تجزیه و تحلیل مختصری از فناوری اتلاف گرما در دستگاه‌های جوش لیزری دستی رایج

پیشگفتار

با افزایش کاربرد لیزرهای فیبر، قابلیت اطمینان لیزرهای فیبر بیشتر و بیشتر مورد توجه قرار گرفته است که از جمله آنها می توان به قابلیت اطمینان عملکرد خروجی لیزر، قابلیت اطمینان قطعات الکترونیکی، قابلیت اطمینان دستگاه های نوری، قابلیت اطمینان سیستم ها و ... اشاره کرد.بسیاری از این موارد ارتباط نزدیکی با خواص حرارتی خود لیزر دارند.علاوه بر این، دما تأثیر زیادی بر عملکرد لیزر، به ویژه قدرت خروجی و پایداری خروجی لیزر دارد.

گرمای لیزر فیبر عمدتاً از منبع پمپ و حفره بهره می آید.برای منبع پمپ، راندمان تبدیل آن حدود 50 درصد است که همچنین به این معنی است که انرژی معادل توان نوری خروجی به صورت گرما تولید می شود.اگر گرما را نتوان در زمان دفع کرد، دمای تراشه داخلی به سرعت افزایش می‌یابد و با افزایش دما، طول موج مرکزی لیزر تغییر می‌کند.برای حفره گین، پس از ورود نور پمپ به فیبر گین فعال، تنها بخشی از آن به خروجی لیزر و بقیه انرژی به انرژی گرمایی تبدیل می شود.انرژی حرارتی دمای محیط بهره را افزایش می‌دهد و در نتیجه طیف فلورسانس را گسترده‌تر می‌کند و طول عمر کوتاهی از انتشار خود به خودی می‌دهد و در نتیجه بازده تبدیل انرژی را کاهش می‌دهد.بنابراین مدیریت حرارتی برای لیزرهای فیبر اهمیتی غیر قابل اغماض دارد.در حال حاضر، فناوری‌های مدیریت حرارتی که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند، عمدتاً با هوا خنک و آب خنک می‌شوند.در میان آنها، فناوری اتلاف حرارت با هوا خنک عمدتاً در لیزرهای پالسی کم توان و لیزرهای پیوسته کم توان استفاده می شود.اکثر لیزرهای فیبر متوسط ​​و پرقدرت از اتلاف گرمای خنک شده با آب به عنوان اتلاف اصلی گرما استفاده می کنند.

دو روش برای دفع گرما

1. خنک کننده آب

همانطور که از نام آن پیداست، خنک کننده آبی استفاده از آب برای از بین بردن گرما از طریق یک مبدل حرارتی (مانند صفحه خنک کننده آب) است.اصل کار آن نیز بسیار ساده است، یعنی آب سرد موجود در چیلر از طریق لوله آب وارد مبدل حرارتی می شود و سپس از درگاه دیگری مبدل حرارتی خارج می شود و سپس از طریق لوله آب به سمت چیلر جریان می یابد. .گرما از داخل لیزر خارج می شود.

روش اتلاف حرارت با آب خنک دارای ساختار ساده ای است و نگهداری آن آسان است.ظرفیت اتلاف گرما قوی است و یکنواختی دما خوب است.عملکرد خنک کننده لیزر را می توان با استفاده از چیلر با ظرفیت خنک کننده بیشتر بهبود بخشید.در حال حاضر بیش از 500 سازنده دستگاه های جوش لیزری دستی را در بازار یکپارچه و به فروش می رسانند و عموماً از خنک کننده آب استفاده می کنند.با این حال، علاوه بر خود لیزر، دستگاه جوش لیزری دستی با آب خنک کننده نیز به چیلرها و آب اضافی نیاز دارد که منجر به افزایش قابل توجهی در حجم و وزن کلی تجهیزات و محیط های استفاده محدود می شود.

2. خنک کننده هوا

در یک مفهوم گسترده، اتلاف حرارت با هوا خنک به استفاده از فن ها برای افزایش همرفت هوا و تبادل کامل حرارت در داخل دستگاه اشاره دارد.با پیشرفت تکنولوژی، تولیدکنندگان بزرگ لیزر شروع به پا گذاشتن در زمینه خنک کننده هوا و اتلاف گرما کرده اند.در ژوئن سال گذشته، شرکت غول جهانی لیزر فیبر I، محصول جوش لیزری دستی LightWELD 1500W با هوا خنک را راه اندازی کرد.در ماه اوت، GW دستگاه جوش لیزری هوشمند A1500W با هوا خنک را در چین راه اندازی کرد.در ماه اکتبر، شرکت Reci همچنین دستگاه جوش لیزری با هوا خنک FCA1500 را منتشر کرد.لیزر

▲ جوشکار لیزری هوا خنک：reci,IPG,GW

(تصویر از اینترنت است، در صورت وجود هرگونه تخلف لطفا با ما تماس بگیرید تا آن را حذف کنیم)

این سه لیزر عمدتاً در بخش بازار جوش لیزری دستی هستند.لیزرهای هوا خنک می توانند کار را انعطاف پذیرتر و قابل حمل تر کنند.هر سه لیزر از اتلاف گرمای هوا خنک بدون تجهیزات اضافی خنک کننده آب استفاده می کنند که هزینه ها را کاهش می دهد.در عین حال، اندازه و وزن تجهیزات بسیار کاهش می یابد.اگرچه هر دو لیزر هوا خنک نامیده می شوند، اما طرح های اتلاف گرمای هوا خنک مورد استفاده متفاوت است، از جمله خنک کننده فن، خنک کننده رادیاتور لوله حرارتی، و خنک کننده و خنک کننده کمپرسور.(1) اتلاف حرارت فن در لیزر، گرمای تولید شده در داخل منبع پمپ و حفره بهره با استفاده از بستری با رسانایی حرارتی خوب (مانند مس، نیترید آلومینیوم و غیره) پراکنده می‌شود و سپس گرما با همرفت دفع می‌شود.این روش خنک کننده همرفتی نامیده می شود.با توجه به نیروی محرکه جریان سیال، انتقال حرارت همرفتی را می توان به اتلاف گرمای جابجایی طبیعی و اتلاف حرارت جابجایی اجباری تقسیم کرد.در غیاب نیروی خارجی، تنها اختلاف دمای سیال می تواند سیال را به طور خود به خود به جریان بیاندازد تا انتقال حرارت را انجام دهد که ما آن را همرفت طبیعی می نامیم.هنگامی که یک نیروی محرکه خارجی وجود دارد، یعنی سیال توسط فن ها، فن ها و سایر اجزا به حرکت در می آید.جریان، در نتیجه گرما را از بین می برد، آن را همرفت اجباری می نامیم.به دلیل اتلاف حرارت بسیار آهسته و اثر ضعیف جابجایی طبیعی، نمی تواند به طور کامل نیازهای اتلاف حرارت لیزرها را برآورده کند.بنابراین لازم است یک فن به کل سیستم خنک کننده اضافه شود تا جریان هوا تسریع شود و همرفت طبیعی به همرفت اجباری تبدیل شود.

▲ اصل خنک کننده فن

(2) رادیاتور لوله حرارتی برای دفع گرما

اتلاف حرارت رادیاتور لوله حرارتی به این معنی است که لوله حرارتی برای رسیدن به انتقال حرارت به تغییر فاز مایع کار در داخل خود متکی است.این مایع نقطه جوش پایینی دارد و به راحتی تبخیر می شود.یک سر لوله حرارتی انتهای تبخیر است که به هیت سینک داخل لیزر متصل است.سر دیگر انتهای تراکم است که به هیت سینک خارجی و فن متصل است.دیواره لوله دارای یک فیتیله جاذب مایع است که از مواد متخلخل مویرگی تشکیل شده است.هنگامی که لیزر گرم می شود، انتهای تبخیر گرم می شود، مایع کار به سرعت تبخیر می شود، بخار تحت اختلاف فشار به انتهای متراکم جریان می یابد و گرما آزاد می شود که از طریق فن تخلیه می شود.در همان زمان، بخار دوباره به مایع متراکم می شود و مایع از طریق فتیله به قسمت تبخیر باز می گردد.(اگر لوله حرارتی گرانشی باشد، فتیله ای وجود ندارد و مایع به دیواره لوله می چسبد و با نیروی گرانش به قسمت تبخیر پایین برمی گردد).این چرخه متوقف نمی شود و گرما از داخل لیزر به بیرون منتقل می شود.

▲ اصل اتلاف حرارت رادیاتور لوله حرارتی

سیستم جوش لیزری دستی LightWELD 1500 IPG از محلول خنک کننده رادیاتور لوله حرارتی استفاده می کند.طراحی و ساخت LightWELD با اندازه کوچک و وزن سبک مشخص می شود که منجر به نسل جدیدی از تغییرات در دستگاه جوش لیزری دستی فعلی می شود.علاوه بر جوشکاری، عملکردهای جوشکاری و تمیز کردن لیزر دستی را نیز درک می کند.دستگاه جوش لیزری دستی LightWELD روش خنک کننده هوا را بدون مصرف برق مورد نیاز تجهیزات چیلر اضافی، حذف لوله کشی چیلر، اجزاء، پیوندهای کنترل و تعمیر و نگهداری، کاهش هزینه ها و در عین حال افزایش قابلیت حمل و بهبود قابلیت اطمینان کلی سیستم اتخاذ می کند.

▲ سیستم جوش لیزری LightWELD 1500 دستی

(تصویر از اینترنت است، در صورت وجود هرگونه تخلف لطفا با ما تماس بگیرید تا آن را حذف کنیم)

(3) خنک کننده و خنک کننده کمپرسور

اصل تبرید و اتلاف حرارت کمپرسور: کمپرسور مبرد را فشرده می کند، مبرد را به گاز با دمای بالا و فشار بالا تبدیل می کند و به سمت کندانسور خارجی جریان می یابد.گاز با دمای بالا و فشار بالا به یک مایع با دمای پایین و فشار بالا متراکم می شود و گرمای تولید شده توسط مایع سازی با فن از دستگاه خارج می شود.مبرد مایع با دمای پایین و فشار بالا از طریق دریچه انبساط کم فشار شده و به حالتی با دمای پایین، فشار پایین و تبخیر آسان تبدیل می شود و به سمت اواپراتور داخلی جریان می یابد.اواپراتور گرما را جذب می کند تا دمای داخلی لیزر را کاهش دهد تا به اثر خنک کننده برسد و سپس مبرد به گاز با دمای بالا و فشار پایین تبخیر می شود.گاز مبرد تبخیر شده توسط اواپراتور مجدداً توسط کمپرسور فشرده می شود و به عقب و جلو گردش می کند که باعث اتلاف گرما در داخل دستگاه می شود.

▲ اصل تبرید و اتلاف حرارت کمپرسور

دستگاه جوش دستی هوشمند هوا خنک A1500W که توسط GW Laser راه اندازی شده است از طرح خنک کننده کمپرسور و اتلاف گرما استفاده می کند.لیزر GW بر اکتشاف و نوآوری مداوم فناوری 976 نانومتری تمرکز دارد

همراه با راندمان تبدیل فوتوالکتریک بالای 976 نانومتر، به طرز خلاقانه ای مشکل ظرفیت خنک کننده هوا خنک را حل کرد و اولین فناوری 976 نانومتری هوا خنک را در صنعت راه اندازی کرد که مشکلات مصرف برق و قابلیت حمل را حل کرد و بار دیگر منجر به رهبری شد. جهت توسعه فناوری لیزرهای فیبر.این مدل عملکرد سه در یک جوش، برش و تمیز کردن را محقق کرده است.

▲ جوشکار دستی هوشمند GW Laser A1500W با هوا خنک

مقایسه چند روش خنک کننده

ساختار خنک کننده فن نسبتاً ساده است.به سادگی گرمای هیت سینک را به هیت سینک پخش می کند و سپس از اختلاف دمای بین هیت سینک و هوای محیط برای دفع گرما از طریق همرفت اجباری فن استفاده می کند.هنگامی که دمای محیط در تابستان بسیار بالا باشد، اختلاف دمای بین هیت سینک و هوا بسیار کم است و ظرفیت دفع گرما بسیار کاهش می یابد.فقط می تواند به طور غیر فعال گرما را دفع کند، به شدت تحت تأثیر محیط قرار می گیرد و نمی تواند به طور دقیق دما را کنترل کند.مزیت این است که تجهیزات کلی و سیستم کنترل ساده است.

در مقایسه با روش ساده خنک کننده فن، رادیاتور لوله حرارتی لوله های حرارتی بیشتری دارد، بنابراین ساختار آن نسبتاً پیچیده است.برای انتقال سریع گرما از هیت سینک به هیت سینک و سپس پخش گرما از طریق فن به هوا، به تبخیر و متراکم شدن مواد متکی است.همچنین به اتلاف حرارت غیرفعال تعلق دارد که نمی تواند دما را به طور دقیق کنترل کند و به شدت توسط دمای اطراف مختل می شود.

طرح خنک کننده و اتلاف گرما کمپرسور متعلق به اتلاف گرمای فعال است.با توجه به وجود کمپرسور و شیر انبساط می توان با تنظیم دبی و فشار مبرد دما را به طور دقیق کنترل کرد.در عین حال، دمای مبرد در کندانسور بالاتر از دمای سینک حرارتی است که منجر به تولید سریع گرما می شود.به هوا منتقل می شود.سیستم کنترل آن پیچیده تر است.در عین حال، از آنجایی که ساختار آن بسیار پیچیده تر از دو طرح فوق است، حجم و وزن تجهیزات نیز بر همین اساس افزایش می یابد.

بیشتر لیزرهای فیبر سنتی از خنک کننده آب برای دفع گرما استفاده می کنند.ابتدا آب با کمپرسور سرد می شود و سپس لیزر توسط آب خنک می شود.طرح اتلاف حرارت هوا خنک لیزر Guanghui به طور مستقیم از خنک کننده کمپرسور برای خنک کردن لیزر استفاده می کند، وجود آب را رها می کند و پیوند انتقال حرارت میانی را از بین می برد، بنابراین راندمان اتلاف گرما بالاتر است و می توان حجم و وزن را کوچکتر کرد.

در آزمایشگاه از جعبه تست دما و رطوبت ثابت برای تنظیم 35 درجه سانتیگراد برای شبیه سازی محیط استفاده با دمای بالا در تابستان استفاده می کنیم و تغییر دمای فیبر بهره داخلی لیزر را با طرح های خنک کننده هوای مختلف تحت شرایط آزمایش می کنیم. با توان کامل 1500 وات.از داده های تجربی، به وضوح می توان دریافت که دمای فیبر در چند دقیقه اول به طور تصاعدی افزایش می یابد و در حدود 10 دقیقه تثبیت می شود.با توجه به اثر خنک کننده کمپرسور، لیزر را می توان به طور فعال خنک کرد، بنابراین دما را می توان زیر 60 درجه سانتیگراد کنترل کرد و تغییر دما نسبتاً پایدار است.در حالی که دو مورد دیگر فقط می توانند به اتلاف حرارت غیرفعال تکیه کنند، بنابراین دمای داخلی کمی بالاتر از طرح خنک کننده کمپرسور است.به دلیل راندمان بالای انتقال حرارت لوله حرارتی، گرما را می توان به خوبی از داخل لیزر خارج کرد، بنابراین دمای داخلی آن کمتر از یک فن خالص است و افزایش دما ملایم تر است.

▲ تغییر دما با زمان لیزر خروجی لیزر 1.5 کیلووات با طرح های خنک کننده هوای مختلف

(داده های آزمایشگاهی، ممکن است انحرافاتی از استفاده واقعی از میدان وجود داشته باشد)

پایان

در زمینه لیزرهای فیبر، GW Laser همیشه غول لیزر جهانی IPG را هدف قرار داده است.این مزیت منحصر به فرد برند گوانگهویی است که محصولاتی با کیفیت نظامی ایجاد می کند.سال ها پیش، لیزر GW شروع به سازماندهی نیروهای تحقیقاتی علمی برای انجام اکتشاف مداوم در خنک کننده هوا و اتلاف گرما کرد.در آینده، ما به بهبود این جنبه، بهبود مستمر پایداری محصولات، تحقق ارتقای مکرر محصولات و فناوری‌ها و رفع نیازهای صنایع بیشتر ادامه خواهیم داد.نیازهای پردازش