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一文淺析主流手持激光焊機(jī)散熱技術(shù)

來源:光惠激光應(yīng)用工程師 顧佳星2022-03-08 我要評論(0 )   

前言隨著光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛,光纖激光器的可靠性越來越引起大家的重視,其中主要包括激光輸出性能的可靠性、電子元件的可靠性、光學(xué)器件的可靠性、系統(tǒng)的可...

前言

隨著光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛,光纖激光器的可靠性越來越引起大家的重視,其中主要包括激光輸出性能的可靠性、電子元件的可靠性、光學(xué)器件的可靠性、系統(tǒng)的可靠性等等。這些大部分是和激光器本身的熱特性密切相關(guān)。此外,溫度對激光器的性能影響較大,尤其是對于激光的輸出功率和輸出穩(wěn)定性。

光纖激光器的熱量主要來源于泵浦源和增益腔。對于泵浦源,它的轉(zhuǎn)化效率大約在50%,這也意味著會(huì)有相當(dāng)于輸出光功率大小的能量以熱量的形式產(chǎn)生。若不能及時(shí)散熱,內(nèi)部芯片的溫度會(huì)迅速升高,隨之而來的就是激光器中心波長將隨著溫度的升高而發(fā)生漂移。對于增益腔,泵浦光進(jìn)入有源增益光纖后只有一部分轉(zhuǎn)化為了激光輸出,其余的能量都轉(zhuǎn)化為熱能。熱能會(huì)使增益介質(zhì)的溫度升高,導(dǎo)致熒光譜線加寬、自發(fā)輻射壽命短,從而使能量轉(zhuǎn)化效率降低。因此,熱量管理對光纖激光器有著不可忽視的意義。

目前常用的熱管理技術(shù)主要有風(fēng)冷和水冷兩種方式,其中風(fēng)冷散熱技術(shù)主要應(yīng)用在低功率的脈沖激光器和低功率的連續(xù)激光器上,中高功率光纖激光器上大部分采用水冷散熱作為主要散熱措施。

兩種主要的散熱方式

1.水冷散熱

水冷散熱顧名思義就是利用水,通過熱交換器(如:水冷板)帶走熱量。其工作原理也很簡單,就是將冷水機(jī)里的冷水通過水管流進(jìn)熱交換器,然后再從熱交換器的另外一個(gè)口出來,再經(jīng)過水管流回冷水機(jī),通過這樣的不斷循環(huán),從而把熱量從激光器內(nèi)部帶走。

水冷散熱的方式結(jié)構(gòu)簡單且易于維護(hù);散熱能力強(qiáng)且溫度均勻性好,可以通過使用更大制冷量的冷水機(jī)來提升激光器的冷卻性能。目前市面上集成并銷售手持激光焊接機(jī)的廠商大約有五百多家,普遍都采用水冷的方式。但是,水冷散熱的手持激光焊接機(jī)除了激光器本身外,還需要額外的冷水機(jī)和水,這就造成了設(shè)備整體的體積和重量大幅增加,使用環(huán)境受限。

2.風(fēng)冷散熱

廣義上,風(fēng)冷散熱是指利用風(fēng)扇加強(qiáng)空氣對流,完成機(jī)器內(nèi)部的熱交換。隨著技術(shù)的提升,各大激光器的廠商紛紛開始涉足風(fēng)冷散熱的領(lǐng)域。去年6月,全球光纖激光器巨頭I公司推出風(fēng)冷式的LightWELD 1500W手持激光焊接產(chǎn)品;8月,GW國內(nèi)首推風(fēng)冷式的A1500W智能激光焊機(jī);10月,r公司也發(fā)布了FCA1500風(fēng)冷激光器。

▲ 風(fēng)冷光纖激光器:reci、IPG、GW

(圖片源自網(wǎng)絡(luò),如有侵權(quán)請聯(lián)系我方刪除)

這三款激光器主要面向手持激光焊接的細(xì)分市場,風(fēng)冷式激光器可以使工作更靈活、更便攜,這三款激光器它們都采用風(fēng)冷式散熱,無需額外的水冷設(shè)備,這樣在降低成本的同時(shí)也極大地降低了設(shè)備的體積和重量。

雖然都叫做風(fēng)冷式激光器,但采用的風(fēng)冷式散熱方案卻不同,分別為風(fēng)扇散熱、熱管散熱器散熱、壓縮機(jī)制冷散熱。

(1) 風(fēng)扇散熱

在激光器中,使用熱導(dǎo)性好的基底(如銅、氮化鋁等)把泵浦源和增益腔內(nèi)部產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出,之后再通過對流的方式把熱量散發(fā)掉,這種方式稱為對流散熱。根據(jù)流體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的不同,又可以將對流換熱分為自然對流及強(qiáng)制對流散熱。在沒有外部力作用下,僅僅靠流體的溫度差,可以使流體自發(fā)流動(dòng)從而進(jìn)行傳熱,我們稱之為自然對流;在有外部驅(qū)動(dòng)力時(shí),即流體在風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇等部件驅(qū)動(dòng)下,快速流動(dòng),從而帶走熱量,我們稱之為強(qiáng)制對流。

由于自然對流的方式散熱速度極為緩慢、效果也很差勁,還不能完全滿足激光器的散熱需求。因此,需要在整個(gè)散熱系統(tǒng)中加入風(fēng)扇,加快空氣的流動(dòng),將自然對流變成強(qiáng)制對流。

▲ 風(fēng)扇散熱原理

(2) 熱管散熱器散熱

熱管散熱器散熱是指熱管依靠自身內(nèi)部的工作液體相變來實(shí)現(xiàn)傳熱,這種液體沸點(diǎn)低,容易揮發(fā)。熱管一端為蒸發(fā)端,連接激光器內(nèi)部的熱沉;另外一端為冷凝端,連接外部的散熱片與風(fēng)扇。管壁有吸液芯,由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。當(dāng)激光器發(fā)熱時(shí),蒸發(fā)端受熱,工作液體迅速蒸發(fā),蒸汽在壓力差下流向冷凝端,并且釋放出熱量,通過風(fēng)扇排出;同時(shí),蒸汽重新凝結(jié)成液體,液體通過吸液芯再流回蒸發(fā)段(若是重力熱管,則沒有吸液芯,液體附著在管壁上依靠重力流回底部蒸發(fā)段)。如此循環(huán)不止,便實(shí)現(xiàn)了熱量從激光器內(nèi)部轉(zhuǎn)移到外部。

▲ 熱管散熱器散熱原理

I公司的LightWELD 1500手持激光焊接系統(tǒng)采用的便是熱管散熱器散熱方案。LightWELD的設(shè)計(jì)制造以體積小、重量輕為特色,引領(lǐng)了當(dāng)前手持式激光焊接機(jī)的新一代變革,除了可以焊接外,還實(shí)現(xiàn)了手持激光焊接、清洗二合一的功能。LightWELD手持激光焊機(jī)采用風(fēng)冷的方式,無額外冷水設(shè)備所需的耗電,除去了冷水機(jī)組管道、組件、控制和維護(hù)環(huán)節(jié),降低成本的同時(shí)更增加了便攜性,提升系統(tǒng)整體可靠性。

▲ LightWELD 1500 手持激光焊接系統(tǒng)

(圖片源自網(wǎng)絡(luò),如有侵權(quán)請聯(lián)系我方刪除)

(3) 壓縮機(jī)制冷散熱

壓縮機(jī)制冷散熱原理:壓縮機(jī)壓縮冷媒,使冷媒變成高溫高壓的氣體,并流向外部冷凝器。高溫高壓氣體冷凝成低溫高壓的液體,液化產(chǎn)生的熱量隨風(fēng)扇排出機(jī)器外。低溫高壓的液體冷媒通過膨脹閥降壓后變成低溫低壓易蒸發(fā)的狀態(tài),并流向內(nèi)部蒸發(fā)器。蒸發(fā)器吸收熱量,使激光器內(nèi)部溫度降低,達(dá)到降溫的效果,然后冷媒汽化成高溫低壓的氣體。經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)后的氣體冷媒再次被壓縮機(jī)壓縮,往復(fù)循環(huán),便實(shí)現(xiàn)了機(jī)器內(nèi)部的散熱。

▲ 壓縮機(jī)制冷散熱原理

光惠激光推出的A1500W智能風(fēng)冷式手持焊機(jī)使用的便是壓縮機(jī)制冷散熱的方案。光惠激光專注于976nm技術(shù)的不斷探索與創(chuàng)新,結(jié)合976nm的高光電轉(zhuǎn)化效率創(chuàng)造性的解決了風(fēng)冷制冷量的問題,在行業(yè)內(nèi)首次推出基于風(fēng)冷的976nm技術(shù),解決了功耗與便攜性問題,再一次引領(lǐng)光纖激光器的技術(shù)發(fā)展方向。此款機(jī)型目前已實(shí)現(xiàn)焊接、切割、清洗功能三合一。

▲ 光惠激光 A1500W 智能風(fēng)冷手持焊機(jī)

幾種散熱方式的比較

風(fēng)扇散熱的結(jié)構(gòu)相對比較簡單,只是單純地將熱沉中的熱量擴(kuò)散到散熱片上、再利用散熱片與環(huán)境空氣的溫差通過風(fēng)扇的強(qiáng)制對流進(jìn)行散熱。當(dāng)夏天環(huán)境溫度過高時(shí),散熱片與空氣的溫差過小,散熱能力將大大降低。它只能被動(dòng)散熱,受環(huán)境影響大,不能準(zhǔn)確地控制溫度。其優(yōu)點(diǎn)是整體的設(shè)備與控制系統(tǒng)簡單。

熱管散熱器散熱方式相比單純的風(fēng)扇散熱方式多了熱管的存在,因此其結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜。它是靠工作物質(zhì)的蒸發(fā)與冷凝來實(shí)現(xiàn)將熱量從熱沉快速的傳遞到散熱片再通過風(fēng)扇將熱量散失在空氣中。也屬于被動(dòng)式散熱,不能準(zhǔn)確地控制溫度,受周圍溫度干擾較大。

壓縮機(jī)制冷散熱方案屬于主動(dòng)散熱,由于存在壓縮機(jī)和膨脹閥,因此可以通過調(diào)整冷媒的流量和壓力大小來實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制,同時(shí)冷凝器中冷媒的溫度高于熱沉,有利于熱量快速的傳遞給空氣。它的控制系統(tǒng)要更加復(fù)雜;同時(shí),由于其結(jié)構(gòu)要比上述兩種方案復(fù)雜很多,設(shè)備的體積和重量也相應(yīng)有所增大。

傳統(tǒng)的光纖激光器大多采用水冷散熱的方式,先通過壓縮機(jī)制冷將水冷卻,再通過水來冷卻激光器。光惠激光的風(fēng)冷散熱方案直接用壓縮機(jī)制冷來冷卻激光器,摒棄了水的存在,少了中間的傳熱環(huán)節(jié),因此散熱效率更高、體積和重量可以做得更小。

在實(shí)驗(yàn)室中,我們采用恒溫恒濕的試驗(yàn)箱設(shè)定35℃來模擬夏季的高溫使用環(huán)境,在開滿1500W功率的情況下,測試采用不同風(fēng)冷方案的激光器內(nèi)部增益光纖溫度隨時(shí)間的變化。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以明顯看出:光纖溫度在開始的幾分鐘內(nèi)呈現(xiàn)指數(shù)增長,在10分鐘左右趨于穩(wěn)定。由于壓縮機(jī)的制冷作用,可以對激光器進(jìn)行主動(dòng)降溫,故溫度可以控制在60℃以下,溫度變化相對平穩(wěn);而另外兩種只能依靠被動(dòng)散熱,故內(nèi)部溫度要略高于壓縮機(jī)制冷方案;其中,由于熱管的傳熱效率高,能很好地將熱量從激光器內(nèi)部導(dǎo)出,因此它內(nèi)部的溫度要比純風(fēng)扇的低一點(diǎn),溫度上升也更趨于平緩。

▲ 不同風(fēng)冷方案激光器輸出1.5kW激光時(shí)溫度隨時(shí)間的變化

(實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù),與實(shí)際現(xiàn)場使用可能存在偏差)

結(jié)語

在光纖激光器的領(lǐng)域,光惠激光一直以全球激光巨頭IPG為目標(biāo),用軍工品質(zhì)來打造產(chǎn)品是光惠獨(dú)有的品牌優(yōu)勢。多年前光惠激光就開始就組織科研力量在風(fēng)冷散熱方面進(jìn)行不斷探索,未來我們還將在這方面持續(xù)提升,不斷提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和技術(shù)的迭代升級,滿足更多行業(yè)的加工需求。


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