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CW激光器：CW是“continuous wave”的縮寫，即連續(xù)波激光器。它是通過持續(xù)的激發(fā)能量來實(shí)現(xiàn)激光輸出的，意味著激光一直保持開啟直到停止。CW激光器通常具有較低的峰值功率和較高的平均功率 如圖1，連續(xù)激光就是可以持續(xù)不間斷出光的激光器，統(tǒng)稱連續(xù)激光，一般常見的金屬切割、銅鋁的焊接都是連續(xù)激光，應(yīng)用最為廣泛。連續(xù)激光器工藝調(diào)試主要的參數(shù)有：功率波形、離焦量、芯徑光斑、速度； 如圖2，單模連續(xù)激光高斯能量分布示意圖，表示一束激光的截面的能量分布，中間能量最高，外圍依次降低，呈高斯分布（正態(tài)分布）。 QCW是“quasi-continuous wave”的縮寫，即準(zhǔn)連續(xù)波激光器。脈沖激光器圖a所示，通常激光是一個斷續(xù)出光的過程；圖b為激光能量分布，相比單模連續(xù)激光，QCW的能量分布更為集中，意味著QCW有著比連續(xù)激光器更大的能量密度（穿透能力更強(qiáng)），反映到金相上就是有更大的熔深穿透能力，打出來的金相類似釘子，深寬比較大QCW的高峰值激光功率、高能量密度使得QCW在高反合金、熱敏感性材料、微連接上有巨大優(yōu)勢；圖c為不同頻率的脈沖激光器焊接示意圖，可以看出脈沖焊接較為穩(wěn)定，幾乎沒有飛濺[1]。 QCW激光器主要應(yīng)用了一種叫調(diào)Q的技術(shù)，調(diào)Q是一種獲得高能量短脈沖的有效方法，它是將一般輸出的連續(xù)激光壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值功率提升幾個數(shù)量級的一種技術(shù)。 在調(diào)Q過程中，增益介質(zhì)在存儲到足夠多的能量之前，整個激光器諧振腔保持較高的腔損耗，此時激光器由于閾值太高，不能產(chǎn)生激光震蕩，使得上能級粒子數(shù)可以大量積累，當(dāng)積累到飽和值時，腔損耗迅速降低至一個很小的值，于是在短時間內(nèi)大部分上能級粒子儲存的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰?，在輸出端產(chǎn)生一個強(qiáng)的激光脈沖輸出。 打個比方：類似圓鼓鼓的氣球直接放開氣嘴，緩慢持續(xù)放氣叫連續(xù)激光，調(diào)Q則是把氣球加壓一下擠爆瞬間放氣，連續(xù)和QCW大致就是這個情況。 連續(xù)激光與QCW準(zhǔn)連續(xù)激光焊接效果相比： 1、外觀QCW類似脈沖打點(diǎn)焊接，有魚鱗紋，連續(xù)激光則是光滑、連貫曲線； 2、能量輸入：連續(xù)激光持續(xù)輸入，脈沖間歇性輸入，反映到金相上，連續(xù)激光焊縫縱向金相連續(xù)，只有細(xì)微波動，脈沖激光則可清晰看到激光打孔似的單點(diǎn)激光金相拼接而成，每個激光對應(yīng)的金相清晰可見；由此在焊縫連接強(qiáng)度上，連續(xù)要強(qiáng)于QCW激光焊接。 1、QCW優(yōu)勢—避免羽輝影響材料吸光率，過程更穩(wěn)定：在激光與材料相互作用過程中，材料會劇烈蒸發(fā)，在熔池上方形成金屬蒸汽、等離子體等混合氣體，統(tǒng)稱金屬羽輝，這些金屬羽輝會遮蔽激光到達(dá)材料表面，從而導(dǎo)致到達(dá)材料表面激光功率的不穩(wěn)定，導(dǎo)致產(chǎn)生飛濺、炸點(diǎn)、凹坑等缺陷；但是QCW的脈沖焊接因為是間歇出光（出5ms的光、間歇10ms，再出下一次光）,使得每次激光打到材料表面不受金屬羽輝影響，相對焊接更為穩(wěn)定，在薄板的焊接上有優(yōu)勢。 2、QCW優(yōu)勢—熔池穩(wěn)定：熔池匙孔受力情況，連續(xù)激光作用時間長，熱傳導(dǎo)面積大，熔池面積大，液態(tài)金屬多，所以連續(xù)焊接的熔池遠(yuǎn)大于QCW激光的熔池。氣孔、裂紋、飛濺等缺陷皆和熔池息息相關(guān)：如熔池大，熔池的表面張力隨溫度升高降低，大熔池更容易出現(xiàn)匙孔坍塌如a3所示；QCW激光焊接由于能量更為集中，作用時間短，熔池主要圍繞匙孔周圍均勻存在，受力均勻，氣孔、裂紋、飛濺相對發(fā)生率更低。 3、QCW優(yōu)勢—熱影響區(qū)更小：連續(xù)激光持續(xù)作用于材料，使得熱量不斷地傳導(dǎo)到材料中，薄材極易發(fā)生熱變形，發(fā)生由內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋等缺陷。QCW間歇性作用于材料，給了材料冷卻的時間，所以在熱影響區(qū)、熱輸入上更小，更適合加工薄材；以及靠近熱敏元件的材料也只能選擇QCW激光進(jìn)行加工。 4、QCW優(yōu)勢—峰值功率高：同樣平均功率的連續(xù)與QCW激光，QCW能夠?qū)崿F(xiàn)更大的峰值功率，能量密度更高，打出的熔深更大，穿透力更強(qiáng)。 在銅合金、鋁合金薄板焊接上，QCW更有優(yōu)勢。同樣平均功率的連續(xù)激光能量密度低于QCW，可能激光到達(dá)材料表面打不出焊印，全部反射掉了，太高功率的連續(xù)激光在實(shí)現(xiàn)材料熔化之后激光吸收率會陡升，熱輸入突然增大，導(dǎo)致熔深、熱輸入不可控，在薄板焊接上無法使用，會出現(xiàn)要么打不出印，要么燒穿的現(xiàn)象，無法達(dá)到工藝要求。 [2] CW激光焊接優(yōu)勢： 1、從金相上看：如左圖所示，QCW脈沖焊接屬于金相拼接，且頻率上限大多在500Hz左右，重疊率低了有效熔深淺，重疊率高了，速度上不去，效率低下；連續(xù)激光則可以通過不同芯徑激光、焊接頭的選擇實(shí)現(xiàn)高效連續(xù)的焊接，在一些對密封性要求較高的場合連續(xù)激光更為穩(wěn)妥； 2、從熱影響程度上來看：QCW脈沖激光焊存在重疊率問題，焊縫存在重復(fù)受熱現(xiàn)象，因為焊接一次之后金屬的金相和母材會有差距，大小位錯不同，再次重熔之后很可能冷卻速率不一致，容易出現(xiàn)裂紋，連續(xù)激光則不存在這種現(xiàn)象； 3、從調(diào)試難度上看：QCW脈沖激光需要調(diào)試脈沖重復(fù)頻率、峰值功率、脈沖寬度、占空比、脈沖能量、平均功率、峰值功率密度、能量密度、離焦量等；連續(xù)激光則只需關(guān)注波形、速度、功率、離焦量即可，相對簡單。 QCW激光總結(jié)：兩大優(yōu)勢高峰值功率、低熱輸入、工件變形小。 由于脈沖持續(xù)時間短（通常為幾毫秒），進(jìn)入零件的熱量被最小化，因此建議在熱敏元件和極薄壁材料周圍使用脈沖激光焊接。同時由于脈沖開始時傳遞的大量能量，脈沖激光焊接往往適用于反射金屬。通常稱為“增強(qiáng)型脈沖”，脈沖周期開始時的這種功率尖峰僅持續(xù)總脈沖持續(xù)時間的一小部分。然而，它的功率足以突破材料的反射率，同時保持較低的平均功率，從而減少熱量。CW 激光器必須提供大量能量來耦合反射性很強(qiáng)的金屬，由此產(chǎn)生的熱量很容易損壞其中的零件或組件。 CW連續(xù)波激光焊接多為功率在500瓦以上的大功率激光器。一般來說，這種激光器應(yīng)該用于1mm以上的板材。其焊接機(jī)理為基于匙孔效應(yīng)的深熔焊，深寬比大，可達(dá)8:1以上，但是熱輸入相對較大。 最后由于激光技術(shù)的進(jìn)步當(dāng)前也有連續(xù)激光調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光的脈沖焊接，以及QCW激光器的高頻脈沖焊接，后續(xù)將對比二者的區(qū)別與優(yōu)勢。 最后的最后，本文只是一家之言，受限于工藝實(shí)踐經(jīng)驗以及技術(shù)視野，難免有不當(dāng)之處，本公眾號建有相關(guān)工藝交流群，歡迎業(yè)界專家、前輩、同仁多多批評指正、多多交流。 [1] 朱寶華, 李小婷, 孫子路. 長脈沖綠光激光焊接技術(shù) [J]. 應(yīng)用激光, 2018, 38(06): 946-52. [2] Cheng J, Zhang X, Zhang P, et al. Comparison of QCW pulsed laser and single-mode CW laser on the welding of power cell lugs [J]. Journal of Laser Applications, 2021, 33(3).
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