Structural changes and chemical composition changes during the plasma cutting process

• Autorzy: Rzeźnikiewicz Agnieszka , Górka Jacek

Identyfikatory

DOI

10.17729/ebis.2023.1/2

Warianty tytułu

PL

Zmiany składu chemicznego i struktury zachodzące w procesie cięcia plazmowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Cutting is usually one of the initial and primary operations used when making welded structures and fabricating structural elements. Increasingly often, the preparation of elements involves the use of thermal, in particular plasma arc, cutting. The plasma arc cutting process consists in melting and ejecting liquid metal from the cut gap by highly concentrated plasma electric arc burning between a non-consumable electrode and a workpiece. The article presents results of tests concerning the influence of plasma gas on structural changes and chemical composition changes resulting from the cutting of unalloyed steel using air plasma arc. The tests revealed that the application of the air plasma arc cutting process led to the formation of an amorphous layer characterized by a very high nitrogen content (of approximately 1.6%) and a hardness of 750 HV 0.2. This high nitriding effect was triggered by the diffusion of nitrogen from the plasma gas. At the same time, the effect of air plasma arc gases on the liquid metal led to the carburising of the cut surface (up to approximately 0.5%) as well as to the burnout of alloying components (in accordance with the theory of selective oxidation of chemical elements). After the air plasma cutting process, the material structure revealed features intermediate between those of the structure formed through oxygen cutting and those of the structure formed as a result of nitrogen plasma cutting. The tests also revealed that the argon-hydrogen plasma cutting process had the lowest effect on the material subjected to cutting.

PL

Cięcie jest zwykle jedną z początkowych i podstawowych operacji procesu wytwarzania konstrukcji spawanych oraz wykonywania gotowych elementów konstrukcji. Coraz częściej do przygotowania elementów używa się cięcia termicznego, a w szczególności cięcia łukiem plazmowym. Proces cięcia łukiem plazmowym polega na stopieniu i wyrzuceniu ciekłego metalu ze szczeliny cięcia silnie skoncentrowanym plazmowym łukiem elektrycznym, jarzącym się między elektrodą nietopliwą a ciętym przedmiotem. W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu gazu plazmowego na zmiany strukturalne i zmiany składu chemicznego powstałe w wyniku procesu cięcia łukiem plazmy z zastosowaniem powietrza w stali niestopowej. Wykazano, że w wyniku procesu cięcia plazmą z zastosowaniem powietrza na powierzchni cięcia powstaje warstwa bezpostaciowa o bardzo dużej zawartości azotu (około 1,6%) i twardości rzędu 750 HV 0,2. To silne naazotowanie jest spowodowane dyfuzją azotu z gazu plazmowego. Jednocześnie w wyniku oddziaływania gazów łuku plazmy z zastosowaniem powietrza na ciekły metal dochodzi do nawęglenia powierzchni cięcia (do około 0,5%) i wypalenia składników stopowych, w myśl teorii selektywnego utleniania pierwiastków chemicznych. Po procesie cięcia plazmą z zastosowaniem powietrza struktura materiału wykazuje cechy pośrednie między strukturą powstałą po procesie cięcia tlenem a plazmą z zastosowaniem azotu. Najmniejszy wpływ na materiał cięty wywiera proces cięcia plazmą z zastosowaniem mieszanki argon-wodór.

Słowa kluczowe

EN

plasma; plasma arc; structural changes; chemical composition changes; plasma gas

PL

plazma; łuk plazmowy; zmiany strukturalne; zmiany składu chemicznego; gaz plazmowy

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Górnośląski Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 67, No. 1
• Strony: 14--20
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Rzeźnikiewicz Agnieszka

• Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Katedra Spawalnictwa (Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Welding)

autor

Górka Jacek

• Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Katedra Spawalnictwa (Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Welding)

Bibliografia

• [1] Kirkpatrick I.: Profile cutting – which method? Welding & Metal Fabrication, 2000, vol. 9, pp. 15–18.
• [2] Hidden S.: Plasma Arc Cutting offers savings to concrete recycling facility. Welding Journal, 2006, no. 6, pp. 46–51.
• [3] Hidden S., Buhler B.: The Great Debate: Plasma or Oxyfuel? Welding Journal, 2005, no. 3, pp. 40–44.
• [4] Górka J., Janicki D., Fidali M., Jamrozik W.: Thermographic Assessment of the HAZ Properties and Structure of Thermomechanically Treated Steel. International Journal of Thermophysics, 2017, vol. 38, 183.
• [5] Horst W., Markus H.: Plasma cutting – an economically viable process for mild and low-alloy steels. Welding and Cutting, 2005, vol. 4, no. 2, pp. 191–194.
• [6] Górka J., Poloczek T.: The influence of thermal cutting on the properties and quality of the cut surfaces toughened steel S 960QL. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2018, 400, pp. 1–9.
• [7] Zając A., Pfeifer T.: Restricting the heat-affected zone during the plasma cutting of high-alloy steel. Welding International, 2006, vol. 20, no. 1, pp. 5–9.
• [8] Górka J., Kotarska A.: MAG welding of 960QL quenched and tempered steel. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2019, 591, pp. 1–8.
• [9] Węgrzyn T., Piwnik J., Hadryś D., Wszołek Ł.: Low alloy steel structures after welding with micro-jet cooling. Archives of Metallurgy and Materials, 2017, vol. 62, no. 1, pp. 115–118.
• [10] Górka J., Poloczek T.: Thermal cutting of thermomechanically rolled S700MC and heat-treated S690QL steels, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, 591, pp. 1–10.
• [11] Fydrych D., Labanowski J., Rogalski G.: Weldability of high strength steels in wet welding conditions. Polish Maritime Research, 2013, vol. 20, no. 2, pp. 67–73.
• [12] Lamikiz A., Lopez de Lacalle.: CO2 laser cutting of advanced high strength steels (AHSS). Applied Surface Science, 2004, vol. 10, pp. 362–367.
• [13] Górka J., Kotarska A.: The quality of water jet cutting of selected construction materials. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2018, 400, pp. 1–9.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).