CN103878482B - 非晶合金的激光切割方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及非晶合金的切割技术领域，特别是涉及非晶合金的激光切割方法，其包括以下步骤：在冷却惰性气氛保护下，采用脉冲激光或连续波激光对非晶合金的切割部位进行熔融切割，以形成切割面；在激光切割的过程中，冷却惰性气氛同时沿与激光发射方向相同和相反的两个方向吹向非晶合金的切割部位，并将切割部位的熔融材料吹掉，并冷却形成切割面；激光切割参数的选择原则：以TTT图为基准，根据非晶合金的切割部位的厚度来选择激光切割条件，以使得非晶合金的切割部位在不发生晶化反应的状况下完成切割。本发明由于采用双侧吹气的方式，能够大大减少切割面的毛刺数量与毛刺尺寸，使得切割面的毛刺尺寸非常小，并且提高切割面的质量。
Description
技术领域
本发明涉及非晶合金的切割技术领域，特别是涉及非晶合金的激光切割方法。
背景技术
非晶合金因具有强度、硬度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性、软磁性和超导性等方面的优良特性，其在电子、机械、化工等领域都得到了广泛应用。然而，非晶合金的脆性很高，因此易碎裂。由于非晶合金具有硬度高和易碎裂的特性，从而使得非晶合金的加工切割非常困难。
现有的切割非晶合金的方法包括：（1）使用刀具或砂轮进行机械切割；（2）线切割；（3）激光切割。上述切割方法中，对于使用刀具或砂轮进行的机械切割，由于非晶合金硬度和脆性高，切割过程中不但非晶合金容易碎裂，而且刀具极易磨损，另外，该机械切割的加工精度较低，难以达到微米级。对于线切割，其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。
对于激光切割，CN102218607A中公开了块体非晶合金的脉冲激光切割方法，该方法在切割非晶合金时，其冷却保护气体是沿与激光发射方向相同的方向吹向该非晶合金待切割部位，即冷却保护气体为单侧吹向切割部位，该单向吹气方式使得切割部位留下的毛刺的数量较多，且毛刺的尺寸较大，从而大大降低了切割面的质量。而且，该专利申请中所使用的激光只局限于脉冲激光，其对焊接条件的参数选择范围比较小，即焊接条件所受的限制比较大，无疑增加了非晶合金的切割难度。并且，该专利申请的切割只局限于锆基非晶合金，大大限制了其切割工艺的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足之处而提供非晶合金的激光切割方法。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。
提供非晶合金的激光切割方法，包括以下步骤：
在冷却惰性气氛保护下，采用脉冲激光或连续波激光对非晶合金的切割部位进行熔融切割，以形成切割面；
在激光切割的过程中，所述冷却惰性气氛同时沿与激光发射方向相同和相反的两个方向吹向所述非晶合金的切割部位，并将所述切割部位的熔融材料吹掉，并冷却形成所述切割面；
激光切割参数的选择原则：以TTT图为基准，根据所述非晶合金的切割部位的厚度来选择激光切割条件，以使得所述非晶合金的切割部位在不发生晶化反应的状况下完成切割。
所述非晶合金包括锆基非晶合金、铜基非晶合金、钛基非晶合金和铁基非晶合金。
所述锆基非晶合金包括Zr-Cu-Ni-Al-Nb系合金或Zr-Cu-Ni-Al-Sn系合金。
所述铜基非晶合金包括Cu-Zr-Ti-Ni系合金或Cu-Zr-Ti-Ni-Sn系合金。
所述激光切割条件包括激光形式、激光功率、切割速度和惰性气氛保护气体种类及压力。
所述非晶合金的切割部位的厚度为0.1mm~20mm的情况下，所述激光形式为脉冲激光或连续波激光，所述激光功率为0.1KW~8KW，所述切割速度为大于1mm/s，所述惰性气氛的吹气压力为0.1Pa~5Pa。
所述惰性气氛为惰性气体或氮气。
所切割的非晶合金中，切割面的毛刺厚度小至0.01mm。
其中，本发明所述的TTT图是指温度时间转变图，本发明所述的TTT图如附图4所示。当加热曲线达到Tm（熔点）以上后进行冷却，并且加热曲线和冷却曲线均不可碰触到晶化区域4。其中，在焊接过程中，只要不碰触到晶化区域4，即非晶合金的切割部位不发生晶化反应的状况下完成切割，即在非晶化区域5中选择切割参数均可，多种切割参数均能使切割面的质量好。
本发明的有益效果：
（1）本发明提供的非晶合金的激光切割方法，由于在激光切割的过程中，冷却惰性气氛同时沿与激光发射方向相同和相反的两个方向吹向非晶合金的切割部位，即冷却惰性气氛分别在非晶合金的切割部位的两侧同时吹向非晶合金的切割部位，并将切割部位的熔融材料吹掉，并冷却形成切割面，从而相对于单侧吹向切割部位的现有技术，本发明能够大大减少切割面的毛刺数量与毛刺尺寸，使得切割面的毛刺尺寸非常小，并且大大提高切割面的质量。
（2）本发明提供的非晶合金的激光切割方法，具有广泛的激光切割参数选择范围，对激光切割条件的参数选择范围比较大，即激光切割条件所受的限制比较小，在切割过程中，以TTT图为基准，只要不碰触到晶化区，即非晶合金的切割部位在不发生晶化反应的状况下完成切割，多种切割参数均能减少切割面的毛刺数量与毛刺尺寸，并且使切割面的质量好。
（3）利用本发明提供的非晶合金的激光切割方法，所切割的非晶合金中，切割面的毛刺厚度小至0.02mm，并且切割面的质量非常好。
（4）本发明提供的非晶合金的激光切割方法，所切割的非晶合金，利用XRD（X射线衍射）分析和金相显微镜观察切割部位，发现仍然为非晶组织，这种现象说明了所切割的非晶合金没有发生晶化反应，并且切割面的质量好。
（5）本发明提供的非晶合金的激光切割方法，具有方法简单，能够适用于大规模生产的特点。
附图说明
图1是本发明的非晶合金的激光切割方法在切割非晶合金的结构示意图。
图2是利用XRD分析非晶合金的切割面的XRD图。
图3是利用金相显微镜对非晶合金的切割面放大100倍进行金相观察的结果图。
图4是本发明的非晶合金的激光切割方法的TTT图。
在图1至图4中包括有：
1——非晶合金、11——切割面、
2——激光发射装置、
3——第二气体喷射装置、
4——晶化区域、
5——非晶化区域。
具体实施方式
本发明提供的非晶合金的激光切割方法，包括以下步骤：
在冷却惰性气氛保护下，采用脉冲激光或连续波激光对非晶合金的切割部位进行熔融切割，以形成切割面；
其中，在激光切割的过程中，冷却惰性气氛同时沿与激光发射方向相同和相反的两个方向吹向非晶合金的切割部位（即双侧吹气方式），并将切割部位的熔融材料吹掉，并冷却形成切割面；
激光切割参数的选择原则：以TTT图为基准，根据非晶合金的切割部位的厚度来选择激光切割条件，以使得非晶合金的切割部位在不发生晶化反应的状况下完成切割。激光切割条件包括激光形式、激光功率、切割速度和惰性气氛保护气体种类及压力。
其中，惰性气氛为惰性气体或氮气，惰性气体包括氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气。
其中，上述双侧吹气方式的具体方式为，激光通过激光发射装置2发出，沿与激光发射方向相同的方向吹向非晶合金的切割部位的惰性气氛同时由激光发射装置2喷出，沿与激光发射方向相反的方向吹向非晶合金的切割部位的惰性气氛通过第二气体喷射装置3喷出。本发明的具体实施方式，见图1，但不局限于本具体实施方式：激光发射装置2设置于非晶合金1的上方，且激光发射装置2的激光发射出口和惰性气氛喷射出口均正对着非晶合金1的切割部位，第二气体喷射装置3设置于非晶合金1的下方，且第二气体喷射装置3的喷射出口正对着非晶合金1的切割部位，切割完成后，最终形成切割面11。当然，根据实际生产的需要，激光发射装置2和第二气体喷射装置3也可以分别设置于非晶合金1的左右两侧。
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
其中，本发明所述的非晶合金包括所有种类的非晶合金，并不局限于本发明实施例中所举例的非晶合金种类。
其中，毛刺数量为1~2时，为少量；毛刺数量为3时，为中量；毛刺数量为4以上，为多量。切割面质量的评价是根据毛刺厚度和毛刺数量分为优、中、差。
实施例1。
本实施例的待切割的非晶合金1为锆基非晶合金，具体为Zr-Cu-Ni-Al-Nb系合金。其中，非晶合金1的切割部位的厚度为0.5mm。
本实施例的激光切割条件包括：惰性气氛为氦气，激光形式为脉冲激光，激光功率为0.3KW，切割速度为27mm/s，惰性气氛保护气体压力为0.25MPa。
切割结果：切割面11的毛刺厚度为0.01mm，毛刺数量为1，切割面质量评价为优。
实施例2。
本实施例的待切割的非晶合金1为锆基非晶合金，具体为Zr-Cu-Ni-Al-Sn系合金。其中，非晶合金1的切割部位的厚度为0.5mm。
本实施例的激光切割条件包括：惰性气氛为氖气，激光形式为连续波激光，激光功率为0.3KW，切割速度为27mm/s，惰性气氛保护气体压力为0.25MPa。
切割结果：切割面11的毛刺厚度为,0.02mm，毛刺数量为1，切割面质量评价为优。
实施例3。
本实施例的待切割的非晶合金1为铜基非晶合金，具体为Cu-Zr-Ti-Ni系合金。其中，非晶合金1的切割部位的厚度为1mm。
本实施例的激光切割条件包括：惰性气氛为氩气，激光形式为连续波激光，激光功率为0.4KW，切割速度为22mm/s，惰性气氛保护气体压力为0.3MPa。
切割结果：切割面11的毛刺厚度为,0.03mm，毛刺数量为1，切割面质量评价为优。
实施例4。
本实施例的待切割的非晶合金1为铜基非晶合金，具体为Cu-Zr-Ti-Ni-Sn系合金。其中，非晶合金1的切割部位的厚度为1.5mm。
本实施例的激光切割条件包括：惰性气氛为氪气，激光形式为连续波激光，激光功率为0.5KW，切割速度为17mm/s，惰性气氛保护气体压力为0.3MPa。
切割结果：切割面11的毛刺厚度为0.05mm，毛刺数量为2，切割面质量评价为优。
实施例5。
本实施例的待切割的非晶合金1为钛基非晶合金。其中，非晶合金1的切割部位的厚度为2mm。
本实施例的激光切割条件包括：惰性气氛为氙气，激光形式为脉冲激光，激光功率为0.55KW，切割速度为15mm/s，惰性气氛保护气体压力为0.33MPa。
切割结果：切割面11的毛刺厚度为,0.07mm，毛刺数量为2，切割面质量评价为优。
实施例6。
本实施例的待切割的非晶合金1为铁基非晶合金。其中，非晶合金1的切割部位的厚度为2mm。
本实施例的激光切割条件包括：惰性气氛为氡气，激光形式为连续波激光，激光功率为0.55KW，切割速度为12mm/s，惰性气氛保护气体压力为0.33MPa。
切割结果：切割面11的毛刺厚度为0.06mm，毛刺数量为2，切割面质量评价为优。
实施例7。
本实施例的待切割的非晶合金1为钛基非晶合金。其中，非晶合金1的切割部位的厚度为0.1mm。
本实施例的激光切割条件包括：惰性气氛为氮气，激光形式为脉冲激光，激光功率为0.1KW，切割速度为6mm/s，惰性气氛保护气体压力为0.1MPa。
切割结果：切割面11的毛刺厚度为,0.01mm，毛刺数量为1，切割面质量评价为优。
实施例8。
本实施例的待切割的非晶合金1为铁基非晶合金。其中，非晶合金1的切割部位的厚度为20mm。
本实施例的激光切割条件包括：惰性气氛为氦气，激光形式为连续波激光，激光功率为8KW，切割速度为30mm/s，惰性气氛保护气体压力为5MPa。
切割结果：切割面11的毛刺厚度为,0.04mm，毛刺数量为2，切割面质量评价为优。
实施例9。
本实施例的待切割的非晶合金1为铜基非晶合金，具体为Cu-Zr-Ti-Ni-Sn系合金。其中，非晶合金1的切割部位的厚度为10mm。
本实施例的激光切割条件包括：惰性气氛为氖气，激光形式为连续波激光，激光功率为5KW，切割速度为22mm/s，惰性气氛保护气体压力为3MPa。
切割结果：切割面11的毛刺厚度为,0.03mm，毛刺数量为1，切割面质量评价为优。
实施例10。
本实施例的待切割的非晶合金1为锆基非晶合金，具体为Zr-Cu-Ni-Al-Nb系合金。其中，非晶合金1的切割部位的厚度为15mm。
本实施例的激光切割条件包括：惰性气氛为氙气，激光形式为脉冲激光，激光功率为3KW，切割速度为18mm/s，惰性气氛保护气体压力为2MPa。
切割结果：切割面11的毛刺厚度为,0.02mm，毛刺数量为1，切割面质量评价为优。
对比实验
针对本发明的非晶合金的激光切割方法，将本发明的双侧吹气方式改为单侧吹气方式，从而进行对比实验。单侧吹气方式：即为冷却惰性气氛沿与激光发射方向相同或者相反的一个方向吹向非晶合金的切割部位。具体对比实验如下：
对比实验1。
本对比实验的待切割的非晶合金为锆基非晶合金，具体为Zr-Cu-Ni-Al-Nb系合金。其中，非晶合金的切割部位的厚度为0.5mm。
本实施例的激光切割条件包括：惰性气氛为氦气，激光形式为脉冲激光，激光功率为0.3KW，切割速度为27mm/s，惰性气氛保护气体压力为0.25MPa。
切割结果：切割面的毛刺厚度为0.12mm，毛刺数量为4，切割面质量评价为中。
对比实验2。
本实施例的待切割的非晶合金1为铜基非晶合金，具体为Cu-Zr-Ti-Ni系合金。其中，非晶合金1的切割部位的厚度为1mm。
本实施例的激光切割条件包括：惰性气氛为氩气，激光形式为脉冲激光，激光功率为0.4KW，切割速度为22mm/s，惰性气氛保护气体压力为0.3MPa。
切割结果：切割面11的毛刺厚度为0.18mm，毛刺数量为5，切割面质量评价为差。
对比实验3。
本实施例的待切割的非晶合金1为铜基非晶合金，具体为Cu-Zr-Ti-Ni-Sn系合金。其中，非晶合金1的切割部位的厚度为1.5mm。
本实施例的激光切割条件包括：惰性气氛为氪气，激光形式为连续波激光，激光功率为0.5KW，切割速度为17mm/s，惰性气氛保护气体压力为0.3MPa。
切割结果：切割面11的毛刺厚度为,0.19mm，毛刺数量为5，切割面质量评价为差。
对比实验4。
本实施例的待切割的非晶合金1为钛基非晶合金。其中，非晶合金1的切割部位的厚度为2mm。
本实施例的激光切割条件包括：惰性气氛为氙气，激光形式为脉冲激光，激光功率为0.55KW，切割速度为15mm/s，惰性气氛保护气体压力为0.33MPa。
切割结果：切割面11的毛刺厚度为0.33mm，毛刺数量为5，切割面质量评价为差。
对比结果：
（1）将实施例1、实施例2和对比实验1进行对比，详细对比数据见表1。
表1实施例1、实施例2和对比实验1的对比数据表
| 实验 | 实施例1 | 实施例2 | 对比实验1 |
| 切割部位厚度（mm） | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 切割速度（mm/s） | 27 | 27 | 27 |
| 峰值功率 (KW) | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| 激光形式 | 脉冲 | 连续波 | 脉冲 |
| 吹气方式 (单侧/双侧) | 双侧 | 双侧 | 单侧 |
| 保护气体压力(Pa) | 0.25 | 0.25 | 0.25 |
| 毛刺厚度 (mm) | ,0.01 | 0.02 | 0.12 |
| 毛刺数量 | 1 | 1 | 4 |
| 切割面质量(差/中/优) | 优 | 优 | 中 |
由表1可知，对比实验1的激光切割条件与实施例1的激光切割条件相同，且对比实验1和实施例1均采用相同的非晶合金种类和惰性气氛种类，但是，由于对比实验1为单侧吹气方式，而实施例1和实施例2均采用双侧吹气方式，使得实施例1和实施例2的切割面的毛刺厚度值小，分别为0.01mm和0.02mm，毛刺数量均只为1，因此，实施例1和实施例2的切割面质量均为优。而对比实验1的毛刺厚度较实施例1和实施例2的毛刺厚度值大，为0.12mm，且毛刺数量为4，因此，对比实验1的切割面质量为中。从而说明了本发明采用的双侧吹气方式能够大大减少毛刺的厚度，并提高切割面的质量。
（2）将实施例3和对比实验2进行对比，详细对比数据见表2。
表2实施例3和对比实验2的对比数据表
| 实验 | 实施例3 | 对比实验2 |
| 切割部位厚度（mm） | 1 | 1 |
| 切割速度（mm/s） | 22 | 22 |
| 峰值功率 (KW) | 0.4 | 0.4 |
| 激光形式 | 连续波 | 脉冲 |
| 吹气方式 (单侧/双侧) | 双 | 单 |
| 保护气体压力(Pa) | 0.3 | 0.3 |
| 毛刺厚度 (mm) | 0.03 | 0.18 |
| 毛刺数量 | 1 | 5 |
| 切割面质量(差/中/优) | 优 | 差 |
由表2可知，对比实验2的激光切割条件与实施例3的激光切割条件基本相同，只是实施例3采用连续波激光，对比实验2采用脉冲激光，且对比实验1和实施例1均采用相同的非晶合金种类和惰性气氛种类，但是，由于对比实验2为单侧吹气方式，而实施例3采用双侧吹气方式，使得实施例3的切割面的毛刺厚度值小，为0.03mm，毛刺数量为1，因此，实施例3的切割面质量为优。而对比实验2的毛刺厚度较实施例3的毛刺厚度值大，为0.18mm，毛刺数量为5，因此，对比实验2的切割面质量为差。从而说明了本发明采用的双侧吹气方式能够大大减少毛刺的厚度，并提高切割面的质量。
（3）将实施例4和对比实验3进行对比，详细对比数据见表3。
表3实施例4和对比实验3的对比数据表
| 实验 | 实施例4 | 对比实验3 |
| 切割部位厚度（mm） | 1.5 | 1.5 |
| 切割速度（mm/s） | 17 | 17 |
| 峰值功率 (KW) | 0.5 | 0.5 |
| 激光形式 | 连续波 | 连续波 |
| 吹气方式 (单侧/双侧) | 双 | 单 |
| 保护气体压力(Pa) | 0.3 | 0.3 |
| 毛刺厚度 (mm) | 0.05 | 0.19 |
| 毛刺数量 | 2 | 5 |
| 切割面质量(差/中/优) | 优 | 差 |
由表3可知，对比实验3的激光切割条件与实施例4的激光切割条件相同，且对比实验3和实施例4均采用相同的非晶合金种类和惰性气氛种类，但是，由于对比实验3为单侧吹气方式，而实施例4采用双侧吹气方式，使得实施例4的切割面的毛刺厚度值小，为0.05mm，毛刺数量为2，因此，实施例4的切割面质量为优。而对比实验3的毛刺厚度较实施例4的毛刺厚度值大，为0.19mm，毛刺数量为5，因此，对比实验3的切割面质量为差。从而说明了本发明采用的双侧吹气方式能够大大减少毛刺的厚度，并提高切割面的质量。
（4）将实施例5、实施例6和对比实验4进行对比，详细对比数据见表4。
表4实施例5、实施例6和对比实验4的对比数据表
| 实验 | 实施例5 | 实施例6 | 对比实验4 |
| 切割部位厚度（mm） | 2 | 2 | 2 |
| 切割速度（mm/s） | 15 | 12 | 15 |
| 峰值功率 (KW) | 0.55 | 0.55 | 0.55 |
| 激光形式 | 脉冲 | 连续波 | 脉冲 |
| 吹气方式 (单侧/双侧) | 双 | 双 | 单 |
| 保护气体压力(Pa) | 0.33 | 0.33 | 0.33 |
| 毛刺厚度 (mm) | 0.07 | 0.06 | 0.33 |
| 毛刺数量 | 2 | 2 | 5 |
| 切割面质量(差/中/优) | 优 | 优 | 差 |
由表4可知，对比实验4的激光切割条件与实施例5的激光切割条件相同，且对比实验4和实施例5均采用相同的非晶合金种类和惰性气氛种类，但是，由于对比实验4为单侧吹气方式，而实施例5和实施例6均采用双侧吹气方式，使得实施例5和实施例6的切割面的毛刺厚度值小，分别为0.07mm和0.06mm，毛刺数量均为2，因此，实施例5和实施例6的切割面质量均为优。而对比实验4的毛刺厚度较实施例5和实施例6的毛刺厚度值大，为0.33mm，毛刺数量为5，因此，对比实验4的切割面质量为差。从而说明了本发明采用的双侧吹气方式能够大大减少毛刺的厚度，并提高切割面的质量。
性能测试
1、X射线衍射分析
对实施例1中非晶合金的切割面进行X射线衍射分析，见图2，该图显示切割面仍然为非晶组织，说明了非晶合金在切割前后没有发生晶化反应。
2、金相显微镜观察切割面
利用金相显微镜对实施例2中的非晶合金的切割面放大100倍进行金相观察，见图3，该图显示切割面仍然为非晶组织，说明非晶合金在切割前后没有发生晶化反应。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (7)
1.非晶合金的激光切割方法，其特征在于：包括以下步骤：
在冷却惰性气氛保护下，采用脉冲激光或连续波激光对非晶合金的切割部位进行熔融切割，以形成切割面；
在激光切割的过程中，所述冷却惰性气氛同时沿与激光发射方向相同和相反的两个方向吹向所述非晶合金的切割部位，并将所述切割部位的熔融材料吹掉，并冷却形成所述切割面；
激光切割参数的选择原则：以TTT图为基准，根据所述非晶合金的切割部位的厚度来选择激光切割条件，以使得所述非晶合金的切割部位在不发生晶化反应的状况下完成切割；
所切割的非晶合金中，切割面的毛刺厚度为0.01mm~0.07mm。
2.根据权利要求1所述的非晶合金的激光切割方法，其特征在于：所述非晶合金包括锆基非晶合金、铜基非晶合金、钛基非晶合金和铁基非晶合金。
3.根据权利要求2所述的非晶合金的激光切割方法，其特征在于：所述锆基非晶合金包括Zr-Cu-Ni-Al-Nb系合金或Zr-Cu-Ni-Al-Sn系合金。
4.根据权利要求2所述的非晶合金的激光切割方法，其特征在于：所述铜基非晶合金包括Cu-Zr-Ti-Ni系合金或Cu-Zr-Ti-Ni-Sn系合金。
5.根据权利要求1所述的非晶合金的激光切割方法，其特征在于：所述激光切割条件包括激光形式、激光功率、切割速度和惰性气氛保护气体种类及压力。
6.根据权利要求1所述的非晶合金的激光切割方法，其特征在于：所述非晶合金的切割部位的厚度为0.1mm~20mm的情况下，所述激光形式为脉冲激光或连续波激光，所述激光功率为0.1KW~8KW，所述切割速度为大于1mm/s，所述惰性气氛的吹气压力为0.1Pa~5Pa。
7.根据权利要求1所述的非晶合金的激光切割方法，其特征在于：所述惰性气氛为惰性气体或氮气。
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