Predgovor
Z vse večjo uporabo laserjev z vlakni je zanesljivost laserjev z vlakni pritegnila vse več pozornosti, vključno z zanesljivostjo izhodne zmogljivosti laserja, zanesljivostjo elektronskih komponent, zanesljivostjo optičnih naprav, zanesljivostjo sistemov itd. Počakajte.Večina teh je tesno povezana s toplotnimi lastnostmi samega laserja.Poleg tega ima temperatura velik vpliv na delovanje laserja, zlasti na izhodno moč in stabilnost izhoda laserja.
Toplota laserja z vlakni izvira predvsem iz vira črpalke in ojačitvene votline.Za vir črpalke je njegova učinkovitost pretvorbe približno 50 %, kar tudi pomeni, da se v obliki toplote ustvari energija, ki je enaka izhodni optični moči.Če toplote ni mogoče pravočasno odvesti, bo temperatura notranjega čipa hitro narasla, središčna valovna dolžina laserja pa se bo premikala z naraščanjem temperature.Pri ojačevalni votlini se po vstopu svetlobe črpalke v vlakno z aktivnim ojačenjem samo del svetlobe pretvori v laserski izhod, preostala energija pa se pretvori v toplotno energijo.Toplotna energija bo zvišala temperaturo pridobilnega medija, kar bo povzročilo razširitev spektra fluorescence in kratko življenjsko dobo spontane emisije, s čimer se bo zmanjšala učinkovitost pretvorbe energije.Zato ima upravljanje toplote nezanemarljiv pomen za laserje z vlakni.Trenutno so običajno uporabljene tehnologije upravljanja toplote večinoma zračno in vodno hlajene.Med njimi se zračno hlajena tehnologija odvajanja toplote uporablja predvsem v impulznih laserjih z nizko močjo in kontinuiranih laserjih z nizko močjo.Večina optičnih laserjev srednje in visoke moči uporablja vodno hlajeno odvajanje toplote kot glavno odvajanje toplote.
Dva načina za odvajanje toplote
1. Vodno hlajenje
Kot že ime pove, je vodno hlajenje uporaba vode za odvzem toplote skozi toplotni izmenjevalnik (kot je vodno hladilna plošča).Njegov princip delovanja je prav tako zelo preprost, to pomeni, da hladna voda v hladilniku teče v toplotni izmenjevalnik skozi vodno cev, nato pa izstopi iz drugega priključka toplotnega izmenjevalnika in nato teče nazaj v hladilnik skozi vodno cev. .Toplota se odvaja iz notranjosti laserja.
Metoda odvajanja toplote z vodnim hlajenjem ima preprosto strukturo in je enostavna za vzdrževanje;zmogljivost odvajanja toplote je močna in enakomernost temperature je dobra.Hladilno zmogljivost laserja je mogoče izboljšati z uporabo hladilnika z večjo hladilno zmogljivostjo.Trenutno je na trgu več kot 500 proizvajalcev, ki integrirajo in prodajajo ročne laserske varilne stroje, ki običajno uporabljajo vodno hlajenje.Vendar pa ročni laserski varilni stroj z vodnim hlajenjem poleg samega laserja zahteva tudi dodatne hladilnike in vodo, kar ima za posledico znatno povečanje skupne prostornine in teže opreme ter omejena okolja uporabe.
2. Zračno hlajenje
V širšem smislu se zračno hlajeno odvajanje toplote nanaša na uporabo ventilatorjev za izboljšanje konvekcije zraka in popolno izmenjavo toplote znotraj stroja.Z izboljšanjem tehnologije so veliki proizvajalci laserjev začeli stopati na področje hlajenja zraka in odvajanja toplote.Junija lani je globalni fiber laser velikan I company lansiral zračno hlajen LightWELD 1500W ročni laserski varilni izdelek;avgusta je GW na Kitajskem lansiral zračno hlajeni inteligentni laserski varilni stroj A1500W;oktobra je družba Reci izdala tudi zračno hlajeni laserski varilni aparat FCA1500.laser.
▲ Zračno hlajeni laserski varilec: reci、IPG、GW
(Slika izvira iz interneta, če pride do kakršne koli kršitve, se obrnite na nas, da jo izbrišemo)
Ti trije laserji so namenjeni predvsem tržnemu segmentu ročnega laserskega varjenja.Zračno hlajeni laserji lahko naredijo delo bolj prilagodljivo in prenosljivo.Vsi trije laserji uporabljajo zračno hlajeno odvajanje toplote brez dodatne opreme za vodno hlajenje, kar zmanjšuje stroške.Hkrati sta velikost in teža opreme močno zmanjšani.Čeprav se oba imenujeta zračno hlajeni laserji, sta uporabljeni shemi odvajanja toplote pri zračnem hlajenju različni, vključno z ventilatorskim hlajenjem, hlajenjem radiatorja s toplotno cevjo ter hlajenjem in hlajenjem kompresorja.(1) Odvajanje toplote ventilatorja V laserju se toplota, ki nastane znotraj vira črpalke in ojačitvene votline, odvaja z uporabo substrata z dobro toplotno prevodnostjo (kot je baker, aluminijev nitrid itd.), nato pa se toplota odvaja s konvekcijo.Ta metoda se imenuje konvekcijsko hlajenje.Konvekcijski prenos toplote lahko razdelimo na naravno konvekcijo in prisilno konvekcijsko odvajanje toplote glede na gonilno silo toka tekočine.V odsotnosti zunanje sile lahko samo temperaturna razlika tekočine povzroči, da tekočina spontano teče in izvaja prenos toplote, kar imenujemo naravna konvekcija;ko obstaja zunanja gonilna sila, to je, da tekočino poganjajo ventilatorji, ventilatorji in druge komponente.tok, s čimer se odvaja toplota, imenujemo to prisilna konvekcija.Zaradi izjemno počasnega odvajanja toplote in slabega učinka naravne konvekcije ne more v celoti izpolniti zahtev laserjev glede odvajanja toplote.Zato je treba celotnemu hladilnemu sistemu dodati ventilator, ki pospeši pretok zraka in spremeni naravno konvekcijo v prisilno.
▲ Princip ventilatorskega hlajenja
(2) Radiator s toplotno cevjo za odvajanje toplote
Odvajanje toplote radiatorja toplotne cevi pomeni, da je toplotna cev odvisna od fazne spremembe delovne tekočine v sebi, da doseže prenos toplote.Ta tekočina ima nizko vrelišče in jo zlahka izhlapi.En konec toplotne cevi je izhlapevalni konec, ki je povezan s toplotnim odvodom znotraj laserja;drugi konec je kondenzacijski konec, ki je povezan z zunanjim hladilnikom in ventilatorjem.Stena cevi ima stenj, ki absorbira tekočino in je sestavljen iz kapilarno poroznih materialov.Ko se laser segreje, se uparjevalni del segreje, delovna tekočina hitro izhlapi, para teče na kondenzacijski del pod razliko tlaka in sprosti se toplota, ki se odvaja skozi ventilator;hkrati se para ponovno kondenzira v tekočino, tekočina pa teče nazaj v izparilni del skozi stenj.(Če gre za gravitacijsko toplotno cev, stenja ni, tekočina pa se oprime stene cevi in teče nazaj v spodnji odsek izhlapevanja zaradi gravitacije).Ta cikel se ne ustavi in toplota se prenese iz notranjosti laserja na zunanjost.
▲ Načelo odvajanja toplote radiatorja s toplotnimi cevmi
IPG-jev ročni laserski varilni sistem LightWELD 1500 uporablja rešitev za hlajenje radiatorja s toplotno cevjo.Za načrtovanje in izdelavo LightWELD sta značilni majhnost in majhna teža, kar vodi v novo generacijo sprememb v trenutnem ročnem laserskem varilnem stroju.Poleg varjenja izvaja tudi funkcije ročnega laserskega varjenja in čiščenja.Ročni laserski varilni stroj LightWELD uporablja metodo zračnega hlajenja brez porabe energije, ki jo zahteva dodatna oprema za hlajenje, odpravlja cevne napeljave, komponente, povezave za nadzor in vzdrževanje, zmanjšuje stroške, hkrati pa povečuje prenosljivost in izboljša splošno zanesljivost sistema.
▲ ročni laserski varilni sistem LightWELD 1500
(Slika izvira iz interneta, če pride do kakršne koli kršitve, se obrnite na nas, da jo izbrišemo)
(3) Hlajenje in hlajenje kompresorja
Načelo kompresorskega hlajenja in odvajanja toplote: kompresor stisne hladilno sredstvo, spremeni hladilno sredstvo v visokotemperaturni in visokotlačni plin ter teče v zunanji kondenzator.Plin z visoko temperaturo in visokim pritiskom se kondenzira v tekočino z nizko temperaturo in visokim pritiskom, toplota, ki nastane pri utekočinjenju, pa se z ventilatorjem odvaja iz stroja.Nizkotemperaturno in visokotlačno tekoče hladilno sredstvo se prek ekspanzijskega ventila zmanjša in postane nizkotemperaturno, nizkotlačno stanje, ki ga je enostavno izhlapeti, in teče v notranji uparjalnik.Uparjalnik absorbira toploto, da zmanjša notranjo temperaturo laserja, da doseže učinek hlajenja, nato pa hladilno sredstvo izhlapi v plin z visoko temperaturo in nizkim tlakom.Plinsko hladilno sredstvo, ki ga izpari uparjalnik, kompresor ponovno stisne in kroži naprej in nazaj, kar uresničuje odvajanje toplote znotraj stroja.
▲ Kompresorsko hlajenje in princip odvajanja toplote
Pametni zračno hlajeni ročni varilni stroj A1500W, ki ga je lansiral GW Laser, uporablja kompresorsko hlajenje in shemo odvajanja toplote.GW Laser se osredotoča na nenehno raziskovanje in inovacije tehnologije 976 nm
V kombinaciji z visoko učinkovitostjo fotoelektrične pretvorbe 976 nm je ustvarjalno rešil problem zračno hlajene hladilne zmogljivosti in lansiral prvo zračno hlajeno 976 nm tehnologijo v industriji, ki je rešila težave s porabo energije in prenosljivostjo ter ponovno vodila smer tehnološkega razvoja vlakenskih laserjev.Ta model ima funkcijo tri v enem, varjenje, rezanje in čiščenje.
▲ Pametni zračno hlajeni ročni varilec GW Laser A1500W
Primerjava več načinov hlajenja
Struktura ventilatorskega hlajenja je razmeroma preprosta.Preprosto širi toploto iz hladilnega telesa na hladilno telo, nato pa uporabi temperaturno razliko med hladilnim telom in okoliškim zrakom za odvajanje toplote s prisilno konvekcijo ventilatorja.Ko je poleti temperatura okolja previsoka, je temperaturna razlika med hladilnim telom in zrakom premajhna, zmogljivost odvajanja toplote pa se močno zmanjša.Lahko samo pasivno odvaja toploto, nanj močno vpliva okolje in ne more natančno nadzorovati temperature.Prednost je, da sta celotna oprema in krmilni sistem preprosta.
V primerjavi s preprosto metodo hlajenja z ventilatorjem ima radiator s toplotno cevjo več toplotnih cevi, zato je njegova struktura razmeroma zapletena.Zanaša se na izhlapevanje in kondenzacijo delovnega materiala za hiter prenos toplote od hladilnega telesa do hladilnega telesa in nato odvajanje toplote v zrak skozi ventilator.Spada tudi med pasivno odvajanje toplote, ki ne more natančno nadzorovati temperature in ga močno moti temperatura okolice.
Shema kompresorskega hlajenja in odvajanja toplote spada v aktivno odvajanje toplote.Zaradi obstoja kompresorja in ekspanzijskega ventila je mogoče temperaturo natančno nadzorovati s prilagajanjem pretoka in tlaka hladilnega sredstva.Hkrati je temperatura hladilnega sredstva v kondenzatorju višja od temperature hladilnega telesa, kar prispeva k hitremu ustvarjanju toplote.prenašajo v zrak.Njegov nadzorni sistem je bolj zapleten;hkrati pa se, ker je njegova struktura veliko bolj zapletena od zgornjih dveh shem, ustrezno povečata tudi prostornina in teža opreme.
Večina tradicionalnih laserjev z vlakni uporablja vodno hlajenje za odvajanje toplote.Najprej se voda ohladi s kompresorskim hlajenjem, nato pa se laser ohladi z vodo.Zračno hlajena shema odvajanja toplote Guanghui Laser neposredno uporablja kompresorsko hlajenje za hlajenje laserja, opušča obstoj vode in odpravlja vmesno povezavo za prenos toplote, zato je učinkovitost odvajanja toplote večja, prostornina in teža pa se lahko zmanjšata.
V laboratoriju uporabljamo preskusno škatlo s konstantno temperaturo in vlažnostjo, da nastavimo 35 °C, da simuliramo okolje uporabe pri visoki temperaturi poleti, in testiramo temperaturno spremembo notranjega ojačevalnega vlakna laserja z različnimi shemami zračnega hlajenja pod pogojem polne moči 1500 W..Iz eksperimentalnih podatkov je jasno razvidno, da se temperatura vlaken v prvih nekaj minutah eksponentno poveča in se približno 10 minut stabilizira.Zaradi hladilnega učinka kompresorja je mogoče laser aktivno hladiti, tako da je mogoče nadzorovati temperaturo pod 60 °C, sprememba temperature pa je relativno stabilna;medtem ko se druga dva lahko zanašata le na pasivno odvajanje toplote, zato je notranja temperatura nekoliko višja kot pri hladilni shemi kompresorja;, Zaradi visoke učinkovitosti prenosa toplote toplotne cevi se lahko toplota dobro odvaja iz notranjosti laserja, zato je njegova notranja temperatura nižja kot pri čistem ventilatorju, dvig temperature pa je bolj nežen.
▲ Sprememba temperature s časom, ko laser oddaja 1,5 kW laser z različnimi shemami zračnega hlajenja
(laboratorijski podatki, možna so odstopanja od dejanske uporabe na terenu)
Epilog
Na področju laserjev z vlakni je GW Laser vedno ciljal na globalnega laserskega velikana IPG.Edinstvena prednost blagovne znamke Guanghui je ustvarjanje izdelkov vojaške kakovosti.Pred mnogimi leti je GW Laser začel organizirati znanstvene raziskovalne enote za neprekinjeno raziskovanje hlajenja zraka in odvajanja toplote.V prihodnosti bomo še naprej izboljševali ta vidik, nenehno izboljševali stabilnost izdelkov, izvajali ponavljajoče se nadgradnje izdelkov in tehnologij ter izpolnjevali potrebe več industrij.potrebe po obdelavi
Čas objave: 10. marec 2022