Laser CW i laser QCW w spawaniu

Charakterystyka dystrybucji energii

Godną uwagi cechą laserów CW jest ich rozkład energii Gaussa, gdzie rozkład energii przekroju poprzecznego wiązki lasera zmniejsza się od środka na zewnątrz zgodnie ze wzorem Gaussa (rozkład normalny). Ta charakterystyka rozkładu pozwala laserom CW osiągnąć niezwykle wysoką precyzję ogniskowania i wydajność przetwarzania, szczególnie w zastosowaniach wymagających skoncentrowanego rozmieszczenia energii.

Schemat rozkładu energii lasera CW

Zalety spawania laserowego falą ciągłą (CW)

Perspektywa mikrostrukturalna

Badanie mikrostruktury metali ujawnia wyraźne zalety spawania laserowego z ciągłą falą (CW) nad spawaniem impulsowym Quasi-Continuous Wave (QCW). Spawanie impulsowe QCW, ograniczone przez limit częstotliwości, zwykle około 500 Hz, staje w obliczu kompromisu między szybkością nakładania się a głębokością penetracji. Niska szybkość nakładania się skutkuje niewystarczającą głębokością, podczas gdy wysoka szybkość nakładania się ogranicza prędkość spawania, zmniejszając wydajność. Natomiast spawanie laserowe CW, poprzez dobór odpowiednich średnic rdzenia lasera i głowic spawalniczych, zapewnia wydajne i ciągłe spawanie. Ta metoda okazuje się szczególnie niezawodna w zastosowaniach wymagających wysokiej integralności uszczelnienia.

Rozważenie wpływu termicznego

Z punktu widzenia wpływu termicznego spawanie laserowe impulsowe QCW cierpi na problem nakładania się, co prowadzi do powtarzającego się nagrzewania spoiny. Może to powodować niespójności między mikrostrukturą metalu a materiałem macierzystym, w tym zmiany w rozmiarach dyslokacji i szybkości chłodzenia, zwiększając tym samym ryzyko pękania. Spawanie laserowe CW z kolei unika tego problemu, zapewniając bardziej równomierny i ciągły proces nagrzewania.

Łatwość regulacji

Pod względem obsługi i regulacji, spawanie laserowe QCW wymaga skrupulatnego dostrojenia kilku parametrów, w tym częstotliwości powtarzania impulsów, mocy szczytowej, szerokości impulsu, współczynnika wypełnienia i innych. Spawanie laserowe CW upraszcza proces regulacji, skupiając się głównie na kształcie fali, prędkości, mocy i wielkości rozogniskowania, znacznie ułatwiając obsługę.

Postęp technologiczny w spawaniu laserowym CW

Podczas gdy spawanie laserowe QCW jest znane z wysokiej mocy szczytowej i niskiego wkładu cieplnego, korzystnego dla spawania wrażliwych na ciepło elementów i materiałów o ekstremalnie cienkich ściankach, postęp w technologii spawania laserowego CW, szczególnie w zastosowaniach o dużej mocy (zwykle powyżej 500 watów) i spawaniu z głęboką penetracją opartym na efekcie dziurki od klucza, znacznie rozszerzył zakres zastosowań i wydajność. Ten typ lasera jest szczególnie odpowiedni do materiałów grubszych niż 1 mm, osiągając wysokie współczynniki kształtu (ponad 8:1) pomimo stosunkowo wysokiego wkładu cieplnego.

Spawanie laserowe metodą quasi-ciągłej fali (QCW)

Skoncentrowana dystrybucja energii

QCW, skrót od „Quasi-Continuous Wave”, oznacza technologię laserową, w której laser emituje światło w sposób nieciągły, jak pokazano na rysunku a. W przeciwieństwie do równomiernego rozkładu energii laserów ciągłych jednomodowych, lasery QCW koncentrują swoją energię gęściej. Ta cecha zapewnia laserom QCW wyższą gęstość energii, co przekłada się na silniejsze możliwości penetracji. Wynikowy efekt metalurgiczny jest podobny do kształtu „gwoździa” ze znacznym stosunkiem głębokości do szerokości, co pozwala laserom QCW wyróżniać się w zastosowaniach obejmujących stopy o wysokim współczynniku odbicia, materiały wrażliwe na ciepło i precyzyjne mikrospawanie.

Zwiększona stabilność i zmniejszone zakłócenia pióropusza

Jedną z wyraźnych zalet spawania laserowego QCW jest jego zdolność do łagodzenia wpływu smugi metalu na szybkość absorpcji materiału, co prowadzi do bardziej stabilnego procesu. Podczas interakcji lasera z materiałem intensywne parowanie może tworzyć mieszankę pary metalu i plazmy nad jeziorkiem stopu, powszechnie określaną jako smuga metalu. Ta smuga może osłaniać powierzchnię materiału przed laserem, powodując niestabilne dostarczanie mocy i wady, takie jak odpryski, punkty wybuchu i wżery. Jednak przerywana emisja laserów QCW (np. seria 5 ms, po której następuje 10 ms pauza) zapewnia, że ​​każdy impuls lasera dociera do powierzchni materiału bez wpływu smugi metalu, co skutkuje wyjątkowo stabilnym procesem spawania, szczególnie korzystnym w przypadku spawania cienkich blach.

Stabilna dynamika basenu stopionego

Dynamika jeziorka stopionego metalu, zwłaszcza w odniesieniu do sił działających na otwór, ma kluczowe znaczenie dla określenia jakości spoiny. Lasery ciągłe, ze względu na przedłużoną ekspozycję i większe strefy wpływu ciepła, mają tendencję do tworzenia większych jeziorek stopionego metalu wypełnionych ciekłym metalem. Może to prowadzić do defektów związanych z dużymi jeziorami stopionego metalu, takich jak zapadnięcie się otworu. Natomiast skupiona energia i krótszy czas interakcji spawania laserowego QCW koncentrują jeziorko stopionego metalu wokół otworu, co skutkuje bardziej równomiernym rozkładem siły i mniejszą częstością występowania porowatości, pęknięć i odprysków.