图1 CW 与QCW 调试参数

常见的光纤激光器的说明书都有一个Operation Mode（操作模式）选项，有两种模式可选：CW 和 Modulated ；CW就是连续出光，一般都是用的这个，那modulated是怎么回事呢？一般翻译为调制模式，是一种类似高频脉冲的模式，那这个modulated和QCW pulse 又有什么区别呢？什么时候用 CW modulated ，什么时候用QCW Pulse呢？

图2 QCW原理示意图

QCW激光器是英文Quasi-Continuous Wave的缩写：即近似连续波激光器。QCW定义：QCW是一种连续波激光器系统，其输出功率可以根据触发它的输入信号来控制。最常见的应用之一是输入周期性的模拟或数字信号，这样它将在“开”状态和“关”状态之间进行脉冲输出激光的一种操作模式，给的是脉冲信号。

准连续激光器受限于其散热条件，只有在不连续的注入电流激励下才能室温工作，因此，要求其注入电流形式为准连续方式，意味着其泵浦源仅在一定的时间间隔内开启，一般占空比为 50%（即方波），该时间间隔足够短以显著减少热效应，但仍然足够长以使激光过程接近其稳态，即激光器在光学上处于连续波（功率连续不波动）工作状态（方波就是方波，不会有冒尖、毛刺这种输出）。同时，准连续波操作允许以较低的平均功率为代价实现较高的输出峰值功率。

图3 CW modulated 原理示意图

CW modulated（后续简称 CW调制）：通过改变信号输入（ 驱动电流 ），或通过在光产生后改变连续波输出。在激光调制中，主要是使用函数发生器来创建调制信号，并使用激光二极管驱动器将该信号应用于激光器的驱动电流，一般是类似正弦的连续调制信号。

多种调制方式：电光调制 (EOM)、声光调制 (AOM) 和电吸收调制 (EAM) 等调制可用于通过电场或声波操纵激光输出。

CW 调制与QCW对比：峰值功率

峰值功率不一样，QCW的平均功率不变，峰值功率会随着脉冲频率、脉宽的变化而变化：

图4 QCW与 CW调制峰值对比示意图

QCW激光脉冲峰值功率可以达到平均功率的5-10倍。

CW调制时，激光功率只能达到设定的最大输出功率，无论激光器在开关状态之间调制的频率和占空比如何变化.

CW 调制与QCW对比：波形、频率区别

脉冲波形区别：QCW pulse 波形可以任意编辑，CW调制不可编辑波形;

频率区别：QCW一般不超过500Hz，CW 调制一般几百Hz~50KHz.

图6 QCW 与CW调制波形示意图

焊接效果对比

QCW热输入分析：同样的峰值功率，QCW pulse穿透能力更强，因为QCW的脉宽更宽，综合热输入更大，容易出现匙孔，使得激光能量向材料更深处传递，焊缝熔深更大，穿透能力更强， 更高的峰值功率使得QCW在脉冲模式下能够对高反合金进行焊接，这一点CW调制比较困难，因为峰值功率不够，且脉宽较小。

如右图QCW金相（来自IPG官网）：QCW相比CW 调制最大的优势就是搭配小芯径，能够有极大深宽比，适合打孔、叠焊。

图7 QCW 金相（来自IPG）

CW调制热输入分析：如下图所示，大族激光李小婷[1]研究发现同样的平均功率，加了1KHz调制之后，熔深明显变浅，调制能降低热输入 。在调制模式下, 随着占空比增大， 焊接熔宽， 熔深逐渐增加，当占空比≤ 50%时，焊接过程主要为热导焊模式, 熔宽变化趋势大于熔深变化趋势； 当 占空比＞ 50%时,焊接模式开始从热导焊转变为深熔 焊,此时焊缝熔深明显增加,而熔宽增大趋势较小。 频率越大，焊缝熔宽， 熔深越接近于等效功率 CW 模式下的熔宽、熔深。当占空比为 20%,频率为 0.1 kHz 时,出光间隔时间过长，热量损失较大，相比在 CW 模式同等热输入下,，熔深明显较浅； 当占空比为 80%时,调制频率对焊接熔深，熔宽基本无影响。在相同热输入的情况下，CW 模式与CW调制焊缝显微硬度大小并无明显区别，但 CW 模式从焊缝区过渡至母材的宽度明显大于CW调制模式， 由此可 知CW调制模式的热影响区要小于 CW 模式, 采用CW调制模式能够减小焊缝的热影响区，抑制焊接变形。

图8 CW调制 与CW对比金相

QCW与CW调制对比汇总

以大族HWQ150激光器为例，其他机型以最大功率为准:

1、最大输出功率不同

峰值功率:QCW:≤1500W，CW:≤150W

平均功率:QCW:≤150W，CW:≤150W

2、最大占空比、最大脉宽不同

QCW:占空比≤ 50%，脉宽≤ 50ms，且脉宽受峰值影响，单点能量≤15J

例如:峰值功率达到1500W时，最大脉宽为10ms，单点为15J，若要加大脉宽则必须降低峰值。

CW:可以连续输出或调制输出，调制频率= 50kHz，占空比不受限制。

3、出光方式不同

QCW:只能脉冲出光，单个脉冲(单点) 或连续脉冲出光(有出光间隔)

CW:连续或者脉冲，单个脉冲(一定脉宽) 或连续出光(无出光间隔)

电平触发和脉冲触发

QCW:

脉冲：外控触发下降沿来临时出一个波形，当外控触发频率不大于最高出光频率时，以外控触发频率出光，否则以最高出光频率出光

电平：外控触发为低电平时以软件设置的频率连续脉冲出光

CW：

脉冲：外控触发下降沿来临时出一个波形，无频率限制

电平：外控触发为低电平时以软件设置参数出光，当不使能调制时，保持最后一段时间不为0的功率出光，直到触发信号撤除为止。

QCW应用优势

加工能力：激光脉冲的峰值功率与克服焊缝表面的反射率进而熔化母材形成焊缝的能力息息相关。由于QCW脉冲激光器具有一个更高数量级的峰值功率，这种与材料相互作用耦合的能力大大增强。这一独特的特性现在使得QCW激光器在低功率激光焊接领域有更强大的加工能力，因为同样的平均功率，其他技术峰值功率都比不上QCW激光器。

可操作性：QCW可以设置适合任何特定应用的最佳时间脉冲波形（高反材料），还可以通过定制的重复频率来预先设置所需的脉冲工艺参数。在处理复杂部件（如尖角和窄孔）或高反射和敏感材料时，可以完全控制脉冲持续时间、占空比、频率、脉冲能量和平均功率，针对不同应用场景进行参数匹配。

尤其是在抑制裂纹、飞溅上有不错的表现。

图9 [2] 高反合金QCW脉冲波形

CW调制应用优势：

CW调制主要是两个常用的场景，一个是3C的薄钢板、镍片、铝铜片等超薄板微连接；因为这些工件往往在0.1mm左右，甚至更薄，QCW的峰值功率太高，能量过于集中，窗口较小，非常容易击穿，良率低，此时CW调制因为峰值功率和平均功率一致，热输入更小，功率密度较大，不容易击穿，变形小，比较适合此类薄板连接，同时有占空比、频率功率可调，窗口更大，使用更灵活，兼容性较好。

另外就是1mm以上的较厚材料的连接，QCW占空比没有优势，和CW调制相比，因为需要散热冷却，必须要那么长时间，属于冷加工，调制可以更快。在焊接非高反材料时，CW调制的效率是QCW的10倍左右。

同时有研究证明[3]：在铜合金的焊接中匙孔开口闭合是导致飞溅发生的主要原因之一，当匙孔内的功率密度过低，无法保持蒸发压力以保持锁孔打开时，就会发生匙孔坍塌闭合，产生飞溅。CW调制可以影响熔体池的加热、焊接和冷却阶段的时间行为，以避免过热和优化凝固过程，降低飞溅发生率，并扩大工艺窗口。

图11 CW调制应用 3C 集流盘等薄件

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[1] 李小婷, 朱宝华, 赵曙明, et al. 高功率半导体激光器调制模式对316不锈钢焊接性能的影响 [J]. 热加工工艺, 2020, 49(11): 142-6.

[2] 李小婷, 朱宝华. 铝合金激光焊接 [J]. 电焊机, 2015, 45(02): 122-6.

[3] Heinen P, Eichler F, Haeusler A, et al. Influence of spatial power modulation on pore and crack formation in laser beam welding of aluminum [J]. Journal of Laser Applications, 2019, 31(2).