CW-лазер и QCW-лазер в сварке

Характеристики распределения энергии

Примечательным свойством лазеров непрерывного действия является их гауссово распределение энергии, где распределение энергии поперечного сечения лазерного луча уменьшается от центра наружу по гауссовой (нормальной) схеме распределения. Эта характеристика распределения позволяет лазерам непрерывного действия достигать чрезвычайно высокой точности фокусировки и эффективности обработки, особенно в приложениях, требующих концентрированного распределения энергии.

Диаграмма распределения энергии непрерывного лазера

Преимущества сварки лазером с непрерывной волной (CW)

Микроструктурная Перспектива

Изучение микроструктуры металлов выявляет явные преимущества сварки лазером непрерывной волны (CW) по сравнению с импульсной сваркой квазинепрерывной волны (QCW). Импульсная сварка QCW, ограниченная пределом частоты, обычно около 500 Гц, сталкивается с компромиссом между скоростью перекрытия и глубиной проплавления. Низкая скорость перекрытия приводит к недостаточной глубине, тогда как высокая скорость перекрытия ограничивает скорость сварки, снижая эффективность. Напротив, лазерная сварка CW, благодаря выбору соответствующих диаметров лазерного сердечника и сварочных головок, обеспечивает эффективную и непрерывную сварку. Этот метод оказывается особенно надежным в приложениях, требующих высокой герметичности.

Рассмотрение термического воздействия

С точки зрения термического воздействия, сварка лазером импульсом QCW страдает от проблемы перекрытия, что приводит к повторному нагреву сварного шва. Это может привести к несоответствиям между микроструктурой металла и исходным материалом, включая различия в размерах дислокаций и скоростях охлаждения, тем самым увеличивая риск образования трещин. С другой стороны, сварка лазером CW позволяет избежать этой проблемы, обеспечивая более равномерный и непрерывный процесс нагрева.

Простота настройки

С точки зрения эксплуатации и настройки, сварка лазером QCW требует тщательной настройки нескольких параметров, включая частоту повторения импульсов, пиковую мощность, ширину импульса, рабочий цикл и т. д. Сварка лазером CW упрощает процесс настройки, уделяя основное внимание форме волны, скорости, мощности и величине расфокусировки, что значительно упрощает эксплуатацию.

Технологический прогресс в области сварки непрерывным лазером

В то время как QCW лазерная сварка известна своей высокой пиковой мощностью и низким тепловым вводом, что выгодно для сварки термочувствительных компонентов и чрезвычайно тонкостенных материалов, достижения в технологии CW лазерной сварки, особенно для высокомощных применений (обычно более 500 Вт) и сварки с глубоким проникновением на основе эффекта замочной скважины, значительно расширили область ее применения и эффективность. Этот тип лазера особенно подходит для материалов толщиной более 1 мм, достигая высоких соотношений сторон (более 8:1) несмотря на относительно высокий тепловой ввод.

Лазерная сварка с квазинепрерывной волной (QCW)

Целенаправленное распределение энергии

QCW, что означает «квазинепрерывная волна», представляет собой лазерную технологию, в которой лазер излучает свет прерывистым образом, как показано на рисунке a. В отличие от равномерного распределения энергии одномодовых непрерывных лазеров, лазеры QCW концентрируют свою энергию более плотно. Эта характеристика обеспечивает лазерам QCW превосходную плотность энергии, что приводит к более сильным проникающим способностям. Результирующий металлургический эффект похож на форму «гвоздя» со значительным отношением глубины к ширине, что позволяет лазерам QCW преуспевать в приложениях, связанных со сплавами с высокой отражательной способностью, термочувствительными материалами и прецизионной микросваркой.

Повышенная устойчивость и снижение помех от струи

Одним из выраженных преимуществ лазерной сварки QCW является ее способность смягчать влияние металлического шлейфа на скорость поглощения материала, что приводит к более стабильному процессу. Во время взаимодействия лазера с материалом интенсивное испарение может создавать смесь металлического пара и плазмы над ванной расплава, обычно называемую металлическим шлейфом. Этот шлейф может экранировать поверхность материала от лазера, вызывая нестабильную подачу мощности и дефекты, такие как разбрызгивание, точки взрыва и ямки. Однако прерывистое излучение лазеров QCW (например, 5-миллисекундный всплеск с последующей 10-миллисекундной паузой) гарантирует, что каждый лазерный импульс достигает поверхности материала, не затронутой металлическим шлейфом, что приводит к заметно стабильному процессу сварки, особенно выгодному для сварки тонких листов.

Динамика стабильного расплавленного бассейна

Динамика ванны расплава, особенно с точки зрения сил, действующих на замочную скважину, имеет решающее значение для определения качества сварки. Непрерывные лазеры из-за их длительного воздействия и больших зон термического воздействия, как правило, создают более крупные ванны расплава, заполненные жидким металлом. Это может привести к дефектам, связанным с большими ваннами расплава, таким как разрушение замочной скважины. Напротив, сфокусированная энергия и более короткое время взаимодействия лазерной сварки QCW концентрируют ванну расплава вокруг замочной скважины, что приводит к более равномерному распределению силы и снижению частоты пористости, трещин и разбрызгивания.