Geometry distortion, edge oxidation, structural changes and cut surface morphology of 100mm thick sheet product made of aluminum, copper and titanium alloys during reverse polarity plasma cutting

Abstract

The introduction describes the feasibility of using reverse polarity plasma cutting to produce large-sized non-ferrous metal blanks up to 100 mm thick. Data on the use of plasma cutting with direct and reverse polarity currents for thick sheet metal and the main technological problems associated with its implementation are presented. The purpose of the work is to study the organization of the structure and properties of the near-surface zone, changes in the chemical and phase composition when cutting aluminum, copper and titanium alloys. The research methods are optical and scanning electron microscopy, microhardness measurement, X-ray diffraction and energy-dispersive analysis. Plasma cutting was carried out using air as a plasma-forming and shielding gas, simultaneously with water injection into the discharge chamber and the formation of a “water fog” around the plasma column. Results and discussion. It is shown that both the arc stability and the shape of the plasma column are of great importance in reverse polarity plasma cutting of rolled sheets. The distortion of the cutting geometry during normal operation is greatest in the central part, and with insufficient heat input it shifts to the lower part and increases significantly. The operation of the plasma torch in air does not lead to significant changes in the composition of the cutting surface of aluminum and copper alloys. A decrease in the magnesium content near the edge is typical for the aluminum alloy in the surface layers. Cutting of the titanium alloy is accompanied by intense oxidation of the surface, especially in areas of difficult metal displacement from the cutting cavity. The formation of titanium oxides, mainly rutile Ti2O, sharply increases the microhardness values in the surface layers, which negatively affects the machinability of the cutting edge and requires shot blasting to remove the oxide layer. The conclusion describes the main patterns of implementing reverse polarity plasma cutting of sheet metal from aluminum, copper and titanium alloys with a thickness of 100 mm.

About the authors

A. V. Grinenko

Email: giga2011@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-9511-1303
ITS-Siberia LLC, Krasnoyarsk, 16a Severnoe shosse, 660118, Russian Federation, giga2011@yandex.ru

A. V. Chumaevsky

Email: tch7av@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1983-4385
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, tch7av@gmail.com

E. A. Sidorov

Email: eas@ispms.ru
ORCID iD: 0009-0009-2665-7514
Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, eas@ispms.ru

V. R. Utyaganova

Email: veronika_ru@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0002-2303-8015
Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, veronika_ru@ispms.ru

A. I. Amirov

Email: amir@ispms.tsc.ru
ORCID iD: 0000-0002-5143-8235
Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, amir@ispms.tsc.ru

E. A. Kolubaev

Email: eak@ispms.tsc.ru
ORCID iD: 0000-0001-7288-3656
D.Sc. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, eak@ispms.tsc.ru

References

  1. A virtual sensing approach for quality and productivity optimization in laser flame cutting / N. Levichev, A. Tomás García, R. Dewil, J.R. Duflou // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2022. – Vol. 121. – P. 6799–6810. – doi: 10.1007/s00170-022-09750-8.
  2. Influence of the parameters of chemical thermal treatment of copper slag particles on the quality of hydroabrasive cutting / G.V. Barsukov, M.F. Selemenev, T.A. Zhuravleva, I.N. Kravchenko, E.M. Selemeneva, O.V. Barmina // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. – 2023. – Vol. 52. – P. 679–686. – doi: 10.1134/S1052618823070075.
  3. Barsukov G., Zhuravleva T., Kozhus O. Quality of hydroabrasive waterjet cutting machinability // Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 206. – P. 1034–1038. – doi: 10.1016/j.proeng.2017.10.590.
  4. Optimizing process parameters of in-situ laser assisted cutting of glass-ceramic by applying hybrid machine learning models / J. Wei, W. He, C. Lin, J. Zhang, J. Chen, J. Xiao, J. Xu // Advanced Engineering Informatics. – 2024. – Vol. 62. – P. 102590. – doi: 10.1016/j.aei.2024.102590.
  5. Laser cutting of aluminum alloys using pulsed radiation from a CO2 laser under conditions of an optical discharge in an argon jet / V.B. Shulyat’;ev, M.A. Gulov, E.V. Karpov, A.G. Malikov, K.R. Boiko // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. – 2023. – Vol. 50. – P. S1075–S1078. – doi: 10.3103/S1068335623220116.
  6. Electrical arc contour cutting based on a compound arc breaking mechanism / G.-J. He, L. Gu, Y.-M. Zhu, J.-P. Chen, W.-S. Zhao, K.P. Rajurkar // Advances in Manufacturing. – 2022. – Vol. 10 (4). – P. 583–595. – doi: 10.1007/s40436-022-00406-0.
  7. Sharma D.N., Kumar J.R. Optimization of dross formation rate in plasma arc cutting process by response surface method // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 32. – P. 354–357. – doi: 10.1016/j.matpr.2020.01.605.
  8. Ilii S.M., Coteata M. Plasma arc cutting cost // International Journal of Material Forming. – 2009. – Vol. 2. – P. 689–692. – doi: 10.1007/s12289-009-0588-4.
  9. Cinar Z., Asmael M., Zeeshan Q. Developments in plasma arc cutting (PAC) of steel alloys: a review // Jurnal Kejuruteraan. – 2018. – Vol. 30. – P. 7–16. – doi: 10.17576/jkukm-2018-30(1)-01.
  10. Performance analysis of conventional and high-feed turning tools in machining the thermally affected zone after plasma arc cutting of low carbon manganese-alloyed steel / M.B. Barcelos, D.T. de Almeida, F. Tusset, C.J. Scheuer // Journal of Manufacturing Processes. – 2024. – Vol. 115. – P. 18–39. – doi: 10.1016/j.jmapro.2024.01.08.
  11. Akkurt A. The effect of cutting process on surface microstructure and hardness of pure and Al 6061 aluminium alloy // Engineering Science and Technology, an International Journal. – 2015. – Vol. 18 (3). – P. 303–308. – doi: 10.1016/j.jestch.2014.07.004.
  12. Gariboldi E., Previtali B. High tolerance plasma arc cutting of commercially pure titanium // Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – Vol. 160. – P. 77–89. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2004.04.366.
  13. Structural features and morphology of surface layers of AA2024 and AA5056 aluminum alloys during plasma cutting / A.V. Grinenko, E.O. Knyazhev, A.V. Chumaevskii, A.V. Nikolaeva, A.O. Panfilov, A.M. Cheremnov, L.L. Zhukov, A.V. Gusarova, P.S. Sokolov, D.A. Gurianov, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev // Russian Physics Journal. – 2023. – Vol. 66. – P. 925–933. – doi: 10.1007/s11182-023-03025-9.
  14. Отработка методики плазменной резки меди марки М1, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 с использованием плазмотрона с обратной полярностью / В.Е. Рубцов, А.О. Панфилов, Е.О. Княжев, А.В. Николаева, А.М. Черемнов, А.В. Гусарова, В.А. Белобородов, А.В. Чумаевский, А.Н. Иванов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 33–52. – doi: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-33-52.
  15. Закономерности износа плазмотронов при плазменной резке толстолистового проката на токе обратной полярности / Е.А. Сидоров, А.В. Гриненко, А.В. Чумаевский, А.О. Панфилов, Е.О. Княжев, А.В. Николаева, А.М. Черемнов, В.Е. Рубцов, В.Р. Утяганова, К.С. Осипович, Е.А. Колубаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 3. – С. 149–162. – doi: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-149-162.
  16. Structure formation in surface layers of aluminum and titanium alloys during plasma cutting / A.V. Chumaevskii, A.V. Nikolaeva, A.V. Grinenko, A.O. Panfilov, E.O. Knyazhev, A.M. Cheremnov, V.R. Utyaganova, V.A. Beloborodov, P.S. Sokolov, D.A. Gurianov, E.A. Kolubaev // Physical Mesomechanics. – 2023. – Vol. 26. – P. 711–721. – doi: 10.1134/S1029959923060103.
  17. Boulos M.I., Fauchais P., Pfender E. Plasma torches for cutting, welding and PTA coating // Handbook of Thermal Plasmas. – Cham: Springer, 2023. – doi: 10.1007/978-3-319-12183-3_47-2.
  18. Influence of reverse-polarity plasma cutting parameters on structure and surface roughness of aluminum alloys / A. Grinenko, A. Chumaevsky, E.O. Knjazhev, D.A. Gurianov, E.A. Sidorov, E.A. Kolubaev // Russian Physics Journal. – 2024. – Vol. 67 (9). – P. 1287–1293. – doi: 10.1007/s11182-024-03246-6.
  19. Влияние высокоэнергетического воздействия при плазменной резке на структуру и свойства поверхностных слоёв алюминиевых и титановых сплавов / В.Е. Рубцов, А.О. Панфилов, Е.О. Княжев, А.В. Николаева, А.М. Черемнов, А.В. Гусарова, В.А. Белобородов, А.В. Чумаевский, А.В. Гриненко, Е.А. Колубаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 216–231. – doi: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-216-231.
  20. Shchitsyn V.Yu., Yazovskikh V.M. Effect of polarity on the heat input into the nozzle of a plasma torch // Welding International. – 2002. – Vol. 16 (6). – P. 485–487. – doi: 10.1080/09507110209549563.
  21. Matushkina I., Anakhov S., Pyckin Yu. Design of a new gas-dynamic stabilization system for a metal-cutting plasma torch // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – Vol. 2094. – P. 042075. – doi: 10.1088/1742-6596/2094/4/042075.
  22. Kudrna L., Fries J., Merta M. Influences on plasma cutting quality on CNC machine // Multidisciplinary aspects of Production Engineering. – 2019. – Vol. 2 (1). – P. 108–117. – doi: 10.2478/mape-2019-0011.
  23. An experimental analysis of cutting quality in plasma arc machining / M. Gostimirovic, D. Rodic, M. Sekulic, A. Aleksic // Advanced Technologies & Materials. – 2020. – Vol. 45 (1). – P. 1–8. – doi: 10.24867/ATM-2020-1-001.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».