¿Cómo pueden gestionar los soldadores láser portátiles el intenso calor que generan durante su funcionamiento? Este artículo explora las tecnologías más avanzadas de disipación del calor, como la refrigeración por aire y por agua, cruciales para mantener el rendimiento y la longevidad del láser. Al leerlo, comprenderá los principios en los que se basan estos métodos y su repercusión en la eficacia y portabilidad de los equipos de soldadura láser.
Con el creciente uso de los láseres de fibra en diversos campos, su fiabilidad se ha convertido en una preocupación importante. Esto incluye la fiabilidad del rendimiento de salida del láser, los componentes electrónicos, los dispositivos ópticos y los sistemas, todos ellos estrechamente relacionados con las características térmicas del propio láser.
La temperatura tiene un impacto significativo en el rendimiento del láser, especialmente en su potencia de salida y estabilidad. El calor generado por un láser de fibra procede principalmente de la fuente de bombeo y de la cavidad de ganancia.
La eficiencia de conversión de la fuente de bombeo es de aproximadamente 50%, lo que significa que se genera calor en forma de energía equivalente a la potencia óptica de salida. Si este calor no se disipa con la suficiente rapidez, la temperatura del chip interno aumentará rápidamente, provocando la desviación de la longitud de onda central del láser.
En la cavidad de ganancia, sólo una parte de la luz de bombeo se convierte en salida láser, y el resto se transforma en energía térmica. Esta energía térmica aumenta la temperatura del medio de ganancia, lo que provoca la ampliación del espectro de fluorescencia y el acortamiento del tiempo de vida de la emisión espontánea, reduciendo en última instancia la eficiencia de conversión de energía.
Por lo tanto, la gestión eficaz del calor es crucial para los láseres de fibra. Actualmente, la refrigeración por aire y la refrigeración por agua son las dos tecnologías de gestión térmica más utilizadas.
La refrigeración por aire es adecuada para los láseres de pulso y onda continua de baja potencia, mientras que la refrigeración por agua es el principal método de disipación de calor utilizado en los láseres de fibra de media y alta potencia.
Como su nombre indica, la refrigeración por agua es un método que utiliza agua para disipar el calor a través de un intercambiador de calor, como una placa de refrigeración por agua.
El principio de la refrigeración por agua es sencillo: el agua fría de un refrigerador fluye a través de una tubería de agua y entra en el intercambiador de calor, luego sale por el otro puerto del intercambiador de calor y vuelve al refrigerador a través de la tubería de agua. Esta circulación continua ayuda a disipar el calor del interior del láser.
La refrigeración por agua y la disipación de calor tienen una estructura sencilla y son fáciles de mantener. Si se utiliza un refrigerador con mayor capacidad de refrigeración, se puede mejorar el rendimiento de refrigeración del láser gracias a la gran capacidad de disipación del calor y a la buena uniformidad de la temperatura.
En la actualidad, en el mercado, más de 500 fabricantes integran y venden handheld máquinas de soldadura láser que suelen utilizar refrigeración por agua.
Sin embargo, además del propio láser, un dispositivo portátil soldadura láser máquina con refrigeración por agua y disipación de calor requiere un refrigerador de agua y agua por separado, lo que aumenta significativamente el volumen total y el peso del equipo y limita su entorno de uso.
En sentido amplio, la refrigeración por aire se refiere al uso de ventiladores para mejorar la convección del aire y facilitar el intercambio de calor en el interior de la máquina.
Gracias a los avances tecnológicos fabricantes de láser se han aventurado ahora en el ámbito de la refrigeración por aire y la disipación del calor.
El pasado mes de junio, el gigante mundial del láser de fibra, Company I, lanzó al mercado el láser refrigerado por aire LightWELD 1500W soldadura láser manual producto.
En agosto, se lanzó en China el primer soldador láser inteligente A1500W refrigerado por aire.
Láser de fibra refrigerado por aire: reci, IPG, GW
Estos tres láseres están diseñados principalmente para el segmento de mercado de la soldadura láser manual.
Los láseres refrigerados por aire proporcionan mayor flexibilidad y portabilidad en entornos de trabajo.
Los tres láseres utilizan disipación térmica refrigerada por aire, lo que elimina la necesidad de equipos adicionales de refrigeración por agua. Esto reduce los costes del equipo y disminuye significativamente su volumen y peso.
A pesar de compartir la clasificación de "refrigerado por aire", cada láser utiliza un esquema de disipación de calor diferente. Entre ellos se encuentran la disipación de calor por ventilador, la disipación de calor por radiador de tubo de calor y la disipación de calor por refrigeración por compresor.
(1) Refrigeración por ventilador
En los láseres, los sustratos con buena conductividad térmica, como el cobre, el nitruro de aluminio, etc., se utilizan para exportar el calor generado en la fuente de bombeo y la cavidad de ganancia, y luego disiparlo por convección. Este método se conoce como disipación convectiva del calor.
La transferencia de calor por convección se clasifica en dos tipos en función de las diferentes fuerzas impulsoras del flujo de fluido: convección natural y disipación de calor por convección forzada.
Cuando el fluido fluye espontáneamente y conduce la transferencia de calor únicamente por la diferencia de temperatura del fluido, se denomina convección natural, y se produce sin ninguna fuerza externa.
Por otro lado, la convección forzada se produce cuando hay una fuerza motriz externa que hace fluir rápidamente el fluido mediante ventiladores, bombas u otros componentes, para eliminar el calor.
Dado que la convección natural tiene una velocidad de disipación de calor lenta y un efecto deficiente, no puede satisfacer plenamente los requisitos de disipación de calor del láser.
De ahí que sea esencial añadir ventiladores a todo el sistema de refrigeración para acelerar el flujo de aire y convertir la convección natural en convección forzada.
Principio de refrigeración del ventilador
(2) Radiador de tubo de calor
La disipación de calor en un radiador de tubo de calor se consigue mediante la transferencia de calor a través del cambio de fase de su líquido de trabajo interno. El líquido tiene un punto de ebullición bajo y es muy volátil.
Un extremo del tubo de calor es el de evaporación, que está conectado al disipador de calor del interior del láser, mientras que el otro extremo es el de condensación, conectado a un disipador de calor externo y a un ventilador. La pared del tubo está equipada con un núcleo de absorción de líquido formado por materiales porosos capilares.
Cuando el láser genera calor, el extremo de evaporación se calienta, haciendo que el líquido de trabajo se evapore rápidamente. El vapor resultante fluye hacia el extremo de condensación bajo una diferencia de presión y libera calor, que se descarga a través del ventilador.
Al mismo tiempo, el vapor se recondensa en líquido, que fluye de vuelta a la sección de evaporación a través del núcleo de succión. (En un tubo de calor por gravedad, no hay núcleo de succión, y el líquido se adhiere a la pared del tubo y fluye de vuelta a la sección de evaporación inferior debido a la gravedad).
Este ciclo continúa, permitiendo la transferencia de calor desde el interior del láser hacia el exterior.
Principio de disipación térmica del radiador de tubo de calor
El sistema de soldadura láser manual lightWELD 1500 de la empresa IPG incorpora un radiador de tubo de calor para la disipación del calor.
El diseño y la fabricación de lightWELD se caracterizan por su tamaño compacto y su ligereza, lo que da lugar a una nueva generación de soldadoras láser manuales.
Además de soldar, también ofrece una doble función de soldadura láser manual y limpieza.
La soldadora láser manual lightWELD emplea un mecanismo refrigerado por aire, lo que elimina la necesidad de equipos adicionales de refrigeración por agua y el consumo de energía asociado.
Elimina la necesidad de tuberías, componentes, controles y enlaces de mantenimiento de la enfriadora, lo que reduce los costes, aumenta la portabilidad y mejora la fiabilidad general del sistema.
Sistema de soldadura láser manual LightWELD 1500
(3) Refrigeración y disipación del calor del compresor
Principio de refrigeración y disipación de calor del compresor: el compresor comprime el refrigerante para convertirlo en gas a alta temperatura y alta presión y fluir hacia el condensador externo.
El gas a alta temperatura y alta presión se condensa en líquido a baja temperatura y alta presión. El calor generado por la licuefacción se descarga fuera de la máquina con la ayuda de un ventilador.
El refrigerante líquido de baja temperatura y alta presión cambia a un estado de baja temperatura y baja presión después de la despresurización a través de la válvula de expansión, y luego fluye hacia el evaporador interno.
El evaporador absorbe calor para reducir la temperatura interna del láser, consiguiendo el efecto de refrigeración. Posteriormente, el refrigerante se vaporiza en un gas con alta temperatura y baja presión.
El gas refrigerante evaporado por el evaporador es comprimido de nuevo por el compresor y circula de un lado a otro para disipar el calor en el interior de la máquina.
Principio de refrigeración y disipación de calor del compresor
El A1500w inteligente refrigerado por aire soldadora manual utiliza el esquema de refrigeración por compresor y disipación de calor.
soldador de mano inteligente refrigerado por aire de 1500w
La estructura de la refrigeración por ventilador es relativamente sencilla, ya que difunde el calor del disipador al aire ambiente utilizando la diferencia de temperatura entre el disipador y el aire circundante mediante convección forzada por el ventilador.
Sin embargo, en verano, cuando la temperatura ambiente es alta, la diferencia de temperatura entre el disipador y el aire disminuye, lo que reduce la capacidad de disipación de calor. Esto limita su capacidad de disipar calor y la hace sensible a los factores ambientales, lo que dificulta el control de la temperatura.
A pesar de sus limitaciones, la refrigeración por ventilador tiene la ventaja de ser sencilla en cuanto a equipamiento general y sistema de control.
Por otro lado, un radiador de tubo de calor tiene una estructura más compleja con múltiples tubos de calor. Se basa en la evaporación y condensación del material de trabajo para transferir rápidamente el calor del disipador de calor al aire ambiente a través del ventilador, lo que lo hace más eficiente que la simple refrigeración por ventilador.
La disipación pasiva del calor es incapaz de controlar con precisión la temperatura y se ve muy afectada por la temperatura ambiente, y también forma parte de ella.
Por otro lado, el esquema de refrigeración y disipación de calor del compresor entra dentro de la disipación activa de calor. La existencia del compresor y la válvula de expansión permite un control preciso de la temperatura mediante la regulación del caudal y la presión del refrigerante.
Además, la temperatura del refrigerante en el condensador es superior a la del disipador, lo que permite una rápida transferencia de calor al aire. En consecuencia, su sistema de control debe ser más complejo.
Sin embargo, debido a su diseño mucho más complicado que los dos esquemas anteriores, el tamaño y el peso del equipo también aumentan proporcionalmente.
Los láseres de fibra tradicionales suelen utilizar la refrigeración por agua para disipar el calor. El agua se enfría primero mediante un mecanismo de compresión y luego se utiliza para refrigerar el láser.
En cambio, la disipación de calor refrigerada por aire utiliza directamente el mecanismo de compresión para refrigerar el láser, lo que elimina la necesidad de agua y reduce el enlace intermedio de transferencia de calor. El resultado es una mayor eficiencia de la disipación térmica y un menor volumen y peso.
En nuestro laboratorio, utilizamos una cámara de pruebas de temperatura y humedad constantes para simular un entorno de servicio de alta temperatura en verano ajustando la temperatura a 35 ℃.
Probamos el cambio de temperatura de la fibra de ganancia interna en un láser que funciona a plena potencia (1500W) utilizando diferentes esquemas de refrigeración por aire a lo largo del tiempo. Los datos experimentales mostraron que la temperatura de la fibra óptica aumentaba exponencialmente en los primeros minutos y se estabilizaba al cabo de unos 10 minutos.
Gracias a la función de refrigeración del compresor, el láser puede enfriarse activamente y la temperatura puede controlarse por debajo de 60 ℃ con cambios de temperatura relativamente estables.
Por otra parte, los otros dos esquemas se basan en la disipación pasiva del calor, lo que da lugar a temperaturas internas ligeramente superiores a las del esquema de refrigeración por compresor. El tubo de calor tiene una mayor eficiencia de transferencia de calor y puede exportar eficientemente el calor desde el interior del láser, lo que resulta en una temperatura interna más baja que el ventilador puro, y un aumento de temperatura más suave.
Variación de la temperatura con el tiempo cuando el láser con diferentes esquemas de refrigeración por aire produce un láser de 1,5KW
(los datos de laboratorio pueden diferir del uso real sobre el terreno)
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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