ניתוח קצר של טכנולוגיית פיזור החום של מכונות ריתוך לייזר כף יד מיינסטרים

הַקדָמָה

עם היישום ההולך וגובר של לייזרים סיבים, האמינות של לייזרים סיבים משכה יותר ויותר תשומת לב, כולל אמינות ביצועי פלט הלייזר, אמינות רכיבים אלקטרוניים, אמינות מכשירים אופטיים, אמינות מערכות וכו'. רגע.רובם קשורים קשר הדוק לתכונות התרמיות של הלייזר עצמו.בנוסף, לטמפרטורה יש השפעה רבה על ביצועי הלייזר, במיוחד על הספק המוצא ויציבות המוצא של הלייזר.

החום של לייזר הסיבים מגיע בעיקר ממקור המשאבה ומחלל הרווח.עבור מקור המשאבה, יעילות ההמרה שלה היא כ-50%, מה שאומר שגם אנרגיה שווה ערך להספק האופטי הפלט נוצרת בצורת חום.אם לא ניתן לפזר את החום בזמן, הטמפרטורה של השבב הפנימי תעלה במהירות, ואורך הגל המרכזי של הלייזר ייסחף עם עליית הטמפרטורה.עבור חלל הרווח, לאחר שאור המשאבה נכנס לסיב הרווח הפעיל, רק חלק ממנו הופך לפלט לייזר, ושאר האנרגיה מומרת לאנרגיית חום.אנרגיה תרמית תגביר את הטמפרטורה של תווך הרווח, וכתוצאה מכך הרחבת ספקטרום הקרינה ואורך חיים קצר של פליטה ספונטנית, ובכך תפחית את יעילות המרת האנרגיה.לכן, לניהול תרמי יש משמעות לא מבוטלת עבור לייזרים סיבים.כיום, טכנולוגיות הניהול התרמי הנפוצות הן בעיקר מקוררות אוויר ומקוררות מים.ביניהם, טכנולוגיית פיזור החום המקורר באוויר משמשת בעיקר בלייזרים פולסים בהספק נמוך ובלייזרים רציפים בהספק נמוך.רוב הלייזרים בסיבים בינוניים וגבוהים משתמשים בפיזור חום מקורר במים בתור פיזור החום העיקרי.

שתי דרכים לפזר חום

1. קירור מים

כפי שהשם מרמז, קירור מים הוא השימוש במים כדי לקחת חום דרך מחליף חום (כגון צלחת קירור מים).עקרון העבודה שלו הוא גם מאוד פשוט, כלומר, המים הקרים בצ'ילר זורמים לתוך מחליף החום דרך צינור המים, ואז יוצאים מיציאה אחרת של מחליף החום, ואז זורמים בחזרה לצ'ילר דרך צינור המים. .חום נישא מהחלק הפנימי של הלייזר.

שיטת פיזור החום המקורר במים היא בעלת מבנה פשוט וקלה לתחזוקה;יכולת פיזור החום חזקה ואחידות הטמפרטורה טובה.ניתן לשפר את ביצועי הקירור של הלייזר על ידי שימוש בצ'ילר בעל יכולת קירור גדולה יותר.כיום, ישנם יותר מ-500 יצרנים המשלבים ומוכרים מכונות ריתוך לייזר כף יד בשוק, והם משתמשים בדרך כלל בקירור מים.עם זאת, בנוסף ללייזר עצמו, מכונת ריתוך הלייזר הידנית עם קירור מים דורשת גם צ'ילרים ומים נוספים, מה שמביא לעלייה מהותית בנפח ובמשקל הכולל של הציוד, ולסביבות שימוש מוגבלות.

2. קירור אוויר

במובן הרחב, פיזור חום מקורר באוויר מתייחס לשימוש במאווררים לשיפור הסעת האוויר וחילופי חום מלאים בתוך המכונה.עם שיפור הטכנולוגיה, יצרניות הלייזר הגדולות החלו לדרוך כף רגל בתחום קירור האוויר ופיזור החום.ביוני אשתקד השיקה ענקית הלייזר סיבים העולמית I את מוצר ריתוך הלייזר הכף יד LightWELD 1500W מקורר האוויר;באוגוסט השיקה GW את מכונת ריתוך הלייזר החכמה A1500W מקורר האוויר בסין;באוקטובר, חברת Reci הוציאה גם את מכונת ריתוך הלייזר FCA1500 מקורר אוויר.לייזר.

▲ רתך לייזר מקורר אוויר：reci、IPG、GW

(התמונה מגיעה מהאינטרנט, אם יש הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק אותה)

שלושת הלייזרים הללו מכוונים בעיקר לפלח השוק של ריתוך לייזר בכף יד.לייזרים מקוררים באוויר יכולים להפוך את העבודה לגמישה וניידת יותר.כל שלושת הלייזרים משתמשים בפיזור חום מקורר אוויר ללא ציוד נוסף לקירור מים, מה שמפחית עלויות.במקביל, גודל ומשקל הציוד מופחתים מאוד.למרות ששניהם נקראים לייזרים מקוררים באוויר, סכימות פיזור החום בקירור האוויר בשימוש שונות, כולל קירור מאוורר, קירור רדיאטור צינור חום וקירור וקירור מדחס.(1) פיזור חום מאוורר בלייזר, החום שנוצר בתוך מקור המשאבה וחלל הרווח מתפזר באמצעות מצע בעל מוליכות תרמית טובה (כגון נחושת, אלומיניום ניטריד וכו'), ולאחר מכן החום מתפזר בהסעה.שיטה זו נקראת קירור הסעה.ניתן לחלק העברת חום הסעה להסעה טבעית ולפיזור חום בהסעה מאולצת בהתאם לכוח המניע של זרימת הנוזל.בהיעדר כוח חיצוני, רק הפרש הטמפרטורות של הנוזל יכול לגרום לנוזל לזרום באופן ספונטני להעברת חום, שאנו מכנים הסעה טבעית;כאשר יש כוח מניע חיצוני, כלומר, הנוזל מונע על ידי מאווררים, מאווררים ורכיבים אחרים.זרימה, ובכך מסיר חום, אנו קוראים לזה הסעה מאולצת.בשל פיזור החום האיטי ביותר והאפקט הגרוע של הסעה טבעית, הוא אינו יכול לעמוד במלואו בדרישות פיזור החום של לייזרים.לכן, יש צורך להוסיף מאוורר לכל מערכת הקירור כדי להאיץ את זרימת האוויר ולהפוך הסעה טבעית להסעה מאולצת.

▲ עקרון קירור מאוורר

(2) רדיאטור צינור חום לפיזור חום

פיזור החום של רדיאטור צינור החום אומר שצינור החום מסתמך על שינוי הפאזה של נוזל העבודה בתוך עצמו כדי להשיג העברת חום.לנוזל זה נקודת רתיחה נמוכה וקל להנדיד.קצה אחד של צינור החום הוא קצה האידוי, המחובר לגוף הקירור בתוך הלייזר;הקצה השני הוא קצה העיבוי, המחובר לגוף הקירור החיצוני ולמאוורר.לדופן הצינור יש פתיל סופג נוזלים, המורכב מחומרים נקבוביים נימיים.כאשר הלייזר מחומם, קצה האידוי מחומם, נוזל העבודה מתאדה במהירות, הקיטור זורם אל קצה העיבוי תחת הפרש הלחץ, והחום משתחרר, אשר נפלט דרך המאוורר;באותו זמן, האדים מתעבים שוב לנוזל, והנוזל זורם בחזרה אל קטע האידוי דרך הפתיל.(אם מדובר בצינור חום כבידה, אין פתיל, והנוזל נצמד לדופן הצינור וזורם בחזרה לקטע האידוי התחתון בכוח הכבידה).מחזור זה אינו מפסיק, והחום מועבר מבפנים הלייזר אל החוץ.

▲ עקרון פיזור חום של רדיאטור צינור חום

מערכת ריתוך לייזר כף יד LightWELD 1500 של IPG משתמשת בפתרון קירור רדיאטור צינור חום.העיצוב והייצור של LightWELD מאופיין בגודל קטן ומשקל קל, מה שמוביל דור חדש של שינויים במכונת ריתוך הלייזר הידנית הנוכחית.בנוסף לריתוך, הוא גם מממש את הפונקציות של ריתוך וניקוי בלייזר בכף יד.מכונת ריתוך לייזר ידנית LightWELD מאמצת שיטת קירור אוויר, ללא צריכת החשמל הנדרשת על ידי ציוד צ'ילר נוסף, ביטול צנרת הצ'ילר, רכיבים, קישורי בקרה ותחזוקה, הפחתת עלויות תוך הגברת הניידות ושיפור האמינות הכוללת של המערכת.

▲ מערכת ריתוך לייזר כף יד LightWELD 1500

(התמונה מגיעה מהאינטרנט, אם יש הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק אותה)

(3) קירור וקירור מדחס

עקרון קירור ופיזור חום מדחס: המדחס דוחס את נוזל הקירור, הופך את הקירור לגז בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה, ומוזרם למעבה החיצוני.הגז בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה מתעבה לנוזל בטמפרטורה נמוכה ובלחץ גבוה, והחום שנוצר מההנזלה נפרק מהמכונה באמצעות המאוורר.נוזל הקירור הנוזלי בטמפרטורה נמוכה ובלחץ גבוה מוריד את הלחץ דרך שסתום ההתפשטות והופך למצב בטמפרטורה נמוכה, בלחץ נמוך, קל לאידוי, וזרם אל המאייד הפנימי.המאייד סופג חום כדי להפחית את הטמפרטורה הפנימית של הלייזר כדי להשיג את אפקט הקירור, ואז הקירור מתאדה לגז בטמפרטורה גבוהה ובלחץ נמוך.קירור הגז שמתאדה על ידי המאייד נדחס על ידי המדחס שוב ומסתובב הלוך ושוב, מה שמממש את פיזור החום בתוך המכונה.

▲ עקרון קירור ופיזור חום מדחס

מכונת הריתוך הידנית החכמה A1500W מקורר אוויר שהושקה על ידי GW Laser משתמשת בסכימת קירור המדחס ופיזור החום.GW Laser מתמקדת בחקירה מתמשכת ובחדשנות של טכנולוגיית 976nm

בשילוב עם יעילות ההמרה הפוטואלקטרית הגבוהה של 976 ננומטר, זה פתר באופן יצירתי את בעיית קיבולת הקירור המקורר באוויר, והשיק את טכנולוגיית ה- 976 ננומטר מקורר האוויר הראשונה בתעשייה, אשר פתרה את בעיות צריכת החשמל והניידות, ושוב הובילה את כיוון פיתוח טכנולוגי של לייזרים סיבים.דגם זה הבין את פונקציית השלוש באחד של ריתוך, חיתוך וניקוי.

▲ GW Laser A1500W מרתך כף יד חכם מקורר אוויר

השוואה בין מספר שיטות קירור

המבנה של קירור מאוורר פשוט יחסית.הוא פשוט מפיץ את החום בגוף הקירור לגוף הקירור, ולאחר מכן משתמש בהפרש הטמפרטורה בין גוף הקירור לאוויר הסביבה כדי לפזר חום באמצעות הסעה מאולצת של המאוורר.כאשר טמפרטורת הסביבה גבוהה מדי בקיץ, הפרש הטמפרטורות בין גוף הקירור לאוויר קטן מדי, ויכולת פיזור החום תפחת מאוד.הוא יכול רק לפזר חום באופן פסיבי, מושפע מאוד מהסביבה, ואינו יכול לשלוט במדויק על הטמפרטורה.היתרון הוא שהציוד הכולל ומערכת הבקרה פשוטים.

בהשוואה לשיטת קירור המאוורר הפשוטה, לרדיאטור צינור החום יש יותר צינורות חום, כך שהמבנה שלו מסובך יחסית.זה מסתמך על אידוי ועיבוי של חומר העבודה כדי להעביר במהירות חום מגוף הקירור לגוף הקירור ואז לפזר את החום לאוויר דרך המאוורר.הוא שייך גם לפיזור חום פסיבי, שאינו יכול לשלוט במדויק על הטמפרטורה ומופרע מאוד מהטמפרטורה שמסביב.

ערכת הקירור ופיזור החום שייכת לפיזור חום פעיל.בשל קיומם של המדחס ושסתום ההתפשטות, ניתן לשלוט על הטמפרטורה בצורה מדויקת על ידי התאמת הזרימה והלחץ של נוזל הקירור.יחד עם זאת, טמפרטורת הקירור במעבה גבוהה מזו של גוף הקירור, דבר המסייע לייצור חום מהיר.מועבר לאוויר.מערכת הבקרה שלו מסובכת יותר;יחד עם זאת, מכיוון שהמבנה שלו הרבה יותר מסובך משתי הסכמות לעיל, נפח ומשקל הציוד גדלים בהתאם.

רוב לייזרים הסיבים המסורתיים משתמשים בקירור מים כדי לפזר חום.ראשית, המים מקוררים על ידי קירור מדחס, ולאחר מכן הלייזר מקורר על ידי מים.ערכת פיזור החום המקורר באוויר של Guanghui Laser משתמשת ישירות בקירור המדחס לקירור הלייזר, נוטשת את קיומם של מים ומבטלת את קישור העברת החום הביניים, כך שיעילות פיזור החום גבוהה יותר, וניתן להקטין את הנפח והמשקל.

במעבדה, אנו משתמשים בתיבת בדיקת טמפרטורה ולחות קבועה כדי להגדיר 35 מעלות צלזיוס כדי לדמות את סביבת השימוש בטמפרטורה גבוהה בקיץ, ובודקים את שינוי הטמפרטורה של סיב הרווח הפנימי של הלייזר עם ערכות קירור אוויר שונות בתנאים בהספק מלא של 1500W..מנתוני הניסוי ניתן לראות בבירור שטמפרטורת הסיבים עולה באופן אקספוננציאלי בדקות הראשונות ומתייצב בסביבות 10 דקות.בשל אפקט הקירור של המדחס, ניתן לקרר את הלייזר באופן פעיל, כך שניתן לשלוט בטמפרטורה מתחת ל-60 מעלות צלזיוס, ושינוי הטמפרטורה יציב יחסית;בעוד שהשניים האחרים יכולים להסתמך רק על פיזור חום פסיבי, כך שהטמפרטורה הפנימית מעט גבוהה מזו של ערכת הקירור של המדחס;, בשל יעילות העברת החום הגבוהה של צינור החום, ניתן לייצא היטב את החום מבפנים הלייזר, כך שהטמפרטורה הפנימית שלו נמוכה מזו של מאוורר טהור, ועליית הטמפרטורה עדינה יותר.

▲ הטמפרטורה משתנה עם הזמן כאשר הלייזר מפלט לייזר של 1.5kW עם ערכות קירור אוויר שונות

(נתוני מעבדה, ייתכנו סטיות משימוש בפועל בשטח)

אֶפִּילוֹג

בתחום לייזר הסיבים, GW Laser תמיד מכוונת לענקית הלייזר העולמית IPG.זהו יתרון המותג הייחודי של Guanghui ליצור מוצרים באיכות צבאית.לפני שנים רבות, GW Laser החלה לארגן כוחות מחקר מדעיים לביצוע חקר רציף בקירור אוויר ופיזור חום.בעתיד, נמשיך לשפר היבט זה, נשפר באופן מתמיד את יציבות המוצרים, נממש שדרוג איטרטיבי של מוצרים וטכנולוגיות, ונענה על הצרכים של תעשיות נוספות.עיבוד צרכי