Laser Cutting of Stainless Steel
معلومات عامة عن الفولاذ المقاوم للصدأ
تحتوي سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ على ما لا يقلّ عن 12 % من الكروم كعنصر مَسبَكي. يتميّز سطح الفولاذ المقاوم للصدأ المصقول ببريق المرآة، وطول العمر، وقدرة على التجدّد الذاتي. وتنبع المقاومة العالية للتآكل من غشاء أكسيدي مكوّن من الأكاسيد غير القابلة للذوبان لعناصر السبيكة، يتجدّد تلقائيًّا عند ملامسة الأكسجين الجوّي. ويستعيد هذا الغشاء سلامته من تلقاء نفسه بعد أي ضرر.
تُستخدم العناصر السبائكية التالية: الكروم، النيكل، السيليكون، المنغنيز، الموليبدينوم، التنغستن، النيوبيوم، البورون، النحاس، الفاناديوم، التيتانيوم وغيرها. وتُحدّد النسبة المئوية للعناصر السبائكية وطريقة السبك الخصائصَ الفيزيائية والميكانيكية والكيميائية للفولاذ.
تُكتسب خصائص مقاومة التآكل للحديد بفضل وجود الكروم والنيكل في تركيبه، وهما اللذان يمنحان الفولاذ لونًا فاتحًا وبريقًا. تمنع السبيكة المحتوية على النيكل تفاعل الحديد مع الماء في وجود الأكسجين. أمّا الكروم بنسبة تزيد عن 12 % فيُكوّن فورًا على سطح الكتلة المعدنية غشاءً واقيًا متجانسًا يحول دون التفاعل الكيميائي بين جزيئات الأكسجين وذرّات الحديد.
تصنيف الفولاذ المسبوك (المخلوط)
بحسب درجة السبك:
- فولاذ منخفض السبك — نسبة العناصر السبائكية حتى 2,5 %؛
- فولاذ متوسط السبك — نسبة العناصر السبائكية من 2,5 إلى 10 %؛
- فولاذ عالي السبك — نسبة العناصر السبائكية من 10 إلى 50 %.
بحسب الخصائص:
- ذو متانة عادية ومرتفعة؛
- مقاوم للبرودة؛
- مقاوم للحرارة (ثابت حراريًّا)؛
- مقاوم للتآكل الجوّي والتآكل في مياه البحر؛
- قابل للتقوية بالمعالجة الحرارية والكيميائية الحرارية، وغير ذلك.
بحسب الاستخدام:
- فولاذ السبيك الإنشائي. يُستخدم في تصنيع الهياكل الملحومة.
- فولاذ الهندسة الميكانيكية. يُستخدم في إنتاج قطع الآليات والآلات، والهياكل، وغير ذلك.
- فولاذ العدّة. يُستخدم في إنتاج العدد والأدوات.
صعوبات معالجة الفولاذ المقاوم للصدأ
ترتبط الصعوبات بخصائص السبيكة:
- بسبب المحتوى العالي من الإضافات السبائكية، قد يحدث تكوّن خبث على سطح القطع؛
- في منطقة التسخين تتكوّن أكاسيد ذات نقطة انصهار عالية، ما يُعيق مرور الليزر على خطّ القطع وبالتالي يزيد استهلاك الطاقة؛
- الفولاذ عالي الكروم والكروم-نيكل لديه سيولة منخفضة، ما يُعقّد عملية القطع أيضًا.
عملية قطع الفولاذ المقاوم للصدأ
تجري العملية على مراحل:
- تسخين؛
- انصهار؛
- تبخّر تدريجي للعناصر الناتجة عن تحلّل المادة.
شعاع الليزر مصدر حراري يتركّز فيه غاز عالي التركيز عند درجة حرارة كبيرة. وتبلغ مساحة مقطع الشعاع 10–20 ميكرومتر وكثافة قدرته 100 ميغاواط/سم². وعلى هذه المساحة الصغيرة تكفي هذه الكمية من الطاقة وأكثر لإذابة المادة فورًا. وبفضل العملية الحرارية الفيزيائية ينفصل الفولاذ، ويتغيّر هيكل المعدن فقط في موقع التلامس.
خصائص الفولاذ المقاوم للصدأ
أساس هذا الفولاذ كتلة حديدية مخلوطة بالكروم. ووفقًا للمصنّع، يُضاف النيكل وعناصر سبائكية أخرى لتحسين الخصائص.
يتمتّع الفولاذ المقاوم للصدأ بمقاومة عالية للتآكل وعمر تشغيلي طويل (عدّة عقود). ولا تتغيّر خصائصه حتى بعد سنوات من الاستخدام. ويُستخدم على نطاق واسع لإنتاج الصفائح والشبكات وأنظمة الأنابيب وغيرها.
العناصر السبائكية الرئيسية
- النيكل. موجود في الفولاذ المقاوم للصدأ من الفئة الأوستنيتية؛ يؤثر في الاقتران الطاقي والتبادل الحراري، ويُقيّد السماكة التي يُمكن قطعها بقدرة ليزر معيّنة.
- الكروم. عنصر مُكوِّن للفريت. يُستخدم بصورة منفردة كعنصر سبائكي أو ضمن مركّبات. ويُوسّع نطاق درجة تصلّب السبيكة ويزيد من المتانة والصلابة دون التأثير في اللدونة. تكفي نسبة 1 % لتحسين الخصائص الميكانيكية. ومع رفع تركيز الكروم إلى 5 % تزداد مقاومة الحرارة. أمّا السبائك المقاومة للأحماض وللحرارة فتحتوي على نسبة أعلى من الكروم قد تصل إلى 28 %.
- السيليكون. عنصر مُكوِّن للفريت. لا يؤثر في خصائص اللزوجة، لكنه يرفع حدّ المتانة والخضوع، والنفاذية المغناطيسية، والناقلية الكهربائية. ويُحسّن اللدونة ومقاومة الأحماض وخصائص المتانة.
- المنغنيز. مادّة مُكوِّنة للأوستنيت، تُحسّن قابلية التصلّد وترفع عتبة سيولة المعدن. وتزيد مقاومة التآكل والحمل الصدمي.
- الموليبدينوم. يرفع بشكل ملحوظ مؤشرات الصلابة والمتانة وقابلية التصلّد. ويُوجد بأعلى تركيز في الفولاذ المقاوم للحرارة والفولاذ السريع القطع، وفي الأصناف الإنشائية لا تتجاوز نسبته عادةً 0,4 %.
- التنغستن. إضافة مُكوِّنة للكاربيدات، ترفع حدود المتانة والصلابة. يُضاف إلى سبائك العدد السريعة القطع حتى نسبة 18 %، ويُحسّن المتانة الحرارية ومقاومة الحمل الصدمي.
- النيوبيوم. عنصر قوي مُكوِّن للكاربيدات. يُضاف إلى السبائك المقاومة للصدأ لتقليل التآكل بين البلورات، وإلى الفولاذ المنغنيزي لتقليل الهشاشة بعد التهدئة.
- البورون. يزيد قابلية التصلّد. وهو أفضل بديل لتعويض الموليبدينوم والنيكل الباهظَين.
- النحاس. تُسهم إضافته في رفع حدّ الخضوع واللدونة ومقاومة التآكل. وفي صناعة السفن يحلّ مشكلة تكاثر الطحالب والمحار على الجزء المغمور من البدن.
- الفاناديوم. عامل مُكوِّن للكاربيدات يزيد المتانة ويرفع المرونة. وتُظهر السبائك المحتوية على الفاناديوم مقاومة ممتازة للصدمات وعدم تأثّر بالإجهادات، لكنها باهظة الثمن.
- التيتانيوم. بربط الكربون في كاربيدات قوية، يُنعّم حبيبات الأوستنيت ويُقلّل القابلية للتآكل بين البلورات. ويرفع مقاومة الأحماض، ومع باقي مُكوِّنات الكاربيدات يُسهم في التصلّد الذاتي للفولاذ.
قطع الفولاذ المقاوم للصدأ بالليزر باستخدام الغازات الخاملة والأكسجين
يُعدّ القطع بالليزر باستخدام الغاز الخامل والغاز الخامل حقًّا أكثر العمليات استخدامًا لقطع الفولاذ المقاوم للصدأ. ويُستعمل القطع بالليزر بالأكسجين أيضًا في الحالات التي لا تكون فيها أكسدة الحافّة أمرًا حرجًا. وفيما يلي مناقشة لقطع الفولاذ المقاوم للصدأ بالليزر بالغاز الخامل (النيتروجين) والغاز النشط (الأكسجين) بوصفهما غازَي مساعدة، إلى جانب اعتبارات السلامة المهنية لكلتا العمليتين.
في عملية القطع بالليزر بالغاز الخامل (وتُسمى أيضًا قطع الليزر بالانصهار) يكون شعاع الليزر هو مصدر الحرارة الوحيد، ويُوفّر تيار الغاز الخامل عالي الضغط القوّة الميكانيكية اللازمة لطرد المادة المنصهرة.
يتمتّع الفولاذ المقاوم للصدأ بناقلية حرارية منخفضة نسبيًّا، ما يسمح بقطعه بسرعات عالية نسبيًّا؛ لأنّ الطاقة تبقى على جبهة القطع بدلاً من أن تتبدّد في المادة الواقعة أمام حافّة القطع.
النيتروجين هو الغاز المساعد الأكثر استخدامًا في هذه التقنية، نظرًا لتكلفته المنخفضة ونشاطه الكيميائي المنخفض مقارنةً بالغازات الخاملة حقًّا مثل الأرغون والهيليوم.
يُنتج القطع بالنيتروجين حوافّ قطع عالية الجودة، وعادةً ما تكون سرعة القطع به أعلى من القطع بالأكسجين.
قد يُشكّل الالتصاق بالحافّة السفلى للمادة، نتيجة اللزوجة العالية للمادة المنصهرة، مشكلةً في القطع بالنيتروجين، غير أنّه يُحلّ عادةً باستخدام ضغط مرتفع جدًّا للغاز المساعد. ويُستخدم النيتروجين عالي الضغط عندما تكون جودة حافّة القطع أهمّ من سرعة القطع.
النيتروجين هو الغاز المفضّل لقطع الفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ عالي السبك، وسبائك الألمنيوم والنيكل؛ ويلزم ضغط غاز أعلى لإزالة المادة المنصهرة من شقّ القطع. ويُوفّر الضغط العالي قوّة ميكانيكية إضافية لنفخ المادة المنصهرة خارج القطع. وعند استخدام النيتروجين عالي الضغط لقطع الفولاذ المقاوم للصدأ تنتج حافّة لامعة خالية من الأكسيد، لكنّ سرعة المعالجة تكون أقلّ من الأرغون أو الهيليوم.
المشكلة الرئيسة المرتبطة بالقطع بالغاز الخامل هي تكوّن نتوءات (شذرات) من المادة المترسّبة على الوجه السفلي للشقّ. ويُحلّ ذلك بتحسين البارامترات الأساسية للمعالجة: قطر الفوّهة، وموضع البؤرة، وضغط الغاز.
يقع ضغط النيتروجين في نطاق 10–20 بار، ويزداد الضغط مع زيادة سماكة المادة. ويجب أن تكون نقاوة غاز النيتروجين أعلى من 99,8 %.