《热加工工艺》杨元政等工作：铁基非晶纳米晶磁芯激光切割温度场仿真研究

发布日期：2023-07-21 浏览次数：2800

铁基非晶带材制造的磁芯，具有高饱和磁感、低损耗，可减轻设备重量、缩小体积、提高效率等优点，被应用于各种变压器铁芯，如航空变压器、铁路控制系统变压器、机械零件淬火设备变压器、激光电源变压器等。研究非晶材料切割过程中温度场可明晰激光工艺参数对切口宽度、热影响区厚度的影响，对优化磁芯激光切割工艺参数有指导意义。目前激光切割的仿真理论模型主要分为基于解析解和基于数值解两类模型。

广东工业大学杨元政等人通过模型建立及温度场分析得到切割速度对切缝形貌、热影响区厚度的影响发现随激光功率增大或切割速率减小，切缝宽度整体增大。上端面热影响区厚度受切割速度的影响减小，激光功率2000W条件下，激光切割FeSiBCuNb非晶纳米晶磁芯在切割速度20～25mm/s时可获得宽度一致性较好的切缝。相关研究成果于2023年5月在《热加工工艺》上网络首发。

研究人员发现激光切割过程是一个非常复杂的过程，为了减小计算量和保证仿真的可行性，结合解析解中和数值解中的有限体积法做出如下假设：激光束与辅助气体同轴，辅助气体作用于激光辐照区；磁芯温度高于其液相线400K时完全被吹除；温度场只受热输入方式和辅助气体冷却效果和热物性参数的影响；忽略材料的蒸发效应。使用的仿真模型为FeSiBCuNb铁基非晶纳米晶带材绕制的准50mm×准60mm×8mm的环形磁芯。采用JMatPro软件，对FeSiBCuNb材料进行计算，得到材料固相线、液相线及不同温度的比热容和热导率。采用热源半径沿深度衰减的三维锥体热源模型。通过将C语言编译的UDF文件导入到Fluent软件中，以源项的形式添加到能量方程中实现。激光切割过程中辅助气体以亚音速喷出，将熔融物吹除并冷却材料作为边界条件及初始化条件。分析激光功率、切割速度对温度场、切口形貌和热影响区厚度的影响发现，随激光功率增大或切割速率减小，切缝宽度整体增大。在厚度方向上磁芯被完全切开时，切缝宽度、热影响区厚度呈现上下窄、中间宽的形貌（图1）；激光功率一定，切割速度提高到一定值后，上端面热影响区厚度受切割速度的影响减小，下端面热影响区厚度受切割速度的影响增大；激光功率2000W条件下，激光切割FeSiBCuNb非晶纳米晶磁芯在切割速度20～25mm/s时可获得宽度一致性较好的切缝。切割速度过小会形成较大的切缝宽度，厚度方向上切缝宽度更加不均匀（图2、3、4）。该项研究为改进铁基非晶纳米晶磁芯的切割工艺提供理论依据。

该项工作得到了国家自然科学基金资助项目(5207010885)的支持。

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