Cut Edge Surface Roughness

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परिचय

लेज़र बीम सतह को स्थानिक रूप से गर्म करके सामग्री हटाती है। बीम सतह पर पड़ते ही ऑप्टिकल ऊर्जा workpiece द्वारा अवशोषित होती है; इस ऊर्जा का अधिकांश भाग स्थानीय रूप से ऊष्मा में बदल जाता है और बीम के नीचे की सामग्री को बहुत ऊँचे तापमान पर पहुँचा देता है। धातुओं में, अवशोषित ऊर्जा से workpiece पिघलित अवस्था में आ जाता है। पिघली सामग्री assist gas द्वारा बाहर निकाली जाती है, एक निश्चित गहराई का कट (kerf) बनता है, और पिघले अवशेष काटी गई सतह से हटा दिए जाते हैं। यह आवश्यक है कि यह प्रक्रिया स्थिर रूप से चले।

लेज़र कटिंग की तैयारी को तीन श्रेणियों में बाँटा जा सकता है:

पहली श्रेणी — सामग्री की अंतर्निहित विशेषताओं का अध्ययन, खराब rolled stock से उत्पन्न दोषों से मुक़ाबला, धातु की तैयारी, और शीट सतह की सफ़ाई।
दूसरी श्रेणी — उपयुक्त cutting parameters का चयन और लेज़र मशीन की क्षमताओं का उपयोग।
तीसरी श्रेणी — लेज़र प्रक्रिया की निरंतर निगरानी।

कटिंग की गुणवत्ता और दक्षता बढ़ाने के लिए मुख्यतः process parameters पर काम किया जाता है और असामान्य परिस्थितियाँ नियंत्रित या समाप्त की जाती हैं।

लेज़र कटिंग साहित्य में कई अध्ययनों ने दिखाया है कि लेज़र कट edge के गुणवत्ता पहलू — dross adhesion, surface roughness और striation pattern — melt flow dynamics पर मज़बूती से निर्भर करते हैं।

कट सतह की चिकनाई/खुरदुरापन (surface roughness), जिसे Rz से दर्शाया जाता है, कटिंग गुणवत्ता का एक प्रमुख संकेतक है।

कट front

मोटाई की दिशा में तीन अलग-अलग क्षेत्र स्पष्टतः पहचाने जा सकते हैं:

ऊपरी क्षेत्र (~2 mm), zone (I). पतली और नियमित striations, जो अपेक्षाकृत उच्च roughness का मुख्य कारण हैं। इनकी गहराई सबसे कम होती है और ये ऊपरी edge से होने वाले आवधिक क्षरण से बनती हैं।
मध्य क्षेत्र (~4 mm), zone (II). सामान्य लहरदार profile से नीचे के अधिक चिकने क्षेत्र की ओर संक्रमण; आमतौर पर यहीं roughness सबसे अधिक होती है। Striations में वक्रता दिखती है और वे थोड़ी पीछे की ओर झुक जाती हैं। ये गहरी होती हैं क्योंकि melt पर लेज़र बीम और assist gas दोनों एक साथ क्रिया करते हैं।
निचला क्षेत्र (~9 mm), zone (III). प्रक्रिया स्थिर हो जाती है और कट edge अधिक चिकनी होती है। Striations कटिंग दिशा के विपरीत सबसे बड़ी देरी (झुकाव) दिखाती हैं। ये मुख्यतः बहते पिघले धातु और assist gas के सतह पर प्रभाव से बनती हैं।

चूँकि निचले क्षेत्र में roughness मापन की तीन समान रेखाएँ होती हैं, उनके मान औसत करके trimming परिणामों से तुलना के लिए उपयोग किए जाते हैं।

Roughness striations की गहराई, आवृत्ति और झुकाव पर निर्भर करती है और शीट मोटाई के साथ बदलती है। Cutting speed और power density बढ़ने पर striations की गहराई पूरी कट सतह पर घटती है — बशर्ते gas pressure उपयुक्त हो। Heat-affected zone की गहराई उन्हीं parameters पर निर्भर करती है जिन पर kerf width: मुख्य रूप से focused beam के व्यास पर और cutting speed पर, जो assist gas प्रवाह के साथ मेल खाए ("स्पार्क से गति" का नियम)।

"स्पार्क से" cutting speed

उपयुक्त speed. स्पार्क नीचे की ओर बिखरती हैं; तल पर बिना अवशेष के एक चिकनी कट सतह मिलती है।
अत्यधिक speed. कटिंग स्पार्क विक्षेपित हो जाती हैं।
अपर्याप्त speed. स्पार्क बिखरती नहीं, संख्या में कम और एकसाथ रहती हैं, या लेज़र हेड की गति से हट जाती हैं।

Roughness मूल्यांकन के parameters

कई पद्धतियाँ हैं:

Ra — profile का अंकगणितीय औसत विचलन (mean roughness);
Rz — असमानताओं की औसत ऊँचाई;
Ry — profile की अधिकतम ऊँचाई।

पहली दो सबसे अधिक उपयोग होती हैं। लेज़र कट edge के लिए Ra एक व्यावहारिक मीट्रिक है।

चूँकि लेज़र कट की roughness मोटाई के साथ परत-दर-परत वितरित होती है (नीचे की सतह के जितने पास, उतनी अधिक खुरदरी), मापन सामान्यतः edge की ऊँचाई के नीचे से 1/3 स्थान पर किया जाता है।

ऊपरी क्षेत्र — zone (I)

दोष के कारण:

nozzle का ग़लत चयन — बहुत बड़े व्यास का nozzle;
gas pressure की ग़लत सेटिंग — बहुत अधिक दबाव से striations जल जाना;
ग़लत cutting speed — बहुत कम या बहुत अधिक गति से जलना।

समाधान:

nozzle बदलें, छोटे व्यास का चुनें;
काटे जा रहे क्षेत्र की गुणवत्ता सुधारने के लिए gas pressure कम करें;
cutting speed को इस तरह समायोजित करें कि power, speed से मेल खाए।

Zones (II) और (III)

मुख्य parameters: laser power W, cutting speed V, process gas pressure P और सामग्री की मोटाई t।

व्यवहार में यह समझना ज़रूरी है कि cutting parameters — विशेषकर laser power और cutting speed — sheet thickness पर कैसे निर्भर करते हैं।

पहले चरण में चुनी गई power के लिए focal spot की धातु सतह के सापेक्ष optimum स्थिति निकाली जाती है। यह parameter कट चैनल की चौड़ाई और geometry पर बड़ा प्रभाव डालता है। अगला चरण है optimum cutting speed V का निर्धारण।

Pulse frequency भी सतह की roughness को प्रभावित करती है: parameters के संयोजन के आधार पर roughness घट या बढ़ सकती है। उच्च pulse frequency पर melt zone और संकीर्ण और नियंत्रणीय हो जाती है। हालाँकि, ग़लत चयनित parameters पर "overheating" प्रभाव और roughness बढ़ने की प्रवृत्ति देखी जा सकती है।

Melt front के आगे बढ़ते समय इसकी मोटाई और गति जैसी विशेषताओं की निगरानी करें। अवशोषित laser power तथा high-speed gas jet की गति में उतार-चढ़ाव, और ग़लत parameters मिलकर melt में गड़बड़ी पैदा कर सकते हैं, जिससे कट edge पर fluctuating striation patterns आते हैं।

लेज़र कटिंग के बाद कट सतह semicircular grooves या ripples — तथाकथित striations (बोरोदी / धारियाँ) — के रूप में दिखती है। ये लेज़र बीम की focusing विशेषताओं, kerf बनने पर cutting speed के प्रभाव, और कट cavity से तरल धातु के निष्कासन के तरीक़े के कारण उत्पन्न होती हैं।

दोष के कारण:

nozzle बहुत छोटा हो सकता है; cutting focus मेल नहीं खाता;
gas pressure बहुत कम या बहुत अधिक;
cutting speed बहुत अधिक;
plate की गुणवत्ता कम है, सतह ख़राब है; छोटे nozzles slag को कठिनाई से हटाते हैं।

समाधान:

nozzle को बड़े व्यास के nozzle से बदलें;
focus और nozzle–धातु दूरी को उपयुक्त स्थिति में समायोजित करें;
gas pressure को बढ़ाएँ या घटाएँ जब तक प्रवाह उचित न हो जाए;
अच्छी गुणवत्ता की धातु चुनें।

अतिरिक्त टिप्पणियाँ

मोटी धातु के कट पर vortices और grooves का बनना लेज़र कटिंग प्रक्रिया के भौतिक गुणों से जुड़ा है। आमतौर पर ये असमानताएँ gas flow के टूटने और बीम के प्रभाव क्षेत्र से बाहर धातु पर उसकी क्रिया से उत्पन्न होती हैं। Nozzle से निकलने वाले gas के बाहरी दबाव को समायोजित करके इन्हें टाला जा सकता है।