Hot- and Cold-Rolled Steel: Defects Affecting Laser Cutting

شكراً لرمضان لي على المساعدة!

الفرق بين الصفائح المدلفنة على البارد والساخن وأيها يجب اختيار

بين المنتجات المُحصَّلة بطريقة الدلفنة (التشكيل تحت الضغط) فروق كثيرة. والفرق بين خواص الدلفنة الساخنة والباردة يعود إلى اختلاف درجة حرارة العملية الإنتاجية.

أهم الفروق:

• المادة الأولية للدلفنة الساخنة هي السلاب (slab)؛ أما للدلفنة الباردة فهي الصفيحة المدلفنة على الساخن.
• على عكس المنتج المدلفن على الساخن، تُستخدم في المدلفن على البارد درجات فولاذية عالية الجودة فقط.
• الصفيحة المدلفنة على البارد توزيع سُمكها أكثر انتظاماً ولا تتعوّج عند اللحام؛ ولذلك تُفضَّل في صناعة الأجهزة والسيارات والطائرات.
• لا يتجاوز سُمك الصفيحة المدلفنة على البارد 5 ملم؛ بينما يصل في المدلفنة على الساخن إلى 200 ملم.
• دقة الأبعاد (الزوايا، الطول، العرض) أعلى في المنتج المدلفن على البارد.
• لا تتشقق الصفيحة المدلفنة على البارد عند الثني.
• من حيث المتانة والديمومة والموثوقية، لا فرق بين المدلفن على الساخن والبارد.

الصفيحة المدلفنة على الساخن

الصفيحة الفولاذية المدلفنة على الساخن منتج مسطّح سُمكه أقل بكثير من طوله وعرضه. يُنتَج بطريقة الدلفنة الساخنة — وهي العملية التي أعطت المنتج اسمه.

عيوب الدلفنة على الساخن

1. عدم احترام دقة الأبعاد والشكل. انحرافات في السُّمك والطول والعرض؛ تباين سُمكي طولي وعرضي؛ تموّج.

• الأسباب: ضبط غير صحيح للمدلفنة، عدم التزام بنظام الدلفنة (التشوّه).
• تباين سُمكي طولي عالٍ — بسبب سوء تشكيل بكرات المدلفنة وكبر تآكلها.
• التموّج — يتكوّن قرب الحواف الجانبية للشريط بسبب زيادة الضغط في تلك المناطق. للعلاج: إما زيادة تحدّب البكرات، أو خفض الضغط.

2. اختلال استمرارية المعدن. تمزّقات نافذة، شقوق، حواف ممزّقة، ترقّقات (lamination) إلخ.

• الأسباب: في الغالب ذات منشأ ميتالورجي — اضطراب في تكنولوجيا الصهر والتنقية من الأكسجين والصب.
• منشأ الدلفنة:
  1. التمزّقات النافذة — تتكوّن في الأماكن التي يكون فيها المعدن متدنّي اللدونة بشكل حاد.
  2. هذه الأماكن هي شوائب غير معدنية متّصلة، وفقاعات مؤكسدة داخلياً، ومنها تتشكّل الشقوق والحواف الممزّقة. كما تظهر عند ارتفاع حرارة المعدن أو احتراقه قبل الدلفنة.
• القشور (slivers) — تقشّرات على شكل لسان. الأسباب: منشأ من السبيكة (تنشأ أثناء صبّ المعدن)، شوائب غير معدنية في الطبقة السطحية، انفتاح فقاعات غازية، حضور أخاديد عميقة على سطح السبائك والسلابات.
• الترقق — تلوث كبير للطبقات الداخلية للمعدن بالشوائب غير المعدنية.

3. عيوب سطح المنتج المدلفن. قشور مدلفنة (rolled-in scale)، خدوش، آثار سطح البكرات.

4. هيكل وخواص فيزيوميكانيكية غير مرضية. إذا كان التركيب الكيميائي للمعدن صحيحاً، فإن أسباب الانحراف في البنية والخواص هي خرق أنظمة التشوّه، خاصة في المرور الأخير، وعدم احترام درجات الحرارة المحدّدة لنهاية الدلفنة وللف الشرائط.

الصفيحة المدلفنة على البارد

الصفيحة المدلفنة على البارد نوع من المنتجات الصفائحية المسطّحة، تُنتَج بدلفنة باردة.

تساعد على ظهور العيوب صِغر سُمك المنتج المدلفن على البارد، الذي يقل كثيراً مقارنةً بالمدلفن على الساخن.

نتيجة فقدان التجانس تتكوّن شقوق وثقوب وحواف ممزّقة وترقّقات — وكلها مؤشّرات على رداءة المادة الخام أو حدوث مخالفات تكنولوجية من المُصنّع.

من العيوب السطحية: شرائط داكنة، نتوءات، آثار ضغط، وكذلك التخميل الناقص (under-pickling) والتخميل المفرط (over-pickling). هذه نتائج خرق العملية، خاصة التخميل (التحميض). كما قد تنتج عن طريقة أكسدة خاطئة، أو وجود انخسافات وبروزات على سطح البكرات.

فُتاتٌ مدلفن في السطح (rolled-in crumb) — عيب آخر ينشأ عن عدم تنظيف سطحَي الشريط والبكرات جيداً قبل المعالجة.

تُنتَج الصفيحة الباردة من المدلفنة على الساخن بعد إزالة القشور بالتحميض. ثم تُمرَّر الصفيحة المخمَّلة عبر المدلفنة دون تسخين، فيُحقَّق السُّمك المطلوب. المرحلة الأخيرة هي التلدين (annealing) الذي يعطي الخواص المطلوبة. تُورَّد كلفافات (coils) أو صفائح مقطوعة.

عيوب الباردة

1. اختلال سلامة المعدن — تآكل البكرات.

بما أن الصفائح المدلفنة على البارد عادةً أرفع بكثير من المدلفنة على الساخن، فإن العيوب البارزة هي اختلاف السُّمك العرضي والطولي، التموّج، والانحناء (buckling). الوقاية: تشكيل بكرات أمثل، استخدام مضاد الانحناء، تحكم آلي بعملية الدلفنة.

السبب الرئيس لعيوب من هذا النوع (ثقوب، شقوق، حواف ممزّقة، قشور، ترقّقات) هو رداءة جودة المدلفن الحار الأصلي. ومع ذلك، قد تنشأ بعض العيوب نتيجة لتنفيذ عملية الدلفنة بشكل خاطئ. عند إدخال شرائط منحنية إلى البكرات، مع وجود ميل لتكوّن طية طولية، يتزحزح جزء من الشريط نسبيًا في منطقة التشوّه. تظهر على سطح المعدن خطوط فاتحة بزاوية مع اتجاه الدلفنة. يسمى هذا العيب القَطع (shear mark) (أو «عظمة السمكة» إذا كانت الخطوط متناظرة طولياً). السبب: اختيار تشكيل بكرات غير ملائم، وتوزيع غير متجانس للضغط على عرض الشريط.

2. عيوب التخميل (التحميض).

أثناء تخميل الشرائط الحارة قد يحدث تخميل ناقص أو تخميل مفرط. في الأول تبقى على السطح شرائط أو بقع داكنة من قشور غير منزوعة؛ وفي الثاني يصبح السطح خشناً متآكلاً بفعل المحلول الحمضي. تتطلب هذه العيوب تغيير نظام التخميل.

في عملية الدلفنة قد تتكوّن على سطح الشريط انخسافات (dents) أو نتوءات (bumps). تظهر الانخسافات بمختلف الأشكال والأحجام عادةً نتيجة لحام جزيئات معدنية على سطح البكرات — في هذه الحالة يلزم تنظيف سطح البكرات، مثلاً بقماش الجلخ أو حجر سنفرة. تظهر النتوءات عند وجود انخسافات أو حفر على سطح البكرات (نتيجة تكسّر)؛ ويجب استبدال البكرات بعيوب سطحية جسيمة.

نوع شائع من الضرر للصفائح والشرائط الباردة: فتات معدني مدلفن. ينشأ نتيجة تساقط قطع معدنية على سطح الشريط الذي يتم دلفنته؛ وكثيراً ما تتقشّر هذه القطع من حواف الشريط حين تكون فيها شقوق أو نتوءات حادة.

عند ملامسة المعدن لحوافٍ حادة في الأطقم الموجهة، وعند النقل وأنشطة أخرى، تتكوّن على سطح الشرائط خطوط وخدوش. وقد تنشأ كذلك بسبب الانزياح النسبي لطبقات الشريط داخل اللفّ خلال اللفّ والفكّ والنقل.

3. عيوب التلدين.

تتكوّن بعض العيوب السطحية أثناء تلدين المعدن المدلفن على البارد. إذا بقيت على السطح بعد الدلفنة بقايا مزيتٍ عملي مؤثّر (مستحلب) فقد تظهر أثناء التلدين بقع وخطوط داكنة، غالباً قرب حواف الشرائط أو الصفائح. كثيراً ما يُسمى هذا العيب احتراق المستحلب. للوقاية: تجنّب استخدام مستحلبات مركّزة جداً، وإزالة بقايا الزيت من سطح الشريط بعد الدلفنة قدر الإمكان — مثلاً بالنفخ بالهواء.

الخلاصة

تعتمد انحرافات البنية والخواص الفيزيوميكانيكية أساساً على الالتزام بأنظمة المعالجة الحرارية المقرّرة. وفي الوقت نفسه، يجب الانتباه إلى أهمية أنظمة التشوّه التي يجب اختيارها مع مراعاة الخواص النهائية للمعدن. تبرز كذلك مشكلة منفصلة هي الإجهادات الداخلية للصفيحة، الناتجة عن قِصَر الدورة الحرارية وقلة عمق المنطقة المتأثرة حراريًا، إلخ.

مشاكل القطع التي يواجهها المشغّلون

الإجهادات الداخلية

عادةً تكون الإجهادات الداخلية متوازنة تماماً ولا يظهر تأثيرها الخارجي على الصفيحة، حتى يحدث ما يُخلّ بهذا التوازن. ومع الإخلال بالتوازن (تحميل خارجي، إزالة طبقة كسماح آلي، قطع)، تبدأ الصفيحة بالتشوّه حتى تصل إعادة توزيع الإجهادات إلى توازن جديد. تُسمَّى هذه التشوّهات تشوّهات متبقّية.

السبب المباشر لتكوّن الإجهادات الداخلية هو عدم تجانس التغيّرات الخطية أو الحجمية في الحجوم الكبيرة والصغيرة للمعدن.

في درجات الحرارة العالية للقطع بالليزر تحدث تحوّلات طورية: يتغيّر هيكل المعدن، وتتغيّر الشبكة البلورية وحجم الخلية البلورية، وتنشأ إجهادات داخلية.

يصبح النظام غير متجانس. في المنطقة المتأثرة بالليزر (في القطعة المعالجة بالليزر) تتكوّن مناطق بخصائص تختلف عن الكتلة الرئيسية للمادة. وإذا أصبح تركيزها كبيراً، وتجاوزت هذه الإجهادات حدّاً معيناً، يفقد النظام (صفيحة، قطعة، عيّنة) استقراره ويتشوّه.

ينبغي فهم الأطروحة عن المعالجة الليزرية «دون تشوّه» على هذا النحو: قد تكون هذه التشوّهات أقل بكثير مما هي عليه عند الطرق التقليدية للمعالجة الحرارية للمعادن (ربما بترتيبات قدرية)، لكنها موجودة. ومهمّة المهندسين التكنولوجيين هي فهم أسبابها وتقليصها إلى الحد الأدنى — والشعاع الليزري يتيح هذه الإمكانية.

في القطع بالليزر، يكون الإدخال الحراري أكبر على سطح المعدن وأقل في الطبقات السفلى. يتمدّد المعدن عند التسخين، لكن لأن الحرارة على السطح أعلى، تطول الألياف العليا أكثر؛ ولأن استطالة الألياف السفلى أقل، تنشأ في المعدن إجهادات داخلية. عندما يصل الإجهاد إلى قيمة حرجة (استطالة الألياف العليا أكبر بأضعاف من استطالة السفلى)، تتعرّض القطعة لـانحناء صعودي، وبسبب التغيّرات البنيوية غير القابلة للعكس في المعدن تكون هذه التشوّهات لدنة (غير قابلة للعكس).

طرق مكافحة التشوّهات الحرارية في القطع بالليزر

1. حالة إجهاد الصفيحة قبل القطع. للصفيحة غير المعالجة حرارياً سابقاً، يجب تطبيق تلدين أو تحمية (tempering) لإزالة الإجهادات الداخلية.
2. الأبعاد الكلّية للقطع (الأبعاد الخطية والسُّمك). كلما زاد سُمك القطعة وقلت نسبة أبعادها الخطية إلى سُمكها، كلما قلّت التشوّهات — بسبب التسخين الأكثر تجانساً.
3. تثبيت الصفيحة. تُثبّت الصفيحة بمشابك ضاغطة أو وسائل تثبيت أخرى. يُوصى باستخدام تقنيات قطع متواصل مع قطع الجسور المتبقية (micro-joints) بعد التبريد الكامل للصفيحة.
4. النفاية بعد القطع. يُحقَّق أقل تشوّه عندما تكون مساحة القطعة المقطوعة مشابهة لمساحة المادة التي تُقطَع منها — في هذه الحالة، يكون التشوّه الأكبر في النفاية لا في القطعة. في القطع الدقيق يُفضَّل أن تتمتّع النفاية بحركة أكبر من القطعة.
5. سرعة القطع. كلما زادت السرعة، انخفض مقدار الحرارة الممتصّة لوحدة طول القطع، وبالتالي تنخفض تشوّهات القطعة.
6. وضعية الصفيحة أثناء القطع. يجب الانتباه ألا تترهّل الصفيحة بفعل التسخين الموضعي. لذلك يُفضَّل وجود طاولات قطع بعدد كبير من الشفرات (lamellas).
7. التسخين المتجانس يُقلّص الإجهادات الداخلية بشكل ملحوظ. في خط القطع المستقيم يُفضَّل القطع من الوسط نحو حواف الصفيحة. يمكن اختيار ترتيب صحيح للقطع في الـnesting؛ والقطع المعقدة تُقطَع بأقسام، ويُفضَّل أن تكون متقابلة؛ كما يُستخدم أسلوب الخطوة العكسية (back-step)، إلخ.
8. التبريد الإضافي بنفخ الهواء.
9. استخدام وضع القطع النبضي.
10. التثقيب يجب أن يُنفَّذ مع تفعيل وظيفة التثقيب الأولي للثقوب (pre-piercing).
11. عند ملاحظة انحناء بارز في الصفيحة («بطن» الصفيحة): تُوضَع بالعيب لأعلى؛ تلزم مسافات صحيحة بين القطع تبدأ من 10 مم؛ تُستخدم الجسور (micro-joints)؛ يمكن قلب الصفيحة إذا كنا نقطع بقطع مشترك مع وضع جسور بشكل صحيح.

لا ننسى: قبل القطع يجب أن تكون الصفيحة مُنظَّفة من الصدأ ومُزال عنها الدهون. وإذا وصلت الصفيحة بالزيت — يجب مسحها.

---