Лазер безперервного струму та лазер квантового струму у зварюванні

Характеристики розподілу енергії

Примітною рисою лазерів безперервного випромінювання є їхній гауссовий розподіл енергії, де розподіл енергії поперечного перерізу лазерного променя зменшується від центру назовні за гауссовою (нормальною) схемою розподілу. Ця характеристика розподілу дозволяє лазерам безперервного випромінювання досягати надзвичайно високої точності фокусування та ефективності обробки, особливо в застосуваннях, що потребують концентрованого розподілу енергії.

Діаграма розподілу енергії лазера безперервного хвилювання

Переваги лазерного зварювання безперервною хвилею (CW)

Мікроструктурна перспектива

Дослідження мікроструктури металів виявляє суттєві переваги лазерного зварювання безперервною хвилею (CW) над імпульсним зварюванням квазібезперервною хвилею (QCW). Імпульсне зварювання QCW, обмежене своїм частотним обмеженням, зазвичай близько 500 Гц, стикається з компромісом між коефіцієнтом перекриття та глибиною проникнення. Низький коефіцієнт перекриття призводить до недостатньої глибини, тоді як високий коефіцієнт перекриття обмежує швидкість зварювання, знижуючи ефективність. Навпаки, лазерне зварювання безперервною хвилею, завдяки вибору відповідних діаметрів лазерного осердя та зварювальних головок, забезпечує ефективне та безперервне зварювання. Цей метод виявляється особливо надійним у випадках, що вимагають високої герметичності ущільнення.

Врахування теплового впливу

З точки зору термічного впливу, імпульсне лазерне зварювання QCW страждає від проблеми перекриття, що призводить до багаторазового нагрівання зварного шва. Це може призвести до невідповідностей між мікроструктурою металу та основним матеріалом, включаючи варіації в розмірах дислокацій та швидкостях охолодження, тим самим збільшуючи ризик розтріскування. З іншого боку, лазерне зварювання CW дозволяє уникнути цієї проблеми, забезпечуючи більш рівномірний та безперервний процес нагрівання.

Легкість регулювання

Що стосується роботи та налаштування, лазерне зварювання QCW вимагає ретельного налаштування кількох параметрів, включаючи частоту повторення імпульсів, пікову потужність, ширину імпульсу, робочий цикл тощо. Лазерне зварювання CW спрощує процес налаштування, зосереджуючись головним чином на формі хвилі, швидкості, потужності та ступені розфокусування, що значно полегшує експлуатаційні труднощі.

Технологічний прогрес у безперервному лазерному зварюванні

Хоча лазерне зварювання безперервним струмом (QCW) відоме своєю високою піковою потужністю та низьким тепловим навантаженням, що вигідно для зварювання термочутливих компонентів та надзвичайно тонкостінних матеріалів, досягнення в технології лазерного зварювання безперервним струмом (CW), особливо для застосувань високої потужності (зазвичай понад 500 Вт) та зварювання глибоким проникненням на основі ефекту замкової щілини, значно розширили діапазон його застосування та ефективність. Цей тип лазера особливо підходить для матеріалів товщиною понад 1 мм, досягаючи високих співвідношень сторін (понад 8:1), незважаючи на відносно високе теплове навантаження.

Квазібезперервне хвильове (QCW) лазерне зварювання

Сфокусований розподіл енергії

QCW, що розшифровується як «квазібезперервна хвиля», являє собою лазерну технологію, в якій лазер випромінює світло переривчасто, як показано на рисунку a. На відміну від рівномірного розподілу енергії одномодових безперервних лазерів, QCW лазери концентрують свою енергію щільніше. Ця характеристика надає QCW лазерам вищу щільність енергії, що призводить до сильнішого проникнення. Результуючий металургійний ефект схожий на форму «цвяха» зі значним співвідношенням глибини до ширини, що дозволяє QCW лазерам досягати успіху в застосуваннях, пов'язаних зі сплавами з високим коефіцієнтом відбиття, термочутливими матеріалами та прецизійним мікрозварюванням.

Підвищена стабільність та зменшення перешкод від шлейфу

Однією з явних переваг лазерного зварювання QCW є його здатність пом'якшувати вплив металевого шлейфу на швидкість поглинання матеріалом, що призводить до більш стабільного процесу. Під час взаємодії лазера з матеріалом інтенсивне випаровування може створити суміш металевої пари та плазми над ванною розплаву, яку зазвичай називають металевим шлейфом. Цей шлейф може екранувати поверхню матеріалу від лазера, спричиняючи нестабільну подачу потужності та дефекти, такі як розбризкування, точки вибуху та ямки. Однак переривчасте випромінювання лазерів QCW (наприклад, імпульс тривалістю 5 мс, а потім пауза тривалістю 10 мс) гарантує, що кожен лазерний імпульс досягає поверхні матеріалу без впливу металевого шлейфу, що призводить до помітно стабільного процесу зварювання, особливо вигідного для зварювання тонких листів.

Стабільна динаміка басейну розплаву

Динаміка ванни розплаву, особливо з точки зору сил, що діють на замкову щілину, має вирішальне значення для визначення якості зварного шва. Лазери безперервної дії, через тривалий вплив та більші зони термічного впливу, схильні створювати більші ванни розплаву, заповнені рідким металом. Це може призвести до дефектів, пов'язаних з великими ваннами розплаву, таких як руйнування замкової щілини. Навпаки, сфокусована енергія та коротший час взаємодії лазерного зварювання QCW концентрують ванну розплаву навколо замкової щілини, що призводить до більш рівномірного розподілу сили та меншої частоти пористості, розтріскування та розбризкування.