Как ручные лазерные сварочные аппараты справляются с интенсивным тепловыделением во время работы? В этой статье рассматриваются передовые технологии отвода тепла, такие как воздушное и водяное охлаждение, которые имеют решающее значение для поддержания производительности и долговечности лазера. Прочитав статью, вы поймете принципы, лежащие в основе этих методов, и их влияние на эффективность и портативность лазерного сварочного оборудования.
С ростом использования волоконных лазеров в различных областях их надежность становится важной проблемой. Это касается надежности выходных характеристик лазера, электронных компонентов, оптических устройств и систем, которые тесно связаны с тепловыми характеристиками самого лазера.
Температура оказывает значительное влияние на работу лазера, особенно на его выходную мощность и стабильность. Тепло, выделяемое волоконным лазером, в основном исходит от источника накачки и резонатора усиления.
Эффективность преобразования источника накачки составляет около 50%, что означает выделение тепла в виде энергии, эквивалентной выходной оптической мощности. Если это тепло не рассеивается достаточно быстро, температура внутреннего чипа будет быстро расти, что приведет к дрейфу центральной длины волны лазера.
В полости усиления только часть света накачки преобразуется в лазерное излучение, а остальная часть преобразуется в тепловую энергию. Эта тепловая энергия повышает температуру среды усиления, вызывая расширение спектра флуоресценции и сокращение времени жизни спонтанного излучения, что в конечном итоге снижает эффективность преобразования энергии.
Поэтому эффективное управление теплом имеет решающее значение для волоконных лазеров. В настоящее время две наиболее распространенные технологии управления теплом - воздушное и водяное охлаждение.
Воздушное охлаждение подходит для маломощных импульсных и непрерывно-волновых лазеров, в то время как водяное охлаждение является основным методом отвода тепла, используемым в волоконных лазерах средней и высокой мощности.
Как следует из названия, водяное охлаждение - это метод, при котором вода используется для отвода тепла через теплообменник, например, пластину водяного охлаждения.
Принцип водяного охлаждения прост: холодная вода из охладителя поступает по водопроводной трубе в теплообменник, затем выходит через другой порт теплообменника и возвращается в охладитель по водопроводной трубе. Эта непрерывная циркуляция помогает рассеивать тепло внутри лазера.
Водяное охлаждение и отвод тепла имеют простую структуру и просты в обслуживании. Использование чиллера с большей охлаждающей способностью позволяет повысить эффективность охлаждения лазера за счет высокой теплоотдачи и хорошей равномерности температуры.
В настоящее время на рынке более 500 производителей интегрируют и продают портативные лазерные сварочные аппараты в которых обычно используется водяное охлаждение.
Однако, помимо самого лазера, ручной лазерная сварка Машина с водяным охлаждением и отводом тепла требует отдельного водяного радиатора и воды, что значительно увеличивает общий объем и вес оборудования и ограничивает среду его использования.
В широком смысле воздушное охлаждение означает использование вентиляторов для усиления конвекции воздуха и облегчения теплообмена внутри машины.
Благодаря технологическому прогрессу основные производители лазеров теперь отважились на область воздушного охлаждения и рассеивания тепла.
В июне прошлого года мировой гигант в области волоконных лазеров, компания I, выпустила LightWELD 1500W с воздушным охлаждением. ручная лазерная сварка продукт.
В августе в Китае был выпущен первый интеллектуальный лазерный сварочный аппарат A1500W с воздушным охлаждением.
Волоконный лазер с воздушным охлаждением: reci, IPG, GW
Эти три лазера предназначены в основном для сегмента рынка портативной лазерной сварки.
Лазеры с воздушным охлаждением обеспечивают большую гибкость и мобильность в рабочих условиях.
Во всех трех лазерах используется воздушное охлаждение теплоотвода, что устраняет необходимость в дополнительном оборудовании для водяного охлаждения. Это снижает стоимость оборудования и значительно уменьшает его объем и вес.
Несмотря на общую классификацию "с воздушным охлаждением", в каждом лазере используется своя схема отвода тепла. Это и теплоотвод вентилятора, и теплоотвод радиатора тепловой трубки, и теплоотвод компрессора.
(1) Вентилятор охлаждения
В лазерах подложки с хорошей теплопроводностью, такие как медь, нитрид алюминия и т. д., используются для отвода тепла, выделяемого в источнике накачки и усилительной полости, и последующего его рассеивания путем конвекции. Этот метод известен как конвективный теплоотвод.
Конвективный теплообмен подразделяется на два типа, основанных на различных движущих силах потока жидкости - естественная конвекция и вынужденная конвективная теплоотдача.
Когда жидкость течет самопроизвольно и осуществляет теплообмен исключительно за счет разницы температур, это называется естественной конвекцией, и происходит она без каких-либо внешних сил.
С другой стороны, принудительная конвекция возникает при наличии внешней движущей силы, которая быстро перемещает жидкость с помощью вентиляторов, насосов или других компонентов для отвода тепла.
Поскольку естественная конвекция имеет низкую скорость теплоотдачи и слабый эффект, она не может полностью удовлетворить требования лазера к теплоотдаче.
Поэтому необходимо добавить вентиляторы во всю систему охлаждения, чтобы ускорить поток воздуха и преобразовать естественную конвекцию в принудительную.
Принцип охлаждения вентилятора
(2) Радиатор с тепловой трубкой
Теплоотдача в радиаторе тепловой трубы достигается за счет передачи тепла через фазовый переход его внутренней рабочей жидкости. Жидкость имеет низкую температуру кипения и обладает высокой летучестью.
Один конец тепловой трубки - испарительный, который подключен к радиатору внутри лазера, а другой - конденсационный, подключенный к внешнему радиатору и вентилятору. Стенка трубки оснащена жидкой абсорбционной сердцевиной, состоящей из капиллярно-пористого материала.
Когда лазер выделяет тепло, испарительная часть нагревается, что приводит к быстрому испарению рабочей жидкости. Образовавшийся пар под действием разницы давлений поступает в конденсационную часть и выделяет тепло, которое затем отводится через вентилятор.
В то же время пар реконденсируется в жидкость, которая течет обратно в секцию испарения через всасывающий сердечник. (В гравитационной тепловой трубе всасывающее ядро отсутствует, жидкость прилипает к стенке трубы и под действием силы тяжести стекает обратно в нижнюю испарительную секцию).
Этот цикл продолжается, обеспечивая передачу тепла изнутри лазера наружу.
Принцип теплоотдачи трубчатого радиатора
Ручная лазерная сварочная система LightWELD 1500 от компании IPG оснащена радиатором с тепловой трубкой для отвода тепла.
Конструкция и производство lightWELD отличаются компактными размерами и малым весом, что позволило создать новое поколение ручных лазерных сварочных аппаратов.
Помимо сварки, он также выполняет двойную функцию - ручной лазерной сварки и очистки.
В ручном лазерном сварочном аппарате LightWELD используется воздушное охлаждение, что исключает необходимость использования дополнительного оборудования для охлаждения воды и связанное с этим потребление электроэнергии.
Он устраняет необходимость в трубах, компонентах, элементах управления и звеньях технического обслуживания чиллера, снижая затраты, повышая мобильность и общую надежность системы.
Ручная лазерная сварочная система LightWELD 1500
(3) Охлаждение и теплоотдача компрессора
Принцип охлаждения и теплоотдачи компрессора: Компрессор сжимает хладагент, превращая его в газ высокой температуры и высокого давления, который поступает во внешний конденсатор.
Газ высокой температуры и высокого давления конденсируется в жидкость низкой температуры и высокого давления. Тепло, выделяемое при сжижении, отводится из аппарата с помощью вентилятора.
Жидкий хладагент с низкой температурой и высоким давлением переходит в состояние с низкой температурой и низким давлением после разгерметизации через расширительный клапан, а затем поступает во внутренний испаритель.
Испаритель поглощает тепло, чтобы снизить внутреннюю температуру лазера, достигая эффекта охлаждения. Затем хладагент испаряется, превращаясь в газ с высокой температурой и низким давлением.
Газ-хладагент, испаряемый испарителем, снова сжимается компрессором и циркулирует туда-сюда, рассеивая тепло внутри машины.
Принцип охлаждения и теплоотдачи компрессора
Интеллектуальная система воздушного охлаждения A1500w ручной сварочный аппарат использует схему охлаждения компрессора и отвода тепла.
Интеллектуальный ручной сварочный аппарат мощностью 1500 Вт с воздушным охлаждением
Структура вентиляторного охлаждения относительно проста: тепло от радиатора передается окружающему воздуху за счет разницы температур между радиатором и окружающим воздухом посредством принудительной конвекции вентилятора.
Однако летом, когда температура окружающей среды высока, разница температур между радиатором и воздухом уменьшается, что приводит к снижению теплоотдачи. Это ограничивает его способность рассеивать тепло и делает его чувствительным к факторам окружающей среды, затрудняя контроль температуры.
Несмотря на свои недостатки, вентиляторное охлаждение имеет то преимущество, что оно простое в плане общего оборудования и системы управления.
С другой стороны, радиатор с тепловыми трубками имеет более сложную структуру с множеством тепловых трубок. Он полагается на испарение и конденсацию рабочего материала для быстрой передачи тепла от радиатора к окружающему воздуху через вентилятор, что делает его более эффективным, чем простое вентиляторное охлаждение.
Пассивный теплоотвод не способен точно контролировать температуру и сильно зависит от окружающей температуры, а также является ее частью.
С другой стороны, схема охлаждения и отвода тепла компрессора относится к активному теплоотводу. Наличие компрессора и расширительного клапана позволяет точно контролировать температуру, регулируя расход и давление хладагента.
Кроме того, температура хладагента в конденсаторе выше, чем в радиаторе, что обеспечивает быструю передачу тепла воздуху. В результате система управления должна быть более сложной.
Однако из-за значительно более сложной конструкции, чем в предыдущих двух схемах, габариты и вес оборудования также соответственно увеличились.
В традиционных волоконных лазерах для отвода тепла обычно используется водяное охлаждение. Вода сначала охлаждается с помощью механизма сжатия, а затем используется для охлаждения лазера.
В отличие от этого, при воздушном охлаждении для охлаждения лазера используется непосредственно механизм сжатия, что исключает необходимость использования воды и уменьшает промежуточное звено теплопередачи. Это обеспечивает более высокую эффективность отвода тепла и меньший объем и вес.
В нашей лаборатории мы используем испытательную камеру с постоянной температурой и влажностью для имитации высокотемпературных условий эксплуатации в летний период, установив температуру 35 ℃.
Мы исследовали изменение температуры внутреннего волокна усиления в лазере, работающем на полной мощности (1500 Вт) с использованием различных схем воздушного охлаждения с течением времени. Экспериментальные данные показали, что температура оптического волокна увеличивалась экспоненциально в первые несколько минут и стабилизировалась примерно через 10 минут.
Благодаря холодильной функции компрессора, лазер может активно охлаждаться, а температура может контролироваться на уровне ниже 60 ℃ с относительно стабильными изменениями температуры.
С другой стороны, две другие схемы полагаются на пассивный отвод тепла, что приводит к несколько более высокой внутренней температуре, чем в схеме с компрессорным охлаждением. Тепловая труба имеет более высокую эффективность теплопередачи и может эффективно отводить тепло изнутри лазера, что приводит к более низкой внутренней температуре, чем у чистого вентилятора, и более плавному росту температуры.
Изменение температуры с течением времени при работе лазера мощностью 1,5 кВт с различными схемами воздушного охлаждения
(лабораторные данные могут отличаться от фактического использования в полевых условиях)
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO 
TR