服务咨询热线/English15851030435
网站首页
产品展示
成功案例
新闻动态
资料下载
联系我们
关于我们
咨询热线
15851030435
地址:南通市崇川区虹桥街道光明新村
传真:0515-85653550

新闻动态

当前位置:主页 > 新闻动态 >

等离子切割不锈钢和铝 研究热影响区的热和化学

发布时间:2019/11/23 07:39

等离子切割不锈钢和铝

热影响区的温度和化学变化

发布于:2019年11月23日

发表人:江苏科茂自动化有限公司

关于:数控切割机,等离子切割机

等离子切割热影响

等离子切割工艺可用于切割任何导电材料,包括碳钢,不锈钢,铝,铜,黄铜,铸造金属和特殊合金。这些材料中的每一种在经受等离子切割过程的强烈加热和冷却时的行为都不同。

低碳钢是金属加工中最常用的材料。但是,不锈钢和铝合金的耐腐蚀性,高强度重量比,热性能以及美观性使这些材料对许多应用具有吸引力。等离子切割碳钢的可焊性和其他材料特性已得到充分证明。作者公司的工程师最近进行的一项研究描述了碳钢的热影响区,并提出了几种等离子体工艺替代方法以最小化热影响区。

在这项研究的继续中,科学家进一步研究了不锈钢和铝的材料性能。该研究的两个目标是:

  1. 表征等离子切割不锈钢和铝合金的热和化学变化。
  2. 推荐可改善美学和切割质量的工艺替代方法,以改善这些材料的成型和加工。

本实验

三种等离子切割系统用于制备用于金相分析的切割样品:

  1. 注水等离子。该过程使用形成等离子体的气体和注入水。喷射水直接撞击在等离子流上,以缩小电弧并保护割炬喷嘴。对于该实验,使用了氮等离子体注水系统。
  2. 常规双气体等离子。此过程使用等离子形成气体和保护气体,该气体可冷却割炬的前端并有助于降低切割质量。对于该实验,使用了几种等离子体和保护气体的组合:空气等离子体-空气保护罩,氮气等离子体-氮气保护罩,氮气等离子体-二氧化碳保护罩和氩/氢等离子体氮气保护。
  3. 精细等离子。此过程使用强烈的等离子气体涡流和特殊的易损件几何形状来实现更大的电弧收缩和更高的能量密度。对于此实验,在精细等离子系统中使用了空气等离子体-空气甲烷防护罩和氩/氢等离子体-氮气防护罩。

切割样品的厚度范围为1至25 mm。图1总结了工作条件。

研究人员从每个切割的样品中去除了一小部分(见图2)。将该部分放置在金相座中,进行抛光和电化学蚀刻,以揭示微观结构中的细节。术语微观结构是指材料的微观晶粒结构,它决定了其许多物理性质。

使用光学显微镜对每个切割样品进行测量和分析。使用了两个放大倍率:100(可以测量热影响区特征)和400到500(可以分析热影响区相含量)。

使用的材料

大部分样品是从304不锈钢片上切下来的。由于300系列不锈钢具有奥氏体相结构,因此也分析了有限数量的马氏体410 SS样品进行比较。300系列和400系列之间的显着区别是镍和铁含量:410 SS具有较高的铁含量(84%至86%)而没有镍,而304 SS具有显着的镍含量(8%至10.5%)。

由于300系列和400系列材料的化学成分不同,它们还具有不同的热物理特性,例如导热率和比热容,这些特性会影响金属在切割过程中以及由此产生的热影响区。对于铝切割,使用了6061级合金(标称成分:1%的镁,0.6%的硅,0.2%的铬,0.3%的铜,余量的铝)。

 

不锈钢切边

切割边缘的外观随PAC工艺和气体选择的不同而有很大差异(请参见图3)。空气等离子体或氧化性保护气体(例如空气或CO 2)往往会产生深色的氧化切割边缘。
等离子切割截面分析

氮气等离子体,氩气/氢气(H35)等离子体或还原性保护气体(甲烷或其他含氢气体)往往会与切缝中存在的氧气发生化学反应,从而在切口边缘几乎不形成氧化物。等离子和保护气体,易损件的设计以及易损件的状况会影响切割边缘的其他特征,例如粗糙度,切割角度和浮渣。

沿切削刃的再凝固层是奥氏体不锈钢切削钢(例如304合金)中的热影响区的特征。对于在12.8毫米厚的304 SS中切割的400安培氮等离子体,该层在图4a(低放大倍率)和4b(高放大倍率)的金相截面中很明显。这种材料在切割过程中已经熔化,粘附在切割的侧面,然后重新固化。

尽管该层的相组成不清楚,但其细粒度的微观结构显示出一些晶粒间选择性腐蚀的迹象,表明可能沿晶界形成了沉淀。

在这项研究中研究的所有奥氏体不锈钢切割试样的表现都相似。比较图4c时,在12.8毫米厚的304 SS中切割的200安培空气等离子体的高倍显微照片,而图4d(与200安培氩/氢等离子体相似的视图)与图4相比,发现每个都具有在原始芯金属之上的细晶粒的固化层。

300系列的热导率相对较低,这导致切割边缘的热效应集中。由于奥氏体相变发生在相对较高的温度下,因此在奥氏体热影响区边缘没有明显的固态相变。

图4e和4f中所示的是在3.3毫米厚的材料中以相同的切割工艺(120安培氮等离子体)切割的奥氏体(316)和马氏体(410)合金的低倍显微照片。在该放大率下,在任一切割样品中几乎看不到任何再固化层。

虽然316 SS微观结构是从表面到芯相对不变,则SS 410示出了微结构的固态相变的明显证据。铁素体和马氏体不锈钢合金的行为与碳钢非常相似,因为在热影响区中通常会发生固态相变。

对切​​割样品的分析表明,固结层通常约为10至30 m厚,尽管某些较厚的不锈钢样品确实具有3至6倍的测量值。

PAC奥氏体不锈钢中再凝固层的厚度很可能与SS的化学成分以及用于切割的特定PAC工艺有关。例如,图4g和h显示了用120安培CDG氮等离子体制成的切割样品的高倍显微照片。

 

图像(a)和(b)显示了用400安培WIP切割的12.8 mm厚的304 SS合金试样。图片(a)为100倍放大率;图片(b)是500倍放大率。
 

图像(c)和(d)显示了304 SS的样本,厚12.8毫米,用200安培的切割,放大率为500倍。图像(c)是用空气等离子体制成的;图像(d)是用氩/氢等离子体制成的。
 
图片(e)为316 SS;图(f)是马氏体410 SS; 两者都是100倍放大率。两者都是3.3毫米厚的标本,用120安培的氮气等离子切割。请注意,马氏体试样中的热影响区存在相变。
 
图像(g)和(h)是用氮等离子体切割的3.3毫米厚304 SS边缘的500倍放大率。试样(g)在散装物料中的硫含量高于试样(h)。(g)中的重新固化层的厚度约为(h)中的一半。

3.3毫米304 SS材料是从两个不同来源获得的。两个样品(图4g和4h)均具有位于再固化层顶部的薄氧化物层。样品4h中的再固化层的厚度约为样品4g中的两倍。
等离子切割切割面对比

尽管在成分上有一些细微的差别,但最明显的可能是硫。硫是一种表面活性元素,可以在金属的高温加工(例如焊接)中显着改变熔融金属的行为。样品4h中硫含量的增加可能导致固化层变薄。

除了此处描述的微观结构评估外,还对切边附近和304和316 SS样品的中心进行了显微硬度测量。尽管边缘硬度通常略高于芯材,但平均硬度变化通常在多次测量的变化范围内。

尽管这些结果表明不会使奥氏体不锈钢的边缘基本硬化,但由于固态相变的可能性,人们可能会期望铁素体和马氏体不锈钢的结果不同。但是,尚未对这些材料进行测量。

不锈钢等离子切割边缘的可焊性是保留以供将来研究的主题。但是,一般来讲,在进行良好的焊接之前,需要先通过磨削去除在氧化等离子体或保护气体(例如空气或CO 2)切割的不锈钢上形成的表面氧化物。

使用还原性等离子体或保护气体(例如氩气/氢气或甲烷)的等离子工艺产生的切割边缘的表面氧化物明显较少,在焊接前几乎不需要或无需进行任何准备。

铝切边

铝切边的外观也随等离子工艺和气体选择而变化(见图5)。铝边缘的表面状况经常表现为相对粗糙度,薄的氧化物层,晶间裂纹和切边表面附近的孔隙率。

在这项研究中分析的铝合金切割试样的热影响区既有固结层,也有固态相变。然而,铝合金的相结构通常仅在金相显微照片中微弱可见。

例如,用70安培的空气等离子和甲烷防护层切割的6.3毫米厚铝合金的低倍放大(请参见图6a)和高倍放大(请参见图6b)的横截面图像显示出切割边缘较粗糙,有些存在孔隙。

通常通过晶界硅化物沉淀物的存在来指示热影响区的程度(包括再固化层和相变层)。用空气等离子体(参见图6c)和氩/氢等离子体(参见图6d)制备的切割试样的微观结构在质量上与图6a和6b相似。

 

由于铝合金的高导热性,热影响区的总厚度可能很大。再固化层通常与相变所定义的区域一样厚。HAZ的厚度与加工条件有关,例如切割速度和加工气体以及材料厚度。对于以较低速度切割的较厚材料,热影响区的宽度较大。
等离子切割铝切面对比

切割边缘附近和切割后的样品核心区域中铝合金6061的显微硬度测量表明,热影响区中的硬度显着降低。等离子切割过程中发生的加热和冷却的热循环本质上是退火过程。该热循环降低了金属的热处理(通常为T6)并使之恢复到退火状态。

当不存在表面氧化物时,用等离子切割制成的铝合金切边的焊接性最佳。如果等离子或屏蔽层中使用了氧化性处理气体,则在焊接之前可能需要对边缘进行研磨。减少等离子或屏蔽层而切割的边缘的可焊性可能会更好。由于铝很容易与氧气反应,因此仍可能需要打磨以准备切割边缘。

结果汇总

300系列SS。奥氏体不锈钢合金的等离子弧切割会产生一种热影响区,其特征是在切割刃上附着了一层薄薄的凝固金属。在微观结构中观察到很少或没有固态相变。

再固化层的厚度通常在10至30 m范围内(小于0.001英寸)。该层的形成可能受原始金属中微量元素(例如硫)的存在的影响。

与芯材相比,切削刃的显微硬度差异很小。

400系列SS。马氏体和铁素体不锈钢的行为不同于300系列合金。等离子切割410系列不锈钢显示了沿热影响区的固态相变的证据。

合金6061铝 切边具有以固相转变和固化层为特征的热影响区。铝合金切边的表面很粗糙,可能有晶间裂纹和孔隙。表面氧化物的存在可能会影响不锈钢和铝合金材料的焊接性。

所有这些不锈钢和铝材料都容易形成可能影响可焊性的表面氧化物。

热影响区发现

对等离子切割不锈钢和铝的热和化学作用的研究证实了先前有关碳钢研究的许多发现。

  • 热影响区的等离子切割件很小。这项研究中的大多数热影响区测量值都小于0.001英寸厚。
  • 热影响区随速度和功率而变化。低碳钢中热影响区的程度与工艺变量有关,例如切削速度和功率以及材料厚度。
  • 更快的切割产生更少的热影响区。通过使用高安培数和高速条件减少执行切割所需的时间可减少热影响区。
  • 更高的热量(每平方英寸)可以产生更少的热影响区。高能量密度过程(每单位面积更大的功率),例如精细等离子,产生的热影响区更少。

 

对于某些应用,必须在焊接前通过机械方式去除热影响区,以防止脆化和焊接失败,但是等离子切割不锈钢和铝的热影响区通常很小,可以通过过程控制进一步降低。
切割面对比

江苏科茂自动化有限公司 www.jskemao.cn

数控切割机制造商