لیزر CW و لیزر QCW در جوشکاری

ویژگی‌های توزیع انرژی

یکی از ویژگی‌های قابل توجه لیزرهای CW توزیع انرژی گاوسی آنهاست، که در آن توزیع انرژی سطح مقطع پرتو لیزر از مرکز به سمت خارج در یک الگوی گاوسی (توزیع نرمال) کاهش می‌یابد. این ویژگی توزیع به لیزرهای CW اجازه می‌دهد تا به دقت فوکوس و راندمان پردازش بسیار بالایی دست یابند، به خصوص در کاربردهایی که نیاز به استقرار متمرکز انرژی دارند.

نمودار توزیع انرژی لیزر CW

مزایای جوشکاری لیزر موج پیوسته (CW)

دیدگاه ریزساختاری

بررسی ریزساختار فلزات، مزایای متمایز جوشکاری لیزر موج پیوسته (CW) را نسبت به جوشکاری پالسی شبه پیوسته (QCW) آشکار می‌کند. جوشکاری پالسی QCW، که با محدودیت فرکانسی خود، معمولاً حدود ۵۰۰ هرتز، محدود شده است، با یک بده‌بستان بین نرخ همپوشانی و عمق نفوذ مواجه است. نرخ همپوشانی پایین منجر به عمق ناکافی می‌شود، در حالی که نرخ همپوشانی بالا سرعت جوشکاری را محدود می‌کند و راندمان را کاهش می‌دهد. در مقابل، جوشکاری لیزر CW، از طریق انتخاب قطر هسته لیزر مناسب و سرهای جوشکاری، به جوشکاری کارآمد و پیوسته دست می‌یابد. این روش به ویژه در کاربردهایی که نیاز به یکپارچگی بالای آب‌بندی دارند، قابل اعتماد است.

ملاحظات تأثیر حرارتی

از نقطه نظر تأثیر حرارتی، جوشکاری لیزر پالسی QCW از مشکل همپوشانی رنج می‌برد که منجر به گرم شدن مکرر درز جوش می‌شود. این امر می‌تواند باعث ایجاد ناهماهنگی بین ریزساختار فلز و ماده اصلی، از جمله تغییرات در اندازه‌های نابجایی‌ها و سرعت‌های خنک شدن شود و در نتیجه خطر ترک خوردگی را افزایش دهد. از سوی دیگر، جوشکاری لیزر CW با ارائه یک فرآیند گرمایش یکنواخت‌تر و پیوسته‌تر، از این مشکل جلوگیری می‌کند.

سهولت تنظیم

از نظر عملکرد و تنظیم، جوشکاری لیزری QCW نیاز به تنظیم دقیق چندین پارامتر، از جمله فرکانس تکرار پالس، توان اوج، پهنای پالس، چرخه وظیفه و موارد دیگر دارد. جوشکاری لیزری CW فرآیند تنظیم را ساده می‌کند و عمدتاً بر شکل موج، سرعت، توان و میزان فوکوس تمرکز دارد و به طور قابل توجهی دشواری عملیاتی را کاهش می‌دهد.

پیشرفت تکنولوژیکی در جوشکاری لیزر پیوسته

در حالی که جوشکاری لیزر QCW به دلیل توان اوج بالا و ورودی حرارتی پایین شناخته شده است، که برای جوشکاری قطعات حساس به حرارت و مواد با دیواره بسیار نازک مفید است، پیشرفت در فناوری جوشکاری لیزر CW، به ویژه برای کاربردهای توان بالا (معمولاً بالای ۵۰۰ وات) و جوشکاری نفوذ عمیق مبتنی بر اثر سوراخ کلید، دامنه کاربرد و کارایی آن را به طور قابل توجهی گسترش داده است. این نوع لیزر به ویژه برای مواد ضخیم‌تر از ۱ میلی‌متر مناسب است و با وجود ورودی گرمای نسبتاً بالا، به نسبت‌های ابعادی بالا (بیش از ۸:۱) دست می‌یابد.

جوشکاری لیزری موج شبه پیوسته (QCW)

توزیع انرژی متمرکز

QCW، مخفف "موج شبه پیوسته"، یک فناوری لیزر است که در آن لیزر نور را به صورت ناپیوسته ساطع می‌کند، همانطور که در شکل a نشان داده شده است. برخلاف توزیع انرژی یکنواخت لیزرهای پیوسته تک حالته، لیزرهای QCW انرژی خود را متراکم‌تر متمرکز می‌کنند. این ویژگی به لیزرهای QCW چگالی انرژی بالاتری می‌دهد که به قابلیت‌های نفوذ قوی‌تر منجر می‌شود. اثر متالورژیکی حاصل شبیه به یک شکل "میخی" با نسبت عمق به عرض قابل توجه است و به لیزرهای QCW اجازه می‌دهد تا در کاربردهایی شامل آلیاژهای با بازتاب بالا، مواد حساس به گرما و میکروجوشکاری دقیق، برتری داشته باشند.

پایداری بهبود یافته و تداخل کاهش یافته پلوم

یکی از مزایای بارز جوشکاری لیزر QCW، توانایی آن در کاهش اثرات توده فلزی بر میزان جذب ماده است که منجر به فرآیندی پایدارتر می‌شود. در طول برهمکنش لیزر-ماده، تبخیر شدید می‌تواند مخلوطی از بخار فلزی و پلاسما را در بالای حوضچه مذاب ایجاد کند که معمولاً به عنوان توده فلزی شناخته می‌شود. این توده می‌تواند سطح ماده را از لیزر محافظت کند و باعث انتقال برق ناپایدار و نقص‌هایی مانند پاشش، نقاط انفجار و حفره‌ها شود. با این حال، انتشار متناوب لیزرهای QCW (به عنوان مثال، یک انفجار 5 میلی‌ثانیه‌ای و به دنبال آن یک مکث 10 میلی‌ثانیه‌ای) تضمین می‌کند که هر پالس لیزر بدون تأثیر توده فلزی به سطح ماده می‌رسد و در نتیجه فرآیند جوشکاری به طور قابل توجهی پایدار است که به ویژه برای جوشکاری ورق‌های نازک مفید است.

دینامیک پایدار حوضچه مذاب

دینامیک حوضچه مذاب، به ویژه از نظر نیروهایی که بر سوراخ کلید وارد می‌شوند، در تعیین کیفیت جوش بسیار مهم هستند. لیزرهای پیوسته، به دلیل قرار گرفتن طولانی مدت در معرض تابش و مناطق تحت تأثیر حرارت بزرگتر، تمایل به ایجاد حوضچه‌های مذاب بزرگتری پر از فلز مایع دارند. این می‌تواند منجر به نقص‌های مرتبط با حوضچه‌های مذاب بزرگ، مانند فروپاشی سوراخ کلید، شود. در مقابل، انرژی متمرکز و زمان تعامل کوتاه‌تر جوشکاری لیزر QCW، حوضچه مذاب را در اطراف سوراخ کلید متمرکز می‌کند و در نتیجه توزیع نیروی یکنواخت‌تر و میزان تخلخل، ترک خوردگی و پاشش کمتر می‌شود.