การวิเคราะห์โดยสังเขปของเทคโนโลยีการกระจายความร้อนของเครื่องเชื่อมเลเซอร์แบบมือถือกระแสหลัก

คำนำ

ด้วยการใช้งานไฟเบอร์เลเซอร์ที่เพิ่มขึ้น ความน่าเชื่อถือของไฟเบอร์เลเซอร์ได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ รวมถึงความน่าเชื่อถือของประสิทธิภาพเอาต์พุตเลเซอร์ ความน่าเชื่อถือของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ออปติก ความน่าเชื่อถือของระบบ ฯลฯ รอสักครู่ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางความร้อนของเลเซอร์เองนอกจากนี้ อุณหภูมิยังมีอิทธิพลอย่างมากต่อประสิทธิภาพของเลเซอร์ โดยเฉพาะกำลังขับและความเสถียรของเอาต์พุตของเลเซอร์

ความร้อนของไฟเบอร์เลเซอร์ส่วนใหญ่มาจากแหล่งปั๊มและช่องอัตราขยายสำหรับแหล่งที่มาของปั๊ม ประสิทธิภาพการแปลงอยู่ที่ประมาณ 50% ซึ่งหมายความว่าพลังงานที่เทียบเท่ากับพลังงานออปติกเอาต์พุตจะถูกสร้างขึ้นในรูปของความร้อนหากไม่สามารถกระจายความร้อนได้ทันเวลา อุณหภูมิของชิปภายในจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และความยาวคลื่นตรงกลางของเลเซอร์จะลอยขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นสำหรับช่องอัตราขยาย หลังจากที่แสงของปั๊มเข้าสู่เส้นใยอัตราขยายที่ใช้งานอยู่ จะมีเพียงบางส่วนเท่านั้นที่จะถูกแปลงเป็นเอาต์พุตเลเซอร์ และพลังงานที่เหลือจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อนพลังงานความร้อนจะเพิ่มอุณหภูมิของตัวกลางที่ได้รับ ส่งผลให้สเปกตรัมของฟลูออเรสเซนส์กว้างขึ้นและอายุการใช้งานที่สั้นลงของการปล่อยสารที่เกิดขึ้นเอง ซึ่งจะช่วยลดประสิทธิภาพการแปลงพลังงานดังนั้น การจัดการระบายความร้อนจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับไฟเบอร์เลเซอร์ในปัจจุบัน เทคโนโลยีการจัดการระบายความร้อนที่ใช้กันทั่วไปส่วนใหญ่จะเป็นแบบระบายความร้อนด้วยอากาศและระบายความร้อนด้วยน้ำในหมู่พวกเขา เทคโนโลยีการระบายความร้อนด้วยอากาศส่วนใหญ่จะใช้ในเลเซอร์พัลซิ่งพลังงานต่ำและเลเซอร์ต่อเนื่องพลังงานต่ำไฟเบอร์เลเซอร์กำลังปานกลางและกำลังสูงส่วนใหญ่ใช้การระบายความร้อนด้วยน้ำเป็นตัวกระจายความร้อนหลัก

สองวิธีในการกระจายความร้อน

1. ระบายความร้อนด้วยน้ำ

ตามชื่อที่บอกไว้ การระบายความร้อนด้วยน้ำคือการใช้น้ำเพื่อระบายความร้อนผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อน (เช่น แผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำ)หลักการทำงานของมันก็ง่ายมาก นั่นคือ น้ำเย็นในเครื่องทำความเย็นจะไหลเข้าสู่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนผ่านทางท่อน้ำ แล้วออกมาจากพอร์ตอื่นของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน แล้วไหลกลับไปที่เครื่องทำความเย็นผ่านทางท่อน้ำ .ความร้อนถูกพัดพาออกจากด้านในของเลเซอร์

วิธีการระบายความร้อนด้วยน้ำมีโครงสร้างที่เรียบง่ายและบำรุงรักษาง่ายความสามารถในการกระจายความร้อนมีความแข็งแรงและความสม่ำเสมอของอุณหภูมิเป็นสิ่งที่ดีประสิทธิภาพการทำความเย็นของเลเซอร์สามารถปรับปรุงได้โดยใช้เครื่องทำความเย็นที่มีความสามารถในการทำความเย็นที่มากขึ้นในปัจจุบัน มีผู้ผลิตมากกว่า 500 รายที่ประกอบและจำหน่ายเครื่องเชื่อมเลเซอร์แบบมือถือในตลาด และโดยทั่วไปจะใช้การระบายความร้อนด้วยน้ำอย่างไรก็ตาม นอกจากตัวเลเซอร์แล้ว เครื่องเชื่อมเลเซอร์แบบมือถือที่มีการระบายความร้อนด้วยน้ำยังต้องการชิลเลอร์และน้ำเพิ่มเติม ซึ่งส่งผลให้ปริมาตรและน้ำหนักโดยรวมของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นอย่างมาก และสภาพแวดล้อมการใช้งานที่จำกัด

2. อากาศเย็น

ในความหมายกว้างๆ การกระจายความร้อนด้วยอากาศหมายถึงการใช้พัดลมเพื่อเพิ่มการพาอากาศและการแลกเปลี่ยนความร้อนอย่างสมบูรณ์ภายในเครื่องด้วยการปรับปรุงเทคโนโลยี ผู้ผลิตเลเซอร์รายใหญ่ได้เริ่มก้าวเข้าสู่การระบายความร้อนด้วยอากาศและการกระจายความร้อนในเดือนมิถุนายนปีที่แล้ว บริษัท I ยักษ์ใหญ่ด้านไฟเบอร์เลเซอร์ระดับโลกได้เปิดตัวผลิตภัณฑ์เครื่องเชื่อมเลเซอร์แบบพกพา LightWELD 1500W แบบระบายความร้อนด้วยอากาศในเดือนสิงหาคม GW ได้เปิดตัวเครื่องเชื่อมเลเซอร์อัจฉริยะ A1500W แบบระบายความร้อนด้วยอากาศในประเทศจีนในเดือนตุลาคม บริษัท Reci ได้เปิดตัวเครื่องเชื่อมเลเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศ FCA1500เลเซอร์.

▲ เครื่องเชื่อมเลเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศ：reci、IPG、GW

(รูปภาพมาจากอินเทอร์เน็ตหากละเมิดลิขสิทธิ์โปรดแจ้งลบได้)

เลเซอร์ทั้งสามนี้มุ่งเป้าไปที่ส่วนตลาดของการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบมือถือเป็นหลักเลเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศทำให้การทำงานมีความยืดหยุ่นและพกพาสะดวกยิ่งขึ้นเลเซอร์ทั้งสามรุ่นใช้การระบายความร้อนด้วยอากาศโดยไม่มีอุปกรณ์ระบายความร้อนด้วยน้ำเพิ่มเติม ซึ่งช่วยลดต้นทุนในขณะเดียวกันขนาดและน้ำหนักของอุปกรณ์ก็ลดลงอย่างมากแม้ว่าทั้งสองจะเรียกว่าเลเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศ แต่รูปแบบการระบายความร้อนด้วยอากาศที่ใช้นั้นแตกต่างกัน รวมถึงการระบายความร้อนด้วยพัดลม การระบายความร้อนด้วยหม้อน้ำท่อความร้อน และการระบายความร้อนด้วยคอมเพรสเซอร์และการทำความเย็น(1) การกระจายความร้อนของพัดลม ในเลเซอร์ ความร้อนที่เกิดขึ้นภายในแหล่งกำเนิดของปั๊มและช่องขยายจะกระจายออกไปโดยใช้วัสดุพิมพ์ที่มีค่าการนำความร้อนที่ดี (เช่น ทองแดง อะลูมิเนียมไนไตรด์ ฯลฯ) จากนั้นความร้อนจะกระจายไปโดยการพาความร้อนวิธีนี้เรียกว่าการพาความเย็นการพาความร้อนแบบพาความร้อนสามารถแบ่งออกเป็นการพาความร้อนตามธรรมชาติและการพาความร้อนแบบบังคับตามแรงผลักดันของการไหลของของไหลในกรณีที่ไม่มีแรงภายนอก มีเพียงความแตกต่างของอุณหภูมิของของไหลเท่านั้นที่สามารถทำให้ของไหลไหลตามธรรมชาติเพื่อถ่ายเทความร้อน ซึ่งเราเรียกว่าการพาความร้อนตามธรรมชาติเมื่อมีแรงขับจากภายนอก นั่นคือ ของไหลถูกขับโดยพัดลม พัดลม และส่วนประกอบอื่นๆการไหลจึงขจัดความร้อนออกไป เราเรียกว่าการพาความร้อนแบบบังคับเนื่องจากการกระจายความร้อนช้ามากและผลการพาความร้อนตามธรรมชาติไม่ดี จึงไม่สามารถตอบสนองความต้องการการกระจายความร้อนของเลเซอร์ได้อย่างเต็มที่ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเพิ่มพัดลมในระบบทำความเย็นทั้งหมดเพื่อเร่งการไหลของอากาศและเปลี่ยนการพาความร้อนตามธรรมชาติเป็นการพาความร้อนแบบบังคับ

▲ หลักการระบายความร้อนด้วยพัดลม

(2) ฮีตไปป์หม้อน้ำเพื่อกระจายความร้อน

การกระจายความร้อนของหม้อน้ำท่อความร้อนหมายความว่าท่อความร้อนอาศัยการเปลี่ยนเฟสของของเหลวทำงานภายในตัวมันเองเพื่อให้เกิดการถ่ายเทความร้อนของเหลวนี้มีจุดเดือดต่ำและระเหยง่ายปลายด้านหนึ่งของท่อความร้อนคือปลายการระเหย ซึ่งเชื่อมต่อกับแผงระบายความร้อนภายในเลเซอร์ปลายอีกด้านหนึ่งคือส่วนควบแน่นซึ่งเชื่อมต่อกับตัวระบายความร้อนภายนอกและพัดลมผนังท่อมีไส้ตะเกียงดูดซับของเหลว ซึ่งประกอบด้วยวัสดุรูพรุนแบบฝอยเมื่อเลเซอร์ถูกทำให้ร้อน ปลายที่ระเหยจะถูกให้ความร้อน ของเหลวที่ใช้งานจะระเหยอย่างรวดเร็ว ไอน้ำจะไหลไปที่ส่วนควบแน่นภายใต้ความแตกต่างของความดัน และความร้อนจะถูกปล่อยออกมาซึ่งถูกระบายออกทางพัดลมในเวลาเดียวกัน ไอน้ำจะควบแน่นเป็นของเหลวอีกครั้ง และของเหลวจะไหลกลับไปที่ส่วนการระเหยผ่านไส้ตะเกียง(หากเป็นฮีทไปป์แรงโน้มถ่วงจะไม่มีไส้ตะเกียง และของเหลวจะเกาะติดกับผนังท่อและไหลกลับสู่ส่วนระเหยด้านล่างด้วยแรงโน้มถ่วง)วงจรนี้จะไม่หยุด และความร้อนจะถูกถ่ายเทจากด้านในของเลเซอร์ไปยังด้านนอก

▲ หลักการกระจายความร้อนของฮีตไปป์หม้อน้ำ

ระบบเชื่อมเลเซอร์แบบพกพา LightWELD 1500 ของ IPG ใช้โซลูชันระบายความร้อนด้วยหม้อน้ำท่อความร้อนการออกแบบและการผลิต LightWELD นั้นโดดเด่นด้วยขนาดที่เล็กและน้ำหนักเบา ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงยุคใหม่ในเครื่องเชื่อมเลเซอร์แบบมือถือในปัจจุบันนอกจากการเชื่อมแล้ว ยังตระหนักถึงการทำงานของการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบใช้มือถือและการทำความสะอาดอีกด้วยเครื่องเชื่อมเลเซอร์แบบมือถือ LightWELD ใช้วิธีการระบายความร้อนด้วยอากาศ โดยไม่ต้องใช้พลังงานจากอุปกรณ์ทำความเย็นเพิ่มเติม กำจัดท่อทำความเย็น ส่วนประกอบ การเชื่อมโยงการควบคุมและการบำรุงรักษา ลดค่าใช้จ่ายในขณะที่เพิ่มความสามารถในการพกพาและปรับปรุงความน่าเชื่อถือโดยรวมของระบบ

▲ ระบบเชื่อมเลเซอร์แบบมือถือ LightWELD 1500

(รูปภาพมาจากอินเทอร์เน็ตหากละเมิดลิขสิทธิ์โปรดแจ้งลบได้)

(3) การทำความเย็นและระบายความร้อนของคอมเพรสเซอร์

หลักการทำความเย็นและกระจายความร้อนของคอมเพรสเซอร์: คอมเพรสเซอร์จะบีบอัดสารทำความเย็น เปลี่ยนสารทำความเย็นให้เป็นก๊าซที่มีอุณหภูมิสูงและความดันสูง และไหลไปยังคอนเดนเซอร์ภายนอกก๊าซที่มีอุณหภูมิสูงและความดันสูงจะถูกควบแน่นเป็นของเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำและความดันสูง และความร้อนที่เกิดจากการทำให้เป็นของเหลวจะถูกระบายออกจากเครื่องด้วยพัดลมสารทำความเย็นเหลวอุณหภูมิต่ำและความดันสูงจะถูกลดแรงดันผ่านวาล์วขยายและกลายเป็นสถานะอุณหภูมิต่ำ ความดันต่ำ ระเหยได้ง่าย และไหลไปยังเครื่องระเหยภายในเครื่องระเหยจะดูดซับความร้อนเพื่อลดอุณหภูมิภายในของเลเซอร์เพื่อให้บรรลุผลของการทำความเย็น จากนั้นสารทำความเย็นจะระเหยกลายเป็นก๊าซที่มีอุณหภูมิสูงและความดันต่ำสารทำความเย็นที่เป็นก๊าซที่ระเหยโดยเครื่องระเหยจะถูกบีบอัดโดยคอมเพรสเซอร์อีกครั้งและหมุนเวียนกลับไปกลับมา ซึ่งทำให้เกิดการกระจายความร้อนภายในเครื่อง

▲ หลักการทำความเย็นและการกระจายความร้อนของคอมเพรสเซอร์

เครื่องเชื่อมแบบมือถือระบายความร้อนด้วยอากาศอัจฉริยะ A1500W ที่เปิดตัวโดย GW Laser ใช้รูปแบบการระบายความร้อนและการกระจายความร้อนของคอมเพรสเซอร์GW Laser มุ่งเน้นไปที่การสำรวจอย่างต่อเนื่องและนวัตกรรมของเทคโนโลยี 976nm

เมื่อรวมกับประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกสูงที่ 976 นาโนเมตร มันแก้ปัญหาความสามารถในการระบายความร้อนด้วยอากาศอย่างสร้างสรรค์ และเปิดตัวเทคโนโลยี 976 นาโนเมตรที่ระบายความร้อนด้วยอากาศเป็นครั้งแรกในอุตสาหกรรม ซึ่งแก้ปัญหาการใช้พลังงานและการพกพา และเป็นผู้นำอีกครั้ง ทิศทางการพัฒนาเทคโนโลยีของไฟเบอร์เลเซอร์รุ่นนี้มีฟังก์ชั่นการเชื่อม การตัด และการทำความสะอาดแบบสามในหนึ่งเดียว

▲ GW Laser A1500W เครื่องเชื่อมแบบมือถือระบายความร้อนด้วยอากาศอัจฉริยะ

การเปรียบเทียบวิธีการระบายความร้อนหลายวิธี

โครงสร้างพัดลมระบายความร้อนค่อนข้างง่ายเพียงแค่กระจายความร้อนในฮีตซิงก์ไปยังฮีตซิงก์ จากนั้นใช้ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างฮีตซิงก์และอากาศแวดล้อมเพื่อกระจายความร้อนผ่านการพาความร้อนแบบบังคับของพัดลมเมื่ออุณหภูมิแวดล้อมสูงเกินไปในฤดูร้อน ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างตัวระบายความร้อนและอากาศจะน้อยเกินไป และความสามารถในการกระจายความร้อนจะลดลงอย่างมากมันสามารถกระจายความร้อนได้เรื่อย ๆ ได้รับผลกระทบอย่างมากจากสิ่งแวดล้อม และไม่สามารถควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำข้อดีคืออุปกรณ์และระบบควบคุมโดยรวมนั้นเรียบง่าย

เมื่อเทียบกับวิธีการระบายความร้อนด้วยพัดลมธรรมดา หม้อน้ำท่อความร้อนมีท่อความร้อนมากกว่า ดังนั้นโครงสร้างจึงค่อนข้างซับซ้อนอาศัยการระเหยและการควบแน่นของวัสดุในการทำงานเพื่อถ่ายเทความร้อนอย่างรวดเร็วจากฮีตซิงก์ไปยังฮีตซิงก์ จากนั้นจึงกระจายความร้อนไปในอากาศผ่านพัดลมนอกจากนี้ยังเป็นของการกระจายความร้อนแบบพาสซีฟซึ่งไม่สามารถควบคุมอุณหภูมิได้อย่างถูกต้องและถูกรบกวนอย่างมากจากอุณหภูมิโดยรอบ

โครงร่างการระบายความร้อนและการกระจายความร้อนของคอมเพรสเซอร์เป็นของการกระจายความร้อนแบบแอคทีฟเนื่องจากมีคอมเพรสเซอร์และวาล์วขยายตัว จึงสามารถควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำโดยการปรับการไหลและความดันของสารทำความเย็นในขณะเดียวกัน อุณหภูมิของสารทำความเย็นในคอนเดนเซอร์จะสูงกว่าอุณหภูมิของฮีตซิงก์ ซึ่งเอื้อต่อการสร้างความร้อนอย่างรวดเร็วส่งไปยังอากาศระบบควบคุมมีความซับซ้อนมากขึ้นในเวลาเดียวกัน เนื่องจากโครงสร้างของมันซับซ้อนกว่าสองโครงร่างข้างต้นมาก ปริมาตรและน้ำหนักของอุปกรณ์จึงเพิ่มขึ้นตามไปด้วย

ไฟเบอร์เลเซอร์แบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ใช้การระบายความร้อนด้วยน้ำเพื่อกระจายความร้อนขั้นแรก น้ำจะถูกทำให้เย็นลงโดยการทำความเย็นของคอมเพรสเซอร์ จากนั้นเลเซอร์จะถูกทำให้เย็นลงด้วยน้ำรูปแบบการกระจายความร้อนด้วยอากาศของ Guanghui Laser ใช้การระบายความร้อนด้วยคอมเพรสเซอร์โดยตรงเพื่อทำให้เลเซอร์เย็นลง ละทิ้งการมีอยู่ของน้ำและกำจัดการเชื่อมโยงการถ่ายเทความร้อนระดับกลาง ดังนั้นประสิทธิภาพการกระจายความร้อนจึงสูงขึ้น และปริมาตรและน้ำหนักสามารถเล็กลงได้

ในห้องปฏิบัติการ เราใช้กล่องทดสอบอุณหภูมิและความชื้นคงที่เพื่อตั้งค่า 35°C เพื่อจำลองสภาพแวดล้อมการใช้งานที่มีอุณหภูมิสูงในฤดูร้อน และทดสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของเส้นใยรับภายในของเลเซอร์ด้วยรูปแบบการระบายความร้อนด้วยอากาศที่แตกต่างกันภายใต้เงื่อนไข กำลังไฟเต็ม 1500W..จากข้อมูลการทดลอง เห็นได้ชัดว่าอุณหภูมิของเส้นใยเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณในช่วงสองสามนาทีแรกและคงตัวประมาณ 10 นาทีเนื่องจากเอฟเฟกต์การระบายความร้อนของคอมเพรสเซอร์ เลเซอร์สามารถถูกทำให้เย็นลงได้ ดังนั้นจึงสามารถควบคุมอุณหภูมิให้ต่ำกว่า 60 °C และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิค่อนข้างคงที่ในขณะที่อีกสองตัวสามารถพึ่งพาการกระจายความร้อนแบบพาสซีฟเท่านั้น ดังนั้นอุณหภูมิภายในจึงสูงกว่ารูปแบบการทำความเย็นของคอมเพรสเซอร์เล็กน้อย, เนื่องจากประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสูงของท่อความร้อน ความร้อนสามารถส่งออกได้ดีจากด้านในของเลเซอร์ ดังนั้นอุณหภูมิภายในจึงต่ำกว่าพัดลมบริสุทธิ์ และอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะอ่อนโยนกว่า

▲ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามเวลาเมื่อเลเซอร์ส่งออกเลเซอร์ 1.5kW พร้อมรูปแบบการระบายความร้อนด้วยอากาศที่แตกต่างกัน

(ข้อมูลห้องปฏิบัติการอาจมีความคลาดเคลื่อนจากการใช้งานภาคสนามจริง)

บทส่งท้าย

ในด้านไฟเบอร์เลเซอร์ GW Laser มุ่งเป้าไปที่ IPG ยักษ์ใหญ่ด้านเลเซอร์ระดับโลกมาโดยตลอดเป็นข้อได้เปรียบของแบรนด์ที่เป็นเอกลักษณ์ของ Guanghui ในการสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพทางทหารหลายปีก่อน GW Laser เริ่มจัดตั้งกองกำลังวิจัยทางวิทยาศาสตร์เพื่อทำการสำรวจอย่างต่อเนื่องในการระบายความร้อนด้วยอากาศและการกระจายความร้อนในอนาคต เราจะปรับปรุงด้านนี้ต่อไป ปรับปรุงความเสถียรของผลิตภัณฑ์อย่างต่อเนื่อง ตระหนักถึงการอัปเกรดผลิตภัณฑ์และเทคโนโลยีซ้ำๆ และตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรมอื่นๆความต้องการในการประมวลผล