Evaluation of Thermal Cycles and Microstructure in an ER2209 Stainless Steel Preform Fabricated by the WAAM-GMA Process

تخيل عالماً لا تكتفي فيه المصانع بإنتاج آلاف القطع المتطابقة، بل يمكنها صياغة أشكال معقدة وفريدة من نوعها عند الطلب. هذا هو حلم التصنيع الحديث، وأحد أبطال هذه القصة هو تقنية تسمى "التصنيع بالإضافة بالقوس السلكي" (WAAM). فكر في تقنية (WAAM) كطابعة ثلاثية الأبعاد صناعية عالية التقنية، ولكن بدلاً من صهر البلاستيك، تستخدم ذراعاً روبوتية تحمل مشعل لحام لصهر سلك معدني وتكديسه طبقة تلو الأخرى. الأمر يشبه بناء قلعة رملية ضخمة، ولكن باستخدام فولاذ منصهر يبرد فوراً.

المادة النجمة في هذه القصة هي نوع خاص من المعدن يسمى "الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج" (duplex stainless steel). يأتي اسم "المزدوج" من بنيته الداخلية الفريدة، والتي يُفترض أن تكون انقساماً مثالياً بنسبة 50/50 بين نوعين مختلفين من الأطوار البلورية: الفيريت والأوستنيت. تخيل لوح شوكولاتة نصفه شوكولاتة داكنة والنصف الآخر شوكولاتة بالحليب، ممزوجين ببعضهما بشكل مثالي. هذا التوازن أمر بالغ الأهمية لأن هذا المعدن يمنحه قدرات خارقة: فهو قوي مثل الفولاذ ولكنه يقاوم الصدأ والتآكل مثل الأبطال. ومع ذلك، فإن هذين الطورين حساسان جداً للحرارة؛ فإذا طهوتهم لفترة طويلة جداً أو عند درجة حرارة خاطئة، يفسد التوازن ويصبح المعدن ضعيفاً أو هشاً. السؤال الكبير الذي يطرحه العلماء هو: هل يمكننا استخدام هذا الروبوت اللحامي عالي السرعة والمشبع بالحرارة لبناء أجزاء كبيرة دون إفساد ذلك التوازن الدقيق بنسبة 50/50 عن طريق الخطأ؟

تتعمق هذه الورقة البحثية في تلك المشكلة تحديداً. قرر الباحثون بناء جدار مستقيم وطويل مكون من 50 طبقة باستخدام نوع معين من سلك الفولاذ المزدوج (ER2209) وروبوت لحام قياسي. ولرؤية ما يحدث داخل المعدن، لم يكتفوا بالتخمين؛ بل استخدموا كاميرا حرارية خاصة (مثل نظارات الرؤية الليلية فائقة القدرة للحرارة) وبرنامج كمبيوتر مخصص لمراقبة درجة حرارة الجدار أثناء بنائه. لقد عاملوا الجدار ككائن حي، حيث فحصوا "علاماته الحيوية" عند ثلاثة ارتفاعات مختلفة: بالقرب من القاعدة (حيث بدأ)، وفي المنتصف، وعند القمة تماماً.

إليكم ما وجدوه، وهي قصة تحمل طابع التحذير. عندما بدأوا البناء بالقرب من القاعدة، كان المعدن بارداً بما يكفي لتبقى الطوار المختلفة متوازنة نسبياً، مع وجود حوالي 60% من طور "الأوستنيت" الجيد. ولكن مع استمرار الروبوت في تكديس طبقة تلو أخرى دون توقف للسماح للجدار بالتبرد، حدث خطأ ما. بدأت الحرارة تتراكم، مثل بطانية تستمر في زيادة سمكها باستمرار. وبحلول الوقت الذي وصلوا فيه إلى منتصف الجدار (ح around الطبقة 16)، أصبحت الحرارة شديدة لدرجة أن المعدن نسي كيف يكون متوازناً. فقد انفجر طور "الأوستنيت" في العدد، ليحتل أكثر من 70% من المادة. وهذه مشكلة كبيرة لأن وجود أكثر من 70% من الأوستنيت لهذا النوع من الفولاذ يعتبر "غير مقبول" ومن المرجح أن يؤدي لفشل القطعة.

لاحظ الباحثون أيضاً أن الجدار لم يبدُ مستقيماً تماماً؛ فقد كان متعرجاً وغير مستوٍ، حيث أصبح أعرض عند النهايات وأطول في المنتصف. حدث هذا لأن الروبوت اضطر للتباطؤ والتسارع أثناء الالتفاف حول الزوايا، مما أدى لوضع كميات إضافية من المعدن في تلك المواضع. لكن المفاجأة الحقيقية جاءت عندما اختبروا صلابة المعدن. عادة، تتوقع أن يكون المعدن الذي يحتوي على مزيد من الفيريت أكثر صلابة، لكن العكس هو ما حدث: الأجزاء التي تحتوي على أكبر قدر من الأوستنيت (الأجزاء الأكثر سخونة) كانت في الواقع الأكثر صلابة. يشير المؤلفون إلى أن هذا قد يكون بسبب دورات الحرارة الشديدة التي تسببت في تشكل بلورات صغيرة ضارة داخل المعدن، مما جعله هشاً وصلباً، رغم أن البنية الرئيسية غير متوازنة.

باختصار، تظهر الدراسة أنه بينما تعد طريقة اللحام عالية السرعة هذه سريعة ورائعة، فإن مجرد ترك الحرارة تتراكم دون خطة يدمر الخصائص الخاصة للفولاذ المزدوج. لقد أبقى الروبوت الجدار ساخناً جداً لفترة طويلة جداً، مما أدى لإزاحة التوازن بعيداً عن علامة الـ 50/50 المثالية. ويخلص الباحثون إلى أنه إذا أردنا استخدام هذه الطريقة لبناء أجزاء قوية ومقاومة للصدأ في المستقبل، فنحن بحاجة إلى إيجاد طرق لتبريد المعدن بشكل أسرع بين الطبقات، وإلا سينتهي بنا المطاف بجدار يبدو جيداً من الخارج ولكنه ليس قوياً بما يكفي للقيام بالمهمة. كما أثبتوا أن استخدام الكاميرا الحرارية هو وسيلة رخيصة وفعالة لرصد هذه المشاكل الحرارية في الوقت الفعلي، حيث تعمل بمثابة ميزان حرارة لعملية البناء بأكملها.