Предговор
С нарастващото приложение на влакнести лазери, надеждността на влакнестите лазери привлича все повече и повече внимание, включително надеждността на изходната производителност на лазера, надеждността на електронните компоненти, надеждността на оптичните устройства, надеждността на системите и т.н. Изчакайте.Повечето от тях са тясно свързани с топлинните свойства на самия лазер.В допълнение, температурата има голямо влияние върху работата на лазера, особено върху изходната мощност и стабилността на изхода на лазера.
Топлината на оптичния лазер идва главно от източника на помпата и кухината на усилване.За източника на помпа неговата ефективност на преобразуване е около 50%, което също означава, че енергия, еквивалентна на изходната оптична мощност, се генерира под формата на топлина.Ако топлината не може да се разсее навреме, температурата на вътрешния чип ще се повиши бързо и централната дължина на вълната на лазера ще се отклони с повишаването на температурата.За усилващата кухина, след като светлината на помпата навлезе в активното усилващо влакно, само част от нея се преобразува в лазерен изход, а останалата част от енергията се преобразува в топлинна енергия.Топлинната енергия ще повиши температурата на усилващата среда, което ще доведе до разширяване на флуоресцентния спектър и кратък живот на спонтанното излъчване, като по този начин ще намали ефективността на преобразуване на енергията.Следователно термичното управление има непренебрежимо значение за фибролазерите.Понастоящем често използваните технологии за управление на топлината са основно с въздушно и водно охлаждане.Сред тях технологията за разсейване на топлината с въздушно охлаждане се използва главно в импулсни лазери с ниска мощност и непрекъснати лазери с ниска мощност.Повечето оптични лазери със средна и висока мощност използват разсейване на топлината с водно охлаждане като основно разсейване на топлината.
Два начина за разсейване на топлината
1. Водно охлаждане
Както подсказва името, водното охлаждане е използването на вода за отнемане на топлина през топлообменник (като плоча за водно охлаждане).Неговият принцип на работа също е много прост, т.е. студената вода в охладителя се влива в топлообменника през водопроводната тръба и след това излиза от друг порт на топлообменника и след това се връща обратно към охладителя през водопроводната тръба .Топлината се отвежда от вътрешността на лазера.
Методът за разсейване на топлината с водно охлаждане има проста структура и е лесен за поддръжка;капацитетът за разсейване на топлината е силен и равномерността на температурата е добра.Охлаждащата производителност на лазера може да се подобри чрез използване на чилър с по-голям капацитет на охлаждане.В момента има повече от 500 производители, които интегрират и продават ръчни машини за лазерно заваряване на пазара и те обикновено използват водно охлаждане.Въпреки това, в допълнение към самия лазер, ръчната машина за лазерно заваряване с водно охлаждане също изисква допълнителни охладители и вода, което води до значително увеличаване на общия обем и тегло на оборудването и ограничена среда за използване.
2. Въздушно охлаждане
В широк смисъл разсейването на топлината с въздушно охлаждане се отнася до използването на вентилатори за подобряване на въздушната конвекция и пълен топлообмен вътре в машината.С подобряването на технологиите големите производители на лазери започнаха да стъпват в областта на въздушното охлаждане и разсейването на топлината.През юни миналата година глобалният лазерен гигант I компания пусна на пазара продукта за ръчно лазерно заваряване LightWELD 1500W с въздушно охлаждане;през август GW пусна в Китай интелигентната машина за лазерно заваряване с въздушно охлаждане A1500W;през октомври компанията Reci също пусна машината за лазерно заваряване FCA1500 с въздушно охлаждане.лазер.
▲ Лазерен заваръчен апарат с въздушно охлаждане: reci、IPG、GW
(Снимката идва от интернет, ако има нарушение, моля свържете се с нас, за да я изтрием)
Тези три лазера са насочени главно към пазарния сегмент на ръчно лазерно заваряване.Лазерите с въздушно охлаждане могат да направят работата по-гъвкава и преносима.И трите лазера използват разсейване на топлината с въздушно охлаждане без допълнително оборудване за водно охлаждане, което намалява разходите.В същото време размерът и теглото на оборудването са значително намалени.Въпреки че и двата се наричат лазери с въздушно охлаждане, използваните схеми за разсейване на топлината с въздушно охлаждане са различни, включително охлаждане с вентилатор, охлаждане на радиатора с топлинна тръба и охлаждане и охлаждане на компресора.(1) Разсейване на топлината на вентилатора В лазера топлината, генерирана вътре в източника на помпата и усилващата кухина, се разсейва с помощта на субстрат с добра топлопроводимост (като мед, алуминиев нитрид и др.), а след това топлината се разсейва чрез конвекция.Този метод се нарича конвекционно охлаждане.Конвективният топлопренос може да бъде разделен на естествена конвекция и принудителна конвекция, разсейване на топлината според движещата сила на потока на течността.При липса на външна сила, само температурната разлика на флуида може да накара флуида да тече спонтанно, за да осъществи пренос на топлина, което наричаме естествена конвекция;когато има външна движеща сила, тоест течността се задвижва от вентилатори, вентилатори и други компоненти.поток, като по този начин премахва топлината, ние го наричаме принудителна конвекция.Поради изключително бавното разсейване на топлината и слабия ефект на естествената конвекция, той не може напълно да отговори на изискванията за разсейване на топлината на лазерите.Ето защо е необходимо да се добави вентилатор към цялата охладителна система, за да се ускори потокът на въздуха и да се превърне естествената конвекция в принудителна конвекция.
▲ Принцип на вентилаторно охлаждане
(2) Радиатор с топлинна тръба за разсейване на топлината
Разсейването на топлината на радиатора на топлинната тръба означава, че топлинната тръба разчита на фазовата промяна на работната течност вътре в себе си, за да постигне пренос на топлина.Тази течност има ниска точка на кипене и лесно се изпарява.Единият край на топлинната тръба е краят на изпарението, който е свързан с радиатора вътре в лазера;другият край е кондензационният, който е свързан към външния радиатор и вентилатора.Стената на тръбата има фитил, абсорбиращ течността, който е съставен от капилярно порести материали.Когато лазерът се нагрява, изпарителният край се нагрява, работната течност се изпарява бързо, парата тече към кондензиращия край под разликата в налягането и се отделя топлина, която се изпуска през вентилатора;в същото време парата отново кондензира в течност и течността се връща обратно към секцията за изпаряване през фитила.(Ако е гравитационна топлинна тръба, няма фитил и течността полепва по стената на тръбата и се връща обратно към долната изпарителна секция чрез гравитация).Този цикъл не спира и топлината се прехвърля от вътрешността на лазера навън.
▲ Принцип на разсейване на топлината на радиатора с топлинни тръби
Ръчната система за лазерно заваряване LightWELD 1500 на IPG използва решение за охлаждане на радиатора с топлинна тръба.Дизайнът и производството на LightWELD се характеризират с малки размери и леко тегло, което води до ново поколение промени в настоящата ръчна машина за лазерно заваряване.В допълнение към заваряването, той също така реализира функциите на ръчно лазерно заваряване и почистване.Ръчната машина за лазерно заваряване LightWELD приема метод на въздушно охлаждане, без консумацията на енергия, изисквана от допълнително охладително оборудване, елиминирайки тръбопроводите на охладителя, компонентите, връзките за контрол и поддръжка, намалявайки разходите, като същевременно увеличавате преносимостта и подобрявате цялостната надеждност на системата.
▲ Ръчна система за лазерно заваряване LightWELD 1500
(Снимката идва от интернет, ако има нарушение, моля свържете се с нас, за да я изтрием)
(3) Компресорно охлаждане и охлаждане
Принцип на охлаждане на компресора и разсейване на топлината: Компресорът компресира хладилния агент, превръща хладилния агент в газ с висока температура и високо налягане и тече към външния кондензатор.Газът с висока температура и високо налягане се кондензира в течност с ниска температура и високо налягане, а топлината, генерирана от втечняването, се изхвърля от машината с вентилатора.Течният хладилен агент с ниска температура и високо налягане се понижава през разширителния вентил и преминава в състояние с ниска температура, ниско налягане, лесно за изпаряване, и тече към вътрешния изпарител.Изпарителят абсорбира топлина, за да намали вътрешната температура на лазера, за да постигне ефекта на охлаждане, а след това хладилният агент се изпарява в газ с висока температура и ниско налягане.Газовият хладилен агент, изпарен от изпарителя, се компресира отново от компресора и циркулира напред-назад, което реализира разсейването на топлината вътре в машината.
▲ Компресорно охлаждане и принцип на разсейване на топлината
Интелигентната ръчна заваръчна машина с въздушно охлаждане A1500W, пусната на пазара от GW Laser, използва компресорна схема за охлаждане и разсейване на топлината.GW Laser се фокусира върху непрекъснатото изследване и иновациите на 976nm технология
В комбинация с високата ефективност на фотоелектрическо преобразуване от 976nm, той креативно реши проблема с охлаждащия капацитет с въздушно охлаждане и пусна първата 976nm технология с въздушно охлаждане в индустрията, която реши проблемите с консумацията на енергия и преносимостта и отново поведе в насока на технологично развитие на фибролазерите.Този модел е реализирал функцията три в едно за заваряване, рязане и почистване.
▲ Интелигентен ръчен заваръчен апарат с въздушно охлаждане GW Laser A1500W
Сравнение на няколко метода за охлаждане
Структурата на вентилаторното охлаждане е сравнително проста.Той просто разпространява топлината от радиатора към радиатора и след това използва температурната разлика между радиатора и околния въздух, за да разсейва топлината чрез принудителна конвекция на вентилатора.Когато температурата на околната среда е твърде висока през лятото, температурната разлика между радиатора и въздуха е твърде малка и капацитетът за разсейване на топлината ще бъде значително намален.Той може само пасивно да разсейва топлината, силно се влияе от околната среда и не може да контролира точно температурата.Предимството е, че цялостното оборудване и система за управление са прости.
В сравнение с простия метод за охлаждане с вентилатор, радиаторът с топлинна тръба има повече топлинни тръби, така че структурата му е сравнително сложна.Той разчита на изпарението и кондензацията на работния материал за бързо прехвърляне на топлина от радиатора към радиатора и след това разсейване на топлината във въздуха през вентилатора.Също така принадлежи към пасивното разсейване на топлината, което не може да контролира точно температурата и е силно нарушено от околната температура.
Схемата за охлаждане и разсейване на топлината на компресора принадлежи към активното разсейване на топлината.Благодарение на наличието на компресор и разширителен вентил, температурата може да се контролира прецизно чрез регулиране на потока и налягането на хладилния агент.В същото време температурата на хладилния агент в кондензатора е по-висока от тази на радиатора, което благоприятства бързото генериране на топлина.предавани във въздуха.Неговата система за управление е по-сложна;в същото време, тъй като структурата му е много по-сложна от горните две схеми, обемът и теглото на оборудването също се увеличават съответно.
Повечето от традиционните оптични лазери използват водно охлаждане за разсейване на топлината.Първо водата се охлажда чрез компресорно охлаждане, а след това лазерът се охлажда с вода.Схемата за разсейване на топлината с въздушно охлаждане на Guanghui Laser използва директно компресорно охлаждане за охлаждане на лазера, като изоставя съществуването на вода и елиминира междинната връзка за пренос на топлина, така че ефективността на разсейване на топлината е по-висока, а обемът и теглото могат да бъдат направени по-малки.
В лабораторията ние използваме тестова кутия за постоянна температура и влажност, за да зададем 35°C, за да симулираме околната среда с висока температура през лятото и да тестваме промяната на температурата на вътрешното усилващо влакно на лазера с различни схеми на въздушно охлаждане при условие с пълна мощност 1500 W..От експерименталните данни може ясно да се види, че температурата на влакното нараства експоненциално през първите няколко минути и се стабилизира около 10 минути.Благодарение на охлаждащия ефект на компресора, лазерът може да бъде активно охлаждан, така че температурата може да се контролира под 60 °C, а промяната на температурата е относително стабилна;докато другите две могат да разчитат само на пасивно разсейване на топлината, така че вътрешната температура е малко по-висока от тази на схемата за охлаждане на компресора;, Поради високата ефективност на топлопредаване на топлинната тръба, топлината може да се изнася добре от вътрешността на лазера, така че вътрешната му температура е по-ниска от тази на чист вентилатор и повишаването на температурата е по-нежно.
▲ Промяната на температурата с времето, когато лазерът извежда 1,5kW лазер с различни схеми на въздушно охлаждане
(лабораторни данни, възможно е да има отклонения от реалната употреба на полето)
Епилог
В областта на фибролазерите GW Laser винаги се е стремил към глобалния лазерен гигант IPG.Уникалното предимство на марката Guanghui е да създава продукти с военно качество.Преди много години GW Laser започна да организира научноизследователски сили за провеждане на непрекъснато изследване на въздушното охлаждане и разсейването на топлината.В бъдеще ще продължим да подобряваме този аспект, непрекъснато да подобряваме стабилността на продуктите, да реализираме итеративно надграждане на продукти и технологии и да отговаряме на нуждите на повече индустрии.нужди за обработка
Време на публикуване: 10 март 2022 г