Avant-propos
Avec l'application croissante des lasers à fibre, la fiabilité des lasers à fibre a attiré de plus en plus d'attention, y compris la fiabilité des performances de sortie laser, la fiabilité des composants électroniques, la fiabilité des dispositifs optiques, la fiabilité des systèmes, etc. Attendez.La plupart d'entre eux sont étroitement liés aux propriétés thermiques du laser lui-même.De plus, la température a une grande influence sur les performances du laser, en particulier la puissance de sortie et la stabilité de sortie du laser.
La chaleur du laser à fibre provient principalement de la source de pompage et de la cavité de gain.Pour la source de pompage, son rendement de conversion est d'environ 50 %, ce qui signifie également qu'une énergie équivalente à la puissance optique de sortie est générée sous forme de chaleur.Si la chaleur ne peut pas être dissipée à temps, la température de la puce interne augmentera rapidement et la longueur d'onde centrale du laser dérivera à mesure que la température augmentera.Pour la cavité de gain, une fois que la lumière de pompage est entrée dans la fibre de gain active, seule une partie de celle-ci est convertie en sortie laser et le reste de l'énergie est converti en énergie thermique.L'énergie thermique augmentera la température du milieu de gain, entraînant un élargissement du spectre de fluorescence et une courte durée de vie d'émission spontanée, réduisant ainsi l'efficacité de conversion d'énergie.La gestion thermique a donc une importance non négligeable pour les lasers à fibre.À l'heure actuelle, les technologies de gestion thermique couramment utilisées sont principalement refroidies par air et refroidies par eau.Parmi eux, la technologie de dissipation thermique refroidie par air est principalement utilisée dans les lasers pulsés de faible puissance et les lasers continus de faible puissance.La plupart des lasers à fibre moyenne et haute puissance utilisent la dissipation thermique refroidie à l'eau comme dissipation thermique principale.
Deux façons de dissiper la chaleur
1. Refroidissement par eau
Comme son nom l'indique, le refroidissement par eau est l'utilisation de l'eau pour évacuer la chaleur à travers un échangeur de chaleur (comme une plaque de refroidissement par eau).Son principe de fonctionnement est également très simple, c'est-à-dire que l'eau froide du refroidisseur s'écoule dans l'échangeur de chaleur par le tuyau d'eau, puis sort d'un autre orifice de l'échangeur de chaleur, puis retourne au refroidisseur par le tuyau d'eau. .La chaleur est évacuée de l'intérieur du laser.
La méthode de dissipation thermique refroidie à l'eau a une structure simple et est facile à entretenir ;la capacité de dissipation thermique est forte et l'uniformité de la température est bonne.Les performances de refroidissement du laser peuvent être améliorées en utilisant un refroidisseur avec une plus grande capacité de refroidissement.À l'heure actuelle, plus de 500 fabricants intègrent et vendent des machines de soudage laser portatives sur le marché, et ils utilisent généralement le refroidissement par eau.Cependant, en plus du laser lui-même, la machine de soudage laser portable avec refroidissement par eau nécessite également des refroidisseurs et de l'eau supplémentaires, ce qui entraîne une augmentation substantielle du volume et du poids globaux de l'équipement et des environnements d'utilisation limités.
2. Refroidissement par air
Au sens large, la dissipation thermique refroidie par air fait référence à l'utilisation de ventilateurs pour améliorer la convection de l'air et l'échange de chaleur complet à l'intérieur de la machine.Avec l'amélioration de la technologie, les principaux fabricants de lasers ont commencé à mettre les pieds dans le domaine du refroidissement par air et de la dissipation thermique.En juin de l'année dernière, le géant mondial du laser à fibre I a lancé le produit de soudage au laser portable LightWELD 1500W refroidi par air;en août, GW a lancé la machine de soudage laser intelligente refroidie par air A1500W en Chine ;en octobre, la société Reci a également lancé la machine de soudage au laser refroidie par air FCA1500.laser.
▲ Soudeuse laser refroidie par air：reci、IPG、GW
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Ces trois lasers sont principalement destinés au segment de marché du soudage laser manuel.Les lasers refroidis par air peuvent rendre le travail plus flexible et portable.Les trois lasers utilisent une dissipation thermique refroidie par air sans équipement supplémentaire de refroidissement par eau, ce qui réduit les coûts.Dans le même temps, la taille et le poids de l'équipement sont considérablement réduits.Bien qu'ils soient tous deux appelés lasers refroidis par air, les schémas de dissipation thermique refroidis par air utilisés sont différents, notamment le refroidissement par ventilateur, le refroidissement par radiateur à caloduc et le refroidissement et le refroidissement par compresseur.(1) Dissipation thermique du ventilateur Dans le laser, la chaleur générée à l'intérieur de la source de pompage et de la cavité de gain est dissipée à l'aide d'un substrat ayant une bonne conductivité thermique (comme le cuivre, le nitrure d'aluminium, etc.), puis la chaleur est dissipée par convection.Cette méthode est appelée refroidissement par convection.Le transfert de chaleur par convection peut être divisé en dissipation de chaleur par convection naturelle et par convection forcée en fonction de la force motrice de l'écoulement du fluide.En l'absence de force externe, seule la différence de température du fluide peut faire circuler le fluide spontanément pour effectuer un transfert de chaleur, que nous appelons convection naturelle ;lorsqu'il existe une force motrice externe, c'est-à-dire que le fluide est entraîné par des ventilateurs, des ventilateurs et d'autres composants.flux, éliminant ainsi la chaleur, nous l'appelons convection forcée.En raison de la dissipation thermique extrêmement lente et du mauvais effet de la convection naturelle, il ne peut pas répondre pleinement aux exigences de dissipation thermique des lasers.Il est donc nécessaire d'ajouter un ventilateur à l'ensemble du système de refroidissement pour accélérer le flux d'air et transformer la convection naturelle en convection forcée.
▲ Principe de refroidissement par ventilateur
(2) Radiateur à caloduc pour dissiper la chaleur
La dissipation thermique du radiateur à caloduc signifie que le caloduc s'appuie sur le changement de phase du liquide de travail à l'intérieur de lui-même pour réaliser le transfert de chaleur.Ce liquide a un point d'ébullition bas et se volatilise facilement.Une extrémité du caloduc est l'extrémité d'évaporation, qui est connectée au dissipateur de chaleur à l'intérieur du laser ;l'autre extrémité est l'extrémité de condensation, qui est connectée au dissipateur thermique externe et au ventilateur.La paroi du tube a une mèche absorbant les liquides, qui est composée de matériaux poreux capillaires.Lorsque le laser est chauffé, l'extrémité d'évaporation est chauffée, le liquide de travail s'évapore rapidement, la vapeur s'écoule vers l'extrémité de condensation sous la différence de pression et la chaleur est libérée, qui est évacuée par le ventilateur.en même temps, la vapeur se condense à nouveau en liquide et le liquide retourne à la section d'évaporation à travers la mèche.(S'il s'agit d'un caloduc par gravité, il n'y a pas de mèche et le liquide adhère à la paroi du tube et retourne par gravité dans la section d'évaporation inférieure).Ce cycle ne s'arrête pas et la chaleur est transférée de l'intérieur du laser vers l'extérieur.
▲ Principe de dissipation thermique du radiateur à caloduc
Le système de soudage laser portable LightWELD 1500 d'IPG utilise une solution de refroidissement par radiateur à caloduc.La conception et la fabrication de LightWELD se caractérisent par une petite taille et un poids léger, ce qui entraîne une nouvelle génération de changements dans la machine de soudage laser portable actuelle.En plus du soudage, il réalise également les fonctions de soudage et de nettoyage au laser à main.La machine de soudage laser portable LightWELD adopte une méthode de refroidissement par air, sans la consommation d'énergie requise par un équipement de refroidissement supplémentaire, éliminant la tuyauterie du refroidisseur, les composants, les liaisons de contrôle et de maintenance, réduisant les coûts tout en augmentant la portabilité et en améliorant la fiabilité globale du système.
▲ Système de soudage laser portable LightWELD 1500
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(3) Refroidissement et refroidissement du compresseur
Principe de réfrigération et de dissipation thermique du compresseur : le compresseur comprime le réfrigérant, transforme le réfrigérant en un gaz à haute température et haute pression et s'écoule vers le condenseur externe.Le gaz à haute température et haute pression est condensé en un liquide à basse température et haute pression, et la chaleur générée par la liquéfaction est évacuée de la machine avec le ventilateur.Le réfrigérant liquide basse température et haute pression est dépressurisé à travers le détendeur et devient un état basse température, basse pression, facile à évaporer, et s'écoule vers l'évaporateur interne.L'évaporateur absorbe la chaleur pour réduire la température interne du laser afin d'obtenir l'effet de refroidissement, puis le réfrigérant se vaporise en un gaz à haute température et basse pression.Le gaz réfrigérant évaporé par l'évaporateur est à nouveau comprimé par le compresseur et circule dans les deux sens, ce qui réalise la dissipation thermique à l'intérieur de la machine.
▲ Principe de réfrigération et de dissipation thermique du compresseur
La machine de soudage portative intelligente refroidie par air A1500W lancée par GW Laser utilise le schéma de refroidissement et de dissipation thermique du compresseur.GW Laser se concentre sur l'exploration et l'innovation continues de la technologie 976nm
Combiné avec l'efficacité de conversion photoélectrique élevée de 976 nm, il a résolu de manière créative le problème de la capacité de refroidissement refroidie par air et a lancé la première technologie 976 nm refroidie par air dans l'industrie, qui a résolu les problèmes de consommation d'énergie et de portabilité, et a de nouveau dirigé le direction du développement technologique des lasers à fibre.Ce modèle a réalisé la fonction trois en un de soudage, de coupe et de nettoyage.
▲ GW Laser A1500W Soudeuse portative intelligente refroidie par air
Comparaison de plusieurs méthodes de refroidissement
La structure du refroidissement par ventilateur est relativement simple.Il diffuse simplement la chaleur du dissipateur thermique vers le dissipateur thermique, puis utilise la différence de température entre le dissipateur thermique et l'air ambiant pour dissiper la chaleur par convection forcée du ventilateur.Lorsque la température ambiante est trop élevée en été, la différence de température entre le dissipateur thermique et l'air est trop faible et la capacité de dissipation thermique sera considérablement réduite.Il ne peut que dissiper passivement la chaleur, est fortement affecté par l'environnement et ne peut pas contrôler avec précision la température.L'avantage est que l'équipement global et le système de contrôle sont simples.
Comparé à la méthode de refroidissement par ventilateur simple, le radiateur à caloduc a plus de caloducs, sa structure est donc relativement compliquée.Il repose sur l'évaporation et la condensation du matériau de travail pour transférer rapidement la chaleur du dissipateur thermique au dissipateur thermique, puis dissiper la chaleur dans l'air à travers le ventilateur.Il appartient également à la dissipation thermique passive, qui ne peut pas contrôler avec précision la température et est fortement perturbée par la température ambiante.
Le schéma de refroidissement et de dissipation thermique du compresseur appartient à la dissipation thermique active.En raison de l'existence du compresseur et du détendeur, la température peut être contrôlée avec précision en ajustant le débit et la pression du réfrigérant.Dans le même temps, la température du réfrigérant dans le condenseur est supérieure à celle du dissipateur thermique, ce qui favorise une génération de chaleur rapide.transmis dans l'air.Son système de contrôle est plus compliqué ;en même temps, parce que sa structure est beaucoup plus compliquée que les deux schémas ci-dessus, le volume et le poids de l'équipement sont également augmentés en conséquence.
La plupart des lasers à fibre traditionnels utilisent un refroidissement par eau pour dissiper la chaleur.Tout d'abord, l'eau est refroidie par la réfrigération du compresseur, puis le laser est refroidi par l'eau.Le schéma de dissipation thermique refroidi par air du laser Guanghui utilise directement le refroidissement du compresseur pour refroidir le laser, abandonnant l'existence d'eau et éliminant le lien de transfert de chaleur intermédiaire, de sorte que l'efficacité de dissipation thermique est plus élevée et que le volume et le poids peuvent être réduits.
En laboratoire, nous utilisons une boîte de test de température et d'humidité constantes pour régler 35 ° C pour simuler l'environnement d'utilisation à haute température en été, et tester le changement de température de la fibre de gain interne du laser avec différents schémas de refroidissement par air sous la condition de pleine puissance de 1500W..D'après les données expérimentales, on peut clairement voir que la température de la fibre augmente de façon exponentielle dans les premières minutes et se stabilise autour de 10 minutes.En raison de l'effet de refroidissement du compresseur, le laser peut être refroidi activement, de sorte que la température peut être contrôlée en dessous de 60 ° C et que le changement de température est relativement stable.tandis que les deux autres ne peuvent compter que sur la dissipation thermique passive, la température interne est donc légèrement supérieure à celle du schéma de refroidissement du compresseur ;, En raison de l'efficacité de transfert de chaleur élevée du caloduc, la chaleur peut être bien exportée de l'intérieur du laser, de sorte que sa température interne est inférieure à celle d'un ventilateur pur et que la montée en température est plus douce.
▲ Le changement de température avec le temps lorsque le laser émet un laser de 1,5 kW avec différents schémas de refroidissement par air
(données de laboratoire, il peut y avoir des écarts par rapport à l'utilisation réelle sur le terrain)
Épilogue
Dans le domaine des lasers à fibre, GW Laser a toujours visé le géant mondial du laser IPG.C'est l'avantage unique de la marque Guanghui de créer des produits de qualité militaire.Il y a de nombreuses années, GW Laser a commencé à organiser des forces de recherche scientifique pour mener une exploration continue du refroidissement par air et de la dissipation thermique.À l'avenir, nous continuerons d'améliorer cet aspect, d'améliorer continuellement la stabilité des produits, de réaliser une mise à niveau itérative des produits et des technologies et de répondre aux besoins d'un plus grand nombre d'industries.besoins de traitement
Heure de publication : 10 mars 2022