Laser CW și laser QCW în sudură

Caracteristicile distribuției energiei

Un atribut notabil al laserelor CW este distribuția lor gaussiană a energiei, în care distribuția energiei secțiunii transversale a unui fascicul laser diminuează din centru spre exterior într-un model gaussian (distribuție normală). Această caracteristică de distribuție permite laserelor CW să atingă o precizie de focalizare și o eficiență de procesare extrem de ridicate, în special în aplicațiile care necesită o utilizare concentrată a energiei.

Diagrama de distribuție a energiei laserului CW

Avantajele sudării cu laser cu undă continuă (CW)

Perspectivă microstructurală

Examinarea microstructurii metalelor relevă avantaje distincte ale sudării cu laser în undă continuă (CW) față de sudarea cu impulsuri cvasi-continue (QCW). Sudarea cu impulsuri QCW, constrânsă de limita sa de frecvență, de obicei în jurul a 500 Hz, se confruntă cu un compromis între rata de suprapunere și adâncimea de penetrare. O rată de suprapunere scăzută are ca rezultat o adâncime insuficientă, în timp ce o rată de suprapunere mare restricționează viteza de sudare, reducând eficiența. În schimb, sudarea cu laser CW, prin selectarea diametrelor adecvate ale miezului laser și a capetelor de sudare, realizează o sudare eficientă și continuă. Această metodă se dovedește deosebit de fiabilă în aplicațiile care necesită o integritate ridicată a etanșării.

Considerații privind impactul termic

Din punct de vedere al impactului termic, sudarea cu laser pulsat QCW prezintă probleme de suprapunere, ceea ce duce la încălzirea repetată a cusăturii de sudură. Acest lucru poate introduce inconsecvențe între microstructura metalului și materialul de bază, inclusiv variații ale dimensiunilor dislocațiilor și ale vitezei de răcire, crescând astfel riscul de fisurare. Sudarea cu laser CW, pe de altă parte, evită această problemă, oferind un proces de încălzire mai uniform și continuu.

Ușurință de ajustare

În ceea ce privește operarea și reglarea, sudarea cu laser QCW necesită o reglare meticuloasă a mai multor parametri, inclusiv frecvența de repetiție a impulsurilor, puterea de vârf, durata impulsurilor, ciclul de funcționare și alții. Sudarea cu laser CW simplifică procesul de reglare, concentrându-se în principal pe forma de undă, viteză, putere și gradul de defocalizare, reducând semnificativ dificultatea operațională.

Progresul tehnologic în sudarea cu laser CW

Deși sudarea cu laser QCW este cunoscută pentru puterea sa de vârf ridicată și aportul termic redus, benefice pentru sudarea componentelor sensibile la căldură și a materialelor cu pereți extrem de subțiri, progresele în tehnologia sudării cu laser CW, în special pentru aplicații de putere mare (de obicei peste 500 de wați) și sudarea cu penetrare profundă bazată pe efectul de gaură de cheie, au extins semnificativ gama de aplicații și eficiența sa. Acest tip de laser este potrivit în special pentru materiale mai groase de 1 mm, atingând rapoarte de aspect ridicate (peste 8:1) în ciuda unui aport termic relativ mare.

Sudare cu laser cu undă cvasi-continuă (QCW)

Distribuție concentrată a energiei

QCW, abrevierea de la „Quasi-Continuous Wave” (Undă cvasi-continuă), reprezintă o tehnologie laser în care laserul emite lumină într-o manieră discontinuă, așa cum se arată în figura a. Spre deosebire de distribuția uniformă a energiei laserelor continue monomodale, laserele QCW își concentrează energia mai dens. Această caracteristică conferă laserelor QCW o densitate energetică superioară, traducându-se în capacități de penetrare mai puternice. Efectul metalurgic rezultat este similar unei forme de „cui”, cu un raport adâncime-lățime semnificativ, permițând laserelor QCW să exceleze în aplicații care implică aliaje cu reflexie ridicată, materiale sensibile la căldură și micro-sudură de precizie.

Stabilitate îmbunătățită și interferență redusă cu pana de fum

Unul dintre avantajele pronunțate ale sudării cu laser QCW este capacitatea sa de a atenua efectele panașului metalic asupra ratei de absorbție a materialului, ducând la un proces mai stabil. În timpul interacțiunii laser-material, evaporarea intensă poate crea un amestec de vapori metalici și plasmă deasupra bazinului de topitură, denumit în mod obișnuit panaș metalic. Acest panaș poate proteja suprafața materialului de laser, provocând o furnizare instabilă a puterii și defecte precum stropi, puncte de explozie și gropi. Cu toate acestea, emisia intermitentă a laserelor QCW (de exemplu, o rafală de 5 ms urmată de o pauză de 10 ms) asigură că fiecare impuls laser ajunge la suprafața materialului neafectat de panașul metalic, rezultând un proces de sudare remarcabil de stabil, deosebit de avantajos pentru sudarea tablelor subțiri.

Dinamica stabilă a bazinului de topire

Dinamica băii de topitură, în special în ceea ce privește forțele care acționează asupra găurii cheii, este crucială în determinarea calității sudurii. Laserele continue, datorită expunerii lor prelungite și a zonelor mai mari afectate de căldură, tind să creeze băi de topitură mai mari, umplute cu metal lichid. Acest lucru poate duce la defecte asociate cu băile mari de topitură, cum ar fi prăbușirea găurii cheii. În schimb, energia focalizată și timpul de interacțiune mai scurt al sudării cu laser QCW concentrează băiatul de topitură în jurul găurii cheii, rezultând o distribuție mai uniformă a forței și o incidență mai mică a porozității, fisurilor și stropilor.