激光切割铁基非晶纳米晶磁芯加工面组织结构研究

来源 :广东工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ARMYUN1981
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Fe基非晶纳米晶合金具有优异的软磁性能和耐腐蚀性能,其磁芯产品被广泛应用于电子电力等行业。铁基非晶纳米晶合金现有的切割方式为金刚石砂轮切割,加工效率低。激光切割技术具有切割速度快、质量高的特点已广泛用于切割各类晶体金属材料,而非晶合金相关的切割生产应用极少。对铁基非晶纳米晶合金的激光切割研究,对提高非晶纳米晶铁芯生产效率有着重要的现实意义。因此,开展激光切割工艺实验,研究激光工艺参数对铁基非晶纳米晶磁芯切割加工面的表面形貌、微观结构的影响规律并结合数值模拟分析。用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜对切割面进行测试分析。经分析总结取得的主要结果如下:1)基于铁基非晶纳米晶磁芯的特点和切割质量要求,本文以粗糙度、挂渣长度、切割面表面形貌以及切割面组织结构作为切割质量的判据,主要研究峰值功率、切割速度、脉冲频率、气体压力、离焦量等工艺参数对磁芯切割质量的影响:(1)激光切割加工面呈现出烧蚀、条纹、结瘤以及挂渣等形貌,激光切割不会破坏铁基非晶纳米晶的物相结构,仍为非晶相与α-Fe晶体相。(2)随着激光峰值功率的提高,切割加工面的粗糙度减小,挂渣长度随着峰值功率先增大后减小,挂渣数量先增多后减少;未经激光切割的磁芯平均晶粒尺寸11.9nm,经激光切割后加工面晶粒粗化,平均晶粒尺寸范围在40nm~65nm之间;峰值功率增大,有利于抑制切割过程非晶晶化和晶粒长大,峰值功率100%时,平均晶粒尺寸为40.9nm。(3)切割速度8.3与10mm/s时,切割加工面平整度较好,仅在切割面下端出现少量小块结瘤与挂渣;切割速度进一步提高,结瘤出现位置向上端靠近,挂渣量增加;铁基非晶纳米晶的晶粒尺寸对切割速率不敏感,增大激光切割速度,平均晶粒尺寸具有减小的趋势。(4)磁芯加工面粗糙度随脉冲频率增加,先减小后增大;加工面挂渣长度整体随脉冲频率增加而减小;脉冲频率f=4250Hz,粗糙度值较小Ra=18.38μm;随着频率的降低,挂渣量显著减少;f=4250Hz和f=4000Hz参数下切割加工面的表面质量较好,切割面平整度好,无烧蚀;平均晶粒尺寸在f=4500Hz时较小,约为52.9nm。(5)随着气体压力增大,粗糙度与挂渣长度表现为先减小后增大的趋势。气压为1.2MPa时,粗糙度值为16.17μm,挂渣长度为0.4398mm,加工面平整,但加工面下端结瘤与挂渣较多;气体压力为1.6MPa时,粗糙度为19.17μm,加工面结瘤与挂渣显著减少,可获得较好的加工面质量;随着气体压力增大,切割面的平均晶粒尺寸呈现长大的趋势。(6)相比正离焦,采用负离焦对磁芯进行切割时,粗糙度与挂渣长度较小,表面较为平整,切割面整体表面质量更好;离焦量为负,随着焦点位置接近磁芯下表面,挂渣长度逐渐增大,粗糙度先减小后增大,切割面的平均晶粒尺寸呈现增大的趋势;离焦量-2.75mm时粗糙度较小为12.64μm。2)为了解非晶磁芯激光切割过程的温度场分布,采用熔融凝固模型和多相流模型通过加载半径沿深度衰减的旋转体热源,在Fluent软件中对激光切割的三维温度场进行了模拟并通过生死单元法得到了熔融切缝形貌,控制其他参数不变,仿真分析了切割速度对切缝宽度以及热影响区厚度的影响。仿真结果表明:(1)激光切割铁基非晶纳米晶材料为局部受热,随激光功率提高,热影响区厚度整体增大,热影响区呈现出一定弧度,切缝中部热影响区厚度最大。(2)功率一定,在一定范围内切割速度提高,热影响区厚度整体减小,上端面受切割速度影响小于下端面;功率2000W条件下,激光切割非晶纳米晶磁芯在切割速度20mm/s~25mm/s时可获得平行度较好且宽度接近光斑直径的切缝宽度;切割速度过小会导致较大的切缝宽度,切缝不平整;25mm/s切割速度下热影响区厚度约为0.6mm。(3)1420K~1820K区域为材料去除过渡层,实际切割时在激光与高压辅助气体作用下切割表面形貌、结瘤、挂渣等都在过渡层形成,过渡层厚度约为0.3mm。
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