धातु के लिए लेजर काटना: प्रो गाइड

लेजर काटना कैसे काम करता है: सिद्धांत और प्रमुख घटक

लेजर काटने की प्रक्रिया: बीम उत्पादन, फोकसिंग, पिघलना, और सामग्री निष्कासन

धातुओं की लेजर कटिंग आमतौर पर एक चार चरणों वाली प्रक्रिया का अनुसरण करती है, जो हम इसे विस्तार से देखें तो काफी आकर्षक लगती है। पूरी प्रक्रिया एक लेजर रिसोनेटर द्वारा उत्पन्न एक शक्तिशाली बीम से शुरू होती है, जिसे फिर CO2 गैस मिश्रण या विशेष फाइबर ऑप्टिक केबलों के माध्यम से बढ़ाया जाता है। इसके बाद जो होता है वह काफी अद्भुत है। अत्यधिक सटीक लेंस इस बीम को मानव बाल से भी पतले, लगभग 0.1 मिमी व्यास तक संकेंद्रित कर देते हैं। इतनी अधिक तीव्रता पर, शक्ति घनत्व 10 मिलियन वाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर से भी अधिक पहुंच जाती है, जो कार्बन स्टील को महज आधे मिलीसेकंड में पिघलाने के लिए पर्याप्त है, यह जानकारी हाल ही में 'जर्नल ऑफ़ मैन्युफैक्चरिंग प्रोसेसेज' में प्रकाशित शोध से मिली है। कार्य को पूरा करने के लिए, सहायक गैसों जैसे ऑक्सीजन या नाइट्रोजन पिघली हुई धातु को उड़ा देती हैं, जिससे अत्यंत संकरी कटिंग संभव हो पाती है। हम बात कर रहे हैं 3 मिमी मोटी स्टेनलेस स्टील की चादरों में भी केवल 0.15 मिमी तक की कर्फ चौड़ाई की।

एक धातु लेजर कटिंग मशीन के आवश्यक घटक (लेजर स्रोत, ऑप्टिक्स, कटिंग हेड, सहायक गैस, सीएनसी प्रणाली)

पांच मुख्य प्रणालियां सटीकता और दक्षता सुनिश्चित करने के लिए साथ में काम करती हैं:

• लेजर स्रोत (फाइबर या CO2) विद्युत ऊर्जा के 25−45% को उपयोग योग्य प्रकाश में परिवर्तित करता है
• बीम डिलीवरी ऑप्टिक्स 99.9% परावर्तक दर्पणों का उपयोग करता है जो बीम गुणवत्ता को बनाए रखता है
• स्वतः फोकसिंग लेंस के साथ काटने वाले सिर, सामग्री की मोटाई के अनुसार ±0.005mm के इंक्रीमेंट में समायोजित होते हैं
• मल्टी-स्टेज गैस प्रणाली सहायक गैस दबाव को 25 बार तक नियंत्रित करती है
• CNC (कंप्यूटर न्यूमेरिकल कंट्रोल) प्रणाली 5μm स्थिति निर्धारण सटीकता के साथ काटने के मार्ग का मार्गदर्शन करती है

यह एकीकरण 1 मिमी नरम स्टील पर 60 मीटर/मिनट तक की काटने की गति सक्षम करता है, जबकि ±0.05 मिमी सहनशीलता बनाए रखता है - उच्च सटीकता वाले ऑटोमोटिव और एयरोस्पेस घटकों के लिए आवश्यक।

धातु काटने के लिए लेजर के प्रकार: CO2 बनाम फाइबर तुलना

आज धातु निर्माण उद्योग मुख्य रूप से तीन मुख्य लेजर तकनीकों के साथ काम करता है: CO2, फाइबर और क्रिस्टल आधारित प्रणालियां। CO2 लेजर गैर-लौह धातुओं की मोटी चादरों को अच्छी तरह से संभालते हैं क्योंकि उनमें उत्तेजना के लिए गैस का उपयोग होता है। फाइबर लेजरों ने पतली से मध्यम मोटाई की धातु की चादरों के काटने के लिए बाजार पर कब्जा कर लिया है क्योंकि वे ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से डायोड प्रकाश को बढ़ा देते हैं। 2024 इंडस्ट्रियल लेजर रिपोर्ट के नवीनतम आंकड़ों के अनुसार, फाइबर लेजर 3 मिमी स्टेनलेस स्टील को पारंपरिक CO2 सेटअप की तुलना में लगभग दो से तीन गुना तेज़ गति से काट सकते हैं। क्रिस्टल लेजर, जिनमें Nd:YAG मॉडल शामिल हैं, टाइटेनियम काटने जैसे बहुत विशिष्ट निचे में फंसे हुए हैं, हालांकि इन प्रणालियों में बहुत कम वृद्धि हो रही है, मुख्य रूप से क्योंकि इनके रखरखाव और देखभाल में बहुत अधिक परेशानी होती है।

फाइबर लेजर विशिष्ट लाभ प्रदान करते हैं:

• शुद्धता : CO2 के मुकाबले 0.1 मिमी कर्फ चौड़ाई प्राप्त करें बनाम 0.3–0.5 मिमी
• ऊर्जा दक्षता : CO2 प्रणालियों की तुलना में 30% कम बिजली की खपत
• रखरखाव : कोई मिरर रीअलाइनमेंट या गैस रिफिल की आवश्यकता नहीं होती

*500kW सिस्टम, 24/5 संचालन पर आधारित

20 मिमी से पतली धातुओं की प्रक्रिया करने वाले निर्माताओं के लिए, कम खपत वस्तुओं और 94% अपटाइम के माध्यम से 18-24 महीने के भीतर निवेश पर लौटने की गारंटी देता है (2024 मेटलवर्किंग इकोनॉमिक्स स्टडी)। जबकि मिश्रित-सामग्री की दुकानों को संभालने वाले CO2 सिस्टम एक्रिलिक या लकड़ी के लिए उपयुक्त बने रहते हैं, वे धातु के प्रति कट में 50-70% अधिक ऊर्जा की खपत करते हैं।

लेजर कटिंग के साथ संगत धातुएं: स्टील से लेकर कॉपर तक

लेजर कटिंग में उपयोग की जाने वाली सामान्य धातुएं: स्टेनलेस स्टील, एल्यूमीनियम, माइल्ड स्टील, पीतल और तांबा

लेजर कटिंग उन धातुओं के साथ सबसे अच्छा काम करती है जो गर्मी को लगातार संचालित करती हैं और लेजर ऊर्जा को भविष्यानुसार अवशोषित करती हैं। स्टेनलेस स्टील, एल्यूमिनियम, माइल्ड स्टील, पीतल और तांबे जैसी सामग्री इस श्रेणी में आती हैं। स्टेनलेस स्टील अलग खड़ा है क्योंकि यह आसानी से जंग नहीं लगता, जिसके कारण हम इसे मेडिकल उपकरणों और खाद्य प्रसंस्करण मशीनरी में बहुत देखते हैं जहां स्वच्छता मायने रखती है। एल्यूमिनियम का हल्का वजन विमानों और कारों के लिए एक जाने-माने सामग्री बन गया है जहां औंस बचाने से वास्तविक प्रदर्शन में सुधार होता है। पीतल और तांबा लेजर के साथ कटिंग के लिए इतना आम नहीं हैं, लेकिन फिर भी विद्युत प्रणालियों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, बावजूद इसके कि वे सिरदर्द पैदा करते हैं। ये धातुएं लेजर बीम को परावर्तित कर देती हैं, इसलिए ऑपरेटरों को विशेष उपकरणों और तकनीकों की आवश्यकता होती है ताकि आसपास के क्षेत्रों को नुकसान पहुंचाए बिना साफ कट लाइन प्राप्त की जा सके।

परावर्तक धातुओं को काटने में चुनौतियाँ: कॉपर और ब्रास को फाइबर लेज़र सिस्टम में विशेष पैरामीटर्स की आवश्यकता क्यों होती है

जब कॉपर और ब्रास सामग्री के साथ काम किया जाता है, तो एक बड़ी समस्या होती है क्योंकि वे अवरक्त लेज़र ऊर्जा का 90 प्रतिशत से अधिक वापस प्रतिबिंबित कर देते हैं। यदि उचित ढंग से संभाला नहीं गया, तो यह प्रतिबिंब लेज़र को नुकसान पहुंचा सकता है। यहीं पर फाइबर लेज़र काम में आते हैं। वे यहां बेहतर काम करते हैं क्योंकि वे लगभग 1,060 नैनोमीटर पर एक छोटी तरंग दैर्ध्य पर संचालित होते हैं और चीजों को नियंत्रित करने में मदद करने वाले एडॉप्टिव पावर मॉडुलेशन की विशेषता रखते हैं। 2 मिमी मोटी कॉपर प्लेटों को काटने का उदाहरण लें। प्रक्रिया में 500 हर्ट्ज़ से अधिक पल्स दर की आवश्यकता होती है, साथ ही कटिंग के दौरान ऑक्सीकरण को रोकने के लिए नाइट्रोजन गैस की सहायता की आवश्यकता होती है। जबकि ये सभी अतिरिक्त कदम स्टील की तुलना में लगभग 15 से 20 प्रतिशत अधिक ऊर्जा का उपयोग करते हैं, अधिकांश निर्माता इसे सटीकता के स्तर को बनाए रखने और अपने महंगे उपकरणों के निवेश की रक्षा के लिए उचित मानते हैं।

लेजर कटिंग एप्लिकेशन में सामग्री की मोटाई और गुणवत्ता पर विचार

कार्य करते समय उपयोग की जाने वाली सामग्री की मोटाई इस बात पर बड़ा प्रभाव डालती है कि हम इसे कितनी तेज़ी से काट सकते हैं और प्रक्रिया में कितनी शक्ति का उपयोग होता है। उदाहरण के लिए, 5 मिमी माइल्ड स्टील के साथ काम करते समय, लगभग 8 मीटर प्रति मिनट की गति अच्छी तरह से काम करती है। लेकिन जब मोटी 20 मिमी स्टील का सामना करना पड़ता है, तो ऑपरेटरों को किनारों के विकृत होने से रोकने के लिए लगभग 1.2 मीटर/मिनट तक काफी धीमा करने की आवश्यकता होती है। जो लोग अक्सर नज़रअंदाज़ करते हैं, वह सतह की तैयारी है। जंग लगे स्थान या असमान कोटिंग वास्तव में लेजर बीम को लक्ष्य से आधा मिलीमीटर तक भटका सकते हैं, जिसके बाद आयामों से संबंधित विभिन्न समस्याएं उत्पन्न होती हैं। शुरू करने से पहले उन कोटेड सतहों को साफ करना भी बहुत अंतर डालता है। उद्योग के आंकड़ों से पता चलता है कि यह सरल कदम कटिंग स्थिरता को लगभग 30 प्रतिशत तक बढ़ा देता है और साथ ही अप्रिय धातु के अवशेष के निर्माण को कम करता है जो पोस्ट प्रोसेसिंग को जटिल बनाता है।

फाइबर लेजर कटिंग: मेटल प्रोसेसिंग के लिए यह उद्योग मानक क्यों है

उच्च सटीकता और गति के साथ स्टील और एल्युमीनियम को काटने में फाइबर लेजर का उत्कृष्ट प्रदर्शन

फाइबर लेजर स्टेनलेस स्टील और एल्युमीनियम शीट जैसी कठिन सामग्रियों पर लगभग 0.1 मिमी की सहनशीलता बनाए रखते हुए पारंपरिक CO2 सिस्टम की तुलना में लगभग तीन गुना तेज़ गति से सामग्री को काट सकते हैं। इन लेज़रों के पीछे की ठोस अवस्था वाली बनावट के कारण ये ऊर्जा खपत के मामले में लगभग 30 प्रतिशत अधिक कुशलता से काम करते हैं। यह कुशलता सामग्री को जलाए बिना लगभग पिघलाकर साफ़ कट देती है, इसके अलावा पड़ोस के क्षेत्रों पर बहुत कम ताप का प्रभाव पड़ता है। देश भर के विनिर्माण क्षेत्रों से वास्तविक संख्या को देखते हुए, कंपनियां 25 मिमी से पतली धातुओं से बने प्रत्येक भाग पर 18 से 22 सेंट बचाने की सूचना देती हैं। यही कारण है कि आजकल कई शीट धातु की दुकानें अपनी थोक उत्पादन आवश्यकताओं के लिए फाइबर लेज़र तकनीक की ओर स्विच कर रही हैं।

केस स्टडी: ऑटोमोटिव कंपोनेंट निर्माण में फाइबर लेजर कटिंग (कार्बन स्टील अनुप्रयोग)

ऑटोमोटिव भागों की एक बड़ी कंपनी ने 2 से 8 मिमी कार्बन स्टील शीट्स के साथ काम करने के लिए 6 किलोवाट फाइबर लेजर्स का उपयोग करना शुरू करने के बाद चेसिस घटक उत्पादन समय को लगभग आधा कर दिया। वास्तव में आश्चर्यजनक बात यह है कि ये नए सिस्टम मूल रूप से अतिरिक्त डेबरिंग कार्य की आवश्यकता को समाप्त कर देते हैं क्योंकि वे किसी भी ड्रॉस निर्माण के बिना साफ कट उत्पन्न करते हैं। सतह का फिनिश लगभग Ra 3.2 माइक्रॉन के बराबर होता है जो काफी चिकना होता है। उत्पादकों के लिए जो कठोर अनुसूचियों के साथ रखने की कोशिश कर रहे हैं, यह सटीकता सभी अंतर का कारण बनती है, विशेष रूप से क्योंकि कार निर्माता इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए उन मांगों वाले विनिर्देशों को पूरा करने के लिए अधिक से अधिक दबाव डाल रहे हैं जहां प्रत्येक ग्राम मायने रखता है और सहनशीलता बहुत कम है।

प्रवृत्ति विश्लेषण: एल्यूमीनियम संरचनात्मक भागों के लिए एयरोस्पेस में फाइबर लेजर्स का बढ़ता उपयोग

अधिकांश एयरोस्पेस कंपनियां अब 7075-T6 मिश्र धातु से बने विमान पंखों के रिब्स और फ़्यूज़लेज के भागों जैसे एल्यूमीनियम संरचनात्मक भागों के साथ काम करते समय फाइबर लेजर का उपयोग करने लगी हैं। क्योंकि ये लेजर लगभग 1,070 एनएम तरंगदैर्ध्य पर काम करते हैं, जो सामग्री की परावर्तकता से होने वाली समस्याओं को कम करने में मदद करता है। इसका मतलब है कि ये 10 मिमी मोटी प्लेटों को लगातार 15 मीटर प्रति मिनट की गति से काट सकते हैं और मोटाई में भिन्नता 0.5% से कम रख सकते हैं। हाल के रुझानों पर नजर डालने पर, आजकल लगभग 9 में से 10 नए विमान डिज़ाइनों में वास्तव में किसी न किसी रूप में लेजर कट एल्यूमीनियम घटक शामिल हैं। परिणामस्वरूप, एएस9100 गुणवत्ता आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए निर्माताओं के लिए अच्छी फाइबर लेजर प्रणालियों तक पहुंच होना काफी हद तक आवश्यक हो गया है जो एयरोस्पेस उद्योग में सामान्य है।

धातु के प्रकार के अनुसार लेजर काटने के मापदंडों को अनुकूलित करना

स्टेनलेस स्टील: नाइट्रोजन का सहायक गैस के रूप में उपयोग करके साफ, ऑक्साइड-मुक्त किनारों की प्राप्ति

नाइट्रोजन 12 से 20 बार के दबाव पर एक निष्क्रिय सहायक गैस के रूप में कार्य करती है ताकि सामग्री को जंग लगने से बचाया जा सके। जब ऐसा होता है, तो ऑक्सीकरण रोका जाता है और साफ किनारे बनते हैं, जिससे इन भागों को मेडिकल उपकरणों या खाद्य प्रसंस्करण उद्योगों में उपयोग किए जाने वाले घटकों के लिए आदर्श बनाया जाता है। उदाहरण के लिए 6 मिमी मोटी 304 ग्रेड स्टेनलेस स्टील लें। 10 से 12 मीटर प्रति मिनट की गति से चलने वाले 2 किलोवाट फाइबर लेजर के साथ, हम आमतौर पर ताप प्रभावित क्षेत्र को अधिकतम 0.1 मिमी तक सीमित देखते हैं। 2024 मेटल फैब्रिकेशन रिपोर्ट में प्रकाशित हालिया शोध के अनुसार, ऑक्सीजन आधारित विधियों से नाइट्रोजन सहायता में स्विच करके लगभग एक तिहाई तक अतिरिक्त फिनिशिंग लागत को कम किया जा सकता है। कुछ महत्वपूर्ण मापदंड निम्न हैं:

• शक्ति : 1.8–2.2किलोवाट
• नोजल की दूरी : 0.8–1.2मिमी
• फोकस स्थिति : -0.5 मिमी (सतह के नीचे)

एल्यूमिनियम: लगातार कट के लिए परावर्तकता और तापीय चालकता का प्रबंधन करना

एल्युमिनियम की उच्च परावर्तकता (1µm तरंगदैर्ध्य पर 85–92%) पल्स लेजर मोड की आवश्यकता होती है ताकि बीम विक्षेपण से बचा जा सके। 4kW फाइबर लेजर 6–8 बार पर 15 मीटर/मिनट की गति से 8 मिमी 6061-टी6 एल्युमिनियम काटता है। तापीय चालकता को प्रबंधित करने के लिए:

1. पियर्स समय में वृद्धि (5 मिमी शीट के लिए 500–700 मिलीसेकंड)
2. गर्मी को वितरित करने के लिए सर्पिल पियर्सिंग और कटिंग पथ का उपयोग करें
3. एंटी-रिफ्लेक्टिव कोटिंग लागू करें, जो 18% तक पावर नुकसान कम करती है

यह दृष्टिकोण ±0.05 मिमी सटीकता सुनिश्चित करता है, जो ऑटोमोटिव बैटरी ट्रे जैसे प्रिसिजन कॉम्पोनेंट्स के लिए आदर्श है।

कार्बन स्टील: ऑप्टिमल एज क्वालिटी के लिए कटिंग स्पीड और ऑक्सीकरण का संतुलन

10 मिमी S355JR स्टील के लिए 3kW पर 8–10 मीटर/मिनट की गति तक पहुंच जाती है। हालांकि, अत्यधिक ऑक्सीकरण नीचे की ओर स्लैग पैदा कर सकता है। प्रभावी न्यूनीकरण में शामिल हैं:

• गैस दबाव अनुकूलन : 0.8–1.2 बार ऑक्सीजन
• ड्रॉस नियंत्रण : 0.8–1.2 मिमी की दूरी बनाए रखें
• किनारे की गुणवत्ता : 95% ड्यूटी साइकिल पर Ra µ12.5µm प्राप्त करें

आई-बीम जैसे संरचनात्मक घटकों के लिए, ऑक्सीजन काटने और नाइट्रोजन फिनिशिंग पास के संयोजन से ISO 9013 मानकों को काटने की आयामी सटीकता और किनारे की गुणवत्ता के लिए पूरा करने में मदद मिलती है।

सामान्य प्रश्न अनुभाग

लेजर कटिंग क्या है?

लेजर काटना एक सटीक प्रक्रिया है जहां एक शक्तिशाली लेजर बीम का उपयोग सामग्री को काटने के लिए पिघलाने, जलाने या वाष्पित करने के लिए किया जाता है।

फाइबर लेजर की तुलना में CO2 लेजर के उपयोग के क्या फायदे हैं?

फाइबर लेजर CO2 लेजर की तुलना में अधिक सटीकता, बेहतर ऊर्जा दक्षता और कम रखरखाव लागत प्रदान करते हैं।

लेजर काटने के लिए कौन सी धातुएं उपयुक्त हैं?

स्टेनलेस स्टील, एल्यूमीनियम, माइल्ड स्टील, पीतल और तांबा जैसी धातुओं को लेजर काटने के लिए उपयुक्त माना जाता है क्योंकि इनकी उष्मा चालकता और लेजर ऊर्जा को अवशोषित करने की क्षमता होती है।

सामग्री की मोटाई लेजर काटने को कैसे प्रभावित करती है?

सामग्री की मोटाई काटने की गति और शक्ति उपयोग को प्रभावित करती है। मोटी सामग्री को किनारे की विकृति को रोकने के लिए अक्सर धीमी काटने की गति की आवश्यकता होती है।