Prólogo
Coa crecente aplicación de láseres de fibra, a fiabilidade dos láseres de fibra atraeu cada vez máis atención, incluíndo a fiabilidade do rendemento da saída do láser, a fiabilidade dos compoñentes electrónicos, a fiabilidade dos dispositivos ópticos, a fiabilidade dos sistemas, etc. Agarde.A maioría destes están intimamente relacionados coas propiedades térmicas do propio láser.Ademais, a temperatura ten unha gran influencia no rendemento do láser, especialmente na potencia de saída e na estabilidade de saída do láser.
A calor do láser de fibra provén principalmente da fonte da bomba e da cavidade de ganancia.Para a fonte da bomba, a súa eficiencia de conversión é de aproximadamente o 50%, o que tamén significa que se xera unha enerxía equivalente á potencia óptica de saída en forma de calor.Se a calor non se pode disipar a tempo, a temperatura do chip interno aumentará rapidamente e a lonxitude de onda central do láser derivará a medida que aumente a temperatura.Para a cavidade de ganancia, despois de que a luz da bomba entra na fibra de ganancia activa, só unha parte dela convértese en saída de láser e o resto da enerxía convértese en enerxía térmica.A enerxía térmica aumentará a temperatura do medio de ganancia, o que producirá unha ampliación do espectro de fluorescencia e unha curta vida útil de emisión espontánea, reducindo así a eficiencia de conversión de enerxía.Polo tanto, a xestión térmica ten unha importancia non desprezable para os láseres de fibra.Na actualidade, as tecnoloxías de xestión térmica de uso común son principalmente o arrefriamento por aire e por auga.Entre eles, a tecnoloxía de disipación de calor arrefriada por aire úsase principalmente en láseres pulsados de baixa potencia e láseres continuos de baixa potencia.A maioría dos láseres de fibra de media e alta potencia empregan a disipación de calor refrixerada por auga como principal disipación de calor.
Dúas formas de disipar a calor
1. Refrixeración por auga
Como o nome indica, a refrixeración por auga é o uso da auga para quitar calor a través dun intercambiador de calor (como unha placa de refrixeración por auga).O seu principio de funcionamento tamén é moi sinxelo, é dicir, a auga fría do enfriador flúe ao intercambiador de calor a través da tubaxe de auga, e despois sae doutro porto do intercambiador de calor, e despois flúe de volta ao enfriador a través do tubo de auga. .A calor lévase do interior do láser.
O método de disipación de calor arrefriado por auga ten unha estrutura sinxela e é fácil de manter;a capacidade de disipación de calor é forte e a uniformidade da temperatura é boa.O rendemento de arrefriamento do láser pódese mellorar usando un refrixerador cunha maior capacidade de refrixeración.Na actualidade, hai máis de 500 fabricantes que integran e venden máquinas de soldar con láser portátiles no mercado, e normalmente usan refrixeración por auga.Non obstante, ademais do propio láser, a máquina de soldar con láser manual con refrixeración por auga tamén require refrixeradores e auga adicionais, o que resulta nun aumento substancial do volume e do peso global do equipo e en ambientes de uso limitado.
2. Refrixeración por aire
Nun sentido amplo, a disipación de calor arrefriada por aire refírese ao uso de ventiladores para mellorar a convección do aire e o intercambio de calor completo dentro da máquina.Coa mellora da tecnoloxía, os principais fabricantes de láser comezaron a poñer un pé no campo do arrefriamento do aire e da disipación de calor.En xuño do ano pasado, a empresa xigante mundial de láser de fibra I lanzou o produto de soldadura láser portátil LightWELD 1500W refrixerado por aire;en agosto, GW lanzou en China a máquina de soldadura láser intelixente A1500W arrefriada por aire;en outubro, a empresa Reci tamén lanzou a máquina de soldadura láser refrixerada por aire FCA1500.láser.
▲ Soldador láser arrefriado por aire: reci 、 IPG 、 GW
(A imaxe vén de Internet, se hai algunha infracción, póñase en contacto connosco para borrala)
Estes tres láseres están dirixidos principalmente ao segmento de mercado da soldadura con láser manual.Os láseres arrefriados por aire poden facer o traballo máis flexible e portátil.Os tres láseres usan disipación de calor arrefriada por aire sen equipos adicionais de refrixeración por auga, o que reduce os custos.Ao mesmo tempo, o tamaño e o peso do equipo redúcense moito.Aínda que ambos se denominan láseres refrixerados por aire, os esquemas de disipación de calor refrixerados por aire utilizados son diferentes, incluíndo refrixeración do ventilador, refrixeración do radiador por tubo de calor e refrixeración e refrixeración do compresor.(1) Disipación de calor do ventilador No láser, a calor xerada dentro da fonte da bomba e da cavidade de ganancia disípase mediante un substrato cunha boa condutividade térmica (como cobre, nitruro de aluminio, etc.), e despois a calor disípase por convección.Este método chámase arrefriamento por convección.A transferencia de calor convectiva pódese dividir en convección natural e disipación de calor por convección forzada segundo a forza motriz do fluxo de fluído.En ausencia de forza externa, só a diferenza de temperatura do fluído pode facer que o fluído fluya espontaneamente para realizar a transferencia de calor, que chamamos convección natural;cando hai unha forza motriz externa, é dicir, o fluído é impulsado por ventiladores, ventiladores e outros compoñentes.fluxo, eliminando así a calor, chamámoslle convección forzada.Debido á disipación de calor extremadamente lenta e ao mal efecto da convección natural, non pode satisfacer completamente os requisitos de disipación de calor dos láseres.Polo tanto, é necesario engadir un ventilador a todo o sistema de refrixeración para acelerar o fluxo de aire e converter a convección natural en convección forzada.
▲ Principio de refrixeración por ventilador
(2) Radiador de tubo de calor para disipar a calor
A disipación de calor do radiador de tubo de calor significa que o tubo de calor depende do cambio de fase do líquido de traballo no seu interior para conseguir a transferencia de calor.Este líquido ten un punto de ebulición baixo e é fácil de volatilizar.Un extremo do tubo de calor é o extremo de evaporación, que está conectado ao disipador de calor dentro do láser;o outro extremo é o extremo de condensación, que está conectado ao disipador de calor externo e ao ventilador.A parede do tubo ten unha mecha que absorbe líquidos, que está composta por materiais porosos capilares.Cando o láser se quenta, o extremo de evaporación quéntase, o líquido de traballo evapora rapidamente, o vapor flúe ao extremo de condensación baixo a diferenza de presión e libera a calor, que se descarga a través do ventilador;ao mesmo tempo, o vapor condénsase de novo en líquido e o líquido volve á sección de evaporación a través da mecha.(Se é un tubo de calor por gravidade, non hai mecha e o líquido adhírese á parede do tubo e volve á sección de evaporación inferior por gravidade).Este ciclo non se detén e a calor transfírese desde o interior do láser ao exterior.
▲ Principio de disipación de calor do radiador de tubos de calor
O sistema de soldadura láser portátil LightWELD 1500 de IPG usa unha solución de refrixeración de radiadores de tubo de calor.O deseño e fabricación de LightWELD caracterízase polo seu pequeno tamaño e peso lixeiro, o que lidera unha nova xeración de cambios na actual máquina de soldar con láser portátil.Ademais da soldadura, tamén realiza as funcións de soldadura e limpeza con láser manual.A máquina de soldadura láser manual LightWELD adopta o método de refrixeración por aire, sen o consumo de enerxía requirido por equipos de refrixeración adicionais, eliminando as tuberías, os compoñentes, os enlaces de control e o mantemento do enfriador, reducindo os custos ao tempo que aumenta a portabilidade e mellora a fiabilidade xeral do sistema.
▲ Sistema de soldadura láser portátil LightWELD 1500
(A imaxe vén de Internet, se hai algunha infracción, póñase en contacto connosco para borrala)
(3) Refrixeración e refrixeración do compresor
Principio de refrixeración e disipación de calor do compresor: o compresor comprime o refrixerante, converte o refrixerante nun gas de alta temperatura e alta presión e flúe ao condensador externo.O gas de alta temperatura e alta presión condénsase nun líquido de baixa temperatura e alta presión, e a calor xerada pola licuefacción descárgase da máquina co ventilador.O refrixerante líquido de baixa temperatura e alta presión é despresurizado a través da válvula de expansión e convértese nun estado de baixa temperatura, baixa presión e fácil de evaporar e flúe ao evaporador interno.O evaporador absorbe calor para reducir a temperatura interna do láser para conseguir o efecto de arrefriamento e, a continuación, o refrixerante vaporízase nun gas de alta temperatura e baixa presión.O gas refrixerante evaporado polo evaporador é comprimido de novo polo compresor e circula cara atrás e cara atrás, o que realiza a disipación de calor no interior da máquina.
▲ Principio de refrixeración e disipación de calor do compresor
A máquina de soldadura manual intelixente arrefriada por aire A1500W lanzada por GW Laser usa o esquema de refrixeración e disipación de calor do compresor.GW Laser céntrase na exploración e innovación continuas da tecnoloxía 976nm
Combinado coa alta eficiencia de conversión fotoeléctrica de 976 nm, resolveu creativamente o problema da capacidade de refrixeración arrefriada por aire e lanzou a primeira tecnoloxía de 976 nm refrixerada por aire da industria, que resolveu os problemas de consumo de enerxía e portabilidade, e unha vez máis liderou o dirección de desenvolvemento tecnolóxico dos láseres de fibra.Este modelo realizou a función tres en un de soldar, cortar e limpar.
▲ Soldadora manual inteligente GW Laser A1500W refrigerada por aire
Comparación de varios métodos de refrixeración
A estrutura de refrixeración do ventilador é relativamente sinxela.Simplemente difunde a calor do disipador de calor ao disipador de calor e, a continuación, utiliza a diferenza de temperatura entre o disipador de calor e o aire ambiente para disipar a calor a través da convección forzada do ventilador.Cando a temperatura ambiente é demasiado alta no verán, a diferenza de temperatura entre o disipador de calor e o aire é demasiado pequena e a capacidade de disipación de calor reducirase moito.Só pode disipar a calor de forma pasiva, é moi afectado polo medio ambiente e non pode controlar con precisión a temperatura.A vantaxe é que o equipo xeral e o sistema de control son sinxelos.
En comparación co método simple de refrixeración do ventilador, o radiador de tubos de calor ten máis tubos de calor, polo que a súa estrutura é relativamente complicada.Depende da evaporación e condensación do material de traballo para transferir rapidamente a calor do disipador de calor ao disipador de calor e despois disipar a calor ao aire a través do ventilador.Tamén pertence á disipación de calor pasiva, que non pode controlar con precisión a temperatura e é moi perturbada pola temperatura circundante.
O esquema de refrixeración e disipación de calor do compresor pertence á disipación de calor activa.Debido á existencia do compresor e da válvula de expansión, a temperatura pódese controlar con precisión axustando o caudal e a presión do refrixerante.Ao mesmo tempo, a temperatura do refrixerante no condensador é maior que a do disipador de calor, o que favorece unha rápida xeración de calor.transmitido ao aire.O seu sistema de control é máis complicado;ao mesmo tempo, debido a que a súa estrutura é moito máis complicada que os dous esquemas anteriores, o volume e o peso do equipo tamén se incrementan en consecuencia.
A maioría dos láseres de fibra tradicionais usan refrixeración por auga para disipar a calor.En primeiro lugar, a auga arrefríase mediante a refrixeración do compresor e despois o láser arrefríase con auga.O esquema de disipación de calor arrefriado por aire de Guanghui Laser usa directamente o arrefriamento do compresor para arrefriar o láser, abandonando a existencia de auga e eliminando o enlace intermedio de transferencia de calor, polo que a eficiencia de disipación de calor é maior e o volume e o peso poden reducirse.
No laboratorio, usamos unha caixa de proba de temperatura e humidade constantes para establecer 35 °C para simular o ambiente de uso de altas temperaturas no verán e probar o cambio de temperatura da fibra de ganancia interna do láser con diferentes esquemas de arrefriamento por aire baixo a condición. de potencia total de 1500 W..A partir dos datos experimentais, pódese ver claramente que a temperatura da fibra aumenta exponencialmente nos primeiros minutos e estabilizase ao redor de 10 minutos.Debido ao efecto de arrefriamento do compresor, o láser pódese arrefriar activamente, polo que a temperatura pode controlarse por debaixo dos 60 °C e o cambio de temperatura é relativamente estable;mentres que os outros dous só poden depender da disipación de calor pasiva, polo que a temperatura interna é lixeiramente superior á do esquema de refrixeración do compresor;, Debido á alta eficiencia de transferencia de calor do tubo de calor, a calor pódese exportar ben desde o interior do láser, polo que a súa temperatura interna é inferior á dun ventilador puro e o aumento da temperatura é máis suave.
▲ O cambio de temperatura co tempo cando o láser produce un láser de 1,5 kW con diferentes esquemas de arrefriamento por aire
(datos de laboratorio, pode haber desviacións do uso real no campo)
Epílogo
No campo dos láseres de fibra, GW Laser sempre ten como obxectivo o xigante mundial do láser IPG.É a vantaxe única da marca de Guanghui para crear produtos con calidade militar.Hai moitos anos, GW Laser comezou a organizar forzas de investigación científica para realizar exploracións continuas no arrefriamento do aire e a disipación de calor.No futuro, seguiremos mellorando este aspecto, mellorando continuamente a estabilidade dos produtos, realizando unha actualización iterativa de produtos e tecnoloxías e atenderemos as necesidades de máis industrias.necesidades de procesamento
Hora de publicación: 10-mar-2022