قطع الفولاذ المقاوم للصدأ: 6 تقنيات ساخنة يجب معرفتها

وتخضع المكونات الملحومة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، مثل الحاويات وخطوط الأنابيب، لعمليات تشمل تقطيع الألواح والأنابيب، ومعالجة الصفائح المعدنية، ومعالجة أخدود اللحام. في تصنيع حاويات التخزين، لا مفر من إنشاء فتحات وتنفيذ عمليات تشكيل على الأوجه الطرفية للرؤوس.

عند اللحام على كلا الجانبين، يجب تنظيف درز اللحام العكسي، وتتطلب العيوب في وصلة اللحام إعادة العمل واللحام الإضافي. خطوات المعالجة هذه لا غنى عنها في عملية الإنتاج والتصنيع. وفي حين أن معظم خطوات المعالجة تتم باستخدام طرق ميكانيكية مثل القص والتخطيط والطحن والخراطة، فإنها تتطلب مجموعة متنوعة من أنواع الماكينات لإكمالها.

في بعض الحالات، يكون من المناسب استخدام الأزاميل الهوائية، ولكن كثافة العمل العالية والضوضاء والتلوث في بيئة العمل تضر بصحة المشغلين.

إن استخدام طرق القطع باللهب الغازي أو البلازما لإتمام العمليات المذكورة أعلاه له العديد من المزايا في تحسين ظروف العمل وزيادة الكفاءة وتقليل التلوث البيئي، ولكن الجانب السلبي هو أن دقة الأسطح المقطوعة بعد بعض المعالجة قد لا تكون بنفس الجودة التي تتحقق من خلال المعالجة الميكانيكية.

دعونا نناقش عدة تقنيات لقطع الفولاذ المقاوم للصدأ بلهب الغاز والبلازما.

I. تكنولوجيا قطع الغاز بالوقود الأوكسجيني

القطع بالغاز هو طريقة تستخدم الطاقة الحرارية للهب الغاز لتسخين منطقة القطع في قطعة العمل إلى درجة حرارة معينة، ثم يرش تدفق أكسجين القطع عالي السرعة لإشعال المعدن وإطلاق الحرارة، وبالتالي تحقيق القطع الحراري.

والسبب في سهولة قطع الفولاذ العادي منخفض الكربون وإنتاج جودة قطع جيدة هو أن الأكاسيد الناتجة عن الاحتراق لها درجة انصهار أقل من الفولاذ نفسه. وفي الوقت نفسه، فإن الحرارة الناتجة عن الاحتراق ترفع الأكاسيد إلى حالة الانصهار، والتي تتطاير بعد ذلك بواسطة تدفق الغاز.

عند قطع الفولاذ المقاوم للصدأ بلهب غاز أوكسي الوقود الغازي فإن المشكلة الرئيسية هي تكوين أكاسيد الكروم ذات درجة انصهار عالية على سطح القطع، مما يمنع المعدن من الاحتراق ويخلق صعوبات في القطع المستمر.

من أجل قطع الفولاذ المقاوم للصدأ بسلاسة، بالإضافة إلى وجود أكسجين نقي بما فيه الكفاية عند ضغط معين وتدفق أكسجين القطع الموجه جيدًا (بمعنى تدفق أكسجين القطع الأسطواني الطويل والقوي بما فيه الكفاية)، يجب اتخاذ بعض التدابير الخاصة بالعملية.

عملية القطع بغاز الأكسجين-تدفق الأكسجين-الغاز

يشير القطع الغازي بتدفق الأكسجين إلى عملية يتم فيها إضافة مسحوق الحديد النقي أو غيره من التدفقات إلى تدفق أكسجين القطع للاستفادة من حرارة الاحتراق وتأثيرات صنع الخبث في القطع الغازي. يتم خلط أكاسيد الحديد المصهور وأكاسيد الكروم المصهورة، مما يجعلها خبثًا مخففًا، مما يحسن من قابلية تدفق الخبث.

في حالات الزيادة الكبيرة في الحرارة، يتم تشكيل خبث سائل مختلط، والذي يتم نفخه بعد ذلك بواسطة أكسجين القطع من الشق. وتُعرف هذه العملية أيضًا باسم القطع بالحقن بالمسحوق ويمكن استخدامها لقطع مواد الفولاذ المقاوم للصدأ الأكثر سمكًا ورافعات الصب الفولاذ المقاوم للصدأ. هناك نوعان من التدفقات: التدفقات شائعة الاستخدام وعالية الكفاءة، مع سرد مكونات تركيبها في الجدول 6-1.

الجدول 6-1: التدفقات لقطع الفولاذ المقاوم للصدأ

يمكن تقسيم معدات القطع بالتدفق الأوكسجيني إلى فئتين بناءً على طريقة توصيل التدفق.

(1) عملية القطع بالتدفق الأكسجيني الداخلي للتغذية بالمسحوق

وتتمثل خصائصه في استخدام أكسجين القطع لتوصيل التدفق من خزان التدفق عبر مكونات فوهة القطع، كما هو موضح في الشكل 6-1.

ولمنع أكسدة مسحوق الحديد من التأكسد والاحتراق داخل خزان التدفق، يشيع استخدام مسحوق الحديد الخشن بحجم جسيمات يتراوح بين 0.5 و1.0 مم. ونظرًا لحجم الجسيمات الكبير وسرعة الطرد السريع، فإنه لا يحترق بالكامل على سطح قطعة العمل أثناء القطع. ولذلك، فإنه يستخدم عادةً لقطع قطع العمل التي يقل سمكها عن 500 مم.

من أجل زيادة سرعة القطع، يمكن إضافة كمية صغيرة من مسحوق الألومنيوم إلى مسحوق الحديد. عند استخدام معدات تغذية المسحوق الداخلية، يمكن استخدام الغاز الطبيعي كوقود. وترد في الجدول 6-2 معلمات عملية القطع لقطع صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 باستخدام فوهات تغذية المسحوق الداخلية.

الجدول 6-2: معلمات المعالجة لقطع صفيحة الفولاذ المقاوم للصدأ 06Cr18Ni11Ti باستخدام فوهة تغذية المسحوق الداخلية

عند استخدام طريقة القطع بالوقود الأكسجيني المغذي بالمسحوق الداخلي في الخارج، غالبًا ما تكون مجهزة بفوهة قطع سريعة مع رذاذ الماء المتدفق عند الحافة الخارجية للفوهة. يبلغ حجم جسيمات مسحوق الحديد من 0.5 إلى 1.0 مم، مما يؤدي إلى تسطيح مثالي نسبيًا لسطح القطع. وعادةً لا يتطلب القطع معالجة ميكانيكية لتلبية متطلبات الأبعاد.

يقلل رذاذ الماء المتدفق حول قطعة العمل من التواء الصفيحة الفولاذية أثناء القطع، ويحسن من مقاومة التآكل للوجه النهائي المعالج، ويقلل أيضًا من الغبار المحمول في الهواء في بيئة القطع، وبالتالي يحسن من ظروف العمل.

يمكن لهذه الطريقة أن تقطع ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ حتى سمك 150 مم ويمكنها أيضًا قطع ألواح الفولاذ ذات الطبقات (المكدسة)، مثل 2-3 مم × 40 طبقة لألواح الفولاذ الهيكلي الكربوني العادي و2 مم × 40 طبقة لألواح الفولاذ المقاوم للصدأ.

(2) عملية القطع بالأكسجين والوقود المغذي الخارجي بالأكسجين والوقود

تتمثل خاصية تغذية المسحوق الخارجي للقطع بالوقود الأكسجيني بالأكسجين في استخدام الهواء أو النيتروجين منخفض الضغط (0.04-0.06 ميجا باسكال) لإدخال مسحوق الحديد الناعم الأكبر من 130 شبكة بشكل مستقل في منطقة تسخين اللهب خارج فوهة القطع، كما هو موضح في الشكل 6-2.

ونظرًا لصغر حجم جسيمات مسحوق الحديد وسرعة الطرد المنخفضة، يمكن تسخينه بسرعة إلى نقطة الاشتعال والاحتراق، مما يؤدي إلى إطلاق كمية كبيرة من الحرارة، مما يؤدي إلى كسر طبقة الأكسيد على سطح قطعة العمل بشكل فعال. وبما أنه يتم تغذية المسحوق بشكل مستقل، فيمكنه التغلب على الأضرار التي تلحق بقناة الأكسجين الناجمة عن التنظيف.

لذلك، يتم استخدامه لقطع المواد المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ بسماكة تتجاوز 500 مم أو لقطع مصبوبات الفولاذ المقاوم للصدأ التي يتراوح قطرها بين 1000-1300 مم.

معلمات العملية هي كما يلي:

التدفق: مسحوق الحديد 100%، حجم جسيمات مسحوق الحديد 0.1-1.3 مم؛ ضغط الأكسجين قبل التسخين 0.8-1.0 ميجا باسكال؛ ضغط أكسجين القطع 0.8 ميجا باسكال، استهلاك أكسجين القطع 200 م³/ ساعة؛ ضغط الأسيتيلين > 0.01 ميجا باسكال، استهلاك الأسيتيلين 20 م³/ ساعة؛ الغاز الناقل للمسحوق هو النيتروجين، ومعدل تدفق التدفق 18 كجم/ساعة؛ سرعة القطع 20-25 مم/الدقيقة.

عملية القطع بالغاز الاهتزازي

القطع بالغاز الاهتزازي هو طريقة بسيطة وعملية لقطع الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام اهتزاز شعلة القطع بغاز الأكسجين والوقود الأكسجيني.

ويتمثل جوهر طريقة القطع بالغاز الاهتزازي في اهتزاز شعلة القطع أثناء عملية القطع لاختراق طبقة الأكسيد الحراري الناتجة عند الشق، وبالتالي تحقيق الغرض من فصل المعدن وقطعه.

عملية القطع موضحة في الشكل 6-3. في بداية عملية القطع، يتم تسخين حافة الشُّغْلَة إلى حالة الانصهار، ثم يبدأ تدفق أكسجين القطع، ويتدفق الخبث من الشق. عند هذه النقطة، يجب رفع فوهة القطع، ويجب تطبيق اهتزازات فورية ذهابًا وإيابًا وكذلك اهتزازات لأعلى ولأسفل.

تبلغ سعة الاهتزاز من 10 إلى 15 مم وتردد 60 إلى 80 مرة في الدقيقة. ويؤدي اهتزاز تدفق الأكسجين القاطع إلى اختراق أكسيد الكروم عالي الذوبان عند الشق، مما يسمح للحديد بمواصلة الاحتراق. وبمساعدة تأثير تدفق الأكسجين ذهابًا وإيابًا وصعودًا وهبوطًا من تدفق الأكسجين يتحقق الغرض من استمرار القطع.

يتم استخدام شعلة قطع أوكسي أسيتيلين عامة، مثل النوع G01-300، لشعلة القطع. بالمقارنة مع قطع الفولاذ الكربوني بنفس السماكة، يجب أن يكون لهب التسخين المسبق أكبر وأكثر تركيزًا، ويجب زيادة ضغط الأكسجين بحوالي 15% إلى 20%.

يشيع استخدام هذا النوع من القطع بالغاز الاهتزازي لقطع رافعات المسبوكات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ التي لا يتجاوز قطرها 500 مم، مما يحقق الغرض من القطع، ولكن جودة الشق رديئة للغاية.

مع تطور التكنولوجيا، نادرًا ما يُستخدم القطع باللهب الغازي بوقود الأكسجين لقطع ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ، ويستخدم في الغالب لقطع رافعات مصبوبات الفولاذ المقاوم للصدأ.

II. تقنية الحفر بالقوس الكربوني

تقنية الحفر بالقوس الكربوني التقليدي

(1) خصائص التلاعب بالقوس الكربوني:

تستخدم عملية الحفر بالقوس الكربوني قضيبًا من الجرافيت أو الكربون كقطب كهربائي لتوليد قوس كهربائي بين قطعة العمل، مما يؤدي إلى صهر المعدن، ثم يستخدم الهواء المضغوط لتفجير المعدن المنصهر، وبالتالي خلق أخاديد سطحية.

أثناء الحفر، تصل درجة حرارة القوس الكهربائي إلى 6000-7000 درجة مئوية، مما يولد حرارة كافية لصهر سطح قطعة العمل. يتم نفخ المعدن المنصهر والخبث الناتج عن طريق الهواء المضغوط (0.4-0.6 ميجا باسكال) المنبعث من فوهة الحفر بالقوس الكربوني. يعمل الاحتراق المستمر للقوس الكهربائي والنفخ المستمر للهواء المضغوط على إزالة المادة المنصهرة، مما يحقق الحفر المطلوب على سطح المعدن.

تُستخدم تقنية الحفر هذه في المقام الأول للحفر الخلفي في اللحام على الوجهين، وإزالة العيوب في طبقات اللحام، ويمكن استخدامها أيضًا في الحفر المائل في اللحامات أحادية القطعة أو غير المنتظمة.

تتميز إمكانيات المعالجة في التقطيع بالقوس الكربوني، مقارنةً بطرق التقطيع أو عجلة الطحن، بالخصائص التالية:

1) يوفر الحفر بالقوس الكربوني اليدوي مرونة أكبر، مما يسمح بالتشغيل في جميع المواضع.

2) عند إزالة العيوب في طبقات اللحام أو المسبوكات، يمكن ملاحظة شكل العيوب وعمقها بوضوح.

3) تكون الضوضاء أثناء التشغيل أقل من ضوضاء التقطيع، مما يؤدي إلى زيادة كفاءة الإنتاج.

4) في المناطق المحظورة أو التي يصعب الوصول إليها، يكون التلاعب بالقوس الكربوني أكثر ملاءمة للتشغيل.

5) ينتج عن التقطيع بالقوس الكربوني دخان وغبار، مما قد يلوث البيئة، ويتطلب مستوى أعلى من المهارة التشغيلية.

المعدات المستخدمة في التلاعب بالهواء بالقوس الكربوني

يتألف الحفر بالقوس الكربوني الهوائي من مصدر طاقة، ومزود هواء مضغوط، وشعلة الحفر، وقضبان الكربون، وكابلات، وخراطيم، كما هو موضح في الشكل 6-4.

يستخدم مصدر الطاقة مقومًا بخاصية الانخفاض الحاد، ويجب أن يكون تياره المقنن أكبر من التيار المطلوب لحفر القوس الكربوني الهوائي. على سبيل المثال، عند استخدام قضيب كربون دائري بقطر 7 مم، فإن تيار القطع المطلوب لحفر القوس الكربوني الهوائي هو 350 أمبير، وينصح باختيار مقوم بتيار مقنن 500 أمبير.

تُستخدم شعلة الحفر الخاصة بحفر القوس الكربوني الهوائي في المقام الأول لتثبيت قضيب الكربون ونفخ الهواء المضغوط. ويوضح الشكل 6-5 مشاعل الحفر الشائعة الاستخدام، وهي متوفرة في شكلين: التغذية الجانبية والتغذية الدائرية.

يجب أن تتمتع قضبان الكربون بخصائص مقاومة درجات الحرارة العالية والتوصيلية الجيدة ومقاومة الكسر. ولتعزيز توصيلها وقوة سطحها، غالباً ما يتم طلاء طبقة من النحاس النقي على سطح قضبان الكربون. تتوفر قضبان الكربون في شكلين: دائري ومسطح (مقطع عرضي مستطيل).

تُستخدم قضبان الكربون الدائرية بشكل أساسي في التقطيع الخلفي لدرزات اللحام، بينما يمكن استخدام قضبان الكربون المسطحة في الشطف، وتقطيع حبات اللحام، وقطع كميات كبيرة من المعدن.

1-مقوِّم اللحام بالقوس 2-كابل التأريض 3-الهواء المضغوط 4-قناة الهواء 5-كابل شعلة اللحام 6-شعلة التقطيع 7-قضيب الكربون
8-قطعة العمل 8-قطعة العمل

أ) مسدس الحفر الهوائي الجانبي ب) مسدس الحفر الهوائي المحيطي

عملية التلاعب بالهواء

من أجل الحصول على تلاعب هوائي عالي الجودة، يجب ضمان معلمات عملية صحيحة. وفيما يلي العوامل التي تؤثر على جودة التلاعب بالهواء:

1- قطبية مصدر الطاقة:

عند الحفر في الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام قوس الكربون، يتم استخدام وصلة قطبية عكسية للتيار المباشر (القطب الكهربائي متصل بالقطب الموجب لمصدر الطاقة). وينتج عن ذلك قوس مستقر أثناء الحفر، وسرعة حفر منتظمة، وصوت تفريش مستمر للقوس، وعرض ثابت على جانبي القوس مع سطح أملس ومشرق.

إذا تم استخدام توصيل قطبية موجبة للتيار المباشر (توصيل قضيب الكربون بالقطب السالب لمصدر الطاقة)، فسوف يرتعش القوس، مما يؤدي إلى انبعاث أصوات رش متقطعة، وسوف تظهر جوانب الحفرة شكل قوس يتوافق مع الارتعاش أثناء الحفر. في حالة حدوث هذه الظاهرة، يجب عكس القطبية قبل إعادة الحفر.

2- تيار التلاعب بالتيار وقطر قضيب الكربون:

عندما يزداد تيار الحفر، يزداد أيضًا عرض الحفارة وعمقها وسرعة الحفر، مما يؤدي إلى جودة حفر أكثر سلاسة. ومع ذلك، إذا كان تيار الحفر مرتفعًا جدًا، فسوف يحترق قضيب الكربون بسرعة، أو حتى يذوب، مما يتسبب في تسرب خطير للكربون وسطح الحفر الخشن.

إذا كان تيار التقلع منخفضًا جدًا، فسيكون القوس غير مستقر، مما يؤدي إلى حفر صغير وضحل، وسرعة قلع غير مستقرة، وكفاءة منخفضة، وميل إلى التسبب في التصاق الخبث. يقدم الجدول 6-3 معلمات التقلع الهوائي القوسي الكربوني الشائع الاستخدام.

الجدول 6-3: البارامترات الشائعة للتلاعب بالقوس الكربوني

ويرتبط اختيار قطر قضيب الكربون بسُمك الصفيحة الفولاذية، كما هو موضح في الجدول 6-4. ويرتبط أيضاً بعرض الأخدود المطلوب؛ فكلما كان قطر قضيب الكربون أكبر، كلما كان الأخدود أوسع. بشكل عام، يجب أن يكون قطر قضيب الكربون أصغر بمقدار 2-4 مم من عرض الأخدود المطلوب.

الجدول 6-4: اختيار قطر قضيب الكربون

3- سرعة القطع

يجب أن يتكيف مع تيار التقلع وضغط الهواء لضمان عملية التقلع الطبيعية. يمكن أن تتسبب السرعة المفرطة أو الحركة العدوانية لأسفل لقضيب الكربون في تلامس رأس القطب الكربوني مع المعدن السائل أو المعدن غير المصهور، مما يؤدي إلى انطفاء القوس الكهربائي بسبب قصر الدائرة الكهربائية.

يمكن أن تتسبب السرعة المفرطة أيضًا في انفصال رأس القطب الكهربائي الكربوني والتصاقه بالمعدن غير المصهور، مما يؤدي إلى عيوب تضمين الكربون. في مثل هذه الحالات، يجب إعادة إنشاء القوس في مقدمة العيب، ويجب أن يتم قلع طبقة برفق باليد لإزالة العيب قبل مواصلة القلع.

إذا كانت سرعة الحفر بطيئة للغاية، فإن القوس سوف يستطيل، مما يؤدي إلى أقواس غير مستقرة أو حتى إطفاء القوس. بشكل عام، يوصى بسرعة قطع تتراوح بين 0.8 و1.2 م/دقيقة.

4- ضغط الهواء المضغوط

يؤثر ضغط الهواء المضغوط بشكل مباشر على سرعة القطع وجودة سطح الأخدود. يمكن للضغط العالي أن يزيد من سرعة القطع ونعومة سطح الأخدود، في حين أن الضغط المنخفض للغاية يمكن أن يسبب التصاق الخبث على سطح الأخدود. عادة، يجب الحفاظ على ضغط الهواء المضغوط عند 0.4-0.6 ميجا باسكال.

يمكن تقييد الرطوبة ومحتوى الزيت في الهواء المضغوط بواسطة المرشحات المثبتة في أنابيب الهواء، وينصح باستخدام هلام السيليكون الجديد كوسيط للمرشح.

5- طول امتداد القطب الكربوني

طول التمديد من 30-70 مم هو الأمثل لقطب الكربون. يزيد طول التمديد الطويل بشكل مفرط من المقاومة ويؤدي إلى احتراق شديد لقضيب الكربون، في حين أن الطول القصير جدًا غالبًا ما يؤدي إلى قصر الدائرة بسبب تلامس الأجزاء المعدنية من مسدس الحفر مع قطعة العمل، مما يسبب عدم استقرار القوس.

أثناء عملية الحفر، من الطبيعي أن يحترق قضيب الكربون، ويجب تعديل طول التمديد بشكل دوري. عندما يكون طول التمديد أقل من 25 مم، يجب إعادة ضبطه إلى 70-80 مم.

6- الزاوية بين قضيب الكربون وقطعة العمل

تؤثر الزاوية بين قضيب الكربون وقطعة العمل بشكل أساسي على عمق الأخدود وسرعة القطع. تؤدي زيادة الزاوية إلى عمق أخدود أكبر وسرعة قطع أقل، بينما يؤدي انخفاض الزاوية إلى أخاديد أكثر ضحالة وسرعة قطع أسرع. وبوجه عام، فإن الزاوية الموصى بها للحفر القوسي الكربوني اليدوي هي 30°-45°.

7- طول القوس للتشكيل بالقوس الكربوني

أثناء عملية الحفر، يُنصح بإبقاء طول القوس قصيرًا نسبيًا، حوالي 2-3 مم. يمكن أن يؤدي طول القوس القصير للغاية إلى حدوث عيوب في التضمين الكربوني، في حين أن طول القوس الطويل للغاية يمكن أن يتسبب في نفخ القوس بالهواء البارد، مما يؤدي إلى عدم استقرار القوس أو حتى انطفائه.

يمكن أن يؤدي طول القوس الطويل بشكل مفرط أيضًا إلى عدم تركيز الهواء المضغوط بشكل كافٍ، مما يتسبب في عدم تطاير المعدن المصهور في الوقت المناسب، مما يؤدي إلى توسيع المنطقة المتأثرة بالحرارة في الحفارة وتدهور خشونة سطح الأخدود. وبالإضافة إلى ذلك، أثناء عملية الحفر، يجب عدم تأرجح قضيب الكربون؛ وبدلاً من ذلك، يجب تحريكه بشكل مستقيم إلى الأمام بزاوية محددة مسبقًا لضمان أبعاد أخدود موحدة.

(4) تأثير تلاعب القوس الكربوني الهوائي على مقاومة التآكل في لحامات الفولاذ المقاوم للصدأ

عند تلاعب الفولاذ المقاوم للصدأ بالقوس الكربوني بالهواء، يمكن أن يؤثر على سطح المعدن المقلوع من خلال الكربنة والعمل الحراري، مما يؤدي إلى تدهور مقاومة التآكل بين الخلايا الحبيبية لمفاصل اللحام المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. يعرض الجدول 6-5 تحليل المحتوى الكربوني عند التلاعب بالقوس الكربوني الهوائي في الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8.

من الجدول، يمكن ملاحظة أن محتوى الكربون (w(C)) في خبث الرذاذ المعدني الناتج عن عملية الحفر بالهواء بالقوس الكربوني يحتوي على محتوى كربوني (w(C)) يصل إلى 1.3%. ومع ذلك، يتم نفخ الكربنة المعدنية السائلة أثناء عملية الحفر بسرعة بواسطة الهواء المضغوط، مما يؤدي إلى محتوى كربون سطحي (w(C)) يبلغ 0.075% فقط. ولذلك، فإن تأثير الكربنة الناجم عن عملية الكربنة في عملية الحفر الهوائي بالقوس الكربوني على الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 يكون ضئيلًا للغاية.

ووفقًا للقياسات الفعلية، يتراوح عمق الطبقة المكربنة على سطح المعدن بعد الحفر عمومًا من 0.02 إلى 0.05 مم، ولا يتجاوز أعمق نقطة 0.11 مم، وتتكون الطبقة المكربنة من معدن منصهر متقطع.

على الرغم من أن التقلع بالهواء القوسي الكربوني له تأثير تسخين على السطح المقلوع، إلا أن المعدن السائل عالي الحرارة المتكون أسفل عمود القوس الكهربائي يتم نفخه بسرعة ولا يستمر في تسخين السطح المقلوع. يمكن القول أن منطقة التأثير الحراري لحفر القوس الكربوني الهوائي أصغر من منطقة التأثير الحراري لحام القوس الكهربائي، وفي ظل مواصفات التشغيل الصحيحة، تكون منطقة التأثير الحراري حوالي 1 مم فقط.

ولذلك، يمكن ملاحظة أن الكربنة والتأثيرات الحرارية للكربنة والتأثيرات الحرارية للتلاعب بالهواء بالقوس الكربوني على الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 ضعيف للغاية.

الجدول 6-5: تحليل محتوى الكربون في الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 بعد التلاعب بالهواء بالقوس الكربوني

عملية التقطيع الهوائي بالقوس الكربوني الرذاذي بالماء

وكما هو معروف، فإن الدخان والغبار المتولد أثناء عملية التقلع بالهواء بالقوس الكربوني يلوث البيئة بشكل خطير ويؤثر على صحة العمال. ويشتد هذا الوضع بشكل خاص عندما تتم عملية التقلع الهوائي بالقوس الكربوني في حاويات مغلقة، حيث يكون المشغلون عرضة للشعور بضيق الصدر وضيق التنفس.

نظرًا للطبيعة المتنقلة لعمليات التقطيع الهوائي بالقوس الكربوني، فإن تدابير العادم والتهوية التقليدية غير كافية في معالجة مشاكل التلوث داخل مناطق عمل المشغلين.

من أجل السيطرة على تلوث الدخان والغبار الناجم عن التقطيع الهوائي بالقوس الكربوني، تم اعتماد عملية التقطيع الهوائي بالقوس الكربوني بالرش المائي على أساس مبدأ أن رذاذ الماء يمكن أن يزيل الدخان والغبار.

خصائص عملية التقطيع الهوائي بالقوس الكربوني الرذاذي بالماء

تتضمن عملية التقلع الهوائي بالقوس الكربوني بالرش المائي رذاذ الماء تجهيز مسدس التقلع الهوائي بالقوس الكربوني القياسي بجهاز رش الماء. يتم استخدام الهواء المضغوط لرش الماء حول قضيب الكربون من المسدس، مما يخلق رذاذ ماء كبير ومشتت بالتساوي. يساعد التأثير الواقي لرذاذ الماء على تقليل انتشار الدخان والغبار.

وبالإضافة إلى ذلك، يقلل تأثير التبريد لرذاذ الماء من الأطوال الساخنة والمنصهرة لقضيب الكربون، وبالتالي يقلل من استهلاكه. كما يمنع رذاذ رذاذ رذاذ الماء المعدن المنصهر من الالتصاق بسهولة بحواف أخدود قطعة العمل، مما يسهل إزالة الخبث.

معدات الحفر الهوائي بالقوس الكربوني الرذاذي بالماء

تتكون معدات رش الماء برش القوس الكربوني الهوائي الهوائي بالماء من مزود طاقة، وجهاز إمداد الماء، والهواء المضغوط، ومسدس رش القوس الكربوني الهوائي الهوائي، كما هو موضح في الشكل 6-6.

ويوضح الشكل 6-7 جهاز الإمداد بالماء، وهو مكون أساسي في معدات التقطيع الهوائي بالقوس الكربوني بالرش المائي. وفي هذا الرسم البياني، يتم توصيل الهواء المضغوط بالحاوية عبر خط الأنابيب 1، بينما يتم إدخال الماء إلى الحاوية من خلال أنبوب المدخل 3 حتى يصل مستوى الماء إلى الارتفاع H (أقل من قاع أنبوب مخرج الهواء 4)، وعند هذه النقطة يتم إغلاق صمام المدخل.

عندما يتم فتح صمام مدخل أنبوب الهواء المضغوط 1، يتم تزويد الهواء المضغوط، وإذا تم فتح صمام أنبوب مخرج الهواء 4، يتم إطلاق الهواء المضغوط من أنبوب المخرج. إذا تم فتح صمام أنبوب مخرج الماء 5 أثناء إغلاق صمام أنبوب مخرج الهواء 4، يتم رش الماء المضغوط من أنبوب مخرج الماء.

من خلال فتح صمامات أنبوب مخرج الهواء 4 وأنبوب مخرج الماء 5 في نفس الوقت، يتم خلط الهواء المضغوط والماء المضغوط عند الوصلة الثلاثية 6 ويتم رشهما على شكل رذاذ. يمكن أن يؤدي ضبط فتح الصمامات الخاصة بأنبوب مخرج الهواء 4 وأنبوب مخرج الماء 5 إلى تغيير تدفق الهواء وحجم رذاذ الماء. عندما يكون مستوى الماء في حاوية الإمداد أقل من ح، لا يتم رش رذاذ الماء.

في هذه الحالة، يمكن إضافة الماء إلى الحاوية من خلال أنبوب المدخل 3 لاستئناف التشغيل. يكمن مفتاح رش الماء برش القوس الكربوني الهوائي بالقوس الكربوني في إنشاء مجموعة إمداد مياه جيدة التصميم لتحقيق رذاذ ماء منتظم ومشتت.

بالإضافة إلى ذلك، يجب وضع الوصلة الثلاثية 6 لخلط الهواء المضغوط والماء المضغوط في أقرب مكان ممكن من مدفع التثقيب الهوائي (في حدود 10 أمتار بشكل عام) لتقليل فقدان الضغط في خط الأنابيب، وضمان أن يرش المدفع رذاذ ماء قوي بما فيه الكفاية.

يمكن تعديل مسدس التقلع الهوائي القوسي الكربوني القياسي بسهولة لاستخدامه كمسدس تفقيس هوائي قوسي كربوني يرش الماء مع تعديلات طفيفة. كما هو موضح في الشكل 6-8، يتم لحام الجسم الداخلي 4 والغطاء الداخلي 2 لمسدس الحفر الهوائي الدائري بالنحاس في الطرف الأيسر باستخدام النحاس، مما يضمن نهاية محكمة الغلق.

وبالإضافة إلى ذلك، يتم تكبير القطر الداخلي لفتحة مرور الهواء 5 على الجسم الداخلي 4 من 1 مم إلى 1.5 مم، مما يتيح استخدامها لأغراض رش الماء.

1-قطعة العمل 2-مدفع المحراث الهوائي 3-جهاز إمداد الطاقة 4-جهاز إمداد المياه 5-ضاغط الهواء

1-أنبوب سحب الهواء للهواء المضغوط 2-أنبوب مدخل للهواء المضغوط 3-أنبوب مدخل للمياه 4-أنبوب مخرج للهواء المضغوط 5-أنبوب مخرج للمياه 6-أنبوب مدخل للمياه 6-أنبوب ثلاثي مختلط للمياه والهواء

1-نقطة اللحام بالنحاس 2-الغلاف الداخلي 3-الغلاف الخارجي العازل 4-الجسم الداخلي 5-فتحة ممر الهواء

(3) معلمات عملية المحراث الهوائي القوسي الهوائي الكربوني النفاث المائي

إن طريقة التشغيل والعوامل التي تؤثر على جودة حرث الهواء في محراث هواء القوس الكربوني النفاث المائي هي نفسها التي تؤثر على جودة حرث الهواء في محراث هواء القوس الكربوني النفاث المائي. وترد في الجدول 6-6 معلمات العملية للوحة الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 في محراث هواء القوس الكربوني النفاث المائي النفاث في الجدول 6-6، مما يؤدي إلى جودة سطح جيدة للأخدود.

الجدول 6-6 معلمات عملية المحراث الهوائي بالقوس الكربوني النفاث المائي للوح الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8

لا يتغلب محراث هواء القوس الكربوني النفاث المائي للفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 على مخاطر التلوث البيئي الناجم عن حرث هواء القوس الكربوني فحسب، بل يقلل أيضًا من الحرارة على سطح الأخدود، بسبب تأثير التبريد بالماء، مما يمنع انخفاض مقاومة التآكل.

ويرد في الجدول 6-7 قياسات الغبار المتولد عند استخدام محراث هواء القوس الكربوني النفاث المائي ومحراث هواء القوس الكربوني. من نتائج القياس الواردة في الجدول، يتضح أن طريقة محراث هواء القوس الكربوني النفاث المائي النفاث للهواء تقلل بشكل كبير من محتوى الغبار في بيئة العمل. وتصبح المزايا أكثر وضوحًا عند استخدام طريقة محراث هواء القوس الكربوني النفاث المائي لحرث الهواء داخل حاوية مغلقة.

الجدول 6-7: قياس الغبار الناتج عن التلاعب بالهواء بالقوس الكربوني

ثالثًا. تقنية القطع بالقوس الكهربائي بالصهر بنفث الماء

وتتميز طريقة القطع هذه، مقارنةً بالقطع باللهب الأوكسجيني بالوقود الأوكسجيني، بمزايا التشغيل البسيط والتكلفة المنخفضة والكفاءة الإنتاجية العالية.

مبدأ القطع

تعتمد طريقة القطع بقوس القطب الكهربائي للصهر بالنفث المائي على إشعال القوس عن طريق ملامسة سلك القطع مع قطعة العمل، وصهر المعدن، ثم إزالته بسرعة عن طريق الضغط العالي والضغط العالي السرعة بصدمة نفاثة مائية عالية السرعة، مما يشكل الشق أثناء تحرك شعلة القطع.

نظرًا لتأثير النفاثة المائية عالية الضغط، تكون المنطقة المتأثرة بالحرارة في الشق صغيرة، وهو أمر مفيد للغاية لقطع ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8، حيث يمكن أن يقلل أو يمنع حدوث التآكل بين الخلايا الحبيبية. وبالمقارنة مع التقطيع الهوائي بالقوس الكربوني، يمكنه أيضًا تقليل تلوث الهواء في منطقة العمل وتحسين بيئة التشغيل.

معدات القطع

يمكن تعديل معدات قطع القطب الكهربائي للصهر بالنفث المائي من ماكينة اللحام بالقوس المغمور MZ-1000 (EA-1000) الأصلية.

بعد التعديل، تكون سرعة تغذية الأسلاك 740-2000 مم/دقيقة، وسرعة الحركة 73-1600 مم/دقيقة، ويتم تغيير خاصية الطاقة لآلة اللحام من خاصية التدلي إلى خاصية التسطيح. بالإضافة إلى ذلك، مضخة ماء دوامة 40W-40 (5.4 م³/ ساعة، 1.73 كيلو وات، والرأس 40 مترًا)، ويتم التحكم في ضغط المياه عن طريق الصرف.

هناك متطلبات معينة لفوهة القطع؛ يجب أن تكون فوهة الماء النفاثة مركزة وعمودية، مع قوة تأثير كافية. يجب أن تظل فوهة الماء النفاثة وسلك القطع متحدة المحور ومتعامدة على سطح قطعة العمل. الأبعاد الهيكلية لفوهة القطع موضحة في الشكل 6-9.

يعد إحكام غلق الفوهة الموصلة 3 أثناء القطع أمرًا بالغ الأهمية، وغالبًا ما تحدث الأعطال بسبب عدم كفاية الغلق.

1-الفوهة 2-حجرة الرأس 3-فوهة الرأس 3-الفوهة الموصلة 4-المفصل 5-الصامولة 6-أنبوب الماء 7-رأس السلك التوجيهي

عملية القطع

عند قطع ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ، يجب استخدام مصدر طاقة تيار مباشر مع توصيل قطبية عكسية. يجب أن يكون جهد عدم التحميل 60-70 فولت، ويجب أن يكون جهد القوس الكهربائي 40-60 فولت. يجب أن تكون الفجوة بين الفوهة وقطعة العمل 10-15 مم. يجب اختيار سلك حديد عادي بقطر 2.6 مم كسلك قطع. يمكن العثور على معلمات العملية الأخرى في الجدول 6-8.

يجب ألا يتجاوز سمك الفولاذ المقاوم للصدأ المراد قطعه 30 مم. يمكن إجراء عملية قطع الصفيحة الفولاذية أحادية الطبقة، أو يمكن تكديس طبقتين أو ثلاث طبقات من الصفيحة الفولاذية وتقطيعها معًا.

الجدول 6-8 بارامترات القطع بالقوس الكهربائي الذائب بنفث الماء

عند استخدام هذه الطريقة للقطع، لتجنب تراكم الخبث المركّز على جانب واحد من القاع، من المهم ضبط محورية سلك القطع ونفث الماء قدر الإمكان قبل القطع، والتأكد من تعامد سلك القطع على قطعة العمل.

عند قطع قطع الشغل الدائرية، يجب الانتباه إلى الحفاظ على عزل جيد بين عربة الفوهة وآلية تغذية السلك وقطعة الشغل لضمان مرور التيار فقط عبر أقصر مسار، وبالتالي تجنب التوصيل متعدد النقاط لسلك القطع، مما قد يؤثر على استقرار القطع وجودته.

عند قطع ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ، يمكن أن يؤدي اختيار معلمات القطع المناسبة واستخدام طرق التشغيل الصحيحة إلى إحداث شقوق ضيقة وناعمة مع عدم وجود منطقة متأثرة بالحرارة واضحة. ينتج عن التبريد السريع بواسطة المياه النفاثة ذات الضغط العالي احتراق معدني ضئيل وأنيق عند حافة الشق، ويقلل من تراكم الخبث في أسفل الشق.

لقد تم اعتماد طريقة القطع بالقوس الكهربائي الذائب النفاث المائي على نطاق واسع كوسيلة لتقطيع ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8.

IV. تقنية القطع بقوس البلازما

القطع بقوس البلازما هو طريقة لقطع المواد المعدنية باستخدام الطاقة الحرارية لقوس البلازما. قوس البلازما عبارة عن قوس كهربائي مضغوط يتشكل داخل شعلة القطع من خلال ثلاثة تأثيرات انضغاطية - الضغط الميكانيكي والانكماش الحراري والانكماش المغناطيسي.

يؤدي ذلك إلى ضغط المقطع العرضي لعمود القوس داخل الفوهة، مما يؤدي إلى خصائص مثل الطاقة المركزة ودرجة الحرارة العالية وسرعة اللهب التي يمكن التحكم فيها.

إن سرعة تدفق الهواء في عمود قوس البلازما عالية للغاية، وتصل درجة الحرارة الأساسية إلى 15000-30000 ℃، وهو ما يتجاوز بكثير نقاط انصهار جميع المعادن وغير المعادن. وباستخدام هذا المصدر الحراري، يمكن استخدامه لقطع المعادن المقاومة للحرارة العالية والموصلية الحرارية الجيدة والمعادن المؤكسدة بسهولة وكذلك المعادن غير المعدنية.

ويُستخدم على نطاق واسع في الإنتاج لقطع الفولاذ المقاوم للصدأ والنحاس والألومنيوم وسبائكها. لا تعتمد عملية القطع بقوس البلازما على تفاعلات الأكسدة لقطع المعادن؛ بل تعتمد على حرارة القوس الكهربائي نفسه لصهر المعدن الذي يتم قطعه، مع إزالة الخبث من خلال تدفق الهواء عالي السرعة.

إن قابليتها للتطبيق أوسع من القطع باللهب بالوقود الأوكسيلي، حيث يمكن استخدامها لمختلف المواد، وقطع قطع العمل بأقطار مختلفة وأجزاء منحنية مختلفة بمساعدة أجهزة التحكم الكنتوري والعددي. كما أنها تتميز بسرعة القطع السريعة والحد الأدنى من التشوه عند القطع.

عملية القطع بالقوس البلازما العامة

اعتمادا على شكل القوس الكهربائي المضغوط، يمكن تصنيف أقواس البلازما إلى أقواس منقولة وغير منقولة. وعادةً ما تستخدم آلة القطع بقوس البلازما المنقولة لقطع المواد المعدنية. ويوضح الشكل 6-10 مبدأ القطع وشعلة القطع النموذجية في الشكل 6-10.

مكونات المعدات

تنقسم آلة القطع بقوس البلازما إلى أنواع يدوية وميكانيكية. وتتكون معداتها من مصدر طاقة، وشعلة القطع، ونظام التحكم، ونظام الغاز، ونظام تبريد المياه.

تم تجهيز ماكينة القطع الميكانيكية بعربة قطع قابلة لضبط السرعة. وحاليًا، يمكن استخدام ماكينات القطع اليدوية مثل موديل LG-400 للقطع اليدوي للخطوط المستقيمة والأشكال الهندسية المختلفة، مع أقصى سماكة قطع من الفولاذ المقاوم للصدأ تبلغ 40 مم.

يمكن لماكينة القطع القوسي بالبلازما الميكانيكية، مثل الموديل LG3-400، قطع الخطوط المستقيمة والدوائر تلقائيًا. ويمكنها أيضًا قطع أي شكل من أشكال قطع العمل من خلال أجهزة القطع الجانبية وأجهزة التحكم العددي، مع أقصى سماكة قطع من الفولاذ المقاوم للصدأ تتراوح بين 40-60 مم.

يتراوح قطر القطع للدائرة من 200 مم إلى 1000 مم. وترد في الجدول 6-9 المعلمات التقنية للعديد من آلات القطع بقوس البلازما المنتجة محلياً.

أ) مبدأ القطع ب) شعلة القطع النموذجية 1-الغاز 2-الإلكترود 3-الفوهة 4-ماء التبريد 5-القوس 6-قطعة العمل 7-جسم الشعلة السفلي 8-الجوز العازل 8-الجوز العازل 9-جسم الشعلة العلوي 10-صامولة الضبط

الجدول 6-9: المعلمات التقنية للعديد من ماكينات القطع بالقوس البلازما

تشبه شعلة القطع بقوس البلازما شعلة اللحام بقوس البلازما. وهي تتكون بشكل عام من قطب كهربائي، وحامل قطب كهربائي، وفوهة، وسترة ماء تبريد، وعازل وسطي، وأنابيب غاز وماء. يمكن إدخال غاز العمل بشكل محوري أو عرضي أو مزيج من الاثنين معاً. والطريقة الأكثر استخدامًا هي النفخ العرضي الذي يوفر أفضل تأثير ضغط لقوس البلازما.

يجب أن يكون القطب الكهربائي في شعلة القطع متحد المحور مع الفوهة، ويجب أن تمر الفوهة في نفس الوقت من خلال غاز العمل وغاز القطع، وبالتالي فإن متطلبات الجودة للفوهة عالية. وهذا يتعلق بقدرة القطع وجودة القطع والعمر الافتراضي للفوهة.

في الماضي، كان من الشائع استخدام قضبان التنجستن الثوري (من الدرجة WT-15 أو WT-20) كمواد أقطاب كهربائية، ولكن بسبب التأثير الصحي للعناصر المشعة، تم التوقف عن استخدامها. ويوصى باستخدام قضبان التنغستن المشع (WCe-20 إلى WCe-40) وقضبان التنغستن الرينيوم (W-1Re أو W-3Re) بدلاً من ذلك. ويرتبط اختيار قطر القطب الكهربائي بالتيار الأقصى المسموح به، كما هو مبين في الجدول 6-10.

الجدول 6-10: التيار المسموح به للأقطاب الكهربائية ذات الأقطار المختلفة

اختيار معلمات العملية

اختيار الغاز

وفي الوقت الحالي، تشمل الغازات الشائعة الاستخدام لقطع القوس بالبلازما النيتروجين والهيدروجين والأرجون ومخاليطها، كما هو موضح في الجدول 6-11. من بين هذه الغازات، يعتبر النيتروجين هو الأكثر فعالية من حيث التكلفة، ويشكل الحد الأدنى من المخاطر أثناء الاستخدام، ويتمتع بأوسع استخدام. من المهم اختيار غاز النيتروجين الذي يتوافق مع المعيار الوطني (GB / T3864-2008) لتجنب تلف الفوهة والقطب الكهربائي.

يعمل غاز القطع كعازل حراري وعازل بين عمود القوس وجدار الفوهة، مما يؤدي إلى ضغط القوس لضمان احتراق مستقر. وفي الوقت نفسه، يعمل كوسيط مؤين وموصل لحرارة القوس، مما يؤدي إلى ذوبان قطعة العمل بسرعة بعد التسخين.

بالإضافة إلى ذلك، يعمل الغاز المدخل أيضًا على تبريد القطب الكهربائي. وفي ظل ظروف عملية مماثلة وبارامترات عملية مماثلة، يمكن ملاحظة تأثير تدفق غاز النيتروجين على جودة القطع في الجدول 6-12.

الجدول 6-11: الغازات شائعة الاستخدام لقطع القوس بالبلازما

الجدول 6-12: تأثير معدل تدفق النيتروجين على جودة القطع

معلمات العملية

عند استخدام القطع القوسي بالبلازما للفولاذ المقاوم للصدأ، من الضروري تحديد معلمات المعالجة المناسبة لضمان الحصول على سطح معدني أملس، والحد الأدنى من الخبث، وعرض الشق الضيق.

يمكن العثور على معلمات العملية ذات الصلة لقطع ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ في الجدول 6-13. لا يؤدي اختيار المعلمات غير الصحيحة إلى تعريض جودة القطع للخطر فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى حدوث تقوس مزدوج أثناء عملية القطع، وفي الحالات الشديدة، يمكن أن يؤدي ذلك إلى قطع متقطع وتلف كبير في الفوهة والقطب الكهربائي.

الجدول 6-13: معلمات العملية لقطع الفولاذ المقاوم للصدأ بقوس البلازما

سرعة القطع عامل حاسم يؤثر على جودة القطع. مع الحفاظ على ثبات الطاقة، يمكن أن تؤدي زيادة سرعة القطع إلى منطقة أصغر متأثرة بالحرارة، وشق أضيق، ومنطقة تأثير حراري أقل. ومع ذلك، قد لا تؤدي سرعة القطع العالية للغاية إلى اختراق قطعة العمل.

إذا كانت سرعة القطع بطيئة جدًا، فإنها لا تقلل من كفاءة الإنتاج فحسب، بل تؤدي أيضًا إلى خشونة السطح وتعليق الخبث. ويوضح الجدول 6-14 تأثير سرعة القطع على جودة القطع.

الجدول 6-14: تأثير سرعة القطع على جودة القطع

تقنيات التشغيل

قبل القطع، يجب تنظيف نقطة البداية جيدًا قبل القطع للحفاظ على توصيل كهربائي جيد. بالنسبة لقطع العمل السميكة، من الأفضل تسخين نقطة البداية بقوس صغير قبل القطع.

يجب أن يبدأ القطع من حافة قطعة العمل، ويجب تحريك شعلة القطع بعد ثقب الحافة. إذا كان القطع من حافة الصفيحة غير مسموح به، يجب حفر ثقب صغير بقطر 1-5 مم تقريبًا عند نقطة بداية الصفيحة الفولاذية لمنع تناثر الخبث بسبب قوة النفخ القوية لقوس البلازما، والتي من شأنها أن تجعل العملية صعبة.

يجب التحكم في المسافة من طرف القطب إلى الوجه النهائي للفوهة في حدود 10-15 مم. وتسمح المسافة المناسبة بضغط القوس بشكل جيد داخل الفوهة، مما يؤدي إلى تركيز الطاقة وبالتالي زيادة درجة حرارة قوس البلازما وتعزيز قدرة القطع.

يجب ألا تتجاوز المسافة من الفوهة إلى قطعة العمل 10 مم. ستؤثر المسافة الكبيرة جدًا على الاستخدام الفعال لقوة القوس، مما يقلل من قدرة القطع، في حين أن المسافة الصغيرة جدًا ستجعل من الصعب على المشغل التحكم فيها.

طوال عملية القطع بأكملها، يجب إبقاء شعلة القطع متعامدة على سطح قطعة العمل لمنع حدوث قطع منحرف وغير سلس، وكذلك منع تكون خبث على السطح السفلي للقطع.

ولتحسين جودة القطع وزيادة كفاءة الإنتاج، يمكن عادةً إمالة شعلة القطع بزاوية (0-45 درجة) في المستوى الذي يقع فيه القطع، في الاتجاه المعاكس للقطع. عند قطع الألواح الرقيقة، يجب استخدام زاوية إمالة للخلف أكبر، بينما عند قطع الألواح السميكة، تكون زاوية الإمالة للخلف الأصغر أكثر ملاءمة.

عملية قطع القوس بالبلازما بالهواء المضغوط بالماء والهواء المضغوط

خصائص قطع القوس بالبلازما بالهواء المضغوط بالماء

ويوضح الشكل 6-11 مبدأ القطع بقوس البلازما بالهواء المضغوط بالماء في الشكل 6-11. وبالإضافة إلى رش غاز العمل من شعلة القطع، فإنه مصحوب بنفث ماء متدفق عالي السرعة لطرد المعدن المنصهر بسرعة.

أ) مبدأ القطع الشعاعي لمدخل الماء الشعاعي
ب) مبدأ القطع المحوري لمدخل المياه المحوري

يعمل تدفق الماء عالي الضغط وعالي السرعة في شعلة القطع على تبريد الفوهة من ناحية وإعادة ضغط القوس من ناحية أخرى، مما يشكل عمود قوس بلازما مضغوط للغاية مع كثافة طاقة عالية، والتي تندفع مباشرة نحو قطعة العمل المراد قطعها.

ويمنع الماء الذي يتم رشه على جانبي القطع الذوبان المفرط، ويقلل من المنطقة المتأثرة بالحرارة بسبب القطع العمودي، ويتحلل جزء من الماء المحقون في القطع بواسطة درجة الحرارة العالية لقوس البلازما إلى هيدروجين وأكسجين، واللذان يشكلان مع غاز العمل غاز القطع، مما يعطي قوس البلازما طاقة أعلى.

إن الماء غير المتبخر وغير المتحلل له تأثير تبريد قوي على القوس، مما يؤدي إلى تركيز طاقة قوس البلازما وبالتالي زيادة سرعة القطع.

متطلبات شعلة القطع

هناك طريقتان لدخول تدفق الماء عالي السرعة إلى الفوهة: إحداهما الدخول الشعاعي لتدفق الماء عالي الضغط إلى فتحة الفوهة ثم الرش من مركز فوهة القطع، بينما الأخرى هي الدخول المحوري، حيث يدخل من ممر الماء الحلقي المحيطي للفوهة ثم الرش من شعلة القطع.

يوضح الشكل 6-12 شعلة القطع المحورية من النوع المائي في الشكل 6-12. يستخدم القطب الكهربائي قطبًا كهربائيًا من التنغستن السيريوم بقطر 6 مم، مطحونًا بنفس زاوية الفوهة الداخلية (30 درجة)، وملحومًا بفوهة القطب الكهربائي باستخدام مادة لحام نحاسية ذات أساس فضي، ثم ملحومًا بغطاء التبريد.

1- فوهة خارجية 1- فوهة خارجية 2- فوهة داخلية 3- صامولة كوليت سفلية 4- فوهة قطب كهربائي 5- درع الماء 6- حلقة الختم 7- حلقة الختم 8- حلقة الختم 8- حلقة الختم 9- سترة التبريد 10- سترة ماء جسم المسدس السفلي 11- أنبوب ماء التبريد الداخلي 12- أنبوب ماء التبريد الداخلي 12- أنبوب المدخل 13- غلاف العزل 14- صامولة كوليت العلوية 15- جسم المسدس العلوي
16- برغي التمركز 17- برغي التمركز 17- الأكمام المركزية 18- صامولة التثبيت 18- صامولة التثبيت 19- صامولة الضبط 20- فوهة مخرج المياه 21- أنبوب مدخل الهواء 22- أنبوب مدخل الهواء 23- أنبوب المخرج 24- فتحة مدخل الهواء متعددة الاتجاهات 25- القطب 26- حلقة الختم 27- أنبوب إعادة ضغط الماء

يجب ألا تحتوي هذه اللحامات على أي تسرب. يتدفق ماء التبريد من أنبوب الماء البارد ويتدفق من الفجوة بين أنبوب ماء التبريد الداخلي وغطاء التبريد. باستخدام طريقة التبريد هذه، طالما أن هناك ما يكفي من مياه التبريد، يظل سطح القطب الكهربائي لامعًا وبراقًا بعد عدة ساعات من التشغيل، مع وجود دليل ضئيل جدًا على الاحتراق.

تضيف شعلة القطع بالبلازما بالهواء المضغوط بالماء فوهة خارجية، مما يطيل بشكل فعال قناة ضغط قوس البلازما ويعزز تأثير الضغط على القوس. أثناء عملية القطع، تكون الفوهة الخارجية قريبة من المعدن الذي يتم قطعه، مما قد يتسبب في تناثر المعدن ويؤدي إلى قوس مزدوج.

ولمنع ذلك، يتم وضع طبقة عازلة من الألمنيوم₂O₃بسماكة 0.2 مم تقريبًا، يتم رشها على السطح الخارجي للفوهة النحاسية النقية أو من الناحية المثالية، يتم استخدام مادة خزفية للفوهة الخارجية.

عملية القطع

يمكن استخدام مصدر طاقة قطع قوس البلازما المعدل بالبلازما المعدل، بجهد عدم التحميل 400 فولت أو أعلى، حتى 600 فولت، اعتمادًا على ظروف القطع. عند قطع الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام مصدر طاقة بجهد تشغيل 100-250 فولت وتيار تشغيل 100-150 أمبير، يمكن التخلص من الخبث تمامًا، وتكون الحافة العلوية للقطع حادة، مما يشكل قطعًا ضيقًا مع استيفاء العمودية للمتطلبات.

لقطع صفيحة من الفولاذ المقاوم للصدأ بسماكة 8 مم بسماكة 18-8، يبلغ عرض القطع 4 مم، مع عدم تغير لون سطح القطع وبريق معدني أصلي لامع.

عند استخدام القطع بقوس البلازما بالهواء المضغوط بالماء، يجب أن يكون معدل تدفق النيتروجين أقل قليلاً من ذلك المستخدم في القطع بقوس البلازما العادي.

في ظل ظروف طاقة معينة، تؤدي زيادة تدفق المياه المضغوطة إلى جعل القطع أكثر إشراقًا واستقامة بشكل واضح، ولكن هناك أيضًا معدل تدفق مياه مثالي.

عندما يكون تدفق الماء مرتفعًا جدًا، يؤدي الضغط المفرط للقوس إلى تبديد مفرط للحرارة، مما يتسبب في عدم استقرار القوس وتقصيره، مما يزيد من الخبث، بل ويمنع القطع. بشكل عام، يبلغ استخدام المياه المضغوطة 0.5-1.5 لتر/دقيقة، والتي يمكن توفيرها بماء الصنبور.

ويؤثر تيار القطع والجهد الكهربائي تأثيرًا كبيرًا على جودة القطع: فمع زيادة قوة القطع لقوس البلازما، تزداد أيضًا سرعة القطع وسماكته. وقد ثبت أنه، في ظل فرضية القدرة على القطع، فإن استخدام طاقة الإدخال العالية للقطع عالي السرعة يؤدي إلى قطع عالي الجودة مقارنة باستخدام طاقة الإدخال المنخفضة للقطع البطيء.

عند زيادة سمك القطع، إذا تمت زيادة تيار القطع فقط، يصبح عمود القوس أكثر سمكًا ويكون عرضة لإتلاف الفوهة. وإذا زاد أيضًا تدفق الغاز والمياه المضغوطة أثناء زيادة تيار القطع، يتغير أيضًا جهد القوس بشكل كبير، مما يؤدي إلى زيادة واضحة في قدرة القطع والحفاظ على جودة القطع الجيدة.

في بداية عملية القطع، يجب ألا تقل المسافة بين الفوهة وسطح قطعة العمل بشكل عام عن 6 مم، ولكن من الصعب بدء القوس عندما تتجاوز 10 مم. أثناء عملية القطع، يمكن أن تختلف المسافة بين الفوهة وسطح الشُّغْلَة أثناء عملية القطع، بحد أقصى للمسافة يصل إلى 20 مم. عند هذه النقطة، يظل القوس مستقرًا وتظل جودة القطع ثابتة.

وترد في الجدول 6-15 البارامترات النموذجية لقطع المعادن المختلفة باستخدام القطع بقوس البلازما بالهواء المضغوط بالماء.

الجدول 6-15 بارامترات القطع النموذجية لقطع قوس البلازما الهوائي بضغط الماء لمختلف المعادن

التقييم

تحليل جودة القطع

عند فحص السطح المقطوع للوح الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8، كان العرض المقاس للمنطقة المتأثرة بالحرارة 0.02 مم فقط. ويعزى هذا التضييق في المنطقة المتأثرة بالحرارة إلى تأثير التبريد بالماء وزيادة سرعة القطع. يمكن لحام القطع مباشرة، ويمكن أن يخضع مفصل اللحام لفحص مقاومة التآكل، ولا يظهر أي ميل للتآكل بين الخلايا الحبيبية.

ينتج عن التبريد المائي لقطعة العمل قطعًا سلسًا، والحد الأدنى من التشوه الحراري بعد القطع لقطعة العمل، وعرض شق أضيق مقارنةً بالقطع التقليدي بقوس البلازما.

تحليل حماية البيئة

يولد القطع القوسي بالبلازما التقليدي كمية كبيرة من بخار المعادن والغبار والغازات الضارة، والتي يمكن أن تؤثر على صحة المشغل عند استنشاقها. وحتى مع استخدام أجهزة إزالة غبار العادم، لا يمكن القضاء تمامًا على التلوث البيئي والضوضاء الكبيرة أثناء عملية القطع. يمكن استخدام طاولة عمل لتنقية المياه، كما هو موضح في الشكل 6-13، معالجة هذه المشكلة.

أثناء القطع، يتم وضع قطعة العمل على خزان المياه الخاص بمنضدة تنقية المياه في خزان المياه الخاص بمنضدة تنقية المياه، مع إضافة الماء إلى الخزان. يكون سطح الماء على بعد 20 مم تقريبًا من قطعة العمل، حتى يلامس قطعة العمل. في عملية القطع بقوس البلازما بالهواء المضغوط بمساعدة الماء، يشكل الماء المرشوش من الفوهة ستارة مائية مخروطية تحيط بقوس البلازما.

يدخل الغاز عالي السرعة المنبعث من شعلة القطع، إلى جانب جزيئات الأكسيد المتولدة أثناء عملية القطع، إلى الغلاف الجوي مع الماء، وكلها تستقر في قاع الخزان ولا تتفرق في الهواء المحيط.

على سبيل المثال، عند قطع صفيحة من الفولاذ المقاوم للصدأ بسمك 38 مم بسماكة 18-8، باستخدام القطع التقليدي بقوس البلازما، ينتج عن القطع بطول 25 مم غبارًا دقيقًا يبلغ 10 جم من الغبار الناعم؛ بينما في حالة القطع بقوس البلازما بالهواء المضغوط بمساعدة الماء والمزود بمنضدة عمل لتنقية المياه، يبلغ غبار الجسيمات الدقيقة الناتج لنفس الطول 0.11 جم فقط.

يساعد خليط الماء والغاز أيضًا على تقليل ثاني أكسيد النيتروجين الضار. عند استخدام ماكينات القطع بقوس البلازما بالهواء المضغوط بالهواء المضغوط وطاولات عمل تنقية المياه، فإن وضع الماء على النحو الأمثل يمكن أن يقلل من انبعاث ثاني أكسيد النيتروجين في الهواء المحيط بمقدار 80%، مع تقليل الضوضاء أثناء القطع بقوس البلازما.

إذا تم قطع قطعة العمل بحوالي 200 مم تحت الماء، يمكن لخصائص الماء أن تقلل من ضوضاء القطع بحوالي 15 ديسيبل، ويمكن أن تمتص ضوء القوس المكثف والجسيمات المعدنية والغبار والدخان والأشعة فوق البنفسجية المتولدة أثناء عملية القطع، مما يحسن بشكل كبير من نظافة بيئة العمل ويفيد صحة المشغلين.

بالطبع، في هذا السيناريو، حيث لا يمكن رؤية خط القطع، يمكن استخدام القطع الميكانيكي فقط، وهو أيضًا الاتجاه الذي يتطور فيه القطع بقوس البلازما.

عملية القطع بالقوس الهوائي بالبلازما الهوائية

يوجد قطع قوس البلازما الهوائي في شكلين: الهواء المفرد والمركب. ومبادئ القطع وشعلة القطع موضحة في الشكل 6-14.

أ) مبدأ القطع بالهواء المفرد ب) مبدأ القطع المركب ج) شعلة القطع بالهواء المفرد النموذجية

1 - ماء تبريد القطب الكهربائي
2 - القطب الكهربائي
3 - الهواء المضغوط
4 - الفوهة المضغوطة المدمجة
5 - مياه تبريد الفوهات المضغوطة
6 - القوس
7 - قطعة العمل
8 - الغاز العامل
9 - فوهة خارجية

عملية القطع بقوس بلازما هوائي واحد

تستخدم هذه الطريقة الهواء المضغوط من ضاغط هواء كغاز عمل لقطع قوس البلازما. هذا الشكل من القطع بقوس البلازما الهوائي فعال من حيث التكلفة ومصدر الغاز متاح بسهولة. يتم تسخين الهواء المضغوط وتأينه في القوس، ويخضع الأكسجين المتولد لتفاعل كيميائي طارد للحرارة مع معدن القطع، مما يسرع من سرعة القطع.

تؤدي الحرارة العالية لبلازما الهواء المتأين بالكامل إلى طاقة قوس كبيرة. وبالمقارنة مع القطع بقوس البلازما العام، فإن سرعة القطع أسرع، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لقطع الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ الكربوني والألومنيوم والمواد الأخرى بسماكة 30 مم أو أقل.

فيما يلي المعلمات الفنية للعديد من ماكينات القطع بقوس البلازما الهوائية المنتجة محليًا.

الجدول 6-16 البارامترات التقنية للعديد من ماكينات القطع بالبلازما الهوائية المنتجة محلياً

ويتعرض القطب الكهربائي في طريقة القطع هذه للأكسدة والتآكل الشديد، مما يؤدي إلى تآكل القطب الكهربائي بشكل كبير، لذلك لا يمكن استخدام أقطاب التنغستن النقي التقليدي أو أقطاب التنغستن الثوري. وبشكل عام، يتم استخدام أقطاب الزركونيوم النقي أو أقطاب الهافنيوم النقي المدمجة في قاعدة نحاسية. حتى عند استخدام أقطاب الزركونيوم النقي أو أقطاب الهافنيوم النقي، فإن عمرها التشغيلي عادةً ما يكون من 5 إلى 10 ساعات فقط قبل الحاجة إلى الاستبدال.

يسرد الجدول 6-17 معلمات عملية القطع بقوس البلازما الهوائي لألواح الفولاذ المقاوم للصدأ.

الجدول 6-17 معلمات العملية لقطع قوس البلازما الهوائي لألواح الفولاذ المقاوم للصدأ

وبالإضافة إلى قطع ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ، يمكن أيضًا استخدام قوس البلازما الهوائي لتنظيف جذر لحامات الفولاذ المقاوم للصدأ. ويستخدم تنظيف الجذور بقوس البلازما البلازما بلازما عالية الطاقة لصهر المعدن، ثم يتم نفخ المعدن المنصهر بواسطة الغاز المتأين، بهدف إنشاء سطح جذر أملس نسبيًا دون كربنة، مما يلغي الحاجة إلى الطحن ويسمح باللحام المباشر.

أجرت إحدى الشركات تجارب على صفائح الفولاذ المارتنسيتي المارتنسيتي 04Cr13Ni5Mo، بأبعاد عينة تبلغ 200 مم × 80 مم × 40 مم. واستخدموا كلاً من قوس البلازما الهوائي والطرق الميكانيكية لإنشاء حواف على شكل حرف V، ثم قاموا باللحام باستخدام نفس مواد اللحام والمعايير ثم أجروا اختبارات التشقق التناكبي للمفصل.

أشارت نتائج الاختبار إلى ظهور كمية صغيرة من التشققات المقطعية في الحواف المعالجة بكلتا الطريقتين في درجة حرارة الغرفة؛ ومع ذلك، لم تظهر أي تشققات عند تسخين العينات مسبقًا إلى 50 درجة مئوية ثم لحامها. وهذا يعني أن استخدام قوس البلازما الهوائي لإعداد الحواف ليس له أي آثار ضارة على الوصلات الملحومة. يتميز قوس البلازما المستخدم في القطع بطاقة عالية التركيز، وأقواس قصيرة، وقوس صلب.

عند استخدامه لتنظيف الجذور، يترك القوس أخاديد عميقة وضيقة على طول مساره، مما يجعل من الصعب تحقيق سطح أملس بسبب صلابة القوس. إذا كان قوس البلازما ناعمًا جدًا، فقد يؤثر ذلك سلبًا على تأثير ضغط الفوهة.

وبسبب ضعف قابلية التدفق والتوصيل الحراري للمعدن المنصهر من الفولاذ المقاوم للصدأ، يميل الجزء السفلي من القطع إلى السخونة الزائدة، ويندمج المعدن المنصهر غير المنفوخ المتبقي في القطع مع الجزء السفلي من القطع، مما يشكل حبات لحام يصعب إزالتها بعد التصلب.

ولمعالجة هذه المشكلات، طور الموظفون الفنيون في الشركة فوهة مناسبة بعد العديد من التجارب والمناقشات، مما يسمح بنعومة وصلابة معتدلة لقوس البلازما، مع الحفاظ على طول قوس كافٍ، وتسهيل تنظيف الجذور. ونتيجة لذلك، يحقق قوس البلازما كفاءة عالية في تنظيف الجذور وثباتًا عاليًا للقوس، مع إنتاج سطح قطع أملس نسبيًا بدون حبات لحام مع سهولة إزالة الخبث.

عملية القطع بالقوس الهوائي المركب بالبلازما الهوائية المركبة

ينطوي مبدأ عملية القطع بقوس البلازما الهوائي المركب على استخدام فوهة مزدوجة الطبقة، حيث تزود الفوهة الداخلية غاز العمل المعتاد والفوهة الخارجية الهواء المضغوط.

إن مزايا طريقة القطع هذه ذات شقين: من ناحية، تستخدم الهواء المضغوط للتفاعلات الطاردة للحرارة في منطقة القطع لزيادة سرعة القطع؛ ومن ناحية أخرى، تتجنب التلامس المباشر بين الهواء والقطب الكهربائي، مما يقلل من تآكل القطب الكهربائي، ويسمح باستخدام أقطاب التنغستن النقي أو التنغستن المتصل (التنغستن والرينيوم).

مقارنة بين خصائص القطع للغازات المختلفة المستخدمة في القطع بقوس البلازما

يستخدم القطع بقوس البلازما غازات عاملة مثل النيتروجين والهيدروجين والأرجون والأكسجين والهواء. وترد في الجدول 6-18 مقارنة بين خصائص القطع الخاصة بها.

الجدول 6-18: مقارنة بين خصائص القطع للغازات المختلفة المستخدمة في القطع بقوس البلازما

تطوير القطع بقوس البلازما

القطع بالقوس البلازما تحت الماء

ولمعالجة تلوث الهواء والضوضاء أثناء عملية القطع بقوس البلازما، هناك طريقة فعالة تتمثل في استخدام القطع بقوس البلازما تحت الماء. وتتضمن هذه الطريقة وضع المادة المراد قطعها بشكل مسطح في حوض قطع مملوء بالماء واستخدام مسدس قطع قوس البلازما الخاص للقطع تحت الماء. وأثناء عملية القطع، يتم غمر مسدس القطع بقوس البلازما تحت سطح الماء بحوالي 100 مم تحت سطح الماء، مما يعزل الدخان الضار ويقلل من الضوضاء.

يمكن للقطع تحت الماء أيضًا القضاء على تشوه القطع للألواح الرقيقة، وتحسين جودة القطع، ومنع الفولاذ المقاوم للصدأ من التآكل الناجم عن القطع الحراري. ومع ذلك، فإنه يزيد من التكلفة الاستثمارية للمعدات، مثل الحاجة إلى خزانات مياه محكمة الغلق متخصصة ومضخات مياه دوارة عالية السعة.

القطع بالقوس البلازما الدقيق بالبلازما باستخدام الحاسب الآلي الرقمي

تتميز هذه الطريقة بدقة أبعاد القطع العالية، ودرزات القطع الضيقة والمائلة إلى الحد الأدنى، وتقليل الخبث، وأسطح القطع الملساء، والحد الأدنى من التشوه الحراري. ومع ذلك، فإنها تتطلب معدات قطع قوس البلازما عالية الدقة، بما في ذلك مصادر طاقة ومشاعل خاصة لقطع قوس البلازما. ويوضح الشكل 6-15 هيكل فوهة القطع بقوس البلازما الدقيق، مقارنةً بفوهة القطع بقوس البلازما القياسية.

من الشكل، يمكن ملاحظة أن هيكل فوهة القطع بقوس البلازما الدقيقة عبارة عن تصميم ثلاثي الطبقات، مما يتيح طاقة قوس بلازما عالية التركيز، أي ضعف تركيز الطاقة في الفوهة القياسية تقريبًا.

كما أنها تطيل عمر الفوهة وتقلل من تكاليف الإنتاج. يتم إنتاج هذه المعدات المتخصصة بالفعل من قبل الشركات المصنعة الأجنبية، وقد جذبت انتباه الشركات المحلية والدولية العاملة في مجال التصنيع الدقيق وهياكل اللحام.

أ) شعلة القطع القوسي البلازما التقليدية (ب) شعلة القطع القوسي البلازما الدقيقة.

V. تقنية القطع بالليزر

القطع بالليزر هو طريقة جديدة للقطع الحراري وهو النجم الصاعد لقطع الفولاذ المقاوم للصدأ. وهي تستخدم الطاقة العالية لشعاع الليزر لقطع قطع العمل حرارياً. يمكن استخدام هذه الطريقة لقطع المواد المعدنية وغير المعدنية على حد سواء، ويشير البعض إلى شعاع الليزر على أنه "شفرة القطع"، وهذا ليس من قبيل المبالغة.

في الإنتاج الصناعي، يمكن تصنيف طرق القطع الشائعة بالليزر حسب آليات القطع إلى القطع بالتبخير بالليزر، والقطع بالذوبان بالليزر، والقطع بالأكسجين بالليزر. وترد في الجدول 6-19 مقارنة بين كثافة الطاقة للعديد من طرق القطع الحراري. ويتضح من الجدول أن القطع بالليزر يمتلك أعلى كثافة للطاقة.

الجدول 6-19: مقارنة بين كثافات الطاقة للعديد من طرق القطع الحراري

خصائص القطع بالليزر

الحد الأدنى من التشوه الحراري أثناء القطع

ونظرًا لكثافة طاقة القطع العالية، فإنها تحقق قطعًا دقيقًا بأقل قدر من التشوه في قطعة العمل، مما يلغي الحاجة إلى تشغيل آلي إضافي قبل الاستخدام.

جودة سطح القطع العالية

يمكن أن تصل دقة القطع إلى 0.1 إلى 0.2 مم، مع خشونة سطح القطع التي تبلغ حوالي عشرة ميكرومترات (Ra). الشق ضيق للغاية، خاصة مع عرض منطقة متأثرة بالحرارة يتراوح بين 0.01 و0.1 مم فقط، وهو ما لا يؤثر على خصائص المادة.

سرعة قطع عالية

عند استخدام قاطع ليزر بقدرة 2 كيلو وات لقطع ألواح الصلب التي يقل سمكها عن 10 مم، يمكن أن تتطابق سرعة القطع مع سرعة القطع بقوس البلازما.

براعة في قطع المواد المختلفة

لا يمكنها قطع الفولاذ والمواد غير الحديدية فحسب، بل يمكنها أيضًا قطع المواد غير المعدنية مثل البلاستيك والجلد والنسيج.

بيئة القطع المواتية

أثناء عملية القطع، لا يوجد إشعاع قوي أو ضوضاء أو تلوث بيئي قوي، مما يخلق بيئة عمل أفضل لصحة المشغل.

يمكن الاطلاع على مقارنة أداء القطع بالليزر مع القطع بالأكسجين والأسيتيلين أو القطع باللهب والقطع بقوس البلازما في الجدول 6-20.

الجدول 6-20: مقارنة أداء القطع لطرق القطع المختلفة

معدات وعمليات القطع

تشتمل معدات القطع على ثاني أكسيد الكربون₂ والليزر الغازي وليزر الحالة الصلبة المصنوع من عقيق الألومنيوم الإيتريوم الصلب، مع مواصفاتها الفنية الرئيسية المبينة في الجدول 6-21.

الجدول 6-21: أنواع قواطع الليزر والبارامترات التقنية الرئيسية

تختلف أنواع الغازات المساعدة باختلاف المواد. ففي حالة قطع المواد القابلة للاشتعال والمعادن القابلة للاشتعال حيث يجب تجنب الأكسدة، يتم استخدام الغازات الخاملة أو الغازات المحايدة. لقطع المواد المعدنية العامة، يمكن استخدام الأكسجين. ويشيع استخدام القطع بالأكسجين بالليزر لقطع المواد المعدنية مثل الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم وسبائك التيتانيوم والألومنيوم وسبائك الألومنيوم.

ويشبه القطع بالأكسجين بالليزر القطع باللهب بوقود الأكسجين، حيث يتم استخدام طاقة الليزر لتسخين المادة إلى نقطة اشتعالها ثم تحترق في تيار من الأكسجين. ثم تتم إزالة الخبث المنصهر الناتج من القطع بواسطة تيار الأكسجين.

تعمل الحرارة الإضافية الناتجة عن تفاعل الأكسدة على تحسين سرعة القطع وجودته بشكل كبير. وبالنسبة للمعادن التي يمكن أن تتأكسد بالكامل، يمكن زيادة سرعة القطع بحوالي 10 مرات مقارنةً بالقطع باللهب الأوكسي-وقود الأوكسجين. يظهر في الشكل 6-16 مخطط نموذجي لشعلة القطع بالأكسجين بالليزر.

يمكن العثور على معلمات عملية القطع بالأكسجين بالليزر للفولاذ المقاوم للصدأ في الجدول 6-22.

1 - قطعة العمل 2 - فوهة القطع 3 - أنبوب مدخل الأكسجين 4 - مقياس ضغط الأكسجين 5 - أنبوب مياه تبريد العدسة 6 - عدسة التركيز البؤري 7 - شعاع الليزر 8 - أنبوب مياه تبريد المرآة العاكسة 9 - مرآة عاكسة 10 - محرك مؤازر 11 - برغي كروي 12 - دائرة التحكم في التضخيم والدفع 13 - مستشعر الموضع

الجدول 6-22: خصائص وتطبيقات القطع بالأكسجين بالليزر للفولاذ المقاوم للصدأ

ونظراً لمزايا دقة القطع العالية والجودة العالية وسرعة القطع السريعة، فإن آلات القطع بالليزر تستخدم على نطاق واسع محلياً ودولياً. آلات القطع بالليزر اليدوية والميكانيكية العادية لم تدخل بعد المرحلة العملية الصناعية، وجميع التطبيقات الحالية تستخدم أنظمة يتم التحكم فيها بواسطة التحكم العددي (NC).

تشتمل المكونات الرئيسية لماكينة القطع بالليزر بنظام التحكم الرقمي باستخدام الحاسوب على إطار جسري وليزر ونظام بصري ورأس القطع بالليزر ونظام التحكم بالليزر ونظام القيادة والتحكم بنظام التحكم الرقمي باستخدام الحاسوب ونظام إمداد الغاز ونظام عادم الدخان ونظام إزالة الغبار وغيرها.

الشركات المصنعة لمعدات اللحام والقطع المعروفة محليًا وخارجيًا قادرة على إنتاج معدات القطع بالليزر CNC عالية الجودة باستخدام الحاسب الآلي، حيث يصل الحد الأقصى لسماكة قطع الفولاذ المقاوم للصدأ إلى 16 مم.

تطوير القطع بالليزر

في الوقت الحالي، عادةً ما تتمتع أشعة ليزر الحالة الصلبة المصنوعة من الإيتريوم والألومنيوم-الغارنيت بقوة عدة مئات من الواط (تُستخدم بشكل أساسي في اللحام) ويمكنها فقط قطع الصفائح المعدنية الرقيقة بسماكة 1-2 مم.

وفي الآونة الأخيرة، طورت الولايات المتحدة نوعًا جديدًا من ليزر الحالة الصلبة المصنوع من الإيتريوم والألومنيوم-الغارنيت الصلب، والذي يمكنه توليد شعاع ليزر على قطعة العمل بكثافة طاقة تزيد 40 مرة عن كثافة طاقة الليزر الهيكلي التقليدي، مما يعزز بشكل كبير من قدرة القطع. ويمكنه قطع المواد المصنوعة من السبائك الفائقة التي يصل سمكها إلى 38 مم أو ثقب الأجزاء المعدنية بسمك 25.4 مم (مع زمن ثقب يبلغ ثانيتين فقط).

وعادة ما تكون طاقة ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون الغازية أقل من 1.5 كيلوواط، ويمكن استخدامه لقطع الفولاذ الكربوني ومختلف المعادن غير الحديدية بسماكة أقل من 10 ملم. وقد طوّرت اليابان ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون بقدرة 5 كيلوواط، مع طول موجي يبلغ نصف الطول الموجي لليزر غاز ثاني أكسيد الكربون تقريبًا وكثافة طاقة أكبر بأربعة أضعاف من هذا الأخير، مما يمكّنه من قطع الصفائح السميكة.

من أجل تعزيز تطبيق تكنولوجيا القطع بالليزر، تم إحراز تقدم كبير في معدات القطع. هناك مشاعل قطع ثابتة وقواطع متحركة المنصة. وتتمتع المنصات بدرجتين إلى 5 درجات من الحرية، وتستخدم حركة المنصة التحكم العددي والأساليب القابلة للبرمجة المسبقة، ويمكن توصيلها بنظام التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD).

آلة القطع التي تم تطويرها في المملكة المتحدة هي عبارة عن جهاز قطع بالليزر ثاني أكسيد الكربون يتحرك على جسر عملاق، ويتم التحكم فيه رقميًا أيضًا. يمكن لرأس القطع بالليزر أن يتحرك بخمس درجات من الحرية (حركة خطية على طول الإحداثيات X وY وZ والدوران والإمالة)، مما يتيح القطع في ثلاثة اتجاهات.

يُستخدم القطع بالليزر على نطاق واسع لقطع الفولاذ المقاوم للصدأ، والتيتانيوم وسبائك التيتانيوم، والألومنيوم وسبائك الألومنيوم، والسبائك الفائقة. ويتم تطبيقه على نطاق واسع في الصناعة النووية وصناعة الطيران، ومؤخرًا، بدأ استخدام تكنولوجيا القطع بالليزر أيضًا في قطع ألواح هياكل السيارات، التي يتم تشغيلها بواسطة الروبوتات.

سادساً. تقنية القطع بالنفث المائي

I. مبدأ القطع

القطع بالنفث المائي هو نوع جديد من تكنولوجيا المعالجة الباردة التي يمكن استخدامها في البيئات القاسية والمحظور استخدامها في الحرائق، وقد حظيت باهتمام واسع النطاق. وهي تدمج بين التقنيات الميكانيكية والإلكترونية والحاسوبية وتقنيات التحكم الآلي، وتمثل إنجازًا تقنيًا عاليًا، وقد برزت كطريقة جديدة لمعالجة المواد في السنوات الأخيرة.

ينطوي مبدأ القطع بالنفث المائي على استخدام ماء نقي عالي الضغط أو ملاط سائل عالي الضغط مع مواد كاشطة للقطع، والتي يتم إخراجها من خلال فوهة القطع لتشكيل عمود سائل عالي الكثافة، مما يؤدي إلى قطع قطعة العمل مباشرةً من خلال الصدم. واعتمادًا على ضغط الماء، يمكن تصنيفها إلى قطع نفاث مائي منخفض الضغط وعالي الضغط. يوضح الشكلان 6-17 و6-18 مبادئ عملية القطع بنفث الماء.

1. توريد المواد الكاشطة
2. خزان التخزين
3. قطعة العمل المراد قطعها
4. مسدس القطع
5. صهريج تخزين مضغوط

II. خصائص القطع

تتميز تقنية القطع بالنفث المائي بالخصائص التالية:

ضغط قطع الماء النفاث العالي

يتراوح ضغط المياه النفاثة من عشرات إلى مئات الميجاباسكالات، مما يولد كثافة طاقة نفاثة هائلة بسرعة 2 إلى 3 أضعاف سرعة الصوت لقطع الأجسام. يكون ارتفاع درجة الحرارة عند قطع الشُّغْلَة منخفضًا جدًا، لا يتجاوز عمومًا 100 درجة مئوية، وهي الميزة الأبرز مقارنةً بعمليات القطع الحراري الأخرى.

وهذا يلغي إمكانية تشوه قطعة العمل ومناطق الصدمات الحرارية والتغيرات الهيكلية عند القطع، مما يجعلها آمنة وموثوقة للاستخدام في البيئات المحظورة للحرائق مثل منصات حفر النفط البحرية والمصافي وخزانات النفط الكبيرة وخطوط أنابيب النفط والغاز.

جودة ممتازة للقطع بنفث الماء

يكون سطح القطع أملس وخالٍ من النتوءات وبقايا الأكسيد، وتكون فجوة القطع ضيقة للغاية، ويتم التحكم فيها عادةً في حدود 0.1 مم باستخدام الماء النقي للقطع، وما بين 1.2 إلى 2.0 مم مع إضافة مواد كاشطة للقطع. لا يتطلب القطع معالجة ثانوية، مما يبسّط عملية التصنيع الآلي.

نطاق واسع من سماكة القطع

يتميز القطع بالنفث المائي بنطاق واسع من سماكة القطع، مع أقصى سماكة قطع تتجاوز 100 مم. بالنسبة للألواح الفولاذية الخاصة التي يبلغ سمكها 2.0 مم، يمكن أن تصل سرعة القطع إلى 100 سم/الدقيقة. على الرغم من أن سرعة القطع بالنفث المائي أقل قليلاً من سرعة القطع بالليزر، إلا أنه لا يولد كمية كبيرة من حرارة القطع أثناء عملية القطع، مما يجعل القطع بالنفث المائي أكثر فائدة في التطبيقات العملية.

مجموعة واسعة من مواد القطع

طريقة القطع هذه مناسبة ليس فقط للمعادن وغير المعادن ولكن أيضًا لمعالجة المواد المركبة والمواد الحساسة للحرارة.

بيئة تشغيل ممتازة

أثناء القطع بالنفث المائي، لا يوجد إشعاع ولا جسيمات متناثرة ولا غبار، مما يجنب التلوث البيئي. حتى في القطع بالنفث المائي الكاشطة، يمكن غسل الغبار وبقايا القطع مباشرةً عن طريق تدفق المياه إلى مجمِّع، مما يضمن صحة المشغِّل. ويمكن اعتبارها طريقة تصنيع صديقة للبيئة.

نظرًا للمزايا المذكورة أعلاه، فإن القطع بالنفث المائي له آفاق واسعة في صناعات مثل الفضاء والطاقة النووية والبترول والهندسة الكيميائية والهندسة تحت الماء والبناء.

عملية القطع

طرق القطع

يوجد حاليًا طريقتان للقطع بالنفث المائي: القطع بالنفث المائي منخفض الضغط والقطع بالنفث المائي عالي الضغط.

ينطوي القطع بنفث الماء منخفض الضغط على الخلط المسبق للمياه عالية الضغط (14 ~ 69 ميجا باسكال) ومواد كاشطة للقطع في خزان مضغوط، ثم توصيل الملاط الكاشطة المختلطة من خلال خرطوم مباشرة إلى مسدس القطع لعملية القطع، كما هو موضح في الشكل 6-17. يمكن قطع قطعة العمل المراد قطعها على بعد 500 متر من مصدر طاقة القطع أو تحت الماء.

ينطوي القطع بنفث الماء عالي الضغط على نقل الماء عالي الضغط (أكبر من 240 ميجا باسكال) والمواد الكاشطة الجافة بشكل منفصل من خلال خراطيم كل منهما، ثم خلطهما في حجرة الخلط في مسدس القطع لإتمام عملية قطع قطعة العمل، كما هو موضح في الشكل 6-18. تقع قطعة العمل المراد قطعها بشكل عام بالقرب من مصدر طاقة القطع.

عندما يتم إجراء القطع بنفث الماء بالضغط المنخفض والضغط العالي في نفس الظروف، يكون استهلاك الماء ومواد القطع الكاشطة في الأولى 1/8-1/3 فقط من الثانية.

من من منظور هيكل مسدس القطع، فإن مسدس القطع للقطع النفاث المائي منخفض الضغط أبسط نسبيًا. من حيث استهلاك الطاقة، يستهلك القطع بنفث الماء منخفض الضغط طاقة أقل. ولذلك، فإن القطع بالنفث المائي منخفض الضغط هو حاليًا عملية القطع الأكثر فعالية.

مواد كشط القطع

تشتمل المواد الكاشطة المستخدمة في القطع بالنفث المائي بشكل أساسي على الماس والزيتون والعقيق وخبث صهر النحاس والأكاسيد. من بينها، يعتبر خبث صهر النحاس مثاليًا نسبيًا. أولاً، سعره منخفض، فقط 1/8 ~ 1/10 من سعر الرمل الفولاذي؛ والأهم من ذلك، أن سرعة القطع الخاصة به أسرع من الماس بمقدار 30%. هذا لأن جزيئات خبث صهر النحاس حادة نسبيًا.

أثناء عملية القطع، عندما تصطدم بقطعة الشغل، تنكسر، مما يؤدي إلى تشكيل المزيد من حواف القطع. بالإضافة إلى ذلك، عند استخدام الماس في القطع بالنفث المائي، تندمج مواد القطع الكاشطة بسهولة في المادة الأساسية، مما قد يؤثر سلبًا على خصائص معينة لمنطقة القطع، مثل الخواص الميكانيكية لمفصل اللحام. يمكن أن يؤدي استخدام خبث صهر النحاس كمادة كاشطة للقطع إلى التغلب على هذا العيب.

مطلوب عمومًا أن يكون حجم جسيمات مادة القطع الكاشطة بشكل عام 0.2 ~ 1.5 مم، والذي يعتمد بشكل أساسي على قطر فوهة مسدس رش القطع. يمكن إعادة تدوير مواد القطع الكاشطة وإعادة استخدامها من 2-3 مرات، ثم نخلها لإزالة المواد الكاشطة الدقيقة للغاية.

مواد لقطع الفوهات

بالنسبة لفوهات القطع، إلى جانب الصلابة والمتانة الكافية، فإن الجانب الأكثر أهمية هو المقاومة الجيدة للتآكل، مما يقلل بشكل فعال من تآكل فوهة القطع وبالتالي يحسن من عمر الخدمة.

ونظرًا لتآكل القطر الداخلي للفوهة، تتسع فجوة القطع، مما يؤدي إلى انخفاض في عمودية مقطع القطع. عادةً ما يتم اختيار التنجستن أو السيليكون أو السبائك الصلبة كمواد لقطع الفوهات، ولكن عمر خدمتها ليس مثاليًا. وفي الوقت الحالي، يعتبر استخدام الياقوت الأزرق كمادة للفوهة أكثر ملاءمة.

عملية القطع

ارجع إلى الجدول 6-23 للاطلاع على مواد القطع شائعة الاستخدام ومعلمات عملية القطع الخاصة بها للقطع بالنفث المائي.

الجدول 6-23: سرعات القطع بالنفث المائي للمواد الشائعة

أُجريت تجارب على قطع ألواح الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ بسماكات مختلفة باستخدام عملية القطع بنفث الماء منخفض الضغط. كان قطر فوهة القطع 1 مم، وكان ضغط الماء 69 ميجا باسكال، وترد العلاقات بين سرعة القطع وعمق القطع وكمية الكشط المستخدمة في الشكلين 6-19 و6-20 (المادة: فولاذ مقاوم للصدأ 18-8، سمك اللوح: 3 مم).

نظرًا لتطور عملية القطع بالنفث المائي إلى عملية تصنيع آلي دقيقة، فإنها تتطلب دقة عالية من المعدات، مما يجعل آلة القطع بالنفث المائي أداة تصنيع آلي دقيقة.

الخصائص التقنية لهذه المعدات تعادل خصائص آلة القطع بالليزر الدقيقة. وهي تتألف من مولد نفاث مائي عالي الضغط (جهاز ضغط)، ورأس قطع نفاث مائي، ومنصة قطع بنظام التحكم الرقمي باستخدام الحاسوب، ونظام تحكم بنظام التحكم الرقمي باستخدام الحاسوب، بالإضافة إلى جهاز كمبيوتر، ومعدات مساعدة للتحكم في الرمل.