Introdução:

Usualmente o plasma é definido como sendo o quarto estado da matéria. Costuma-se pensar normalmente em três estados da matéria sendo eles o sólido, líquido e gasoso. Considerando o elemento mais conhecido, a água, existem três estados: o gelo, água e vapor. A diferença básica entre estes três estados é o nível de energia em que eles se encontram. Se adicionarmos energia sob forma de calor ao gelo, este transforma-se em água, que sendo submetida a mais calor, vaporizará, separando-se em dois gases Hidrogênio e Oxigênio sob forma de vapor (Figura 1).

Figura 1 - Plasma, o quarto estado da matéria

Porém se adicionarmos mais energia, algumas de suas propriedades são modificadas substancialmente tais como a temperatura e características elétricas. Este processo é chamado de ionização, ou seja a criação de elétrons livres e íons entre os átomos do gás. Quando isto acontece, o gás torna-se um "plasma", sendo eletricamente condutor, pelo fato de os elétrons livres transmitirem a corrente elétrica. Alguns dos princípios aplicados à condução da corrente através de um condutor metálico também são aplicados ao plasma. Por exemplo, quando a secção de um condutor metálico submetido a uma corrente elétrica é reduzida, a resistência aumenta e torna-se necessário aumentar-se a tensão para se obter o mesmo número de elétrons atravessando esta secção, e conseqüentemente a temperatura do metal aumenta. O mesmo fato pode ser observado no gás plasma; quanto mais reduzida for a secção, tanto maior será a temperatura.

Desenvolvimento dos processos a arco plasma:

Em 1950, o processo TIG estava fortemente implantado como um novo método de soldagem para soldas de alta qualidade em metais nobres. Durante a pesquisa e desenvolvimento do processo TIG, cientistas do laboratório de solda da Union Carbide descobriram que ao reduzir consideravelmente o diâmetro do bocal direcionador de gás da tocha TIG, as propriedades do arco elétrico poderiam ser bastante alteradas. A redução do diâmetro do bocal constringia o arco elétrico, aumentando a velocidade do gás e o seu calor por efeito Joule. A temperatura e a tensão do arco cresceram dramaticamente, e a força do gás ionizado removeu a poça de fusão em alta velocidade. Ao invés de soldar, o metal foi cortado pelo arco plasma.

Figura 2 - Temperaturas do arco TIG e jato Plasma

Na figura 2, os dois arcos estão operando em 200 Ampères. O jato plasma é apenas moderadamente constringido (Æ do orifício do bocal = 4.8 mm), mas é operado com o dobro da tensão e produz um plasma muito mais quente que o arco correspondente ao TIG. Se a mesma corrente é forçada a passar através do orifício, com os mesmos parâmetros operacionais, a tensão e temperatura aumentam. Ao mesmo tempo uma maior energia cinética do gás sai do bocal, ejetando o metal fundido provocando assim o corte.

O arco do plasma foi consideravelmente mais quente que o arco TIG, conforme mostrado na figura 2.

Essas altas temperaturas foram possíveis em função do alto suprimento de gás no bocal da tocha plasma formar uma fria camada circular de gás não ionizado nas paredes do mesmo, permitindo um alto grau de constrição do arco. A espessura desta camada circular pode ser aumentada pela ação de rotação do gás de corte. A maioria das tochas plasma atuam no sentido de forçar a rotação do gás para aumentar a constrição do arco e conseqüentemente aumentar a temperatura do arco.

Arco transferido e não transferido:

O arco plasma pode ser transferido, quando a corrente elétrica flui entre a tocha plasma (cátodo) e a peça de trabalho (anodo); ou de modo não transferido quando a corrente elétrica flui entre o eletrodo e o bocal da tocha. Os dois modos de operação são mostrados na figura 3.
Embora o calor do arco plasma emerja do bocal nos dois modos de operação, o modo transferido é invariavelmente usado para corte uma vez que o "heat imput" utilizável na peça de trabalho é mais eficientemente aplicado quando o arco está em contato elétrico com a peça de trabalho.

Figura 3 - Plasma transferido e não transferido

Alterando as características do arco plasma:

As características do arco plasma podem ser bastante alteradas pela mudança do tipo e vazão do gás corrente de corte, tensão do arco e diâmetro do bico de corte. Por exemplo, se é usado uma baixa vazão de gás, o jato plasma torna elevada a concentração de calor na superfície da peça, sendo ideal para soldagem. Em contrapartida se a vazão de gás é suficientemente aumentada, a velocidade do jato plasma é tão grande que ejeta o metal fundido através da peça de trabalho.

Corte plasma convencional (1957):

Introduzida em 1957 pela UNION CARBIDE, esta técnica podia ser usada para cortar qualquer metal a velocidades de corte relativamente altas. A faixa de espessuras abrangida variava de chapas finas (0.5 mm) até chapas grossas (250 mm). A espessura de corte está diretamente relacionada com a capacidade de condução de corrente da tocha e propriedades do metal.

Uma tocha mecanizada com capacidade para 1000 Ampéres pode cortar 250 mm de aço inoxidável ou Alumínio. Contudo, na maioria das aplicações industriais, a espessura de corte não ultrapassa 50 mm. Nesta faixa de espessuras, o corte plasma convencional é usualmente alargado e tem a ponta circular. Cortes largos são o resultado de um desbalanceamento energético na face de corte. Um ângulo positivo de corte resulta da dissipação do calor na superfície da peça conforme a progressão do corte.

Figura 4 - Plasma convencional
 

Este desbalanceamento do calor é reduzido pelo posicionamento da tocha tão próximo quanto possível à peça de trabalho e aplicação do princípio de constrição de arco como mostrado na figura 4. O aumento da constrição do arco tende a tornar o perfil do arco maior e mais uniforme, causando um corte mais reto. Infelizmente a constrição de arco com um bico convencional é limitada pela tendência de o aumento da constrição desenvolver dois arcos em série (figura 5), sendo um entre o eletrodo e o bico e outro entre o bico e a peça de trabalho.

Figura 5 - Formação de duplo arco

Este fenômeno é conhecido como "duplo arco" e desgasta o eletrodo e o bico de corte. O arco duplo limita severamente a extensão do corte plasma com qualidade. Desde a introdução do processo de corte plasma nos anos 50, várias pesquisas tem sido realizadas com o objetivo de aumentar a constrição do arco, sem porém a criação do duplo arco.
O corte plasma como descoberto, é atualmente denominado como corte plasma convencional. Este pode ser largamente aplicado ao corte de vários metais e diferentes espessuras. Por exemplo, se o corte plasma convencional é usado para cortar aço inoxidável, aço Carbono e Alumínio, é necessário a utilização de diferentes gases e vazões para otimização da qualidade de corte nesses três tipos de metais.O corte plasma convencional predominou desde 1957 até os anos 70, e freqüentemente requerendo dispendiosas misturas de Argônio e Hidrogênio.


Arco plasma "DUAL FLOW" (1962)

A técnica dual flow foi desenvolvida em 1963. Esta técnica envolve uma pequena modificação em relação ao plasma convencional. Este processo utiliza-se das mesmas características como no plasma convencional, neste caso porém é adicionado um segundo gás de proteção ao redor do bico de corte. Usualmente, em operação dual flow o gás plasma é o Nitrogênio e o segundo gás de proteção é selecionado de acordo com o metal a ser cortado. Gases típicos para uso são normalmente ar comprimido ou Oxigênio para aço Carbono, dióxido de Carbono (CO2) para aços inoxidáveis e misturas de Hidrogênio/Argônio para Alumínio.

A velocidade de corte é melhor para aços ao Carbono quando comparado ao plasma convencional, contudo, a qualidade de corte é inadequada para algumas aplicações. A velocidade e qualidade de corte em aços inoxidáveis e Alumínio, é essencialmente a mesma que no plasma convencional.

A maior vantagem neste processo é que o gás secundário forma uma proteção entre o bico de corte e a peça de trabalho, protegendo o mesmo de curto-circuitos, como mostrado na figura 6, e reduzindo a tendência de "duplo arco". O gás de proteção também protege a zona de corte aumentando a qualidade e velocidade de corte, além de refrigerar o bico de corte e bocal da tocha.

Figura 6 - Plasma "Dual Flow"

Corte plasma com ar comprimido (1963):

O corte plasma por ar comprimido surgiu no início dos anos 60 para o corte de aço Carbono. O Oxigênio presente no ar proporcionava uma energia adicional em aços ao Carbono proveniente da reação exotérmica com o ferro incandescente. Esta energia adicional aumenta a velocidade de corte em 25% sobre o plasma com Nitrogênio. Embora o processo possa ser usado para o corte de aços inoxidáveis e Alumínio, a superfície de corte nesses materiais fica mais fortemente oxidada e não aceitável para algumas aplicações (Figura 7).

Figura 7 - Corte plasma a ar comprimido

O maior problema com o corte por ar comprimido é a rápida erosão do eletrodo. Eletrodos especiais feitos de Zircônio, Háfnio ou ligas de Háfnio, são necessários, uma vez que o eletrodo de Tungstênio desgasta-se em poucos segundos se o gás de corte conter Oxigênio. Mesmo com a utilização deste eletrodos especiais, a vida útil dos mesmos é consideravelmente menor que no processo plasma convencional.

Corte plasma com proteção d'água (1965):

O corte plasma com proteção de água é semelhante ao processo "dual flow", onde o gás de proteção secundário é substituído por água (Figura 8). O efeito de resfriamento provocado pela água aumenta a vida útil do bico de corte além de melhorar significativamente a aparência do corte, entretanto, o esquadrejamento e velocidade de corte permanecem constantes uma vez que a água não provê uma constrição adicional do arco.

Figura 8 - Corte plasma com proteção d'água

Arco plasma com injeção d'água (1968):

No início, estava estabelecido que uma ferramenta para aumentar a qualidade de corte era através do aumento da constrição do arco evitando-se o duplo arco. No processo plasma com injeção d'água, a água é injetada radialmente no arco de maneira uniforme como mostrado na figura 9. A injeção de água no arco contribui para um maior grau de constrição do arco atuando como se fosse um segundo bico de corte. As temperaturas do arco nesta região são estimadas em aproximadamente em 50.000°K ou seja 9 vezes a temperatura da superfície do sol ou ainda duas vezes a temperatura do arco plasma convencional. Como resultado final destas altas temperaturas, tem-se um grande aumento do esquadrejamento do corte, da velocidade de corte e eliminação da escória para corte de aço Carbono.

Figura 9 - Corte Plasma com injeção d'água

Um outro método utilizado para constrição do arco plasma com água é o desenvolvimento de um redemoinho de água em volta do arco. Com esta técnica, a constrição do arco depende da velocidade angular necessária a produzir um redemoinho estável de água. A força centrífuga criada pela alta velocidade de giro tende a achatar o filme aneliforme de água contra o arco, conseqüentemente obtém-se uma menor constrição de arco que na injeção radial de água (Figura 10).

Figura 10 - Direção de injeção d'água

Ao contrário do processo convencional descrito primeiramente, uma ótima qualidade de corte com o plasma com injeção de água é obtida para todos os metais com apenas um tipo de gás - Nitrogênio. A utilização de apenas um gás torna o processo mais econômico e fácil de operar. Fisicamente o Nitrogênio é ideal por causa de sua superior habilidade em transferir calor do arco à peça. O calor absorvido pelo Nitrogênio quando dissociado é transferido quando em contato com a peça de trabalho. A despeito das elevadas temperaturas no ponto em que a água é adicionada ao arco, menos de 10% da água é vaporizada. A água restante sai através do bocal sob forma de um spray cônico, vindo a refrigerar a superfície da peça. Este resfriamento adicional previne a formação de óxidos na superfície de corte e resfria o bico da tocha.

A razão da constrição do arco na região de injeção de água é a formação de uma camada isolada de vapor entre o jato plasma e a água injetada, como mostrado na Figura 11.

Figura 11 - Camada de vapor d'água

 A vida útil do bico de corte é largamente aumentada com a técnica de injeção de água, porque a camada de vapor isola o mesmo da alta intensidade de calor proveniente do arco ao mesmo tempo que a água protege e isola o bico do maior ponto de constrição do arco e de máxima temperatura. A proteção obtida pela camada de vapor d'água também permite uma inovação no desenho do bocal: Este pode ser de cerâmica, conseqüentemente, o arco duplo, a maior causa da destruição do bico deixa de existir.

Uma importante característica das extremidades cortadas, é que o lado direito do corte seja reto e o outro lado seja levemente chanfrado. Este fenômeno não é causado pela água injetada, sendo resultado de uma pequeno redemoinho em sentido dos ponteiros do relógio no gás. Este giro causa uma maior energia de arco a ser despendido no lado direito do corte. A mesma dessimetria de corte pode ser observada no corte plasma convencional, quando há turbilhonamento do gás de plasma. Este fato acarreta em que sentido de corte deve ser adequadamente escolhido de modo a provocar um corte de ângulo reto em todas as faces da peça (Figura 12).

Figura 12 - Direção do corte

Na figura 13, o anel mostra o lado de fora do corte feito na direção dos ponteiros do relógio, dando como resultado um corte reto no lado direito do corte. Similarmente o lado interno do corte é feito à esquerda para manter os bordos retos no lado interno do anel.

Figura 13 - Direção de corte

Mufla d'água e tábua d'água (1972):

Desde que os processos por arco plasma possuem uma elevada concentração de calor, acima de 50.000°K, há alguns efeitos negativos inerentes ao processo:

- A altas correntes, o corte plasma gera um intenso nível ruído, superior ao nível normal nas áreas de trabalho, requerendo proteção para os operadores.

- Fumaça e gases tóxicos em potencial desenvolvem-se em áreas de trabalho, exigindo uma boa ventilação.

- A geração de radiação ultravioleta, pode causar queimaduras na pele e olhos, requerendo o uso de vestimenta adequada e utilização de óculos escuros.

Este grupo de efeitos garantiram ao processo plasma algumas críticas do ponto de vista de meio ambiente. Alguma coisa tinha que ser feita com relação a esse aspecto.

Em 1972, foi introduzido pela Hyperterm dois sistemas de anti-poluição, sendo a mufla de água e tábua de água, que controlam os efeitos nocivos do processo plasma.
Mufla d'água

O sistema de mufla d'água cria uma camada protetora ao redor da tocha, produzindo os seguintes efeitos benéficos quando usados com a tábua d'água:

- O alto nível de ruído do processo plasma é substancialmente reduzido pela barreira criada pela água.

- A fumaça e gases tóxicos são confinados na barreira d'água, que acoplado a um sistema purificador, remove as partículas sólidas.

- A claridade do arco é reduzida a níveis que são menos perigosos aos olhos.

- Com uma coloração adequada, a radiação ultravioleta é diminuída.

Tábua de água

Trata-se de um reservatório de água localizado abaixo da peça a ser cortada, a qual, tem a finalidade de absorver grande parte do ruído e fumaça gerada nas operações de corte.

Corte subaquático (1977):

Desenvolvimentos na Europa com o objetivo de diminuir o nível de ruído e eliminação da fumaça, levaram ao surgimento do corte plasma subaquático. Este método para fontes plasma acima de 100 Ampéres tem se tornado tão popular que atualmente muitos sistemas de corte plasma cortam sob água.

Para o corte subaquático, a peça é imersa sob 2 a 3 polegadas de água, e a tocha plasma corta enquanto imersa. Como conseqüência, o ruído, a fumaça e as radiações do arco elétrico são drasticamente reduzidas. Um aspecto negativo neste método é que a peça não pode ser observada durante o corte e a velocidade de corte é diminuída de 10-20%. Além do fato do operador não determinar pelo som do arco se o processo de corte está se dando normalmente ou se as partes consumíveis da tocha se desgastaram.

Finalmente, no corte subaquático, pequena quantidade de água é dissociada na zona de corte, provocando a formação de íons de Oxigênio e Hidrogênio. O Oxigênio tem a tendência de se combinar com o metal fundido (principalmente em Alumínio e ligas leves) formando óxidos, deixando Hidrogênio livre dentro d'água. Este Hidrogênio forma bolsas sob a peça, que quando em contato com o jato plasma causa pequenas explosões. Em função deste fato, a água deve ser constantemente agitada quando do corte destes metais.

Corte subaquático com mufla:

Baseado na popularidade do corte subaquático, foi desenvolvido em 1986 este tipo de corte, no qual é injetado ar ao redor da tocha, estabelecendo uma bolha de ar onde o corte se processa. Este torna-se um corte subaquático com injeção de ar, sendo mais freqüentemente usado com Oxigênio para cortes acima de 260 Ampéres. O uso desta técnica aumenta a qualidade e velocidade de corte.

Corte plasma a ar comprimido de baixa corrente (1980):

Em 1980, os fabricantes de equipamentos introduziram no mercado, equipamentos usando ar como gás de plasma, particularmente para sistemas de baixa corrente. A Termal Dynamics (EUA) lançou o PAK3 e a SAF (França) introduziu o ZIP-CUT, as duas unidades foram um grande sucesso nos mercados Norte Americano e Europeu respectivamente. Este fato propiciou uma nova era para o corte plasma, aumentando em 50 vezes o mercado nos anos 80, surgindo novos fabricantes. A partir desta data, o corte plasma foi aceito como um novo método para corte de metais, sendo considerado uma valiosa ferramenta em todos os segmentos da indústria metalúrgica moderna.

Com este novo alento, aumentou a competitividade na indústria de corte plasma, um grande número de inovações tecnológicas foram introduzidos, tornando o processo fácil de usar. O processo tornou-se muito mais confiável e operacional. A utilização da tecnologia dos inversores melhorou as características do arco ao mesmo tempo que diminuiu as dimensões e peso dos sistemas. Outras evoluções foram introduzidas como no caso do arco piloto por contato ("blow back" - retração do eletrodo), eliminando a alta freqüência na tocha e também o anel injetor de ar que protege as partes frontais da tocha durante as operação de corte.

Corte plasma com oxigênio (1983):

O corte plasma com injeção de Oxigênio contornou o problema da vida útil do eletrodo pelo uso de Nitrogênio como gás de plasma com a injeção de Oxigênio abaixo da saída do bocal, como mostrado na figura 14.

Figura 14 - Plasma com injeção de Oxigênio

Este processo é usado exclusivamente para aço Carbono e tem como consequência um pequeno aumento na velocidade de corte, contudo, algumas desvantagens são notadas, como uma deficiência no esquadrejamento do corte, excesso de material removido, pequena vida útil do bocal e limitações quanto ao metal a ser cortado (aço Carbono). Em alguns locais onde este processo foi usado, o pequeno aumento na velocidade de corte associado as desvantagens citadas não justifica um investimento extra em um novo tipo de tocha.

Corte plasma de alta densidade (1990):

O corte LASER tem se tornado um importante e competitivo método na indústria metalúrgica em função de sua habilidade de produzir cortes precisos e de excelente qualidade. Com o objetivo de alcançar uma fatia deste mercado, os fabricantes de equipamentos plasma tem investido em projetos para aumentar a qualidade de corte de seus equipamentos.

Em 1990, foi visto a primeira instalação de plasma de alta densidade de 40 a 90 Ampéres. Este processo produz um corte esquadrejado e de espessura reduzida, aumentando a velocidade de corte. Espera-se que a qualidade de corte no plasma de alta densidade seja igual ao do corte laser. Considerando que o custo de implantação do processo plasma exige um investimento inicial bem menor, este tornar-se-á o maior concorrente do processo LASER.

Conclusão:

Ao fim desta revisão, tornou-se claro que o processo plasma teve um assombroso progresso nos últimos 35 anos, particularmente nos últimos 5 anos. Atualmente três tendências principais devem ser observadas:

1. O mercado para unidades portáteis abaixo de 200 Ampéreses continuará a se expandir.

2. O mercado para máquinas de corte e robôs continuará necessitando de alta qualidade de corte e tolerâncias cada vez menores para o processo plasma.

3. Pesquisas e desenvolvimentos nas partes consumíveis e tochas continuarão constantemente estendendo a vida útil dos mesmos e aumentando a qualidade de corte.