Vorwort
Mit der zunehmenden Anwendung von Faserlasern hat die Zuverlässigkeit von Faserlasern immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen, einschließlich der Zuverlässigkeit der Laserleistung, der Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten, der Zuverlässigkeit optischer Geräte, der Zuverlässigkeit von Systemen usw. Warten Sie.Die meisten davon hängen eng mit den thermischen Eigenschaften des Lasers selbst zusammen.Außerdem hat die Temperatur einen großen Einfluss auf die Leistung des Lasers, insbesondere auf die Ausgangsleistung und Ausgangsstabilität des Lasers.
Die Wärme des Faserlasers kommt hauptsächlich von der Pumpquelle und dem Verstärkungshohlraum.Für die Pumpquelle beträgt ihr Umwandlungswirkungsgrad etwa 50 %, was auch bedeutet, dass eine Energie, die der ausgegebenen optischen Leistung entspricht, in Form von Wärme erzeugt wird.Wenn die Wärme nicht rechtzeitig abgeführt werden kann, steigt die Temperatur des internen Chips schnell an, und die Mittenwellenlänge des Lasers driftet mit steigender Temperatur.Für den Verstärkungshohlraum wird, nachdem das Pumplicht in die aktive Verstärkungsfaser eintritt, nur ein Teil davon in Laserleistung umgewandelt, und der Rest der Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt.Thermische Energie erhöht die Temperatur des Verstärkungsmediums, was zu einer Verbreiterung des Fluoreszenzspektrums und einer kurzen Lebensdauer der spontanen Emission führt, wodurch die Energieumwandlungseffizienz verringert wird.Daher hat das Thermomanagement für Faserlaser eine nicht zu vernachlässigende Bedeutung.Derzeit werden hauptsächlich luftgekühlte und wassergekühlte Wärmemanagementtechnologien verwendet.Darunter wird die luftgekühlte Wärmeableitungstechnologie hauptsächlich in gepulsten Lasern mit geringer Leistung und kontinuierlichen Lasern mit geringer Leistung verwendet.Die meisten Faserlaser mit mittlerer und hoher Leistung verwenden wassergekühlte Wärmeableitung als Hauptwärmeableitung.
Zwei Möglichkeiten, Wärme abzuleiten
1. Wasserkühlung
Wie der Name schon sagt, ist Wasserkühlung die Verwendung von Wasser, um Wärme durch einen Wärmetauscher (z. B. eine Wasserkühlplatte) abzuführen.Sein Arbeitsprinzip ist ebenfalls sehr einfach, das heißt, das kalte Wasser im Kühler fließt durch die Wasserleitung in den Wärmetauscher, tritt dann aus einem anderen Anschluss des Wärmetauschers aus und fließt dann durch die Wasserleitung zurück zum Kühler .Wärme wird aus dem Inneren des Lasers abgeführt.
Das wassergekühlte Wärmeableitungsverfahren hat einen einfachen Aufbau und ist leicht zu warten;Die Wärmeableitungskapazität ist stark und die Temperaturgleichmäßigkeit ist gut.Die Kühlleistung des Lasers kann durch den Einsatz eines Chillers mit größerer Kühlleistung verbessert werden.Derzeit sind mehr als 500 Hersteller auf dem Markt, die handgeführte Laserschweißmaschinen integrieren und verkaufen und in der Regel Wasserkühlung verwenden.Zusätzlich zum Laser selbst erfordert die handgehaltene Laserschweißmaschine mit Wasserkühlung jedoch auch zusätzliche Kühler und Wasser, was zu einer erheblichen Zunahme des Gesamtvolumens und -gewichts der Ausrüstung und zu eingeschränkten Einsatzumgebungen führt.
2. Luftkühlung
Im weiteren Sinne bezieht sich luftgekühlte Wärmeableitung auf die Verwendung von Lüftern zur Verbesserung der Luftkonvektion und zum vollständigen Wärmeaustausch innerhalb der Maschine.Mit der Verbesserung der Technologie haben große Laserhersteller begonnen, Fuß in den Bereich der Luftkühlung und Wärmeableitung zu setzen.Im Juni letzten Jahres brachte der globale Faserlaserriese I das luftgekühlte LightWELD 1500W-Handlaserschweißprodukt auf den Markt;im August brachte GW die luftgekühlte intelligente Laserschweißmaschine A1500W in China auf den Markt;Im Oktober brachte die Firma Reci auch die luftgekühlte Laserschweißmaschine FCA1500 auf den Markt.Laser.
▲ Luftgekühlter Laserschweißer: reci, IPG, GW
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Diese drei Laser zielen hauptsächlich auf das Marktsegment des handgeführten Laserschweißens ab.Luftgekühlte Laser können die Arbeit flexibler und tragbarer machen.Alle drei Laser verwenden eine luftgekühlte Wärmeableitung ohne zusätzliche Wasserkühlung, was die Kosten senkt.Gleichzeitig werden die Größe und das Gewicht der Ausrüstung stark reduziert.Obwohl sie beide als luftgekühlte Laser bezeichnet werden, sind die verwendeten luftgekühlten Wärmeableitungsschemata unterschiedlich, einschließlich Lüfterkühlung, Heatpipe-Radiatorkühlung und Kompressorkühlung und -kühlung.(1) Lüfterwärmeableitung Im Laser wird die innerhalb der Pumpquelle und des Verstärkungshohlraums erzeugte Wärme unter Verwendung eines Substrats mit guter Wärmeleitfähigkeit (wie Kupfer, Aluminiumnitrid usw.) abgeführt, und dann wird die Wärme durch Konvektion abgeführt.Diese Methode wird als Konvektionskühlung bezeichnet.Die konvektive Wärmeübertragung kann entsprechend der treibenden Kraft der Flüssigkeitsströmung in natürliche Konvektion und erzwungene Konvektionswärmeableitung unterteilt werden.In Abwesenheit einer äußeren Kraft kann nur der Temperaturunterschied der Flüssigkeit die Flüssigkeit spontan fließen lassen, um eine Wärmeübertragung durchzuführen, was wir als natürliche Konvektion bezeichnen.wenn es eine äußere Antriebskraft gibt, das heißt, das Fluid wird von Lüftern, Ventilatoren und anderen Komponenten angetrieben.strömen und dabei Wärme entziehen, nennen wir es erzwungene Konvektion.Aufgrund der extrem langsamen Wärmeableitung und der schlechten Wirkung der natürlichen Konvektion kann es die Wärmeableitungsanforderungen von Lasern nicht vollständig erfüllen.Daher muss dem gesamten Kühlsystem ein Lüfter hinzugefügt werden, um den Luftstrom zu beschleunigen und die natürliche Konvektion in eine erzwungene Konvektion umzuwandeln.
▲ Prinzip Lüfterkühlung
(2) Heatpipe-Heizkörper zur Wärmeableitung
Die Wärmeableitung des Wärmerohrstrahlers bedeutet, dass das Wärmerohr auf die Phasenänderung der Arbeitsflüssigkeit in sich selbst angewiesen ist, um eine Wärmeübertragung zu erreichen.Diese Flüssigkeit hat einen niedrigen Siedepunkt und ist leicht zu verflüchtigen.Ein Ende des Wärmerohrs ist das Verdampfungsende, das mit dem Kühlkörper im Inneren des Lasers verbunden ist;das andere Ende ist das Kondensationsende, das mit dem externen Kühlkörper und dem Lüfter verbunden ist.Die Rohrwand hat einen flüssigkeitsaufnehmenden Docht, der aus kapillarporösen Materialien besteht.Wenn der Laser erhitzt wird, wird das Verdampfungsende erhitzt, die Arbeitsflüssigkeit verdampft schnell, der Dampf strömt unter dem Druckunterschied zum Kondensationsende und die Wärme wird freigesetzt, die durch den Lüfter abgeführt wird;Gleichzeitig kondensiert der Dampf wieder zu Flüssigkeit und die Flüssigkeit fließt durch den Docht zurück zum Verdampfungsabschnitt.(Wenn es sich um ein Gravitationswärmerohr handelt, gibt es keinen Docht und die Flüssigkeit haftet an der Rohrwand und fließt durch die Schwerkraft zurück zum unteren Verdampfungsabschnitt).Dieser Kreislauf hört nicht auf und die Wärme wird vom Inneren des Lasers nach außen übertragen.
▲ Wärmeableitungsprinzip des Heatpipe-Heizkörpers
Das handgeführte Laserschweißsystem LightWELD 1500 von IPG verwendet eine Heatpipe-Radiator-Kühllösung.Das Design und die Herstellung von LightWELD zeichnen sich durch geringe Größe und geringes Gewicht aus, was zu einer neuen Generation von Änderungen in der aktuellen handgeführten Laserschweißmaschine führt.Neben dem Schweißen werden auch die Funktionen des handgeführten Laserschweißens und -reinigens realisiert.Das handgehaltene Laserschweißgerät LightWELD verwendet die Luftkühlungsmethode ohne den Stromverbrauch, der durch zusätzliche Kühlgeräte erforderlich ist, wodurch die Rohrleitungen, Komponenten, Steuerungs- und Wartungsverbindungen des Kühlers entfallen, die Kosten gesenkt, die Tragbarkeit erhöht und die Gesamtzuverlässigkeit des Systems verbessert werden.
▲ LightWELD 1500 Hand-Laserschweißsystem
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(3) Kompressorkühlung und Kühlung
Kompressorkühlung und Wärmeableitungsprinzip: Der Kompressor komprimiert das Kältemittel, wandelt das Kältemittel in ein Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck um und strömt zum externen Kondensator.Das Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck wird zu einer Flüssigkeit mit niedriger Temperatur und hohem Druck kondensiert, und die durch die Verflüssigung erzeugte Wärme wird mit dem Ventilator aus der Maschine abgeführt.Das flüssige Kältemittel mit niedriger Temperatur und hohem Druck wird durch das Expansionsventil drucklos gemacht und gelangt in einen leicht zu verdampfenden Zustand mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck und strömt zum internen Verdampfer.Der Verdampfer absorbiert Wärme, um die Innentemperatur des Lasers zu senken und den Kühleffekt zu erzielen, und dann verdampft das Kühlmittel zu einem Gas mit hoher Temperatur und niedrigem Druck.Das vom Verdampfer verdampfte gasförmige Kältemittel wird vom Kompressor wieder verdichtet und zirkuliert hin und her, wodurch die Wärmeabfuhr im Inneren der Maschine realisiert wird.
▲ Kompressorkühlung und Wärmeableitungsprinzip
Das von GW Laser eingeführte intelligente luftgekühlte Handschweißgerät A1500W verwendet das Kompressorkühlungs- und Wärmeableitungsschema.GW Laser konzentriert sich auf die kontinuierliche Erforschung und Innovation der 976-nm-Technologie
In Kombination mit der hohen photoelektrischen Umwandlungseffizienz von 976 nm löste es auf kreative Weise das Problem der luftgekühlten Kühlkapazität und führte die erste luftgekühlte 976-nm-Technologie der Branche ein, die die Probleme des Stromverbrauchs und der Portabilität löste und erneut führend war technologische Entwicklungsrichtung von Faserlasern.Dieses Modell hat die Drei-in-Eins-Funktion zum Schweißen, Schneiden und Reinigen realisiert.
▲ GW Laser A1500W Smartes luftgekühltes Handschweißgerät
Vergleich mehrerer Kühlmethoden
Der Aufbau der Lüfterkühlung ist relativ einfach.Es verteilt einfach die Wärme im Kühlkörper auf den Kühlkörper und nutzt dann den Temperaturunterschied zwischen dem Kühlkörper und der Umgebungsluft, um die Wärme durch erzwungene Konvektion des Lüfters abzuführen.Bei zu hoher Umgebungstemperatur im Sommer ist die Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörper und Luft zu gering und die Wärmeableitungskapazität stark reduziert.Es kann Wärme nur passiv abführen, wird stark von der Umgebung beeinflusst und kann die Temperatur nicht genau steuern.Der Vorteil ist, dass die Gesamtausrüstung und das Steuerungssystem einfach sind.
Verglichen mit der einfachen Lüfterkühlung hat der Heatpipe-Radiator mehr Heatpipes, so dass seine Struktur relativ kompliziert ist.Es beruht auf der Verdunstung und Kondensation des Arbeitsmaterials, um Wärme schnell vom Kühlkörper zum Kühlkörper zu übertragen und die Wärme dann durch den Lüfter an die Luft abzugeben.Es gehört auch zur passiven Wärmeableitung, die die Temperatur nicht genau steuern kann und stark von der Umgebungstemperatur gestört wird.
Das Kompressorkühlungs- und Wärmeableitungsschema gehört zur aktiven Wärmeableitung.Aufgrund des Vorhandenseins des Kompressors und des Expansionsventils kann die Temperatur durch Einstellen des Durchflusses und des Drucks des Kältemittels präzise gesteuert werden.Gleichzeitig ist die Temperatur des Kältemittels im Kondensator höher als die des Kühlkörpers, was einer schnellen Wärmeentwicklung förderlich ist.in die Luft übertragen.Sein Kontrollsystem ist komplizierter;Da seine Struktur viel komplizierter ist als die der beiden obigen Schemata, werden gleichzeitig auch das Volumen und das Gewicht der Ausrüstung entsprechend erhöht.
Die meisten herkömmlichen Faserlaser verwenden eine Wasserkühlung, um Wärme abzuleiten.Zuerst wird das Wasser durch Kompressorkühlung gekühlt, und dann wird der Laser durch Wasser gekühlt.Das luftgekühlte Wärmeableitungsschema von Guanghui Laser verwendet direkt eine Kompressorkühlung, um den Laser zu kühlen, wodurch das Vorhandensein von Wasser aufgegeben und die zwischengeschaltete Wärmeübertragungsverbindung eliminiert wird, sodass die Wärmeableitungseffizienz höher ist und das Volumen und Gewicht kleiner gemacht werden können.
Im Labor verwenden wir eine Testbox mit konstanter Temperatur und Feuchtigkeit, um 35 °C einzustellen, um die Hochtemperatur-Nutzungsumgebung im Sommer zu simulieren, und testen die Temperaturänderung der internen Verstärkungsfaser des Lasers mit verschiedenen Luftkühlungsschemata unter der Bedingung von vollen 1500W Leistung..Aus den experimentellen Daten ist deutlich ersichtlich, dass die Fasertemperatur in den ersten paar Minuten exponentiell ansteigt und sich nach etwa 10 Minuten stabilisiert.Durch die Kühlwirkung des Kompressors kann der Laser aktiv gekühlt werden, sodass die Temperatur unter 60 °C geregelt werden kann und die Temperaturänderung relativ stabil ist;während die anderen beiden sich nur auf passive Wärmeableitung verlassen können, so dass die Innentemperatur etwas höher ist als die des Kompressorkühlschemas;, Durch die hohe Wärmeübertragungseffizienz der Heatpipe kann die Wärme gut aus dem Inneren des Lasers abgeführt werden, sodass dessen Innentemperatur niedriger als bei einem reinen Lüfter ist und der Temperaturanstieg sanfter erfolgt.
▲ Die Temperatur ändert sich mit der Zeit, wenn der Laser einen 1,5-kW-Laser mit unterschiedlichen Luftkühlungsschemata ausgibt
(Labordaten, Abweichungen vom tatsächlichen Feldeinsatz möglich)
Epilog
Im Bereich der Faserlaser zielt GW Laser seit jeher auf den globalen Lasergiganten IPG.Es ist der einzigartige Markenvorteil von Guanghui, Produkte mit militärischer Qualität herzustellen.Vor vielen Jahren begann GW Laser, wissenschaftliche Forschungskräfte zu organisieren, um kontinuierliche Erforschung der Luftkühlung und Wärmeableitung durchzuführen.In Zukunft werden wir diesen Aspekt weiter verbessern, die Stabilität von Produkten kontinuierlich verbessern, iterative Upgrades von Produkten und Technologien realisieren und die Anforderungen weiterer Branchen erfüllen.Verarbeitungsbedarf
Postzeit: 10. März 2022