Laser CW i laser QCW w spawalnictwie

Charakterystyka dystrybucji energii

Godną uwagi cechą laserów CW jest ich Gaussowski rozkład energii, gdzie rozkład energii w przekroju wiązki laserowej zmniejsza się od środka na zewnątrz według wzoru Gaussa (rozkład normalny). Ta charakterystyka dystrybucji pozwala laserom CW osiągnąć niezwykle wysoką precyzję ogniskowania i wydajność przetwarzania, szczególnie w zastosowaniach wymagających skoncentrowanego wykorzystania energii.

Schemat dystrybucji energii lasera CW

Zalety spawania laserowego z falą ciągłą (CW).

Perspektywa mikrostrukturalna

Badanie mikrostruktury metali ujawnia wyraźne zalety spawania laserowego z falą ciągłą (CW) w porównaniu ze spawaniem impulsowym z falą quasi-ciągłą (QCW). Spawanie impulsowe QCW, ograniczone limitem częstotliwości, zwykle około 500 Hz, wymaga kompromisu pomiędzy szybkością nakładania się a głębokością penetracji. Niski współczynnik nakładania powoduje niewystarczającą głębokość, podczas gdy wysoki współczynnik nakładania ogranicza prędkość spawania, zmniejszając wydajność. Natomiast spawanie laserowe CW, poprzez dobór odpowiednich średnic rdzenia lasera i głowic spawalniczych, pozwala uzyskać wydajne i ciągłe spawanie. Metoda ta sprawdza się szczególnie niezawodnie w zastosowaniach wymagających dużej szczelności uszczelnienia.

Uwzględnienie wpływu termicznego

Z punktu widzenia oddziaływania termicznego, spawanie laserem impulsowym QCW charakteryzuje się problemem nakładania się, prowadzącym do powtarzającego się nagrzewania szwu spawalniczego. Może to spowodować niespójności pomiędzy mikrostrukturą metalu a materiałem macierzystym, w tym różnice w rozmiarach dyslokacji i szybkościach chłodzenia, zwiększając w ten sposób ryzyko pękania. Z drugiej strony spawanie laserowe CW pozwala uniknąć tego problemu, zapewniając bardziej jednolity i ciągły proces nagrzewania.

Łatwość regulacji

Jeśli chodzi o obsługę i regulację, spawanie laserowe QCW wymaga dokładnego dostrojenia kilku parametrów, w tym częstotliwości powtarzania impulsów, mocy szczytowej, szerokości impulsu, cyklu pracy i innych. Spawanie laserowe CW upraszcza proces regulacji, koncentrując 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 dużej mocy szczytowej i niskiego doprowadzenia ciepła, co jest korzystne przy spawaniu elementów wrażliwych na ciepło i materiałów o niezwykle cienkich ściankach, postęp w technologii spawania laserowego CW, szczególnie w zastosowaniach wymagających dużej mocy (zwykle powyżej 500 watów) i spawanie z głęboką penetracją, oparte na efekcie dziurki od klucza, znacznie rozszerzyły zakres jego zastosowań i wydajność. Ten typ lasera szczególnie nadaje się do materiałów o grubości powyżej 1 mm, osiągając wysokie współczynniki kształtu (ponad 8:1) pomimo stosunkowo dużego dopływu ciepła.

Spawanie laserowe na fali quasi-ciągłej (QCW).

Skoncentrowana dystrybucja energii

QCW, skrót od „Quasi-Continious Wave”, oznacza technologię laserową, w której laser emituje światło w sposób nieciągły, jak pokazano na rysunku a. W przeciwieństwie do równomiernego rozkładu energii jednomodowych laserów ciągłych, lasery QCW skupiają swoją energię gęstiej. Ta cecha zapewnia laserom QCW doskonałą gęstość energii, co przekłada się na większe możliwości penetracji. Powstały efekt metalurgiczny przypomina kształt „gwoździa” ze znacznym stosunkiem głębokości do szerokości, dzięki czemu lasery QCW doskonale sprawdzają się w zastosowaniach związanych ze stopami o wysokim współczynniku odbicia, materiałami wrażliwymi na ciepło i precyzyjnym mikrospawaniem.

Zwiększona stabilność i zmniejszone zakłócenia pióropusza

Jedną z wyraźnych zalet spawania laserowego QCW jest jego zdolność do łagodzenia wpływu pióropusza metalu na szybkość absorpcji materiału, co prowadzi do bardziej stabilnego procesu. Podczas interakcji laser-materiał intensywne parowanie może spowodować powstanie mieszaniny oparów metalu i plazmy nad jeziorkiem stopu, zwanej powszechnie chmurą metalu. Ta chmura może chronić powierzchnię materiału przed laserem, powodując niestabilne dostarczanie mocy i defekty, takie jak odpryski, punkty wybuchu i wżery. Jednakże przerywana emisja laserów QCW (np. seria impulsów trwająca 5 ms, po której następuje przerwa 10 ms) zapewnia, że ​​każdy impuls lasera dociera do powierzchni materiału bez wpływu pióropusza metalu, co zapewnia szczególnie stabilny proces spawania, szczególnie korzystny w przypadku spawania cienkich blach.

Stabilna dynamika basenu stopu

Dynamika jeziorka, szczególnie pod względem sił działających na dziurkę od klucza, ma kluczowe znaczenie dla określenia jakości spoiny. Lasery ciągłe, ze względu na dłuższą ekspozycję i większe strefy wpływu ciepła, mają tendencję do tworzenia większych jeziorek stopionego materiału wypełnionych ciekłym metalem. Może to prowadzić do defektów związanych z dużymi zbiornikami stopu, takimi jak zapadnięcie się dziurki od klucza. Natomiast skupiona energia i krótszy czas interakcji podczas spawania laserowego QCW skupiają jeziorko stopu wokół dziurki od klucza, co skutkuje bardziej równomiernym rozkładem sił i mniejszą częstością występowania porowatości, pęknięć i odprysków.