Laser Cutting of Carbon / Mild Steel

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कार्बन स्टील की मूल बातें

कार्बन स्टील (mild steel / काला स्टील) लोहे और कार्बन की मिश्र धातु है जिसमें कार्बन की मात्रा 2 % तक होती है। कार्बन की मात्रा के अनुसार वर्गीकरण:

लो-कार्बन (mild) स्टील — कार्बन 0,25 % से कम।
मीडियम-कार्बन स्टील — कार्बन 0,25–0,6 %।
हाई-कार्बन स्टील — कार्बन 0,6 % से अधिक।

रोलिंग की विधि के अनुसार कार्बन स्टील hot-rolled (गर्म-रोल्ड) या cold-rolled (ठंडा-रोल्ड) होता है। मुख्य अंतर — प्रोसेस का तापमान।

Hot-rolled स्टील कम गुणवत्ता वाले कच्चे माल से बनता है, इसलिए इसकी कीमत cold-rolled के मुकाबले कम होती है। Hot-rolled स्टील की मोटाई 160 मिमी से अधिक तक हो सकती है।

Cold-rolled स्टील आम तौर पर 0,4 मिमी से 6 मिमी तक की पतली शीट संरचनाओं के लिए उपयोग होता है। यह hot-rolled से बेहतर गुणवत्ता का होता है, इसलिए कीमत भी अधिक होती है।

सामग्री का चयन

आपूर्ति की गई स्टील की ग्रेड श्रेणियाँ:

प्रथम ग्रेड
द्वितीय ग्रेड
तृतीय ग्रेड
ऑफ-स्पेक / गैर-अनुरूप

लेज़र कटिंग के लिए पहले और दूसरे ग्रेड उपयुक्त हैं, विशेषकर पेंट किए जाने वाले या decorative parts के लिए। ग्रेड संरचना की गुणवत्ता और उत्पादन प्रक्रिया में भिन्न होते हैं।

स्थिर कार्य के लिए लेज़र कटिंग ऑपरेटर को निर्माता से आवश्यक मोटाई की एक sample sheet, स्टील ग्रेड एवं उत्पादन प्रक्रिया के विवरण के साथ माँगनी चाहिए। तब ऑपरेटर दोषों को देख सकता है, जोखिमों का आकलन कर सकता है और सहमति से सीरीज़ उत्पादन के लिए स्थिर रिज़ीम चुनकर इस सप्लायर के साथ स्थायी रूप से काम कर सकता है — या सीरीज़ कटिंग में समस्याओं से बचने के लिए सप्लायर बदल सकता है।

सामग्री संरचना

जो material आप उपयोग कर रहे हैं वह निर्णायक है। निम्न ग्रेड के स्टील में अक्सर ऐसी अशुद्धियाँ होती हैं जो गर्म होने पर अत्यधिक प्रतिक्रियाशील होती हैं। कई तापीय प्रतिक्रियाएँ होती हैं, जो scale के निर्माण, धातु के अचानक छिटकाव और अन्य कटिंग दोषों को प्रभावित कर सकती हैं। यदि melt की viscosity अधिक है, तो scale सामग्री से चिपक जाएगी और अतिरिक्त सफ़ाई की आवश्यकता होगी। गति घटाना या अतिरिक्त परिष्करण production के लिए लाभप्रद नहीं है।

सामग्री की गुणवत्ता

यदि रोलिंग तकनीक के अनुरूप नहीं की गई और शीटें ठीक से संग्रहीत नहीं की गईं, तो जंग लगी शीटें, असमरूप सतह, plane पर परिवर्तनशील मोटाई और धातु में porosity मिलना तय है — ये सभी कटिंग दोष पैदा करते हैं।

गैस का चयन

ऑक्सीजन और हवा आम तौर पर mild steel और निम्न-मिश्रित स्टील को काटने के लिए उपयोग की जाती हैं। नाइट्रोजन एक universal कटिंग गैस है, लेकिन इसकी अधिक खपत के कारण इसे केवल विशेष मामलों में उपयोग किया जाता है।

ऑक्सीजन से कटिंग

एक exothermic reaction पैदा करती है, जो कार्बन स्टील की कटिंग के लिए अनुकूल है। तथापि ऑक्सीजन कटिंग oxidised कटिंग edges छोड़ती है और scale adhesion, slag, dross, सतह की खुरदुरापन तथा heat-affected zone (HAZ) को कम करने हेतु process parameters का सावधान नियंत्रण आवश्यक है।

नोज़ल पर ऑक्सीजन दबाव सामान्यतः 0,5–5 bar के बीच रहता है।
प्लेट की मोटाई बढ़ने के साथ ऑक्सीजन दबाव घटाया जाता है (जलने से बचने के लिए) और nozzle का व्यास बढ़ाया जाता है।
गैस की उच्च शुद्धता महत्वपूर्ण है: 1 मिमी स्टील को 99,9 % या 99,99 % शुद्धता वाली ऑक्सीजन से 99,7 % standard की तुलना में 30 % तक तेज़ काटा जा सकता है।
ऑक्सीजन कटिंग में अधिकतम कटिंग मोटाई high-pressure नाइट्रोजन कटिंग की तुलना में अपेक्षाकृत अधिक होती है।

सम्पीड़ित हवा (compressed air)

पतली शीट काटने के लिए बेहतर। कटिंग गति ऑक्सीजन की तुलना में काफी अधिक।
2 मिमी और इससे अधिक धातुओं पर दोषों से बचना कठिन — अतिरिक्त परिष्करण आवश्यक होगा।
5–6 bar तक बढ़ाया गया air pressure पिघले metal को slit से बाहर उड़ाने हेतु पर्याप्त है।
चूँकि लगभग 80 % हवा नाइट्रोजन ही है, compressed air से कटिंग अनिवार्यतः fusion cutting ही है।
कम्प्रेसर की कमी: नियमित सर्विसिंग (तेल बदलना) ज़रूरी और कभी-कभी फ़िल्टर्स ख़राब हो जाते हैं। तीन महीने सामान्य चलने के बाद वे "थूकने" लगते हैं: receiver से condensate line में आ जाता है। यदि पथ एक बार दूषित हो जाए, तो नए फ़िल्टर लगाने से भी काम नहीं चलेगा — पथ को स्वयं alcohol से purge करके साफ़ करना होगा।

बीम संरेखण और ऑप्टिकल सिस्टम एवं नोज़ल की जाँच

Shift की शुरुआत में सुनिश्चित करें कि laser beam का alignment सही है और protective glasses साफ़ हैं। दोष आने पर समस्या निवारण की शुरुआत beam centering और protective glasses की सफ़ाई से करें। यह भी ध्यान रखें कि ऑक्सीजन कटिंग में double nozzles का उपयोग करें और orifice की geometry की नियमित जाँच करें।

कटिंग दोष: scale, burrs, slag, dross

Scale — पिघली सामग्री से बने अवांछित अपशिष्ट का संचय — कटिंग प्रक्रिया का by-product।

तीन मुख्य कारण: low-speed scale, high-speed scale, और fine-dispersed scale (slag)।

High-speed scale. यदि कटिंग गति अत्यधिक है, तो arc kerf में पीछे रह जाता है और शीट की निचली सतह पर बिना-कटी सामग्री छोड़ देता है। Scale जमा होने लगती है और गुणवत्ता घटती है।

Low-speed scale. यदि कटिंग गति बहुत कम है, तो कटर अतिरिक्त सामग्री "खोजता" है। Arc का diameter बढ़ता है, kerf चौड़ा होता जाता है और plasma का high-speed component पिघले metal को disperse नहीं कर पाता; पिघली सामग्री शीट के नीचे जमा हो जाती है।

Slag (fine-dispersed scale). यह तब बनता है जब पुनः ठोस हुए metal सतह पर जमाव छोड़ें, जो बाद में टुकड़ों में झड़ जाते हैं। आमतौर पर दो कारण: बहुत अधिक गति या nozzle में अपर्याप्त दबाव। बाक़ी दो से अलग, इसे हटाना बहुत आसान है।

Dross (ठोस बूँद). Workpiece edge पर पिघले metal की solidified बूँदें, जो बड़ी मोटाई की कटिंग में गति या अन्य technological parameters के विचलन पर प्रकट होती हैं।

Structural steel से चिपके हुए नीचे की ओर खाँचों के साथ bead-आकार के dross। कारण: focus position nominal की तुलना में बहुत ऊँचा या कटिंग गति बहुत अधिक। समाधान: गति 10 % घटाएँ या focus नीचा करें।
Workpiece पर crumbs और pitting वाले dross। कारण: focus nominal से नीचा, उच्च ऑक्सीजन दबाव और high speed पर कणों का adhesion। समाधान: focus ऊँचा करें और process को 5–10 % धीमा करें।

Burr (बर) — अत्यधिक adherent solidified material या solidified oxide slag, जो कट के निचले हिस्से पर बनता है। उच्च surface tension और कम viscosity वाली पिघली सामग्री assist gas द्वारा cutting front से कठिन हटती है और निचली सतह पर scale adhesion का कारण बन सकती है।

Heat-affected zone (HAZ)

लेज़र कटिंग कट edge के पास heat-affected zone (HAZ) बनाती है। HAZ धातु का वह भाग है जिसकी संरचना ऊष्मा से प्रभावित होती है पर पिघलती नहीं। HAZ में microstructural परिवर्तन laser-cut quality को निर्धारित करने वाली विशेषताओं में से एक है।

HAZ संरचनात्मक परिवर्तन उत्पन्न करता है जो उस क्षेत्र में part को कमज़ोर करते हैं, इसलिए metal की कोई भी ejection आगे की कटिंग कठिन कर देती है। समाधान: pre-piercing, निरंतर purging, केंद्र से बाहर की ओर विभिन्न दिशाओं में कटिंग, अतिरिक्त purging।

Material का blow-out / piercing crater

Lead-in side पर workpiece का टूटना, piercing पर crater। कारण: कम focus, ग़लत parameters (कम कटिंग ऊँचाई, उच्च frequency, oversized nozzle, अत्यधिक piercing power)।

इस दोष से बचने के लिए:

focus ऊँचा करें;
छोटा nozzle उपयोग करें;
entry parameters default पर रखें;
पहले pre-piercing करें।

धातु की ऑक्सीजन-कटिंग के लिए शर्तें

धातु की ऑक्सीजन कटिंग के लिए निम्न शर्तें आवश्यक हैं:

(क) ऑक्सीजन में metal के burning का तापमान melting तापमान से कम होना चाहिए, अन्यथा metal ऑक्सीजन में जलने से पहले ही पिघलकर तरल अवस्था में चला जाएगा।

(ख) बनने वाले metal oxides metal के burning तापमान से कम तापमान पर पिघलने चाहिए और बहुत viscous नहीं होने चाहिए।

(ग) धातु के ऑक्सीजन में जलने से निकली ऊष्मा की मात्रा कटिंग प्रक्रिया को बनाए रखने हेतु पर्याप्त बड़ी होनी चाहिए। स्टील की कटिंग में preheat ऊष्मा का लगभग 70 % metal के ऑक्सीजन में जलने से आता है और केवल 30 % preheat flame से।

(घ) धातु की thermal conductivity बहुत अधिक नहीं होनी चाहिए, अन्यथा तीव्र heat dissipation के कारण कटिंग प्रक्रिया बाधित हो सकती है।

स्टील की संरचना का कटिंग पर प्रभाव

ऊपर उल्लिखित शर्तों को सर्वोत्तम रूप से शुद्ध लोहा और low-carbon steels पूरा करते हैं। शुद्ध लोहे का ऑक्सीजन में ignition temperature 1050 °C और melting temperature 1528 °C होता है। स्टील में 0,7 % कार्बन होने पर इसका ignition temperature बढ़कर 1300 °C हो जाता है — जो इसी संरचना के स्टील के melting start के बराबर है। A. N. Shashkov के अनुसार, स्टील की कटिंग में ऑक्सीजन में लोहे का selective oxidation लगभग 1130 °C से शुरू होता है, और 1300 °C तथा उससे ऊपर कार्बन का तीव्र burn-off शुरू होता है।

संरचना के अतिरिक्त, ignition temperature पर surface state, कणों का आकार, ऑक्सीजन प्रवाह का दबाव और गति भी प्रभाव डालते हैं। खुरदरी सतह ऑक्सीजन में metal के ignition को आसान बनाती है। लोहे का पाउडर शुद्ध ऑक्सीजन में 315 °C पर ही जल सकता है — जो rolled metal से बहुत कम है। बड़े स्टील के टुकड़े की सतह 1200–1300 °C पर जलती है। 25 kgf/cm² दबाव और 180 m/s ऑक्सीजन प्रवाह गति पर ऑक्सीजन में कार्बन स्टील का ignition temperature घटकर 700–750 °C रह जाता है।