blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-1-38-47blackmet-2236Research ArticleИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХINNOVATIONS IN METALLURGICAL INDUSTRIAL AND LABORATORY EQUIPMENT, TECHNOLOGIES AND MATERIALSРазработка оборудования и технологии прецизионной воздушно-плазменной резки толстолистовой сталиDevelopment of equipment and technology for precision air-plasma cutting of plate steelhttps://orcid.org/0000-0003-1460-6305АнаховС. В.AnakhovS. V.

Сергей Вадимович Анахов, к.ф.-м.н., доцент, заведующий кафедрой математических и естественнонаучных дисциплин

620012, Екатеринбург, ул. Машиностроителей, 11

Sergei V. Anakhov, Cand. Sci. (Phys.–Math.), Assist. Prof., Head of the Chair of Mathematic and Natural Sciences

11 Mashinostroitelei Str., Yekaterinburg 620012

sergej.anahov@rsvpu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5698-0018ГузановБ. Н.GuzanovB. N.

Борис Николаевич Гузанов, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой инжиниринга и профессионального обучения в машиностроении и металлургии

620012, Екатеринбург, ул. Машиностроителей, 11

Boris N. Guzanov, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Chair of Engineering and Vocational Training in Machinery and Metallurgy

11 Mashinostroitelei Str., Yekaterinburg 620012

boris.guzanov@rsvpu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7309-1618МатушкинА. В.MatushkinA. V.

Анатолий Владимирович Матушкин, к.т.н., доцент кафедры технологии сварочного производства

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Anatolii V. Matushkin, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Welding Technology”

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002

227433@yandex.ruРоссийский государственный профессионально-педагогический университетРоссияRussian State Professional Pedagogical UniversityRussian FederationУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B. N. YeltsinRussian Federation2022110220226513847Copyright © Анахов С.В., Гузанов Б.Н., Матушкин А.В., 20222022Анахов С.В., Гузанов Б.Н., Матушкин А.В.Anakhov S.V., Guzanov B.N., Matushkin A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2236

Исследована структура разделочных швов, полученных после резки стали 09Г2С новым узкоструйным плазмотроном типа ПМВР-5.3, имеющим ряд конструктивных особенностей в системе газодинамической стабилизации (ГДС) плазменной дуги. Для повышения эффективности ГДС в плазмотроне ПМВР-5.3 использован симметричный вход плазмообразующего газа в систему деления потока и газодинамический стабилизатор потока, использующий два (формирующий и стабилизирующий) завихрителя с переменным числом каналов завихрения. Показано, что достигнутое преимущество в эффективности ГДС позволяет получить высокое качество реза на сталях типа 09Г2С толщиной 40 мм с высокой производительностью и меньшими энергетическими затратами. Аналитическими методами доказана высокая степень прецизионности резки новым плазмотроном: малая ширина реза, отсутствие оплавления и скругления верхней кромки, а также грата в нижней части реза и брызг в верхней части реза, практически нулевое угловое отклонение, минимальные величины микрорельефа поверхности и ширины зоны термического влияния. Металлографический анализ и определение твердости показали наличие трех субзон в образовавшейся зоне термического влияния со значительными структурными изменениями в двух из них. Отмечен ряд факторов, влияющих на выявленные изменения в структурообразовании, а также на установленные при микрорентгеноспектральном анализе изменения в элементном составе поверхностного слоя разделочного шва. Обращено внимание на микрорельеф поверхности после плазменной резки, который по всем показателям качества соизмерим с механической обработкой поверхности после фрезерования и соответствует второму классу качества по чистоте поверхности. Доказано, что применение нового узкоструйного плазмотрона позволяет произвести качественный раскрой листовой стали в диапазоне толщин вплоть до 40 мм и более. Однако сварку заготовок без предварительной механической обработки можно производить при толщине реза не более 20 мм.  

The authors have investigated the structure of cutting seams obtained after cutting steel 09G2S with a new narrow-jet plasma torch of PMVR-5.3 type which has a number of design features in gas dynamic stabilization system (GDS) of plasma arc. To increase the efficiency of GDS in PMVR-5.3 plasma torch, a symmetrical input of plasma-forming gas (PFG) into the flow division system and a gas-dynamic flow stabilizer using two (forming and stabilizing) swirlers with a variable number of swirl channels were used. It is shown that the achieved advantage in GDS efficiency makes it possible to obtain high cutting quality of steel 09G2S with thickness of 40 mm with high productivity and lower energy costs. Analytical methods have proved a high degree of cutting precision of the new torch– a small cut width, no melting and rounding of the upper edge, as well as a grate in the cut lower part and splashes in the cut upper part, almost zero angular deviation, minimum values of the surface microrelief and width of the thermal impact zone. Metallographic analysis and determination of hardness showed the presence of three subzones in the thermal impact zone with significant structural changes in two of them. A number of factors were noted influencing the revealed changes in the structure formation, as well as changes in the elemental composition of the cutting seam surface layer revealed during the X-ray spectral analysis. Attention is drawn to the surface microrelief after plasma cutting, which in all quality indicators is commensurate with machining of the surface after milling and corresponds to the second class of quality in terms of surface cleanliness. It was proved that the use of the new narrow-jet plasma torch allows high-quality cutting of plate steel in thickness range up to 40 mm or more. However, welding of blanks without pre-machining can be carried out with a cutting thickness of no more than 20 mm.

плазмотронпроектированиезона термического влиянияструктурные превращениядефектыкачествоэффективностьplasma torchdesignthermal impact zonestructure transformationdefectsqualityefficiencyReferencesKrink V., Simler H., Laurisch F. Plasmaschneidtechnologie – Erweiteung wirtschaftlicher Anwendungsgebiete // ICCT 2006: Internationale Schneidtechnische Tagung; Vorträge der gleichnamigen Konferenz: Hannover, 10 und 11. Oktober 2006. Р. 18–25.Krink V., Simler H., Laurisch F. Plasmaschneidtechnologie – Erweiteung wirtschaftlicher Anwendungsgebiete. ICCT 2006: Internationale Schneidtechnische Tagung; Vorträge der gleichnamigen Konferenz; Hannover, 10 und 11. Oktober 2006, pp. 18-25. (In Germ.).Mussmann J. Stand der Bearbeitung von ISO 4063:2009 “Schweissen und verwandte Prozesse – Liste der Prozesse und Ordnungsnummern” // Schweissen und Schneiden. 2010. No. 7–8. Р. 430–433.Mussmann J. Stand der Bearbeitung von ISO 4063:2009 “Schweissen und verwandte Prozesse – Liste der Prozesse und Ordnungsnummern”. Schweissen und Schneiden. 2010, no. 7–8, pp. 430–433. (In Germ.).Krink V. Plasmaschneiden – ein vielseitiges Verfahren zum Schneiden dunner und dicker Bleche // DVS Congress 2010. Vorträge der Veranstaltung vom 26–28. September 2010 in Nürnberg. Р. 73–78.Krink V. Plasmaschneiden – ein vielseitiges Verfahren zum Schneiden dunner und dicker Bleche. DVS Congress 2010. Vorträge der Veranstaltung vom 26-28. September 2010 in Nürnberg, pp. 73–78. (In Germ.).Эсибян Э.М. Воздушно-плазменная резка: состояние и перспективы // Автоматическая сварка. 2000. № 12. С. 6–20.Esibyan E.M. Air-plasma cutting: State and prospects. Avtomaticheskaya svarka. 2000, no. 12, pp. 6–20. (In Russ.).Антипов Н.А. Медко В.С. Определение дефектного приповерхностного слоя при воздушно-плазменной разрезке заготовок из углеродистой низколегированной стали // Электрофизические и электрохимические методы обработки. 2014. № 2(80). С. 25–27.Antipov N.A., Medko V.S. Determination of a defective nearsurface layer during air-plasma cutting of blanks made of carbon low-alloy steel. Elektrofizicheskie i elektrokhimicheskie metody obrabotki. 2014, no. 2(80), pp. 25–27. (In Russ.).Васильев А.Н., Внук В.В., Зиновьев В.И., Котькина Т.В. Сравнительные исследования воздушно-плазменной и кислородно-плазменной резки // Известия МГТУ. 2014. № 2(20). С. 13–18.Vasil’ev A.N., Vnuk V.V., Zinov’ev V.I., Kot’kina T.V. Comparative study of air-plasma and plasma-arc cutting. Izvestiya MGTU. 2014, no. 2(20), pp. 13–18. (In Russ.).Gesteigerte Produktivität durch neueste Plasmaschneidtechnologie // Schweissen und Schneiden. 2008. No. 9. Р. 458–459.Gesteigerte Produktivität durch neueste Plasmaschneidtechnologie. Schweissen und Schneiden. 2008, no. 9, pp. 458–459. (In Germ.).Nachbargauer K. Mit Schneidhohmodus beim Plasmaschneiden reproduzierbare Schneidergebnisse erzeilen // DVS Congress 2010. Vorträge der Veranstaltung vom 26–28. September 2010 in Nürnberg. Р. 95–96.Nachbargauer K. Mit Schneidhohmodus beim Plasmaschneiden reproduzierbare Schneidergebnisse erzeilen. DVS Congress 2010. Vorträge der Veranstaltung vom 26-28. September 2010 in Nürnberg, pp. 95–96. (In Germ.).Wegmann H., Gesthuysen F.-J., Holthaus M. Plasma cutting – an economically viable process for mild and low-alloy steels // Welding and Cutting. 2005. Vol. 4. No. 4. P. 191–194.Wegmann H., Gesthuysen F.-J., Holthaus M. Plasma cutting – an economically viable process for mild and low-alloy steels. Welding and Cutting. 2005, vol. 4, no. 4, pp. 191–194.Анахов С.В. Принципы и методы проектирования плазмотронов. Екатеринбург: Издательство РГППУ, 2018. 163 с.Anakhov S.V. Principles and Methods of Plasma Torches Design. Yekaterinburg: Izd-vo RSVPU, 2018, 163 p. (In Russ.).Conrads H., Schmidt M. Plasma generation and plasma sources // Plasma Sources Science and Technology. 2000. Vol. 9. No. 4. P. 441–454. https://doi.org/10.1088/0963-0252/9/4/301Conrads H., Schmidt M. Plasma generation and plasma sources. Plasma Sources Science and Technology. 2000, vol. 9, no. 4, pp. 441-454. https://doi.org/10.1088/0963-0252/9/4/301Venkatramani N. Industrial plasma torches and applications // Current Science. 2002. Vol. 83. No. 3. P. 254–262.Venkatramani N. Industrial plasma torches and applications. Current Science. 2002, vol. 83, no. 3, pp. 254–262.Локтионов А.А. Оценка качества реза листовых материалов при тонкоструйной плазменной резке // Обработка металлов. 2013. № 4(61). С. 85–89.Loktionov A.A. Assessment a cut of quality of sheet materials in the conditions of high-precision plasma cutting. Obrabotka metallov. 2013, no. 4(61), pp. 85-89. (In Russ.).Рахимянов Х.М., Локтионов А.А., Никитин Ю.В. Оценка геометрической точности реза листовых материалов при различных технологиях тонкоструйной плазменной резки // Обработка металлов. 2013. № 3(60). С. 25–30.Rakhimyanov H.M., Loktionov A.A., Nikitin Yu.V. Evaluation of geometric precision cut of sheet materials with different highprecision plasma cutting technologies. Obrabotka metallov. 2013, no. 3(60), pp. 25–30. (In Russ.).Kirkpatrick I. High definition plasma – an alternative to laser technology // Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 1998. Vol. 70. No. 3. P. 215–217. https://doi.org/10.1108/00022669810370349Kirkpatrick I. High definition plasma – an alternative to laser technology. Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 1998, vol. 70, no. 3, pp. 215–217. https://doi.org/10.1108/00022669810370349Дресвин С.В., Зверев С.Г. Плазмотроны: конструкции, параметры, технологии. Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета, 2010. 56 с.Dresvin S.V., Zverev S.G. Plasma Torches: Designs, Parameters, Technologies. St. Petersburg: izd-vo Politekhnicheskogo un-ta, 2010, 56 p. (In Russ.).Анахов С.В., Пыкин Ю.А., Матушкин А.В. Повышение эффективности системы газовихревой стабилизации в плазмотронах для высокоточной резки металлов // Сварочное производство. 2019. № 4. С. 27–30.Anakhov S.V., Pykin Yu.A., Matushkin A.V. Improving the effectiveness of individual gaseous-vortex stabilization in plasma torches for precision cutting of metals. Svarochnoe proizvodstvo. 2019, no. 4, pp. 27–30. (In Russ.).ГОСТ 14792–80. Детали и заготовки, вырезаемые кислородной и плазменно-дуговой резкой. Точность, качество поверхности реза. Москва: Издательство стандартов, 1980. 6 с.GOST 14792-80. Parts and blanks cut by oxygen and plasma arc cutting. Accuracy, quality of the cutting surface. Moscow: Izd-vo standartov, 1980, 6 p. (In Russ.).Сухоруков Н.В., Смоленцев Е.В. Технология плазменной обработки при разделении материалов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т. 5. № 12. С. 1–3.Sukhorukov N.V., Smolentsev E.V. Technology of plasma processing in materials separation. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2009, vol. 5, no. 12, pp. 1–3. (In Russ.).Сумец А.В., Кассов В.Д. Закономерности структурообразования зоны термического влияния при резке металлов // Вестник ХНАДУ. 2017. Вып. 77. С. 166–170.Sumets A.V., Kassov V.D. Regularities of structure formation of heat affected zone at metals cutting. Vestnik KhNADU. 2017, no. 77, pp. 166–170. (In Russ.).Лященко Г.И. Качество реза при плазменно-дуговой резке // Сварщик. 2012. № 4. С. 34–39.Lyashchenko G.I. Quality in plasma-arc cutting. Svarshchik. 2012, no. 4, pp. 34–39. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.