Hot- and Cold-Rolled Steel: Defects Affecting Laser Cutting

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कोल्ड-रोल्ड (CR) और हॉट-रोल्ड (HR) शीट्स में अंतर — कौन-सी चुनें

रोलिंग (दबाव में shaping) से प्राप्त उत्पादों में प्रक्रिया के अनुसार पर्याप्त अंतर होते हैं। हॉट-रोल्ड और कोल्ड-रोल्ड के गुणों में अंतर का कारण उत्पादन प्रक्रिया का तापमान है।

मुख्य अंतर:

हॉट रोलिंग के लिए कच्चा माल है स्लैब (slab); कोल्ड रोलिंग के लिए — हॉट-रोल्ड शीट।
हॉट-रोल्ड के विपरीत, कोल्ड-रोल्ड में निर्माता केवल उच्च गुणवत्ता वाली स्टील ग्रेड का प्रयोग करते हैं।
कोल्ड-रोल्ड शीट की मोटाई वितरण अधिक एक समान होती है और वेल्डिंग में warp नहीं होती; इसीलिए यह उपकरण-निर्माण, ऑटोमोटिव और एयरोस्पेस में पसंद की जाती है।
कोल्ड-रोल्ड शीट की मोटाई 5 mm से अधिक नहीं होती; हॉट-रोल्ड में 200 mm तक।
आयामी सटीकता (कोण, लंबाई, चौड़ाई) कोल्ड-रोल्ड में अधिक होती है।
कोल्ड-रोल्ड शीट मोड़ने पर crack नहीं करती।
मज़बूती, टिकाऊपन और विश्वसनीयता में HR और CR के बीच कोई अंतर नहीं।

हॉट-रोल्ड शीट

हॉट-रोल्ड स्टील शीट एक flat product है, जिसकी मोटाई इसकी लंबाई और चौड़ाई से कई गुना कम होती है। इसे हॉट रोलिंग विधि से बनाया जाता है — यही प्रक्रिया उत्पाद को नाम देती है।

HR दोष

1. आयाम और आकार की अशुद्धि। मोटाई, लंबाई, चौड़ाई में विचलन; अनुदैर्ध्य और अनुप्रस्थ मोटाई का भिन्नता; तरंगन (waviness)।

कारण: mill की ग़लत setting, rolling (deformation) regime का उल्लंघन।
उच्च अनुदैर्ध्य मोटाई-भिन्नता — खराब roll profiling और उनके बड़े पहनाव से।
तरंगन (waviness) — strip की side edges के पास इन क्षेत्रों में अधिक reduction के कारण बनती है। निवारण: roll के crown को बढ़ाना या reduction कम करना।

2. धातु की निरंतरता का उल्लंघन। Through cracks, cracks, फटे edges, lamination आदि।

कारण: मुख्यतः metallurgical — गलाने, deoxidation और casting तकनीक का उल्लंघन।
Rolling origin:
1. Through cracks — वहाँ बनते हैं जहाँ धातु में ductility में तेज़ कमी होती है।
2. ऐसे स्थान — continuous non-metallic inclusions और अंदर oxidized bubbles, जिनसे cracks और फटे edges होते हैं। साथ ही जब rolling से पहले metal को अधिक गर्म या burn किया जाता है।
Scabs (slivers) — जीभ के आकार के delaminations। कारण: ingot origin (casting के दौरान बनते हैं), surface layer में non-metallic inclusions, gas bubbles का खुलना, ingots और slabs की सतह पर गहरे grooves।
Lamination — आंतरिक धातु परतों में non-metallic inclusions से भारी प्रदूषण।

3. Rolled product के surface defects। Rolled-in scale, खरोंच, rolls की सतह से छाप।

4. असंतोषजनक structure और physico-mechanical properties। यदि chemical composition सही है, तो structure और properties में विचलन के कारण deformation regimes का उल्लंघन है, विशेषकर अंतिम passes में, और निर्धारित finish-rolling तथा coiling तापमानों का पालन न करना।

कोल्ड-रोल्ड शीट

CR शीट flat-rolled उत्पाद का एक प्रकार है, जो cold rolling विधि से निर्मित होती है।

दोषों के उभार को CR उत्पादों की कम मोटाई बढ़ावा देती है, जो HR की तुलना में काफी कम है।

समरूपता के उल्लंघन से दरारें, छेद, फटे edges और lamination बनते हैं — ये कच्चे माल की निम्न गुणवत्ता या निर्माता के तकनीकी उल्लंघनों के संकेत हैं।

Surface दोषों में: dark stripes, उभार, दबाव-छाप, साथ ही under-pickling और over-pickling। ये प्रक्रिया, विशेषकर pickling, के उल्लंघन का परिणाम हैं। ये गलत oxidation, rolls की सतह पर dents/protrusions से भी हो सकते हैं।

Rolled-in surface crumb — एक अन्य दोष, जो strip और rolls की सतहें rolling से पहले अच्छी तरह साफ न होने पर पैदा होता है।

CR शीट HR शीट से बनाई जाती है, जिससे scale को acid pickling द्वारा हटा दिया जाता है। फिर pickled HR शीट को बिना preheating mill से गुजारा जाता है, जब तक आवश्यक मोटाई न मिल जाए। अंतिम चरण है annealing, जिससे आवश्यक properties प्राप्त होती हैं। CR शीट coils या sheets में आपूर्ति की जाती है।

CR दोष

1. धातु की integrity का उल्लंघन — rolls का घिसाव।

चूँकि CR शीट्स आमतौर पर HR से काफी पतली होती हैं, मुख्य दोष होते हैं: अनुप्रस्थ और अनुदैर्ध्य मोटाई की भिन्नता, तरंगन, और buckling। इनका निवारण optimal roll profiling, counter-bending, और rolling process के automatic control से होता है।

ऐसे दोषों (छेद, दरारें, फटे edges, scabs, lamination) का मुख्य कारण मूल HR feedstock की खराब गुणवत्ता है। फिर भी कुछ दोष ग़लत rolling के कारण भी पैदा हो सकते हैं। जब longitudinal fold बनाने की प्रवृत्ति वाली buckled strips को rolls में feed किया जाता है, तो deformation zone में strip का एक भाग दूसरे की तुलना में shift हो जाता है। सतह पर rolling direction से कुछ कोण पर हल्की lines प्रकट होती हैं — इस दोष को shear mark (या "herringbone" यदि lines अनुदैर्ध्य रूप से symmetric हों) कहा जाता है। कारण: roll profiling का असंगत चयन, strip की चौड़ाई पर reduction का असमान वितरण।

2. Pickling में उल्लंघन।

HR strip के pickling के दौरान under-pickling और over-pickling दोनों संभव हैं। पहले मामले में सतह पर dark stripes या undescaled scale के धब्बे रह जाते हैं; दूसरे में metal की सतह खुरदुरी और acid solution से corroded हो जाती है। इन दोषों के लिए pickling regime बदलना आवश्यक होता है।

Rolling के दौरान strip surface पर कभी-कभी dents (गड्ढे) या bumps (उभार) बनते हैं। विभिन्न आकार और size के dent-impressions आमतौर पर metal particles के rolls पर welding से बनते हैं — इस स्थिति में rolls की सतह को साफ करना ज़रूरी होता है, जैसे emery cloth या abrasive stone से। Bumps तब बनते हैं जब rolls की सतह पर dents या pits (spalling से) होते हैं; severe surface defects वाले rolls को बदला जाना चाहिए।

CR शीट्स और strips का एक सामान्य दोष: rolled-in metallic crumb। यह strip की सतह पर metal particles गिरने से बनता है; अक्सर ये particles strip की edges से टूटते हैं जब उन पर cracks या burrs होते हैं।

जब metal guide hardware के sharp edges से contact करता है, transport के दौरान और अन्य operations में, strip surface पर scratches और scores आते हैं। ये coil में strip के windings के relative slippage से भी हो सकते हैं — winding, unwinding और movement के दौरान।

3. Annealing में उल्लंघन।

कुछ surface defects CR metal के annealing के दौरान बनते हैं। यदि rolling के बाद metal की सतह पर technological lubricant (emulsion) के अवशेष काफी मात्रा में रह जाते हैं, तो annealing के दौरान dark spots और streaks आ सकते हैं, मुख्यतः strip या sheet की edges के पास। इस दोष को अक्सर emulsion burn-on कहा जाता है। बचाव के लिए: बहुत सांद्र emulsions का प्रयोग न करें और rolling के बाद lubricant residue को अधिकतम सीमा तक हटाएँ — उदाहरण के लिए air-blowing से।

सारांश

Structure और physico-mechanical properties में विचलन मुख्यतः निर्धारित heat-treatment regimes के पालन पर निर्भर करता है। साथ ही, deformation regimes का भी बहुत प्रभाव होता है, जिन्हें final properties के अनुसार चुनना चाहिए। एक अलग समस्या है — short thermal cycle, shallow heat-affected zone आदि के कारण शीट में internal stresses।

Cutting में operators को आने वाली समस्याएँ

Internal stresses

सामान्यतः internal stresses पूरी तरह संतुलित होती हैं और शीट पर कोई दृश्य प्रभाव नहीं डालतीं, जब तक यह संतुलन किसी कारण से नहीं बिगड़ता। संतुलन बिगड़ने पर (बाहरी load, machining allowance के रूप में सतह की एक परत हटाना, या cutting), शीट तब तक deform होती है जब तक stresses के पुनर्वितरण से नया equilibrium न आ जाए। ऐसी deformations को residual deformations कहा जाता है।

Internal stresses का सीधा कारण metal के macro- और micro-volumes में linear या volumetric परिवर्तनों की non-uniformity है।

Laser cutting के उच्च तापमानों पर phase transformations होते हैं: धातु की structure बदलती है, crystal lattice और unit-cell volume बदलते हैं, और internal stresses उत्पन्न होते हैं।

System non-uniform हो जाती है। Laser action के क्षेत्र (workpiece) में bulk material से भिन्न properties वाले क्षेत्र बनते हैं। यदि उनकी concentration significant हो जाए और ये stresses एक threshold पार कर जाएँ, तो system (sheet, part, sample) अस्थिर हो जाती है और deform होती है।

"Deformation-free" laser processing की बात को ऐसे समझना चाहिए: ये deformations पारंपरिक heat-treatment विधियों की तुलना में कहीं छोटी हो सकती हैं (शायद orders of magnitude तक), पर वे मौजूद हैं। Technologist का काम है कारणों को समझना और न्यूनतम करना — laser beam ऐसी संभावनाएँ देता है।

Laser cutting में heat input metal की सतह पर सबसे अधिक होता है और नीचे की परतों में कम। Metal गर्म होकर फैलता है, पर surface temperature अधिक होने के कारण ऊपरी fibers अधिक elongate होते हैं; निचले fibers की कम elongation के कारण metal में internal stresses पैदा होते हैं। जब internal stress critical value (ऊपरी fibers की elongation निचले fibers की कई गुना अधिक) तक पहुँचती है, तब workpiece ऊपर की ओर मुड़ जाती है (bowing), और irreversible structural changes के कारण ये deformations plastic (irreversible) होती हैं।

Laser cutting में thermal deformations से निपटने के तरीके

Cutting से पहले शीट का stress state। यदि शीट पहले heat-treated नहीं हुई हो, तो internal stresses हटाने के लिए annealing या tempering लागू करें।
Parts के overall dimensions (linear size और मोटाई)। Part की मोटाई जितनी अधिक और linear size/मोटाई का अनुपात जितना कम, उतनी ही कम deformation — uniform heating के कारण।
शीट का clamping। Clamps या अन्य fixtures से शीट को सुरक्षित करें। पूरी तरह ठंडा होने के बाद बचे micro-joints को काटने वाली continuous cutting तकनीक की सिफारिश की जाती है।
Cutting के बाद scrap। न्यूनतम deformation तब प्राप्त होती है जब cut किए जाने वाले part का area उस blank के area के बराबर हो जिससे वह कट रहा है — इस स्थिति में scrap part से अधिक deform होता है। Precision cutting में scrap part से अधिक मुक्तता से हिल सके — यह बेहतर होता है।
Cutting speed। अधिक speed cut की unit length द्वारा absorbed heat को घटाती है, जिससे deformation कम होती है।
Cutting के दौरान शीट की position। शीट local heating के तहत न झुके। बहुत सारी slats वाले tables पसंदीदा।
Uniform heating internal stresses को काफी कम करती है। Straight cut में बीच से किनारों की ओर cutting का प्रयोग करें। Nesting में parts का सही sorting; complex parts को sections में काटें, ideally विपरीत दिशा में; back-step method का प्रयोग करें इत्यादि।
Additional cooling by air-blowing।
Pulsed cutting mode।
Piercing pre-pierce-holes function के साथ करें।
शीट की दिखाई देने वाली buckling ("शीट का पेट") में: defect-side ऊपर रखें; parts के बीच proper spacing (≥10 mm); micro-joints का प्रयोग करें; common cuts में सही micro-joints के साथ शीट को पलट सकते हैं।

ध्यान रखें: cutting से पहले शीट rust-free और degreased होनी चाहिए। यदि शीट oiled आई हो — उसे पोंछ दें।