ليزر الموجة المستمرة (CW) وليزر الموجة شبه المستمرة (QCW) هما نوعان من الليزر الذي يشيع استخدامه في تطبيقات مختلفة. ينبعث ليزر CW شعاعًا مستمرًا من الضوء ، بينما يصدر ليزر QCW سلسلة من النبضات القصيرة. فيما يلي بعض الاختلافات بين هذين النوعين من الليزر:
الاختلافات بين CW و QCW
ليزر CW: CW هو اختصار لـ "الموجة المستمرة" ، والتي تعني ليزر الموجة المستمرة. يحقق إخراج الليزر من خلال طاقة الإثارة المستمرة ، مما يعني أن الليزر يظل قيد التشغيل حتى يتوقف. عادةً ما يكون لليزر CW طاقة ذروة منخفضة وقدرة متوسطة أعلى.
كما هو مبين في الشكل 1 ، يشير الليزر المستمر إلى الليزر الذي يمكن أن ينبعث منه الضوء بشكل مستمر ومستمر ، والمعروف بشكل جماعي باسم الليزر المستمر. بشكل عام ، يعتبر القطع المعدني الشائع ولحام الألمنيوم والنحاس من الليزر المستمر ، وهو الأكثر استخدامًا. تشمل المعلمات الرئيسية لتصحيح أخطاء عملية الليزر المستمرة: شكل موجة الطاقة ، وكمية إلغاء الضبط البؤري ، ونقطة قطر النواة ، والسرعة ؛
كما هو مبين في الشكل 2 ، يوضح الرسم التخطيطي لتوزيع الطاقة الغاوسي لليزر المستمر أحادي الوضع توزيع الطاقة للمقطع العرضي لشعاع الليزر. الطاقة المتوسطة هي الأعلى ، وينخفض المحيط بدوره ، مما يظهر توزيعًا غاوسيًا (التوزيع الطبيعي).
QCW هو اختصار لمصطلح "شبه موجة مستمرة" ، مما يعني أن الليزر شبه الموجي المستمر. كما هو مبين في الشكل أ من الليزر النبضي ، فإن الليزر عادة ما يكون عملية انبعاث ضوئي متقطع ؛ يوضح الشكل ب توزيع طاقة الليزر. بالمقارنة مع الليزر المستمر أحادي النمط ، يكون توزيع طاقة QCW أكثر تركيزًا ، مما يعني أن QCW لديها كثافة طاقة أعلى (قدرة اختراق أقوى) من الليزر المستمر. ينعكس هذا في الجانب المعدني ، مما يعني أن QCW لديها قدرة اختراق أكبر. الجانب المعدني الناتج مشابه للمسمار ، مع نسبة عرض إلى ارتفاع أعلى. إن ذروة طاقة الليزر وكثافة الطاقة العالية لـ QCW تجعلها مناسبة للسبائك عالية المقاومة والمواد الحساسة للحرارة.هناك مزايا هائلة في التوصيل الصغير ؛ يوضح الشكل ج الرسم التخطيطي للحام لليزر النبضي بترددات مختلفة. يمكن ملاحظة أن اللحام النبضي مستقر نسبيًا مع عدم وجود ترشيش تقريبًا [1].
تستخدم ليزر QCW بشكل أساسي تقنية تسمى Q-switching ، وهي طريقة فعالة للحصول على نبضات قصيرة عالية الطاقة. يقوم بضغط الليزر المستمر الناتج العام في نبضات ضيقة للغاية للإصدار ، وبالتالي زيادة طاقة الذروة لمصدر الضوء بعدة أوامر من حيث الحجم. أثناء التبديل Q ، قبل أن يخزن وسيط الكسب طاقة كافية ، يحافظ مرنان الليزر بالكامل على فقد كبير في التجويف. في هذا الوقت ، لا يستطيع الليزر إنتاج تذبذب الليزر لأن العتبة عالية جدًا ، بحيث يمكن تجميع عدد الجسيمات ذات المستوى العلوي بكميات كبيرة. عندما يصل التراكم إلى قيمة التشبع ، ينخفض فقدان التجويف بسرعة إلى قيمة صغيرة جدًا ، لذلك سيتم تحويل معظم الطاقة المخزنة بواسطة جزيئات المستوى العلوي إلى طاقة ليزر في وقت قصير ، وتوليد نبضة ليزر قوية في نهاية الإخراج .
على سبيل المثال ، يمكن إطلاق بالون مشابه للأسطوانة المستديرة من فوهة الهواء وتفريغه ببطء وباستمرار ، وهو ما يسمى الليزر المستمر. ضبط قيمة Q هو الضغط على البالون وتضخيمه على الفور ، وهذا هو الحال تقريبًا مع QCW المستمر.
الشكل 4 أ ظهور مسمار الختم بالليزر CW ، وظهور خط اللحام المستقيم ، والفحص المعدني للقسم الطولي ؛ مظهر مسمار الختم بالليزر QCW ، مظهر اللحام المستقيم ، علم المعادن بالقسم الطولي ؛
تأثير اللحام بالليزر المستمر مقابل تأثير اللحام بالليزر شبه المستمر QCW:
1. مظهر QCW مشابه للحام النقطي النبضي ، مع أنماط قشور السمك ، بينما الليزر المستمر له منحنى سلس ومستمر.
2. مدخلات الطاقة: إدخال ليزر مستمر ، إدخال متقطع نبضي ، ينعكس على علم المعادن ، اللحام المستمر بالليزر المعدني الطولي المستمر ، تقلبات طفيفة فقط ، يمكن لليزر النبضي أن يرى بوضوح الحفر بالليزر مثل الربط المعدني بالليزر أحادي النقطة ، كل ليزر مناظر ميتالوغرافي مرئي بوضوح ؛ لذلك ، اللحام المستمر أقوى من اللحام بالليزر QCW في قوة وصلة اللحام.
الشكل: رسم تخطيطي للحام بالليزر CW ؛ الشكل ب رسم تخطيطي للحام بالليزر QCW
مزايا اللحام بالليزر QCW
1. تجنب تأثير الأعمدة على امتصاص المواد ، مما يجعل العملية أكثر استقرارًا: أثناء التفاعل بين الليزر والمادة ، ستخضع المادة لتبخر شديد ، وتشكل مزيجًا من بخار المعدن والبلازما والغازات الأخرى فوق البركة المنصهرة ، بشكل جماعي المعروفة باسم أعمدة معدنية. ستحمي هذه الأعمدة المعدنية الليزر من الوصول إلى سطح المادة ، مما يؤدي إلى وصول طاقة الليزر غير المستقرة إلى سطح المادة ، مما يؤدي إلى حدوث عيوب مثل البقع ونقاط الانفجار والحفر ؛ ومع ذلك ، يتميز اللحام النبضي لـ QCW بإخراج ضوء متقطع (5 مللي ثانية من انبعاث الضوء ، 10 مللي ثانية من انبعاث الضوء المتقطع ، ثم خرج الضوء التالي) ، مما يضمن أن كل ضربة ليزر على سطح المادة لا تتأثر بأعمدة معدنية ، مما يجعلها أكثر ثباتًا مقارنة باللحام ولها مزايا في لحام الألواح الرقيقة.
2. تجمع الذوبان المستقر: الضغط على ثقب المفتاح لحوض الذوبان ، والمدة الطويلة لعمل الليزر المستمر ، ومنطقة التوصيل الحراري الكبيرة ، ومنطقة تجمع الذوبان الكبيرة ، ووفرة المعدن السائل تجعل تجمع ذوبان اللحام المستمر أكبر بكثير من تجمع ذوبان الليزر QCW. ترتبط العيوب مثل المسام والشقوق والبقع ارتباطًا وثيقًا بالبركة المنصهرة: إذا كان البركة المنصهرة كبيرة ، فإن التوتر السطحي للبركة المنصهرة يتناقص مع زيادة درجة الحرارة ، ويكون البركة المنصهرة الكبيرة أكثر عرضة لانهيار ثقب المفتاح ، كما هو موضح في a3 ؛ نظرًا للطاقة الأكثر تركيزًا ووقت العمل القصير للحام بالليزر QCW ، فإن المسبح المنصهر موجود بشكل أساسي حول ثقب المفتاح ، والقوة موحدة. معدل الحدوث النسبي للمسام والشقوق والبقع أقل.
3. المنطقة المتأثرة بالحرارة الباهتة: يعمل الليزر المستمر على المواد بنقل الحرارة باستمرار إلى المادة ، مما يجعل المادة الرقيقة شديدة التأثر بالتشوه والعيوب الحرارية مثل التشققات الناتجة عن الإجهاد الداخلي. يعمل QCW بشكل متقطع على المادة ، مما يمنحها وقتًا للتبريد ، مما يجعلها أصغر في المنطقة المتأثرة بالحرارة ومدخلات الحرارة ، مما يجعلها أكثر ملاءمة لمعالجة المواد الرقيقة ؛ ولا يمكن معالجة المواد القريبة من أجهزة الاستشعار الحرارية إلا باستخدام ليزر QCW.
4. طاقة الذروة العالية: مع نفس متوسط الطاقة لليزر المستمر و QCW ، يمكن لـ QCW تحقيق طاقة ذروة أعلى ، كثافة طاقة أعلى ، عمق انصهار أكبر ، واختراق أقوى. تتمتع QCW بمزايا أكثر في لحام سبائك النحاس وسبائك الألومنيوم. كثافة طاقة الليزر المستمر بنفس متوسط الطاقة أقل من QCW ، مما قد يتسبب في فشل الليزر في إنتاج علامات اللحام على سطح المادة وانعكاسها جميعًا. إذا كان الليزر مرتفعًا جدًا ، فسوف يزداد معدل امتصاص الليزر بشكل حاد بعد تحقيق ذوبان المواد ، وسوف تزداد مدخلات الحرارة فجأة ، مما ينتج عنه عمق انصهار وإدخال حرارة لا يمكن السيطرة عليهما. لا يمكن استخدامه في لحام الألواح الرقيقة ، وقد تكون هناك ظواهر إما فشل في إنتاج علامات اللحام أو الاحتراق ، والتي لا يمكن أن تلبي متطلبات العملية.
مزايا اللحام بالليزر CW
1. من منظور علم المعادن: كما هو موضح في الشكل الأيسر ، ينتمي اللحام النبضي QCW إلى الربط المعدني ، ويكون الحد الأعلى للتردد في الغالب حوالي 500 هرتز. معدل التداخل منخفض ، وعمق الانصهار الفعال ضحل ، ومعدل التداخل مرتفع ، ولا يمكن تحسين السرعة ، والكفاءة منخفضة ؛ يمكن أن يحقق الليزر المستمر اللحام الفعال والمستمر من خلال اختيار الليزر بأقطار أساسية مختلفة ووصلات اللحام ، ويكون الليزر المستمر أكثر استقرارًا في بعض المناسبات مع متطلبات عالية للإغلاق ؛
2. من منظور درجة تأثير الحرارة: هناك مشكلة معدل التداخل في لحام شعاع الليزر النبضي QCW ، ويتم تسخين خط اللحام بشكل متكرر. لأن الطور المعدني للمعدن والمعدن الأساسي سيكونان مختلفين بعد اللحام مرة واحدة ، وحجم الخلع مختلف ، قد يكون معدل التبريد غير متسق بعد إعادة الصهر ، وهو ما يسهل حدوث تشققات ، لكن هذه الظاهرة غير موجودة بشكل مستمر اللحام بالليزر؛
3. من منظور صعوبة التصحيح: يتطلب الليزر النبضي QCW تصحيح تردد تكرار النبضة ، ذروة الطاقة ، عرض النبض ، دورة العمل ، طاقة النبض ، متوسط الطاقة ، ذروة كثافة الطاقة ، كثافة الطاقة ، كمية إلغاء التركيز ، إلخ ؛ يحتاج الليزر المستمر فقط إلى التركيز على شكل الموجة والسرعة والقوة وإلغاء الضبط البؤري ، وهو أمر بسيط نسبيًا.
ملخص ليزر QCW: ميزتان رئيسيتان: طاقة الذروة ، ومدخلات حرارة منخفضة ، وتشوه قطع الشغل الصغيرة.
نظرًا لأن مدة النبض قصيرة (عادةً عدة مللي ثانية) ، يتم تقليل الحرارة التي تدخل الجزء إلى الحد الأدنى ، لذلك يوصى باستخدام اللحام بالليزر النبضي حول المستشعر الحراري ومواد الجدار الرقيقة للغاية. في الوقت نفسه ، نظرًا للكمية الكبيرة من الطاقة المنقولة في بداية النبضة ، غالبًا ما يكون اللحام بالليزر النبضي مناسبًا للمعادن العاكسة. عادة ما يشار إليها باسم "النبض المعزز" ، فإن ارتفاع الطاقة في بداية دورة النبض يستمر فقط لجزء صغير من إجمالي مدة النبضة. ومع ذلك ، فإن قوتها كافية لاختراق انعكاس المادة مع الحفاظ على متوسط طاقة أقل ، وبالتالي تقليل الحرارة. يجب أن توفر ليزر CW كمية كبيرة من الطاقة لمزاوجة المعادن شديدة الانعكاس ، ويمكن أن تتسبب الحرارة المتولدة في إتلاف الأجزاء أو المكونات الموجودة بداخلها بسهولة. لحام ليزر الموجة المستمرة CW هو في الغالب ليزر عالي الطاقة بطاقة تزيد عن 500 واط. بشكل عام ، يجب استخدام هذا النوع من الليزر للألواح التي يبلغ سمكها 1 مم أو أكثر. آلية اللحام عبارة عن لحام عميق الاختراق يعتمد على تأثير ثقب المفتاح ، مع نسبة عرض إلى ارتفاع كبيرة تزيد عن 8: 1 ، ولكن مدخلات حرارة عالية نسبيًا.
أخيرًا ، نظرًا لتقدم تكنولوجيا الليزر ، هناك أيضًا تقنية تعديل ليزر مستمرة لتحقيق اللحام النبضي لليزر المستمر ، بالإضافة إلى اللحام النبضي عالي التردد لليزر QCW.
بشكل عام ، لكل من ليزر CW و QCW مزايا وعيوب ، اعتمادًا على التطبيق المحدد. ليزر CW مناسب للتطبيقات التي تتطلب شعاعًا مستمرًا من الضوء ، بينما ليزر QCW مناسب للتطبيقات التي تتطلب نبضات قصيرة من الطاقة العالية. لذلك ، من المهم اختيار نوع الليزر المناسب لتطبيقك المحدد لتحقيق أفضل النتائج.