**लेजर कटिंग और इसकी प्रोसेसिंग सिस्टम फंडामेंटल्स औरndash; लेजर कटिंग उपकरण**

**II. लेजर कटिंग उपकरण की संरचना**

**2.1 लेजर कटिंग मशीनों के घटक और कार्य सिद्धांत**

एक लेजर कटिंग मशीन में एक लेजर जनरेटर, कटिंग हेड, बीम ट्रांसमिशन घटक, मशीन टूल वर्कटेबल, सीएनसी सिस्टम, कंप्यूटर (हार्डवेयर, सॉफ्टवेयर), चिलर, शील्डिंग गैस सिलेंडर, डस्ट एक्सट्रैक्टर और एयर ड्रायर, अन्य भागों के अलावा शामिल हैं।

1. **लेजर जनरेटर:** यह वह उपकरण है जो लेजर स्रोत उत्पन्न करता है। लेजर कटिंग अनुप्रयोगों के लिए, कुछ मामलों को छोड़कर जहां YAG सॉलिड-स्टेट लेजर का उपयोग किया जाता है, अधिकांश CO2 गैस लेजर का उपयोग करते हैं क्योंकि उनकी उच्च इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल रूपांतरण दक्षता और उच्च शक्ति आउटपुट करने की क्षमता होती है। चूंकि लेजर कटिंग में बीम गुणवत्ता के लिए बहुत अधिक आवश्यकताएं होती हैं, इसलिए सभी लेजर कटिंग के लिए उपयुक्त नहीं होते हैं।

2. **कटिंग हेड:** मुख्य रूप से नोजल, फोकसिंग लेंस और फोकस ट्रैकिंग सिस्टम जैसे घटक शामिल हैं। कटिंग हेड ड्राइव डिवाइस का उपयोग प्रोग्राम के अनुसार Z-अक्ष के साथ कटिंग हेड को चलाने के लिए किया जाता है, जिसमें सर्वो मोटर और लीड स्क्रू या गियर जैसे घटक होते हैं।

* (1) **नोजल:** नोजल के प्रकार मुख्य रूप से तीन रूप शामिल हैं: समानांतर, अभिसारी और शंक्वाकार।

* (2) **फोकसिंग लेंस:** कटिंग के लिए लेजर बीम की ऊर्जा का उपयोग करने के लिए, लेजर से उत्सर्जित कच्चे बीम को उच्च ऊर्जा घनत्व के साथ एक स्पॉट बनाने के लिए एक लेंस द्वारा केंद्रित किया जाना चाहिए। मध्यम और लंबी फोकल लंबाई वाले लेंस मोटी प्लेट कटिंग के लिए उपयुक्त हैं और ट्रैकिंग सिस्टम की दूरी स्थिरता के लिए कम आवश्यकताएं हैं। छोटी फोकल लंबाई वाले लेंस केवल 3 मिमी से कम की पतली प्लेटों के लिए उपयुक्त हैं; उन्हें ट्रैकिंग सिस्टम की दूरी स्थिरता के लिए सख्त आवश्यकताएं हैं लेकिन आवश्यक लेजर आउटपुट पावर को काफी कम कर सकते हैं।

* (3) **ट्रैकिंग सिस्टम:** लेजर कटिंग मशीन का फोकस ट्रैकिंग सिस्टम आम तौर पर फोकसिंग कटिंग हेड और ट्रैकिंग सेंसर सिस्टम से बना होता है। कटिंग हेड में प्रकाश मार्गदर्शन और फोकसिंग, पानी ठंडा करने, गैस ब्लोइंग और यांत्रिक समायोजन के लिए भाग शामिल हैं। सेंसर में सेंसिंग तत्व और प्रवर्धन नियंत्रण भाग शामिल हैं। सेंसिंग तत्व के आधार पर, ट्रैकिंग सिस्टम पूरी तरह से अलग हैं; प्राथमिक रूप से, दो रूप हैं: कैपेसिटिव सेंसर ट्रैकिंग सिस्टम (गैर-संपर्क) और इंडक्टिव सेंसर ट्रैकिंग सिस्टम (संपर्क)।

3. **बीम ट्रांसमिशन घटक (बाहरी प्रकाश पथ):** लेजर को आवश्यक दिशा में निर्देशित करने के लिए अपवर्तक और परावर्तक दर्पणों का उपयोग किया जाता है। बीम पथ विफलता को रोकने के लिए, सभी दर्पणों को कवर द्वारा संरक्षित किया जाता है और संदूषण को रोकने के लिए साफ, सकारात्मक-दबाव शील्डिंग गैस की आपूर्ति की जाती है। एक उच्च गुणवत्ता वाला लेंस सेट बिना विचलन कोण के एक बीम को एक अनंत छोटे स्पॉट में केंद्रित करेगा। 5.0-इंच फोकल लंबाई वाले लेंस का आमतौर पर उपयोग किया जाता है। 7.5-इंच लेंस का उपयोग केवल 12 मिमी से अधिक मोटी सामग्री के लिए किया जाता है।

4. **मशीन टूल वर्कटेबल (मशीन होस्ट):** लेजर कटिंग मशीन का यांत्रिक भाग जो X, Y और Z अक्षों के साथ गति को सक्षम बनाता है, जिसमें कटिंग वर्क प्लेटफॉर्म शामिल है।

5. **सीएनसी सिस्टम:** मशीन टूल को X, Y, Z अक्ष गति प्राप्त करने के लिए नियंत्रित करता है और लेजर की आउटपुट पावर को भी नियंत्रित करता है।

6. **कूलिंग सिस्टम (चिलर यूनिट):** लेजर जनरेटर को ठंडा करने के लिए उपयोग किया जाता है। एक लेजर एक ऐसा उपकरण है जो विद्युत ऊर्जा को प्रकाश ऊर्जा में परिवर्तित करता है। उदाहरण के लिए, CO2 गैस लेजर की रूपांतरण दर आमतौर पर 20% होती है, शेष ऊर्जा को गर्मी में परिवर्तित किया जाता है। शीतलन जल सामान्य संचालन को बनाए रखने के लिए अतिरिक्त गर्मी को दूर ले जाता है। चिलर बाहरी प्रकाश पथ दर्पणों और फोकसिंग लेंस को भी ठंडा करता है ताकि स्थिर बीम ट्रांसमिशन गुणवत्ता सुनिश्चित हो सके और अत्यधिक तापमान के कारण लेंस के विरूपण या क्रैकिंग को प्रभावी ढंग से रोका जा सके।

7. **गैस सिलेंडर:** लेजर कटिंग मशीन के वर्किंग मीडियम गैस सिलेंडर और सहायक गैस सिलेंडर शामिल हैं, जिनका उपयोग लेजर दोलन के लिए औद्योगिक गैसों को फिर से भरने और कटिंग हेड को सहायक गैसों की आपूर्ति करने के लिए किया जाता है।

8. **डस्ट एक्सट्रैक्शन सिस्टम:** प्रसंस्करण के दौरान उत्पन्न धुएं और धूल को निकालता है और उन्हें फ़िल्टर करता है ताकि निकास उत्सर्जन पर्यावरणीय मानकों को पूरा करे।

9. **एयर कूलिंग ड्रायर और फिल्टर:** लेजर जनरेटर और बीम पथ को साफ, सूखी हवा की आपूर्ति करता है ताकि पथ और दर्पणों का सामान्य संचालन बना रहे।

**2.2 लेजर कटिंग टॉर्च**

लेजर कटिंग टॉर्च की योजनाबद्ध संरचना नीचे दिए गए चित्र में दिखाई गई है, जो मुख्य रूप से टॉर्च बॉडी, फोकसिंग लेंस, दर्पण और सहायक गैस नोजल से बनी है। लेजर कटिंग के दौरान, टॉर्च को निम्नलिखित आवश्यकताओं को पूरा करना होगा:

① टॉर्च को पर्याप्त गैस प्रवाह निकालने में सक्षम होना चाहिए।

② टॉर्च के अंदर गैस निष्कासन दिशा दर्पण के ऑप्टिकल अक्ष के साथ समाक्षीय होनी चाहिए।

③ टॉर्च की फोकल लंबाई आसानी से समायोज्य होनी चाहिए।

④ कटिंग के दौरान, सुनिश्चित करें कि कटिंग प्रक्रिया से धातु के वाष्प और छींटे दर्पण को नुकसान न पहुंचाएं।

टॉर्च की गति को सीएनसी मोशन सिस्टम के माध्यम से समायोजित किया जाता है। टॉर्च और वर्कपीस के बीच सापेक्ष गति तीन स्थितियों में हो सकती है:

① टॉर्च स्थिर है, और वर्कपीस वर्कटेबल के माध्यम से चलता है (मुख्य रूप से छोटे वर्कपीस के लिए)।

② वर्कपीस स्थिर है, और टॉर्च चलता है।

③ टॉर्च और वर्कटेबल दोनों एक साथ चलते हैं।

**2.2.1 कटिंग हेड**

लेजर कटिंग हेड बीम ट्रांसमिशन सिस्टम के अंत में स्थित है और इसमें फोकसिंग लेंस और कटिंग नोजल शामिल हैं।

फोकसिंग लेंस मुख्य रूप से उनकी फोकल लंबाई से अलग होते हैं। अधिकांश लेजर कटिंग उपकरण विभिन्न फोकल लंबाई के कई कटिंग हेड से लैस होते हैं। CO2 लेजर कटिंग का उदाहरण लेते हुए, सामान्य फोकल लंबाई 127mm (5in) और 190mm (7.5in) हैं। एक छोटी फोकल लंबाई वाला लेंस एक छोटा फोकल स्पॉट और कम फोकस गहराई पैदा करता है, जो केरफ चौड़ाई को कम करने और एक महीन कट प्राप्त करने के लिए फायदेमंद है। एक लंबी फोकल लंबाई वाला लेंस एक बड़ा फोकल स्पॉट और लंबी फोकस गहराई पैदा करता है। एक छोटी फोकल लंबाई वाले लेंस की तुलना में, एक लंबी फोकल लंबाई वाला लेंस सामग्री की मोटाई की एक बड़ी सीमा पर फोकल बिंदु के पास केंद्रित बीम ऊर्जा घनत्व की आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है। इसलिए, छोटी फोकल लंबाई वाले लेंस ज्यादातर पतली चादरों की महीन कटिंग के लिए उपयोग किए जाते हैं, जबकि मोटी सामग्री को पर्याप्त फोकस गहराई प्राप्त करने के लिए लंबी फोकल लंबाई वाले लेंस की आवश्यकता होती है, यह सुनिश्चित करते हुए कि कटिंग मोटाई रेंज के भीतर स्पॉट व्यास परिवर्तन न्यूनतम है और पर्याप्त शक्ति घनत्व बनाए रखा गया है।

फोकसिंग लेंस का उपयोग टॉर्च में प्रवेश करने वाले समानांतर लेजर बीम को एक छोटे स्पॉट और उच्च शक्ति घनत्व प्राप्त करने के लिए केंद्रित करने के लिए किया जाता है। लेंस उन सामग्रियों से बने होते हैं जो लेजर तरंग दैर्ध्य को प्रसारित करते हैं। सॉलिड-स्टेट लेजर आमतौर पर ऑप्टिकल ग्लास का उपयोग करते हैं, जबकि CO2 गैस लेजर, जो साधारण कांच से होकर नहीं गुजर सकते हैं, ZnSe, GaAs और Ge जैसी सामग्रियों का उपयोग करते हैं, जिसमें ZnSe सबसे आम है।

लेजर कटिंग के लिए, एक स्पॉट व्यास जितना संभव हो उतना छोटा वांछित है, क्योंकि यह शक्ति घनत्व बढ़ाता है, जिससे उच्च गति कटिंग की सुविधा मिलती है। हालांकि, जब लेंस फोकल लंबाई घटती है, तो फोकस की गहराई भी छोटी हो जाती है, जिससे मोटी प्लेटों को काटते समय अच्छे लंबवत कट सतहों को प्राप्त करना मुश्किल हो जाता है। इसके अतिरिक्त, एक छोटे लेंस फोकल लंबाई के साथ, लेंस और वर्कपीस के बीच की दूरी कम हो जाती है, जिससे कटिंग के दौरान छींटे और अन्य पिघली हुई सामग्री से लेंस दूषित होने की संभावना होती है, जिससे सामान्य संचालन प्रभावित होता है। इसलिए, कटिंग मोटाई और गुणवत्ता आवश्यकताओं जैसे कारकों पर व्यापक विचार करके उपयुक्त फोकल लंबाई निर्धारित की जानी चाहिए।

**2.2.2 दर्पण**

दर्पण का कार्य लेजर से आने वाले बीम की दिशा बदलना है। सॉलिड-स्टेट लेजर से आने वाले बीम के लिए, ऑप्टिकल ग्लास से बने दर्पणों का उपयोग किया जा सकता है, जबकि CO2 गैस लेजर कटिंग उपकरणों में दर्पण अक्सर तांबे या उच्च परावर्तन वाले धातुओं से बने होते हैं। उपयोग के दौरान, दर्पणों को आमतौर पर प्रकाश के संपर्क से होने वाले नुकसान से बचने के लिए पानी से ठंडा किया जाता है।

**2.2.3 नोजल**

नोजल का उपयोग कटिंग जोन में सहायक गैस को जेट करने के लिए किया जाता है। इसकी संरचनात्मक आकृति का कटिंग दक्षता और गुणवत्ता पर एक निश्चित प्रभाव पड़ता है। चित्र 4.11 लेजर कटिंग में उपयोग किए जाने वाले सामान्य नोजल आकार दिखाता है; जेट छिद्र आकार में बेलनाकार, शंक्वाकार और अभिसारी-अपसारी (डी लावल) प्रकार शामिल हैं।

नोजल का चयन आमतौर पर वर्कपीस सामग्री, मोटाई, सहायक गैस दबाव आदि के आधार पर परीक्षण के बाद निर्धारित किया जाता है। लेजर कटिंग आमतौर पर समाक्षीय नोजल (ऑप्टिकल अक्ष के साथ गैस प्रवाह समाक्षीय) का उपयोग करता है। यदि गैस प्रवाह बीम के साथ समाक्षीय नहीं है, तो यह कटिंग के दौरान महत्वपूर्ण छींटे उत्पन्न कर सकता है। नोजल की छिद्र दीवार चिकनी होनी चाहिए ताकि चिकनी गैस प्रवाह सुनिश्चित हो सके और अशांति के कारण कट गुणवत्ता को प्रभावित करने से बचा जा सके। कटिंग प्रक्रिया स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए, नोजल फेस से वर्कपीस की सतह तक की दूरी को कम किया जाना चाहिए, जिसे अक्सर 0.5~2.0mm लिया जाता है। नोजल एपर्चर को लेजर बीम को बिना किसी बाधा के गुजरने की अनुमति देनी चाहिए, जिससे बीम नोजल की आंतरिक दीवार को छूने से बच सके। एपर्चर जितना छोटा होगा, बीम संरेखण उतना ही कठिन होगा। एक निश्चित सहायक गैस दबाव पर, नोजल एपर्चर व्यास की एक इष्टतम सीमा होती है। यदि एपर्चर बहुत छोटा या बहुत बड़ा है, तो यह केरफ से पिघले हुए उत्पादों को हटाने को प्रभावित करेगा और कटिंग गति को भी प्रभावित करेगा।

एक निश्चित लेजर शक्ति और सहायक गैस दबाव के तहत कटिंग गति पर नोजल एपर्चर का प्रभाव चित्र 4.12 और 4.13 में दिखाया गया है। यह देखा जा सकता है कि एक इष्टतम नोजल एपर्चर है जो अधिकतम कटिंग गति पैदा करता है। चाहे ऑक्सीजन या आर्गन का उपयोग सहायक गैस के रूप में किया जाए, यह इष्टतम मान लगभग 1.5 मिमी है।

कठिन-से-कट सामग्री जैसे सीमेंटेड कार्बाइड पर लेजर कटिंग परीक्षण से पता चलता है कि इष्टतम नोजल एपर्चर उपरोक्त परिणाम के बहुत करीब है, जैसा कि चित्र 4.14 में दिखाया गया है। नोजल एपर्चर केरफ चौड़ाई और हीट-अफेक्टेड ज़ोन (HAZ) की चौड़ाई को भी प्रभावित करता है। जैसा कि चित्र 4.15 में दिखाया गया है, जैसे-जैसे नोजल एपर्चर बढ़ता है, केरफ चौड़ा होता है जबकि HAZ संकरा होता है। संकीर्ण HAZ का मुख्य कारण कटिंग जोन में आधार सामग्री पर सहायक गैस प्रवाह का बढ़ा हुआ शीतलन प्रभाव है।

**2.3 लेजर कटिंग उपकरण पैरामीटर**

**2.3.1 टॉर्च-संचालित कटिंग उपकरण**

टॉर्च-संचालित कटिंग उपकरण में, कटिंग टॉर्च को एक जंगम गैन्ट्री पर स्थापित किया जाता है और गैन्ट्री बीम के साथ अनुप्रस्थ (Y-दिशा) में चलता है। गैन्ट्री टॉर्च को X-दिशा के साथ चलाता है, और वर्कपीस को कटिंग टेबल पर तय किया जाता है। चूंकि लेजर स्रोत टॉर्च से अलग होता है, कटिंग के दौरान, लेजर ट्रांसमिशन विशेषताओं, बीम स्कैनिंग दिशा के साथ समानांतरता, और परावर्तक दर्पणों की स्थिरता प्रभावित हो सकती है।

टॉर्च-संचालित उपकरण बड़े भागों को संसाधित कर सकते हैं, कटिंग उत्पादन क्षेत्र के लिए अपेक्षाकृत कम फर्श स्थान की आवश्यकता होती है, और इसे अन्य उपकरणों के साथ उत्पादन लाइनों में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है। हालांकि, स्थिति सटीकता आमतौर पर ±0.04 मिमी के आसपास होती है।

टॉर्च-संचालित कटिंग उपकरण की विशिष्ट संरचना चित्र 4.19 में दिखाई गई है। यह उदाहरण CO2 निरंतर तरंग लेजर कटर का उपयोग करता है, जिसमें लेजर स्रोत से टॉर्च तक 18 मीटर की बीम ट्रांसमिशन दूरी होती है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि इस दूरी पर बीम के आकार में परिवर्तन कटिंग में बाधा न डालें, ऑसिलेटर दर्पणों के संयोजन को सावधानीपूर्वक डिज़ाइन किया जाना चाहिए।

टॉर्च-संचालित उपकरण के लिए मुख्य तकनीकी पैरामीटर:

* लेजर आउटपुट पावर: 1.5kW (सिंगल मोड), 3kW (मल्टीमोड)।

* टॉर्च यात्रा: X-अक्ष 6.2m, Y-अक्ष 2.6m।

* ड्राइव स्पीड: 0~10m/min (समायोज्य)।

* टॉर्च ऊंचाई (Z-अक्ष) फ्लोटिंग यात्रा: 150mm।

* टॉर्च ऊंचाई समायोजन गति: 300mm/min।

* अधिकतम संसाधित स्टील प्लेट का आकार: 12mm मोटी * 2400mm * 6000mm।

* नियंत्रण उपकरण: एकीकृत सीएनसी नियंत्रण विधि।

**2.3.2 XY कोऑर्डिनेट कटिंग टेबल-संचालित उपकरण**

XY कोऑर्डिनेट कटिंग टेबल-संचालित उपकरण में, टॉर्च मशीन फ्रेम पर तय की जाती है, और वर्कपीस को कटिंग टेबल पर रखा जाता है। कटिंग टेबल NC निर्देशों के अनुसार X और Y दिशाओं के साथ चलती है। ड्राइव स्पीड आमतौर पर 0~1m/min (समायोज्य) या 0~5m/min (समायोज्य) होती है। चूंकि टॉर्च वर्कपीस के सापेक्ष तय होती है, इसलिए कटिंग के दौरान लेजर बीम का संरेखण कम प्रभावित होता है, जिससे समान और स्थिर कट मिलते हैं। जब कटिंग टेबल का आकार छोटा होता है और यांत्रिक सटीकता अधिक होती है, तो स्थिति सटीकता ±0.01 मिमी हो सकती है, जिसके परिणामस्वरूप उत्कृष्ट कटिंग परिशुद्धता होती है, जिससे यह छोटे भागों की परिशुद्धता कटिंग के लिए विशेष रूप से उपयुक्त हो जाता है। 2300~2400mm के X-अक्ष यात्रा और 1200~1300mm के Y-अक्ष यात्रा वाली कटिंग टेबल भी हैं जो बड़े भागों को संसाधित करने के लिए हैं।

XY टेबल-संचालित उपकरण के लिए मुख्य तकनीकी पैरामीटर:

* लेजर: CO2 गैस लेजर (अर्ध-सीलबंद सीधी ट्यूब प्रकार)।

* लेजर पावर सप्लाई: इनपुट वोल्टेज 200V AC, आउटपुट वोल्टेज 0~30kV, अधिकतम आउटपुट करंट 100mA।

* लेजर आउटपुट पावर: 550W।

* कटिंग टेबल यात्रा: X-अक्ष 2300mm, Y-अक्ष 1300mm।

* कटिंग टेबल ड्राइव स्पीड (स्टेप एडजस्टेबल): 0.4~5.0 m/min, 0.2~2.5 m/min, 0.1~1.3 m/min, 0.05~0.6 m/min।

* टॉर्च ऊंचाई (Z-अक्ष) फ्लोटिंग यात्रा: 180mm।

* अधिकतम संसाधित शीट का आकार: 6mm मोटी * 1300mm * 2300mm।

* नियंत्रण उपकरण: NC विधि।

**2.3.3 टॉर्च-टेबल डुअल-ड्रिवेन कटिंग उपकरण**

टॉर्च-टेबल डुअल-ड्रिवेन कटिंग उपकरण टॉर्च-संचालित और XY टेबल-संचालित प्रकारों के बीच एक हाइब्रिड है। टॉर्च को एक गैन्ट्री पर स्थापित किया जाता है और गैन्ट्री बीम के साथ अनुप्रस्थ (Y-दिशा) में चलता है, जबकि कटिंग टेबल अनुदैर्ध्य (X-दिशा) में ड्राइव करती है। यह उच्च कटिंग सटीकता और स्थान बचाने के लाभों को जोड़ता है। स्थिति सटीकता ±0.01 मिमी है, कटिंग गति समायोजन रेंज 0~20m/min है, जिससे यह कटिंग उपकरण का व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला प्रकार बन गया है। इस प्रकार के बड़े मॉडल में 2000mm की Y-अक्ष यात्रा और 6000mm की X-अक्ष यात्रा हो सकती है, जो बड़े भागों को काटने में सक्षम है।

कुछ डिज़ाइनों में, लेजर ऑसिलेटर को भी टॉर्च के साथ गैन्ट्री पर लगाया जाता है। डुअल-ड्रिवेन उपकरणों के साथ गोलाकार छेदों को काटने की सटीकता काफी अच्छी है। उत्पादन दक्षता भी अधिक है; उदाहरण के लिए, यह 1 मिमी मोटी स्टील प्लेट में प्रति मिनट 10 मिमी व्यास के 46 छेद काट सकता है।

**2.3.4 एकीकृत कटिंग उपकरण**

एकीकृत कटिंग उपकरण में, लेजर स्रोत को मशीन फ्रेम पर स्थापित किया जाता है और इसके साथ अनुदैर्ध्य रूप से चलता है, जबकि टॉर्च और इसका ड्राइव तंत्र एक इकाई बनाते हैं जो फ्रेम के बीम पर अनुप्रस्थ रूप से चलता है। सीएनसी का उपयोग करके, विभिन्न आकार के भागों को काटा जा सकता है। ऑप्टिकल पथ लंबाई में परिवर्तन की भरपाई के लिए जो टॉर्च की अनुप्रस्थ गति के कारण होता है, एक सजातीय बीम को कटिंग क्षेत्र में सुनिश्चित करने और लगातार कट सतह गुणवत्ता बनाए रखने के लिए आमतौर पर एक ऑप्टिकल पथ लंबाई समायोजन घटक से लैस होता है।