Préface Avec l'utilisation croissante des lasers à fibre dans divers domaines, leur fiabilité est devenue une préoccupation importante. Cela inclut la fiabilité des performances de sortie du laser, des composants électroniques, des dispositifs optiques et des systèmes, qui sont tous étroitement liés aux caractéristiques thermiques du laser lui-même. La température a un impact significatif sur les performances du laser, en particulier [...]
Avec l'utilisation croissante des lasers à fibre dans divers domaines, leur fiabilité est devenue une préoccupation importante. Cela inclut la fiabilité des performances de sortie du laser, des composants électroniques, des dispositifs optiques et des systèmes, qui sont tous étroitement liés aux caractéristiques thermiques du laser lui-même.
La température a un impact significatif sur les performances du laser, en particulier sur sa puissance de sortie et sa stabilité. La chaleur générée par un laser à fibre provient principalement de la source de pompage et de la cavité de gain.
Le rendement de conversion de la source de pompage est d'environ 50%, ce qui signifie que de la chaleur est générée sous la forme d'une énergie équivalente à la puissance optique de sortie. Si cette chaleur n'est pas dissipée assez rapidement, la température de la puce interne augmente rapidement, ce qui entraîne une dérive de la longueur d'onde centrale du laser.
Dans la cavité à gain, seule une partie de la lumière de la pompe est convertie en sortie laser, le reste étant converti en énergie thermique. Cette énergie thermique augmente la température du milieu à gain, ce qui entraîne un élargissement du spectre de fluorescence et un raccourcissement de la durée de vie de l'émission spontanée, réduisant ainsi l'efficacité de la conversion d'énergie.
Une gestion efficace de la chaleur est donc cruciale pour les lasers à fibre. Actuellement, le refroidissement par air et le refroidissement par eau sont les deux technologies de gestion de la chaleur les plus couramment utilisées.
Le refroidissement par air convient aux lasers à impulsion et à onde continue de faible puissance, tandis que le refroidissement par eau est la principale méthode de dissipation thermique utilisée pour les lasers à fibre de moyenne et haute puissance.
Comme son nom l'indique, le refroidissement par eau est une méthode qui utilise l'eau pour dissiper la chaleur par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur, tel qu'une plaque de refroidissement par eau.
Le principe du refroidissement par eau est simple : de l'eau froide provenant d'un refroidisseur s'écoule dans un tuyau d'eau et dans l'échangeur de chaleur, puis sort par l'autre port de l'échangeur de chaleur et retourne au refroidisseur par le tuyau d'eau. Cette circulation continue permet de dissiper la chaleur à l'intérieur du laser.
Le refroidissement par eau et la dissipation de la chaleur ont une structure simple et sont faciles à entretenir. L'utilisation d'un refroidisseur ayant une plus grande capacité de refroidissement permet d'améliorer les performances de refroidissement du laser grâce à une forte capacité de dissipation de la chaleur et à une bonne uniformité de la température.
Actuellement, sur le marché, plus de 500 fabricants intègrent et vendent des ordinateurs de poche. machines à souder au laser qui utilisent généralement le refroidissement par eau.
Cependant, en plus du laser lui-même, un appareil portatif de type soudage au laser La machine avec refroidissement par eau et dissipation de la chaleur nécessite un refroidisseur d'eau séparé et de l'eau, ce qui augmente considérablement le volume et le poids total de l'équipement et limite son environnement d'utilisation.
Au sens large, le refroidissement par air fait référence à l'utilisation de ventilateurs pour améliorer la convection de l'air et faciliter l'échange de chaleur à l'intérieur de la machine.
Grâce aux progrès technologiques, les principaux fabricants de lasers s'aventurent désormais dans le domaine du refroidissement par air et de la dissipation de la chaleur.
En juin dernier, le géant mondial du laser à fibre, Company I, a lancé la LightWELD 1500W refroidie par air. soudage laser manuel produit.
En août, la première soudeuse laser intelligente A1500W refroidie par air a été lancée en Chine.
Laser à fibre refroidi par air : reci, IPG, GW
Ces trois lasers sont principalement conçus pour le segment de marché du soudage laser portatif.
Les lasers refroidis par air offrent une plus grande flexibilité et une meilleure portabilité dans les environnements de travail.
Les trois lasers utilisent une dissipation thermique refroidie par air, ce qui élimine le besoin d'un équipement supplémentaire de refroidissement par eau. Cela permet de réduire les coûts d'équipement et de diminuer considérablement le volume et le poids de l'équipement.
Bien qu'ils soient tous refroidis par air, chaque laser utilise un système de dissipation de la chaleur différent. Il s'agit notamment de la dissipation thermique par ventilateur, de la dissipation thermique par radiateur à caloduc et de la dissipation thermique par réfrigération par compresseur.
(1) Refroidissement par ventilateur
Dans les lasers, les substrats présentant une bonne conductivité thermique, tels que le cuivre, le nitrure d'aluminium, etc., sont utilisés pour exporter la chaleur générée dans la source de pompage et la cavité de gain, puis pour la dissiper par convection. Cette méthode est connue sous le nom de dissipation thermique par convection.
Le transfert de chaleur par convection est classé en deux types en fonction des différentes forces motrices de l'écoulement des fluides : la convection naturelle et la convection forcée pour la dissipation de la chaleur.
Lorsqu'un fluide s'écoule spontanément et transfère de la chaleur uniquement par la différence de température du fluide, on parle de convection naturelle, qui se produit sans aucune force extérieure.
En revanche, il y a convection forcée lorsqu'une force motrice externe fait circuler rapidement le fluide à l'aide de ventilateurs, de pompes ou d'autres composants, afin d'évacuer la chaleur.
La convection naturelle ayant un taux de dissipation thermique lent et un effet médiocre, elle ne peut pas répondre entièrement aux exigences de dissipation thermique du laser.
Il est donc essentiel d'ajouter des ventilateurs à l'ensemble du système de refroidissement pour accélérer le flux d'air et convertir la convection naturelle en convection forcée.
Principe de refroidissement du ventilateur
(2) Radiateur à caloduc
La dissipation de la chaleur dans un radiateur à caloduc est réalisée par le transfert de chaleur via le changement de phase de son liquide de travail interne. Ce liquide a un point d'ébullition bas et est très volatil.
L'une des extrémités du caloduc est l'extrémité d'évaporation, qui est connectée au dissipateur thermique à l'intérieur du laser, tandis que l'autre extrémité est l'extrémité de condensation, connectée à un dissipateur thermique externe et à un ventilateur. La paroi du tube est équipée d'un noyau d'absorption de liquide constitué de matériaux poreux capillaires.
Lorsque le laser génère de la chaleur, l'extrémité d'évaporation est chauffée, ce qui entraîne une évaporation rapide du liquide de travail. La vapeur qui en résulte s'écoule vers l'extrémité de condensation sous une différence de pression et libère de la chaleur, qui est ensuite évacuée par le ventilateur.
Dans le même temps, la vapeur se recondense en liquide, qui retourne à la section d'évaporation par le noyau d'aspiration. (Dans un caloduc à gravité, il n'y a pas de noyau d'aspiration, et le liquide adhère à la paroi du tuyau et retourne à la section d'évaporation inférieure en raison de la gravité).
Ce cycle se poursuit, permettant le transfert de chaleur de l'intérieur du laser vers l'extérieur.
Principe de dissipation de la chaleur du radiateur à caloducs
Le système de soudage laser manuel lightWELD 1500 de la société IPG intègre un radiateur à caloduc pour la dissipation de la chaleur.
La conception et la fabrication de lightWELD se caractérisent par leur taille compacte et leur légèreté, ce qui donne naissance à une nouvelle génération de machines de soudage laser portatives.
Outre le soudage, il offre également une double fonction de soudage laser manuel et de nettoyage.
La machine de soudage laser portative lightWELD utilise un mécanisme refroidi à l'air, ce qui élimine la nécessité d'un équipement supplémentaire de refroidissement de l'eau et la consommation d'énergie qui en découle.
Il élimine le besoin de tuyaux, de composants, de commandes et de liens de maintenance du refroidisseur, ce qui réduit les coûts, améliore la portabilité et la fiabilité globale du système.
LightWELD 1500, système de soudage laser portatif
(3) Réfrigération et dissipation de chaleur du compresseur
Principe de réfrigération et de dissipation de chaleur du compresseur : le compresseur comprime le réfrigérant pour le transformer en gaz à haute température et à haute pression et l'acheminer vers le condenseur externe.
Le gaz à haute température et à haute pression se condense en un liquide à basse température et à haute pression. La chaleur générée par la liquéfaction est évacuée hors de la machine à l'aide d'un ventilateur.
Le réfrigérant liquide à basse température et à haute pression passe à un état de basse température et de basse pression après dépressurisation par le détendeur, puis s'écoule dans l'évaporateur interne.
L'évaporateur absorbe la chaleur pour réduire la température interne du laser, ce qui produit un effet de refroidissement. Ensuite, le réfrigérant se vaporise en un gaz à haute température et basse pression.
Le gaz réfrigérant évaporé par l'évaporateur est à nouveau comprimé par le compresseur et circule dans les deux sens pour dissiper la chaleur à l'intérieur de la machine.
Principe de réfrigération et de dissipation de chaleur du compresseur
Le système intelligent A1500w refroidi à l'air machine à souder portative utilise le système de réfrigération du compresseur et de dissipation de la chaleur.
Soudeuse portative intelligente 1500w refroidie par air
La structure du refroidissement par ventilateur est relativement simple : il diffuse la chaleur du dissipateur thermique vers l'air ambiant en utilisant la différence de température entre le dissipateur thermique et l'air ambiant par convection forcée du ventilateur.
Toutefois, en été, lorsque la température ambiante est élevée, la différence de température entre le dissipateur thermique et l'air diminue, ce qui réduit la capacité de dissipation de la chaleur. Cela limite sa capacité à dissiper la chaleur et le rend sensible aux facteurs environnementaux, ce qui rend le contrôle de la température difficile.
Malgré ses limites, le refroidissement par ventilateur présente l'avantage d'être simple en termes d'équipement global et de système de contrôle.
En revanche, un radiateur à caloducs a une structure plus complexe avec plusieurs caloducs. Il s'appuie sur l'évaporation et la condensation du matériau de travail pour transférer rapidement la chaleur du dissipateur thermique à l'air ambiant par l'intermédiaire du ventilateur, ce qui le rend plus efficace qu'un simple refroidissement par ventilateur.
La dissipation passive de la chaleur n'est pas en mesure de contrôler précisément la température et est fortement influencée par la température environnante, dont elle fait également partie.
En revanche, le système de réfrigération et de dissipation de la chaleur du compresseur relève de la dissipation active de la chaleur. L'existence du compresseur et du détendeur permet un contrôle précis de la température en régulant le débit et la pression du réfrigérant.
En outre, la température du réfrigérant dans le condenseur est plus élevée que celle du dissipateur de chaleur, ce qui permet un transfert rapide de la chaleur vers l'air. Son système de contrôle doit donc être plus complexe.
Toutefois, en raison de sa conception nettement plus complexe que celle des deux systèmes précédents, la taille et le poids de l'équipement sont également augmentés en conséquence.
Les lasers à fibre traditionnels utilisent généralement un refroidissement par eau pour dissiper la chaleur. L'eau est d'abord refroidie par un mécanisme de compression, puis utilisée pour refroidir le laser.
En revanche, la dissipation de la chaleur refroidie par air utilise directement le mécanisme de compression pour refroidir le laser, ce qui élimine le besoin d'eau et réduit le lien de transfert de chaleur intermédiaire. Il en résulte une plus grande efficacité de dissipation de la chaleur, ainsi qu'un volume et un poids moindres.
Dans notre laboratoire, nous utilisons une chambre d'essai à température et humidité constantes pour simuler un environnement de service à haute température en été en réglant la température à 35 ℃.
Nous avons testé l'évolution de la température de la fibre à gain interne d'un laser fonctionnant à pleine puissance (1500W) en utilisant différents schémas de refroidissement par air au fil du temps. Les données expérimentales ont montré que la température de la fibre optique augmentait de manière exponentielle au cours des premières minutes et se stabilisait après environ 10 minutes.
Grâce à la fonction de réfrigération du compresseur, le laser peut être activement refroidi et la température peut être contrôlée en dessous de 60 ℃ avec des changements de température relativement stables.
En revanche, les deux autres systèmes reposent sur une dissipation passive de la chaleur, ce qui entraîne des températures internes légèrement plus élevées que le système de réfrigération à compresseur. Le caloduc a une plus grande efficacité de transfert de chaleur et peut exporter efficacement la chaleur de l'intérieur du laser, ce qui se traduit par une température interne plus basse que celle du ventilateur pur, et une augmentation de la température plus douce.
Variation de la température en fonction du temps lorsque le laser, avec différents schémas de refroidissement par air, produit un laser de 1,5 kW.
(les données de laboratoire peuvent différer de l'utilisation réelle sur le terrain)
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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