लेजर-ऑक्सीफ्यूल हाइब्रिड कटिंग मशीन का सिद्धांत

लेजर फ्लेम कंपोजिट कटिंग आमतौर पर “लेजर ऑक्सीजन कटिंगयह लेजर कटिंग की प्रमुख प्रक्रियाओं में से एक है (अन्य दो लेजर मेल्टिंग कटिंग और लेजर वेपराइजेशन कटिंग हैं)। इसका अर्थ "लेजर से उत्पन्न ज्वाला" नहीं है, बल्कि यह एक हाइब्रिड प्रक्रिया है जिसमें लेजर को ऊष्मा स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता है, और सहायक गैस के रूप में शुद्ध ऑक्सीजन का उपयोग करके कटिंग प्रक्रिया के दौरान धातुओं (मुख्य रूप से स्टील सामग्री) में एक तीव्र ऑक्सीकरण दहन प्रतिक्रिया (अर्थात "ज्वाला") शुरू की जाती है। यह प्रक्रिया रासायनिक प्रतिक्रिया से प्राप्त ऊष्मीय ऊर्जा का लाभ उठाकर कटिंग की क्षमता को काफी बढ़ाती है।

आगे हम कई दृष्टिकोणों से इसके सिद्धांत की विस्तारपूर्वक व्याख्या करेंगे:

मूल सिद्धांत: लेजर-प्रेरित नियंत्रित धातु दहन

1. लेजर की भूमिका (प्रज्वलन और रखरखाव):

• उच्च ऊर्जा घनत्व वाली लेजर किरण को वर्कपीस की सतह पर केंद्रित किया जाता है, जिससे विकिरणित धातु का तापमान तेजी से बढ़कर उसके प्रज्वलन बिंदु (लोहे के लिए लगभग 1350 डिग्री सेल्सियस) तक पहुंच जाता है।
• लेजर किरण एक निरंतर, सटीक, उच्च-ऊर्जा ऊष्मा स्रोत प्रदान करती है जो न केवल प्रतिक्रिया को प्रज्वलित करती है, बल्कि इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि प्रतिक्रिया क्षेत्र को उच्च तापमान पर बनाए रखती है।

2. ऑक्सीजन की भूमिका (दहन कारक और सफाई कारक):

• लेजर द्वारा गर्म किए गए धातु के स्थान पर लेजर बीम के साथ उच्च दबाव और उच्च शुद्धता वाली ऑक्सीजन की एक धारा को समानांतर रूप से इंजेक्ट किया जाता है।
• प्रज्वलन बिंदु पर पहुँचने वाला लोहा (Fe) और ऑक्सीजन (O₂) एक तीव्र ऑक्सीकरण ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया (दहन) से गुजरते हैं: 4Fe → 3O₂ → 2Fe₂O, ऊष्मा।
• इस अभिक्रिया से अत्यधिक ऊष्मा उत्पन्न होती है (लेजर की ऊर्जा से लगभग 3-5 गुना अधिक!)। यही "यौगिक" ऊर्जा का मूल तत्व है। यह अतिरिक्त ऊष्मा पिघलने/गैसीकरण की समग्र क्षमता को बहुत बढ़ा देती है।

3. समग्र सहयोगात्मक प्रक्रिया:

• पूर्व-तापन और प्रज्वलन: लेजर पहले स्थानीय धातु को प्रज्वलन बिंदु तक गर्म करता है।
• दहन ऊष्माक्षेपी होता है: ऑक्सीजन के प्रवेश से धातु हिंसक रूप से जलती है, जिससे लेजर द्वारा प्रदान की जा सकने वाली गर्मी से कहीं अधिक गर्मी उत्पन्न होती है, जिससे धातु तेजी से पिघल जाती है या यहां तक ​​कि ऑक्सीकृत हो जाती है, और स्लैग (मुख्य रूप से FeO और Fe3O4) बनता है।
• ब्लोइंग और फॉर्मिंग: उच्च दबाव वाली ऑक्सीजन गैस के प्रवाह की एक और महत्वपूर्ण भूमिका प्रतिक्रिया से उत्पन्न पिघले हुए धातु ऑक्साइड (स्लैग) को कटिंग सीम से "एयर नाइफ" की तरह हिंसक रूप से उड़ाना है, जिससे एक साफ, अपेक्षाकृत चिकनी कटिंग सतह बनती है।

निरंतर: लेजर किरण आगे बढ़ती है, लगातार नए क्षेत्र को पहले से गर्म करती है, और दहन प्रतिक्रिया लेजर फोकस के साथ आगे और नीचे की ओर बढ़ती है, और अंत में वर्कपीस में प्रवेश करके एक कट बनाती है।

यह “संयुक्त” दृष्टिकोण इतना कारगर क्यों है? (लाभ)

1. मोटी प्लेटों को काटने की प्रबल क्षमता:कार्बन स्टील (जैसे कि लो कार्बन स्टील) के लिए, लेजर ऑक्सीजन कटिंग मध्यम और मोटी प्लेटों (आमतौर पर 6 मिमी से अधिक, 30 मिमी या उससे भी अधिक मोटी) को काटने की सबसे किफायती और तेज़ विधि है। शुद्ध लेजर मेल्टिंग कटिंग (जैसे कि नाइट्रोजन के साथ) धातु को पिघलाने के लिए पूरी तरह से लेजर ऊर्जा पर निर्भर करती है, जो मोटी प्लेटों के लिए उपयुक्त नहीं होती।

2. तेज कटाई गति:धातु दहन प्रतिक्रिया की रासायनिक ऊर्जा के जुड़ने के कारण, कुल ऊर्जा इनपुट एक लेजर ऊर्जा की तुलना में बहुत अधिक होता है, इसलिए काटने की गति समान शक्ति के तहत पिघलने वाली कटाई की तुलना में काफी तेज होती है।

3उपकरणों की बिजली की आवश्यकता अपेक्षाकृत कम होती है:समान कार्बन स्टील को काटने के लिए, लेजर ऑक्सीजन कटिंग के लिए आवश्यक लेजर शक्ति, शुद्ध लेजर मेल्टिंग कटिंग की तुलना में काफी कम हो सकती है, जिससे उपकरण लागत और ऊर्जा खपत में कमी आती है।

4. अच्छी कटिंग गुणवत्ता:कार्बन स्टील की मोटी प्लेटों के लिए, अच्छी ऊर्ध्वाधरता और कम स्लैग (आदर्श स्थिति) वाली कटिंग सतह प्राप्त की जा सकती है।

प्रक्रिया की विशेषताएं और सीमाएं

1. सामग्री चयनशीलता:

• मुख्यतः प्रतिक्रियाशील धातुओं के लिए: सबसे विशिष्ट और आदर्श अनुप्रयोग सामग्री कार्बन स्टील है।

• स्टेनलेस स्टील, एल्युमीनियम, तांबा आदि के लिए उपयुक्त नहीं है:
• स्टेनलेस स्टील: क्रोमियम (Cr) और अन्य तत्व उच्च गलनांक वाले ऑक्साइड (जैसे Cr2O3) बनाते हैं, जो ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया को जारी रखने में बाधा डालते हैं, और स्लैग को आसानी से उड़ाया नहीं जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप खुरदरी कटिंग सतह और गंभीर स्लैग जमाव होता है।
• एल्युमीनियम और तांबा: इनके ऑक्साइड (Al2O3, CuO) का गलनांक सब्सट्रेट की तुलना में बहुत अधिक होता है, जो सतह को एक कठोर परत की तरह ढक लेता है, प्रतिक्रिया को जारी रखने से रोकता है, और लेजर के लिए उच्च परावर्तकता रखता है।

2. काटने की सतह की विशेषताएं:

• ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया के कारण, कट की सतह पर एक ऑक्साइड परत (ब्लूइंग उपचार के समान) होगी और यह थोड़ी खुरदरी हो सकती है (नाइट्रोजन कट के चमकदार पक्ष की तुलना में)।
• तल पर थोड़ी मात्रा में स्लैग जमा हो सकता है, जिसे प्रक्रिया मापदंडों को अनुकूलित करके कम से कम किया जाना चाहिए।

3. ऊष्मा से प्रभावित क्षेत्र बड़ा है:तीव्र ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया से अधिक गर्मी उत्पन्न होगी, जिसके परिणामस्वरूप वर्कपीस का ऊष्मा प्रभावित क्षेत्र लेजर पिघलने और काटने की तुलना में अधिक चौड़ा होगा, और वर्कपीस का समग्र तापीय विरूपण थोड़ा अधिक हो सकता है।

अन्य कटाई प्रक्रियाओं के साथ तुलना

बनाम शुद्ध लेजर नाइट्रोजन कटिंग (मेल्टिंग कटिंग):

• नाइट्रोजन कटिंग: इसमें लेजर द्वारा धातु को पिघलाया जाता है और पिघली हुई धातु को उच्च दबाव वाली नाइट्रोजन गैस से उड़ा दिया जाता है। इसमें ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया नहीं होती, सतह चमकदार होती है और उस पर ऑक्साइड की परत नहीं बनती, लेकिन इसकी गति धीमी होती है, गैस की खपत अधिक होती है और लागत अधिक होती है। यह स्टेनलेस स्टील, एल्युमीनियम आदि के लिए उपयुक्त है, लेकिन मोटी कार्बन स्टील के लिए किफायती नहीं है।
• ऑक्सीजन कटिंग: ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया योग, तेज गति, कम लागत, कार्बन स्टील के लिए उपयुक्त, लेकिन अनुभाग में एक ऑक्साइड परत होती है।

पारंपरिक लौ से कटाई (ऑक्सीएसिटिलीन से कटाई) की तुलना में:

• परंपरागत लौ विधि: लौ द्वारा पूर्व-तापन और शुद्ध ऑक्सीजन दहन द्वारा कटाई। धीमी पूर्व-तापन, चौड़ी दरार, कम परिशुद्धता और अधिक तापीय विरूपण।
• लेजर ऑक्सीजन कटिंग: उच्च-ऊर्जा लेजर परिशुद्धता, तीव्र प्रीहीटिंग, कटिंग सीम बहुत पतली (और लेजर स्पॉट व्यास) होती है, उच्च परिशुद्धता और सूक्ष्म कटिंग क्षमता के साथ।
• कम ढलान, कम तापीय प्रभाव, यह पारंपरिक लौ काटने की तकनीक का आधुनिकीकरण और उच्च परिशुद्धता वाला उन्नत संस्करण है।

सारांश

लेजर फ्लेम कंपोजिट (लेजर ऑक्सीजन) कटिंग मशीन का मूल सिद्धांत उच्च ऊर्जा वाली लेजर किरण का उपयोग करके शुद्ध ऑक्सीजन वातावरण में धातु (लोहे) की तीव्र दहन प्रतिक्रिया को सटीक रूप से प्रज्वलित करना और बनाए रखना है, और लेजर की ऊष्मीय ऊर्जा को धातु ऑक्सीकरण की रासायनिक ऊर्जा के साथ मिलाकर “1 1>2” कटिंग प्रभाव प्राप्त करना है। यह लेजर की उच्च परिशुद्धता और उच्च फोकस के लाभों को ऑक्सीजन दहन की उच्च दक्षता और कम लागत के लाभों के साथ पूर्णतः संयोजित करता है, जिससे यह मध्यम और मोटी कार्बन स्टील शीट की कटिंग के क्षेत्र में एक अपरिहार्य मुख्यधारा प्रक्रिया बन जाती है।