Prefácio
Com a crescente aplicação de lasers de fibra, a confiabilidade dos lasers de fibra atraiu cada vez mais atenção, incluindo a confiabilidade do desempenho da saída do laser, a confiabilidade dos componentes eletrônicos, a confiabilidade dos dispositivos ópticos, a confiabilidade dos sistemas, etc. Espere.A maioria deles está intimamente relacionada às propriedades térmicas do próprio laser.Além disso, a temperatura tem grande influência no desempenho do laser, especialmente na potência de saída e na estabilidade de saída do laser.
O calor do laser de fibra vem principalmente da fonte da bomba e da cavidade de ganho.Para a fonte bomba, sua eficiência de conversão é de cerca de 50%, o que também significa que uma energia equivalente à potência óptica de saída é gerada na forma de calor.Se o calor não puder ser dissipado a tempo, a temperatura do chip interno aumentará rapidamente e o comprimento de onda central do laser se desviará à medida que a temperatura aumentar.Para a cavidade de ganho, depois que a luz da bomba entra na fibra de ganho ativa, apenas uma parte dela é convertida em saída de laser e o restante da energia é convertido em energia térmica.A energia térmica aumentará a temperatura do meio de ganho, resultando na ampliação do espectro de fluorescência e em um curto tempo de vida de emissão espontânea, reduzindo assim a eficiência de conversão de energia.Portanto, o gerenciamento térmico tem um significado não desprezível para lasers de fibra.Atualmente, as tecnologias de gerenciamento térmico comumente usadas são principalmente refrigeradas a ar e refrigeradas a água.Entre eles, a tecnologia de dissipação de calor refrigerada a ar é usada principalmente em lasers pulsados de baixa potência e lasers contínuos de baixa potência.A maioria dos lasers de fibra de média e alta potência usa dissipação de calor refrigerada a água como a principal dissipação de calor.
Duas maneiras de dissipar o calor
1. Resfriamento a água
Como o nome indica, o resfriamento a água é o uso de água para remover o calor por meio de um trocador de calor (como uma placa de resfriamento a água).Seu princípio de funcionamento também é muito simples, ou seja, a água fria no resfriador flui para o trocador de calor através do cano de água e depois sai de outra porta do trocador de calor e depois flui de volta para o resfriador pelo cano de água .O calor é levado para fora do interior do laser.
O método de dissipação de calor refrigerado a água tem uma estrutura simples e é fácil de manter;a capacidade de dissipação de calor é forte e a uniformidade da temperatura é boa.O desempenho de resfriamento do laser pode ser melhorado usando um resfriador com maior capacidade de resfriamento.Atualmente, existem mais de 500 fabricantes que integram e vendem máquinas de solda a laser portáteis no mercado e geralmente usam resfriamento a água.No entanto, além do próprio laser, a máquina de solda a laser portátil com resfriamento a água também requer resfriadores e água adicionais, o que resulta em um aumento substancial no volume e peso total do equipamento e ambientes de uso limitado.
2. Resfriamento a ar
Em um sentido amplo, a dissipação de calor refrigerada a ar refere-se ao uso de ventiladores para melhorar a convecção do ar e a troca completa de calor dentro da máquina.Com a melhoria da tecnologia, os principais fabricantes de laser começaram a colocar os pés no campo de resfriamento de ar e dissipação de calor.Em junho do ano passado, a gigante global do laser de fibra I lançou o produto de soldagem a laser portátil LightWELD 1500W refrigerado a ar;em agosto, a GW lançou a máquina de solda a laser inteligente A1500W refrigerada a ar na China;em outubro, a empresa Reci também lançou a máquina de solda a laser refrigerada a ar FCA1500.laser.
▲ Soldador a laser refrigerado a ar: reci, IPG, GW
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Esses três lasers são voltados principalmente para o segmento de mercado de soldagem a laser portátil.Os lasers refrigerados a ar podem tornar o trabalho mais flexível e portátil.Todos os três lasers usam dissipação de calor refrigerada a ar sem equipamento adicional de refrigeração a água, o que reduz os custos.Ao mesmo tempo, o tamanho e o peso do equipamento são bastante reduzidos.Embora ambos sejam chamados de lasers resfriados a ar, os esquemas de dissipação de calor resfriados a ar usados são diferentes, incluindo resfriamento por ventilador, resfriamento por radiador de tubo de calor e resfriamento e resfriamento por compressor.(1) Dissipação de calor do ventilador No laser, o calor gerado dentro da fonte da bomba e da cavidade de ganho é dissipado usando um substrato com boa condutividade térmica (como cobre, nitreto de alumínio, etc.) e, em seguida, o calor é dissipado por convecção.Este método é chamado de resfriamento por convecção.A transferência de calor por convecção pode ser dividida em convecção natural e dissipação de calor por convecção forçada de acordo com a força motriz do fluxo de fluido.Na ausência de força externa, apenas a diferença de temperatura do fluido pode fazer com que o fluido escoe espontaneamente para conduzir a transferência de calor, que chamamos de convecção natural;quando há uma força motriz externa, ou seja, o fluido é acionado por ventiladores, ventiladores e outros componentes.fluxo, removendo assim o calor, chamamos de convecção forçada.Devido à dissipação de calor extremamente lenta e ao fraco efeito da convecção natural, ele não pode atender totalmente aos requisitos de dissipação de calor dos lasers.Portanto, é necessário adicionar um ventilador a todo o sistema de refrigeração para acelerar o fluxo de ar e transformar a convecção natural em convecção forçada.
▲ Princípio de resfriamento do ventilador
(2) Radiador de tubo de calor para dissipar o calor
A dissipação de calor do radiador do tubo de calor significa que o tubo de calor depende da mudança de fase do líquido de trabalho dentro de si para obter a transferência de calor.Este líquido tem um baixo ponto de ebulição e é fácil de volatilizar.Uma extremidade do tubo de calor é a extremidade de evaporação, que é conectada ao dissipador de calor dentro do laser;a outra extremidade é a extremidade de condensação, que é conectada ao dissipador de calor externo e ao ventilador.A parede do tubo possui um pavio de absorção de líquido, composto de materiais porosos capilares.Quando o laser é aquecido, a extremidade de evaporação é aquecida, o líquido de trabalho evapora rapidamente, o vapor flui para a extremidade de condensação sob a diferença de pressão e o calor é liberado, que é descarregado pelo ventilador;ao mesmo tempo, o vapor se condensa em líquido novamente e o líquido flui de volta para a seção de evaporação através do pavio.(Se for um tubo de calor por gravidade, não há pavio e o líquido adere à parede do tubo e flui de volta para a seção de evaporação inferior por gravidade).Este ciclo não para, e o calor é transferido de dentro do laser para fora.
▲ Princípio de dissipação de calor do radiador de tubo de calor
O sistema de soldagem a laser portátil LightWELD 1500 da IPG usa uma solução de resfriamento de radiador de tubo de calor.O design e a fabricação da LightWELD são caracterizados por seu tamanho pequeno e peso leve, o que leva a uma nova geração de mudanças na atual máquina de solda a laser portátil.Além da soldagem, também realiza as funções de soldagem e limpeza a laser portátil.A máquina de solda a laser portátil LightWELD adota o método de resfriamento a ar, sem o consumo de energia exigido pelo equipamento chiller adicional, eliminando a tubulação do chiller, componentes, links de controle e manutenção, reduzindo custos enquanto aumenta a portabilidade e melhora a confiabilidade geral do sistema.
▲ LightWELD 1500 Handheld Laser Welding System
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(3) Resfriamento e resfriamento do compressor
Princípio de refrigeração e dissipação de calor do compressor: O compressor comprime o refrigerante, transforma o refrigerante em um gás de alta temperatura e alta pressão e flui para o condensador externo.O gás de alta temperatura e alta pressão é condensado em um líquido de baixa temperatura e alta pressão, e o calor gerado pela liquefação é descarregado para fora da máquina com o ventilador.O refrigerante líquido de baixa temperatura e alta pressão é despressurizado através da válvula de expansão e torna-se um estado de baixa temperatura, baixa pressão, fácil de evaporar e flui para o evaporador interno.O evaporador absorve calor para reduzir a temperatura interna do laser para obter o efeito de resfriamento e, em seguida, o refrigerante vaporiza em um gás de alta temperatura e baixa pressão.O gás refrigerante evaporado pelo evaporador é novamente comprimido pelo compressor e circula para frente e para trás, o que realiza a dissipação de calor dentro da máquina.
▲ Princípio de refrigeração e dissipação de calor do compressor
A máquina de solda portátil refrigerada a ar inteligente A1500W lançada pela GW Laser usa o esquema de resfriamento e dissipação de calor do compressor.A GW Laser se concentra na exploração e inovação contínuas da tecnologia de 976 nm
Combinado com a alta eficiência de conversão fotoelétrica de 976nm, resolveu criativamente o problema da capacidade de resfriamento refrigerado a ar e lançou a primeira tecnologia 976nm refrigerada a ar da indústria, que resolveu os problemas de consumo de energia e portabilidade, e mais uma vez liderou o direção de desenvolvimento tecnológico de lasers de fibra.Este modelo realizou a função três em um de soldagem, corte e limpeza.
▲ GW Laser A1500W Soldador portátil refrigerado a ar inteligente
Comparação de vários métodos de resfriamento
A estrutura do resfriamento do ventilador é relativamente simples.Ele simplesmente espalha o calor no dissipador de calor para o dissipador de calor e, em seguida, usa a diferença de temperatura entre o dissipador de calor e o ar ambiente para dissipar o calor por meio da convecção forçada do ventilador.Quando a temperatura ambiente é muito alta no verão, a diferença de temperatura entre o dissipador de calor e o ar é muito pequena e a capacidade de dissipação de calor será bastante reduzida.Ele só pode dissipar o calor passivamente, é muito afetado pelo ambiente e não pode controlar a temperatura com precisão.A vantagem é que o equipamento geral e o sistema de controle são simples.
Comparado com o método simples de resfriamento por ventilador, o radiador de tubo de calor tem mais tubos de calor, portanto sua estrutura é relativamente complicada.Ele depende da evaporação e condensação do material de trabalho para transferir rapidamente o calor do dissipador de calor para o dissipador de calor e, em seguida, dissipar o calor no ar através do ventilador.Também pertence à dissipação de calor passiva, que não pode controlar com precisão a temperatura e é muito perturbada pela temperatura ambiente.
O esquema de resfriamento e dissipação de calor do compressor pertence à dissipação de calor ativa.Devido à existência do compressor e da válvula de expansão, a temperatura pode ser controlada com precisão ajustando o fluxo e a pressão do refrigerante.Ao mesmo tempo, a temperatura do refrigerante no condensador é maior do que a do dissipador de calor, o que favorece a rápida geração de calor.transmitida ao ar.Seu sistema de controle é mais complicado;ao mesmo tempo, como sua estrutura é muito mais complicada do que os dois esquemas acima, o volume e o peso do equipamento também são aumentados de acordo.
A maioria dos lasers de fibra tradicionais usa resfriamento a água para dissipar o calor.Primeiro, a água é resfriada pela refrigeração do compressor e, em seguida, o laser é resfriado pela água.O esquema de dissipação de calor refrigerado a ar do Guanghui Laser usa diretamente o resfriamento do compressor para resfriar o laser, abandonando a existência de água e eliminando o link intermediário de transferência de calor, de modo que a eficiência da dissipação de calor é maior e o volume e o peso podem ser reduzidos.
No laboratório, usamos uma caixa de teste de temperatura e umidade constante para definir 35 ° C para simular o ambiente de uso de alta temperatura no verão e testar a mudança de temperatura da fibra de ganho interno do laser com diferentes esquemas de resfriamento de ar sob a condição de potência total de 1500W..A partir dos dados experimentais, pode-se observar claramente que a temperatura da fibra aumenta exponencialmente nos primeiros minutos e se estabiliza em torno de 10 minutos.Devido ao efeito de resfriamento do compressor, o laser pode ser resfriado ativamente, de modo que a temperatura pode ser controlada abaixo de 60 °C e a mudança de temperatura é relativamente estável;enquanto os outros dois podem contar apenas com dissipação de calor passiva, então a temperatura interna é ligeiramente superior à do esquema de resfriamento do compressor;, Devido à alta eficiência de transferência de calor do tubo de calor, o calor pode ser bem exportado de dentro do laser, de modo que sua temperatura interna é menor que a de um ventilador puro e o aumento de temperatura é mais suave.
▲ A mudança de temperatura com o tempo quando o laser produz um laser de 1,5kW com diferentes esquemas de resfriamento a ar
(dados de laboratório, pode haver desvios do uso de campo real)
Epílogo
No campo dos lasers de fibra, a GW Laser sempre teve como objetivo a gigante global do laser IPG.É a vantagem exclusiva da marca Guanghui criar produtos com qualidade militar.Muitos anos atrás, a GW Laser começou a organizar forças de pesquisa científica para conduzir uma exploração contínua em resfriamento de ar e dissipação de calor.No futuro, continuaremos a melhorar esse aspecto, melhorar continuamente a estabilidade dos produtos, realizar atualização iterativa de produtos e tecnologias e atender às necessidades de mais indústrias.necessidades de processamento
Horário de postagem: 10 de março de 2022