연속파(CW) 레이저와 준연속파(QCW) 레이저는 다양한 응용 분야에서 일반적으로 사용되는 두 가지 유형의 레이저입니다. CW 레이저는 연속 광선을 방출하는 반면 QCW 레이저는 일련의 짧은 펄스를 방출합니다. 다음은 이 두 가지 유형의 레이저 간의 몇 가지 차이점입니다.
CW와 QCW의 차이점
CW 레이저: CW는 연속파 레이저를 의미하는 "연속파"의 약어입니다. 지속적인 여기 에너지를 통해 레이저 출력을 얻습니다. 즉, 레이저가 멈출 때까지 계속 켜져 있습니다. CW 레이저는 일반적으로 피크 출력이 낮고 평균 출력이 높습니다.
연속 레이저는 그림 1과 같이 지속적으로 지속적으로 빛을 방출할 수 있는 레이저를 말하며 총칭하여 연속 레이저라고 합니다. 일반적으로 일반적인 금속 절단 및 구리 알루미늄 용접은 가장 널리 사용되는 연속 레이저입니다. 연속 레이저 공정 디버깅을 위한 주요 매개변수에는 전력 파형, 디포커싱 양, 코어 직경 스폿 및 속도가 포함됩니다.
그림 2와 같이 단일 모드 연속 레이저의 가우시안 에너지 분포 개략도는 레이저 빔 단면의 에너지 분포를 보여줍니다. 중간 에너지가 가장 높고 주변부가 차례로 감소하여 가우시안 분포(정규분포)를 보인다.
QCW는 준연속파 레이저를 의미하는 "준연속파"의 약자입니다. 펄스 레이저의 그림 a에서 볼 수 있듯이 레이저는 일반적으로 간헐적으로 발광하는 과정입니다. 그림 b는 레이저 에너지 분포를 보여줍니다. 단일 모드 연속 레이저와 비교할 때 QCW의 에너지 분포는 더 집중되어 있습니다. 즉, QCW는 연속 레이저보다 에너지 밀도가 더 높습니다(침투 능력이 더 강함). 이것은 금속학적 측면에 반영되며, 이는 QCW가 더 큰 침투력을 갖는다는 것을 의미합니다. 생성된 금속학적 측면은 손톱과 유사하며 종횡비가 더 높습니다. QCW의 최대 레이저 출력과 높은 에너지 밀도는 고저항 합금, 열에 민감한 재료에 적합합니다. 마이크로 연결에는 큰 이점이 있습니다. 그림 c는 주파수가 다른 펄스 레이저의 용접 개략도를 보여줍니다. 펄스 용접은 스패터가 거의 없이 비교적 안정적임을 알 수 있습니다[1].
QCW 레이저는 주로 고에너지 짧은 펄스를 얻는 효과적인 방법인 Q-스위칭이라는 기술을 사용합니다. 일반 출력 연속 레이저를 방출을 위해 매우 좁은 펄스로 압축하여 광원의 피크 전력을 몇 배나 증가시킵니다. Q-스위칭 동안 이득 매질이 충분한 에너지를 저장하기 전에 전체 레이저 공진기가 높은 공동 손실을 유지합니다. 이때 임계값이 너무 높기 때문에 레이저가 레이저 발진을 할 수 없기 때문에 상위 수준의 입자 번호가 대량으로 축적될 수 있습니다. 축적이 포화 값에 도달하면 캐비티 손실이 매우 작은 값으로 급격히 감소하므로 상위 레벨 입자에 저장된 대부분의 에너지가 짧은 시간에 레이저 에너지로 변환되고 출력단에서 강력한 레이저 펄스 출력 생성 .
예를 들어, 둥근 드럼과 유사한 풍선은 노즐에서 방출되어 천천히 지속적으로 수축될 수 있으며, 이를 연속 레이저라고 합니다. Q 값을 조정하는 것은 풍선에 압력을 가해 순간적으로 부풀리는 것으로, 대략 연속 및 QCW의 경우입니다.
그림 4 a CW 레이저 실링 네일의 외관, 직선 용접 솔기의 외관, 종단면의 금속 조직 검사; QCW 레이저 실링 못 모양, 직선 용접 모양, 세로 단면 금속 조직;
연속 레이저 용접 효과 대 QCW 준 연속 레이저 용접 효과:
1. QCW의 모양은 펄스 스폿 용접과 유사하며 물고기 비늘 패턴이 있으며 연속 레이저는 부드럽고 연속적인 곡선을 가지고 있습니다.
2. 에너지 입력: 연속 레이저 입력, 펄스 간헐적 입력, 금속 조직에 반영, 연속 레이저 용접 세로 금속 조직 연속, 약간의 변동, 펄스 레이저는 단일 지점 레이저 금속 조직 접합과 같은 레이저 드릴링을 명확하게 볼 수 있습니다. 각 레이저는 금속 조직이 명확하게 보입니다. ; 따라서 연속 용접은 용접 접합 강도에서 QCW 레이저 용접보다 강합니다.
그림 CW 레이저 용접의 개략도; 그림 b QCW 레이저 용접의 개략도
QCW 레이저 용접의 장점
1. 물질 흡광도에 대한 플룸의 영향을 방지하여 공정을 보다 안정적으로 만듭니다. 레이저와 물질 사이의 상호 작용 중에 물질이 심하게 증발하여 금속 증기, 플라즈마 및 기타 가스의 혼합물을 용융 풀 위에 집합적으로 형성합니다. 금속 기둥으로 알려져 있습니다. 이러한 금속 플룸은 레이저가 재료 표면에 도달하지 못하도록 보호하여 재료 표면에 도달하는 불안정한 레이저 출력을 초래하여 스플래시, 폭발 지점 및 피트와 같은 결함을 일으킵니다. 그러나 QCW의 펄스 용접은 간헐적인 광 출력(광 출력 5ms, 간헐적 광 출력 10ms, 그 후 다음 광 출력)을 특징으로 하여 재료 표면에 대한 각 레이저 타격이 금속 기둥의 영향을 받지 않도록 합니다. 용접에 비해 안정적이며 박판용접에 유리합니다.
2. 안정적인 용융 풀: 용융 풀의 열쇠 구멍에 가해지는 응력, 지속적인 레이저 작동 시간이 길고 열전도 면적이 크며 용융 풀 면적이 넓고 액체 금속이 풍부하여 연속 용접 용융 풀이 훨씬 커집니다. QCW 레이저 용융 풀보다 기공, 균열 및 스플래시와 같은 결함은 용융 풀과 밀접한 관련이 있습니다. 용융 풀이 크면 온도가 증가함에 따라 용융 풀의 표면 장력이 감소하고 큰 용융 풀은 그림과 같이 키홀 붕괴에 더 취약합니다. a3에서; QCW 레이저 용접의 집중된 에너지와 짧은 작동 시간으로 인해 용융 풀은 주로 키홀 주변에 존재하며 힘은 균일합니다. 기공, 균열 및 스패터의 상대적 발생률이 낮습니다.
3. 샐러 열 영향부: 재료에 대한 지속적인 레이저 작용은 재료에 지속적으로 열을 전달하여 얇은 재료를 열 변형 및 내부 응력으로 인한 균열과 같은 결함에 매우 취약하게 만듭니다. QCW는 재료에 간헐적으로 작용하여 냉각 시간을 제공하고 열영향부 및 입열에서 재료를 더 작게 만들어 얇은 재료를 가공하는 데 더 적합합니다. 그리고 열 센서에 가까운 재료는 QCW 레이저를 통해서만 처리할 수 있습니다.
4. 높은 피크 전력: 연속 및 QCW 레이저의 동일한 평균 전력으로 QCW는 더 높은 피크 전력, 더 높은 에너지 밀도, 더 큰 용융 깊이 및 더 강한 침투를 달성할 수 있습니다. QCW는 구리 합금 및 알루미늄 합금 시트의 용접에 더 많은 이점이 있습니다. 평균 출력이 동일한 연속 레이저의 에너지 밀도는 QCW보다 낮기 때문에 레이저가 재료 표면에 용접 마크를 생성하지 못하고 모두 반사될 수 있습니다. 레이저가 너무 높으면 재료가 녹은 후 레이저 흡수율이 급격히 증가하고 입력 열이 갑자기 증가하여 제어할 수 없는 용융 깊이와 열 입력이 발생합니다. 박판 용접에는 사용할 수 없으며, 용접 자국이 생기지 않거나 타들어가는 현상이 발생하여 공정 요구 사항을 충족할 수 없습니다.
CW 레이저 용접의 장점
1. 금속학적 관점에서 보면: 왼쪽 그림과 같이 QCW 펄스 용접은 금속학적 접합에 속하며 주파수 상한은 대부분 500Hz 정도입니다. 중첩률이 낮고 유효 용융 깊이가 얕고 중첩률이 높고 속도를 향상시킬 수 없으며 효율이 낮습니다. 연속 레이저는 코어 직경과 용접 조인트가 다른 레이저를 선택하여 효율적이고 연속적인 용접을 실현할 수 있으며 연속 레이저는 밀봉 요구 사항이 높은 경우에 더 안정적입니다.
2. 열 충격 정도의 관점에서 볼 때 QCW 펄스 레이저 빔 용접에는 중첩률 문제가 있으며 용접 이음새는 반복적으로 가열됩니다. 한 번 용접한 후 금속과 모재의 금속 조직상이 다르고 전위의 크기가 다르기 때문에 재용융 후 냉각 속도가 일정하지 않아 균열이 발생하기 쉽지만 이러한 현상은 연속적으로 존재하지 않습니다. 레이저 용접;
3. 디버깅 어려움의 관점에서 QCW 펄스 레이저는 디버깅 펄스 반복 주파수, 피크 전력, 펄스 폭, 듀티 사이클, 펄스 에너지, 평균 전력, 피크 전력 밀도, 에너지 밀도, 디포커싱 양 등이 필요합니다. 연속 레이저는 파형, 속도, 전력 및 디포커스에만 초점을 맞추면 되며 비교적 간단합니다.
QCW 레이저 요약: 두 가지 주요 이점: 피크 전력, 낮은 열 입력 및 작은 공작물 변형.
펄스 지속 시간이 짧기 때문에(보통 몇 밀리초) 부품에 들어가는 열이 최소화되므로 열 센서 및 매우 얇은 벽 재료 주변에 펄스 레이저 용접을 사용하는 것이 좋습니다. 동시에, 펄스 초기에 전송되는 많은 양의 에너지 때문에 펄스 레이저 용접은 종종 반사 금속에 적합합니다. 일반적으로 "향상된 펄스"라고 하는 펄스 주기 시작 시 전력 스파이크는 총 펄스 지속 시간의 작은 부분 동안만 지속됩니다. 그러나 그 파워는 낮은 평균 파워를 유지하면서 재료의 반사율을 돌파하기에 충분하여 열을 감소시킵니다. CW 레이저는 반사율이 높은 금속을 결합하기 위해 많은 양의 에너지를 제공해야 하며 생성된 열은 그 안에 있는 부품이나 부품을 쉽게 손상시킬 수 있습니다. CW 연속파 레이저 용접은 대부분 500와트 이상의 출력을 가진 고출력 레이저입니다. 일반적으로 이 유형의 레이저는 두께가 1mm 이상인 플레이트에 사용해야 합니다. 용접 메커니즘은 키홀 효과를 기반으로 하는 심용입 용접으로 종횡비가 8:1 이상으로 크지만 상대적으로 입열량이 높습니다.
마지막으로, 레이저 기술의 발전으로 인해 연속 레이저의 펄스 용접과 QCW 레이저의 고주파 펄스 용접을 달성하기 위한 연속 레이저 변조 기술도 있습니다.
전반적으로 CW 레이저와 QCW 레이저는 특정 응용 분야에 따라 장점과 단점이 있습니다. CW 레이저는 연속 광선이 필요한 응용 분야에 적합하고 QCW 레이저는 높은 에너지의 짧은 펄스가 필요한 응용 분야에 적합합니다. 따라서 최상의 결과를 얻으려면 특정 용도에 적합한 유형의 레이저를 선택하는 것이 중요합니다.