electrodo metalico de arco y metodo para cortar o ranurar con arco

k
19
REGISTRO DE LA
PROPIEDAD INDUSTRIAL
k
21
4
51
ESPAÑA
12
k
ES 2 001 984
kNúmero de solicitud: 8602126
kInt. Cl. : B23K 35/22
11 N.◦ de publicación:
PATENTE DE INVENCION
k
22 Fecha de presentación: 24.09.86
A6
k
73 Titular/es: Eutectic Corporation
40-40 172nd Street, Flushing
New York 11358, US
k
30 Prioridad: 25.09.85 US 780031
k
72 Inventor/es: Gamberg, Edward R.
k
74 Agente: Elzaburu Márquez, Alberto
45 Fecha de anuncio de la concesión: 01.07.88
46 Fecha de publicación del folleto de patente:
01.07.88
k
k
k
metálico.
kResumen:
54 Tı́tulo: Electrodo metálico de arco y método para cortar o ranurar con arco eléctrico un substrato
57
Electrodo metálico de arco, del tipo tubular de
mecha o de núcleo, que comprende un tubo de
metal forjado y una composición de núcleo densificada consistente esencialmente en un metal reactivo en partı́culas mezclado con óxido metálico
exotérmicamente reaccionable y que contiene aproximadamente 0-30% en peso de un aditivo elegido
entre agentes estabilizadores de arco, fundentes,
desoxidantes y formadores de gas. El método para cortar o ranurar con arco eléctrico un substrato
metálico comprende habilitar al menos un electrodo metálico de arco, establecer un arco eléctrico entre el extremo de dicho electrodo y dicho
substrato metálico a fin de efectuar el corte o ranurado de éste, alimentar una corriente de gas a
presión al área que se esté cortando o ranurando,
y proseguir dicho corte o ranurado sin dejar de
alimentar continuamente a dicha área la citada
corriente de gas a presión.
Venta de fascı́culos: Registro de la Propiedad Industrial. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid
2 001 984
DESCRIPCION
La presente invención se refiere a electrodos tubulares de mecha o núcleo, y a un método de ranurar
o cortar metales con arco eléctrico.
5
Conocido es ya el recurso de cortar, ranurar y achaflanar placas de acero, y similares, a regı́menes de
velocidad relativamente altos, usando el calor de un arco eléctrico. Uno de los métodos es el corte de metales con arco a base de electrodos de carbón usando una corriente de aire para eliminar el metal derretido.
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15
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25
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35
En el corte con arco y electrodo de carbón más aire, se establece un arco eléctrico entre un electrodo
de carbón (grafito) y la pieza de labor metálica que se va a fundir. Al lugar de la fusión se dirige continuamente uno o más chorros de aire comprimido para expeler el metal derretido.
La eliminación de metal usando el procedimiento del arco con electrodo de carbón y con aire es continua, al hacerse avanzar el arco con el electrodo de carbón en el corte. Este procedimiento se usa para
seccionar y acanalar o ranurar, usándose el de acanalar para la preparación de ranuras para soleo, y para
la eliminación de una raı́z de soldadura o de una zona de soldadura defectuosa.
La punta o extremidad de trabajo del electrodo se caldea a elevada temperatura por efecto de la
intensidad de corriente del arco, y no se funde. El electrodo se consume durante el corte, perdiéndose el
carbono por oxidación o sublimación de la punta. La operación de cortar con arco a base de electrodo de
carbón y aire requiere un portaelectrodo, unos electrodos de corte, una fuente de alimentación o suministro de energı́a y un suministro de aire. El procedimiento puede llevarse a cabo manual o mecánicamente.
El substrato (pieza de labor) metálico es continuamente calentado y derretido mientras enérgicamente
se quita soplando el metal fundido del corte, dirigiendose para ello una corriente libre, de gran velocidad,
de aire a lo largo de uno de los lados de la superficie expuesta de la extremidad de trabajo del electrodo. En condiciones de trabajo apropiadas, el chorro o corriente de aire pasa velozmente por debajo
de la punta del electrodo. La longitud del arco ha de dejar hueco suficiente para proporcionar un flujo
continuo de aire en el corte. Este flujo de aire, preferiblemente, es paralelo al eje del electrodo. Ası́, al
pasar la corriente de aire por entre el electrodo y el substrato metálico, la fuerza de esta corriente de aire
de alta velocidad es lo bastante grande para quitar eficazmente el metal derretido de debajo del arco y
proporcionar una acción acanaladora uniforme al irse consumiendo el electrodo.
El arco se hace saltar tocando ligeramente la pieza de labor con el electrodo, y retirando éste a la
distancia apropiada de acuerdo con las necesidades de tensión del arco. La técnica para acanalar es distinta de la que se emplea en el soldeo por arco, ya que en aquella se quita metal, en lugar de depositarlo.
La longitud de arco apropiada se mantiene moviendo el electrodo en la dirección del corte con la rapidez
suficiente para ir al mismo paso que la eliminación de metal.
40
Los procedimientos usuales de ranurar y cortar con arco a base de electrodo de carbón y con ayuda
de aire tienen las siguientes desventajas inherentes:
45
1) el arco con electrodo de carbón tiende a ser inestable, y a menudo puede crear un insoportable nivel
de ruido;
2) en ciertas condiciones, pueden producirse depósitos de carbono en la ranura, de modo que una
porción del substrato en la ranura resulta carburada o cementada, lo que no es deseable;
50
3) los electrodos de carbón son frágiles y se rompen fácilmente durante su manipulación; y
4) existe una fuerte tendencia al desprendimiento de vapores o “humos”, con la consiguiente incomodidad para el operario y en las áreas circundantes.
55
60
En relación con los electrodos de carbón recubiertos de cobre, pueden formarse depósitos de cobre que
afecten adversamente a las operaciones sucesivas.
Serı́a conveniente ofrecer un electrodo metálico de corte con arco eléctrico constituido de modo que
proporcionase un arco estable, que fuese autofundente y fluidificante para ayudar a obtener un corte limpio, que pudiese contener agentes formadores de vapores, desoxidantes y formadores de gases, y similares,
que fuese capaz de generar calor durante el corte o ranurado a fin de aumentar el calor proporcionado
por el arco eléctrico, y que no tuviese las desventajas concomitantes del electrodo de carbón.
2
2 001 984
Es objeto de la presente invención ofrecer un electrodo metálico de arco para uso en el corte y ranurado de metal con ayuda de aire.
5
Otro objeto es el de habilitar un método de cortar o ranurar metal, usando un electrodo metálico de
arco con aire, caracterizado por producir un arco estable, autofundente y fluidificante durante el corte y
que inherentemente desarrolle calor durante el corte o ranurado con arco eléctrico.
Estos y otros objetos se irán desprendiendo más claramente de la descripción ilustrativa que sigue,
tomada en unión de los dibujos adjuntos y de las reivindicaciones finales.
10
Figura 1
Es una vista en perspectiva de una de las formas de ejecución del electrodo, en forma de serpentı́n o
arrollamiento.
15
Figura 2
Ilustra un electrodo en forma de varilla.
20
Figura 3
Es un corte del electrodo de la figura 2, tomado según la traza 3-3.
25
30
Una de las formas de ejecución del invento tiende a obtener un electrodo metálico de arco, del tipo
tubular de mecha, para uso en operaciones de cortar y ranurar substratos metálicos con ayuda de aire,
comprendiendo dicho electrodo un tubo metálico y una composición de núcleo o “mecha” que en esencia consta de un reactivo metálico en partı́culas mezclado con un óxido metálico capaz de reaccionar
(reaccionable) exotérmicamente y que, a discreción, contiene de cero a aproximadamente 30% en peso de
material (aditivo), basado en el peso total de la composición del núcleo, eligiéndose el aditivo de entre
el grupo que consta de agentes estabilizadores de arco, fundentes, desoxidantes y formadores de gas. El
metal reactivo en partı́culas se caracteriza por una energı́a libre de formación de su óxido, referida a 25◦
(o sea a 298,16◦K), de por lo menos unas 100.000 calorı́as por átomo-gramo de oxı́geno, caracterizándose
el oxı́geno metálico exotérmicamente reaccionable mezclado con aquel por una energı́a libre de formación
del mismo no superior a unas 90.000 calorı́as por átomo-gramo de oxı́geno, referida a 25◦ C.
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40
45
50
La composición del núcleo es, preferiblemente, de alrededor de 5% a 30% en peso del electrodo total,
consistiendo la composición en sı́ esencialmente, de alrededor de 10%a 70% en peso del reactivo metálico
y alrededor de 90% a 30% en peso del óxido metálico, con una proporción entre cero y aproximadamente
20% –v. gr., de alrededor de 1/2% a 10%– en peso de un aditivo elegido de entre el grupo que consta de
agentes estabilizadores de arco, fundentes, desoxidantes y formadores de gas.
Otra forma de realización del invento reside en un método para cortar o ranurar con arco eléctrico
un substrato metálico. El método comprende las acciones o etapas de disponer al menos un electrodo
metálico de arco, de tipo tubular de mecha, compuesto de un tubo metálico y de una composición de
núcleo que en esencia consta de un reactivo metálico en partı́culas mezclado con un óxido metálico
exotérmicamente reaccionable y que contiene hasta alrededor de 30% en peso de material en partı́culas,
basado en el peso total de la composición de núcleo, estando el material elegido de entre el grupo que
consta de agentes estabilizadores de arco, fundentes, desoxidantes y formadores de gas. Como antes se
ha dicho, el reactivo metálico en partı́culas se caracteriza por una energı́a libre de formación de su óxido,
referida a 25◦ C, de por lo menos alrededor de 100.000 calorı́as por átomo-gramo de oxı́geno, caracterizándose el óxido metálico exotérmicamente reaccionable mezclado con aquél por una energı́a libre de
formación del mismo no superior a unas 90.000 calorı́as por átomo-gramo de oxı́geno, referida a 25◦C.
55
El método comprende la acción de establecer un arco eléctrico entre el extremo del electrodo y el
substrado metálico a fin de efectuar el corte o ranurado de éste, alimentar con una corriente de gas
–v.gr., aire– a presión el área que se está cortando o ranurando, y proseguir el corte o ranurado sin dejar de alimentar continuamente con la corriente de gas a presión el área que se está cortando o ranurando.
60
El electrodo metálico tubular de mecha se caracteriza por unas propiedades de corte y ranurado con
ayuda de gas notablemente mejoradas en comparación con las de los electrodos usuales de carbón con
ayuda de gas. A semejanza de lo que ocurre con el electrodo de carbón, el electrodo metálico es fácil de
manejar, y no se recalienta como lo hace el electrodo de carbón.
3
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5
10
El electrodo metálico es capaz de proporcionar un arco eléctrico controlado con precisión usando
energı́a eléctrica de corriente continua, preferiblemente con polaridad positiva y a tensión constante. El
calor generado por el arco hace que el metal de base y el electrodo se fundan localmente produciendo
un charco de metal en estado de fusión que es eliminado casi instantáneamente por un chorro de aire
acompañante, viniendo la corriente de aire adecuadamente enfocada al área que se está cortando o ranurando.
Mediante el empleo del nuevo electrodo metálico de esta invención, puede obtenerse en general una
ranura de corte limpio y brillante, de manera consistente y reproducible, en el lugar conveniente y deseado
por el operario. El electrodo metálico es capaz de funcionar a una velocidad de traslación muy rápida
con gran exactitud. Una ventaja de la invención es la de que se requiere sólo un mı́nimo de tratamiento
o repaso tras el ranurado, para preparar la ranura para operaciones sucesivas tales como las de soldar,
pintar, metalizar por proyección o atomización, y similares.
15
Otra ventaja del electrodo metálico (“alambre”) sobre el carbón es la de que el electrodo metálico
puede transportar una elevadı́sima intensidad de corriente, si ası́ se desea. Un determinado diámetro
de electrodo metálico puede abarcar una gama de intensidades de corriente que harı́a necesarios por lo
menos tres o más tamaños de electrodo de carbón para obtener la misma gama de corriente de trabajo.
20
El electrodo metálico de la invención es capaz de permitir operaciones precisas de ranurar y cortar,
tales como las de quitar remaches, soldaduras por puntos, cortar empuñaduras o paneles de acceso en
chapa delgada, quitar soldaduras en ángulo (ortogonales) y en ranura, cortar chapas y placas, quitar
sujeciones, quitar creces y superficies duras, eliminar grietas y defectos, entre otros usos.
25
30
35
La invención resulta particularmente útil en forma de electrodos continuos. Como se usa un tubo
metálico –v.gr., de acero suave–, en comparación y contraste con el frágil electrodo de carbón, se pueden
llevar a cabo operaciones continuas de cortar y ranurar metal con un mı́nimo de tiempo de inactividad
o de tiempo improductivo. Es más, empleando agentes estabilizadores de arco, fundentes, formadores de
gas, etc., puede mantenerse un arco eléctrico estable durante un substancial perı́odo o espacio de tiempo,
hasta que el electrodo continuo se gaste o la operación de cortar o ranurar se termine.
Una forma de ejecución de electrodo continuo es la representada en la figura 1, que ilustra un arrollamiento 10 de un electrodo tubular metálico 12 de arco, para procesos semiautomáticos o totalmente
automáticos. Tal electrodo puede tener, por ejemplo, un diámetro exterior comprendido entre alrededor
de 0,64 mm y 9,5 mm, o preferiblemente entre alrededor de 1,6 mm y 3,2 mm. El espesor de pared
variará según el diámetro exterior. Una de las formas de ejecución de un electrodo tubular de mecha es
la que tiene un diámetro exterior de alrededor de 1,27 mm y un espesor de pared de alrededor de 0,2 a
0,38 mm, o bien de 0,25 a 0,51 mm.
40
El tubo 13 del electrodo puede estar hecho de acero suave, tal como acero 1030, aunque pueden emplearse otros metales forjados. No obstante, se prefieren los aceros de bajo contenido de carbono.
45
50
El electrodo 12 puede fabricarse formando, con una tira de acero del tipo 1030, de aproximadamente
0,30 mm de espesor por 12,0 mm de ancho, un canalón de perfil en U al hacerla pasar por sucesivos
rodillos formadores. El material de núcleo 14 se introduce en el canalón, y más tarde unos puestos de
formar van cerrando gradualmente la tira hasta formar un tubo redondo. A continuación, el tubo 12 se
estira a su tamaño definitivo con el material de núcleo dentro, el cual se consolida o densifica en virtud
de la reducción de tamaño del tubo durante el estirado. La figura 3 es un corte transversal del tubo
terminado.
La figura 2 ilustra el electrodo tubular de mecha, de una longitud prefijada, que comprende un tubo
12A similar al electrodo tubular continuo 12 de la figura 1, con la excepción de que se usa manualmente
en forma de varilla o bastoncillo cuyo extremo abierto se cierra o aprieta en 15.
55
60
Como antes se ha dicho, el material del núcleo consta esencialmente de un reactivo metálico en
partı́culas mezclado con un óxido metálico exotérmicamente reaccionable, y de modo discrecional contiene de cero a un 30% aproximadamente, en peso, de un material (aditivo), basado en el peso total
de la composición de núcleo, eligiéndose el mateiral o aditivo de entre el grupo que consta de agentes
estabilizantes, fundentes, desoxidantes y formadores de gas. De preferencia, la proporción de reactivo
metálico contenido en la mezcla de núcleo puede oscilar, en peso, entre alrededor de 10% y 70% (v.gr.,
entre un 20% y un 50%, o entre un 25% y un 35% aproximadamente), en mezcla con alrededor de 30%
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a 90% de óxido metálico (v.gr., entre un 50% y un 80%, o entre un 65% y un 75% aproximadamente), y,
a discreción, entre cero y alrededor de un 20% de dicho aditivo.
El metal reactivo y el óxido metálico
5
10
Como antes se ha dicho, el reactivo metálico se caracteriza por una energı́a libre de formación de su
óxido, referida a 25◦ C, de por lo menos unas 100.000 calorı́as por átomo-gramo de oxı́geno. El metal
reactivo incluye los elegidos de entre el grupo que consta de magnesio, aluminio, circonio, titanio y aleaciones de al menos dos de dichos metales. El óxido metálico puede ser, de preferencia, un óxido de un
metal del grupo del hierro: por ejemplo, óxido de hierro, óxido de nı́quel, etc.
15
Un reactivo metálico preferido es una aleación de Mg-Al, constituyendo la aleación, preferiblemente,
alrededor de 20% a 50% en peso de la composición del núcleo. El óxido metálico puede ser un óxido de
hierro como, por ejemplo, Fe2 O3 , Fe3 O4 , etc. A tı́tulo de ejemplo, la aleación reactiva de Mg-Al puede
comprender aproximadamente, en peso, 50% de Mg y 50% de Al, comprendiendo entonces la mezcla con
óxido de hierro aproximadamente 30% de aleación de Mg-Al y aproximadamente 70% de óxido de hierro,
basadas las proporciones en la composición de núcleo. En este caso se prescinde de los aditivos, ya que
el óxido de hierro en proporciones de exceso es un buen agente fundente con los metales reactivos oxidados.
20
Los aditivos
Para asegurar un funcionamiento óptimo, en todos sus aspectos, del electrodo, en la composición de
núcleo o “mecha” del mismo puede incluirse, a discreción, al menos un aditivo elegido de entre el grupo
que consta de agentes estabilizadores de arco, fundentes, desoxidantes y formadores de gas.
25
Los estabilizadores de arco incluyen los elegidos de entre el grupo que consta de compuestos de metales
alcalinos y de metales alcalino-térreos, incluyendose en estos compuestos los silicatos, óxidos, carbonatos,
etc. Los carbonatos son ventajosos, por ser además formadores de gases.
30
Entre los agentes fundentes se incluyen el óxido de hierro, carbonato de hierro, TiO2 , CaCO3 , ZrO2
y también los fluoruros y silicatos de metales alcalinos y de metales alcalino-térreos.
35
Como desoxidantes son tı́picos el Si, Mg, Al, Mn, Ti y ferroaleaciones de los mismos: v.gr., ferrosilicio,
ferromagnesio, ferroaleaciones de los mismos: v.gr., ferrosilicio, ferromagnesio, ferroaluminio, ferromanganeso y ferrotitanio.
40
Los formadores de gas pueden incluir el carbonato de hierro, materiales orgánicos (v. gr., celulosa),
minerales hidratados (bentonita, esmectitas, mica, etc.), entre otros. Estos generan gases en el arco –tales
como CO2 y agua–, que ayudan a expeler el metal derretido del área ranurada. Como aditivos también
pueden usarse formadores de vapores, tales como el ZnO, fluoruros de bajo punto de fusión, y similares.
Como antes se ha dicho, un exceso de óxido de hierro en el núcleo puede ser útil para desescoriar de
Al y Mg el núcleo, al oxidarse estos metales formando sus óxidos correspondientes (v.gr., Al2 O3 y MgO).
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50
55
60
El electrodo tubular de mecha
La porción tubular del electrodo, preferiblemente, se hace de un acero suave forjado, tal como los
aceros designados con los tipos 1008, 1010, 1020, 1030, 1040, 1060, 1080, de otro modo denominados aceros al carbono. La porción tubular del electrodo puede hacerse de otros metales forjados, disponibles en
forma de tira o fleje susceptible de ser trabajado para formar un electrodo tubular de suficiente resistencia mecánica, que pueda ser manipulado con dispositivos usuales de transporte o alimentación de alambre.
La composición del núcleo puede variar, en peso, desde alrededor de 5% a un 30% (o bien entre un 8%
y un 20%aproximadamente) del peso total del electrodo, constituyendo el metal reactivo, de preferencia,
de un 20% a un 50%aproximadamente de la composición de núcleo, el óxido metálico aproximadamente
un 20% a un 70% de la composición del núcleo, y conteniendo el resto de la composición de núcleo, a
discreción, de acero de alrededor de un 20% o un 30% en peso de aditivos: por ejemplo, de alrededor de
1/2% a un 10%aproximadamente.
La porción tubular del electrodo, como aquı́ se ha dicho, puede variar en diámetro exterior de alrededor de 0,64 mm a unos 9,5 mm, con un espesor de pared de alrededor de 0,13 a 1,27 mm. Un electrodo
preferido es el que tiene un diámetro exterior que oscila entre 1,6 y 3,2 mm, con un espesor de pared que
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oscila entre 0,2 y 0,38 mm aproximadamente, o entre alrededor de 0,25 y 0,51 mm.
Resultados de los ensayos
5
10
15
Los resultados de unos ensayos realizados con un electrodo tubular de mecha, conforme a la invención,
de 1,6 mm de diámetro, han indicado que es posible obtener resultados notablemente mejorados, según lo
determinado por el régimen (tasa o rapidez) de remoción de metal en función de la intensidad de corriente
de entrada. Hablando en términos generales, hay in lı́mite en cuanto a la intensidad de corriente que
puede aplicarse a un electrodo –en especial a un electrodo de carbón–, ya que el electrodo en su conjunto
tiende a recalentarse. Usando el electrodo tubular de la invención en la operación de ranurar con ayuda
de gas, la intensidad de corriente puede aumentarse substancialmente, con las consiguientes ventajas de
notable mejora en la remoción o eliminación de metal.
Se realizaron pruebas con un electrodo tubular de mecha, de 1,6 mm de diámetro, que tenı́a la siguiente
composición de núcleo:
a) aproximadamente 29% en peso de una aleación de Mg/Al a aproximadamente 50/50, en forma de
polvo, mezclada con
20
b) alrededor de 71% en peso de Fe3 O4 (cascarilla de laminación).
El Fe3 O4 usado contenı́a alrededor de 4% de SiO2 en peso basado en el óxido de hierro. La mezcla
de núcleo constituı́a alrededor del 20% del peso total del electrodo, estando el 80% (aproximadamente)
restante constituido por la funda de acero, que era de acero 1008.
25
En un determinado grupo de pruebas, se obtuvieron los siguientes resultados:
TABLA 1
Ranurado, reforzado con aire, con electrodo metálico de mecha, de 1,6 mm de diámetro
30
Prueba
n◦
Corriente
(amp.)
Tensión
(voltios)
Presión de
aire (kg/cm2 )
Velocidad de remoción
de metal(kg/h)
1
2
3
4
150
250
350
380
30
35
40
42
5,95-6,3
5,95-6,3
5,95-6,3
5,95-6,3
2,18
3,31
6,04
7,90
35
40
45
Como se observará, usando el electrodo metálico tubular de mecha de la invención se obtiene un
substancial aumento de remoción del metal al aumentar la intensidad de corriente, al tiempo que se evita
el recalentamiento del electrodo metálico.
55
Se realizaron otras pruebas con el elctrodo tubular metálico de mecha de 1,6 mm de diámetro, de
la misma composición de núcleo, con la salvedad de que la proporción de la composición de núcleo en
el electrodo era de aproximadamente 12% en peso, estando el resto (alrededor de 88%) constituı́do por
la funda de acero suave (acero 1008). Al realizar las pruebas se valoraron las siguientes variables: a)
presión de aire; b) tensión del arco; c) velocidad de alimentación del “alambre” (electrodo); y d) peso
de metal removido (eliminado) por hora. Las pruebas se realizaron a cuatro presiones de aire (independientemente), comprendidas dentro del intervalo de unos 2,8 kg/cm2 a 7,0 kg/cm2 manométricos. Los
resultados se dan en las tablas 2, 2A, 2B, y 2C que siguen.
60
(Tabla 2 pasa a página siguiente)
50
6
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TABLA 2
7,0 kg/cm2 de presión de aire
Ranurado en placa de acero suave, con el electrodo metálico de 1,6 mm de la invención
5
10
15
20
25
30
35
Prueba
n◦
Velocidad
de electrodo∗
(m/min)
l
(amps.)
V
(volts.)
Kg/h de
metal quitado
Presión
de aire∗∗
(kg/cm2 )
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
12,70
11,43
10,16
8,89
7,62
12,70
11,43
10,16
8,89
7,62
10,16
8,89
7,62
7,62
6,35
5,08
360
330
300
280
250
340
335
355
340
300
300
275
265
260
230
200
45
45
45
45
45
40
40
40
40
40
35
35
35
30
30
30
9,71
10,44
8,99
7,90
7,90
8,63
9,71
8,99
8,26
7,17
7,17
5,77
7,54
5,77
5,40
4,68
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
∗ veloc. de electrodo en metros/min
∗∗ Presión monométrica (kg/cm2 )
40
(Tabla 2A pasa a página siguiente)
45
50
55
60
7
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TABLA 2A
5,6 kg/cm2 de presión de aire (manom.)
Ranurado en placa de acero suave, con el electrodo metálico de 1,6 mm de la invención
5
10
15
20
25
30
Prueba
n◦
Velocidad
de electrodo
(m/min)
l
(amps.)
V
(volts.)
Kg/h de
metal quitado
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
12,70
11,43
10,16
8,89
7,62
12,70
11,43
10,16
8,89
7,62
10,16
8,89
7,62
6,35
5,08
7,62
6,35
5,08
350
320
300
275
250
350
320
300
275
250
300
275
250
225
200
250
225
200
45
45
45
45
45
40
40
40
40
40
35
35
35
35
35
30
30
30
9,35
9,35
8,26
6,81
5,40
6,81
8,99
9,71
7,90
6,13
8,26
8,26
5,77
5,04
3,95
5,04
4,68
4,68
35
40
(Tablas 2B y 2C pasan a página siguiente)
45
50
55
60
8
2 001 984
TABLA 2B
4,2 kg/cm2 de presión de aire (manom.)
Ranurado en placa de acero suave, con el electrodo metálico de 1,6 mm de la invención
5
10
15
20
25
Prueba
n◦
Velocidad
de electrodo
(m/min)
l
(amps.)
V
(volts.)
Kg/h de
metal quitado
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
12,70
11,43
10,16
8,89
7,62
12,70
11,43
10,16
8,89
7,62
10,16
8,89
7,62
6,35
5,08
350
320
300
275
250
350
320
300
275
250
300
275
250
225
200
45
45
45
45
45
40
40
40
40
40
35
35
35
35
35
9,71
9,35
7,90
6,81
6,13
8,99
9,71
8,99
7,54
5,40
7,54
8,99
7,54
5,04
4,68
30
TABLA 2C
2,8 kg/cm2 de presión de aire (manom.)
35
40
45
50
Ranurado en placa de acero suave, con el electrodo metálico de 1,6 mm de la invención
Prueba
n◦
Velocidad
de electrodo
(m/min)
l
(amps.)
V
(volts.)
Kg/h de
metal quitado
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12,70
11,43
10,16
8,89
7,62
10,16
8,89
7,62
6,35
5,08
350
320
300
275
250
300
275
250
225
200
45
45
45
45
45
35
35
35
35
35
10,44
9,35
6,13
5,40
5,40
7,90
5,40
6,13
3,95
3,22
55
60
Las pruebas que anteceden indican que a tensiones que oscilan entre 35 y 45 voltios, intensidades de
corriente variables entre unos 200 y 350 amperios y velocidades de avance de electrodo entre 5,08 y 11,43
metros por minuto, se obtienen resultados óptimos, determinados por la cantidad de metal eliminada (es
decir, la cantidad de metal extraı́da de la placa de acero al ranurar), cuando las intensidades de corriente
están entre alrededor de 300 y 350 amperios y las velocidades de avance o transporte de electrodo son
de unos 10,16 a 11,43 metros por minúto. Se observó que elevando la tensión del arco se aumentaba la
9
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eliminación de metal. Con bajas presiones de aire, en general es necesario ir más despacio durante la
operación de ranurar, para que la eliminación de metal sea eefectiva.
5
A presiones de aire de ayuda que oscilan entre alrededor de 2,8 y 7,0 kilogramos por centı́metro
cuadrado manométricos, los resultados óptimos son los indicados a velocidades de avance de electrodo
de aproximadamente 11,43 m/min, y a una tensión de alrededor de 40 voltios, estando la cantidad de
metal que se elimina aproximadamente comprendida entre 9 y 10 kg/h. Con una gama de tensiones de
alrededor de 30 a 45 voltios, se eliminaban por hora alrededor de 5,9 a 10,5 kg de metal. El flujo de aire
durante el ranurado ha de estar enfocado adecuadamente.
10
15
En otro grupo de pruebas, unos cordones gruesos de soldadura en ángulo (ortogonal) de pasada única
en placa de acero suave laminada en caliente de 19 mm de grueso se eliminaron, en posición horizontal,
usando para el arco electrodos de carbón de 6,35 mm de diámetro, con ayuda de aire, y el electrodo
tubular de acero de 1,6 mm de diámetro de esta invención, también con ayuda de aire. Los resultados
obtenidos se dan en la tabla 3.
TABLA 3
Prueba
n◦
20
Longitud
quitada
(cm)
25
Material
quitado
(kg/hora)
Volts.
Amps.
Veloc. de
avance
(m/min)
Presión
de aire
(kg/cm2
Potencia
kw
Ranurado por arco con electrodo de carbón (de 6,35 mm )
1
2
3
4
30
10
15
15
15
n/d∗
5,45
1,63
5,90
45
40
40
40
350
600
250
550
0,470
0,406
0,279
0,432
4,2
7,0
7,0
>8,4
15,8
24,0
10,0
22,0
35
Id. Id. con electrodo tubular de acero de 1,6 mm (de la invención)
5
6
7
8
40
15
15
15
15
n/d∗
7,72
8,40
9,53
38
39
45
45
300
300
350
350
0,838
0,813
0,838
1,016
4,2
4,2
4,2
7,0
11,4
11,7
15,8
15,8
45
∗
50
55
60
no determinado
El electrodo tubular de acero con núcleo de la invención mostró unos resultados notablemente mejores,
comparados con los del electrodo de carbón, a pesar del hecho de que su diámetro era la cuarta parte del
diámetro del electrodo de carbón. En general, al aumentar la tensión eléctrica del arco aumenta el nivel
de ruido. En las operaciones de ranurar con electrodo de carbón se producen crestas de ruido siempre
que el operario hace saltar un arco largo. En cambio, con la invención, la longitud del arco (tensión del
arco) es relativamente constante a pesar del método de trabajo del operario y, por lo tanto, el nivel de
ruido es mı́nimo.
Como se relfeja en la tabla 3, la cantidad de metal eliminada usando el electrodo tubular de acero con
núcleo de la invención fue substancialmente mayor que la cantidad eliminada con el electrodo de carbón
de 6,35 mm. Por término medio, la potencia consumida en kilovatios era más baja para el electrodo
tubular de acero con núcleo de la invención.
Se obtuvieron muy buenos resultados al ranurar diversas aleaciones usando el electrodo tubular de
acero con núcleo de la invención (29% de aleación Mg/Al al 50/50 y 71%de Fe3 O4 ), incluyéndose en los
10
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metales ranurados los depósitos metálicos de soldadura fuerte, el acero inoxidable tipo 304, el acero de
Hadfiel (13% Mn), latón y aluminio.
5
Un electrodo de carbón de 3,2 mm de diámetro desnudo se comparó con un electrodo de carbón recubierto de cobre, de 4 mm de diámetro, a una presión de aire de 4,2 kg/cm2 . En el caso del electrodo
desnudo, con un tiempo de arco de unos 20 a 35 segundos, 62 a 63 voltios y aproximadamente 40 a 55 amperios, la eliminación de metal de una placa de acero oscilaba entre 0,57 y 1,29 kg/hora. El carbón de 3,2
mm se ponı́a incandescente a un color anaranjado brillante y empezaba a oxidarse rápidamente a intensidades de corriente superiores a los 60 amperios. Ası́ pues, la corriente se mantuvo por debajo de esta cifra.
10
15
20
El electrodo de carbón de 4mm recubierto de cobre podı́a aceptar una mayor intensidad de corriente,
por el aumento de conductividad debido al recubrimiento de cobre. Ası́ este electrodo pudo operar a
tensiones de 45 a 58 voltios e intensidades muy superiores, de 80 a 190 amperios. Con intensidades de
80 a 150 amperios, la tasa de metal removido de una placa de acero iba de 1,10 a 4,09 kg/hora, en tanto
que, con una intensidad de 160 a 190 amperios (58 voltios) la eliminación de metal oscilaba entre 5,00 y
6,27 kg/hora. Como antes, el electrodo de carbón se ayudaba con aire a 4,2 kg/cm2 .
El electrodo tubular de acero con núcleo del presente invento es superior al electrodo de carbón, ya que
pueden obtenerse rendimientos más altos de corte y ranurado, y también es admisible y practicable una
gama más amplia de parámetros operativos. Una comparación efectuada entre un electrodo de carbón
de 6,35 mm de diámetro y el electrodo metálico tubular con núcleo del presente invento, de 1,6 mm de
diámetro (29% de aleación de Mg/Al a 50/50 y 71% de Fe3 O4 ), demostró que el electrodo de la invención
era substancialmente mejor, según lo que sigue, en la remoción de metal de una placa de acero.
TABLA 4
25
Tipo de electrodo
(con ayuda de aire)
Potencia
Rendimiento de corte
de metal (kg/h)
30
El de carbón
150
54
150
54
200
54
El de la invención
35
El de la invención
40
A
V
A
V
A
V
3,63...4,09
4,68
6,81
Como se desprende de la tabla 4, la invención exhibió una tasa o rapidez (rendimiento) de corte de
metal superior a la del electrodo de carbón.
En lo que sigue se dan otros ejemplos de composiciones de electrodos conforme a la invención:
TABLA 5
45
Composición del núcleo
Id. del electrodo
50
55
60
% Metal
reactivo
% Oxido
metálico
% Aditivo
% Núcleo
% Funda
30% Mg
15% Al
25% Ti
50% Mg/Al(50/50)
10% Zr
20% Al
70% Fe3 O3
75% Fe3 O4
70% NiO
50% Fe3 O4
90% NiO
80% Fe3 O4
—
10% CaO
5% Na2 SiO3
5% CaF-2
—
—
10
15
30
8
20
5
90
85
70
92
80
95
11
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Como antes se ha dicho, la funda que constituye el cuerpo de electrodo tubular está preferiblemente
hecha de acero al carbono u otro metal férreo, aunque pueden usarse otros tipos de metal forjado susceptibles de recibir forma de electrodo tubular de resistencia mecánica suficiente, y de ser manipulados con
facilidad por los dispositivos usuales de avance (transporte) o alimentación de alambre.
5
El electrodo tubular con núcleo de esta invención puede usarse para cortar o ranurar una amplia
diversidad de metales, tales como los metales férreos (v.gr., aceros, fundiciones, aleaciones férreas, etc.),
aluminio, aleaciones de aluminio, cobre y aleaciones de cobre, titanio y aleaciones de titanio, aleaciones
a base de nı́quel y aleaciones a base de cobalto.
10
15
20
Para cortar o ranurar los metales, se dirige aire a presión al área que se está cortando, a fin de expulsar
el metal derretido. Este aire puede ser introducido como alimentación a una presión comprendida entre
alrededor de 0,7 y 10,5 kg/cm2 manométricos, a todo lo largo del electrodo o bien como funda o cortina
que rodee al electrodo, o como una pluralidad de chorros o corrientes, sea dispuestas concéntricamente
en torno al electrodo, sea como corrientes individuales. Las corrientes o chorros de aire no necesitan
enfocarse al mismo punto, con tal que tengan, preferiblemente, un diseño de distribución apropiado.
Aun cuando el presente invento se ha descrito en relación con unas formas de ejecución preferidas, se
sobrentiende que puede recurrirse a variantes y modificaciones sin por ello apartarse del espı́ritu ni salirse
del ámbito de la invención, como fácilmente comprenderán los técnicos en la materia.
25
30
35
40
45
50
55
60
12
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REIVINDICACIONES
5
10
15
20
1. Un electrodo metálico de arco, del tipo tubular de mecha o núcleo, para uso en operaciones de
cortar y ranurar substratos metálicos con ayuda de aire, que comprende un tubo de metal forjado y una
composición de núcleo o mecha que en esencia consta de un metal reactivo en partı́culas mezclado con un
óxido metálico exotérmicamente reaccionable y que contiene de cero a aproximadamente 30% en peso de
un aditivo, basado en el peso total de la composición de núcleo, eligiéndose el aditivo de entre el grupo
que consta de agentes estabilizadores de arco, fundentes, desoxidantes y formadores de gas, estando dicho
metal reactivo en partı́culas caracterizado por una energı́a libre de formación de su óxido, referida a
25◦C, de por lo menos unas 100.000 calorı́as por átomo-gramo de oxı́geno, estando dicho óxido metálico
exotérmicamente reaccionable caracterizado por una energı́a libre de formación del mismo no superior
a unas 90.000 calorı́as por átomo-gramo de oxı́geno, referida a 25◦ C.
2. El electrodo de mecha de la reivindicación 1, en el que la composición de núcleo constituye de
alrededor de 5% a 30% en peso del electrodo total.
3. El electrodo de mecha de la reivindicación 2, en el que la composición de núcleo consiste esencialmente en alrededor de 10% a 70% en peso de dicho metal reactivo, alrededor de 30% a 90% en peso de
dicho óxido metálico, y de cero a alrededor de 20% en peso de dicho aditivo elegido del grupo que consta
de agentes estabilizadores, fundentes, desoxidantes y formadores de gas.
4. El electrodo de mecha de la reivindicación 3, en el que dicho metal reactivo se elige de entre el
grupo que consta de magnesio, aluminio, circonio, titanio y aleaciones de al menos dos de dichos metales.
25
30
5. El electrodo de mecha de la reivindicación 4, en el cual el metal reactivo es una aleación de Mg-Al,
y en el que dicho óxido metálico es un óxido de un metal del grupo del hierro.
6. El electrodo de mecha de la reivindicación 5, en el que la aleación de Mg-Al constituye de alrededor
de 20% a 50% en peso de la composición de núcleo, y en el cual el óxido de un metal del grupo del hierro
es óxido de hierro, en proporción que oscila entre un 50% y un 80% en peso, aproximadamente.
7. El electrodo de mecha de la reivindicación 6 en el que la aleación de Mg-Al es de aproximadamente
50% Mg y 50% Al; y en el que la cantidad de aleación en la composición de núcleo es de aproximadamente
30% en peso, y la cantidad de óxido de hierro es de alrededor de 70% en peso de la composición del núcleo.
35
40
45
50
8. El electrodo de mecha de la reivindicación 5, en el cual el electrodo tubular tiene un diámetro
exterior de alrededor de 0,64 a 9,5 milı́metros y un espesor de pared de alrededor de 0,13 a 1,27 mm.
9. El electrodo de la reivindicación 8, en el cual el electrodo tubular tiene un diámetro exterior de
alrededor de 1,6 a 3,2 mm y un espesor de pared de alrededor de 0,20 mm a 0,38 mm.
10. Un electrodo metálico de arco, del tipo tubular de mecha o núcleo, para uso en operaciones de
cortar y ranurar substratos metálicos con ayuda de aire, que comprende un tubo de metal forjado y una
composición de núcleo o mecha que en esencia consta de unmetal reactivo en partı́culas mezclado con
un óxido metálico exotérmicamente reaccionable y que contiene de cero a un 30% aproximadamente, en
peso, de un aditivo, basado en el peso total de dicha composición de núcleo, eligiéndose dicho aditivo
de entre el grupo que consta de agentes estabilizadores de arco, fundentes, desoxidantes y formadores
de gas, eligiéndose dicho metal reactivo en partı́culas de entre el grupo que consta de magnesio, aluminio, circonio, titanio y aleaciones de al menos dos de dichos metales, y eligiéndose dicho óxido metálico
exotérmicamente reaccionable mezclado con aquél de entre los óxidos de metales del grupo del hierro.
11. El electrodo de mecha de la reivindicación 10, en el que la composición de núcleo constituye de
un 5%a un 30% aproximadamente, en peso, del electrodo total.
55
60
12. El electrodo de mecha de la reivindicación 11, en el que la composición de núcleo consta en
esencia de alrededor de 10% a 70% en peso de dicho metal reactivo, alrededor de 30% a 90% en peso de
dicho óxido de un metal del grupo del hierro, y de alrededor de 1/2% a un 20% aproximadamente, en
peso, de dicho material elegido de entre el grupo que consta de agentes estabilizadores de arco, fundentes,
desoxidantes y formadores de gas.
13. El electrodo de mecha de la reivindicación 12, en el cual el metal reactivo es una aleación de
Mg-Al, y en el que dicho óxido metálico es óxido de hierro.
13
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14. El electrodo de mecha de la reivindicación 13, en el que la aleación de Mg-Al constituye aproximadamente de un 20% a un 50% en peso de la composición de núcleo, y en el cual el óxido de hierro
oscila entre un 50% y un 80% en peso, aproximadamente.
5
15. El electrodo de mecha de la reivindicación 14, en el que la aleación de Mg-Al es de aproximadamente 50% Mg y 50% Al; y en el que la cantidad de aleación en la composición de núcleo es de
aproximadamente 30% en peso y la de óxido de hierro es de alrededor de 70% en peso de la composición
de núcleo.
10
16. El electrodo de mecha de la reivindicación 13, en el cual el electrodo tubular tiene un diámetro
exterior de alrededor de 0,64 a 9,5 milı́metros y un espesor de pared de alrededor de 0,13 a 1,27 mm.
15
20
25
17. Un método para cortar o ranurar con arco eléctrico un substrato metálico, que comprende las
acciones de: disponer al menos un electrodo metálico de arco, de tipo tubular de mecha, compuesto de un
tubo metálico y de una composición de núcleo que en esencia consta de un metal reactivo en partı́culas
mezclado con un óxido metálico exotérmicamente reaccionable y que contiene de cero a alrededor de 30%
en peso de un aditivo, basado en el peso total de la composición de núcleo, eligiéndose dicho aditivo
de entre el grupo que consta de agentes estabilizadores de arco, fundentes, desoxidantes y formadores
de gas, caracterizándose dicho metal reactivo en partı́culas por una energı́a libre de formación de su
óxido, referida a 25◦ C, de por lo menos alrededor de 100.000 calorı́as por átomo-gramo de oxı́geno y
caracterizándose dicho óxido metálico exotérmicamente reaccionable por una energı́a libre de formación
del mismo no superior a unas 90.000 calorı́as por átomo-gramo de oxı́geno, referida a 25◦C; establecer un
arco eléctrico entre el extremo de dicho electrodo y dicho substrato metálico a fin de efectuar el corte o
ranurado de éste; alimentar con una corriente de gas a presión el área que se esté cortando o ranurando; y
proseguir dicho corte o ranurado sin dejar de alimentar continuamente dicha área con la citada corriente
de gas a presión.
18. El método de la reivindicación 17, en el que la corriente de gas se lleva a presión a todo lo largo
del electrodo hasta el área que se está cortando o ranurando.
30
19. El método de la reivindicación 17, en el que la composición de núcleo consta en esencia de alrededor de 10% a 70% en peso de dicho metal reactivo, por lo menos alrededor de 30% a 90% en peso de dicho
aditivo elegido de entre el grupo que consta de agentes estabilizadores de arco, fundentes, desoxidantes y
formadores de gas.
35
20. El método de la reivindicación 19, en el que dicho metal reactivo se elige de entre el grupo que
consta de magnesio, aluminio, circonio, titanio y aleaciones de al menos dos de dichos metales.
40
21. El método de la reivindicación 20, en el cual el metal reactivo es una aleación de Mg-Al, y en el
que dicho óxido metálico es un óxido de un metal del grupo del hierro.
22. El método de la reivindicación 21, en el que la aleación de Mg-Al constituye alrededor de un 20%
a un 50% en peso de la composición de núcleo, y en el que el óxido de un metal del grupo del hierro es
óxido de hierro y oscila entre alrededor de 50% y un 80% en peso.
45
23. El método de la reivindicación 22, en el que la aleación de Mg-Al es de aproximadamente 50% Mg
y 50 Al, y en el que la cantidad de aleación en la composición de núcleo es de un 30% aproximadamente,
y la cantidad de óxido de hierro es de un 70% aproximadamente, en peso de la composición de núcleo.
50
24. El método de la reivindicación 21, en el cual el electrodo tubular tiene un diámetro exterior de
alrededor de 0,64 a 9,5 milı́metros y un espesor de pared de alrededor de 0,13 a 1,27 mm.
25. El método de la reivindicación 17, en el cual el gas se lleva a todo lo largo del electrodo a una
presión en tobera de alrededor de 0,7 a 10,5 kg/cm2 manométricos.
55
26. El método de la reivindicación 25, en el cual el gas se lleva en forma de funda anular que rodea a
dicho electrodo.
60
27. El método de la reivindicación 17, en el que la composición de núcleo constituye alrededor de un
5% a un 30% en peso del electrodo total.
14
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