Antes de rehacer
Con el uso cada vez mayor de láseres de fibra en diversos campos, su confiabilidad se ha convertido en una preocupación importante. Esto incluye la confiabilidad del rendimiento de la salida del láser, los componentes electrónicos, los dispositivos y sistemas ópticos, todos los cuales están estrechamente relacionados con las características térmicas del propio láser.
La temperatura tiene un impacto significativo en el rendimiento del láser, especialmente en la potencia de salida y la estabilidad. El calor generado por un láser de fibra proviene principalmente de la fuente de la bomba y de la cavidad de ganancia.
La eficiencia de conversión de la fuente de la bomba es aproximadamente del 50%, lo que significa que el calor se genera en forma de energía equivalente a la potencia óptica de salida. Si este calor no se disipa lo suficientemente rápido, la temperatura del chip interno aumentará rápidamente, provocando que la longitud de onda central del láser se desplace.
En la cavidad de ganancia, sólo una parte de la luz de la bomba se convierte en salida de láser y el resto se convierte en energía térmica. Esta energía térmica aumenta la temperatura del medio de ganancia, lo que hace que el espectro de fluorescencia se amplíe y la vida útil de la emisión espontánea disminuya, lo que en última instancia reduce la eficiencia de conversión de energía.
Por lo tanto, una gestión eficaz del calor es crucial para los láseres de fibra. Actualmente, la refrigeración por aire y la refrigeración por agua son las dos tecnologías de gestión del calor más utilizadas.
La refrigeración por aire es adecuada para láseres de onda continua y de pulsos de baja potencia, mientras que la refrigeración por agua es el principal método de disipación de calor utilizado en los láseres de fibra de potencia media y alta.
Dos formas principales de disipación del calor.
1. Refrigeración por agua y disipación de calor.
Como sugiere el nombre, la refrigeración por agua es un método que utiliza agua para disipar el calor a través de un intercambiador de calor, como una placa de refrigeración por agua.
El principio detrás del enfriamiento por agua es simple: el agua fría de un enfriador fluye a través de una tubería de agua y entra al intercambiador de calor, luego sale por el otro puerto del intercambiador de calor y regresa al enfriador a través de la tubería de agua. Esta circulación continua ayuda a disipar el calor del interior del láser.
La refrigeración por agua y la disipación de calor tienen una estructura simple y fácil de mantener. Al utilizar un enfriador con mayor capacidad de enfriamiento, se puede mejorar el rendimiento de enfriamiento del láser debido a la gran capacidad de disipación de calor y la buena uniformidad de temperatura.
Actualmente, en el mercado, más de 500 fabricantes integran y comercializan máquinas portátiles de soldadura láser que utilizan generalmente refrigeración por agua.
Sin embargo, además del láser en sí, una máquina de soldadura láser portátil con refrigeración por agua y disipación de calor requiere un enfriador de agua y agua separados, lo que aumenta significativamente el volumen y el peso total del equipo y limita su entorno de uso.
2. Refrigeración por aire y disipación de calor.
En un sentido amplio, la refrigeración por aire se refiere al uso de ventiladores para mejorar la convección del aire y facilitar el intercambio de calor dentro de la máquina.
Gracias a los avances tecnológicos, los principales fabricantes de láser se han aventurado en el ámbito de la refrigeración por aire y la disipación de calor.
En junio pasado, el gigante mundial del láser de fibra, la Compañía I, lanzó el producto de soldadura láser portátil LightWELD 1500W refrigerado por aire.
En agosto, se lanzó en China la primera soldadora láser inteligente A1500W refrigerada por aire.
Láser de fibra refrigerado por aire: reci, IPG, GW
Estos tres láseres están diseñados principalmente para el segmento de mercado de soldadura láser portátil.
Los láseres enfriados por aire brindan mayor flexibilidad y portabilidad en entornos de trabajo.
Los tres láseres utilizan disipación de calor enfriada por aire, lo que elimina la necesidad de equipos adicionales de refrigeración por agua. Esto reduce los costos de los equipos y reduce significativamente el volumen y el peso del equipo.
A pesar de compartir la clasificación “refrigerado por aire”, cada láser utiliza un esquema de disipación de calor diferente. Esto incluye la disipación de calor del ventilador, la disipación de calor del radiador del tubo de calor y la disipación de calor de la refrigeración del compresor.
(1) Refrigeración por ventilador
En los láseres se utilizan sustratos con buena conductividad térmica, como cobre, nitruro de aluminio, etc., para exportar el calor generado en la fuente de la bomba y ganar cavidad, para luego disiparlo por convección. Este método se conoce como disipación de calor por convección.
La transferencia de calor por convección se clasifica en dos tipos según las diferentes fuerzas impulsoras del flujo de fluido: convección natural y disipación de calor por convección forzada.
Cuando el fluido fluye espontáneamente y conduce la transferencia de calor solo por la diferencia de temperatura del fluido, se llama convección natural y ocurre sin ninguna fuerza externa.
Por otro lado, la convección forzada ocurre cuando hay una fuerza impulsora externa que hace que el fluido fluya rápidamente a través de ventiladores, bombas u otros componentes para eliminar el calor.
Debido a que la convección natural tiene una tasa de disipación de calor lenta y un efecto débil, no puede cumplir completamente con los requisitos de disipación de calor del láser.
Por tanto, es fundamental añadir ventiladores a todo el sistema de refrigeración para acelerar el flujo de aire y convertir la convección natural en convección forzada.
Principio de enfriamiento del ventilador
(2) Radiador de tubo de calor
La disipación de calor en un radiador de tubo de calor se logra transfiriendo calor a través del cambio de fase de su líquido de trabajo interno. El líquido tiene un punto de ebullición bajo y es muy volátil.
Un extremo del tubo de calor es el extremo de evaporación, que está conectado al disipador de calor dentro del láser, mientras que el otro extremo es el extremo de condensación, que está conectado a un disipador de calor externo y un ventilador. La pared del tubo está equipada con un núcleo de absorción de líquidos hecho de materiales porosos capilares.
Cuando el láser genera calor, el extremo de evaporación se calienta, lo que hace que el líquido de trabajo se evapore rápidamente. El vapor resultante fluye hacia el extremo de condensación bajo una diferencia de presión y libera calor, que luego se descarga a través del ventilador.
Al mismo tiempo, el vapor se vuelve a condensar en líquido, que regresa a la sección de evaporación a través del núcleo de succión. (En un tubo de calor por gravedad, no hay núcleo de succión y el líquido se adhiere a la pared del tubo y fluye de regreso a la sección de evaporación inferior debido a la gravedad).
Este ciclo continúa, permitiendo que el calor se transfiera desde el interior del láser al exterior.
Principio de disipación de calor del radiador de tubo de calor
El sistema de soldadura láser portátil lightWELD 1500 de la empresa IPG incorpora un radiador de tubo de calor para la disipación del calor.
El diseño y fabricación de lightWELD se caracterizan por su tamaño compacto y peso ligero, dando lugar a una nueva generación de máquinas de soldadura láser portátiles.
Además de soldar, también ofrece una doble función de soldadura láser portátil y limpieza.
La máquina de soldadura láser portátil lightWELD emplea un mecanismo refrigerado por aire, lo que elimina la necesidad de equipos de agua de refrigeración adicionales y el consumo de energía asociado.
Elimina la necesidad de tuberías, componentes, controles y conexiones de mantenimiento de enfriadores, lo que reduce los costos, mejora la portabilidad y mejora la confiabilidad general del sistema.
Sistema de soldadura láser portátil LightWELD 1500
(3) Refrigeración del compresor y disipación de calor.
Principio de refrigeración y disipación de calor del compresor: el compresor comprime el refrigerante para convertirlo en gas de alta temperatura y alta presión y fluye hacia el condensador externo.
El gas a alta temperatura y alta presión se condensa en un líquido a baja temperatura y alta presión. El calor generado por la licuefacción se descarga de la máquina con la ayuda de un ventilador.
El refrigerante líquido de baja temperatura y alta presión cambia a un estado de baja temperatura y baja presión después de la despresurización a través de la válvula de expansión y luego fluye hacia el evaporador interior.
El evaporador absorbe calor para reducir la temperatura interna del láser, logrando el efecto de enfriamiento. Posteriormente, el refrigerante se vaporiza convirtiéndose en un gas de alta temperatura y baja presión.
El gas refrigerante evaporado por el evaporador es comprimido nuevamente por el compresor y circula de un lado a otro para disipar el calor dentro de la máquina.
Principio de refrigeración y disipación de calor del compresor.
La soldadora portátil inteligente refrigerada por aire A1500w utiliza un esquema de refrigeración por compresor y disipación de calor.
Soldador portátil inteligente refrigerado por aire de 1500 W
Comparación de métodos de disipación de calor.
La estructura del enfriamiento por ventilador es relativamente simple, ya que difunde el calor del disipador de calor al aire ambiente utilizando la diferencia de temperatura entre el disipador de calor y el aire circundante a través de la convección forzada por el ventilador.
Sin embargo, en verano, cuando la temperatura ambiente es alta, la diferencia de temperatura entre el disipador de calor y el aire disminuye, lo que resulta en una reducción de la capacidad de disipación de calor. Esto limita su capacidad para disipar el calor y lo hace sensible a factores ambientales, dificultando el control de la temperatura.
A pesar de sus limitaciones, la refrigeración por ventilador tiene la ventaja de ser sencilla en el equipo general y en el sistema de control.
Por otro lado, un radiador con tubos de calor tiene una estructura más compleja con múltiples tubos de calor. Se basa en la evaporación y condensación del material de trabajo para transferir rápidamente el calor del disipador de calor al aire ambiente a través del ventilador, lo que lo hace más eficiente que el simple enfriamiento por ventilador.
La disipación pasiva de calor no puede controlar con precisión la temperatura y se ve muy afectada por la temperatura ambiente, y también forma parte de ella.
Por otro lado, el esquema de refrigeración y disipación de calor del compresor se incluye en la disipación de calor activa. La existencia del compresor y válvula de expansión permite un control preciso de la temperatura, regulando el flujo y la presión del refrigerante.
Además, la temperatura del refrigerante en el condensador es más alta que la del disipador de calor, lo que permite una rápida transferencia de calor al aire. Como resultado, su sistema de control debe ser más complejo.
Sin embargo, debido a su diseño mucho más complicado que los dos esquemas anteriores, el tamaño y el peso del equipo también aumentan correspondientemente.
Los láseres de fibra tradicionales suelen utilizar refrigeración por agua para disipar el calor. El agua primero se enfría mediante un mecanismo de compresión y luego se usa para enfriar el láser.
Por el contrario, la disipación de calor enfriada por aire utiliza directamente el mecanismo de compresión para enfriar el láser, eliminando la necesidad de agua y reduciendo el enlace intermedio de transferencia de calor. Esto da como resultado una mayor eficiencia de disipación de calor y un menor volumen y peso.
En nuestro laboratorio, utilizamos una cámara de prueba de temperatura y humedad constantes para simular un entorno de servicio de alta temperatura en verano ajustando la temperatura a 35 ℃.
Probamos el cambio de temperatura de ganancia interna de la fibra en un láser que funciona a máxima potencia (1500 W) utilizando diferentes esquemas de enfriamiento de aire a lo largo del tiempo. Los datos experimentales mostraron que la temperatura de la fibra óptica aumentó exponencialmente en los primeros minutos y se estabilizó después de unos 10 minutos.
Gracias a la función de refrigeración del compresor, el láser se puede enfriar activamente y la temperatura se puede controlar por debajo de 60 ℃ con cambios de temperatura relativamente estables.
Por otro lado, los otros dos esquemas se basan en la disipación pasiva de calor, lo que resulta en temperaturas internas ligeramente más altas que el esquema de refrigeración por compresor. El tubo de calor tiene una mayor eficiencia de transferencia de calor y puede exportar calor desde el interior del láser de manera eficiente, lo que resulta en una temperatura interna más baja que el ventilador puro y un aumento de temperatura más suave.
Variación de temperatura con el tiempo cuando el láser con diferentes esquemas de enfriamiento por aire produce un láser de 1,5 KW
(Los datos de laboratorio pueden diferir del uso real en el campo)
