Laser Beam Focusing

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परिचय

विभिन्न निर्माता अपने लेज़र कटिंग हेड्स में अलग-अलग पैरामीटर्स को प्राथमिकता देते हैं। कुछ सबसे छोटे संभव स्पॉट साइज़ पर ज़ोर देते हैं; अन्य लेंस ओरिएंटेशन और लेज़र बीम के सापेक्ष लेंस अक्ष की लंबवतता (perpendicularity) पर सबसे अधिक ध्यान देते हैं। वास्तव में, किसी एक पैरामीटर को दूसरे से अधिक महत्वपूर्ण नहीं माना जा सकता — विभिन्न कटिंग परिस्थितियों में दोनों का महत्व बदलता है। मटेरियल के अंदर फ़ोकस की स्थिति बनाए रखना लेज़र कटिंग पैरामीटर्स के सही ढंग से काम करने और लगातार उच्च edge quality पाने के लिए निर्णायक है।

मोटे मेटल की कटिंग के लिए लेज़र बीम का फ़ोकस

20 mm से अधिक मोटी शीट्स पर काम करते समय एक बड़ा melt zone बनाना अनिवार्य है ताकि एक बड़ा melt pool बने जिसे कटिंग के दौरान बाहर निकाला जा सके। इस बढ़े हुए burn-through स्पॉट को बनाने के लिए assist gas के अनुसार बीम को मटेरियल की सतह के ऊपर या नीचे फ़ोकस किया जाता है। इसलिए सतह पर छोटा स्पॉट फ़ोकस करना मोटे मटेरियल के लिए आमतौर पर कम सफल रहता है।

पतले मेटल की कटिंग के लिए लेज़र बीम का फ़ोकस

1–3 mm पतली शीट्स की कटिंग के लिए मेटल की सतह पर फ़ोकस्ड पॉइंट आवश्यक है। यह बड़े स्पॉट की तुलना में कहीं अधिक प्रभावी है क्योंकि मटेरियल हटाने के लिए चौड़े चैनल की ज़रूरत नहीं होती।

लेज़र कटिंग में सहायक गैस (Assist Gas)

लेज़र कटिंग में एक अत्यंत महत्वपूर्ण कारक है — सहायक गैस: ऑक्सीजन, नाइट्रोजन या compressed air। प्रत्येक गैस की दहन तेज़ करने, पिघले मटेरियल को निकालने या दोनों से जुड़ी विशिष्ट विशेषताएँ होती हैं।

लेज़र कटिंग में सहायक गैसें दो प्रतिक्रियाओं में से एक का समर्थन करती हैं: exothermic (ऊष्माक्षेपी) या endothermic (ऊष्माशोषी)। फ़ोकसिंग नियम प्रतिक्रिया के प्रकार और प्रयुक्त गैस पर निर्भर करते हैं।

Exothermic (ऊष्माक्षेपी) कटिंग में फ़ोकस

Exothermic प्रतिक्रिया में गैस कटिंग को त्वरण गुण देती है — उदाहरण के लिए ऑक्सीजन। ऐसी प्रतिक्रिया में मेटल सचमुच उबलता है: लेज़र बीम की तीव्र ऊर्जा उसे वाष्पित करती है, और ऑक्सीजन पिघले मेटल के साथ कुशलता से अभिक्रिया करती है। प्रक्रिया उच्च दबाव पर चलती है; ऑक्सीजन से मूल मटेरियल कटिंग के दौरान उच्चतम तापमान तक गर्म होता है, जिससे metal vapor बनती है और आगे वाष्पीकरण होता है।

मोटी शीट्स की कटिंग बड़ा burn-through pattern माँगती है — इसका उपयोग production में चौड़ी kerf बनाने के लिए होता है जो कटिंग के दौरान पिघले मटेरियल को बाहर निकालती है।

Exothermic प्रतिक्रियाओं के लिए फ़ोकसिंग नियम: मोटे मटेरियल के लिए फ़ोकस सतह के ऊपर, और पतले मटेरियल के लिए ऊपरी सतह पर होना चाहिए।

जब फ़ोकस मटेरियल के ऊपर हो, तो आमतौर पर कम दबाव और कम flow का उपयोग होता है ताकि द्रवीकरण को बढ़ावा मिले और फिर पिघला मटेरियल विस्थापित हो। वास्तव में बहुत कम मटेरियल वाष्पित होता है, क्योंकि ऑक्सीजन का छोटा flow पूर्ण वाष्पीकरण को बनाए नहीं रख सकता।
जब फ़ोकस ठीक मटेरियल की सतह पर हो, तो आमतौर पर उच्च दबाव और बड़ा flow उपयोग होता है। यह तीव्र वाष्पीकरण को बनाए रखने के लिए पर्याप्त है।

इसी कारण मुख्यतः पतले मटेरियल काटने वाली कटिंग टेबल्स पर supports पर बहुत कम slag जमा दिखता है। इसके विपरीत, मोटे मटेरियल के लिए उपयोग होने वाली टेबल्स अपने supports पर कहीं अधिक मटेरियल जमा कर लेती हैं।

Endothermic (ऊष्माशोषी) कटिंग में फ़ोकस

Endothermic प्रतिक्रियाएँ तब होती हैं जब inert गैस का उपयोग किया जाए। इस श्रेणी में नाइट्रोजन और आर्गन आते हैं।

इस प्रकार की प्रतिक्रिया में गैस केवल पिघले मटेरियल को kerf के माध्यम से बाहर उड़ाने में सहायक होती है। Endothermic प्रक्रिया मूल मेटल को तेज़ी से पिघली अवस्था में लाने और स्वच्छ kerf बनाने के लिए focused लेज़र बीम की मूल ऊर्जा पर बहुत निर्भर करती है। इससे inert गैस को liquefied मटेरियल को कट चैनल से विस्थापित करने का अवसर मिलता है, जिससे कटी सतह स्वच्छ रहती है — dross का चिपकाव नहीं होता।

Endothermic प्रतिक्रियाओं के लिए फ़ोकसिंग नियम: फ़ोकस की स्थिति मटेरियल के तल पर या उससे थोड़ा नीचे होनी चाहिए। मटेरियल के नीचे फ़ोकस रखने से kerf के क्रॉस-सेक्शन में छोटा V-आकार बनता है, जो उच्च-दाब वाली गैस को पिघले मटेरियल को संपीड़ित कर चैनल के आधार से उच्च गति पर निकालने देता है।

Endothermic प्रतिक्रियाएँ पिघले मटेरियल को तेज़ी से हटाने के लिए बड़े volume और उच्च दबाव की माँग करती हैं।

Compressed Air (संपीड़ित वायु)

Compressed air को सहायक गैस के रूप में उपयोग करना वास्तव में एक साथ endothermic और exothermic दोनों प्रतिक्रियाओं को उत्पन्न करता है। चूँकि वायु का अधिकांश भाग नाइट्रोजन (≈78 %) है, यह प्राथमिक रूप से endothermic प्रतिक्रिया है; ऑक्सीजन की छोटी मात्रा (≈20 %) के कारण साथ-साथ छोटी exothermic प्रतिक्रिया भी होती है। इससे ऑक्सीजन की reactivity के कारण मूल मटेरियल तेज़ी से पिघलता है। शेष वायु अधिकतर inert है और केवल नाइट्रोजन-संचालित endothermic प्रतिक्रिया में भाग लेती है।

Compressed air से कटिंग सर्वोत्तम परिणाम तब देती है जब फ़ोकस की स्थिति मटेरियल की मोटाई के केंद्र पर बनी रहे।

फ़ोकस बिंदु का नियंत्रण

फ़ोकस बिंदु के सही प्रक्षेपण से जुड़े हर पहलू को नियंत्रित करना आवश्यक है। ऑप्टिकल resonator में raw बीम अच्छी स्थिति में होना चाहिए और बीम लेंस तक सही ढंग से पहुँचाई जानी चाहिए।

सही focal length की लेंस का उपयोग मटेरियल की पिघलने की गति और संसाधन-योग्य अधिकतम मोटाई को बदलता है।

Assist gas का चुनाव मोटे तौर पर तय करता है कि फ़ोकस की स्थिति मटेरियल में कैसे सेट होगी:

ऑक्सीजन के साथ लेज़र कटिंग (exothermic) — फ़ोकस सीधे मटेरियल की सतह पर या उसके ऊपर। जब तक उच्च-दाब और निम्न-दाब कटिंग के बीच switch नहीं हो रहा, फ़ोकस में बहुत छोटे बदलाव ज़रूरी होते हैं, क्योंकि फ़ोकस हमेशा सतह पर या उसके पास होता है और इसलिए मोटाई परिवर्तनों पर निर्भर नहीं करता।
नाइट्रोजन के साथ लेज़र कटिंग (endothermic) — फ़ोकस मटेरियल की मोटाई पर बहुत निर्भर है क्योंकि वह मटेरियल के तल पर या उसके पास होता है।

किसी भी हाल में सभी प्रमुख फ़ोकस बिंदु CNC और adaptive mirror जैसी autofocus डिवाइस से प्राप्त किए जा सकते हैं।

Adaptive Mirror

Adaptive mirror अपनी सतह के पीछे दबाव लगाकर अपनी सतह का आकार बदलकर काम करता है। सामान्य अवस्था में, बिना दबाव के, mirror की सतह concave (अवतल) होती है। दबाव लगाने पर सतह concave से flat और फिर convex (उत्तल) हो जाती है। mirror के आकार में बदलाव बीम का wavefront बदलता है और इसलिए लेंस पर बीम का आकार तथा मटेरियल में फ़ोकस प्रक्षेपण की स्थिति बदल जाती है।

लेंस का Focal Length

कटिंग के लिए आमतौर पर 125 mm और 150 mm focal length की ऑप्टिकल systems का प्रयोग होता है।

125 mm ऑप्टिक्स — केवल 1–3 mm छोटी मोटाइयों के लिए उपयुक्त। यह 150 mm की तुलना में संकरी kerf बनाती है, अर्थात समान लेज़र पावर पर उच्चतर energy density। इसलिए समान मोटाई और पावर पर 125 mm ऑप्टिक्स की कटिंग स्पीड थोड़ी अधिक होती है। यदि मुख्यतः पतले मटेरियल काटे जा रहे हैं, तो आर्थिक कारणों से 125 mm ऑप्टिक्स की सिफारिश की जाती है।
150 mm ऑप्टिक्स — अधिक cutting depth का लाभ। इसे मोटाई की विस्तृत रेंज में universally उपयोग किया जा सकता है, लेकिन मुख्यतः अधिक मोटे मटेरियल के लिए।

फ़ोकस की स्थिति

फ़ोकस का सटीक स्थान अच्छे कटिंग परिणामों के लिए मुख्य आवश्यकता है।

कार्बन स्टील की लेज़र कटिंग में:

लगभग 6 mm तक की शीट्स में optimum फ़ोकस सतह पर होता है (endothermic)।
8 mm या उससे अधिक मोटी शीट्स में फ़ोकस पॉइंट सतह के ऊपर होना चाहिए (exothermic)।
स्टेनलेस स्टील या एल्युमिनियम की उच्च-दाब कटिंग: फ़ोकस शीट पर।

व्यवहार में फ़ोकस की स्थिति शीट के अंदर लगभग शीट की मोटाई का 2/3 सेट की जा सकती है।

इसलिए शीट की मोटाई में हर परिवर्तन सामान्यतः फ़ोकस की स्थिति में परिवर्तन का अर्थ रखता है।

Nozzle की Centering

Focusing लेंस को इस तरह स्थापित किया जाना चाहिए कि focused लेज़र बीम nozzle bore के केंद्र में हो। focused लेज़र बीम nozzle के सापेक्ष केंद्र से अधिकतम ±0.05 mm ऑफ़-सेंटर हो सकता है।

अच्छी कटिंग गुणवत्ता पर भी off-center बीम कटिंग गुणवत्ता को दिशा-निर्भर बना सकता है। चरम स्थिति में एक दिशा में कटिंग संतोषजनक होती है, जबकि अन्य दिशाओं में मटेरियल सफ़ाई से नहीं कटता या अलग ही नहीं होता।

कार्बन स्टील को गैस से काटते समय, eccentricity की विपरीत दिशा में शीट की सतह पर चिंगारियाँ बन सकती हैं।

लेंस का संदूषण (Lens Contamination)

महत्वपूर्ण: भारी संदूषण लेंस और पूरे cutting head को नुक़सान पहुँचा सकता है।

प्रभाव:

कट की लंबाई बढ़ने पर burrs बनने लगते हैं; kerf और सतह की roughness बढ़ती है।
कार्बन स्टील में craters बनने की प्रवृत्ति होती है।
चरम स्थिति में मशीनिंग के बाद part शीट से अलग ही नहीं होगा।

Focusing Lens का रख-रखाव और प्रतिस्थापन

Focusing लेंस निकालना और स्थापित करना:

Cutting head हटाएँ और इसे साफ़ स्थान पर ले जाएँ। Cutting head की सतह से सारी धूल साफ़ करें।
Cutting head को क्षैतिज (horizontal) रखें। नीचे से ऊपर की दिशा में locking screws निकालें (देखें Fig. 6.5 — सुरक्षा कांच और nozzle assembly का disassembly)।
Lens removal wrench से spring retaining ring और focusing लेंस निकालें।
Focusing लेंस बदलें या साफ़ करें।
Fig. 6.7 में दिखाई दिशा में focusing लेंस और spring retaining ring को lens holder में सावधानी से डालें और retaining ring को ठीक से कसें।

व्यावहारिक भाग: Fiber Laser पर फ़ोकस सेटअप

Fiber laser मशीन पर काम शुरू करने से पहले cutting head और काटे जाने वाले मटेरियल के बीच सही focal distance सेट करना आवश्यक है। Kerf की चौड़ाई व गुणवत्ता, dross निर्माण और cutting speed इस सही सेटअप पर निर्भर करते हैं।

लेज़र बीम का फ़ोकस लेज़र मशीन के संचालन का एक महत्वपूर्ण पहलू है। उच्च-गुणवत्ता वाली मेटल कटिंग के लिए ऊर्जा को एक विशिष्ट बिंदु पर केंद्रित करना ज़रूरी है — इससे लेज़र बीम की intensity बढ़ती है।

स्पॉट डायमीटर और depth of focus, focal length पर निर्भर करते हैं।

फ़ोकस सेट किया जाता है: मेटल के ऊपर, मेटल पर, या मेटल के नीचे।

धनात्मक फ़ोकस (positive focus) — photon flux workpiece plane के ऊपर होता है। कार्बन स्टील की कटिंग में उपयोग होता है। dross बनने से रोका जाता है, और ऑक्सीजन कट edge से शीट की निचली सतह तक मेटल के ऑक्सीकरण को बढ़ावा देती है। positive focus बढ़ने पर workpiece सतह पर स्पॉट डायमीटर बढ़ता है, जिससे heat input बढ़ता है और कट के साथ स्टील की edge अधिक smooth मिलती है।
ऋणात्मक फ़ोकस (negative focus) — concentration peak workpiece के अंदर होता है, radiated energy density बढ़ती है और kerf चौड़ा होता है। यह mode स्टेनलेस स्टील के लिए उपयुक्त है। Kerf ऊपर चौड़ा और नीचे संकरा होता है; ऊपरी हिस्से की बड़ी amplitude melt flow सुधारती है। हालाँकि, संकरा निचला हिस्सा अधिक गैस flow माँगता है। नकारात्मक defocus आमतौर पर air या नाइट्रोजन कटिंग में उपयोग होता है।
शून्य फ़ोकस (zero focus) — शीट की सतह पर फ़ोकस सबसे छोटा संभव स्पॉट देता है। इससे अपेक्षाकृत संकरा melt range और छोटी kerf बनती है, जो पतले मटेरियल की उच्च-परिशुद्धि कटिंग के लिए उपयुक्त है।

फ़ोकस की स्थिति को समझना और नियंत्रित करना लेज़र कटिंग के optimization के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह कट क्षेत्र में बीम intensity, kerf चौड़ाई और समग्र कट गुणवत्ता को सीधे प्रभावित करता है।

फ़ोकस स्थिति (Z) बनाम ऊपरी kerf चौड़ाई (W) के ग्राफ़ पर: जब फ़ोकस शीट की सतह पर होता है, kerf चौड़ाई न्यूनतम होती है। फ़ोकस के विस्थापन (positive या negative defocus) के साथ kerf चौड़ाई बढ़ती है।

Kerf चौड़ाई बढ़ने की मात्रा cutting head लेंस की focal length और depth of focus पर निर्भर करती है। सामान्यतः, focal length जितनी छोटी और depth of focus जितनी कम होगी, kerf चौड़ाई उतनी अधिक फ़ोकस स्थिति के साथ बदलेगी।

मेटल जितना मोटा, फ़ोकस उतना ऊपर सेट करना होगा।

Collimator और Focusing Lenses

फ़ोकस बिंदु collimator और focusing लेंस मिलकर बनाते हैं। Collimator लेंस fiber से बाहर निकल रहे तेज़ी से diverging बीम को पकड़ता है और सीधा करता है; focusing लेंस उस radiation को कार्य-सतह पर फ़ोकस करता है।

लेंस से जुड़ी समस्याएँ

Fiber laser में collimator और focusing लेंस स्वयं बहुत कम ही फ़ोकस समस्याओं का स्रोत बनते हैं। तथाकथित "transmissive" लेज़र ऑप्टिक्स के मटेरियल लंबे समय से ज्ञात हैं और उनकी निर्माण-तकनीकें अच्छी तरह विकसित हैं। फिर भी एक कभी-कभार होने वाला दोष — थर्मल लेंस प्रभाव: ऑप्टिक्स के गर्म होने के कारण फ़ोकस का खिसकना, जो लेंस मटेरियल के absorption coefficient की तापमान पर निर्भरता से जुड़ा है। यह प्रभाव लेंस के संदूषण या क्षति पर देखा जा सकता है; लेंस केवल विश्वसनीय ऑप्टिक्स निर्माताओं से ही खरीदें। ऑप्टिक्स पर निष्कर्ष निकालने से पहले nozzle centering करें। Pierce के समय protective glass सबसे पहले प्रभावित होता है।
लेंस पर बीम के लंबवत (perpendicular) पड़ने का महत्व उतना ही अधिक है। non-perpendicular बीम nozzle को नष्ट कर सकती है और edge पर दोष पैदा कर सकती है।
Focal plane परिभाषा के अनुसार वह plane है जहाँ focused लेज़र स्पॉट का आकार न्यूनतम होता है।
यदि शीट पर focal plane की स्थिति sub-optimal हो तो क्या होगा? सबसे ख़राब स्थिति में — dross और कटिंग रुक जाना। छोटी त्रुटि पर फ़ोकस की स्थिति kerf दीवारों के vertical से विचलन को प्रभावित करती है। जाँच सरल है: पार्ट के माप निचले edge और ऊपरी edge पर लें — और स्वाभाविक रूप से एक ही स्थान पर।
Edge quality घटने पर ऑपरेटर्स आमतौर पर क्या करते हैं? वे कटिंग स्पीड कम कर देते हैं जब तक स्वीकार्य गुणवत्ता न मिल जाए। परिणाम हमेशा वांछित नहीं होता: गुणवत्ता सुधरती है पर sub-optimal ही रहती है, और कम स्पीड के कारण मशीन की productivity गिर जाती है।
अधिकांश मामलों में गुणवत्ता गिरने का प्राथमिक कारण फ़ोकस की स्थिति होती है — और ऑपरेटर्स ठीक यही भूल जाते हैं। जब वे जाँच करते भी हैं, अक्सर refocusing step बहुत बड़ा रखते हैं और optimum छूट जाता है, या unsystematically — लेंस को बहुत ऊपर, फिर बहुत नीचे ले जाते हैं और पता ही नहीं रहता कि focused बीम के अंदर इस समय कटिंग शीट कहाँ स्थित है।

सही फ़ोकस स्थिति खोजने का algorithm

सही फ़ोकस स्थिति खोजना लंबा नहीं चलना चाहिए। एक सरल algorithm अपनाएँ:

Refocusing step चुनें। न बहुत बड़ा (कि optimum छूट जाए), न बहुत छोटा (कि समय बर्बाद हो)।
12 test parts काटें। Optimum आकार — एक छोटा वर्ग। केवल सीधे cuts भी काम चलाएँगे।
पार्ट्स या लाइनों को क्रमांक दें और प्रत्येक के पास उपयोग की गई फ़ोकस स्थिति लिखें।
लेज़र-incidence side से और नीचे से कट का निरीक्षण करें और उस सेटिंग को चुनें जिसकी line या edge सबसे अच्छी दिखे — न्यूनतम heat-affected zone, बूँदों और dross से मुक्त।
यदि गुणवत्ता सुधर गई पर अभी optimum नहीं है, तो पाई गई फ़ोकस स्थिति को lock करें और प्रत्येक पैरामीटर पर अलग-अलग ऐसी ही प्रक्रिया चलाएँ: nozzle-to-sheet दूरी, gas pressure, cutting speed, laser power। प्रत्येक बार पैरामीटर बदलते समय एक छोर से दूसरे छोर तक एकल-इकाई incremental steps में जाएँ। इससे अपने specific process के लिए optimize किए जा रहे कई पैरामीटर्स में आप गुम नहीं होंगे।

मिलने वाला technology parameter set सदा एक जैसा नहीं रहेगा। यदि कोई एक भी पैरामीटर बदलता है, तो बाक़ी की पुनः समीक्षा आवश्यक होगी।

फ़ोकस पर gas और मटेरियल का प्रभाव

मटेरियल बदलने पर भी और गैस बदलने पर भी फ़ोकस की स्थिति बदल सकती है। यह बात याद रखें — उदाहरण के लिए विभिन्न शुद्धता के ऑक्सीजन पर शिफ्ट करते समय — और निश्चित रूप से ऑक्सीजन और नाइट्रोजन के बीच switch करते समय।

Inert नाइट्रोजन से कटिंग पर फ़ोकस को मटेरियल के अंदर गहराई में रखना चाहिए।
रासायनिक रूप से सक्रिय ऑक्सीजन से कटिंग पर फ़ोकस शीट की सतह पर या उसके ऊपर होना चाहिए।

Edge से diagnostics

Edge की सावधानीपूर्वक जाँच फ़ोकस की स्थिति के बारे में बहुत कुछ बताती है:

तीखे सिरों वाला dross — या तो नाइट्रोजन का flow कम है, या फ़ोकस बहुत ऊपर है।
बूँदों वाला dross — फ़ोकस बहुत नीचे है।

कभी-कभी फ़ोकस को 100–150 microns शिफ्ट करना स्थिति बचा लेता है।

Focusing लेंस के प्रकार

लंबे focal length वाले लेंस — मोटी शीट्स और भिन्न सतह वक्रता वाले parts के प्रसंस्करण के लिए उपयुक्त।
मध्यम focal length वाले लेंस — मध्यम और पतले मटेरियल के लिए सर्वोत्तम।
छोटे focal length वाले लेंस — engraving के लिए सर्वोत्तम, स्पष्ट और साफ़ images देते हैं।

Cutting Head पर focusing विकल्प

1. Manual focusing। Cutting head में एक focusing mechanism होता है, सामान्यतः घूमने वाला ring, जिसे घुमाकर focusing लेंस को ऊपर-नीचे किया जा सकता है। पहली बार सेटअप पर या मोटाई और मेटल प्रकार बदलने के बाद approximate फ़ोकस स्थिति manually सेट करनी होती है।

2. Autofocus। Premium लेज़र कटिंग उपकरण autofocus system से लैस हो सकते हैं जो preset values के आधार पर फ़ोकस स्थिति को स्वचालित रूप से समायोजित करता है। यह उत्पादकता को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है और मानवीय त्रुटियों को घटाता है।

Beam Waist (बीम वेस्ट)

अलग-अलग focal length वाली लेंसों के focusing diagram से दो मूलभूत तथ्य उभरते हैं:

जितनी बड़ी focal length, उतना बड़ा spot जिसमें radiation focus होती है।
जितनी बड़ी focal length, उतना लंबा beam waist। Beam waist बीम के propagation axis के अनुदिश focal plane के आसपास की एक निश्चित दूरी है।

अतिरिक्त सुझाव

लेंसों और mirrors की सफ़ाई बनाए रखें: glasses को नियमित रूप से साफ़ करें और स्थिति जाँचें, क्योंकि संदूषण फ़ोकस को प्रभावित करता है।
उपकरण के घिसाव और स्थिति की निगरानी करें।
अपने laser source के लिए cutting parameters की tables का उपयोग करें (supplier से माँगें) और cutting head में लगी लेंसों की focal length सत्यापित करें।
जाँचें कि आपका real zero program zero से मेल खाता है या नहीं — beam waist का स्थान खोजने की विधि से।