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《熱加工工藝》楊元政等工作：鐵基非晶納米晶磁芯激光切割溫度場(chǎng)仿真研究

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2023-07-21  瀏覽次數(shù)：2974
鐵基非晶帶材制造的磁芯，具有高飽和磁感、低損耗，可減輕設(shè)備重量、縮小體積、提高效率等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于各種變壓器鐵芯，如航空變壓器、鐵路控制系統(tǒng)變壓器、機(jī)械零件淬火設(shè)備變壓器、激光電源變壓器等。研究非晶材料切割過程中溫度場(chǎng)可明晰激光工藝參數(shù)對(duì)切口寬度、熱影響區(qū)厚度的影響，對(duì)優(yōu)化磁芯激光切割工藝參數(shù)有指導(dǎo)意義。目前激光切割的仿真理論模型主要分為基于解析解和基于數(shù)值解兩類模型。

廣東工業(yè)大學(xué)楊元政等人通過模型建立及溫度場(chǎng)分析得到切割速度對(duì)切縫形貌、熱影響區(qū)厚度的影響發(fā)現(xiàn)隨激光功率增大或切割速率減小，切縫寬度整體增大。上端面熱影響區(qū)厚度受切割速度的影響減小，激光功率2000W條件下，激光切割FeSiBCuNb非晶納米晶磁芯在切割速度20～25mm/s時(shí)可獲得寬度一致性較好的切縫。相關(guān)研究成果于2023年5月在《熱加工工藝》上網(wǎng)絡(luò)首發(fā)。

研究人員發(fā)現(xiàn)激光切割過程是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，為了減小計(jì)算量和保證仿真的可行性，結(jié)合解析解中和數(shù)值解中的有限體積法做出如下假設(shè)：激光束與輔助氣體同軸，輔助氣體作用于激光輻照區(qū)；磁芯溫度高于其液相線400K時(shí)完全被吹除；溫度場(chǎng)只受熱輸入方式和輔助氣體冷卻效果和熱物性參數(shù)的影響；忽略材料的蒸發(fā)效應(yīng)。使用的仿真模型為FeSiBCuNb鐵基非晶納米晶帶材繞制的準(zhǔn)50mm×準(zhǔn)60mm×8mm的環(huán)形磁芯。采用JMatPro軟件，對(duì)FeSiBCuNb材料進(jìn)行計(jì)算，得到材料固相線、液相線及不同溫度的比熱容和熱導(dǎo)率。采用熱源半徑沿深度衰減的三維錐體熱源模型。通過將C語言編譯的UDF文件導(dǎo)入到Fluent軟件中，以源項(xiàng)的形式添加到能量方程中實(shí)現(xiàn)。激光切割過程中輔助氣體以亞音速噴出，將熔融物吹除并冷卻材料作為邊界條件及初始化條件。分析激光功率、切割速度對(duì)溫度場(chǎng)、切口形貌和熱影響區(qū)厚度的影響發(fā)現(xiàn)，隨激光功率增大或切割速率減小，切縫寬度整體增大。在厚度方向上磁芯被完全切開時(shí)，切縫寬度、熱影響區(qū)厚度呈現(xiàn)上下窄、中間寬的形貌（圖1）；激光功率一定，切割速度提高到一定值后，上端面熱影響區(qū)厚度受切割速度的影響減小，下端面熱影響區(qū)厚度受切割速度的影響增大；激光功率2000W條件下，激光切割FeSiBCuNb非晶納米晶磁芯在切割速度20～25mm/s時(shí)可獲得寬度一致性較好的切縫。切割速度過小會(huì)形成較大的切縫寬度，厚度方向上切縫寬度更加不均勻（圖2、3、4）。該項(xiàng)研究為改進(jìn)鐵基非晶納米晶磁芯的切割工藝提供理論依據(jù)。

該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(5207010885)的支持。



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