Передмова
Зі збільшенням застосування волоконних лазерів надійність волоконних лазерів привертає все більше уваги, включаючи надійність вихідних характеристик лазера, надійність електронних компонентів, надійність оптичних пристроїв, надійність систем тощо. Зачекайте.Більшість із них тісно пов’язані з тепловими властивостями самого лазера.Крім того, температура має великий вплив на продуктивність лазера, особливо на вихідну потужність і вихідну стабільність лазера.
Тепло волоконного лазера в основному надходить від джерела накачування та резонатора посилення.Для джерела накачування його ефективність перетворення становить близько 50%, що також означає, що енергія, еквівалентна вихідній оптичній потужності, генерується у вигляді тепла.Якщо тепло не вдається вчасно розсіяти, температура внутрішньої мікросхеми швидко підвищиться, а центральна довжина хвилі лазера буде дрейфувати разом із підвищенням температури.Що стосується резонатора посилення, після того, як світло накачки потрапляє в активне волокно посилення, лише частина його перетворюється на вихід лазера, а решта енергії перетворюється на теплову енергію.Теплова енергія підвищить температуру підсилювального середовища, що призведе до розширення спектра флуоресценції та короткого часу спонтанного випромінювання, тим самим зменшуючи ефективність перетворення енергії.Тому для волоконних лазерів управління температурою має незначне значення.В даний час широко використовувані технології управління температурою - це в основному повітряне та водяне охолодження.Серед них технологія розсіювання тепла з повітряним охолодженням в основному використовується в малопотужних імпульсних лазерах і малопотужних безперервних лазерах.Більшість волоконних лазерів середньої та великої потужності використовують розсіювання тепла з водяним охолодженням як основне розсіювання тепла.
Два способи розсіювання тепла
1. Водяне охолодження
Як випливає з назви, водяне охолодження — це використання води для відведення тепла через теплообмінник (наприклад, пластину водяного охолодження).Його принцип роботи також дуже простий, тобто холодна вода в чилері надходить в теплообмінник через водопровідну трубу, а потім виходить з іншого порту теплообмінника, а потім повертається в чиллер через водопровідну трубу. .Тепло відводиться зсередини лазера.
Метод розсіювання тепла з водяним охолодженням має просту структуру та простий у обслуговуванні;потужність розсіювання тепла сильна, а рівномірність температури хороша.Ефективність охолодження лазера можна покращити, використовуючи холодильну машину з більшою потужністю охолодження.В даний час на ринку є понад 500 виробників, які інтегрують і продають портативні лазерні зварювальні машини, і вони, як правило, використовують водяне охолодження.Однак, окрім самого лазера, для ручного лазерного зварювального апарату з водяним охолодженням також потрібні додаткові охолоджувачі та вода, що призводить до значного збільшення загального об’єму та ваги обладнання та обмежених умов використання.
2. Повітряне охолодження
У широкому розумінні розсіювання тепла повітряним охолодженням означає використання вентиляторів для посилення конвекції повітря та повного теплообміну всередині машини.З удосконаленням технології основні виробники лазерів почали ступати в області повітряного охолодження та розсіювання тепла.У червні минулого року світовий гігант волоконного лазера I компанія випустила портативний продукт для лазерного зварювання LightWELD 1500 Вт з повітряним охолодженням;у серпні GW випустила в Китаї інтелектуальний лазерний зварювальний апарат A1500W з повітряним охолодженням;у жовтні компанія Reci також випустила лазерний зварювальний апарат з повітряним охолодженням FCA1500.лазер.
▲ Лазерний зварювальний апарат з повітряним охолодженням: reci、IPG、GW
(Зображення взято з Інтернету, якщо є якісь порушення, зв’яжіться з нами, щоб видалити його)
Ці три лазери в основному орієнтовані на сегмент ринку ручного лазерного зварювання.Лазери з повітряним охолодженням можуть зробити роботу більш гнучкою та портативною.Усі три лазери використовують розсіювання тепла з повітряним охолодженням без додаткового водяного охолоджувального обладнання, що знижує витрати.У той же час розміри і вага обладнання значно зменшуються.Хоча вони обидва називаються лазерами з повітряним охолодженням, схеми розсіювання тепла з повітряним охолодженням використовуються різні, включаючи охолодження вентилятором, охолодження радіатора теплової трубки та охолодження та охолодження компресора.(1) Розсіювання тепла вентилятором У лазері тепло, що виділяється всередині джерела насоса та підсилювальної порожнини, розсіюється за допомогою підкладки з хорошою теплопровідністю (наприклад, міді, нітриду алюмінію тощо), а потім тепло розсіюється шляхом конвекції.Цей метод називається конвекційним охолодженням.Конвективну теплопередачу можна розділити на природну конвекцію та вимушену конвекцію, розсіювання тепла відповідно до рушійної сили потоку рідини.За відсутності зовнішньої сили лише різниця температур рідини може змусити рідину мимовільно текти для здійснення теплообміну, який ми називаємо природною конвекцією;коли є зовнішня рушійна сила, тобто рідина приводиться в рух вентиляторами, вентиляторами та іншими компонентами.потік, тим самим видаляючи тепло, ми називаємо це примусовою конвекцією.Через надзвичайно повільне розсіювання тепла та слабкий ефект природної конвекції він не може повністю задовольнити вимоги до розсіювання тепла лазерів.Тому до всієї системи охолодження необхідно додати вентилятор, щоб прискорити потік повітря і перетворити природну конвекцію в примусову.
▲ Принцип охолодження вентилятором
(2) Радіатор з тепловою трубкою для розсіювання тепла
Розсіювання тепла радіатором теплової труби означає, що теплова труба залежить від зміни фази робочої рідини всередині себе для досягнення теплопередачі.Ця рідина має низьку температуру кипіння і легко випаровується.Один кінець теплової трубки є кінцем випаровування, який з’єднаний з радіатором всередині лазера;інший кінець – це кінець конденсації, який з’єднаний із зовнішнім радіатором і вентилятором.Стінка трубки має гніт, що поглинає рідину, який складається з капілярно-пористих матеріалів.При нагріванні лазера випаровувальний кінець нагрівається, робоча рідина швидко випаровується, пара під перепадом тиску надходить до конденсаційного кінця і виділяється тепло, яке відводиться через вентилятор;в той же час пара знову конденсується в рідину, і рідина повертається в секцію випаровування через гніт.(Якщо це гравітаційна теплова труба, гніт відсутній, і рідина прилипає до стінки труби та тече назад до нижньої секції випаровування під дією сили тяжіння).Цей цикл не припиняється, і тепло передається зсередини лазера назовні.
▲ Принцип розсіювання тепла радіатора теплової труби
Ручна лазерна зварювальна система IPG LightWELD 1500 використовує рішення для охолодження радіатора теплової труби.Конструкція та виробництво LightWELD характеризуються невеликими розмірами та малою вагою, що призводить до нового покоління змін у поточному портативному лазерному зварювальному апараті.Окрім зварювання, він також реалізує функції ручного лазерного зварювання та очищення.Ручний лазерний зварювальний апарат LightWELD використовує метод повітряного охолодження без споживання електроенергії, необхідного для додаткового холодильного обладнання, усуваючи труби холодильного агрегату, компоненти, зв’язки керування та обслуговування, знижуючи витрати, одночасно збільшуючи мобільність і покращуючи загальну надійність системи.
▲ Ручна лазерна зварювальна система LightWELD 1500
(Зображення взято з Інтернету, якщо є якісь порушення, зв’яжіться з нами, щоб видалити його)
(3) Охолодження та охолодження компресора
Компресорне охолодження та принцип розсіювання тепла: Компресор стискає холодоагент, перетворює холодоагент у газ високої температури та високого тиску, який надходить до зовнішнього конденсатора.Газ високої температури та високого тиску конденсується в рідину з низькою температурою та високим тиском, а тепло, що утворюється в результаті зрідження, виводиться з машини за допомогою вентилятора.Рідкий холодоагент із низькою температурою та високим тиском скидається через розширювальний клапан і переходить у стан із низькою температурою та низьким тиском, який легко випаровується, і надходить до внутрішнього випарника.Випарник поглинає тепло, щоб зменшити внутрішню температуру лазера для досягнення ефекту охолодження, а потім холодоагент випаровується в газ високої температури та низького тиску.Газовий холодоагент, який випаровується випарником, знову стискається компресором і циркулює туди-сюди, що забезпечує розсіювання тепла всередині машини.
▲ Компресорне охолодження та принцип розсіювання тепла
Розумний ручний зварювальний апарат із повітряним охолодженням A1500W, випущений GW Laser, використовує компресорне охолодження та схему розсіювання тепла.GW Laser зосереджується на безперервному дослідженні та інноваціях технології 976 нм
У поєднанні з високою ефективністю фотоелектричного перетворення 976 нм, він творчо вирішив проблему потужності охолодження з повітряним охолодженням і запустив першу в галузі технологію з повітряним охолодженням 976 нм, яка вирішила проблеми енергоспоживання та портативності, і знову стала лідером у галузі. технологічний напрям розвитку волоконних лазерів.У цій моделі реалізована функція три в одному: зварювання, різання та чищення.
▲ Розумний ручний зварювальний апарат із повітряним охолодженням GW Laser A1500W
Порівняння кількох методів охолодження
Конструкція вентилятора охолодження відносно проста.Він просто розподіляє тепло від радіатора до радіатора, а потім використовує різницю температур між радіатором і навколишнім повітрям для розсіювання тепла за допомогою примусової конвекції вентилятора.Коли влітку температура навколишнього середовища занадто висока, різниця температур між радіатором і повітрям занадто мала, і здатність розсіювання тепла буде значно знижена.Він може лише пасивно розсіювати тепло, на нього сильно впливає навколишнє середовище та не може точно контролювати температуру.Перевагою є те, що загальне обладнання та система керування прості.
У порівнянні з простим методом охолодження вентилятором радіатор з тепловою трубкою має більше теплових трубок, тому його структура відносно складна.Він заснований на випаровуванні та конденсації робочого матеріалу для швидкої передачі тепла від радіатора до радіатора, а потім розсіювання тепла в повітря через вентилятор.Це також відноситься до пасивного розсіювання тепла, яке не може точно контролювати температуру і сильно заважає температурі навколишнього середовища.
Схема охолодження і тепловідведення компресора відноситься до активного тепловідведення.Завдяки наявності компресора та розширювального клапана температуру можна точно контролювати, регулюючи потік і тиск холодоагенту.При цьому температура холодоагенту в конденсаторі вище, ніж в радіаторі, що сприяє швидкому виділенню тепла.передається в повітря.Його система управління більш складна;в той же час, оскільки його структура набагато складніша, ніж дві вищезгадані схеми, об'єм і вага обладнання також відповідно збільшені.
Більшість традиційних волоконних лазерів використовують водяне охолодження для розсіювання тепла.Спочатку вода охолоджується компресорним охолодженням, а потім лазер охолоджується водою.Схема розсіювання тепла з повітряним охолодженням лазера Guanghui Laser безпосередньо використовує компресорне охолодження для охолодження лазера, відмовляючись від існування води та усуваючи проміжну ланку передачі тепла, тому ефективність розсіювання тепла вища, а об’єм і вага можна зменшити.
У лабораторії ми використовуємо випробувальну камеру постійної температури та вологості, щоб встановити 35°C, щоб імітувати високу температуру середовища використання влітку, і перевірити зміну температури внутрішнього волокна посилення лазера з різними схемами повітряного охолодження за умови повної потужності 1500 Вт..З експериментальних даних чітко видно, що температура волокна експоненціально зростає в перші кілька хвилин і стабілізується приблизно через 10 хвилин.Завдяки охолоджувальному ефекту компресора лазер можна активно охолоджувати, тому температуру можна контролювати нижче 60 °C, а зміна температури є відносно стабільною;тоді як інші два можуть покладатися лише на пасивне розсіювання тепла, тому внутрішня температура трохи вища, ніж у схемі охолодження компресора;Завдяки високій ефективності теплопередачі теплової трубки тепло може добре відводитися зсередини лазера, тому його внутрішня температура нижча, ніж у чистого вентилятора, а підвищення температури є м’якшим.
▲ Зміна температури з часом, коли лазер видає лазер потужністю 1,5 кВт з різними схемами повітряного охолодження
(лабораторні дані, можливі відхилення від фактичного польового використання)
Епілог
У сфері волоконних лазерів компанія GW Laser завжди націлювалася на глобального лазерного гіганта IPG.Унікальною перевагою бренду Guanghui є створення продукції військової якості.Багато років тому компанія GW Laser почала організовувати наукові дослідницькі сили для проведення безперервних досліджень охолодження повітря та розсіювання тепла.У майбутньому ми продовжуватимемо вдосконалювати цей аспект, постійно підвищувати стабільність продуктів, здійснювати ітераційне оновлення продуктів і технологій і задовольняти потреби більшої кількості галузей.потреби обробки
Час публікації: 10 березня 2022 р