Laser Cutting of Carbon / Mild Steel

Loading…

مفاهيم أساسية عن الفولاذ الكربوني

الفولاذ الكربوني (الفولاذ الأسود / الـmild steel) سبيكة من الحديد والكربون بنسبة كربون تصل إلى 2 %. وفقًا لنسبة الكربون يُصنَّف إلى:

فولاذ منخفض الكربون — نسبة الكربون أقل من 0,25 %.
فولاذ متوسط الكربون — نسبة الكربون 0,25–0,6 %.
فولاذ مرتفع الكربون — نسبة الكربون أعلى من 0,6 %.

من حيث طريقة الدرفلة، يُقسَّم الفولاذ الكربوني إلى مدرفل على الساخن ومدرفل على البارد. الفرق الأساسي هو درجة حرارة العملية.

يُنتَج الفولاذ المدرفل على الساخن من خامة أقل جودة، ولذا فإن سعره أقل من المدرفل على البارد. ويمكن أن يصل سُمكه إلى أكثر من 160 مم.

أما الفولاذ المدرفل على البارد، فيُستخدم عادةً للهياكل ذات الصفائح الرفيعة من 0,4 مم إلى 6 مم. جودته أعلى من المدرفل على الساخن، ولذا فإن سعره أعلى أيضًا.

اختيار المادة

تصنيف الفولاذ المورَّد:

الدرجة الأولى
الدرجة الثانية
الدرجة الثالثة
خارج المواصفات

تصلح للقطع بالليزر الدرجتان الأولى والثانية، خصوصًا للقطع المخصصة للطلاء أو للمنتجات الزخرفية. وتختلف الدرجات في جودة التركيب وعملية التصنيع.

للعمل المستقر مع المادة، يجب أن يحصل مشغّل القطع بالليزر على لوح اختبار بالسمك المطلوب من المصنع، مع وصف لـgrade الفولاذ وعملية الإنتاج. حينها يستطيع المشغّل رؤية العيوب وتقييم المخاطر، وباتفاق مع المورّد يختار نظامًا مستقرًا للإنتاج المتسلسل بالتعاون مع هذا المورّد بشكل دائم، أو تغيير المورّد ببساطة لتجنّب المشكلات في الإنتاج المتسلسل.

تركيب المادة

المادة المُستخدمة عامل حاسم. الفولاذ المنخفض الجودة يحتوي في الغالب على شوائب ذات نشاط تفاعلي مرتفع عند التسخين. تحدث عدة تفاعلات حرارية تُؤثّر على تكوّن القشرة (scale) وتطاير المعدن المفاجئ وعيوب القطع الأخرى. وإذا كانت لزوجة المنصهر مرتفعة، فستلتصق القشرة بالمادة وستحتاج إلى تنظيف إضافي. وتخفيض السرعة أو إضافة معالجة لاحقة ليس مفيدًا للإنتاج.

جودة المادة

إذا تمّت الدرفلة بمخالفة للتكنولوجيا وخُزّنت الألواح بشكل غير سليم، فتوقّع وجود ألواح مغطّاة بالصدأ، سطحها غير متجانس، سماكتها متغيّرة على المستوى، ومسامية في المعدن — وكل ذلك يُسبّب عيوب قطع.

اختيار الغاز

الأكسجين والهواء يُستخدمان عادةً لقطع الفولاذ الطري والفولاذ منخفض السبائك. النيتروجين غاز قطع شامل، لكن استهلاكه العالي يجعله يُستخدم فقط في الحالات الخاصة.

القطع بالأكسجين

يُحدث تفاعلًا طاردًا للحرارة مناسبًا لقطع الفولاذ الكربوني. غير أنه يُنتج حوافًا مؤكسدة ويستلزم تحكّمًا دقيقًا في معايير العملية لتقليل التصاق القشرة (scale) وslag وdross والخشونة ومنطقة التأثير الحراري (HAZ).

يكون ضغط الأكسجين عند الفوهة عادةً في نطاق 0,5–5 بار.
مع زيادة سُمك اللوح يُخفَّض ضغط الأكسجين (لتفادي الاحتراق الزائد) ويُزاد قطر الفوهة.
نقاء الغاز المرتفع مهم: يمكن قطع فولاذ سُمك 1 مم أسرع بنحو 30 % باستخدام أكسجين بنقاء 99,9 % أو 99,99 % مقارنةً بنقاء 99,7 % القياسي.
السُمك الأقصى القابل للقطع أعلى نسبيًا في القطع بالأكسجين مقارنةً بالقطع بالنيتروجين عالي الضغط.

الهواء المضغوط

الأفضل لقطع الألواح الرفيعة. سرعة القطع أعلى بكثير من الأكسجين.
بدءًا من 2 مم يصعب تجنّب العيوب — ستحتاج إلى معالجة إضافية.
ضغط هواء مرفوع إلى 5–6 بار يكفي لطرد المعدن المنصهر من الشق.
وبما أن نحو 80 % من الهواء هو نيتروجين، فإن القطع بالهواء المضغوط هو فعليًا قطع بالانصهار.
من سلبيات الضاغط: الصيانة المنتظمة (تغيير الزيت) والمرشحات التي قد تتعطّل أحيانًا. بعد ثلاثة أشهر من التشغيل الطبيعي قد تبدأ في "البصق": يدخل المتكثّف من الخزان إلى الخط. وإذا تلوّث المسار مرة واحدة، فإن تركيب مرشحات نظيفة لاحقًا لا يكفي — لا بد من تنظيف المسار نفسه بنفخه بالكحول.

مركزة الشعاع وفحص النظام البصري والفوهة

في بداية الوردية، تأكّد من أن مركزة شعاع الليزر سليمة وأن الزجاج الواقي نظيف. عند ظهور العيوب، ابدأ التشخيص بالتحقق من مركزة الشعاع ونظافة الزجاج الواقي. ولا تنسَ أنه في القطع بالأكسجين يُفضَّل استخدام فوهات مزدوجة والتحقق المنتظم من هندسة فتحة الخروج.

عيوب القطع: القشرة، الأشرار، slag، dross

القشرة (scale) هي تراكم غير مرغوب فيه من النفايات الناتجة عن المادة المنصهرة — مُنتَج جانبي لعملية القطع.

الأسباب الرئيسية الثلاثة: قشرة منخفضة السرعة، قشرة عالية السرعة، وقشرة متناهية التشتّت (slag).

القشرة عالية السرعة. إذا كانت سرعة القطع مرتفعة جدًا، يتأخر القوس داخل الشق ويترك مادة غير مقطوعة على الوجه السفلي للوح. فتتراكم القشرة وتنخفض الجودة.

القشرة منخفضة السرعة. إذا كانت السرعة منخفضة جدًا، فإن أداة القطع "تبحث" عن مادة إضافية للقطع. يزداد قطر القوس ويتّسع الشق ولا يعود المكوّن البلازمي عالي السرعة قادرًا على تشتيت المعدن المنصهر؛ فيتراكم تحت اللوح.

slag (قشرة متناهية التشتّت). يتشكّل عندما تترك المعادن المُعاد تصلّبها رواسب على السطح، ثم تتساقط لاحقًا على شكل قطع. غالبًا بسبب عاملين: سرعة عالية جدًا أو ضغط فوهة منخفض. وعلى عكس النوعين الآخرين، إزالته سهلة جدًا.

dross (أشرار متصلّبة). قطرات متصلّبة من المعدن المنصهر على حافة القطعة، تظهر عند انحراف السرعة أو معايير تكنولوجية أخرى عند قطع الأسماك الكبيرة.

dross بشكل خرزات مع أخاديد متجهة إلى الأسفل، ملتصقة بالفولاذ الإنشائي. السبب: موضع البؤرة مرتفع جدًا عن القيمة الاسمية أو سرعة القطع عالية جدًا. الحل: إبطاء العمل بنسبة 10 % أو خفض موضع البؤرة.
dross مع فتات وحفر على القطعة. السبب: موضع البؤرة أدنى من الاسمي مع ارتفاع ضغط الأكسجين والتصاق الجسيمات على سرعة عالية. الحل: رفع البؤرة وإبطاء العملية بنسبة 5–10 %.

الأشرار (burr) مادة متصلّبة عالية الالتصاق أو slag أكسيد متصلّب يتكوّن على الجانب السفلي للقطع. المواد المنصهرة ذات الشد السطحي العالي واللزوجة المنخفضة يصعب إزالتها من جبهة القطع بواسطة الغاز المساعد وقد تتسبّب في التصاق القشرة على الجانب السفلي.

منطقة التأثير الحراري (HAZ)

يُنتج القطع بالليزر منطقة تأثير حراري (HAZ) بجوار حافة القطع. وهي جزء المعدن الذي يتأثر هيكله بالحرارة دون أن ينصهر. التغيّر في البنية الدقيقة داخل HAZ هو إحدى الخصائص التي تُحدِّد جودة القطع بالليزر.

تُسبّب HAZ تغيّرات هيكلية تُضعِف القطعة في تلك المنطقة، ولذلك فإن أي تطاير للمعدن يُصعّب القطع اللاحق. الحلول: الثقب التحضيري المسبق، النفخ المستمر، القطع من المركز إلى الخارج في اتجاهات مختلفة، النفخ الإضافي.

كسر / فوهة ثقب

تمزّق في القطعة من جانب الدخول، فوهة عند الثقب. السبب: بؤرة منخفضة، معايير غير صحيحة (ارتفاع قطع منخفض، تردّد مرتفع، فوهة كبيرة جدًا، طاقة ثقب مفرطة).

لتفادي هذا العيب:

ارفع البؤرة؛
ركّب فوهة أصغر؛
اضبط معايير الدخول على القيم الافتراضية؛
نفّذ ثقبًا تحضيريًا مسبقًا.

شروط القطع بالأكسجين

للقطع بالأكسجين لا بد من توافر الشروط التالية:

(أ) يجب أن تكون درجة احتراق المعدن في الأكسجين أقل من درجة انصهاره، وإلا فإن المعدن سينصهر ويتحوّل إلى حالة سائلة قبل أن يبدأ احتراقه في الأكسجين.

(ب) يجب أن تنصهر أكاسيد المعدن الناتجة عند درجة حرارة أقل من درجة احتراق المعدن وألا تكون لزجة جدًا.

(ج) يجب أن تكون كمية الحرارة المتحرّرة من احتراق المعدن في الأكسجين كبيرة بما يكفي للحفاظ على عملية القطع. عند قطع الفولاذ يأتي نحو 70 % من حرارة التسخين من احتراق المعدن في الأكسجين و30 % فقط من لهب التسخين.

(د) يجب ألا تكون الموصلية الحرارية للمعدن مرتفعة جدًا، وإلا فإن التبديد الحراري الشديد قد يُوقِف عملية القطع.

تأثير تركيب الفولاذ على القطع

يستوفي الحديد النقي والفولاذ المنخفض الكربون الشروط المذكورة أعلاه أفضل استيفاء. للحديد النقي درجة اشتعال في الأكسجين قدرها 1050 °م ودرجة انصهار 1528 °م. وعند احتواء الفولاذ على 0,7 % كربون ترتفع درجة اشتعاله في الأكسجين إلى 1300 °م، وهي تساوي بداية انصهار الفولاذ بهذا التركيب. ووفقًا لـ A. N. Shashkov، يبدأ الأكسدة الانتقائية للحديد في الأكسجين أثناء قطع الفولاذ عند نحو 1130 °م، وعند 1300 °م وما فوق يبدأ احتراق الكربون المكثّف.

إلى جانب التركيب، تتأثر درجة الاشتعال أيضًا بحالة السطح وحجم القطع وضغط وسرعة تدفق الأكسجين. والسطح الخشن يُسهّل اشتعال المعدن في الأكسجين. مسحوق الحديد قد يشتعل في الأكسجين النقي عند 315 °م — أي أقل بكثير من المعدن المدرفل. ويشتعل سطح كتلة كبيرة من الفولاذ عند 1200–1300 °م. وعند ضغط 25 كغف/سم² وسرعة تدفق أكسجين 180 م/ث تنخفض درجة اشتعال الفولاذ الكربوني في الأكسجين إلى 700–750 °م.