El corte por arco de plasma (PAC, por sus siglas en inglés) se ha consolidado como una técnica de corte térmico ampliamente utilizada en diversas aplicaciones industriales, desde la construcción naval hasta la industria automotriz. Este proceso implica la emisión de un chorro de plasma, un gas ionizado a alta temperatura, que funde y elimina partes no deseadas de materiales conductores eléctricos, como los metales.
El plasma se genera en dos etapas: primero, se presuriza un gas a través de un pequeño orificio en la boquilla; segundo, se crea un arco eléctrico mediante una fuente de alimentación. Este arco ioniza el gas, produciendo plasma con temperaturas extremadamente altas, lo que permite cortar metales y aleaciones de manera rápida y precisa.
Impacto de la dinámica del flujo de gas en la calidad del corte
La calidad del corte realizado mediante PAC depende de múltiples factores, como el tipo de gas utilizado, la presión, la forma y el tamaño del orificio de la boquilla, así como la corriente y el voltaje del arco, la velocidad de corte y la distancia entre la antorcha de plasma y la pieza de trabajo. A pesar de que muchos de estos aspectos se comprenden bien, el impacto de la dinámica del flujo de gas en la calidad del corte ha sido menos explorado, principalmente debido a las dificultades en la visualización de estos flujos.
Un equipo de investigadores, liderado por el Dr. Upendra Tuladhar de la Universidad Nacional de Pusan, en colaboración con el Instituto Coreano de Maquinaria y Materiales, ha desarrollado métodos experimentales y computacionales innovadores para comprender mejor la dinámica del flujo de gas en el PAC. Sus hallazgos fueron publicados en la revista International Communications in Heat and Mass Transfer.
El Dr. Tuladhar destaca la motivación detrás de su investigación, explicando que el objetivo fue evaluar el comportamiento del flujo de gas en los surcos de diferentes geometrías derivadas de piezas de trabajo reales. Observó que la forma del frente de corte en el surco varía con la velocidad de corte, siendo que a alta velocidad se produce un frente de corte curvado. Esta curvatura genera un comportamiento no deseado del flujo de gas, lo que influye negativamente en el rendimiento del corte. Por ello, se realizaron análisis adicionales para comprender mejor este fenómeno.
En su estudio, los investigadores propusieron un modelo de simulación de dinámica de fluidos computacional para explorar cómo la curvatura del frente de corte afecta el comportamiento del flujo en PAC. Además, llevaron a cabo imágenes de Schlieren, una técnica que permite visualizar cambios en el índice de refracción de un fluido a través de la desviación de rayos de luz, lo que resulta en la captura de flujos de gas normalmente invisibles. Posteriormente, compararon los patrones de flujo de gas predichos por las simulaciones con los resultados obtenidos mediante la imagen de Schlieren.
Los resultados revelaron que la curvatura del frente de corte daba lugar a estructuras de ondas de choque oblicuas, lo que reducía significativamente la velocidad del flujo. Las estructuras de choque débiles presentes en el frente de corte curvado disminuían gradualmente la velocidad del flujo, logrando que se alcanzara una velocidad crítica en el surco con un frente de corte altamente curvado, lo que impedía la penetración vertical más allá de esta velocidad.
Por último, los investigadores validaron sus resultados numéricos al observar que las líneas de esfuerzo cortante coincidían con los patrones de estriación en las paredes del surco.
El Dr. Tuladhar concluye que una mejora en el PAC podría facilitar el corte de componentes metálicos gruesos en reactores nucleares, como los recipientes a presión y generadores de vapor. Esta técnica podría llevar a un desmantelamiento más seguro y eficiente de instalaciones nucleares, disminuyendo el riesgo de exposición a la radiación para los trabajadores y las comunidades circundantes, así como aliviando la carga financiera para los gobiernos y contribuyentes. Además, el método podría adaptarse para cortes submarinos, proporcionando una forma segura de desmantelar estructuras sumergidas.
Más información:
Upendra Tuladhar et al, Análisis numérico y visualización de Schlieren de la dinámica del flujo de gas dentro del surco de corte por arco de plasma con frentes de corte curvados, International Communications in Heat and Mass Transfer (2024). DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.108075
