Wie können handgeführte Laserschweißgeräte die starke Hitzeentwicklung während des Betriebs bewältigen? Dieser Artikel befasst sich mit den modernsten Technologien zur Wärmeableitung, wie z. B. Luft- und Wasserkühlung, die für die Aufrechterhaltung der Laserleistung und Langlebigkeit entscheidend sind. Nach der Lektüre werden Sie die Prinzipien hinter diesen Methoden und ihre Auswirkungen auf die Effizienz und Tragbarkeit von Laserschweißgeräten verstehen.
Mit dem zunehmenden Einsatz von Faserlasern in verschiedenen Bereichen ist ihre Zuverlässigkeit zu einem wichtigen Thema geworden. Dazu gehört die Zuverlässigkeit der Laserausgangsleistung, elektronischer Komponenten, optischer Geräte und Systeme, die alle eng mit den thermischen Eigenschaften des Lasers selbst zusammenhängen.
Die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung des Lasers, insbesondere auf seine Ausgangsleistung und Stabilität. Die von einem Faserlaser erzeugte Wärme stammt hauptsächlich von der Pumpquelle und der Verstärkungskavität.
Der Umwandlungswirkungsgrad der Pumpquelle beträgt etwa 50%, was bedeutet, dass Wärme in Form von Energie erzeugt wird, die der optischen Ausgangsleistung entspricht. Wenn diese Wärme nicht schnell genug abgeführt wird, steigt die Temperatur des internen Chips schnell an, wodurch die zentrale Wellenlänge des Lasers driftet.
Im Verstärkungsraum wird nur ein Teil des Pumplichts in Laserleistung umgewandelt, der Rest wird in Wärmeenergie umgewandelt. Diese Wärmeenergie erhöht die Temperatur des Verstärkungsmediums, was zu einer Verbreiterung des Fluoreszenzspektrums und einer Verkürzung der Lebensdauer der spontanen Emission führt, was letztlich die Effizienz der Energieumwandlung verringert.
Daher ist ein effektives Wärmemanagement für Faserlaser von entscheidender Bedeutung. Derzeit sind Luft- und Wasserkühlung die beiden am häufigsten verwendeten Wärmemanagementtechnologien.
Die Luftkühlung eignet sich für Puls- und Dauerstrichlaser mit geringer Leistung, während die Wasserkühlung die Hauptmethode zur Wärmeabfuhr bei Faserlasern mit mittlerer und hoher Leistung ist.
Wie der Name schon sagt, ist die Wasserkühlung eine Methode, bei der Wasser zur Wärmeableitung über einen Wärmetauscher, z. B. eine Wasserkühlplatte, verwendet wird.
Das Prinzip der Wasserkühlung ist einfach: Kaltes Wasser aus einem Kühler fließt durch eine Wasserleitung in den Wärmetauscher, verlässt diesen durch die andere Öffnung und kehrt über die Wasserleitung in den Kühler zurück. Diese kontinuierliche Zirkulation trägt dazu bei, dass die Wärme aus dem Inneren des Lasers abgeleitet wird.
Wasserkühlung und Wärmeableitung sind einfach aufgebaut und leicht zu warten. Durch den Einsatz eines Kühlers mit größerer Kühlkapazität kann die Kühlleistung des Lasers aufgrund der starken Wärmeabfuhrkapazität und der guten Temperaturgleichmäßigkeit verbessert werden.
Derzeit sind über 500 Hersteller auf dem Markt, die Handhelds integrieren und verkaufen Laserschweißmaschinen die im Allgemeinen mit Wasserkühlung arbeiten.
Neben dem Laser selbst ist jedoch auch ein Handgerät Laserschweißen Eine Maschine mit Wasserkühlung und Wärmeableitung erfordert einen separaten Wasserkühler und Wasser, was das Gesamtvolumen und das Gewicht des Geräts erheblich erhöht und seine Einsatzumgebung einschränkt.
Im weitesten Sinne bezieht sich die Luftkühlung auf den Einsatz von Lüftern zur Verbesserung der Luftkonvektion und zur Erleichterung des Wärmeaustauschs innerhalb der Maschine.
Dank des technologischen Fortschritts können große Laserhersteller haben sich nun in den Bereich der Luftkühlung und Wärmeableitung vorgewagt.
Im vergangenen Juni brachte der globale Faserlaserriese Company I den luftgekühlten LightWELD 1500W Handlaserschweißen Produkt.
Im August wurde das erste luftgekühlte intelligente Laserschweißgerät A1500W in China eingeführt.
Luftgekühlte Faserlaser: reci, IPG, GW
Diese drei Laser sind hauptsächlich für das Marktsegment des handgeführten Laserschweißens konzipiert.
Luftgekühlte Laser bieten mehr Flexibilität und Tragbarkeit in Arbeitsumgebungen.
Alle drei Laser verwenden eine luftgekühlte Wärmeabfuhr, so dass keine zusätzliche Wasserkühlung erforderlich ist. Dies senkt die Gerätekosten und verringert das Volumen und Gewicht der Geräte erheblich.
Trotz der gemeinsamen Klassifizierung "luftgekühlt" verwendet jeder Laser ein anderes Wärmeableitungssystem. Dazu gehören die Wärmeableitung durch Lüfter, die Wärmeableitung durch Wärmerohre und die Wärmeableitung durch Kompressorkühlung.
(1) Lüfterkühlung
In Lasern werden Substrate mit guter Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer, Aluminiumnitrid usw. verwendet, um die in der Pumpquelle und der Verstärkungskavität erzeugte Wärme zu exportieren und dann durch Konvektion abzuleiten. Diese Methode wird als konvektive Wärmeableitung bezeichnet.
Die konvektive Wärmeübertragung wird aufgrund der unterschiedlichen Antriebskräfte der Flüssigkeitsströmung in zwei Typen eingeteilt: natürliche Konvektion und erzwungene Konvektion zur Wärmeabgabe.
Wenn eine Flüssigkeit spontan fließt und die Wärmeübertragung allein durch den Temperaturunterschied der Flüssigkeit erfolgt, spricht man von natürlicher Konvektion, die ohne äußere Einwirkung stattfindet.
Erzwungene Konvektion liegt dagegen vor, wenn eine äußere Antriebskraft vorhanden ist, die die Flüssigkeit mit Hilfe von Lüftern, Pumpen oder anderen Bauteilen schnell durchströmt, um Wärme abzuführen.
Da die natürliche Konvektion eine langsame Wärmeabfuhr und eine geringe Wirkung hat, kann sie die Anforderungen an die Wärmeabfuhr des Lasers nicht vollständig erfüllen.
Daher ist es unerlässlich, das gesamte Kühlsystem mit Lüftern auszustatten, um den Luftstrom zu beschleunigen und die natürliche Konvektion in erzwungene Konvektion umzuwandeln.
Kühlungsprinzip des Ventilators
(2) Wärmerohr-Heizkörper
Die Wärmeabgabe in einem Wärmerohrheizkörper erfolgt durch die Übertragung von Wärme über den Phasenwechsel der internen Arbeitsflüssigkeit. Die Flüssigkeit hat einen niedrigen Siedepunkt und ist sehr flüchtig.
Ein Ende des Wärmerohrs ist das Verdampfungsende, das mit der Wärmesenke im Inneren des Lasers verbunden ist, während das andere Ende das Kondensationsende ist, das mit einer externen Wärmesenke und einem Lüfter verbunden ist. Die Rohrwand ist mit einem Flüssigkeitsabsorptionskern aus kapillarporösem Material ausgestattet.
Wenn der Laser Wärme erzeugt, wird die Verdampfungsseite erhitzt, wodurch die Arbeitsflüssigkeit schnell verdampft. Der entstehende Dampf strömt unter einem Druckunterschied zur Kondensationsseite und setzt Wärme frei, die dann durch den Ventilator abgeführt wird.
Gleichzeitig rekondensiert der Dampf zu Flüssigkeit, die durch den Saugkern zurück in den Verdampfungsabschnitt fließt. (In einem Schwerkraftheizungsrohr gibt es keinen Saugkern, und die Flüssigkeit haftet an der Rohrwand und fließt aufgrund der Schwerkraft zum unteren Verdampfungsabschnitt zurück).
Dieser Zyklus setzt sich fort und ermöglicht die Übertragung von Wärme aus dem Inneren des Lasers nach außen.
Prinzip der Wärmeableitung eines Wärmerohrheizkörpers
Das handgeführte Laserschweißsystem lightWELD 1500 der Firma IPG verfügt über einen Wärmerohrkühler zur Wärmeableitung.
Das Design und die Herstellung von lightWELD zeichnet sich durch seine kompakte Größe und sein geringes Gewicht aus und führt zu einer neuen Generation von handgeführten Laserschweißgeräten.
Neben dem Schweißen bietet er auch eine Doppelfunktion als Handlaser zum Schweißen und Reinigen.
Das handgeführte Laserschweißgerät lightWELD arbeitet mit einem luftgekühlten Mechanismus, der zusätzliche Kühlwasseranlagen und den damit verbundenen Stromverbrauch überflüssig macht.
Sie macht Leitungen, Komponenten, Steuerungen und Wartungsverbindungen der Kältemaschine überflüssig, was die Kosten senkt, die Tragbarkeit erhöht und die Zuverlässigkeit des Systems insgesamt verbessert.
LightWELD 1500 Handlaser-Schweißsystem
(3) Kühlung und Wärmeableitung des Kompressors
Das Prinzip der Kühlung und Wärmeabfuhr eines Kompressors: Der Kompressor verdichtet das Kältemittel und verwandelt es in ein Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck, das zum externen Verflüssiger fließt.
Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck kondensiert zu einer Flüssigkeit mit niedriger Temperatur und hohem Druck. Die bei der Verflüssigung entstehende Wärme wird mit Hilfe eines Ventilators aus der Maschine abgeführt.
Das flüssige Kältemittel mit niedriger Temperatur und hohem Druck geht nach der Druckentlastung durch das Expansionsventil in einen Zustand niedriger Temperatur und niedrigen Drucks über und strömt dann in den internen Verdampfer.
Der Verdampfer nimmt Wärme auf, um die Innentemperatur des Lasers zu senken und so den Kühleffekt zu erzielen. Anschließend verdampft das Kältemittel zu einem Gas mit hoher Temperatur und niedrigem Druck.
Das vom Verdampfer verdampfte Kältemittelgas wird vom Kompressor wieder verdichtet und zirkuliert hin und her, um die Wärme im Inneren der Maschine abzuführen.
Das Prinzip der Kühlung und Wärmeabfuhr eines Kompressors
Der intelligente luftgekühlte A1500w Handschweißgerät nutzt das System der Kompressorkühlung und der Wärmeabfuhr.
1500 W intelligentes luftgekühltes Handschweißgerät
Die Struktur der Lüfterkühlung ist relativ einfach, da sie die Wärme von der Wärmesenke an die Umgebungsluft abgibt, indem sie den Temperaturunterschied zwischen der Wärmesenke und der Umgebungsluft durch die erzwungene Konvektion des Lüfters nutzt.
Im Sommer jedoch, wenn die Umgebungstemperatur hoch ist, nimmt der Temperaturunterschied zwischen dem Kühlkörper und der Luft ab, was zu einer geringeren Wärmeabgabekapazität führt. Dies schränkt die Fähigkeit zur Wärmeabgabe ein und macht sie empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen, was die Temperaturkontrolle erschwert.
Trotz ihrer Einschränkungen hat die Ventilatorkühlung den Vorteil, dass sie in Bezug auf die Gesamtausrüstung und das Steuerungssystem einfach ist.
Ein Heatpipe-Radiator hingegen hat eine komplexere Struktur mit mehreren Wärmerohren. Er stützt sich auf die Verdampfung und Kondensation des Arbeitsmaterials, um die Wärme schnell von der Wärmesenke über das Gebläse an die Umgebungsluft zu übertragen, was ihn effizienter macht als eine einfache Lüfterkühlung.
Die passive Wärmeableitung ist nicht in der Lage, die Temperatur genau zu kontrollieren und wird stark von der Umgebungstemperatur beeinflusst, und sie ist auch ein Teil davon.
Das Kühl- und Wärmeabgabesystem des Kompressors hingegen fällt unter die aktive Wärmeabgabe. Das Vorhandensein des Verdichters und des Expansionsventils ermöglicht eine präzise Temperaturregelung durch die Regulierung von Durchfluss und Druck des Kältemittels.
Außerdem ist die Temperatur des Kältemittels im Verflüssiger höher als in der Wärmesenke, was eine schnelle Wärmeübertragung an die Luft ermöglicht. Das Regelsystem muss daher komplexer sein.
Aufgrund der wesentlich komplizierteren Konstruktion als bei den beiden vorangegangenen Systemen sind Größe und Gewicht des Geräts jedoch auch entsprechend höher.
Herkömmliche Faserlaser verwenden in der Regel eine Wasserkühlung, um die Wärme abzuleiten. Das Wasser wird zunächst durch einen Kompressionsmechanismus gekühlt und dann zur Kühlung des Lasers verwendet.
Im Gegensatz dazu wird bei der luftgekühlten Wärmeableitung der Kompressionsmechanismus direkt zur Kühlung des Lasers genutzt, so dass kein Wasser benötigt wird und die Wärmeübertragungsstrecke reduziert wird. Dies führt zu einer höheren Wärmeableitungseffizienz und einem geringeren Volumen und Gewicht.
In unserem Labor verwenden wir eine Prüfkammer mit konstanter Temperatur und Luftfeuchtigkeit, um im Sommer eine Umgebung mit hohen Temperaturen zu simulieren, indem wir die Temperatur auf 35 ℃ einstellen.
Wir untersuchten die Veränderung der Temperatur der internen Verstärkungsfaser in einem Laser, der mit voller Leistung (1500 W) betrieben wird, unter Verwendung verschiedener Luftkühlungssysteme im Laufe der Zeit. Die experimentellen Daten zeigten, dass die Temperatur der optischen Faser in den ersten paar Minuten exponentiell anstieg und sich nach etwa 10 Minuten stabilisierte.
Dank der Kühlfunktion des Kompressors kann der Laser aktiv gekühlt werden, und die Temperatur kann bei relativ stabilen Temperaturschwankungen unter 60 ℃ gehalten werden.
Die beiden anderen Systeme beruhen auf passiver Wärmeableitung, was zu etwas höheren Innentemperaturen als beim Kompressorkühlsystem führt. Das Wärmerohr hat eine höhere Wärmeübertragungseffizienz und kann die Wärme effizient aus dem Inneren des Lasers abführen, was zu einer niedrigeren Innentemperatur als beim reinen Lüfter und einem sanfteren Temperaturanstieg führt.
Temperaturschwankungen mit der Zeit, wenn ein Laser mit verschiedenen Luftkühlungsschemata einen 1,5KW-Laser ausgibt
(Labordaten können von der tatsächlichen Verwendung im Feld abweichen)
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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