القطع بالليزر للفولاذ المدلفن على الساخن: المبادئ وسير العمل

مبدأ القطع بالليزر والأكسجين

يستخدم قطع الفولاذ المدرفل على الساخن بالليزر عادة ما يعرف تقنيًا بالقطع بدمج الأكسجين بالليزر أو 'القطع الهجين باللهب بالليزر'. وعلى عكس التبخير بالليزر أو عمليات الصهر النقي، يعتمد القطع بالليزر بالأكسجين على تآزر قوي بين شعاع الليزر والتفاعل الكيميائي الطارد للحرارة. يعمل المبدأ على النحو التالي: يركز شعاع ليزر ألياف عالي الطاقة (عادةً من 4 إلى 6 كيلو واط) على سطح اللوحة الفولاذية المدلفنة على الساخن، مما يؤدي إلى تسخين منطقة محلية بسرعة إلى درجة حرارة اشتعال الحديد (حوالي 1350 درجة مئوية). يتم توجيه نفاث أكسجين عالي النقاء بشكل متحد مع شعاع الليزر إلى هذه البقعة شديدة الحرارة. بمجرد وصول الحديد إلى نقطة الاشتعال، فإنه يتفاعل بعنف مع الأكسجين في تفاعل أكسدة طارد للحرارة: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ + حرارة. يُطلق هذا الاحتراق الكيميائي طاقة حرارية تزيد بثلاث إلى خمس مرات عن الطاقة التي يساهم بها شعاع الليزر نفسه. ومن ثم، يعمل الليزر بمثابة 'ولاعة' أو 'مشعل' فعال ويمكن التحكم فيه بشكل كبير، ويبدأ التفاعل ثم يوجهه على طول مسار القطع المبرمج، بينما يخدم غاز الأكسجين غرضًا مزدوجًا يتمثل في كونه عامل احتراق ونفثًا عالي الضغط يطرد خبث أكسيد الحديد المنصهر الناتج من الشق المقطوع.

بالنسبة للألواح الفولاذية الكربونية السميكة، تعد هذه العملية الهجينة هي الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة والأسرع للقطع المتاحة. إنه يتيح قطع الألواح التي يصل سمكها إلى 200 مم باستخدام ليزر منخفض الطاقة نسبيًا (6 كيلو واط) لأن تفاعل الأكسدة يوفر أكثر من 80% من إجمالي طاقة القطع. تلغي هذه الكفاءة الحاجة إلى أجهزة ليزر ضخمة وباهظة الثمن وعالية الطاقة غالبًا ما تكون مطلوبة للألواح السميكة. والنتيجة هي قطع نظيف بعمودية ممتازة، وخبث أقل بكثير من القطع بالبلازما، ولا حاجة لأوقات التسخين المسبق الطويلة (غالبًا 2-3 دقائق) التي تكون إلزامية للقطع التقليدي بالوقود الأكسجيني.

تحضير الفولاذ المدلفن على الساخن للقطع الأمثل بالليزر

في حين أن عملية الأكسجين بالليزر هي أداة قوية لقطع الفولاذ الكربوني، فإن تحقيق نتيجة عالية الجودة ومتسقة يعتمد بشكل حاسم على حالة سطح اللوحة الخام المدرفلة على الساخن. يتميز الفولاذ الأسود القياسي المدلفن على الساخن بسطح متقشر مميز وهو بعيد عن أن يكون مثاليًا لليزر. يؤثر هذا السطح 'الذي يشبه القمر' أو الفوهات على نظام استشعار الارتفاع بالليزر، مما يتسبب في انحراف نقطة التركيز داخل وخارج التركيز، مما يؤثر بشكل مباشر على جودة القطع واتساقها. ولمواجهة ذلك، فإن المادة المفضلة للقطع بالليزر عالي الدقة هي المدرفل على الساخن والمخلل والمزيت (HRP&O) . الفولاذ في هذه العملية، يتم تمرير الملف المدلفن على الساخن من خلال حمام حمض الهيدروكلوريك الذي يزيل كيميائيًا قشور المطحنة العنيدة، مما يترك سطحًا نظيفًا وناعمًا وموحدًا يتم بعد ذلك تزييته بخفة لتوفير حماية مؤقتة من التآكل.

لقد أكدت الدراسات الصناعية أن التخليل يُحدث تحولًا جذريًا في أداء القطع بالليزر للفولاذ المدرفل على الساخن. عبر جميع نطاقات السُمك، يكون لجودة سطح المادة تأثير أكبر على نتائج القطع من أي متغير آخر، بما في ذلك ضغط الغاز المساعد أو تعديل الموضع البؤري. يعد عمق التركيز البؤري الثابت هو المتطلب الأساسي للحصول على قطع ثابتة وعالية الجودة؛ يوفر السطح الأملس للفولاذ HRP&O ذلك تمامًا، مما يتيح نافذة عملية واسعة وسرعات قطع عالية. بالإضافة إلى ذلك، فإن بعض العمليات المتقدمة مثل عملية SCS (حلول الملفات المستدامة) تذهب إلى أبعد من ذلك، حيث تخلق سطحًا نظيفًا وجافًا يعمل على تحسين سرعات القطع بنسبة 20% تقريبًا عن طريق التخلص من الدخان الناتج عن حرق الزيت. بالنسبة للتطبيقات الدقيقة التي تتطلب التسطيح المضمون بعد القطع، تضمن الدرجات المتخصصة مثل منتجات الأشرطة المدلفنة على الساخن Laser Plus أقصى انحراف للتسوية يبلغ 3 مم فقط لكل متر.

سير العمل من الملف إلى اللوحة للقطع بالليزر

في بيئة تصنيع حديثة وفعالة، يكون سير العمل من اللفائف المدرفلة على الساخن إلى اللوح النهائي المقطوع آليًا ومبسطًا للغاية. تبدأ العملية غالبًا بملف ثقيل الحجم يمكن أن يصل وزنه إلى 30 طنًا، والذي يتم تركيبه على آلة فك اللفائف الدقيقة. تتم تغذية الشريط الفولاذي من خلال أداة تسوية عالية التحمل تعمل على إزالة 'مجموعة الملف' (الانحناء الطبيعي لشريط الجرح) لإنتاج لوح مسطح تمامًا. ويلي ذلك قص دقيق حسب الطول يقطع الشريط إلى ألواح ذات أبعاد دقيقة ومبرمجة. يمكن مراقبة هذه العملية المباشرة بالكامل والتحكم فيها بواسطة برنامج يعتمد على الوصفة، مما يضمن إعدادات مثالية وقابلة للتكرار لكل تشغيل منتج. والنتيجة هي قطعة فارغة مسطحة ذات حجم ثابت تم تحسينها للمرحلة التالية: نظام القطع بالليزر نفسه.

يتم بعد ذلك تحميل الألواح المسطحة النهائية على آلة قطع ألياف الليزر ذات الطاقة العالية. معلمات القطع - والأهم من ذلك، ضغط الغاز المساعد للأكسجين، والموضع البؤري لليزر (المثبت عميقًا داخل الألواح السميكة للحصول على شق ضيق ومتوازي)، وسرعة القطع - كلها مبرمجة في نظام CNC. بالنسبة للعديد من العمليات ذات الحجم الكبير، يتم تطوير العملية بشكل أكبر من خلال الانتقال مباشرة من الملف إلى الليزر. في أنظمة التقطيع بالليزر التي يتم تغذيتها بالملف، يتم تغذية الشريط المستوي مباشرة في حجرة قاطعة الليزر. وهذا يلغي الخطوة المنفصلة المتمثلة في إنشاء لوحات منفصلة، ​​ويزيل الوقت اللازم لتغيير منصة التحميل، ويمكن أن يزيد وقت الإنتاج الإجمالي لنظام الليزر بنسبة 14% تقريبًا، مما يمثل توفيرًا يبلغ حوالي 600 ساعة عمل سنويًا مقارنة بأنظمة تغذية الألواح التقليدية. يعمل سير العمل المتكامل تمامًا هذا، بدءًا من الملف الخام وحتى الجزء الدقيق المقطوع بالليزر، على زيادة استخدام المواد إلى الحد الأقصى، وتقليل المناولة إلى الحد الأدنى، ووضع المعايير لمعالجة الفولاذ الحديثة.