CN102218607A - 块体非晶合金的脉冲激光切割方法 - Google Patents

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Abstract

一种块体非晶合金的脉冲激光切割方法，该块体非晶合金具有临界冷却速度和玻璃态转化温度，其包括以下步骤：将块体非晶合金的待切割部位置于冷却保护气体氛围中；采用脉冲激光切割该块体非晶合金的待切割部位，以形成切割面，其中在一个激光脉冲周期的高电平的时间内，加热块体非晶合金的待切割部位至熔点之上；在该激光脉冲周期的低电平的时间内，以高于临界冷却速度的速度冷却切割面至玻璃态转化温度以下；及去除切割面上在切割时产生的毛刺。上述块体非晶合金的切割方法可使得切割面仍然保持非晶态。

Description

块体非晶合金的脉冲激光切割方法
技术领域
本发明涉及一种非晶合金的切割方法，尤其涉及一种块体非晶合金的脉冲激光切割方法。
背景技术
在足够高的冷却速度下，液态合金可避免通常的结晶过程，而过冷至某一温度(一般称玻璃态转化温度Glass transition temperature)以下时，其内部原子冻结在还是液态时所处的位置附近，从而形成非晶合金(Amorphousalloy，metallic glass)。块体非晶合金(Bulk metallic glass)通常是指最小合成厚度或直径大于等于1毫米的非晶合金。块体非晶合金以其高的强度、韧性、耐磨性、耐蚀性、优良的软磁性和超导特性等特点，在电子、机械、化工等行业得到了广泛应用。
在制造结构较为复杂的块体非晶合金产品时，通常需要先通过浇铸或压铸等方式制造出预成品，然后通过切割的方式将预成品加工成产品。常见的切割方法有如下几种：(1)使用刀具或砂轮进行机械切割；(2)线切割；(3)激光切割。然而，由于非晶合金硬度较高，采用机械切割的方法加工时刀具磨损情况十分严重，且加工精度较低，难以达到微米级。线切割的缺点是切割表面质量粗糙，有明显的切割纹路；且加工速度较慢，不适合大规模批量生产。
请参阅图11，所示为使用传统的激光切割方法对块体非晶合金样品进行切割后样品切割面的照片。由图11可知，由于激光的能量较高，在加工过程中容易在局部产生热效应，导致切割面产生晶化变性、溅污以及毛刺等缺陷，极大影响切割后产品的机械性能及外观质量。
发明内容
鉴于上述状况，有必要提供一种使块体非晶合金切割后仍保持非晶态的切割方法。
一种块体非晶合金的脉冲激光切割方法，该块体非晶合金具有临界冷却速度和玻璃态转化温度，其包括以下步骤：将块体非晶合金的待切割部位置于冷却保护气体氛围中；采用脉冲激光切割该块体非晶合金的待切割部位，以形成切割面，其中在一个激光脉冲周期的高电平的时间内，加热块体非晶合金的待切割部位至熔点之上；在该激光脉冲周期的低电平的时间内，以高于临界冷却速度的速度冷却切割面至玻璃态转化温度以下；及去除切割面上在切割时产生的毛刺。
上述块体非晶合金的切割方法采用脉冲激光，其每个脉冲周期内具有一段冷却时间，可于该冷却时间内利于冷却保护气体对切割面进行高于临界冷却速度的冷却散热，以使切割面仍然保持非晶态。
附图说明
图1是采用本发明实施例的方法对块体非晶合金进行切割的状态示意图。
图2为本发明实施例块体非晶合金的脉冲激光切割方法的流程图。
图3至图9分别为采用本发明块体非晶合金的脉冲激光切割方法实施例1至实施例7所获得的块体非晶合金切割面的照片。
图10为采用本发明块体非晶合金的脉冲激光切割方法实施例4所获得的块体非晶合金的切割面的X射线衍射图片。
图11为使用传统的切割方法对非晶合金进行切割后样品切割面的照片。
主要元件符号说明
  样品   10
  切割面   11
  毛刺   12
  脉冲激光器   20
  冷却保护气体输出设备   30
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明的块体非晶合金的脉冲激光切割方法作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明实施的块体非晶合金的脉冲激光切割方法包括以下步骤：
步骤S1，请一并参阅图2，提供一薄板状块体非晶合金样品10，并将该样品10置于冷却保护气体输出设备30的下方。样品10的材质为锆-铜-铝-镍系合金、锆-铜-铝-镍-钛系合金、锆-铜-铝-镍-铌系合金、锆-铜-镍-钛-铍系合金、锆-铜-铝-镍-铍系合金及锆-铜-铝-钛-铍系合金等块体非晶合金中的一种。样品10具有玻璃态转化温度(Tg)及临界冷却速度(Rc)，其厚度为0.2毫米至10毫米。开启冷却保护气体输出设备30，使冷却保护气体吹向样品10的待切割部位，由此该待切割部位置于冷却保护气体氛围中。
步骤S2，使用脉冲激光器20所产生的高能量密度的脉冲激光，在冷却保护气体的配合下切割样品10的待切割部位，以形成切割面11。其中，脉冲激光器20可为CO2型激光器或Nd:YAG型激光器，脉冲激光发射的方向与冷却保护气体流动的方向相同。具体来说，在一个脉冲周期内，首先在高电平的时间内，将样品10的待切割部位的加热至熔点之上，并使熔融材料在一定压力的冷却保护气体的作用下吹向切割面11一侧边缘，冷却形成毛刺12；然后在低电平的时间内，在冷却保护气体的作用下，将切割面11冷却至样品10的玻璃态转化温度以下，且冷却速度应大于样品10的临界冷却速度。本实施方式中，脉冲激光峰值功率为0.2千瓦至5千瓦；脉冲激光的频率为100赫兹至300赫兹；脉冲激光的脉冲宽度为0.2微秒至1.5微秒；切割速度大于3毫米/秒。冷却保护气体为氩气、氦气及氮气等冷却气体。
步骤S3，去除毛刺12，以得到光滑、平整的切割面11。可使用机械方式或电化学法来去除毛刺12。
以下通过具体实施例来对本发明作进一步说明。
实施例1至7为材质完全相同的块体非晶合金样品(组成为：锆-铜-镍-铌-铝)，使用如表1所示的不同工艺参数进行切割。实施例1至7的切割面的外观照片如图3至图9所示。切割完毕后，通过检测切割面的表面光洁情况及毛刺情况以评价切割质量。其中：切割面质量等级是根据样品切割面竖直痕迹粗细，粗糙程度确定，共1-5级，等级越高，竖直条纹越细，表面越平滑。毛刺等级是根据样品单位切割面长度上毛刺数量和毛刺平均长度量化后确定，共1-5级，等级越高，毛刺数量越少且长度较短。
表1不同工艺参数对块体非晶合金样品所产生的影响
  工艺参数   实施例1   实施例2   实施例3   实施例4  实施例5   实施例6   实施例7
  样品厚度(mm) 0.2 0.2 0.2 5 5 10 10
  峰值功率(KW) 0.2 0.2 0.2 3 3 3 5
  切割速度(mm/s) 32 20 10 20 20 20 20
  脉宽(ms)   0.2   0.2   0.2   1   1   1.5   1.5
  频率(Hz)   100   100   100   180   250   300   300
  切割质量等级 5 3 2 3 4 3 5
  毛刺数量   2   2   2   5   4   3   4
由图3至图9及表1可以得到如下结论：
(1)在其他条件相同的情况下，随着切割速度的降低，切割质量变差。
(2)在其他条件相同的情况下，随着频率的升高，切割质量变好；但频率过高会造成毛刺增多。
(3)在其他条件相同的情况下，随着功率的升高，切割质量变好，且毛刺细小而致密，易于去除。
请参阅图10，所示为实施例4的切割面的X射线衍射图片。图中横轴为衍射角度，纵轴为衍射波的强度。从图10可知：切割面的衍射图样无明显衍射峰，全部为漫散峰，说明样品10经过激光切割后并没有被晶化。
本发明的块体非晶合金的切割方法采用脉冲激光，每个脉冲周期内具有一段冷却时间，可于该冷却时间内充分利于冷却保护气体对切割面进行高速的冷却散热，以使切割面仍然保持非晶态。由于采用高精度的激光切割，本发明的切割方法的切割精度可达±0.1毫米之内，可满足精密工程设计的要求。另外，本发明的切割方法的切割速度较快，加工效率较高，非常适合大规模工业生产使用。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内作其它变化，当然，这些依据本发明精神所作的变化，都包含在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种块体非晶合金的脉冲激光切割方法，该块体非晶合金具有临界冷却速度和玻璃态转化温度，其包括以下步骤：
将该块体非晶合金的待切割部位置于冷却保护气体氛围中；
采用脉冲激光切割该块体非晶合金的待切割部位，以形成切割面，其中在一个激光脉冲周期的高电平的时间内，加热该块体非晶合金的待切割部位至熔点之上；在该激光脉冲周期的低电平的时间内，以高于该临界冷却速度的速度冷却该切割面至该玻璃态转化温度以下；及
去除该切割面上在切割时产生的毛刺。
2.如权利要求1所述的切割方法，其特征在于：该冷却保护气体沿与该脉冲激光发射相同的方向吹向该块体非晶合金待切割部位，以使该毛刺形成于该切割面的边缘。
3.如权利要求1所述的切割方法，其特征在于：该块体非晶合金选自锆-铜-铝-镍系合金、锆-铜-铝-镍-钛系合金、锆-铜-铝-镍-铌系合金、锆-铜-镍-钛-铍系合金、锆-铜-铝-镍-铍系合金及锆-铜-铝-钛-铍系合金中的一种。
4.如权利要求3所述的切割方法，其特征在于：该样品的厚度为0.2毫米至10毫米。
5.如权利要求4所述的切割方法，其特征在于：该脉冲激光峰值功率为0.2千瓦至5千瓦。
6.如权利要求4所述的切割方法，其特征在于：切割速度大于3毫米/秒。
7.如权利要求4所述的切割方法，其特征在于：该脉冲激光的频率为100赫兹至300赫兹。
8.如权利要求4所述的切割方法，其特征在于：该脉冲激光的脉冲宽度为0.2微秒至1.5微秒。
9.如权利要求1所述的切割方法，其特征在于：该冷却保护气体为氦气、氩气及氮气中的一种。
10.如权利要求1所述的切割方法，其特征在于：该去除毛刺步骤为使用机械方式或电化学法去除毛刺。
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