Тема выпускной квалификационной работы: «Диффузия азота при лазерной и плазменной резке низкоуглеродистой стали». В работе проводится моделирование диффузии азота в процессе плазменной и лазерной резки низкоуглеродистой стали. Задачи выпускной квалификационной работы: ⎯ Изучение литературных данных по тематикам плазменной и лазерной резки; ⎯ Изучение литературных данных о влиянии азота на структуру и свойства сталей; ⎯ Моделирование диффузии азота при плазменной и лазерной резке низкоуглеродистой стали в программном пакете MATLAB. ⎯ Анализ полученных результатов. В первой главе работы представлен литературный обзор по актуальности и степени задействования на предприятиях лазерной и плазменной методов резки, а также обзор в области современных исследований этих процессов. Вторая глава посвящена анализу литературных данных о влиянии азота на структуру и свойства готового стального изделия после сварки, а также анализу растворимости азота в стали. Кроме того, во второй главе рассмотрен пример термодинамической модели растворения азота в сварном соединении. В третьей главе работы проведено моделирование диффузии азота в процессе лазерной и плазменной резки низкоуглеродистой стали. Расчет основан на аналитическом уравнении для решения задачи о диффузии элемента из слоя конечной ширины неограниченного образца в изотермических условиях. Для решения задачи с использованием литературных данных были установлены концентрации азота в основном металле и в расплавленном металле в процессах резки. Значение зависимости коэффициента диффузии азота в стали от температуры было получено из литературных данных. Для расчёта температурного поля при резке была использована модель быстродвижущегося равномерно распределённого плоского источника конечной ширины в пластине. В данной модели принималось, что распределение энергии от источника равномерное по всему диаметру пятна нагрева ввиду крайне высокой концентрации ввода тепла при используемых видах резки. В следствие обязательного условия сквозного прорезания любой толщины материала в процессе резки, в расчетной схеме использована бесконечная пластина в качестве модели разрезаемого изделия, в которой тепловой поток будет плоским, а температурное поле двумерным, так как распределение температурного поля по толщине пластины почти никак не будет изменятся в процессе резки. С использованием описанной выше модели, была рассчитана температура в заданных координатах в пластине в заданных моментах времени. По проведенным расчетам была определена ширина ванны при используемых видах резки. В координате максимальной ширины ванны был построен термический цикл, согласно которому по аналитическому уравнению было рассчитано поле концентрации азота с учётом зависимости коэффициента диффузии от температуры. Конечным продуктом расчетов стали графики полей концентрации азота при лазерной резке и плазменной резке низкоуглеродистой стали в пластине толщиной 5 мм по одну сторону от оси реза, согласно соображениям симметричности значений для второй стороны.

Theme of qualification work: «Nitrogen diffusion in laser and plasma cutting of mild steel». In this work, the modeling of nitrogen diffusion in the process of plasma and laser cutting of low-carbon steel is carried out. Tasks of the final qualifying work: ⎯ Literature analysis on the topics of plasma and laser cutting; ⎯ Literature analysis on the topic of the influence of nitrogen on the structure and properties of steels; ⎯ Simulation of nitrogen diffusion during plasma and laser cutting of low-carbon steel in the MATLAB software package; ⎯ Analysis of the obtained results. The first chapter of the work presents a literature review on the relevance and popularity of laser and plasma cutting methods in various industries, as well as a literature review in the field of modern research of these cutting processes. The second chapter is devoted to the literature analysis of the influence of nitrogen on the structure and properties of the final steel product after welding, as well as the literature analysis of the solubility of nitrogen in steel. In addition, in the second chapter, an example of a thermodynamic model of nitrogen dissolution in a welded metal is considered. In the third chapter of the work, the modeling of nitrogen diffusion during the process of laser and plasma cutting of mild steel is carried out. The calculation is based on an analytical equation for solving the problem of diffusion of an element from a layer of finite width of an unrestricted sample under isothermal conditions. To solve the problem the nitrogen concentrations in the base metal and in the molten metal during the cutting processes were established using the literature data. The value of the temperature dependence of the nitrogen diffusion coefficient in steel was obtained from the literature data. A model of a fast-moving uniformly distributed flat heat source of finite width in a plate was used in order to calculate the temperature field during cutting. In this model it was assumed that the distribution of energy from the heat source is uniform over the entire diameter of the heating spot due to the extremely high concentration of heat input for the types of cutting used. Material of any thickness in the cutting process must be cut through, therefore, in the design scheme, an infinite plate is used as a model of the material being cut, in which the heat flow will be flat and the temperature field is two-dimensional, since the distribution of the temperature field along the sheet thickness practically does not change in any way during the cutting process. The temperature was calculated in given coordinates in the plate at given points in time using the model described above. According to the calculations, the width of the melt pool was determined for both types of the cutting processes. The temperature cycle was plotted in the coordinate of the maximum width of the melt pool, then the field of nitrogen concentration was calculated using the analytical equation, taking into account the dependence of the diffusion coefficient on temperature. The final product of the calculations was the graphs of the nitrogen concentration versus the distance to the cut axis during laser and plasma cutting of mild steel in a 5 mm thick plate on one side of the cut axis, in accordance with considerations of symmetry of the results for the other side.