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。{0} 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。

シングルモード CW レーザーのガウス エネルギー分布-

CWレーザー：CWとは「continuous wave」の略で、連続波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 エネルギー分布の概略図は、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 レーザーのパルスエネルギーとパルス溶接の比較

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。スパッタもほとんどなく、比較的安定したパルス溶接が行われていることがわかります。

QCW レーザーは主に Q{0}} スイッチングと呼ばれる技術を使用します。これは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空洞損失を維持します。

Q スイッチングを超えたさらに短いパルス領域の概要については、-をご覧ください。精密加工のための超高速レーザー技術.

このとき、閾値が高すぎるためレーザー発振ができず、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。

このパルス圧縮と高いエネルギー密度が実際の微細加工にどのような影響を与えるかについて詳しく知りたい場合は、次の包括的なガイドをご覧ください。{0}}ファイバー レーザー マイクロ溶接の最適化と-適切なソースの選択。このテクノロジーの基本的な内訳については、次の完全な説明を参照してください。QCW 準{0}}連続レーザー技術.

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。

連続 (CW) レーザー溶接原理と準連続 (QCW) レーザー溶接原理の詳細な比較-

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。レーザーと材料の間の相互作用中に、材料は激しい蒸発を受け、溶融池の上に金属蒸気、プラズマ、およびその他のガスの混合物（総称して金属プルームとして知られます）が形成されます。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）を特徴としており、材料表面への各レーザーの照射がメタルプルームの影響を受けないため、溶接に比べて安定しており、薄板溶接に有利です。

2. 安定した溶融プール: 溶融プール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、大きな溶融プール領域、および豊富な液体金属により、連続溶接溶融プールは QCW レーザー溶融プールよりもはるかに大きくなります。ポア、クラック、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。a3 に示すように、溶融池が大きい場合、温度の上昇に伴って溶融池の表面張力が低下し、キーホール崩壊が起こりやすくなります。 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 および QCW レーザー溶接キーホール機構の詳細な比較

このような非スパッタ性と高い安定性の特性により、準連続波は精密製造に革命をもたらしました。{{2}これらのシステムの背後にある特定のエンジニアリングについて詳しくは、次の記事をご覧ください。QCWファイバーレーザー溶接機とは?

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、高反射金属を結合するために大量のエネルギーを提供する必要があり、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。

より多くのレーザー光源を並べて比較するには、ガイドを参照してください。さまざまなレーザーの長所と短所システムを選ぶ前に。

アプリケーションが繊細なマイクロコンポーネント用に QCW レーザーの高いピークパワーを必要とする場合でも、厚い金属の切断用に標準 CW レーザーの連続エネルギー出力を必要とする場合でも、適切な産業用システムを選択することが重要です。{0}}当社の高いパフォーマンスをご覧ください-ファイバーレーザー溶接機カテゴリを選択して、運用アップグレードに最適なカスタマイズされた構成を見つけます。

CW、QCW、その他のパルス レーザー ソースのいずれを選択するかは、生産プロセスに関する 3 つの質問に帰着します。それは、どのような材料を処理しているのか、その厚さはどれくらいなのか、速度と品質の間で何を優先するのかということです。

材料の厚さと熱感受性。CW レーザーは安定した高い平均出力を提供するため、1 mm 以上の厚さの金属プレートには自然な選択肢となります。 1 mm 未満の薄いシート、または電池セル、センサー、電子パッケージなどの熱に敏感な要素の近くにあるコンポーネントの場合、QCW レーザーの断続出力により入熱が低く抑えられ、歪みが防止されます。{3}}一般に、連続モードとパルスモードの選択にも同じ論理が当てはまります。長いパルス幅は厚くて丈夫な素材に適しており、短くてピークの高いパルスは薄い素材や繊細な素材を保護します。-

ワークの反射率。銅、アルミニウム、金などの反射率の高い金属は、入射ビームの大部分を反射します。 CW レーザーは、この反射率を突破するのに十分な出力を投入する必要があるため、部品が容易に過熱する可能性があります。 QCW レーザーは、そのエネルギーを非常に高いピークパワーを持つ短いパルスに集中させ、平均パワーを低く抑えながら、より確実に反射面に結合します。これが、QCW ソースが銅およびアルミニウム合金シートの溶接に広く使用されている理由です。

スループットと精度。ラインで厚板の切断や深溶け込み溶接が 24 時間稼働している場合、CW レーザーの高い平均出力によりスループットが最大化されます。{0}プロセスで微細な制御、最小限のスパッタ、小さな熱影響ゾーンが必要な場合は、QCW またはパルス源を使用すると、適度な速度で精度が得られます。{3}}普遍的な「最適な」レーザーはありません - 適切な光源は、材料、接合部または切断の形状、および特定の用途の品質目標に適合するレーザーです。疑問がある場合は、マシンの構成を決定する前に、サンプルをレーザー サプライヤーに送って試運転してください。

CW-対-QCW の決定は、主要なレーザー アプリケーションごとに異なり、溶接以外では 2 つの技術が互換性があることはほとんどありません。

切断。連続波レーザーは工業用切断の主流を占めています。安定した出力により、高速で滑らかな切り溝が生成され、板厚が 2 ～ 3 mm を超える場合、深い貫通キーホール メカニズムは基本的に CW レジームになります。- QCW レーザーはバルク シートの切断には使用されませんが、熱を局所に留める必要がある薄い箔のマイクロ切断に適しています。-

溶接。これは、上のセクションで説明したように、CW と QCW が真に競合するアプリケーションです。CW は深{0}}溶け込みと厚板-溶接、QCW は薄板、熱に敏感なアセンブリ、-反射銅-接合に使用されます。

マーキング。短パルス端に QCW を含むパルス レーザー - - - は、瞬間的なピーク パワーで材料を蒸発させ、低い平均パワーで表面を低温に保つため、レーザー マーキングの主流を占めます。 CW ソースは細かいマーキングには使用されません。

クリーニング。どちらの方式もレーザー洗浄に使用できます。連続波レーザーは広範囲の塗装、錆、およびコーティングを迅速に除去しますが、パルスレーザーは正確な制御で繊細な表面を洗浄します。 -大規模な工業用コーティングの除去や錆の剥離には通常、連続方式が有利です。そのため、連続レーザー クリーナーが生産ラインの標準カテゴリとなっています。洗浄ソリューションを評価する購入者向けに、連続波レーザー洗浄機これは、高スループットの表面処理の有力なオプションです。{{0}{1}

穴あけと微細加工。-QCW レーザーは、そのピーク出力により、前述の爪の形をした金属組織プロファイルに似た、高アスペクト比の深くて狭い穴を作成できるため、穴あけや微細接合に優れています。{0}{1}

要点: まずアプリケーションをこのマトリックスにマッピングしてから、ソースを選択します。ほとんどの生産ラインでは、最終的に複数のレーザー タイプ - を使用することになります。つまり、重作業用の CW 光源と、細かい作業用のパルスまたは QCW 光源です。

CW と QCW は、はるかに大きなレーザー ファミリーの 2 つのメンバーにすぎません。それらがどこに位置するのかを理解することは、より適切な購入決定を下し、テクノロジーがどこに向かっているのかを予測するのに役立ちます。

レーザーファミリー。一方の端では、高出力連続レーザーが切断と深溶接に使用されます。-もう 1 つは、超短-パルス レーザーで、フェムト秒やピコ秒の単位でエネルギーを供給し、低温でダメージのない微細-加工を実現します。-それらの間には、マーキング、穴あけ、精密溶接をカバーするパルス、QCW、およびナノ秒のソースが配置されています。各パルス幅レジームは、個別の一連のアプリケーションにマッピングされます。-製品範囲が広くなるほど、複数のソースを並べて必要とする可能性が高くなります。

構成要素としての半導体レーザー。高出力ダイオード レーザーやファイバー レーザーは、ますます多くの基盤に基づいて構築されています。-半導体レーザー技術、ほとんどの産業用 CW および QCW システムの背後でポンプ エネルギーを提供します。半導体チップは高輝度化と低コスト化を進めており、これまで処理が困難だった材料向けに、1 ドルあたりの出力の増加、ビーム品質の向上、新しい波長の提供など、ファミリー全体を前進させています。{1}}

レーザー加工が拡大し続ける理由。従来の方法と比較して、レーザー加工は非接触操作、工具の磨耗なし、プログラム可能な柔軟性、再現可能な品質を実現します。{0}それらの構造的なレーザー加工技術の利点板金、エレクトロニクス、自動車、エネルギー業界全体で、工場が機械、熱、化学プロセスをレーザー ソリューションに置き換え続ける理由を説明します。

業界はどこへ向かうのか。市場は、より高い平均電力、より短いパルス幅、よりスマートなプロセス制御に向けて動き続けています。続いて、レーザー産業分析機器メーカーや業界観察者によって公開されているのは、どのソース タイプが普及しているかを追跡し、次のマシン投資のタイミングを計る実用的な方法です -。どのようなアプリケーションであっても、材料と品質目標から始めて、プロセス データを習慣化せずに、CW、QCW、パルスのいずれかを選択させます。-