לייזרים גל רציף (CW) ולייזר גלים מעין רציפים (QCW) הם שני סוגים של לייזרים הנמצאים בשימוש נפוץ ביישומים שונים. לייזרים CW פולטים אלומת אור מתמשכת, בעוד שלייזרי QCW פולטים סדרה של פולסים קצרים. להלן כמה מההבדלים בין שני סוגי הלייזרים הללו:
הבדלים בין CW ל-QCW
לייזר CW: CW הוא קיצור של "גל מתמשך", שפירושו לייזר גל מתמשך. הוא משיג פלט לייזר באמצעות אנרגיית עירור מתמשכת, כלומר הלייזר נשאר דולק עד שהוא מפסיק. ללייזרי CW יש בדרך כלל הספק שיא נמוך יותר והספק ממוצע גבוה יותר.
כפי שמוצג באיור 1, לייזר מתמשך מתייחס ללייזר שיכול לפלוט אור ברציפות וברציפות, המכונה ביחד לייזר מתמשך. בדרך כלל, חיתוך מתכת נפוצה וריתוך אלומיניום נחושת הם לייזרים רציפים, שהם הנפוצים ביותר בשימוש. הפרמטרים העיקריים של איתור באגים מתמשך בתהליך לייזר כוללים: צורת גל הספק, כמות ביטול המיקוד, נקודת קוטר הליבה ומהירות;
כפי שמוצג באיור 2, הדיאגרמה הסכמטית של חלוקת האנרגיה גאוסית של לייזר מתמשך במצב יחיד מציגה את חלוקת האנרגיה של החתך של קרן לייזר. האנרגיה האמצעית היא הגבוהה ביותר, והפריפריה יורדת בתורה, ומראה התפלגות גאוסית (התפלגות נורמלית).
QCW הוא קיצור של "גל מעין רציף", שפירושו לייזר גל מעין מתמשך. כפי שמוצג באיור א' של לייזר דופק, לייזר הוא בדרך כלל תהליך של פליטת אור לסירוגין; איור ב' מציג את חלוקת אנרגיית הלייזר. בהשוואה ללייזרים רציפים במצב יחיד, חלוקת האנרגיה של QCW מרוכזת יותר, מה שאומר של-QCW יש צפיפות אנרגיה גבוהה יותר (יכולת חדירה חזקה יותר) מאשר לייזרים רציפים. זה בא לידי ביטוי בהיבט המטאלוגרפי, מה שאומר של-QCW יש יכולת חדירה גדולה יותר. ההיבט המטאלוגרפי המיוצר דומה למסמר, עם יחס רוחב-גובה גבוה יותר. שיא הספק הלייזר וצפיפות האנרגיה הגבוהה של QCW הופכים אותו למתאים לסגסוגות התנגדות גבוהה, חומרים רגישים לתרמיים. ישנם יתרונות עצומים בקישוריות מיקרו; איור ג' מציג את דיאגרמת הריתוך הסכמטית של לייזר דופק עם תדרים שונים. ניתן לראות כי ריתוך הדופק יציב יחסית כמעט ללא ניתזים [1].
לייזרים QCW משתמשים בעיקר בטכנולוגיה הנקראת Q-switching, שהיא שיטה יעילה להשגת פולסים קצרים באנרגיה גבוהה. הוא דוחס את הלייזר הרציף הפלט הכללי לפולסים צרים במיוחד לצורך פליטה, ובכך מגדיל את שיא הספק של מקור האור במספר סדרי גודל. במהלך מיתוג Q, לפני שמדיום הרווח אוגר מספיק אנרגיה, כל מהוד הלייזר שומר על אובדן חלל גבוה. בשלב זה, הלייזר אינו יכול לייצר תנודת לייזר מכיוון שהסף גבוה מדי, כך שניתן לצבור את מספר החלקיקים ברמה העליונה בכמויות גדולות. כאשר ההצטברות מגיעה לערך הרוויה, אובדן החלל מצטמצם במהירות לערך קטן מאוד, כך שרוב האנרגיה המאוחסנת על ידי חלקיקים ברמה העליונה תומר לאנרגיית לייזר תוך זמן קצר, צור פלט פולס לייזר חזק בקצה הפלט .
לדוגמה, ניתן לשחרר בלון הדומה לתוף עגול מהזרבובית שלו ולרוקן אותו באיטיות וברציפות, מה שנקרא לייזר מתמשך. התאמת ערך ה-Q היא ללחוץ על הבלון ולנפח אותו באופן מיידי, וזה בערך המקרה עם רציף ו-QCW.
איור 4 א הופעת מסמר איטום בלייזר CW, מראה של תפר ריתוך ישר, בדיקה מטאלוגרפית של חתך אורך; מראה ציפורניים איטום בלייזר QCW, מראה ריתוך ישר, מטאלוגרפיה בחתך אורך;
אפקט ריתוך לייזר מתמשך לעומת אפקט ריתוך לייזר מעין מתמשך QCW:
1. המראה של QCW דומה לריתוך נקודתי דופק, עם דפוסי קשקשת דגים, בעוד שללייזר מתמשך יש עקומה חלקה ומתמשכת;
2. קלט אנרגיה: קלט לייזר רציף, קלט לסירוגין, משתקף על המטאלוגרפיה, ריתוך לייזר מתמשך מתכתי אורכי רציף, רק תנודות קלות, לייזר דופק יכול לראות בבירור את קידוח הלייזר כמו חיבור מטאלוגרפי של לייזר בנקודה אחת, כל לייזר מתאים מטאלוגרפי נראה בבירור ; לכן, ריתוך רציף חזק יותר מאשר ריתוך לייזר QCW בחוזק מפרקי ריתוך.
איור תרשים סכמטי של ריתוך לייזר CW; איור ב דיאגרמה סכמטית של ריתוך לייזר QCW
היתרונות של ריתוך לייזר QCW
1. הימנעות מהשפעת הפלומים על ספיגת החומר, מה שהופך את התהליך ליציב יותר: במהלך האינטראקציה בין הלייזר לחומר, החומר יעבור אידוי חמור, וייצור תערובת של אדי מתכת, פלזמה וגזים נוספים מעל הבריכה המותכת, ביחד. המכונה פלומת מתכת. פלומות מתכת אלו יגנו על הלייזר מלהגיע למשטח החומר, וכתוצאה מכך כוח לייזר לא יציב יגיע אל פני החומר, וכתוצאה מכך פגמים כגון התזות, נקודות פיצוץ ובורות; עם זאת, ריתוך הדופק של QCW מאופיין בתפוקת אור לסירוגין (5ms של תפוקת אור, 10ms של תפוקת אור לסירוגין, ולאחר מכן פלט האור הבא), מה שמבטיח שכל פגיעת לייזר על פני החומר אינה מושפעת מנומרות מתכת, מה שהופך אותו ליציב יותר בהשוואה לריתוך ויש לו יתרונות בריתוך לוחות דק.
2. בריכת ההיתוך היציבה: הלחץ על חור המנעול של בריכת ההיתוך, משך הזמן הארוך של פעולת לייזר רציפה, אזור הולכת החום הגדול, אזור בריכת ההיתוך הגדולה ושפע המתכת הנוזלית הופכים את בריכת ההיתוך הרציף להרבה יותר גדולה. מאשר בריכת ההיתוך בלייזר QCW. פגמים כגון נקבוביות, סדקים ונתזים קשורים קשר הדוק לבריכה המותכת: אם הבריכה המותכת גדולה, מתח הפנים של הבריכה המותכת יורד עם עליית הטמפרטורה, והבריכה המותכת הגדולה נוטה יותר להתמוטטות חור המנעול, כפי שמוצג. ב-a3; בשל האנרגיה המרוכזת יותר וזמן הפעולה הקצר של ריתוך לייזר QCW, הבריכה המותכת קיימת בעיקר סביב חור המנעול, והכוח אחיד. שיעור ההופעה היחסי של נקבוביות, סדקים ונתזים נמוך יותר.
3. אזור מושפע חום Saller: פעולת לייזר מתמשכת על החומר מעבירה חום לחומר, מה שהופך את החומר הדק לרגיש מאוד לעיוות תרמי ולפגמים כגון סדקים הנגרמים מלחץ פנימי. QCW פועל לסירוגין על החומר, נותן לו זמן קירור, הופך אותו לקטן יותר באזור מושפע החום ובכניסת החום, מה שהופך אותו למתאים יותר לעיבוד חומרים דקים; וחומרים קרובים לחיישנים תרמיים ניתנים לעיבוד רק באמצעות לייזר QCW.
4. כוח שיא גבוה: עם אותו כוח ממוצע של לייזרים רציפים ו-QCW, QCW יכול להשיג כוח שיא גבוה יותר, צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, עומק התכה גדול יותר וחדירה חזקה יותר. ל-QCW יתרונות נוספים בריתוך של סגסוגת נחושת וסגסוגת אלומיניום. צפיפות האנרגיה של לייזר רציף עם אותו הספק ממוצע נמוכה מ-QCW, מה שעלול לגרום ללייזר לא לייצר סימני ריתוך על פני החומר ולהשתקף כולם. אם הלייזר גבוה מדי, קצב ספיגת הלייזר יגדל בחדות לאחר השגת המסת חומר, וכניסת החום תגדל לפתע, וכתוצאה מכך עומק התכה ותזונת חום בלתי נשלטת. לא ניתן להשתמש בו בריתוך לוחות דק, וייתכנו תופעות של אי יצירת סימני ריתוך או שריפה, שאינה יכולה לעמוד בדרישות התהליך.
היתרונות של ריתוך לייזר CW
1. מנקודת מבט מטאלוגרפית: כפי שמוצג באיור השמאלי, ריתוך דופק QCW שייך לחבור מטאלוגרפי, ומגבלת התדר העליון היא בעיקר סביב 500Hz. קצב החפיפה נמוך, עומק ההיתוך האפקטיבי רדוד, קצב החפיפה גבוה, לא ניתן לשפר את המהירות והיעילות נמוכה; לייזר רציף יכול לממש ריתוך יעיל ורציף באמצעות מבחר לייזרים עם קוטרי ליבה שונים ומפרקי ריתוך, ולייזר רציף יציב יותר במקרים מסוימים עם דרישות גבוהות לאיטום;
2. מנקודת המבט של מידת השפעת החום: קיימת בעיית קצב חפיפה בריתוך קרן לייזר בדופק QCW, ותפר הריתוך מחומם שוב ושוב. מכיוון שהשלב המטאלוגרפי של המתכת והמתכת הבסיסית יהיה שונה לאחר ריתוך פעם אחת, וגודל הנקע שונה, קצב הקירור עלול להיות לא עקבי לאחר התכה מחדש, מה שקל לגרום לסדקים, אך תופעה זו אינה קיימת ברציפות ריתוך לייזר;
3. מנקודת המבט של קושי באגים: לייזר דופק QCW דורש תדירות חזרת דופק באגים, שיא הספק, רוחב דופק, מחזור עבודה, אנרגיית דופק, הספק ממוצע, צפיפות שיא הספק, צפיפות אנרגיה, כמות ביטול מיקוד וכו'; לייזר מתמשך צריך להתמקד רק בצורת גל, מהירות, כוח וחוסר מיקוד, וזה פשוט יחסית.
סיכום לייזר QCW: שני יתרונות מרכזיים: שיא הספק, קלט חום נמוך ועיוות קטן של חלקי העבודה.
מכיוון שמשך הפולס קצר (בדרך כלל מספר אלפיות השנייה), החום הנכנס לחלק ממוזער, ולכן מומלץ להשתמש בריתוך לייזר פועם סביב החיישן התרמי ובחומרי דופן דקים במיוחד. יחד עם זאת, בגלל כמות האנרגיה הגדולה המועברת בתחילת הדופק, ריתוך לייזר פועם מתאים לרוב למתכת רפלקטיבית. בדרך כלל מכונה "דופק משופר", ספייק הכוח בתחילת מחזור הדופק נמשך רק חלק קטן ממשך הדופק הכולל. עם זאת, הכוח שלו מספיק כדי לפרוץ את רפלקטיביות החומר תוך שמירה על הספק ממוצע נמוך יותר, ובכך להפחית את החום. לייזרים CW חייבים לספק כמות גדולה של אנרגיה כדי לחבר מתכות מחזירות אור, והחום שנוצר יכול בקלות להזיק לחלקים או לרכיבים שבתוכם. ריתוך לייזר גל מתמשך CW הוא בעיקר לייזר בעל הספק גבוה עם הספק מעל 500 וואט. באופן כללי, יש להשתמש בלייזר מסוג זה עבור לוחות בעובי של 1 מ"מ או יותר. מנגנון הריתוך הוא ריתוך חדירה עמוקה המבוססת על אפקט חור המנעול, עם יחס רוחב-גובה של מעל 8:1, אך קלט חום גבוה יחסית.
לבסוף, בשל התקדמות טכנולוגיית הלייזר, קיימות גם טכנולוגיית אפנון לייזר מתמשך להשגת ריתוך דופק של לייזרים רציפים, כמו גם ריתוך דופק בתדר גבוה של לייזרים QCW.
בסך הכל, גם ללייזרי CW וגם ללייזרי QCW יש את היתרונות והחסרונות שלהם, בהתאם ליישום הספציפי. לייזרים CW מתאימים ליישומים הדורשים אלומת אור רציפה, בעוד שלייזרי QCW מתאימים ליישומים הדורשים פולסים קצרים של אנרגיה גבוהה. לכן, חשוב לבחור את סוג הלייזר המתאים ליישום הספציפי שלך כדי להשיג את התוצאות הטובות ביותר.