The trend of the plasma cutting and laser cutting technology of metal alloys including high strength steel, aluminum alloys for the welding structures has been studied. The high-precision plasma systems offer a denser, higher energy arc that in effect produces a sharper cutting tool and high quality cutting products. The high-quality fiber laser systems with compact design and easy set-up make it ideal for cutting in the pipeline or steel structre manufacturing. This paper covers the scientometric analysis of the high efficient cutting technology which are based on the published research works in the 'plasma and laser', and 'cutting technology' obtained from Web of Science, and deals with the details of the background data of the plasma cutting and laser cutting technology.
Plasma arc cutting is a fusion cutting process in which a gas-constricted arc is employed to produce a high-temperature, high-velocity plasma jet on the workpiece. This process provides some advantages such as increased cutting velocity, excellent working accuracy and the ability to cut special materials (widely used stainless steels and Al-alloys, for example), when compared with iconventional oxyfuel gas cutting. From the view point of price and reliability of the power source, plasma arc cutting has also some distinct advantages over laser beam cutting. High-speed machines with NC or CNC systems are needed for the plasma arc or laser beam cutting process, while for oxyfuel gas cutting, low-speed machines with copying templates or optical-shape tracking sensors can be applied. The low price and high flexibility of the microprocessor arc contributing more and more the application of CNC system in the plasma arc cutting process, as in other manufacturing fields. From these points of view, a microprocessor-based plasma arc cutting system was developed by using a reference-pulse system, and its performance was tested. The interpolating routines were programmed in the assembly language for saving the memory volume and improving the compouting speed, which has an intimate relationship with the available cutting velocity.
Plasma arc cutting is one of the most widely used processes in metal cutting fields and is a process that produces parted metal plates by cutting them with an arc plasma established between the electrode tip and the plate(workpiece). When the tip-to-workpiece distance varies during cutting, the cut quality, for example the kerf width, is deteriorated by the change of plasma arc. The variations of tip-to-workpiece distance are due to the different factors such as inaccuracies in setting the torch or workpiece, thermal distortions during cutting, and uneven surface of workpiece. The control to keep the tip-to-workpiece distance constant is thus indispensable to improve the flexibility of automatic plasma arc cutting system applications. In this study, an arc sensor which utilizes the electrical signal obtained from the plasma arc itself was developed. The arc sensor has an advantage that no particular sensing device is necessary and real-time sensing of the tip-to-workpiece distance is possible directly under the plasma arc. The relationship between plasma arc voltage and tip-to-workpiece distance was determined through the repeated experimental results. The model was used for developing an automatic tip-to-workpiece distance control system of plasma arc cutting. It could be shown that the proposed system has a successful capability of tip-to-workpiece distance control.
The cutting tests of high tensile steel plate(AH36) were carried out using CNC plasma arc cutting machine. Both top and bottom width of kerf and the surface roughness(Ra, Rmax) of cut surface are measured under various cutting conditions such as cutting speed, steel plate thickness, etc. In the CNC plasma arc cutting, the surface roughness decreases as cutting speed increases. The hardness is high up to 4mm depth from the cutting surface. In the cutting speed 1300~2100mm/min, the ratio of proper kerf width(Wt/Wb) is around 2.6. Through the series the series of experiments, the satisfactory cutting conditions of high tensile steel plate were found.
A hybrid cutting using both plasma and end mill was developed for safe and efficient dismantling of nuclear facilities. In this cutting method, a moving arc plasma heats up the workpiece before milling. Thermally softened part of the workpiece is then removed quickly and deeply with an end mill. For the cutting experiments, a three-axis numerical control (NC) milling machine was combined with a commercialized arc plasma torch and used to cut 25 mm thick stainless steel plates. Experimental results revealed that pre-heating by arc plasmas can improve the cutting volume per unit time higher than 40% by reducing the cutting load and increasing the cuttable depth when using an end mill without cutting fluids. These advantages of a hybrid cutting process are expected to contribute to quick and safe segmentations of metal structures with radioactively contaminated inner surfaces.
Arasaratnam, P.;Sivakumaran, K.S.;Rasmussen, Kim J.R.
Steel and Composite Structures
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제6권6호
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pp.531-555
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2006
H-shaped welded steel column members are fabricated by welding together pre-cut flanges and the web. Modern fabricators are increasingly using plasma-cutting technique instead of traditional flame cutting. Different fabrication techniques result in different degrees of geometric imperfections and residual stresses, which can have considerable influence on the strength of steel columns. This paper presents the experimental investigation based temperature profiles, geometric imperfections, and built-in residual stresses in plasma cut-welded H-shaped steel column members and in similar flame cut-welded H-shaped steel columns. Temperature measurements were taken during and immediately after the cutting operations and the welding operations. The geometric imperfections were established at closely spaced grid locations on the original plates, after cutting plates into plate strips, and after welding plate strips into columns. Geometric imperfections associated with plasma cut element and members were found to be less than those of the corresponding elements and members made by flame cutting. The "Method of Section" technique was used to establish the residual stresses in the plate, plate strip, and in the welded columns. Higher residual stress values were observed in flame cut-welded columns. Models for idealized residual stress distributions for plasma cut and flame cut welded sections have been proposed.
In the recent years the computer-numerical controlled cutting process such as a plasma arc cutting and a laser cutting is widely applied to reduce the time and cost expense for generating NC part program of the parts to be cut. In the present study, a CAD system(C-CAD) was developed to generate automatically the NC part programs with CLDAT(Cutter Location Data)for the CNC plasma arc cutting system. The NC part programs are composed of the 2-dimensional drawing of the parts to be cut and the technological data. The shape data of the parts drawn in the Auto-CAD can be also used in the C-CAD, since the data file generated by the C-CAD is compatible with that by the Auto-CAD. In order to check its applicability, the C-CAD and CAM system were applied to cut the parts, and which showed the satisfactory results.
The Plasma Arc Cutting Method using high density and hight temperature beam is well applicable to the cutting of the nonferrous metal (Al alloy ) and stainless steel which are unable to be cut by the use of the oxy-fuel gas. This study focalizes on the cutting phenomena of the plate of (mm) thickness, since the cutting phenomena of thick plates have been rather thoroughly studied. In this study the cutting groove, adhesive phenomena of dross, surface roughness were measured according to the variation of cutting speed and compared with the case of mild steel plates. The result showed that the kerf width variation of Al alloy was similar to the case of mild steel, while that of the stainless steel differed from the mild steel. In the adhesive phenomena of dross, 6(mm) thick plates of Al alloy showed a difference from those of thick plates, but the stainless steel was similar to thick plates. The surface roughness variation of Al alloy wias minimum at 67 cm/min, while that of stainless steel was at 30cm/min.
In this research, the effects for surface Improvement of plasma ion implanted carbide endmill tools were observed by measuring cutting forces and tools wear affecting surface roughness in high speed cutting. From the 2nd ion mass analysis, the oxidation layer was found to be built up by sputtering. The residual gas contamination of oxygen was found to be contained impurities in nitrogen gas. The plasma implanted ion was found to be spreaded, especially the nitrogen was implanted up to 150nm depth as impressed voltage and ion implanting time. It is analyzed as bring surface improvement by spreading deeply forming oxidation on surface. The factors in Analysis of Variance(ANOVA) about mutuality cause reference of cutting force. The cutting force Fx is affected by the interaction of spindle rpm and federate, the cutting force Fy is influenced by spindle rpm and time injected ion, and cutting force Fz is affected by the interaction of impressed voltage and feedrate. Also, it was found that the cutting forces of implanted tools become lower and the surface roughness is improved by the effect of nitrogen according to the implantation.
플라즈마 절단은 산업계에서 널리 사용되고 있으나 공정의 해석에 대한 연구는 매우 부족하다. 본 연구에서는 알미늄판재에 나타나는 온도분포를 해석함으로써 절달폭을 이론적으로 예측하고 자 하였다. 열유동을 해석하는데 있어서, 플라즈마 아아크의 강도가 폭방향으로는 정상분포 (Gaussian distribution)을 갖고 두께방향으로는 지수함수적으로 감소한다고 가정하였다. 측정된 아아크효율을 이용한 계산결과 이론적으로 예측된 절단부의 크기 및 형상이 실험치와 매우 잘 일치하였으며, 따라서 제안된 해석방법은 플라즈마 절달공정의 해석에 유용하게 적용될 수 있 었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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