Laser Cutting of Stainless Steel

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स्टेनलेस स्टील के बारे में सामान्य जानकारी

स्टेनलेस स्टील की मिश्रधातुओं (alloys) में मिश्रक तत्व के रूप में कम से कम 12 % क्रोमियम होता है। पॉलिश्ड स्टेनलेस स्टील की सतह दर्पण जैसी चमक, लंबी सेवा अवधि और स्व-उपचार (self-healing) गुण रखती है। उच्च संक्षारण-प्रतिरोध (corrosion resistance) मिश्रधातु तत्वों के अघुलनशील ऑक्साइडों से बनी एक ऑक्साइड फ़िल्म से आता है — यह फ़िल्म वायुमंडलीय ऑक्सीजन के संपर्क में आते ही स्वयं नवीनीकृत हो जाती है। यह कोटिंग किसी भी क्षति के बाद अपनी अखंडता स्वयं बहाल कर लेती है।

मिश्रक तत्वों के रूप में निम्न का प्रयोग होता है: क्रोमियम, निकल, सिलिकॉन, मैंगनीज़, मॉलिब्डेनम, टंगस्टन, नायोबियम, बोरॉन, तांबा, वैनेडियम, टाइटेनियम आदि। मिश्रक तत्वों का प्रतिशत और alloying प्रक्रिया स्टील के भौतिक, यांत्रिक और रासायनिक गुण निर्धारित करती है।

लौह धातु को संक्षारण-रोधी गुण क्रोमियम और निकल जोड़ने से मिलते हैं — ये ही स्टील को हल्का रंग और चमक देते हैं। निकल वाली मिश्रधातु ऑक्सीजन की उपस्थिति में लोहे के पानी से अंतःक्रिया को रोकती है। 12 % से अधिक क्रोमियम होने पर धातु की सतह पर तुरंत एक समान सुरक्षात्मक फ़िल्म बन जाती है, जो ऑक्सीजन के अणुओं और लोहे के परमाणुओं के बीच रासायनिक प्रतिक्रिया को रोक देती है।

Alloy स्टील्स का वर्गीकरण

Alloying की मात्रा के अनुसार:

कम-मिश्रित स्टील — मिश्रक तत्व 2.5 % तक;
मध्यम-मिश्रित स्टील — मिश्रक तत्व 2.5 से 10 % तक;
उच्च-मिश्रित स्टील — मिश्रक तत्व 10 से 50 % तक।

गुणों के अनुसार:

सामान्य और उच्च मज़बूती वाले;
ठंड-प्रतिरोधी;
ऊष्मा-प्रतिरोधी (heat-resistant);
वायुमंडलीय और समुद्री जल के संक्षारण के प्रति प्रतिरोधी;
ऊष्मीय और थर्मो-केमिकल उपचार से कठोर होने योग्य आदि।

उपयोग के अनुसार:

संरचनात्मक मिश्रित स्टील्स. वेल्डेड संरचनाओं के निर्माण में।
यांत्रिक निर्माण स्टील्स. मशीनों और मेकैनिज़्म के पुर्ज़े, बॉडी संरचनाएँ आदि।
टूल स्टील्स. उपकरण निर्माण में।

स्टेनलेस स्टील की मशीनिंग की कठिनाइयाँ

ये कठिनाइयाँ मिश्रधातु के गुणों से जुड़ी हैं:

मिश्रक तत्वों की उच्च मात्रा के कारण कट सतह पर slag बनने की संभावना रहती है;
हीटिंग ज़ोन में refractory oxides बनते हैं, जिससे cut line पर laser का गुज़रना कठिन हो जाता है और ऊर्जा खपत बढ़ जाती है;
उच्च-क्रोमियम और क्रोमियम-निकल स्टील्स की fluidity कम होती है, जो cutting प्रक्रिया को और जटिल बनाती है।

स्टेनलेस स्टील की कटिंग प्रक्रिया

प्रक्रिया चरणों में होती है:

गरम करना (heating);
पिघलाना (melting);
सामग्री के विघटन से बने तत्वों का धीरे-धीरे वाष्पीकरण।

Laser beam ऊष्मा का स्रोत है, जिसमें अत्यधिक उच्च तापमान पर अत्यधिक केंद्रित गैस एकत्र होती है। इस beam का cross-section 10–20 µm और शक्ति घनत्व 100 MW/cm² होता है। इतनी छोटी जगह पर यह ऊर्जा सामग्री को तुरंत पिघलाने के लिए पर्याप्त से अधिक है। थर्मो-फिज़िकल प्रक्रिया के कारण स्टील अलग हो जाती है, और धातु की संरचना केवल संपर्क क्षेत्र में बदलती है।

स्टेनलेस स्टील की विशेषताएँ

इस स्टील का आधार लोहे का द्रव्यमान है, जिसमें क्रोमियम मिला होता है। निर्माता के अनुसार गुणों को बेहतर बनाने के लिए निकल और अन्य मिश्रक यौगिक जोड़े जाते हैं।

स्टेनलेस स्टील में उच्च संक्षारण-प्रतिरोध और लंबा सेवा-काल होता है (कई दशक)। कई वर्षों के उपयोग के बाद भी इसके गुण नहीं बदलते। स्टेनलेस स्टील का व्यापक उपयोग शीट्स, मेश, पाइपलाइनों आदि के उत्पादन में होता है।

मुख्य मिश्रक तत्व

निकल. ऑस्टेनिटिक श्रेणी के स्टेनलेस स्टील में मौजूद; यह ऊर्जा युग्मन (energy coupling) और ऊष्मा विनिमय को प्रभावित करता है, और दी गई laser शक्ति पर कटे जा सकने वाली मोटाई को सीमित करता है।
क्रोमियम. Ferrite-forming घटक। अकेले मिश्रक के रूप में और अन्य पदार्थों के साथ संयोजन में, दोनों रूपों में प्रयुक्त। इसका जुड़ना solidification तापमान अंतराल को बढ़ाता है, और ductility घटाए बिना मज़बूती व कठोरता बढ़ाता है। 1 % पर ही यांत्रिक गुण सुधरते हैं; 5 % पर ऊष्मा-प्रतिरोध बढ़ता है; acid- और heat-resistant alloys में क्रोमियम और भी अधिक मात्रा में होता है, जो 28 % तक पहुँच सकता है।
सिलिकॉन. Ferrite-forming घटक। विस्कोसिटी पर असर नहीं डालता, लेकिन tensile strength, yield, magnetic permeability और विद्युत चालकता बढ़ाता है। Ductility, acid resistance और strength बेहतर करता है।
मैंगनीज़. Austenite-forming पदार्थ; hardenability सुधारता है और धातु की fluidity threshold बढ़ाता है। अपघर्षण और impact loads के विरुद्ध प्रतिरोध बढ़ाता है।
मॉलिब्डेनम. Hardness, strength और hardenability को उल्लेखनीय रूप से बढ़ाता है। सर्वाधिक मात्रा heat-resistant और high-speed steels में होती है; structural ग्रेड्स में आमतौर पर 0.4 % से अधिक नहीं होती।
टंगस्टन. Carbide-forming additive, जो strength और hardness बढ़ाता है। High-speed tool alloys में 18 % तक डाला जाता है और hot strength तथा impact resistance को optimize करता है।
नायोबियम. सशक्त carbide-forming तत्व। स्टेनलेस alloys में intergranular corrosion को कम करने के लिए, और manganese वाले स्टील्स में temper brittleness घटाने के लिए जोड़ा जाता है।
बोरॉन. Hardenability बढ़ाता है। महँगे मॉलिब्डेनम और निकल का बेहतरीन विकल्प।
तांबा. इसका योग yield strength, ductility और corrosion processes के विरुद्ध प्रतिरोध बढ़ाता है। जहाज़ निर्माण में पतवार के पानी के नीचे वाले भाग पर शैवाल (algae) और सीप (barnacle) चिपकने की समस्या को प्रभावी ढंग से हल करता है।
वैनेडियम. Carbide-forming agent, जो strength बढ़ाता है और toughness बढ़ाता है। Vanadium युक्त alloys उत्कृष्ट impact resistance और तनावों के प्रति निष्क्रियता दिखाते हैं, परंतु बहुत महँगे होते हैं।
टाइटेनियम. कार्बन को स्थिर carbides में बाँधकर austenite grains को छोटा करता है और intergranular corrosion के प्रति प्रवृत्ति घटाता है। Acid resistance बढ़ाता है और अन्य carbide-formers के साथ मिलकर स्टील के self-hardening को बढ़ावा देता है।

Inert गैस और ऑक्सीजन के साथ स्टेनलेस स्टील की laser कटिंग

Inert और सच्ची inert गैस के साथ laser कटिंग — स्टेनलेस स्टील के लिए सबसे व्यापक रूप से प्रयोग की जाने वाली प्रक्रिया है। ऑक्सीजन के साथ laser कटिंग भी उन मामलों में प्रयुक्त होती है जहाँ कटे हुए किनारे का oxidation महत्वपूर्ण नहीं है। नीचे inert गैस (नाइट्रोजन) और active गैस (ऑक्सीजन) को assist गैस के रूप में लेकर स्टेनलेस स्टील की laser कटिंग, तथा दोनों प्रक्रियाओं के लिए कार्यस्थल सुरक्षा संबंधी मुद्दों पर चर्चा है।

Inert गैस के साथ laser कटिंग प्रक्रिया (laser fusion cutting भी कही जाती है) में laser beam ही एकमात्र ऊष्मा-स्रोत है, और उच्च-दाब वाली inert गैस की धारा पिघले हुए पदार्थ को बाहर निकालने के लिए यांत्रिक बल प्रदान करती है।

स्टेनलेस स्टील की thermal conductivity अपेक्षाकृत कम होती है, जिसके चलते उन्हें अपेक्षाकृत उच्च गति से काटा जा सकता है, क्योंकि ऊर्जा cutting front पर बनी रहती है और cutting edge के आगे material में फैलने के बजाय वहीं रुकती है।

नाइट्रोजन इस कटिंग तकनीक में सबसे आम assist गैस है, क्योंकि यह सस्ती है और argon व helium जैसी सच्ची inert गैसों की तुलना में रासायनिक रूप से कम सक्रिय है।

नाइट्रोजन से कटिंग पर उच्च गुणवत्ता वाले cutting edges मिलते हैं, और cutting speed आमतौर पर ऑक्सीजन-कटिंग से अधिक होती है।

पिघली हुई सामग्री की उच्च viscosity के कारण material के निचले edge पर adhesion नाइट्रोजन कटिंग में समस्या हो सकती है, परंतु यह आमतौर पर बहुत उच्च assist गैस दाब के प्रयोग से सुलझ जाती है। जब cutting edge की गुणवत्ता cutting speed से अधिक महत्वपूर्ण हो, तब उच्च-दाब वाली नाइट्रोजन का उपयोग किया जाता है।

स्टेनलेस स्टील, उच्च-मिश्रित स्टील, एल्युमिनियम और निकल alloys को काटने के लिए नाइट्रोजन पसंदीदा गैस है; कटे हुए स्थान से पिघली हुई सामग्री को बाहर निकालने के लिए उच्च गैस दाब की आवश्यकता पड़ती है। उच्च गैस दाब cut से पिघली हुई सामग्री बाहर उड़ाने के लिए अतिरिक्त यांत्रिक बल देता है। स्टेनलेस स्टील पर उच्च-दाब नाइट्रोजन कटिंग करने पर चमकदार, oxide-रहित किनारा मिलता है, परंतु प्रसंस्करण गति argon या helium की तुलना में कम होती है।

Inert गैस कटिंग की मुख्य समस्या — kerf के नीचे जमा हुई सामग्री के burrs बनना। इसका हल मुख्य प्रसंस्करण मापदंडों के optimization में है: nozzle का व्यास, focus की स्थिति और गैस दाब।

नाइट्रोजन का दाब 10–20 bar की सीमा में होता है, और सामग्री की मोटाई बढ़ने पर दाब बढ़ता है। नाइट्रोजन गैस की शुद्धता 99.8 % से ऊपर होनी चाहिए।