Corte a arco de plasma 101: princípios, processos e seleção de gás

1.0O que é a tecnologia de corte a plasma?

1.1Origens e desenvolvimento da tecnologia:

Durante a Segunda Guerra MundialAs fábricas dos EUA alcançaram inovações industriais significativas, aumentando consideravelmente a eficiência da produção de aeronaves e equipamentos militares.

Tecnologia de SoldagemPara melhorar a eficiência de corte e soldagem de peças de aeronaves, engenheiros adotaram uma nova técnica de soldagem: Soldagem a Gás Inerte de Tungstênio (TIG) ou Soldagem a Arco de Gás Tungstênio (GTAW). Esse método utilizava um arco elétrico para ativar gases inertes, formando uma camada protetora condutora que impedia a oxidação durante a soldagem, melhorando a qualidade das soldas e a resistência estrutural.

1.2O Nascimento do Corte a Plasma:

Início da década de 1960: Engenheiros inovaram ainda mais na tecnologia de soldagem TIG:

Aumento do fluxo de gás: e guiou o arco através de um bico estreito.

Formação do Plasma:Esse gás ionizado de alta temperatura e alta velocidade pode derreter metal e, por meio de um fluxo de ar de alta velocidade, soprar o metal derretido para longe, permitindo um corte rápido.

Esse novo método foi chamado de “Corte a Arco de Plasma”, que melhorou muito a velocidade de corte, a precisão e a adaptabilidade do material, permitindo o corte fácil de vários metais condutores.

2.0O que é Plasma?

Estado do Plasma:Quando os gases são aquecidos a temperaturas extremamente altas, as moléculas começam a se separar e os elétrons são ejetados dos átomos, formando um quarto estado da matéria: o plasma.

Composição do Plasma:O plasma consiste em um núcleo atômico carregado positivamente (prótons e nêutrons) e elétrons carregados negativamente.

No plasma, os elétrons são separados do núcleo atômico, formando elétrons (carga negativa) e íons (carga positiva) que se movem livremente.

Liberação de energia: Colisões de alta velocidade entre elétrons e íons liberam grandes quantidades de energia, e é por isso que o plasma tem capacidades de corte tão poderosas.

🔋 Exemplos naturais de plasma: Raio
💡 Aplicações do “Plasma Frio”: Luzes de neon, luzes fluorescentes, TVs de plasma (embora não possam cortar metais, têm ampla aplicação prática).

2.1Estado plasmático da matéria

Quatro Estados da Matéria:
Em nossa vida cotidiana, comumente encontramos três estados da matéria: sólido, líquido e gasoso. O corte a plasma envolve o quarto estado — o plasma.

Usando a água como exemplo para explicar o comportamento molecular em diferentes estados:

• Sólido (Água → Gelo):As moléculas são compactadas, com movimento mínimo e têm um formato fixo.
• Líquido (Água):As moléculas estão conectadas, mas podem se mover lentamente, com formato variável, mas volume fixo.
• Gás (Vapor de Água):As moléculas se movem livremente em altas velocidades, sem volume ou forma fixos.
• Estado do Plasma:
  Quando o gás é aquecido ainda mais, suas moléculas ganham mais energia, fazendo com que elétrons escapem dos átomos. Isso forma um grupo de partículas com cargas positivas e negativas, e essa substância altamente ionizada é o plasma. O plasma possui fluidez semelhante à dos gases e a capacidade de conduzir eletricidade, tornando-o ideal para processamento e corte em altas temperaturas.

2.2Princípio do processo de corte a plasma

• Método de Formação: Um arco elétrico é criado entre o eletrodo e a peça de trabalho. Após passar por um bico fino de cobre, o arco é comprimido, formando um fluxo de plasma de alta temperatura e alta pressão.
• Temperatura e Velocidade:A temperatura do plasma pode atingir até 15.000°C, e a velocidade do jato é próxima à velocidade do som.
• Processo de corte:
  • O arco elétrico de alta temperatura derrete o metal.
  • O fluxo de ar de alta velocidade sopra o metal fundido para longe da abertura de corte.
  • Isso permite um corte preciso e rápido.
• Características do processo: Fusão profunda, bordas limpas e alta velocidade de corte.

2.3Corte a Plasma vs. Corte a Oxigênio-Combustível

3.0Seleção de gás de corte de plasma e compatibilidade de materiais

Os sistemas modernos de corte a plasma utilizam diversas combinações de gases, dependendo do tipo de material e dos requisitos de corte. A escolha do gás correto não afeta apenas a qualidade e a velocidade do corte, mas também a vida útil do eletrodo e a viabilidade do tratamento pós-soldagem.

3.1Ar comprimido

• Ampla aplicação: Adequado para aço carbono, aço inoxidável, alumínio e a maioria dos metais.
• Uso comum: Frequentemente usado em cortadores de plasma portáteis, fácil de obter e de baixo custo.
• Reação Química: Cerca de 20% de oxigênio no ar reage com o aço carbono para aumentar a velocidade de corte e reduzir a escória.
• Desvantagens:
  • O teor de nitrogênio pode formar uma camada nitretada na superfície do aço, tornando-o muito duro e inadequado para soldagem.
  • O corte de aço inoxidável pode deixar uma camada de óxido marrom, exigindo pré-tratamento antes da soldagem.

3.2Oxigênio

• Compatibilidade do sistema: Usado somente em sistemas projetados para suportar oxigênio.
• Desempenho: Apresenta melhor desempenho em aço carbono, proporcionando a maior velocidade de corte, melhor qualidade de corte e soldabilidade.
• Usinagem: Os cortes podem ser perfurados, rosqueados ou usinados diretamente.
• Limitações: Não é adequado para alumínio e aço inoxidável.

3.3Azoto

• Velocidade de corte mais lenta: Não pode reagir exotermicamente com metais, resultando em velocidades de corte mais lentas.
• Camada nitretada: Forma uma camada nitretada muito dura sobre o aço carbono, deixando resíduos pesados de escória.
• Corte de aço inoxidável ou subaquático: Ajuda a reduzir as reações de oxidação e protege as bordas cortadas.
• Vida útil prolongada dos consumíveis: Quando combinado com nitrogênio de alta pureza e eletrodos de tungstênio adequados, pode estender significativamente a vida útil do consumível.
• Comum em modelos mais antigos: Frequentemente usado em máquinas de corte de plasma mais antigas.

3.45% Hidrogênio / 95% Nitrogênio (H5/N95)

• Uso primário: Para corte de alta qualidade de aço inoxidável com menos de 6 mm.
• Requisitos de equipamento: Requer consumíveis específicos e controle preciso de fluxo/pressão.
• Vantagens: Oferece excelente qualidade de borda, mas não é adequado para materiais mais espessos.

3.535% Hidrogênio / 65% Argônio (H35/Ar65)

• Equipamentos especiais: Requer cilindros de alta pressão para mistura de gases.
• Aplicativo:Comumente usado para cortar alumínio ou aço inoxidável acima de 9,5 mm.
• Outros usos: Adequado para goivagem de plasma, substituindo a goivagem por arco de carbono.
• Limitações: Pode produzir escória de refusão pesada em aço inoxidável fino.

Aviso de segurança:

Não utilize misturas de oxigênio ou hidrogênio em sistemas não autorizados, pois isso pode causar riscos de incêndio ou explosão.

Siga sempre as diretrizes de compatibilidade de gás e operação do fabricante do equipamento.

4.0Configuração recomendada do sistema de ar comprimido para corte a plasma

Um sistema de fornecimento de ar comprimido de alta qualidade é essencial para garantir a estabilidade e a qualidade do corte a plasma. Abaixo, apresentamos as principais dimensões a serem consideradas ao projetar e selecionar seu sistema:

4.1Perguntas básicas de seleção:

4.2Recomendações de acessórios e purificação da fonte de ar:

A qualidade do ar comprimido afeta diretamente a estabilidade de corte e a vida útil dos consumíveis. Os seguintes componentes são recomendados para o sistema:

5.0Métodos de ignição por arco piloto de plasma

5.1Ignição por arco de alta frequência (método tradicional)

• Princípio: Faíscas de alta frequência e alta voltagem criam uma abertura de centelha, permitindo que o ar se torne condutor e gerando o arco piloto.
• Desvantagens:
  • Pode interferir em dispositivos eletrônicos próximos (por exemplo, sistemas de controle CNC, computadores, etc.).
  • Risco de choque elétrico.
  • A folga da centelha é propensa ao desgaste e difícil de reparar.
  • Emite sinais de radiofrequência (RF), o que pode ser um problema de segurança em ambientes industriais.

5.2Ignição por arco sem HF (método convencional moderno)

Para acomodar sistemas CNC e ambientes eletrônicos sensíveis, os sistemas de plasma modernos geralmente usam tecnologia de ignição sem HF (alta frequência):

Descarga do capacitor (ignição SCR)

Utiliza um retificador controlado por silício (SCR) para liberar pulsos curtos de alta energia do capacitor para o circuito principal, criando uma faísca inicial para disparar o arco.

Ignição por arco de explosão

O eletrodo e o bico dentro da tocha inicialmente fazem contato. Quando o gatilho é acionado, o fluxo de gás separa os dois, criando uma faísca e estabelecendo o arco piloto.

Ignição por arco com mola

Quando a tocha é pressionada contra a peça de trabalho, o eletrodo e o bico entram em curto-circuito. A liberação da pressão faz com que os dois se separem, formando o arco.

Adequado para aplicações de contato ou corte próximo.

6.0Componentes de um sistema de corte de plasma

O corte a plasma é uma técnica eficiente de processamento de metais, adequada tanto para materiais finos quanto grossos.

Lanterna portátil: Capaz de cortar chapas de aço de até aproximadamente 50 mm de espessura.

Maçarico automatizado refrigerado a água (com sistema CNC): Capaz de cortar chapas de aço de até 150 mm de espessura.

Tradicionalmente, o corte a plasma é limitado a materiais condutores, mas a tecnologia moderna agora pode cortar materiais não condutores, como vidro e plástico, sob condições específicas (por exemplo, sistemas de ignição fechados).

6.1Fonte de alimentação para corte de plasma

A fonte de energia necessária para o arco de plasma é uma saída de corrente contínua (CC) com característica de queda de tensão e alta tensão de circuito aberto.

Parâmetros técnicos:

• Tensão de trabalho: normalmente entre 90-130 VCC.
• Tensão de circuito aberto (tensão inicial): pode chegar a 330 VCC.

Tipos comuns de fontes de energia:

• Tipo de retificador de transformador: Tradicional, oferece boa estabilidade.
• Fonte de alimentação do tipo inversor: Compacto, de alta eficiência, adequado para controle de precisão ou aplicações portáteis.

6.2Configuração de Ignição de Arco e Polaridade

• Arco Piloto:Quando o corte começa, um arco piloto é gerado inicialmente dentro da tocha, entre o eletrodo e o bico.
• Modo de arco transferido: O arco é transferido para a peça de trabalho para iniciar o corte real.
• Polaridade do eletrodo: Negativo (-)
• Polaridade da peça de trabalho: Positivo (+)

Esta configuração concentra aproximadamente 2/3 da energia do arco na peça de trabalho, melhorando a eficiência de corte e a penetração.

6.3Composição do gás e correspondência de eletrodos

Gases plasmáticos comuns e seus efeitos

6.4Importância da vazão de gás

A vazão correta do gás deve ser definida com base na corrente e no tamanho do bico.

Se o fluxo de gás for muito baixo e a corrente muito alta, uma arco duplo fenômeno pode ocorrer:

O arco é transferido do eletrodo para o bico e, depois, do bico para a peça de trabalho, causando desgaste rápido dos consumíveis, derretimento do bico e danos ao eletrodo.

6.5Visão geral da tocha de plasma

A tocha é o componente central do sistema de corte a plasma, responsável por conduzir o arco e direcionar o fluxo de gás.

Tipos

• Refrigerado a ar: Leve e adequado para aplicações de baixa a média potência.
• Refrigerado a água: Ideal para cortes de alta carga e longa duração, oferecendo boa estabilidade térmica.

Tochas modernas comparadas aos modelos tradicionais:

• Menor e mais leve.
• Maior capacidade de corte.
• Suporta múltiplos métodos de ignição de arco (elétricos ou mecânicos).

Problemas comuns e recomendações de uso

6.6Estrutura e design de segurança da tocha de plasma portátil padrão

Componentes de conexão da tocha

As tochas portáteis padrão normalmente incluem as seguintes conexões:

• Interface de energia/gás (por exemplo, usando ar como gás de corte)
• Cabo de arco piloto
• Cabo do interruptor de gatilho

Circuito de Proteção de Segurança

Para evitar choques elétricos durante a substituição de consumíveis, todas as tochas de plasma devem incluir um projeto de circuito de segurança:

A forma mais simples é uma circuito aberto anular, que corta imediatamente o circuito quando a tampa de retenção do bico é removida.

Sistemas avançados podem fechar automaticamente a válvula de gás para evitar operações acidentais.
Sem um circuito de segurança, a tensão de circuito aberto na cabeça da tocha pode chegar a 350 V CC, o que é altamente perigoso.

Estrutura da cabeça da tocha

A cabeça da tocha é composta pelos seguintes componentes:

• Eletrodo
• Anel de redemoinho: Controla a distribuição do fluxo de ar
• Ponta de corte
• Tampa de retenção

7.0O que é corte de plasma a ar?

7.1Características do processo

O corte a plasma foi usado pela primeira vez na década de 1960 para cortar aço carbono e continua sendo um dos métodos de corte mais comuns atualmente.

• O teor de oxigênio no ar reage com o metal fundido, gerando calor adicional (reação exotérmica), o que aumenta a velocidade de corte em aproximadamente 25% em comparação ao corte com nitrogênio.
• Desvantagem: Ao cortar aço inoxidável e alumínio, uma camada espessa de óxido é produzida na superfície, exigindo pós-processamento. Não é adequado para aplicações com requisitos rigorosos de qualidade de superfície.

7.2Problemas de consumíveis

• O oxigênio no ar acelera significativamente a erosão do eletrodo:
• O uso de eletrodos de tungstênio padrão resulta em desgaste rápido em segundos.
• Normalmente, são utilizados eletrodos feitos de zircônio, háfnio ou ligas de háfnio, mas sua vida útil ainda é menor em comparação aos plasmas de gás inerte.
• O resfriamento a ar também é usado para manter a estabilidade da temperatura do sistema.

7.3O que é corte de plasma a gás duplo?

Explicação do Princípio

Desenvolvido pela Thermal Dynamics no início da década de 1960, o plasma de gás duplo adiciona um gás secundário (gás de proteção) ao redor do bico principal, além do gás de plasma primário.

Finalidade secundária do gás:

Para estreitar o arco e aumentar a densidade de energia de corte.

Para remover escória, melhorando a limpeza do corte.

Recomendações de combinação de gases

Vantagens do corte de gás duplo

• Design de bico retrátil: O bico é embutido em um copo de cerâmica, evitando curto-circuito no bico e reduzindo significativamente o fenômeno do arco duplo.
• O gás de proteção cobre a área de corte: Isso melhora a qualidade e a velocidade do corte, ao mesmo tempo em que resfria o bico e a proteção.

Ideal para aplicações de corte industrial de alta precisão e alta qualidade.

7.4Sistemas de corte de plasma de alta precisão

Para melhorar a qualidade do corte e competir com o corte a laser, os fabricantes desenvolveram sistemas de corte a plasma de alta precisão e alta tolerância. Esses sistemas utilizam fluxos de plasma ultraconcentrados combinados com mecanismos de precisão acionados por CNC para melhorar a precisão do corte e a qualidade da superfície.

Vantagens (Comparado ao Plasma Convencional)

• Qualidade de corte: Entre o corte a plasma convencional e o corte a laser.
• Largura do corte: Mais estreito, mais adequado para usinagem de precisão.
• Zona afetada pelo calor: Menor, reduzindo a distorção térmica e a tensão de tração do material.

Adequado para integração com sistemas CNC e de automação, melhorando a estabilidade do lote.

Desvantagens (Comparado ao Plasma e Laser Convencionais)

• Espessura máxima de corte: Limitado, não adequado para chapas muito grossas.
• Velocidade de corte:
  • Mais lento que o corte a plasma convencional.
  • Aproximadamente 60–80% é a velocidade do corte a laser.
• Maior custo do equipamento: Requer um sistema de controle de alta precisão para desempenho ideal.

7.5Corte a plasma com injeção de água e cobertura de água

Corte de Plasma por Injeção de Água

O corte a plasma por injeção de água envolve a injeção radial de água no arco de plasma. Isso cria uma constrição do arco mais forte do que um bico de cobre sozinho, elevando a temperatura do arco em até 30.000 °C — mais que o dobro da dos arcos de plasma convencionais.

Características principais:

• Utiliza apenas nitrogênio gasoso para todos os metais, tornando o processo mais econômico e fácil de operar.
• O nitrogênio é altamente eficiente na transferência de calor do arco para a peça de trabalho. Ao se dissociar e recombinar na superfície do material, libera energia adicional, melhorando o desempenho de corte.
• Menos de 10% da água injetada vaporiza. O restante forma um spray cônico que:
• Resfria a superfície superior da peça de trabalho
• Previne a formação de óxido
• Resfria a ponta da tocha na área de calor máximo

Vantagens sobre o plasma convencional:

• Melhor qualidade de corte e esquadro de bordas
• Maior velocidade de corte
• Menor risco de arco duplo
• Erosão reduzida da ponta

7.6Corte de plasma com cobertura de água

O corte a plasma com cobertura de água é semelhante aos sistemas de fluxo duplo, exceto que a água substitui o gás de proteção secundário. Embora não melhore a constrição do arco, o efeito de resfriamento melhora certos aspectos do desempenho.

Características:

• Melhora a aparência do corte e a vida útil da ponta da tocha
• Nenhuma melhoria significativa na velocidade de corte, esquadria ou escória em relação aos sistemas de gás duplo
• Pode ser usado com uma cobertura de água ou com a peça de trabalho submersa 50–75 mm debaixo d'água

Benefícios em comparação ao plasma convencional:

• Redução da geração de fumaça
• Níveis de ruído mais baixos:
• 115 dB para plasma convencional
• 96 dB para corte de cobertura de água
• 52–85 dB para corte subaquático
• Vida útil da ponta estendida

7.7Resumo geral: Comparação de tecnologias de corte a plasma