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什么是鐵氧體材料？

鐵氧體是一種含有鐵元素的復(fù)合氧化物材料。隨著20世紀(jì)40年代無線電技術(shù)的發(fā)展，鐵氧體磁性材料由于具有高電阻率、較強的介電性能以及在高頻時具有較高的磁導(dǎo)率等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。

在生產(chǎn)工藝上，鐵磁體性能好、成本低、工藝簡單、又能節(jié)省大量貴金屬，已成為高頻弱電領(lǐng)域中很有前景的一種非金屬磁性材料^[1]。有文獻(xiàn)報道顯示，稀土等軸尖晶石型及石榴石型磁性材料的研制，在某些方面提高了單相鐵氧體材料的電磁性能^[2]。

目前無線充電領(lǐng)域中廣泛使用的是基于法拉第電磁感應(yīng)原理的Qi標(biāo)準(zhǔn)，其定義框架對應(yīng)使用設(shè)備的工作頻率通常在110～205 kHz高頻段^[3]，這十分有利于鐵氧體發(fā)揮其高頻高磁導(dǎo)率的優(yōu)勢。以軟磁鐵氧體材料制作成的隔磁片，在無線充電系統(tǒng)中起著增高感應(yīng)磁場和屏蔽線圈磁場，防止金屬電池中形成渦流損耗發(fā)熱的作用^[4]。

鐵氧體隔磁片的種類分為硬磁片和軟磁片。硬磁片由高溫?zé)Y(jié)而成的鐵氧體片，具有較高的導(dǎo)磁率，材質(zhì)堅硬易開裂，常用在無線充電的發(fā)射端。而軟磁片則是由合金磁粉添加到塑膠或橡膠中，再經(jīng)加工成型制成。軟磁片材質(zhì)較柔軟，厚度非常薄，可根據(jù)無線充電方案所需隔磁片的形狀尺寸進行沖切，定制度較高，常用于無線充電接收端，如圖1。

圖1 鐵氧體隔磁片在無線充電接收端和發(fā)射端的應(yīng)用

激光切割：鐵氧體加工的新趨勢

激光誕生于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過50多年來的發(fā)展，已經(jīng)成為了現(xiàn)代信息社會光電子產(chǎn)業(yè)的重要支柱。激光加工作為一種先進制造技術(shù)，實現(xiàn)了光、機、電技術(shù)相結(jié)合，目前正處于向傳統(tǒng)制造技術(shù)工藝過程積極滲透的階段^[5-6]，已廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等國民經(jīng)濟重要部門，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率和自動化，減少材料消耗，實現(xiàn)零污染等起到越來越重要的作用。

激光加工通常以切割為主。激光切割是利用經(jīng)聚焦獲得的高功率密度激光束照射工件，使材料被照射的區(qū)域迅即達(dá)到熔點，使之溶化和燒蝕，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實現(xiàn)割開工件的一種熱切割方法^[7-8]。

激光切割具有許多優(yōu)點：

★ 縫窄(0.11 mm～0.15 mm)，節(jié)省材料；

★ 工件熱變形??；

★ 只需定位而不需夾緊、劃線，工件無機械應(yīng)力及表面損傷；

★ 能切割脆性材料和極軟、極硬的材料；

★ 切口平行度好、切邊潔凈，可直接用于焊接；

★ 切割速度高(可達(dá)10 m/min以上)；

★ 易于實現(xiàn)數(shù)控或計算機控制，并可多工位操作等。

由于鐵氧體隔磁片是一種硬度較高的磁片材料，來料為塊狀，需要進行覆膜后裁切，材料硬度較大，用傳統(tǒng)的加工方法容易傷刀，且片材的加工效率較低。因此采用激光加工成為了鐵氧體加工新的趨勢。

新型激光加工工藝方案

光學(xué)系統(tǒng)的特光學(xué)系統(tǒng)是激光加工的核心，高性能的激光器和配套光學(xué)組件確保了光斑均勻性和加工性能，實現(xiàn)了良好的加工效果。

1）光學(xué)系統(tǒng)

圖2 加工光路簡易圖

圖2是加工光路簡易圖。其中激光器為華日激光C系列35 W綠光激光器（圖3），通過華日定制的掃描系統(tǒng)將激光器出射光進行聚焦和掃描，可以實現(xiàn)隨加工表面的不斷變化，實現(xiàn)激光焦距的聯(lián)動，從而對鐵氧體進行切割加工。

圖3 華日C系列35 W綠光激光器外觀圖

2）激光器的光學(xué)特性

激光器上升特性、光斑效果、M²趨勢等光學(xué)特性的試驗結(jié)果如圖4、5、6所示。圖7展示了激光器功率隨重復(fù)頻率變化的規(guī)律。

圖4 激光器上升沿曲線

圖5 激光器的光斑

圖6 激光器的M²數(shù)據(jù)

圖7 激光器功率隨重復(fù)頻率變化規(guī)律圖

由上圖表所示，華日C系列35 W綠光激光器上升沿良好，功率隨著重復(fù)頻率的變化始終穩(wěn)定在30-40 W之間，激光器的兼容性好，同時輸出的光斑圓度大于90%，M²小于1.2，具有較好的光束質(zhì)量。

表1 工藝參數(shù)表

采用華日激光C系列35 W綠光激光器對鐵氧體隔磁片進行切割加工，制定的參數(shù)為重復(fù)頻率在100-250 kHz，脈寬在0.5-1.0μs，掃描速度在2500-3000 mm/s，加工次數(shù)為80-100次，CT時間在2 min左右。

結(jié)論

通過上圖，我們可以看到，采用該套工藝參數(shù)，華日C系列35 W綠光激器對鐵氧體隔磁片的切割效率快，切割效果佳，切割邊緣有輕微的熱影響，如圖8所示。

圖8 鐵氧體切割效果示意圖

參考文獻(xiàn)

[1] 李萌遠(yuǎn),李國棟.鐵氧體物理學(xué).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] 陳新,張桂香.電磁感應(yīng)無線充電的聯(lián)合仿真研究[J].電子測量與儀器學(xué)報2014,28(4):434－440.

[4] 陳德清.電動汽車無線充電系統(tǒng)損耗分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].北京:中國科學(xué)院大學(xué),2015.

[5] 邱小林.激光熔覆TiC金屬基陶瓷涂層的研究[J].熱加工工藝,2006,35(10):19-22.

[6] 唐英,楊杰.激光熔覆鎳基粉末涂層的研究[J].熱加工工藝,2004,(2):16- 17.

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[8] 洪蕾,米承龍,李力鈞.底部氣流對CO₂激光切割硅鋼切口質(zhì)量的影響[J].光學(xué)學(xué)報,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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激光切割——鐵氧體加工新趨勢