CW-laser en QCW-laser bij lassen

Kenmerken van de energieverdeling

Een opvallend kenmerk van CW-lasers is hun Gaussische energieverdeling, waarbij de energieverdeling van de doorsnede van een laserstraal vanuit het midden naar buiten toe afneemt volgens een Gaussisch (normaal verdeeld) patroon. Deze verdelingseigenschap stelt CW-lasers in staat om een ​​extreem hoge focusnauwkeurigheid en verwerkingsefficiëntie te bereiken, met name in toepassingen die een geconcentreerde energie-inzet vereisen.

Diagram van de energieverdeling van een CW-laser

Voordelen van continugolflaserlassen (CW-laserlassen)

Microstructureel perspectief

Bij onderzoek van de microstructuur van metalen blijken continuegolflaserlassen (CW-laserlassen) duidelijke voordelen te bieden ten opzichte van quasi-continuegolflaserlassen (QCW-pulslassen). QCW-pulslassen, beperkt door de frequentielimiet van doorgaans ongeveer 500 Hz, kent een afweging tussen overlapgraad en indringdiepte. Een lage overlapgraad resulteert in onvoldoende indringdiepte, terwijl een hoge overlapgraad de lassnelheid beperkt en de efficiëntie vermindert. CW-laserlassen daarentegen, door de selectie van de juiste laserkerndiameters en laskoppen, maakt efficiënt en continu lassen mogelijk. Deze methode is bijzonder betrouwbaar gebleken in toepassingen die een hoge afdichtingsintegriteit vereisen.

Thermische impactoverwegingen

Vanuit thermisch oogpunt heeft QCW-pulslaserlassen last van het probleem van overlapping, wat leidt tot herhaalde verhitting van de lasnaad. Dit kan inconsistenties introduceren tussen de microstructuur van het metaal en het basismateriaal, waaronder variaties in dislocatiegroottes en afkoelsnelheden, waardoor het risico op scheurvorming toeneemt. CW-laserlassen daarentegen vermijdt dit probleem door een gelijkmatiger en continu verwarmingsproces te bieden.

Gemakkelijke aanpassing

Qua bediening en afstelling vereist QCW-laserlassen een nauwkeurige afstemming van diverse parameters, waaronder pulsherhalingsfrequentie, piekvermogen, pulsbreedte, duty cycle en meer. CW-laserlassen vereenvoudigt het afstellingsproces, waarbij de focus voornamelijk ligt op de golfvorm, snelheid, vermogen en defocussering, wat de bediening aanzienlijk vergemakkelijkt.

Technologische vooruitgang in CW-laserlassen

Hoewel QCW-laserlassen bekendstaat om zijn hoge piekvermogen en lage warmte-input, wat gunstig is voor het lassen van warmtegevoelige componenten en extreem dunwandige materialen, hebben de ontwikkelingen in CW-laserlastechnologie, met name voor toepassingen met hoog vermogen (doorgaans boven de 500 watt) en diepdoorlassing op basis van het sleutelgateffect, het toepassingsgebied en de efficiëntie aanzienlijk vergroot. Dit type laser is bijzonder geschikt voor materialen dikker dan 1 mm, waarbij ondanks de relatief hoge warmte-input hoge aspectverhoudingen (meer dan 8:1) worden bereikt.

Quasi-continue golf (QCW) laserlassen

Gerichte energiedistributie

QCW, wat staat voor "Quasi-Continuous Wave" (quasi-continue golf), is een lasertechnologie waarbij de laser licht op een discontinue manier uitzendt, zoals weergegeven in figuur a. In tegenstelling tot de uniforme energieverdeling van single-mode continue lasers, concentreren QCW-lasers hun energie veel dichter. Deze eigenschap geeft QCW-lasers een superieure energiedichtheid, wat zich vertaalt in een groter penetratievermogen. Het resulterende metallurgische effect is vergelijkbaar met een "spijker"-vorm met een aanzienlijke diepte-breedteverhouding, waardoor QCW-lasers uitblinken in toepassingen met sterk reflecterende legeringen, warmtegevoelige materialen en precisie-microlassen.

Verbeterde stabiliteit en verminderde pluimverstoring

Een van de belangrijkste voordelen van QCW-laserlassen is het vermogen om de effecten van de metaalpluim op de absorptiesnelheid van het materiaal te verminderen, wat leidt tot een stabieler proces. Tijdens de interactie tussen laser en materiaal kan intense verdamping een mengsel van metaaldamp en plasma boven het smeltbad creëren, ook wel metaalpluim genoemd. Deze pluim kan het oppervlak van het materiaal afschermen van de laser, wat leidt tot een instabiele vermogensafgifte en defecten zoals spatten, explosiepunten en putjes. De intermitterende emissie van QCW-lasers (bijvoorbeeld een puls van 5 ms gevolgd door een pauze van 10 ms) zorgt er echter voor dat elke laserpuls het materiaaloppervlak bereikt zonder beïnvloed te worden door de metaalpluim, wat resulteert in een opmerkelijk stabiel lasproces, met name gunstig voor het lassen van dunne platen.

Stabiele smeltwaterdynamiek

De dynamiek van het smeltbad, met name de krachten die op het sleutelgat inwerken, is cruciaal voor de kwaliteit van de las. Continue lasers, vanwege hun langere blootstelling en grotere warmtebeïnvloede zones, hebben de neiging grotere smeltbaden te creëren die gevuld zijn met vloeibaar metaal. Dit kan leiden tot defecten die gepaard gaan met grote smeltbaden, zoals het instorten van het sleutelgat. Daarentegen concentreren de gerichte energie en de kortere interactietijd van QCW-laserlassen het smeltbad rond het sleutelgat, wat resulteert in een gelijkmatigere krachtverdeling en een lagere kans op porositeit, scheuren en spatten.