CW-лазер и QCW-лазер в сварке

Характеристики распределения энергии

Примечательной особенностью непрерывных лазеров является их гауссово распределение энергии, при котором распределение энергии в поперечном сечении лазерного луча уменьшается от центра к краям по гауссовой (нормальной) схеме. Эта характеристика распределения позволяет непрерывным лазерам достигать чрезвычайно высокой точности фокусировки и эффективности обработки, особенно в приложениях, требующих концентрированного распределения энергии.

Диаграмма распределения энергии непрерывного лазера

Преимущества сварки непрерывным лазером (CW)

Микроструктурная перспектива

Изучение микроструктуры металлов выявляет явные преимущества лазерной сварки непрерывным излучением (CW) по сравнению с квазинепрерывной импульсной сваркой (QCW). Импульсная сварка QCW, ограниченная частотой, обычно около 500 Гц, сталкивается с необходимостью компромисса между скоростью перекрытия и глубиной проплавления. Низкая скорость перекрытия приводит к недостаточной глубине, тогда как высокая скорость перекрытия ограничивает скорость сварки, снижая эффективность. В отличие от этого, лазерная сварка непрерывным излучением, благодаря выбору подходящего диаметра сердечника лазера и сварочных головок, обеспечивает эффективную и непрерывную сварку. Этот метод особенно надежен в условиях, требующих высокой герметичности.

Учет теплового воздействия

С точки зрения термического воздействия, сварка импульсным лазером непрерывного тока (QCW) страдает от проблемы перекрытия, приводящей к многократному нагреву сварного шва. Это может привести к нарушению микроструктуры металла и основного материала, включая различия в размерах дислокаций и скорости охлаждения, что повышает риск образования трещин. С другой стороны, сварка непрерывным лазером 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 множества параметров, включая частоту повторения импульсов, пиковую мощность, длительность импульса, рабочий цикл и другие. Сварка лазером CW упрощает процесс настройки, уделяя основное внимание форме сигнала, скорости, мощности и величине расфокусировки, что значительно упрощает эксплуатацию.

Технологический прогресс в области сварки непрерывным лазером

Хотя сварка лазером QCW известна своей высокой пиковой мощностью и низким тепловложением, что выгодно для сварки термочувствительных компонентов и сверхтонкостенных материалов, достижения в технологии сварки непрерывным лазером, особенно для применения в области высокой мощности (обычно более 500 Вт) и сварки с глубоким проплавлением, основанной на эффекте «замочной скважины», значительно расширили область применения и эффективность этого метода. Этот тип лазера особенно подходит для материалов толщиной более 1 мм, обеспечивая высокое соотношение сторон (более 8:1) несмотря на относительно высокое тепловложение.

Квазинепрерывная лазерная сварка (QCW)

Целенаправленное распределение энергии

QCW (квазинепрерывная волна) – это лазерная технология, в которой лазер излучает свет прерывисто, как показано на рисунке a. В отличие от равномерного распределения энергии одномодовых непрерывных лазеров, QCW-лазеры концентрируют энергию более плотно. Эта характеристика обеспечивает QCW-лазерам превосходную плотность энергии, что обеспечивает большую проникающую способность. Получающийся металлургический эффект напоминает форму «гвоздя» со значительным отношением глубины к ширине, что позволяет QCW-лазерам успешно применяться в областях, связанных со сплавами с высокой отражательной способностью, термочувствительными материалами и прецизионной микросваркой.

Повышенная стабильность и уменьшение помех от струи

Одним из явных преимуществ лазерной сварки QCW является её способность снижать 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 расплавленной ванной, обычно называемую металлическим шлейфом. Этот шлейф может экранировать поверхность материала от лазера, что приводит к нестабильной подаче энергии и появлению таких дефектов, как разбрызгивание, точки взрыва и язвы. Однако прерывистое излучение лазеров QCW (например, 5-миллисекундная вспышка с последующей 10-миллисекундной паузой) гарантирует, что каждый лазерный импульс достигает поверхности материала, не подвергаясь воздействию металлического шлейфа, что обеспечивает заметно более стабильный процесс сварки, особенно выгодный для сварки тонких листов.

Динамика стабильной расплавленной ванны

Динамика расплавленной ванны, особенно с точки зрения сил, действующих на замочную скважину, имеет решающее значение для определения качества сварного шва. Непрерывные лазеры, ввиду длительного воздействия и большей зоны термического влияния, склонны создавать более крупные ванны расплава, заполненные жидким металлом. Это может привести к дефектам, связанным с большими ваннами расплава, таким как схлопывание замочной скважины. В отличие от этого, сфокусированная энергия и более короткое время взаимодействия при сварке квазинепрерывным лазером концентрируют ванну расплава вокруг замочной скважины, что приводит к более равномерному распределению сил и снижению пористости, трещин и разбрызгивания.