連続レーザー (CW) と準連続レーザー (QCW) の違いは何ですか?

連続波 (CW) レーザーと準連続波 (QCW) レーザーは、さまざまな用途で一般的に使用される 2 種類のレーザーです。 CW レーザーは連続光ビームを放射しますが、QCW レーザーは一連の短いパルスを放射します。 これら 2 種類のレーザーの違いの一部を次に示します。

CWとQCWの違い

CWレーザー：CWとは「Continuous Wave」の略で、連続発振レーザーを意味します。 継続的な励起エネルギーを通じてレーザー出力を実現します。つまり、レーザーは停止するまでオンのままになります。 CW レーザーは通常、ピーク パワーが低く、平均パワーが高くなります。

図1に示すように、連続レーザーとは、継続的に光を発することができるレーザーを指し、総称して連続レーザーと呼ばれます。 一般に、一般的な金属切断と銅アルミニウム溶接は連続レーザーであり、最も広く使用されています。 連続レーザープロセスデバッグの主なパラメータには、パワー波形、デフォーカス量、コア径スポット、および速度が含まれます。

図2に示すように、シングルモード連続レーザーのガウスエネルギー分布の模式図は、レーザービームの断面のエネルギー分布を示しています。 中央のエネルギーが最も高く、周辺にいくにつれてエネルギーが低くなり、ガウス分布（正規分布）を示します。

QCWとは「quasiContinuous wave」の略で、準連続波レーザーを意味します。 パルスレーザーの図aに示すように、レーザーは通常、断続的な発光プロセスです。 図 b はレーザーのエネルギー分布を示しています。 シングルモード連続レーザーと比較して、QCW のエネルギー分布はより集中しています。これは、QCW が連続レーザーよりも高いエネルギー密度 (より強い透過能力) を持っていることを意味します。 これは金属組織学的側面に反映されており、QCW の浸透能力がより優れていることを意味します。 生成される金属組織の外観は釘に似ており、アスペクト比が高くなります。 QCW のピーク レーザー パワーと高いエネルギー密度により、QCW は高抵抗合金や熱に敏感な材料に適しています。マイクロ接続には大きな利点があります。 図cは、異なる周波数のパルスレーザーの溶接概略図を示しています。 パルス溶接はスパッタがほとんどなく比較的安定していることがわかります[1]。

QCW レーザーは主に Q スイッチングと呼ばれる技術を使用しており、高エネルギーの短パルスを得る効果的な方法です。 一般的な出力の連続レーザーを非常に狭いパルスに圧縮して放出するため、光源のピークパワーが数桁増加します。 Q スイッチング中、利得媒体が十分なエネルギーを蓄積する前に、レーザー共振器全体が高いキャビティ損失を維持します。 このとき、レーザーは閾値が高すぎるためレーザー発振できず、上位レベルの粒子数が大量に蓄積されてしまう。 蓄積が飽和値に達すると、共振器損失は非常に小さな値まで急激に減少するため、上準位粒子が蓄えたエネルギーのほとんどが短時間でレーザーエネルギーに変換され、出力端で強力なレーザーパルス出力が生成されます。 。

たとえば、丸いドラム缶に似たバルーンをノズルから放出し、ゆっくりと継続的に収縮させることができます。これは連続レーザーと呼ばれます。 Q値の調整はバルーンに圧力をかけて瞬時に膨らませることで、コンティニュアスとQCWの場合がほぼ同じです。

図4 a CWレーザーシール釘の外観、真っ直ぐな溶接線の外観、縦断面の金属組織検査。 QCW レーザー シーリング ネイルの外観、直線溶接の外観、縦断面の金属組織学。

連続レーザー溶接効果と QCW 準連続レーザー溶接効果:

1. QCW の外観は、魚の鱗のパターンを持つパルス スポット溶接に似ていますが、連続レーザーは滑らかで連続的な曲線を持っています。

2.エネルギー入力：連続レーザー入力、パルス断続入力、金属組織に反射、連続レーザー溶接縦方向金属組織連続、わずかな変動のみ、パルスレーザーは単一点レーザー金属組織接合のようにレーザー穴あけをはっきりと見ることができ、各レーザーに対応する金属組織ははっきりと見えます; したがって、連続溶接はQCWレーザー溶接よりも溶接継手強度が強くなります。

図a CWレーザー溶接の概略図。 図b QCWレーザー溶接の模式図

QCWレーザー溶接のメリット

1. 材料の吸光度に対するプルームの影響を回避し、プロセスをより安定させます。レーザーと材料の相互作用中に、材料は激しい蒸発を起こし、溶融池の上に金属蒸気、プラズマ、その他のガスの混合物が形成されます。メタルプルームとして知られています。 これらの金属プルームはレーザーが材料表面に到達するのを防ぎ、その結果、材料表面に到達するレーザー出力が不安定になり、スプラッシュ、爆発点、ピットなどの欠陥が発生します。 しかし、QCW のパルス溶接は、断続的な光出力 (5ms の光出力、10ms の断続的な光出力、そして次の光出力) を特徴とし、材料表面に照射される各レーザーが金属プルームの影響を受けないようにします。溶接に比べて安定性があり、薄板の溶接に有利です。

2. 安定した溶融池: 溶融池のキーホールにかかる応力、長時間の連続レーザー動作、大きな熱伝導領域、大きな溶融池領域、および豊富な液体金属により、連続溶接溶融池はさらに大きくなります。 QCW レーザー溶融プールよりも優れています。 細孔、亀裂、スプラッシュなどの欠陥は溶融池と密接に関係しています。溶融池が大きい場合、温度の上昇とともに溶融池の表面張力が低下し、図に示すように、大きな溶融池はキーホール崩壊を起こしやすくなります。 a3; QCW レーザー溶接はエネルギーが集中し、動作時間が短いため、溶融池は主にキーホールの周囲に存在し、力は均一になります。 ポア、クラック、スパッタの相対的な発生率が低くなります。

3. サーラー熱影響ゾーン: 材料に対する連続的なレーザー作用により、熱が材料に継続的に伝達されるため、薄い材料は熱変形や内部応力によって引き起こされる亀裂などの欠陥を非常に受けやすくなります。 QCW は材料に断続的に作用して冷却時間を与え、熱影響部と入熱を小さくして、薄い材料の加工に適したものにします。 また、熱センサーに近い材料は QCW レーザーを使用してのみ加工できます。

4. 高いピークパワー: 連続レーザーと QCW レーザーの平均パワーが同じでも、QCW はより高いピークパワー、より高いエネルギー密度、より深い溶融深さ、より強い浸透を達成できます。 QCWは銅合金とアルミニウム合金板の溶接においてさらに利点があります。 同じ平均出力の連続レーザーのエネルギー密度は QCW よりも低いため、レーザーが材料の表面に溶接痕を生成できず、溶接痕がすべて反射されてしまう可能性があります。 レーザーが高すぎると、材料の溶融に達した後にレーザーの吸収率が急激に増加し、入熱が突然増加し、その結果、溶融深さと入熱が制御できなくなります。 薄板の溶接には使用できず、溶接痕が残らない、または焼き切れるなどの現象が発生し、プロセス要件を満たせない場合があります。

CWレーザー溶接のメリット

1. 金属組織学的観点から: 左図に示すように、QCW パルス溶接は金属組織接合に属し、周波数の上限は主に 500Hz 付近です。 オーバーラップ率が低く、有効溶解深さが浅く、オーバーラップ率が高く、速度が向上せず、効率が低い。 連続レーザーは、異なるコア径と溶接接合部を備えたレーザーを選択することにより、効率的で連続的な溶接を実現できます。また、シーリング要件が高い場合には、連続レーザーの方が安定しています。

2. 熱影響度の観点から：QCW パルスレーザー溶接ではオーバーラップ率の問題があり、溶接シームが繰り返し加熱されます。 一度溶接した金属と母材の金属組織相が異なり、転位の大きさも異なるため、再溶解後の冷却速度が不均一になり、割れが発生しやすくなりますが、連続溶接ではこ​​のような現象は発生しません。レーザー溶接;

3. デバッグの難易度の観点から: QCW パルス レーザーは、パルス繰り返し周波数、ピーク パワー、パルス幅、デューティ サイクル、パルス エネルギー、平均パワー、ピーク パワー密度、エネルギー密度、デフォーカス量などのデバッグを必要とします。 連続レーザーでは、波形、速度、パワー、焦点ぼけに焦点を当てるだけでよく、これは比較的簡単です。

QCW レーザーの概要: 2 つの主な利点: ピーク出力、低入熱、および小さいワークピース変形。

パルス持続時間が短いため (通常は数ミリ秒)、部品に入る熱が最小限に抑えられるため、熱センサーや非常に薄い壁材料の周囲でパルス レーザー溶接を使用することをお勧めします。 同時に、パルスの開始時に大量のエネルギーが送信されるため、パルスレーザー溶接は多くの場合、反射性金属に適しています。 通常「強化パルス」と呼ばれる、パルス サイクルの開始時のパワー スパイクは、全パルス持続時間のほんの一部だけ持続します。 ただし、そのパワーは、より低い平均パワーを維持しながらマテリアルの反射率を突破するのに十分であるため、熱が低減されます。 CW レーザーは、反射率の高い金属を結合するために大量のエネルギーを供給する必要があり、発生する熱により内部の部品やコンポーネントが損傷しやすくなります。 CW 連続波レーザー溶接は、主に 500 ワットを超える出力の高出力レーザーです。 一般的に、このタイプのレーザーは厚さ 1mm 以上のプレートに使用する必要があります。 溶接機構はキーホール効果に基づく深溶け込み溶接で、アスペクト比は 8:1 以上と大きいですが、入熱量は比較的高くなります。

最後に、レーザー技術の進歩により、連続レーザーのパルス溶接や QCW レーザーの高周波パルス溶接を実現する連続レーザー変調技術もあります。

全体として、CW レーザーと QCW レーザーには、特定の用途に応じて長所と短所があります。 CW レーザーは連続光ビームを必要とする用途に適しており、QCW レーザーは高エネルギーの短いパルスを必要とする用途に適しています。 したがって、最良の結果を得るには、特定の用途に適した種類のレーザーを選択することが重要です。