I laser a onda continua (CW) e i laser a onda quasi continua (QCW) sono due tipi di laser comunemente utilizzati in varie applicazioni. I laser CW emettono un raggio di luce continuo, mentre i laser QCW emettono una serie di brevi impulsi. Ecco alcune delle differenze tra questi due tipi di laser:
Differenze tra CW e QCW
Laser CW: CW è l'abbreviazione di "continuous wave", che significa laser a onda continua. Raggiunge l'uscita laser attraverso l'energia di eccitazione continua, il che significa che il laser rimane acceso finché non si ferma. I laser CW in genere hanno una potenza di picco inferiore e una potenza media più elevata.
Come mostrato nella Figura 1, il laser continuo si riferisce a un laser che può emettere luce in modo continuo e continuo, noto collettivamente come laser continuo. Generalmente, il taglio di metalli comuni e la saldatura di rame e alluminio sono laser continui, che sono i più utilizzati. I parametri principali per il debugging continuo del processo laser includono: forma d'onda di potenza, quantità di sfocatura, punto del diametro del nucleo e velocità;
Come mostrato nella Figura 2, il diagramma schematico della distribuzione dell'energia gaussiana del laser continuo monomodale mostra la distribuzione dell'energia della sezione trasversale di un raggio laser. L'energia media è la più alta e la periferia diminuisce a sua volta, mostrando una distribuzione gaussiana (distribuzione normale).
QCW è l'abbreviazione di "quasi continuous wave", che significa un laser ad onda quasi continua. Come mostrato nella figura a del laser pulsato, il laser è solitamente un processo di emissione di luce intermittente; La figura b mostra la distribuzione dell'energia laser. Rispetto ai laser continui monomodali, la distribuzione dell'energia di QCW è più concentrata, il che significa che QCW ha una maggiore densità di energia (capacità di penetrazione più forte) rispetto ai laser continui. Ciò si riflette nell'aspetto metallografico, il che significa che QCW ha una maggiore capacità di penetrazione. L'aspetto metallografico prodotto è simile a quello di un chiodo, con un allungamento maggiore. La potenza laser di picco e l'elevata densità di energia di QCW lo rendono adatto per leghe ad alta resistenza, materiali termosensibili Ci sono enormi vantaggi nella micro connettività; La figura c mostra il diagramma schematico della saldatura del laser pulsato con diverse frequenze. Si può vedere che la saldatura pulsata è relativamente stabile, quasi senza spruzzi [1].
I laser QCW utilizzano principalmente una tecnologia chiamata Q-switching, che è un metodo efficace per ottenere impulsi brevi ad alta energia. Comprime il laser continuo di uscita generale in impulsi estremamente stretti per l'emissione, aumentando così la potenza di picco della sorgente luminosa di diversi ordini di grandezza. Durante la commutazione Q, prima che il mezzo di guadagno immagazzini abbastanza energia, l'intero risonatore laser mantiene un'elevata perdita di cavità. In questo momento, il laser non può produrre oscillazione laser perché la soglia è troppo alta, in modo che il numero di particelle di livello superiore possa essere accumulato in grandi quantità. Quando l'accumulo raggiunge il valore di saturazione, la perdita di cavità si riduce rapidamente a un valore molto piccolo, quindi la maggior parte dell'energia immagazzinata dalle particelle di livello superiore verrà convertita in energia laser in breve tempo, Genera un forte impulso laser all'estremità di uscita .
Ad esempio, un palloncino simile a un tamburo rotondo può essere rilasciato dal suo ugello e sgonfiato lentamente e continuamente, il che è chiamato laser continuo. La regolazione del valore Q consiste nel pressurizzare il palloncino e gonfiarlo istantaneamente, il che è più o meno il caso di continuo e QCW.
Fig4 a Aspetto del chiodo saldato con laser CW, aspetto del cordone di saldatura rettilineo, esame metallografico della sezione longitudinale; un aspetto del chiodo di sigillatura laser QCW, aspetto della saldatura diritta, metallografia della sezione longitudinale;
Effetto di saldatura laser continua vs effetto di saldatura laser quasi continua QCW:
1. L'aspetto di QCW è simile alla saldatura a punti a impulsi, con motivi a squame di pesce, mentre il laser continuo ha una curva liscia e continua;
2. Ingresso di energia: ingresso laser continuo, ingresso intermittente a impulsi, riflesso sulla metallografia, metallografia longitudinale continua di saldatura laser continua, solo lievi fluttuazioni, il laser a impulsi può vedere chiaramente la perforazione laser come giunzione metallografica laser a punto singolo, ogni laser corrispondente metallografica chiaramente visibile ; Pertanto, la saldatura continua è più forte della saldatura laser QCW nella resistenza del giunto di saldatura.
Fig. a Diagramma schematico della saldatura laser CW; Fig. b Diagramma schematico della saldatura laser QCW
Vantaggi della saldatura laser QCW
1. Evitare l'influenza dei pennacchi sull'assorbanza del materiale, rendendo il processo più stabile: durante l'interazione tra laser e materiale, il materiale subirà una forte evaporazione, formando una miscela di vapore metallico, plasma e altri gas sopra il bagno fuso, collettivamente noto come pennacchi di metallo. Questi pennacchi metallici proteggeranno il laser impedendo che raggiunga la superficie del materiale, con conseguente potenza laser instabile che raggiunge la superficie del materiale, con conseguenti difetti come schizzi, punti di esplosione e fosse; Tuttavia, la saldatura a impulsi di QCW è caratterizzata da un'emissione luminosa intermittente (5 ms di emissione luminosa, 10 ms di emissione luminosa intermittente e quindi l'emissione luminosa successiva), che garantisce che ogni colpo laser sulla superficie del materiale non sia influenzato da pennacchi metallici, rendendolo più stabile rispetto alla saldatura e presenta vantaggi nella saldatura di lamiere sottili.
2. Pool di fusione stabile: lo stress sul buco della serratura del pool di fusione, la lunga durata dell'azione laser continua, l'ampia area di conduzione del calore, l'ampia area del pool di fusione e l'abbondanza di metallo liquido rendono il pool di fusione della saldatura continua molto più grande rispetto al pool di fusione laser QCW. Difetti come pori, crepe e schizzi sono strettamente correlati alla pozza fusa: se la pozza fusa è grande, la tensione superficiale della pozza fusa diminuisce con l'aumentare della temperatura e la grande pozza fusa è più soggetta al collasso del buco della serratura, come mostrato in a3; A causa dell'energia più concentrata e del breve tempo di azione della saldatura laser QCW, il pool di fusione esiste principalmente attorno al buco della serratura e la forza è uniforme. Il tasso relativo di presenza di pori, crepe e schizzi è inferiore.
3. Zona termicamente alterata di Saller: l'azione continua del laser sul materiale trasferisce continuamente calore al materiale, rendendo il materiale sottile altamente suscettibile alla deformazione termica e a difetti come crepe causate da sollecitazioni interne. QCW agisce in modo intermittente sul materiale, dandogli tempo di raffreddamento, rendendolo più piccolo nella zona interessata dal calore e apporto di calore, rendendolo più adatto alla lavorazione di materiali sottili; E i materiali vicini ai sensori termici possono essere lavorati solo utilizzando il laser QCW.
4. Potenza di picco elevata: con la stessa potenza media dei laser continui e QCW, QCW può raggiungere una potenza di picco più elevata, una maggiore densità di energia, una maggiore profondità di fusione e una penetrazione più forte. QCW ha più vantaggi nella saldatura di lamiere in lega di rame e lega di alluminio. La densità di energia di un laser continuo con la stessa potenza media è inferiore a QCW, il che può far sì che il laser non riesca a produrre segni di saldatura sulla superficie del materiale e che tutti questi vengano riflessi. Se il laser è troppo alto, il tasso di assorbimento del laser aumenterà notevolmente dopo aver raggiunto la fusione del materiale e l'apporto di calore aumenterà improvvisamente, con conseguente profondità di fusione e apporto di calore incontrollabili. Non può essere utilizzato nella saldatura di lamiere sottili e potrebbero verificarsi fenomeni di mancata produzione di segni di saldatura o bruciatura, che non possono soddisfare i requisiti del processo.
Vantaggi della saldatura laser CW
1. Dal punto di vista metallografico: come mostrato nella figura a sinistra, la saldatura a impulsi QCW appartiene alla giunzione metallografica e il limite di frequenza superiore è per lo più intorno a 500Hz. Il tasso di sovrapposizione è basso, la profondità di fusione effettiva è bassa, il tasso di sovrapposizione è elevato, la velocità non può essere migliorata e l'efficienza è bassa; Il laser continuo può realizzare saldature efficienti e continue attraverso la selezione di laser con diversi diametri del nucleo e giunti di saldatura, e il laser continuo è più stabile in alcune occasioni con elevati requisiti di tenuta;
2. Dal punto di vista del grado di impatto del calore: esiste un problema di velocità di sovrapposizione nella saldatura con raggio laser a impulsi QCW e il cordone di saldatura viene riscaldato ripetutamente. Poiché la fase metallografica del metallo e del metallo di base sarà diversa dopo la saldatura una volta e la dimensione della dislocazione è diversa, la velocità di raffreddamento potrebbe essere incoerente dopo la rifusione, il che è facile da causare crepe, ma questo fenomeno non esiste in continuo saldatura laser;
3. Dal punto di vista della difficoltà di debug: il laser a impulsi QCW richiede il debug della frequenza di ripetizione dell'impulso, della potenza di picco, dell'ampiezza dell'impulso, del ciclo di lavoro, dell'energia dell'impulso, della potenza media, della densità di potenza di picco, della densità di energia, della quantità di sfocatura, ecc.; Il laser continuo deve concentrarsi solo su forma d'onda, velocità, potenza e sfocatura, il che è relativamente semplice.
Riepilogo del laser QCW: due vantaggi principali: potenza di picco, basso apporto di calore e piccola deformazione del pezzo.
Poiché la durata dell'impulso è breve (di solito diversi millisecondi), il calore che entra nella parte è ridotto al minimo, quindi si consiglia di utilizzare la saldatura laser pulsata attorno al sensore termico e materiali di parete estremamente sottili. Allo stesso tempo, a causa della grande quantità di energia trasmessa all'inizio dell'impulso, la saldatura laser pulsata è spesso adatta per il metallo riflettente. Solitamente indicato come "impulso potenziato", il picco di potenza all'inizio del ciclo di impulsi dura solo per una piccola parte della durata totale dell'impulso. Tuttavia, la sua potenza è sufficiente per sfondare la riflettività del materiale mantenendo una potenza media inferiore, riducendo così il calore. I laser CW devono fornire una grande quantità di energia per accoppiare metalli altamente riflettenti e il calore generato può facilmente danneggiare le parti o i componenti al loro interno. La saldatura laser a onda continua CW è per lo più laser ad alta potenza con potenza superiore a 500 watt. In generale, questo tipo di laser dovrebbe essere utilizzato per lastre con uno spessore di 1 mm o superiore. Il meccanismo di saldatura è una saldatura a penetrazione profonda basata sull'effetto buco della serratura, con un ampio rapporto di aspetto superiore a 8:1, ma un apporto di calore relativamente elevato.
Infine, a causa del progresso della tecnologia laser, esiste anche una tecnologia di modulazione laser continua per ottenere la saldatura a impulsi di laser continui, nonché la saldatura a impulsi ad alta frequenza di laser QCW.
Nel complesso, sia i laser CW che i laser QCW presentano vantaggi e svantaggi, a seconda dell'applicazione specifica. I laser CW sono adatti per applicazioni che richiedono un raggio di luce continuo, mentre i laser QCW sono adatti per applicazioni che richiedono brevi impulsi di alta energia. Pertanto, è importante scegliere il giusto tipo di laser per la tua applicazione specifica per ottenere i migliori risultati.