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焊接

一文浅析主流手持激光焊机散热技术

激光制造网 来源:光惠激光2022-03-07 我要评论(0 )   

前言随着光纤激光器的应用领域日益广泛,光纤激光器的可靠性越来越引起大家的重视,其中主要包括激光输出性能的可靠性、电子元件的可靠性、光学器件的可靠性、系统的可...

前言

随着光纤激光器的应用领域日益广泛,光纤激光器的可靠性越来越引起大家的重视,其中主要包括激光输出性能的可靠性、电子元件的可靠性、光学器件的可靠性、系统的可靠性等等。这些大部分是和激光器本身的热特性密切相关。此外,温度对激光器的性能影响较大,尤其是对于激光的输出功率和输出稳定性。

光纤激光器的热量主要来源于泵浦源和增益腔。对于泵浦源,它的转化效率大约在50%,这也意味着会有相当于输出光功率大小的能量以热量的形式产生。若不能及时散热,内部芯片的温度会迅速升高,随之而来的就是激光器中心波长将随着温度的升高而发生漂移。对于增益腔,泵浦光进入有源增益光纤后只有一部分转化为了激光输出,其余的能量都转化为热能。热能会使增益介质的温度升高,导致荧光谱线加宽、自发辐射寿命短,从而使能量转化效率降低。因此,热量管理对光纤激光器有着不可忽视的意义。
目前常用的热管理技术主要有风冷和水冷两种方式,其中风冷散热技术主要应用在低功率的脉冲激光器和低功率的连续激光器上,中高功率光纤激光器上大部分采用水冷散热作为主要散热措施。

两种主要的散热方式

1.水冷散热

水冷散热顾名思义就是利用水,通过热交换器(如:水冷板)带走热量。其工作原理也很简单,就是将冷水机里的冷水通过水管流进热交换器,然后再从热交换器的另外一个口出来,再经过水管流回冷水机,通过这样的不断循环,从而把热量从激光器内部带走。

水冷散热的方式结构简单且易于维护;散热能力强且温度均匀性好,可以通过使用更大制冷量的冷水机来提升激光器的冷却性能。目前市面上集成并销售手持激光焊接机的厂商大约有五百多家,普遍都采用水冷的方式。但是,水冷散热的手持激光焊接机除了激光器本身外,还需要额外的冷水机和水,这就造成了设备整体的体积和重量大幅增加,使用环境受限。

2.风冷散热

广义上,风冷散热是指利用风扇加强空气对流,完成机器内部的热交换。随着技术的提升,各大激光器的厂商纷纷开始涉足风冷散热的领域。去年6月,全球光纤激光器巨头I公司推出风冷式的LightWELD 1500W手持激光焊接产品;8月,GW国内首推风冷式的A1500W智能激光焊机;10月,r公司也发布了FCA1500风冷激光器。

▲ 风冷光纤激光器:reci、IPG、GW(图片源自网络,如有侵权请联系我方删除)


这三款激光器主要面向手持激光焊接的细分市场,风冷式激光器可以使工作更灵活、更便携,这三款激光器它们都采用风冷式散热,无需额外的水冷设备,这样在降低成本的同时也极大地降低了设备的体积和重量。
虽然都叫做风冷式激光器,但采用的风冷式散热方案却不同,分别为风扇散热、热管散热器散热、压缩机制冷散热。
(1) 风扇散热
在激光器中,使用热导性好的基底(如铜、氮化铝等)把泵浦源和增益腔内部产生的热量导出,之后再通过对流的方式把热量散发掉,这种方式称为对流散热。根据流体流动驱动力的不同,又可以将对流换热分为自然对流及强制对流散热。在没有外部力作用下,仅仅靠流体的温度差,可以使流体自发流动从而进行传热,我们称之为自然对流;在有外部驱动力时,即流体在风机、风扇等部件驱动下,快速流动,从而带走热量,我们称之为强制对流。
由于自然对流的方式散热速度极为缓慢、效果也很差劲,还不能完全满足激光器的散热需求。因此,需要在整个散热系统中加入风扇,加快空气的流动,将自然对流变成强制对流。

▲ 风扇散热原理

(2) 热管散热器散热

热管散热器散热是指热管依靠自身内部的工作液体相变来实现传热,这种液体沸点低,容易挥发。热管一端为蒸发端,连接激光器内部的热沉;另外一端为冷凝端,连接外部的散热片与风扇。管壁有吸液芯,由毛细多孔材料构成。当激光器发热时,蒸发端受热,工作液体迅速蒸发,蒸汽在压力差下流向冷凝端,并且释放出热量,通过风扇排出;同时,蒸汽重新凝结成液体,液体通过吸液芯再流回蒸发段(若是重力热管,则没有吸液芯,液体附着在管壁上依靠重力流回底部蒸发段)。如此循环不止,便实现了热量从激光器内部转移到外部。

▲ 热管散热器散热原理

I公司的LightWELD 1500手持激光焊接系统采用的便是热管散热器散热方案。LightWELD的设计制造以体积小、重量轻为特色,引领了当前手持式激光焊接机的新一代变革,除了可以焊接外,还实现了手持激光焊接、清洗二合一的功能。LightWELD手持激光焊机采用风冷的方式,无额外冷水设备所需的耗电,除去了冷水机组管道、组件、控制和维护环节,降低成本的同时更增加了便携性,提升系统整体可靠性。

▲ LightWELD 1500 手持激光焊接系统(图片源自网络,如有侵权请联系我方删除)


(3) 压缩机制冷散热

压缩机制冷散热原理:压缩机压缩冷媒,使冷媒变成高温高压的气体,并流向外部冷凝器。高温高压气体冷凝成低温高压的液体,液化产生的热量随风扇排出机器外。低温高压的液体冷媒通过膨胀阀降压后变成低温低压易蒸发的状态,并流向内部蒸发器。蒸发器吸收热量,使激光器内部温度降低,达到降温的效果,然后冷媒汽化成高温低压的气体。经蒸发器蒸发后的气体冷媒再次被压缩机压缩,往复循环,便实现了机器内部的散热。

▲ 压缩机制冷散热原理

光惠激光推出的A1500W智能风冷式手持焊机使用的便是压缩机制冷散热的方案。光惠激光专注于976nm技术的不断探索与创新,结合976nm的高光电转化效率创造性的解决了风冷制冷量的问题,在行业内首次推出基于风冷的976nm技术,解决了功耗与便携性问题,再一次引领光纤激光器的技术发展方向。此款机型目前已实现焊接、切割、清洗功能三合一。

▲ 光惠激光 A1500W 智能风冷手持焊机


几种散热方式的比较

风扇散热的结构相对比较简单,只是单纯地将热沉中的热量扩散到散热片上、再利用散热片与环境空气的温差通过风扇的强制对流进行散热。当夏天环境温度过高时,散热片与空气的温差过小,散热能力将大大降低。它只能被动散热,受环境影响大,不能准确地控制温度。其优点是整体的设备与控制系统简单。

热管散热器散热方式相比单纯的风扇散热方式多了热管的存在,因此其结构相对较为复杂。它是靠工作物质的蒸发与冷凝来实现将热量从热沉快速的传递到散热片再通过风扇将热量散失在空气中。也属于被动式散热,不能准确地控制温度,受周围温度干扰较大。

压缩机制冷散热方案属于主动散热,由于存在压缩机和膨胀阀,因此可以通过调整冷媒的流量和压力大小来实现温度的精确控制,同时冷凝器中冷媒的温度高于热沉,有利于热量快速的传递给空气。它的控制系统要更加复杂;同时,由于其结构要比上述两种方案复杂很多,设备的体积和重量也相应有所增大。

传统的光纤激光器大多采用水冷散热的方式,先通过压缩机制冷将水冷却,再通过水来冷却激光器。光惠激光的风冷散热方案直接用压缩机制冷来冷却激光器,摒弃了水的存在,少了中间的传热环节,因此散热效率更高、体积和重量可以做得更小。

在实验室中,我们采用恒温恒湿的试验箱设定35℃来模拟夏季的高温使用环境,在开满1500W功率的情况下,测试采用不同风冷方案的激光器内部增益光纤温度随时间的变化。从实验数据,可以明显看出:光纤温度在开始的几分钟内呈现指数增长,在10分钟左右趋于稳定。由于压缩机的制冷作用,可以对激光器进行主动降温,故温度可以控制在60℃以下,温度变化相对平稳;而另外两种只能依靠被动散热,故内部温度要略高于压缩机制冷方案;其中,由于热管的传热效率高,能很好地将热量从激光器内部导出,因此它内部的温度要比纯风扇的低一点,温度上升也更趋于平缓。

▲ 不同风冷方案激光器输出1.5kW激光时温度随时间的变化(实验室数据,与实际现场使用可能存在偏差)


结语

在光纤激光器的领域,光惠激光一直以全球激光巨头IPG为目标,用军工品质来打造产品是光惠独有的品牌优势。多年前光惠激光就开始就组织科研力量在风冷散热方面进行不断探索,未来我们还将在这方面持续提升,不断提高产品的稳定性,实现产品和技术的迭代升级,满足更多行业的加工需求。

 

作者:光惠激光应用工程师 顾佳星


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