Лазер непрерывного и квазинепрерывного действия в сварке

Характеристики распределения энергии

Одной из примечательных особенностей лазеров непрерывного излучения является их гауссово распределение энергии, при котором распределение энергии в поперечном сечении лазерного луча уменьшается от центра к периферии по гауссовой (нормальной) схеме. Эта характеристика распределения позволяет лазерам непрерывного излучения достигать чрезвычайно высокой точности фокусировки и эффективности обработки, особенно в приложениях, требующих концентрированного распределения энергии.

Диаграмма распределения энергии непрерывного лазерного излучения

Преимущества лазерной сварки непрерывного излучения (CW)

Микроструктурный аспект

Изучение микроструктуры металлов выявляет явные преимущества непрерывной лазерной сварки (НЛС) по сравнению с квазинепрерывной импульсной сваркой (КНЛС). КНЛС импульсная сварка, ограниченная своей частотой, обычно около 500 Гц, сталкивается с компромиссом между степенью перекрытия и глубиной проплавления. Низкая степень перекрытия приводит к недостаточной глубине, тогда как высокая степень перекрытия ограничивает скорость сварки, снижая эффективность. В отличие от этого, НЛС лазерная сварка, благодаря выбору соответствующих диаметров лазерного сердечника и сварочных головок, обеспечивает эффективную и непрерывную сварку. Этот метод оказывается особенно надежным в областях применения, требующих высокой герметичности.

Учет теплового воздействия

С точки зрения термического воздействия, импульсная лазерная сварка в режиме непрерывного нагрева (QCW) страдает от проблемы перекрытия, приводящей к многократному нагреву сварного шва. Это может вызвать несоответствия между микроструктурой металла и основным материалом, включая вариации размеров дислокаций и скорости охлаждения, тем самым увеличивая риск образования трещин. Лазерная сварка в режиме непрерывного нагрева (CW), напротив, позволяет избежать этой проблемы, обеспечивая более равномерный и непрерывный процесс нагрева.

Простота регулировки

С точки зрения эксплуатации и настройки, лазерная сварка в режиме QCW требует тщательной настройки нескольких параметров, включая частоту повторения импульсов, пиковую мощность, ширину импульса, коэффициент заполнения и многое другое. Лазерная сварка в режиме CW упрощает процесс настройки, фокусируясь в основном на форме волны, скорости, мощности и величине расфокусировки, что значительно облегчает эксплуатацию.

Технологический прогресс в непрерывной лазерной сварке

Хотя лазерная сварка в режиме быстрого непрерывного излучения (QCW) известна своей высокой пиковой мощностью и низким тепловым воздействием, что выгодно для сварки термочувствительных компонентов и материалов с очень тонкими стенками, достижения в технологии лазерной сварки в режиме непрерывного излучения (CW), особенно для высокомощных применений (обычно выше 500 Вт) и сварки с глубоким проплавлением на основе эффекта «замочной скважины», значительно расширили область ее применения и повысили эффективность. Этот тип лазера особенно подходит для материалов толщиной более 1 мм, обеспечивая высокое соотношение сторон (более 8:1) несмотря на относительно высокое тепловое воздействие.

Сварка квазинепрерывным лазером (QCW)

Сфокусированное распределение энергии

QCW, что означает «квазинепрерывная волна», обозначает лазерную технологию, в которой лазер излучает свет с перерывами, как показано на рисунке a. В отличие от равномерного распределения энергии одномодовых непрерывных лазеров, QCW-лазеры концентрируют свою энергию более плотно. Эта характеристика обеспечивает QCW-лазерам превосходную плотность энергии, что приводит к большей проникающей способности. Результирующий металлургический эффект напоминает форму «гвоздя» со значительным соотношением глубины к ширине, что позволяет QCW-лазерам превосходно работать в областях применения, связанных с высокоотражающими сплавами, термочувствительными материалами и прецизионной микросваркой.

Повышенная стабильность и снижение помех от шлейфа

Одним из существенных преимуществ лазерной сварки в режиме быстрой непрерывной волны (QCW) является ее способность снижать влияние металлического факела 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 факелом. Этот факел может экранировать поверхность материала от лазера, вызывая нестабильную подачу мощности и дефекты, такие как брызги, точки взрыва и ямки. Однако прерывистое излучение лазеров QCW (например, импульс длительностью 5 мс с последующей паузой в 10 мс) гарантирует, что каждый лазерный импульс достигает поверхности материала, не подверженной воздействию металлического факела, что приводит к заметно стабильному процессу сварки, особенно выгодному для сварки тонких листов.

Стабильная динамика расплавленной ванны

Динамика расплавленной ванны, особенно с точки зрения сил, действующих на сквозное отверстие, имеет решающее значение для определения качества сварного шва. Непрерывные лазеры, из-за длительного воздействия и больших зон термического воздействия, как правило, создают более крупные расплавленные ванны, заполненные жидким металлом. Это может привести к дефектам, связанным с большими расплавленными ваннами, таким как разрушение сквозного отверстия. В отличие от этого, сфокусированная энергия и более короткое время взаимодействия при лазерной сварке в режиме быстрой непрерывной волны концентрируют расплавленную ванну вокруг сквозного отверстия, что приводит к более равномерному распределению сил и меньшей вероятности образования пористости, трещин и брызг.