Laser CW i laser QCW w spawalnictwie

Charakterystyka dystrybucji energii

Cechą charakterystyczną laserów CW jest ich gaussowski rozkład energii, w którym rozkład energii w przekroju poprzecznym wiązki laserowej maleje od środka na zewnątrz, zgodnie z rozkładem gaussowskim (normalnym). Ta charakterystyka rozkładu pozwala laserom CW osiągnąć wyjątkowo wysoką precyzję ogniskowania i wydajność przetwarzania, szczególnie w zastosowaniach wymagających skoncentrowanego rozprowadzania energii.

Diagram rozkładu energii lasera CW

Zalety spawania laserowego falą ciągłą (CW)

Perspektywa mikrostrukturalna

Badanie mikrostruktury metali ujawnia wyraźne zalety spawania laserowego falą ciągłą (CW) w porównaniu ze spawaniem impulsowym quasi-ciągłą (QCW). Spawanie impulsowe QCW, ograniczone przez częstotliwość graniczną, zazwyczaj około 500 Hz, wiąże się z kompromisem między szybkością nakładu a głębokością wtopienia. Niska szybkość nakładu skutkuje niewystarczającą głębokością, podczas gdy wysoka szybkość nakładu ogranicza prędkość spawania, zmniejszając wydajność. Natomiast spawanie laserowe CW, dzięki doborowi odpowiednich średnic rdzenia lasera i głowic spawalniczych, zapewnia wydajne i ciągłe spawanie. Metoda ta okazuje się szczególnie niezawodna w zastosowaniach wymagających wysokiej szczelności.

Uwzględnienie wpływu termicznego

Z punktu widzenia wpływu termicznego, spawanie laserowe impulsowe QCW charakteryzuje się problemem nakładania się warstw, co prowadzi do wielokrotnego nagrzewania spoiny. Może to prowadzić do niespójności między mikrostrukturą metalu a materiałem rodzimym, w tym do zmian wielkości dyslokacji i szybkości chłodzenia, zwiększając tym samym ryzyko pękania. Spawanie laserowe CW z kolei eliminuje ten problem, zapewniając bardziej równomierny i ciągły proces nagrzewania.

Łatwość regulacji

Pod względem obsługi i regulacji, spawanie laserowe QCW wymaga precyzyjnego dostrojenia kilku parametrów, takich jak częstotliwość powtarzania impulsów, moc szczytowa, szerokość impulsu, współczynnik wypełnienia i inne. Spawanie laserowe CW upraszcza proces regulacji, koncentrując się głównie na kształcie fali, prędkości, mocy i stopniu rozogniskowania, co znacznie ułatwia obsługę.

Postęp technologiczny w spawaniu laserowym CW

Chociaż spawanie laserowe QCW znane jest z wysokiej mocy szczytowej i niskiego wkładu cieplnego, co jest korzystne przy spawaniu elementów wrażliwych na ciepło i materiałów o ekstremalnie cienkich ściankach, postęp w technologii spawania laserowego CW, szczególnie w zastosowaniach o dużej mocy (zwykle powyżej 500 W) oraz spawaniu z głębokim wtopieniem opartym na efekcie dziurki od klucza, znacznie rozszerzył zakres zastosowań i wydajność. Ten typ lasera jest szczególnie odpowiedni do materiałów o grubości powyżej 1 mm, osiągając wysoki współczynnik kształtu (ponad 8:1) pomimo stosunkowo wysokiego wkładu cieplnego.

Spawanie laserowe quasi-ciągłe (QCW)

Skoncentrowana dystrybucja energii

QCW, skrót od „Quasi-Continuous Wave”, reprezentuje technologię laserową, w której laser emituje światło w sposób nieciągły, jak pokazano na rysunku a. W przeciwieństwie do równomiernego rozkładu energii w laserach jednomodowych o pracy ciągłej, lasery QCW koncentrują swoją energię gęściej. Ta cecha zapewnia laserom QCW wyższą gęstość energii, co przekłada się na większą zdolność penetracji. Wynikający z tego efekt metalurgiczny przypomina kształtem „gwoździa” o znacznym stosunku głębokości do szerokości, co pozwala laserom QCW doskonale sprawdzać się w zastosowaniach obejmujących stopy o wysokim współczynniku odbicia, materiały wrażliwe na ciepło oraz 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 przekłada się na większą stabilność procesu. Podczas interakcji lasera z materiałem, intensywne parowanie może wytworzyć mieszaninę par metalu i plazmy nad jeziorkiem stopu, powszechnie nazywaną smugą metalu. Smuga ta może osłaniać powierzchnię materiału przed laserem, powodując niestabilne dostarczanie mocy i powstawanie defektów, takich jak odpryski, punkty wybuchu i wżery. Jednak przerywana emisja laserów QCW (np. impuls 5 ms, po którym następuje 10 ms pauza) gwarantuje, że każdy impuls lasera dociera do powierzchni materiału bez wpływu smugi metalu, co przekłada się na wyjątkowo stabilny proces spawania, szczególnie korzystny w przypadku spawania cienkich blach.

Stabilna dynamika basenu stopionego

Dynamika jeziorka stopowego, a zwłaszcza siły działające na otwór w materiale, ma kluczowe znaczenie dla jakości spoiny. Lasery pracujące w trybie ciągłym, ze względu na przedłużoną ekspozycję i większe strefy wpływu ciepła, mają tendencję do tworzenia większych jeziorek stopowych wypełnionych ciekłym metalem. Może to prowadzić do defektów związanych z dużymi jeziorkami stopowymi, takich jak zapadnięcie się otworu w materiale. Natomiast skupiona energia i krótszy czas interakcji w spawaniu laserowym QCW koncentrują jeziorko stopowe wokół otworu w materiale, co skutkuje bardziej równomiernym rozkładem sił i mniejszym ryzykiem porowatości, pęknięć i odprysków.