Development of plasma cutting technique for C1220 copper, AA2024 aluminum alloy, and Ti-1,5Al-1,0Mn titanium alloy using a plasma torch with reverse polarity

Abstract

Introduction. An important area of research in the field of plasma metal cutting is obtaining a metal cut face characterized by minimal roughness and geometric deviations. It is also important to minimize changes in the structure of the metal under the cutting surface caused by the temperature effects of the plasma jet, including the formation of dross. The solution to the problem of obtaining a quality cut is to optimize the parameters of the cutting process. The plasma arc current and voltage, cutting height and cutting speed are considered to be the main parameters that determine cut quality. However, insufficient attention has been paid to the processes of plasma metal cutting of thicknesses above 20 mm due to the limitations associated with the operation conditions of plasma torches with direct polarity currents. Accordingly, for cutting large thicknesses, the use of a plasma torch operating on currents of reverse polarity seems promising. The aim of this work is to develop the technique of plasma cutting of copper, titanium and aluminum alloy sheets up to 40 mm thick using a plasma torch operating on currents of reverse polarity. Results and discussion. Investigations show that for cutting aluminum alloy (Al 90.9–94.7 %; Cu 3.8–4.9 %; Mg 1.2-1.8 %; Mn 0.3–0.9 %) and titanium alloy (Ti 94.33–97.5 %; Al 1.5–2.5 %; Mn 0.7–2.0 %) it is possible to regulate the cutting speed in a wide range, while for rolled copper (Cu ≥99.96 %) and aluminum alloy with thickness of 40 mm the range of cutting speed regulation is rather narrow. While for aluminum alloy due to excessive precipitation of alloying elements from the solid solution in the heat-affected zone decrease of microhardness is observed, for titanium alloy the microhardness growth due to material hardening is characteristic. Changing the cutting mode parameters allows receiving more homogeneous macrogeometry of a cutting surface, smaller depth of a zone of melting of a material and a heat-affected zone and smaller changes of mechanical properties of a material in a zone of a cut. For the titanium alloy, almost all of the cutting modes used are close to optimum. For alloy aluminum and copper the modes providing the best cutting quality in the considered range of parameters are determined. According to the results of the work it can be concluded that plasma cutting on reverse polarity currents is effective for cutting rolled products of large thicknesses, but the technique requires further development in order to improve the quality of the resulting cut.

About the authors

V. E. Rubtsov

Email: rvy@ispms.tsc.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, rvy@ispms.tsc.ru

A. O. Panfilov

Email: alexpl@ispms.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, alexpl@ispms.ru

E. O. Knyazhev

Email: clothoid@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, clothoid@ispms.tsc.ru

A. V. Nikolaeva

Email: nikolaeva@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, nikolaeva@ispms.tsc.ru

A. M. Cheremnov

Email: amc@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, amc@ispms.tsc.ru

A. V. Gusarova

Email: gusarova@ispms.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, gusarova@ispms.ru

V. A. Beloborodov

Email: vabel@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, vabel@ispms.tsc.ru

A. V. Chumaevskii

Email: tch7av@gmail.com
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, tch7av@gmail.com

A. N. Ivanov

Email: ivan@ispms.tsc.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, ivan@ispms.tsc.ru

References

  1. 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, iss. 3. – P. 303–308. – doi: 10.1016/j.jestch.2014.07.004.
  2. 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.
  3. Optimization of surface roughness in plasma arc cutting of AISID2 steel using TLBO / P. Patel, B. Nakum, K. Abhishek, V. Rakesh Kumar, A. Kumar // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5, iss. 9 (3). – P. 18927–18932. – doi: 10.1016/j.matpr.2018.06.242.
  4. Experimental study of the features of the kerf generated by a 200A high tolerance plasma arc cutting system / R. Bini, B.M. Colosimo, A.E. Kutlu, M. Monno.// Journal of Materials Processing Technology. – 2008. – Vol. 196, iss. 1–3. – P. 345–355. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2007.05.061.
  5. Hoult A.P., Pashby I.R., Chan K. Fine plasma cutting of advanced aerospace materials // Journal of Materials Processing Technology. – 1995. – Vol. 48, iss. 1–4. – P. 825–831. – doi: 10.1016/0924-0136(94)01727-I.
  6. Modeling of surface roughness in plasma jet cutting process of thick structural steel / I. Peko, B. Nedic, A. Djordjevic, D. Dzunic, M. Jankovic, I. Veza // Tribology in Industry. – 2016. – Vol. 38, № 4. – P. 522–529.
  7. Characterization of heat affected zones produced by thermal cutting processes by means of Small Punch tests / D. Andrés, T. García, S. Cicero, R. Lacalle, J.A. Álvarez, A. Martín-Meizoso, J. Aldazabal, A. Bannister, A. Klimpel // Materials Characterization. – 2016. – Vol. 119. – P. 55–64. – doi: 10.1016/j.matchar.2016.07.017.
  8. Gariboldi E., Previtali B. High tolerance plasma arc cutting of commercially pure titanium // Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – Vol. 160, iss. 1. – P. 77–89. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2004.04.366.
  9. Nandan Sharma D., Ram Kumar J. Optimization of dross formation rate in plasma arc cutting process by response surface method // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 32, pt. 3. – P. 354–357. – doi: 10.1016/j.matpr.2020.01.605.
  10. An experimental analysis of cutting quality in plasma arc machining / M. Gostimirovic, D. Rodic, M. Sekulic, A. Aleksic // Advanced Technologies and Materials. – 2020. – Vol. 45, N 1. – P. 1–8. – doi: 10.24867/ATM-2020-1-001.
  11. Plasma arc cutting dimensional accuracy optimization employing the parameter design approach / J. Kechagias, M. Petousis, N. Vidakis, N. Mastorakis // ITM Web of Conferences. – 2017. – Vol. 9. – P. 03004. – doi: 10.1051/itmconf/20170903004.
  12. 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)-02.
  13. Kudrna L., Fries J., Merta M. Influences on plasma cutting quality on CNC machine // Multidisciplinary Aspects of Production Engineering. – 2019. – Vol. 2. – P. 108–117. – doi: 10.2478/mape-2019-0011.
  14. Влияние конструктивных особенностей плазмотрона на качество реза при прецизионнойвоздушно-плазменной разделке металла / С.В. Анахов, Б.Н. Гузанов, А.В. Матушкин, Н.Б. Пугачева, Ю.А. Пыкин // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2020. – Т. 63, № 2. – С. 155–162. – doi: 10.17073/0368-0797-2020-2-155-162.
  15. Modeling and optimization of cut quality responses in plasma jet cutting of aluminium alloy EN AW-5083 / I. Peko, D. Maric, B. Nedic, I. Samardzic // Materials. – 2021. – Vol. 14, iss. 19. – P. 5559. – doi: 10.3390/ma14195559.
  16. Salonitis K., Vatousianos S. Experimental Investigation of the Plasma Arc Cutting Process // Procedia CIRP. – 2012. – Vol. 3. – P. 287–292. – doi: 10.1016/j.procir.2012.07.050.
  17. Suresh A., Diwakar G. Optimization of process parameters in plasma arc cutting for TWIP steel plates // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 38, pt. 5. – P. 2417–2424. – doi: 10.1016/j.matpr.2020.07.383.
  18. Nemchinsky V. Erosion of thermionic cathodes in welding and plasma arc cutting systems // IEEE Transactions on Plasma Science. – 2014. – Vol. 42, N 1. – P. 199–215. – doi: 10.1109/TPS.2013.2287794.
  19. 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.
  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. Особенности теплопередачи в изделие при работе плазмотрона на токе обратной полярности / Ю.Д.  Щицын, Д.С. Белинин, П.С. Кучев, С.Д. Неулыбин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2014. – Т. 16, № 2. – С. 42–50. – doi: 10.15593/.v16i2.3275.
  22. Исследование работы анодов дуговых плазмотронов для работы на обратной полярности тока / Ю.Д. Щицын, В.Ю. Щицын, С.Д. Неулыбин, Р.Г. Никулин, С.Г. Никулина, К.П. Карунакаран // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2020. – Т. 22, № 3. – С. 60–67. – doi: 10.15593/2224-9877/2020.3.08.

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».