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激光切割——铁氧体加工新趋势

什么是铁氧体材料?

铁氧体是一种含有铁元素的复合氧化物材料。随着20世纪40年代无线电技术的发展,铁氧体磁性材料由于具有高电阻率、较强的介电性能以及在高频时具有较高的磁导率等优点,得到了广泛的应用。

在生产工艺上,铁磁体性能好、成本低、工艺简单、又能节省大量贵金属,已成为高频弱电领域中很有前景的一种非金属磁性材料[1]。有文献报道显示,稀土等轴尖晶石型及石榴石型磁性材料的研制,在某些方面提高了单相铁氧体材料的电磁性能[2]。

目前无线充电领域中广泛使用的是基于法拉第电磁感应原理的Qi标准,其定义框架对应使用设备的工作频率通常在110~205 kHz高频段[3],这十分有利于铁氧体发挥其高频高磁导率的优势。以软磁铁氧体材料制作成的隔磁片,在无线充电系统中起着增高感应磁场和屏蔽线圈磁场,防止金属电池中形成涡流损耗发热的作用[4]。铁氧体隔磁片的种类分为硬磁片和软磁片。硬磁片由高温烧结而成的铁氧体片,具有较高的导磁率,材质坚硬易开裂,常用在无线充电的发射端。而软磁片则是由合金磁粉添加到塑胶或橡胶中,再经加工成型制成。软磁片材质较柔软,厚度非常薄,可根据无线充电方案所需隔磁片的形状尺寸进行冲切,定制度较高,常用于无线充电接收端,如图1。

图1 铁氧体隔磁片在无线充电接收端和发射端的应用

2激光切割:铁氧体加工的新趋势

激光诞生于20世纪60年代,经过50多年来的发展,已经成为了现代信息社会光电子产业的重要支柱。激光加工作为一种先进制造技术,实现了光、机、电技术相结合,目前正处于向传统制造技术工艺过程积极渗透的阶段[5-6],已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门,对提高产品质量、劳动生产率和自动化,减少材料消耗,实现零污染等起到越来越重要的作用。

激光加工通常以切割为主。激光切割是利用经聚焦获得的高功率密度激光束照射工件,使材料被照射的区域迅即达到熔点,使之溶化和烧蚀,同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质,从而实现割开工件的一种热切割方法[7-8]。

激光切割具有许多优点:

缝窄(0.11 mm~0.15 mm),节省材料;

工件热变形小;

只需定位而不需夹紧、划线,工件无机械应力及表面损伤;

能切割脆性材料和极软、极硬的材料;

切口平行度好、切边洁净,可直接用于焊接;

切割速度高(可达10 m/min以上);

易于实现数控或计算机控制,并可多工位操作等。

由于铁氧体隔磁片是一种硬度较高的磁片材料,来料为块状,需要进行覆膜后裁切,材料硬度较大,用传统的加工方法容易伤刀,且片材的加工效率较低。因此采用激光加工成为了铁氧体加工新的趋势。

3新型激光加工工艺方案

光学系统的特光学系统是激光加工的核心,高性能的激光器和配套光学组件确保了光斑均匀性和加工性能,实现了良好的加工效果。

1) 光学系统

图2 加工光路简易图

图2是加工光路简易图。其中激光器为华日激光C系列35 W绿光激光器(图3),通过华日定制的扫描系统将激光器出射光进行聚焦和扫描,可以实现随加工表面的不断变化,实现激光焦距的联动,从而对铁氧体进行切割加工。

图3 华日C系列35 W绿光激光器外观图

2) 激光器的光学特性

激光器上升特性、光斑效果、M2趋势等光学特性的试验结果如图4、5、6所示。图7展示了激光器功率随重复频率变化的规律。

图4 激光器上升沿曲线
图5 激光器的光斑
图6 激光器的M2数据
图7 激光器功率随重复频率变化规律图

由上图表所示,华日C系列35 W绿光激光器上升沿良好,功率随着重复频率的变化始终稳定在30-40 W之间,激光器的兼容性好,同时输出的光斑圆度大于90%,M2小于1.2,具有较好的光束质量。

采用华日激光C系列35 W绿光激光器对铁氧体隔磁片进行切割加工,制定的参数为重复频率在100-250 kHz,脉宽在0.5-1.0μs,扫描速度在2500-3000 mm/s,加工次数为80-100次,CT时间在2 min左右。

5结论

通过上图,我们可以看到,采用该套工艺参数,华日C系列35 W绿光激器对铁氧体隔磁片的切割效率快,切割效果佳,切割边缘有轻微的热影响,如图8所示。

图8 铁氧体切割效果示意图

参考文献

[1] 李萌远,李国栋.铁氧体物理学.北京:北京出版社,1978.

[2] Tsang-Tse Fang,Hwang J B,Shiau F S.Conductivity mecharism of La3+doped M-type calcium ferrite[J]. Journal of Materials Science letters,1992,11(18):1217~1218.

[3] 陈新,张桂香.电磁感应无线充电的联合仿真研究[J].电子测量与仪器学报2014,28(4):434-440.

[4] 陈德清.电动汽车无线充电系统损耗分析及结构优化[D].北京:中国科学院大学,2015.

[5] 邱小林.激光熔覆TiC金属基陶瓷涂层的研究[J].热加工工艺,2006,35(10):19-22.

[6] 唐英,杨杰.激光熔覆镍基粉末涂层的研究[J].热加工工艺,2004,(2):16- 17.

[7] Fomin V M,Malikov A G,Orishich A M,et al.Similarity of Heat Fluxes upon Laser Oxygen Cutting of Steel [J].TECHNICAL PHYSICS(S1028-3358),2011,436(2):184-187.

[8] 洪蕾,米承龙,李力钧.底部气流对CO2激光切割硅钢切口质量的影响[J].光学学报,2008,28(3):522-527.HONG Lei,MI Cheng-long,LI Li-jun.Influence of Gas Flow under Workpiece in CO2Laser Cutting Silicon Steel[J].ACTA OPTICA SINICA,2008,28(3):522-527.

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