激光切割钕铁硼磁性材料数值模拟与实验研究

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钕铁硼磁性材料是迄今为止磁力最强的永磁材料,有着高磁能积、高剩磁密度、高矫顽力等优质特性,以优越的磁性能广泛应用于能源、交通、机械、医疗、IT等行业。随着科学技术的不断提升和制造产业市场的扩充,钕铁硼磁性材料在更多的领域有了新的发展空间,需求量大幅提升。目前加工钕铁硼磁性材料更多的仍是传统切削、钻削、磨削及电火花线切割等手段,效率低下,激光切割作为一种新型的加工方式,以其独特的非接触性和高效率等优点脱颖而出。激光的热效应作用具体表现在切割过程中温度与应力的变化,对切割质量与材料结构有一定的影响,结构变化又可能对材料性能有所影响,故对激光切割钕铁硼磁性材料机理做全面深入的研究,主要从数值模拟、实验研究和显微组织及性能三个方面进行研究。具体内容如下:首先,分析激光切割钕铁硼磁性材料过程中,温度变化对材料内部结构的影响,体现在材料内部磁畴的断裂与瓦解。在ANSYS软件中建立激光切割钕铁硼磁性材料有限元模型,求解得到温度场分布及加工参数对温度场影响的规律,激光切割最高温度集中在热源中心处,温度随激光功率、脉冲宽度的增大而增大,随切割速度的减小而增大。间接法求解得到应力场分布及变化规律,发现最大应力和变形都集中在热源前进移动的方向上,变化规律与温度场相同。其次,在不同类型辅助气体(N2和O2)作用下,进行激光切割2mm厚钕铁硼磁性材料实验,通过切缝宽度、挂渣量、倾斜角和观察表面宏观形貌来研究不同辅助气体、加工参数对切割质量的好坏和影响规律。对比实验结果发现,氮气作为辅助气体时,切割质量更好,得出加工参数对切割质量各指标的影响规律。通过实验测得的切缝宽度数据与仿真分析的结果作对比,验证了仿真分析的准确性及可靠性。最后,为进一步研究激光切割钕铁硼磁性材料的切割质量及切割过程中切缝形貌的演变规律,从凝固方式、元素含量、显微硬度等方面对激光切割钕铁硼磁性材料切缝区域的显微组织形貌进行系统全面的分析评估。从微观角度上看,重熔层、热影响区的表面形貌、组织成分、元素含量和显微硬度与基体本身的均不同,氮气下重熔层的表面形貌氧化程度和烧蚀情况较轻,O元素含量更低,切缝面的表面形貌晶粒尺寸分布较均匀,激光功率和脉冲宽度对显微组织有一定的影响。从重熔层到基体,显微硬度从575HV到530HV逐渐降低。
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