激光小百科

(CW)连续激光器和(QCW)准连续激光器

CW，全称为“Continuous Wave”，译为连续波激光器，特指那些在操作过程中能够提供不间断激光输出的设备。这种激光器的特点是能持续发射激光，直至操作结束。与其他激光类型相比，连续激光器以其较低的峰值功率和较高的平均功率而著称。由于其连续输出的特性，广泛应用于金属切割、铜铝焊接等领域，成为最常见且应用范围最广的激光类型之一。其能够提供持续而稳定的能量输出，使其在精密加工和大规模生产中都显得尤为重要。在进行连续激光器的工艺调试时，主要关注几个关键参数，包括功率波形、离焦量、光斑的芯径以及加工速度。这些参数的精确调整对于实现最佳加工效果至关重要，能够确保激光加工过程的高效率和高质量。

连续波能量示意图

连续激光器能量分布特性

连续（CW）激光器的一个显著特点是其能量分布的高斯模式，即激光束截面的能量分布呈现出中心最高、向外逐渐降低的高斯（正态分布）形态。这种分布特性使得CW激光器在进行精密加工时能够实现极高的聚焦精度和加工效果，特别是在需要高度集中能量的应用场景中。

连续波激光器能量分布示意图

CW激光焊接的显著优势分析

金属结构的视角

当我们深入观察金属的微观结构，CW（连续波）激光焊接显示出其独特优势。与QCW（准连续波）脉冲焊接相比，后者在金属结构拼接中受到频率限制，通常不超过500Hz，并且在重叠率和焊接深度之间存在一个权衡。低重叠率导致焊接不够深入，而高重叠率则限制了焊接速度，降低了效率。相反，通过选用合适的激光核心直径和焊接头，CW激光焊接能够实现高效且连续的焊接过程，特别是在需要高密封性的应用场景中，连续波激光焊接更显可靠。

热影响的考量

从热影响的角度来看，QCW脉冲激光焊接中的重叠问题会导致焊缝区域的重复加热，这可能会引起金属结构和母材之间的不一致性，包括不同的大小位错和冷却速率，从而增加裂纹的风险。而CW激光焊接避免了这种问题，提供了更加均匀和连续的加热过程。

调试的简易性

在操作和调试方面，QCW激光焊接需要精细调整多个参数，包括脉冲频率、峰值功率、脉冲宽度、占空比等，而CW激光焊接的调试过程相对简单得多，主要关注波形、速度、功率和离焦量，大大降低了操作难度。

虽然QCW激光焊接以其高峰值功率和低热输入著称，对于热敏元件和极薄壁材料的焊接特别有利，但CW激光焊接技术的进步，尤其是在高功率应用（通常超过500瓦）和基于匙孔效应的深熔焊方面，已经显著提高了其应用范围和效率。这种激光器特别适合焊接厚度超过1mm的材料，能够实现高深宽比（超过8:1），尽管热输入相对较大。

准连续（QCW）激光焊接的核心优势分析

能量分布的集中

QCW，即“准连续波”激光器，其工作方式表现为激光以间断形式发射，不同于单模连续激光的均匀能量分布。QCW激光器的能量分布更为集中，这意味着其拥有更高的能量密度，从而实现更强的穿透能力。在金属学上，这种能量分布能形成深宽比较大的“钉子”形状熔池，使得QCW激光在处理高反射合金、热敏感材料和微连接方面具有显著优势。

稳定性增强与羽辉干扰减少

QCW激光焊接的一个显著优势是其能够避免金属羽辉对材料吸光率的影响，使得焊接过程更加稳定。在激光与材料相互作用过程中，激烈的蒸发会在熔池上方形成金属蒸气和等离子体的混合气体，即金属羽辉，这些羽辉可能阻挡激光达到材料表面，导致激光功率不稳定，进而产生飞溅、炸点、凹坑等缺陷。QCW的间歇性出光方式（例如，发光5ms，间歇10ms）确保每次激光照射材料表面时不受金属羽辉的影响，焊接过程相对更稳定，尤其适用于薄板材料的焊接。

熔池稳定性

熔池的稳定性，特别是其受力情况，对焊接质量至关重要。与连续激光相比，由于作用时间长、热传导面积大，连续激光产生的熔池面积较大，液态金属多，容易引起熔池相关的各种缺陷，如气孔、裂纹、飞溅等。而QCW激光焊接由于能量更集中且作用时间短，熔池主要集中在匙孔周围，受力更均匀，相对而言，气孔、裂纹、飞溅的发生率更低。

热影响区域小

连续激光持续作用于材料上，导致热量不断传导至材料深处，薄材料容易发生热变形和内应力导致的裂纹等缺陷。相比之下，QCW激光的间歇性作用给予材料充分的冷却时间，因此在热影响区和热输入方面更小，更适合加工薄材料及靠近热敏元件的材料。

峰值功率高

在相同平均功率下，QCW激光能实现更高的峰值功率和更高的能量密度，从而实现更大的熔深和更强的穿透力。这在铜合金、铝合金薄板焊接方面尤其有优势。相同平均功率的连续激光因能量密度较低，可能无法在材料表面形成焊点，而过高功率的连续激光在实现材料熔化后吸收率会急剧增加，热输入突然增大，导致熔深和热输入不受控，在薄板焊接中无法使用，可能导致无法形成焊接或者穿透材料，无法满足工艺要求。