Förord
Med den ökande tillämpningen av fiberlasrar har tillförlitligheten hos fiberlasrar dragit till sig mer och mer uppmärksamhet, inklusive tillförlitligheten hos laserutgångsprestanda, tillförlitligheten hos elektroniska komponenter, tillförlitligheten hos optiska enheter, systemens tillförlitlighet, etc. Vänta.De flesta av dessa är nära besläktade med själva laserns termiska egenskaper.Dessutom har temperaturen ett stort inflytande på laserns prestanda, speciellt uteffekten och utgångsstabiliteten hos lasern.
Värmen från fiberlasern kommer huvudsakligen från pumpkällan och förstärkningskaviteten.För pumpkällan är dess omvandlingsverkningsgrad cirka 50 %, vilket också innebär att en energi motsvarande den utgående optiska effekten genereras i form av värme.Om värmen inte kan avledas i tid, kommer temperaturen på det interna chipet att stiga snabbt, och laserns mittvåglängd kommer att driva när temperaturen stiger.För förstärkningskaviteten, efter att pumpljuset kommer in i den aktiva förstärkningsfibern, omvandlas endast en del av den till laserutgång och resten av energin omvandlas till värmeenergi.Termisk energi kommer att öka temperaturen på förstärkningsmediet, vilket resulterar i breddning av fluorescensspektrumet och en kort livslängd för spontan emission, vilket minskar energiomvandlingseffektiviteten.Därför har termisk hantering en icke försumbar betydelse för fiberlasrar.För närvarande är de vanligaste termiska hanteringsteknikerna huvudsakligen luftkylda och vattenkylda.Bland dem används den luftkylda värmeavledningstekniken huvudsakligen i pulserande lasrar med låg effekt och kontinuerliga lasrar med låg effekt.De flesta av fiberlasrarna med medellång och hög effekt använder vattenkyld värmeavledning som huvudvärmeavledning.
Två sätt att avleda värme
1. Vattenkylning
Som namnet antyder är vattenkylning användningen av vatten för att ta bort värme genom en värmeväxlare (som en vattenkylningsplatta).Dess arbetsprincip är också mycket enkel, det vill säga det kalla vattnet i kylaren strömmar in i värmeväxlaren genom vattenröret och kommer sedan ut från en annan port på värmeväxlaren och strömmar sedan tillbaka till kylaren genom vattenröret .Värme förs bort från insidan av lasern.
Den vattenkylda värmeavledningsmetoden har en enkel struktur och är lätt att underhålla;värmeavledningsförmågan är stark och temperaturjämnheten är god.Laserns kylprestanda kan förbättras genom att använda en kylare med större kylkapacitet.För närvarande finns det mer än 500 tillverkare som integrerar och säljer handhållna lasersvetsmaskiner på marknaden, och de använder vanligtvis vattenkylning.Men förutom själva lasern kräver den handhållna lasersvetsmaskinen med vattenkylning även ytterligare kylare och vatten, vilket resulterar i en avsevärd ökning av utrustningens totala volym och vikt och begränsade användningsmiljöer.
2. Luftkylning
I vid mening avser luftkyld värmeavledning användningen av fläktar för att förbättra luftkonvektion och fullständig värmeväxling inuti maskinen.Med förbättringen av tekniken har stora lasertillverkare börjat sätta sin fot inom området luftkylning och värmeavledning.I juni förra året lanserade den globala fiberlaserjätten I företaget den luftkylda LightWELD 1500W handhållna lasersvetsprodukten;i augusti lanserade GW den luftkylda intelligenta lasersvetsmaskinen A1500W i Kina;i oktober släppte företaget Reci också den luftkylda lasersvetsmaskinen FCA1500.laser.
▲ Luftkyld lasersvets: reci、IPG、GW
(Bilden kommer från Internet, om det finns någon intrång, kontakta oss för att radera den)
Dessa tre lasrar är främst inriktade på marknadssegmentet handhållen lasersvetsning.Luftkylda lasrar kan göra arbetet mer flexibelt och bärbart.Alla tre lasrarna använder luftkyld värmeavledning utan extra vattenkylningsutrustning, vilket minskar kostnaderna.Samtidigt reduceras utrustningens storlek och vikt kraftigt.Även om de båda kallas luftkylda lasrar, är de luftkylda värmeavledningsscheman som används olika, inklusive fläktkylning, värmerörsradiatorkylning och kompressorkylning och -kylning.(1) Fläktvärmeavledning I lasern avleds värmen som genereras inuti pumpkällan och förstärkningskaviteten med hjälp av ett substrat med god värmeledningsförmåga (som koppar, aluminiumnitrid, etc.), och sedan avleds värmen genom konvektion.Denna metod kallas konvektionskylning.Konvektiv värmeöverföring kan delas in i naturlig konvektion och påtvingad konvektionsvärmeavledning enligt vätskeflödets drivkraft.I frånvaro av yttre kraft kan endast vätskans temperaturskillnad få vätskan att flöda spontant för att genomföra värmeöverföring, vilket vi kallar naturlig konvektion;när det finns en extern drivkraft, det vill säga att vätskan drivs av fläktar, fläktar och andra komponenter.flöde och därigenom avlägsnar värme, vi kallar det forcerad konvektion.På grund av den extremt långsamma värmeavledningen och den dåliga effekten av naturlig konvektion kan den inte helt uppfylla lasrarnas värmeavledningskrav.Därför är det nödvändigt att lägga till en fläkt till hela kylsystemet för att påskynda luftflödet och förvandla naturlig konvektion till forcerad konvektion.
▲ Fläktkylningsprincip
(2) Värmerörsradiator för att avleda värme
Värmeledningsradiatorns värmeavledning gör att värmeröret förlitar sig på fasförändringen av arbetsvätskan inuti sig för att uppnå värmeöverföring.Denna vätska har låg kokpunkt och är lätt att förflyktiga.Ena änden av värmeröret är förångningsänden, som är ansluten till kylflänsen inuti lasern;den andra änden är kondensänden som är ansluten till den externa kylflänsen och fläkten.Rörväggen har en vätskeabsorberande veke, som är sammansatt av kapillärporösa material.När lasern värms upp värms förångningsänden, arbetsvätskan förångas snabbt, ångan strömmar till kondenseringsänden under tryckskillnaden och värmen frigörs, som släpps ut genom fläkten;samtidigt kondenserar ångan till vätska igen, och vätskan rinner tillbaka till förångningssektionen genom veken.(Om det är ett gravitationsvärmerör finns det ingen veke, och vätskan fäster vid rörväggen och strömmar tillbaka till den nedre förångningssektionen genom gravitationen).Denna cykel slutar inte, och värmen överförs från insidan av lasern till utsidan.
▲ Värmeavledningsprincipen för värmerörsradiator
IPG:s LightWELD 1500 handhållna lasersvetssystem använder en kyllösning för värmerörsradiator.Designen och tillverkningen av LightWELD kännetecknas av liten storlek och låg vikt, vilket leder till en ny generation av förändringar i den nuvarande handhållna lasersvetsmaskinen.Förutom svetsning realiserar den också funktionerna för handhållen lasersvetsning och rengöring.LightWELD handhållen lasersvetsmaskin använder en luftkylningsmetod, utan den energiförbrukning som krävs av ytterligare kylutrustning, eliminerar kylarens rörledningar, komponenter, styr- och underhållslänkar, minskar kostnaderna samtidigt som portabiliteten ökar och systemets övergripande tillförlitlighet förbättras.
▲ LightWELD 1500 handhållet lasersvetssystem
(Bilden kommer från Internet, om det finns någon intrång, kontakta oss för att radera den)
(3) Kompressorkylning och kylning
Kompressorns kylnings- och värmeavledningsprincip: Kompressorn komprimerar köldmediet, förvandlar köldmediet till en gas med hög temperatur och högt tryck och strömmar till den externa kondensorn.Gasen med hög temperatur och högt tryck kondenseras till en vätska med låg temperatur och högt tryck, och värmen som genereras av kondenseringen släpps ut ur maskinen med fläkten.Det flytande lågtemperatur- och högtrycksköldmediet görs trycklöst genom expansionsventilen och blir ett lågtemperatur-, lågtrycks-, lättavdunstande tillstånd och strömmar till den interna förångaren.Förångaren absorberar värme för att minska laserns inre temperatur för att uppnå effekten av kylning, och sedan förångas köldmediet till en gas med hög temperatur och lågt tryck.Gasköldmediet som förångas av förångaren komprimeras av kompressorn igen och cirkulerar fram och tillbaka, vilket realiserar värmeavledningen inuti maskinen.
▲ Kompressorns kyl- och värmeavledningsprincip
Den smarta luftkylda handhållna svetsmaskinen A1500W som lanserats av GW Laser använder kompressorns kylnings- och värmeavledningsschema.GW Laser fokuserar på kontinuerlig utforskning och innovation av 976nm-teknik
I kombination med den höga fotoelektriska omvandlingseffektiviteten på 976nm, löste det kreativt problemet med luftkyld kylkapacitet och lanserade den första luftkylda 976nm-tekniken i branschen, som löste problemen med strömförbrukning och portabilitet, och återigen ledde teknisk utvecklingsriktning för fiberlasrar.Denna modell har insett tre-i-ett-funktionen svetsning, skärning och rengöring.
▲ GW Laser A1500W Smart luftkyld handhållen svetsare
Jämförelse av flera kylningsmetoder
Strukturen för fläktkylning är relativt enkel.Den sprider helt enkelt värmen i kylflänsen till kylflänsen och använder sedan temperaturskillnaden mellan kylflänsen och den omgivande luften för att avleda värme genom forcerad konvektion av fläkten.När omgivningstemperaturen är för hög på sommaren är temperaturskillnaden mellan kylflänsen och luften för liten och värmeavledningskapaciteten kommer att minska kraftigt.Den kan bara passivt avleda värme, påverkas kraftigt av miljön och kan inte exakt kontrollera temperaturen.Fördelen är att den övergripande utrustningen och styrsystemet är enkelt.
Jämfört med den enkla fläktkylningsmetoden har värmerörsradiatorn fler värmerör, så dess struktur är relativt komplicerad.Den förlitar sig på avdunstning och kondensering av arbetsmaterialet för att snabbt överföra värme från kylflänsen till kylflänsen och sedan avleda värmen till luften genom fläkten.Den tillhör också passiv värmeavledning, som inte kan kontrollera temperaturen exakt och störs kraftigt av den omgivande temperaturen.
Kompressorns kylnings- och värmeavledningsschema hör till aktiv värmeavledning.På grund av existensen av kompressorn och expansionsventilen kan temperaturen regleras exakt genom att justera flödet och trycket på köldmediet.Samtidigt är temperaturen på kylmediet i kondensorn högre än kylflänsens temperatur, vilket bidrar till snabb värmealstring.överförs till luften.Dess kontrollsystem är mer komplicerat;Samtidigt, eftersom dess struktur är mycket mer komplicerad än ovanstående två scheman, ökas också utrustningens volym och vikt i enlighet därmed.
De flesta av de traditionella fiberlasrarna använder vattenkylning för att avleda värme.Först kyls vattnet genom kompressorkylning och sedan kyls lasern med vatten.Det luftkylda värmeavledningsschemat för Guanghui Laser använder direkt kompressorkylning för att kyla lasern, överger förekomsten av vatten och eliminerar den mellanliggande värmeöverföringslänken, så värmeavledningseffektiviteten är högre och volymen och vikten kan göras mindre.
I laboratoriet använder vi en testbox med konstant temperatur och luftfuktighet för att ställa in 35°C för att simulera användningsmiljön med hög temperatur på sommaren, och testar temperaturförändringen av laserns inre förstärkningsfiber med olika luftkylningsscheman under villkoret med full effekt på 1500W..Från experimentdata kan man tydligt se att fibertemperaturen ökar exponentiellt under de första minuterna och stabiliserar sig runt 10 minuter.På grund av kompressorns kyleffekt kan lasern aktivt kylas, så att temperaturen kan kontrolleras under 60 °C, och temperaturförändringen är relativt stabil;medan de andra två bara kan lita på passiv värmeavledning, så den interna temperaturen är något högre än den för kompressorns kylschema;, På grund av värmerörets höga värmeöverföringseffektivitet kan värmen exporteras väl från insidan av lasern, så dess inre temperatur är lägre än en ren fläkt, och temperaturökningen är mer skonsam.
▲ Temperaturen förändras med tiden när lasern avger 1,5 kW laser med olika luftkylningsscheman
(laboratoriedata, det kan finnas avvikelser från faktisk fältanvändning)
Epilog
Inom fiberlaserområdet har GW Laser alltid siktat på den globala laserjätten IPG.Det är Guanghuis unika varumärkesfördel att skapa produkter med militär kvalitet.För många år sedan började GW Laser organisera vetenskapliga forskningsstyrkor för att bedriva kontinuerlig utforskning av luftkylning och värmeavledning.I framtiden kommer vi att fortsätta att förbättra denna aspekt, kontinuerligt förbättra produkters stabilitet, realisera iterativ uppgradering av produkter och teknologier och möta behoven hos fler industrier.bearbetningsbehov
Posttid: Mar-10-2022