir a pot�ncia consumida durante um corte, foram utilizados um mult�metro Sentron PAC 3120 e uma interface (HMI), que permitiu a coleta e armazenamento de diversos par�metros el�tricos fornecidos durante o processo de corte a plasma. Os efeitos dos par�metros de corte a plasma foram determinados utilizando an�lise de vari�ncia e regress�o simples. O principal resultado foi que a corrente, a press�o e a dist�ncia da tocha � pe�a e a intera��o entre elas t�m um efeito significativo no consumo de energia para um n�vel de confian�a de 95%.

Palavras-chave: Corte a plasma; arco plasma; A�o carbono; Estruturas metalicas.

 

Introducci�n

En esta introducci�n, se presenta una revisi�n de investigaciones recientes sobre el an�lisis del rendimiento del corte en aceros al carbono mediante una m�quina de corte de plasma. Se abordar�n aspectos como la calidad del corte, la productividad y la eficiencia del proceso, considerando los par�metros de corte y las caracter�sticas del material. [1]

El objetivo del presente art�culo es an�lisis del rendimiento del corte en aceros al carbono mediante una m�quina de corte de plasma es evaluar de manera integral el proceso de corte para optimizarlo y lograr resultados de alta calidad y eficiencia. Este an�lisis de rendimiento busca comprender a fondo el proceso, identificar los factores cr�ticos que lo afectan y desarrollar estrategias para optimizarlo, con el objetivo final de mejorar la calidad, la eficiencia y la rentabilidad del mecanizado de piezas en acero al carbono.

Una publicaci�n en el a�o 2017 habla sobre una ventaja del corte por plasma es la versatilidad. A medida que el corte por plasma usa un arco el�ctrico de gas ionizado de alta temperatura para cortar todo material el�ctricamente conductivo, puede ser usado para el corte de materiales ferrosos y no-ferrosos y para metales que est�n en cualquier condici�n, incluso pintado u oxidado. Esto le confiere un mayor grado de flexibilidad al trabajo de corte, pues el plasma permite cortar una amplia gama de tipos y espesuras de materiales. La versatilidad de los sistemas de corte por plasma puede adem�s ser aumentada cuando se la combina con antorchas y consumibles espec�ficos. Hay disponibles diversas opciones de antorcha variando en ancho y �ngulo para atender las diferentes necesidades de aplicaciones industriales. El plasma puede ser utilizado por arrastre (boquilla de contacto tocando la chapa para guiar al operador), distanciado (sin tocar la pieza para el acceso a lugares m�s dif�ciles) y hasta para obtener cortes m�s delicados con alta calidad en materiales m�s finos, simplemente sustituyendo algunos consumibles de la antorcha. Esta es una caracter�stica muy atractiva, pues un �nico sistema de corte por plasma puede emplearse en una variedad de aplicaciones con cambios simples para adecuarse a los procesos industriales, sin tener que alternar entre varias herramientas para completar el trabajo. [2]

Adem�s del corte, los Sistemas de plasma pueden tambi�n realizar otras tareas alternativas al mismo tiempo. Un ejemplo muy com�n es el ranurado y aplicaciones t�picas que incluyen la retirada de una soldadura preexistente durante un servicio de reparaci�n, desmontaje con retirada de soldaduras o incluso limpieza de ra�z o pases de soldadura para procesos de m�ltiples camadas de soldadura. El corte por plasma es, por lo tanto, capaz de satisfacer las necesidades de corte y ranurado en una amplia gama de aplicaciones industriales, sea para metales m�s finos o m�s espesos, ferrosos o no-ferrosos.

El plasma puede ser utilizado tambi�n para marcar materiales, sea con letras y n�meros para identificaci�n de piezas cortadas o simplemente para marcar l�neas de soldadura o doblez en la continuaci�n del proceso de fabricaci�n. Los sistemas autom�ticos modernos permiten que se corte y se marque utilizando los mismos consumibles, aumentando considerablemente la productividad.

Actualmente, la industria metalmec�nica cuenta con diversas soluciones para el corte de metales como el Plasma, Laser, Chorro de Agua, Oxicorte, adem�s de una variedad inmensa de modalidades de corte mec�nico. Aunque todos los procesos mencionados ya est�n bien establecidos y con un buen historial en nuestro mercado, cada uno posee sus beneficios y deficiencias que deben ser considerados al decidir qu� m�todo de corte utilizar para una determinada aplicaci�n. [2]

En Brasil y en toda Am�rica del Sur, el Plasma viene r�pidamente convirti�ndose en una de las elecciones m�s populares entre los fabricantes modernos, especialmente cuando hablamos de la fabricaci�n de productos met�licos que pueden no obtener los mejores resultados cuando se utilizan otros m�todos de corte tradicionales. No s�lo el plasma proporciona un buen equilibrio en t�rminos de costos de inversi�n y operacional, sino tambi�n es una combinaci�n ideal de calidad de corte, adem�s de ofrecer altas velocidades de corte y ser un proceso extremamente vers�til.

La p�gina metalmec�nica en este a�o nos indica que las cortadoras de plasma son una innovaci�n que ha transformado la forma en que se cortan los metales, aportando precisi�n, velocidad y versatilidad. Su integraci�n adecuada en los flujos de trabajo, junto con un mantenimiento regular, garantiza resultados de alta calidad y una mayor eficiencia en la producci�n. Comprender su funcionamiento, aplicaciones y las industrias en las que son implementadas, se pueden aprovechar al m�ximo, optimizando sus procesos y logrando cortes de excelencia. [3]

La investigaci�n sobre el an�lisis del rendimiento del corte en aceros al carbono mediante una m�quina de corte de plasma se lleva a cabo utilizando diversos enfoques, incluyendo:

Aplicaci�n: el corte por plasma es un proceso de corte vers�til y eficiente que se utiliza ampliamente en la industria metal�rgica para mecanizar aceros al carbono y otros materiales conductores. Su alta precisi�n, eficiencia y bajo costo de operaci�n lo convierten en una opci�n atractiva para una amplia gama de aplicaciones.

Innovaci�n: Las cortadoras de plasma son una innovaci�n que ha transformado la forma en que se cortan los metales, aportando precisi�n, velocidad y versatilidad. Su integraci�n adecuada en los flujos de trabajo, junto con un mantenimiento regular, garantiza resultados de alta calidad y una mayor eficiencia en la producci�n. Comprender su funcionamiento, aplicaciones y las industrias en las que son implementadas, se pueden aprovechar al m�ximo, optimizando sus procesos y logrando cortes de excelencia. [4]

El an�lisis del rendimiento del corte en aceros al carbono mediante una m�quina de corte de plasma es una herramienta fundamental para optimizar este proceso y obtener resultados de alta calidad. Al comprender los factores que afectan el rendimiento y evaluar los aspectos clave, como la calidad del corte, la productividad y la eficiencia, se pueden identificar las configuraciones �ptimas de los par�metros de corte para lograr los objetivos deseados. [5]

Los avances tecnol�gicos en fuentes de potencia de plasma, control de procesos, boquillas y electrodos, junto con la integraci�n de sistemas rob�ticos y la adopci�n de la Industria 4.0, est�n impulsando a�n m�s la eficiencia, precisi�n y versatilidad del corte por plasma en aceros al carbono.

En conjunto, el an�lisis del rendimiento del corte, junto con los avances tecnol�gicos, posiciona al corte por plasma como una soluci�n de mecanizado indispensable para la industria metal�rgica y manufacturera, ofreciendo resultados confiables, de alta calidad y rentables en la producci�n de piezas y componentes de acero al carbono. [6]

Por tanto, esta investigaci�n tiene como objetivo investigar el consumo de energ�a el�ctrica mientras se realiza un corte por plasma en acero A36 de espesores de 2mm y 3mm, modificando par�metros como la corriente, presi�n y la distancia de la antorcha a la pieza, para el an�lisis de datos.�

 

Materiales y m�todos

A continuaci�n, se muestra los elementos que se tuvieron en cuenta para el desarrollo del an�lisis del rendimiento del corte en aceros al carbono mediante una m�quina de corte por plasma. Posteriormente se explica el procedimiento experimental utilizado en la investigaci�n, se detallar� las m�quinas y herramientas utilizadas para el corte por plasma, la medici�n, recopilaci�n y almacenamiento de distintos par�metros el�ctricos analizados durante el proceso de corte en tiempo real. Posteriormente estos datos van hacer utilizados para realizar c�lculos de la potencia consumida durante el tiempo en el que se realiz� un corte por plasma en 600 mm de acero ASTM A36 en distintos espesores. [7]

 

Procedimiento

Se utiliz� una cortadora plasma PTK Ip Cut-40 y un compresor HWT ZBM25, se realiz� los cortes en placas de acero ASTM A36 (las propiedades se pueden observar en la tabla 1) con espesores de 2mm y 3mm, cada corte de muestra tiene una longitud de 600mm, se modific� ciertos par�metros como amperaje, presi�n, distancia de la antorcha a la pieza, flujo de aire, entre otros par�metros.

 

Tabla 1: Propiedad del acero ASTM A36

 

Para obtener los datos de eficiencia de corte, el experimento se enfoc� en recopilar datos con �nfasis a la relaci�n entre la energ�a consumida en el proceso de corte y la cantidad o distancia de material cortado.

Para la medici�n de potencia consumida durante un corte se us� un multimedidor Sentron PAC 3120, el cual tiene la capacidad de medir una gran cantidad de magnitudes el�ctricas y proporcionar datos en tiempo real.

Un interfaz hombre m�quina (HMI), nos permito visualizar informaci�n relevante durante el proceso de corte por plasma, recopilando y almacenando informaci�n precisa en tiempo real de distintos par�metros el�ctricos, los cuales pueden ser usados para un an�lisis o control el�ctrico. [8]

El an�lisis factorial del consumo de potencia durante un corte completo fue el procedimiento utilizado para determinar la relaci�n entre las variables independientes (corriente, presi�n, distancia de la antorcha a la pieza) y la variable dependiente (consumo de energ�a). Un total de 24 ensayos para dos replicas fueron desarrollados con tres niveles de corriente (A), dos niveles de espesor del acero seleccionado, dos niveles de presi�n de aire, dos niveles de distancia de la antorcha a la pieza a cortar, dos niveles de flujo de aire, en las tablas 2,3,4,5 aparece un resumen de las variables estudiadas.

Se realizaron pruebas iniciales para determinar el estado de los equipos de corte por plasma y los instrumentos de medici�n, una vez que se comprob� lectura del consumo el�ctrico durante el corte por plasma se dio inicio a la toma de datos durante el experimento.

 

Tabla 2: Variables consideradas para el experimento prueba 1 (A36) 2mm.

 

Tabla 3: Variables consideradas para el experimento prueba 2 (A36) 2mm.

 

 

Tabla 4: Variables consideradas para el experimento prueba 1 (A36) 3mm.

 

Tabla 5: Variables consideradas para el experimento prueba 2 (A36) 3mm.

 

Resultados y discusi�n

El objetivo del experimento es analizar el rendimiento del corte en aceros al carbono con el us� de una m�quina de corte por plasma relacionando la potencia consumida durante un corte en acero ASTM A36 con respecto al tiempo.

En la figura 1 se muestra una lectura del experimento P2E2, algunos par�metros de usados en esta muestra se encuentran en la tabla 2, las mediciones el�ctricas que proporciono el multimedidor Sentron PAC 3120, se mostr� en el interfaz HMI, registrando y almacenando la informaci�n en tiempo real. Durante el experimento la ventana del historial muestra la cantidad de datos adquiridos, la hora, la fecha y las diferentes mediciones registradas.

 

Figura 1: Hist�ricos de potencia en el interfaz HMI.

Fuente: Autor

Los datos recopilados de cada corte fueron analizados, en este caso los resultados obtenidos en la muestra P2E2 se muestra en la figura 1. Debido a que la cortadora plasma PTK Ip Cut-40 usa una alimentaci�n de 220V, las lecturas recopiladas muestran la potencia aparente (VA-L1) y (VA-L2) en cada l�nea, para el estudio (W-L1) y (W-L2), tomamos el dato de la potencia usada en el corte respecto al tiempo que tomo cortar 600 mm de acero ASTM A36 bajo ciertos par�metros.

 

An�lisis de varianza factorial y de regresi�n

El an�lisis del estudio experimental para el consumo el�ctrico de los cortes por plasma en acero A36 de 2 mm se representa en la tabla 6. La importancia significativa de las variables para un 95% de confianza se comprueba determinando todos los valores p-valor en 0. Resultaron significativos en el consumo de energ�a el�ctrica, el Co (corriente), P (presi�n) y D (distancia de la antorcha a la pieza) y la interacci�n entre estas tres variables.

 

Tabla 6: An�lisis de Varianza factorial para el consumo el�ctrico de los cortes por plasma en acero A36 de 2 mm de espesor

 

La comparaci�n en el an�lisis de la varianza para el consumo el�ctrico de los cortes por plasma en acero A36 de 3 mm se representa en la tabla 7. Muestra que la corriente, presi�n y distancia de la antorcha a la pieza y la interacci�n entre ellos tiene un efecto estad�sticamente significativo en el consumo de energ�a para un nivel de confianza del 95%, por el contrario, las interacciones AB Y BC no resultaron tener un efecto significativo en consecuencia que su valor p-valor es superior a 0,05.

 

Tabla 7: An�lisis de Varianza factorial para el consumo el�ctrico de los cortes por plasma en acero A36 de 3 mm de espesor

Fuente	Suma de Cuadrados	Gl	Cuadrado Medio	Raz�n-F	Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
�A: Co	1,84423	2	0,922117	21,12	0,0001
�B:P	0,418704	1	0,418704	9,59	0,0092
�C:D	1,3585	1	1,3585	31,11	0,0001
INTERACCIONES
�AB	0,0526333	2	0,0263167	0,60	0,5631
�AC	0,526033	2	0,263017	6,02	0,0154
�BC	0,0477042	1	0,0477042	1,09	0,3165
�ABC	0,585233	2	0,292617	6,70	0,0111
RESIDUOS	0,52395	12	0,0436625
TOTAL (CORREGIDO)	5,357	23

 

Se realiz� un an�lisis de regresi�n simple para describir la relaci�n del consumo de energ�a de cada inserto, para obtener la ecuaci�n del modelo ajustado. Adem�s, se determin� el coeficiente de determinaci�n (R�) que representa la bondad del ajuste. En la tabla 8 se muestran, la ecuaci�n del modelo ajustado para cada inserto y su correspondiente R�.

 

Tabla 8: An�lisis de regresi�n lineal simple para el consumo el�ctrico de los cortes por plasma en acero A36 de 2 y 3 mm de espesor

Los bordes cortados fueron evaluados por su rugosidad y presencia de rebabas. Los cortes en la placa de 2 mm mostraron bordes limpios con una rugosidad promedio de 4-5 micrones. Las placas de 3 mm presentaron una ligera mayor rugosidad, promediando 6-7 micrones, y algunas rebabas que requer�an desbarbado posterior.

 

Figura 2: Calidad de corte en acero A36 (2mm) de la muestra P9E2.

Fuente: Autor

 

Figura 3: Calidad de corte en acero A36 (3mm) de la muestra P9E3.

Fuente: Autor

 

Conclusiones

En este trabajo los datos experimentales fueron adquiridos utilizando principalmente tres par�metros para analizar el consumo de energ�a durante el corte por plasma en acero A36 con espesor de 2mm y 3mm. Basado en los an�lisis y resultados del estudio de consumo de energ�a durante el corte se lleg� a las siguientes conclusiones:

�         El consumo de energ�a fue proporcional a la corriente utilizada y la distancia de la antorcha a la pieza. Una mayor corriente utilizada result� en un mayor consumo energ�tico, pero tambi�n en un corte m�s r�pido y de mejor calidad hasta un punto �ptimo.

�         El an�lisis de varianza factorial demostr� que la cantidad de corriente usada durante el corte, la presi�n y la distancia de la antorcha a la pieza tienen un efecto significativo para un nivel de confianza del 95%.

�         Se encontr� que el modelo ajustado para el c�lculo de consumo de energ�a para acero A36 de 2mm el coeficiente de determinaci�n (R�) tiene un 80.54% y para el acero A36 de 3mm el (R�) tiene un 92.88% de bondad de ajuste.

�         Teniendo en cuenta los resultados, se puede expresar que los modelos obtenidos por regresi�n lineal son adecuados para utilizarse como estimados del consumo de energ�a cuando se utilizan los mismos par�metros de corte.

 

Agradecimientos

Agradezco a la Universidad T�cnica de Cotopaxi Extensi�n La Man� por proporcionar las m�quinas necesarias para llevar a cabo esta investigaci�n. Se le agradece al Taller Industrial Ipaz, por el apoyo en materiales y equipos para el experimento.

 

Referencias

      1.            W. E. C. E. Chancusig Esp�n, �AN�LISIS DEL PROCESO DE CORTE POR PLASMA EN PLANCHAS DE ACERO EN LA EMPRESA ATU ART�CULOS DE ACERO S.A. Y SU INCIDENCIA EN LA PRODUCTIVIDAD.,� abril 2017. [En l�nea]. Available: http://repositorio.uti.edu.ec//handle/123456789/444.

      2.            Hypertherm, �La nueva definici�n del corte por Plasma,� La nueva generaci�n de corte plasma de Hypertherm, 11 09 2017. [En l�nea]. Available: https://www.hypertherm.com/es/resources/articles/la-nueva-definicion-del-corte-por-plasma/.

      3.            Metalmecanica, �Cortadoras de plasma: funcionamiento, aplicaciones y mantenimiento,� Equipo editorial de Metalmecanica, 01 04 2024. [En l�nea]. Available: https://www.metalmecanica.com/es/noticias/cortadoras-de-plasma-funcionamiento-aplicaciones-y-mantenimiento.

      4.            J. A. &. G. M. Garc�a, "Tecnolog�a del Corte por Plasma", Editorial Revert�., 2019.

      5.            J. C. N. y. J. A. Luis Aguirre, 2007. [En l�nea]. Available: https://www.heinrich-in.cz/data/files/83b9a72a1e4c33c7c46f5bca6ffa5a02_Dissertation_Heinrich_Michal_EN_version_.pdf.

      6.            G. R. Riofr�o Cruz, �An�lisis y evaluaci�n de los procesos de corte de planchas de acero en el sector industrial de la ciudad de Loja. Caso pr�ctico, proceso de corte con plasma.,� DSpace, n� http://dspace.unl.edu.ec/jspui/handle/123456789/16830, 2008.

      7.            Metalmec�nica, �Corte por plasma de alta definici�n,� 11 06 2008. [En l�nea]. Available: https://www.metalmecanica.com/es/noticias/corte-por-plasma-de-alta-definicion.

      8.            C. F. y. O. R. D. M. CALUPI�A J�COME, �Mejoramiento de los Par�metros de Trabajo para una Maquina de Corte, Universidad Escuela Polit�cnica Nacional. (P�g. 18 y 19)., 2013.

      9.            Y. L. S. P. Z. J. &. L. E. S. Jiao, Fuzzy adaptive networks in machining process modeling: surface roughness prediction for turning operations., 10.1016/j.ijmachtools.2004.06.004, 2004.

  10.            R. C. (. VAUGHN, �Introducci�n a la Ingenier�a Industrial�, Editorial Revert�, S.A. (p�g. 26)., 2019.

  11.            A. &. V. S. Castro, "Manual del T�cnico en Soldadura y Corte", Paraninfo., 2020.

  12.            R. d. Metalurgia, "An�lisis del Corte por Plasma en Aceros al Carbono", Vol. 57, No. 3., 2021.

  13.            J. &. G. F. M�ndez, "Optimizaci�n de Par�metros en el Corte por Plasma de Aceros", Revista T�cnica de Soldadura y Corte, Vol. 45, No. 2., 2021.

 

 

� 2024 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).