CN104625432B - 一种钨钢薄片的激光切割方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钨钢薄片的激光切割方法及系统，激光切割方法包括以下步骤：1)将波长范围为950～1100nm的激光束聚焦处理后垂直入射到待切割的钨钢薄片的上表面，且所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于待切割的钨钢薄片的破坏阈值；2)在激光束沿切割路径切割的同时，向所述钨钢薄片表面的切割位置处辅助吹包含氯气、氧气和氮气的混合气体；切割完成后，在所述钨钢薄片的切割侧壁和下表面边缘处形成凝固态的熔渣；3)将切割开的钨钢薄片放入水中清洗，去除所述熔渣。本发明的钨钢薄片的激光切割方法及系统，切割效率高，切割边缘光滑，切割过程对产品的质量影响小。

Description

一种钨钢薄片的激光切割方法及系统
【技术领域】
本发明涉及钨钢薄片的切割方法，特别是涉及一种钨钢薄片的激光切割方法及系统。
【背景技术】
钨钢(硬质合金)具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度。目前，钨钢材料已被全球最著名PAD生产公司采用并应用于下一代PAD设备中。用于PAD设备中时，钨钢材料的外形尺寸要根据扬声器结构而定。因此需对钨钢材料进行切割加工。目前，对钨钢薄片的切割方法主要是机械加工方式，例如电动砂轮切割加工和电火花线切割。采用电动砂轮直接加工，存在材料浪费、效率低且不能加工非直线零件等问题。采用电火花线切割加工时，也存在切割速度低，效率不高，丝损较大的问题。更主要的是，由于钨钢的组成成份和电火花线切割加工环境特殊性，在加工过程中随之会带来一些钨钢工件切割表面改变的不利影响，即“软质层”的生成，导致钨钢表面由“硬”变“软”，失去硬质合金硬度较高的意义。综上，急需一种效率高且切割加工效果好的切割方法。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种钨钢薄片的激光切割方法及系统，切割效率高，切割边缘光滑，切割过程对产品的质量影响小。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种钨钢薄片的激光切割方法，包括以下步骤：1)将波长范围为950～1100nm的激光束聚焦处理后垂直入射到待切割的钨钢薄片的上表面，且所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于待切割的钨钢薄片的破坏阈值；2)在激光束沿切割路径切割的同时，向所述钨钢薄片表面的切割位置处辅助吹包含氯气、氧气和氮气的混合气体；切割完成后，在所述钨钢薄片的切割侧壁和下表面边缘处形成凝固态的熔渣；3)将切割开的钨钢薄片放入水中清洗，去除所述熔渣。
一种钨钢薄片的激光切割系统，包括激光器，扩束准直镜，聚焦模块、辅助吹气模块、工作台和水洗装置；所述激光器发出波长范围为950～1100nm的激光束，所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于待切割的钨钢薄片的破坏阈值；待切割的钨钢薄片置于所述工作台上；所述激光束经所述扩束准直镜和聚焦模块后聚焦于所述钨钢薄片的表面，所述辅助吹气模块用于向所述钨钢薄片表面的切割位置处吹包含氯气、氧气和氮气的混合气体，使所述钨钢薄片被切割开后，在切割侧壁和下表面边缘处形成凝固态的熔渣；所述水洗装置用于对切割开的钨钢薄片进行水洗，去除所述熔渣。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明的激光切割方法及系统，使用激光束切割钨钢薄片，且切割过程中配合吹包含氯气、氧气和氮气的混合气体，其中，氧气与钨钢中钨材料和铁材料反应生成氧化物，加速促进激光切割过程。氮气用于冷却钨钢薄片表面，为氯气与钨钢的反应提供400～600℃的冷却环境。而在上述冷却环境下，以及在氧气的条件下，氯气与钨钢中钨材料反应生成六氯化钨(WCl6)、四氯氧化钨(WOCl4)和钨酰氯(WO2Cl2)。上述六氯化钨、四氯氧化钨和钨酰氯的混合物与氧化物一起形成凝固态的熔渣。后续放入水中清洗，前述六氯化钨、四氯氧化钨和钨酰氯的混合物在水中发生分解，熔渣即松散开，进而氧化物自动脱落，从而快速无损的去除掉激光切割过程中形成的熔渣，切割边缘光滑。切割过程不会对钨钢薄片的边缘或者表面造成机械损伤，对产品的质量影响小。整个激光切割过程中，工艺简单易实现，切割效率较高。
【附图说明】
图1是本发明具体实施方式的激光切割系统的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式的激光切割钨钢薄片的一种路径示意图；
图3是本发明具体实施方式的激光切割钨钢薄片的另一种路径示意图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。
本发明的构思是：采用激光进行切割，且尽量避免机械方式损伤钨钢薄片产品。在激光进行切割过程中，激光使钨钢材料热熔，会产生大量的熔融物粘附在切割侧壁和非切割面上。如何去除熔融物，保证切割边缘光滑是引入激光切割技术时需要克服的一个难题。通常去除该凝固后的熔融物碎屑可采用物理方法硬性去除，如磨削、刮擦等方法。但对于钨钢材料而言，由于钨钢脆性较大，在使用物理方法去除时会破坏切割边缘，产生缺陷和裂纹，产生大量的不良品。本发明即是在激光切割过程中，引入吹氯气、氧气和氮气的混合气体，通过混合气体与钨钢材料反应生成后续可水解的碎屑熔渣，从而后续直接水解去除熔渣即可，确保引入激光切割后切割边缘的光滑。
本具体实施方式中一种钨钢薄片的激光切割方法，包括以下步骤：
1)将波长范围为950～1100nm的激光束聚焦处理后垂直入射到待切割的钨钢薄片的上表面，且所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于待切割的钨钢薄片的破坏阈值；
该步骤中，可采用波长在950-1100nm范围的固体激光器产生上述波长范围内的激光束。固体激光器可以选用光纤激光器或Nd：YAG激光器。
激光束功率密度大于材料的破坏阈值从而确保材料被有效切割，能短时间内在材料的表面烧蚀出一条切槽。钨钢薄片的厚度在0.15～0.6mm范围内，该厚度范围可满足市面上大多数PAD生产公司对钨钢材料的应用需求。
2)在激光束沿切割路径切割的同时，向所述钨钢薄片表面的切割位置处辅助吹包含氯气、氧气和氮气的混合气体；切割完成后，在所述钨钢薄片的切割侧壁和下表面边缘处形成凝固态的熔渣。
该步骤中，通过在切割时辅助吹包含氯气、氧气和氮气的混合气体，一方面通过氮气发挥冷却作用，使钨钢薄片的表面在激光切割过程能冷却下来。另一方面，通过氧气和氯气与钨钢中材料成分反应生成后续易于水解去除的物质，从而便于去除碎屑熔渣，确保切割边缘光滑，且不会对产品质量造成影响。
具体地，在激光切割过程中，激光热熔钨钢，使钨钢薄片表面形成高温环境。吹气中的氧气与钨钢薄片中的钨材料和铁材料在高温条件下发生燃烧化学反应生成由氧化钨、氧化铁组成的氧化物。具体反应式为：4Fe+3O2＝2Fe2O3，3Fe+2O2＝Fe3O4，2W+3O2＝2WO3。通过氧气与钨钢反应消耗掉钨钢，从而反过来也促进激光的切割过程。同时，氮气对切割过程中的钨钢薄片表面起到冷却作用，使得切割后表面温度迅速减低到400-600℃左右，为氯气与钨的反应提供了冷却环境条件。
具体地，在400-600℃的环境下，钨和氯气反应生成六氯化钨，化学方程式为：W+3Cl2＝＝WCl6。其中，六氯化钨(WCl6)是蓝黑色固体，熔点281.5℃，沸点348℃，遇水分解。而上述反应有氧气存在时，钨与氯气在500～600℃条件下同时会反应生成四氯氧化钨(WOCl4)和钨酰氯(WO2Cl2)。其中，四氯氧化物为红橙色体心四方晶，熔点209℃，沸点227℃，可水解。钨酰氯为无色正交晶，260℃升华并分解，可水解。综上，在氧气和氮气的辅助下，氯气与钨钢薄片中的材料发生化学反应生成六氯化钨、四氯氧化钨和钨酰氯，这些物质均易于水解掉。
优选地，混合气体按体积比，包括20％～30％的氯气，20％～30％的氮气和40％～60％的氧气。采用上述比例的混合成分时，氯气的含量不至于太多，导致混合气体毒性较大；也不至于太少，导致不易生成上述易水解的混合物，后续熔渣不易去除掉。同时，氧气的含量也较适宜，使得可与钨钢材料有效反应，高效促进激光切割过程。
激光沿切割路径扫描切割，配合辅助吹混合气体，切割完成后，在所述钨钢薄片的切割侧壁和下表面边缘处形成由氧化物、六氯化钨、四氯氧化钨和钨酰氯组成的凝固态的熔渣。上述步骤中，激光束的峰值功率可控制在600～11000W，平均功率可控制在90～150W；辅助吹混合气体的气压为0.5Mpa～1Mpa。通过该工艺参数的配合，可以最大限度的提高加工效率和加工质量。
3)将切割开的钨钢薄片放入水中清洗，去除所述熔渣。
切割开的钨钢薄片放入水中进行清洗，使得在切割过程中钨钢薄片的切割侧壁和下表面形成的六氯化钨、四氯氧化钨和钨酰氯的混合物发生分解。当六氯化钨、四氯氧化钨和钨酰氯分解后，凝固态的熔渣松散开，熔渣中的氧化物即自动脱落，从而快速无损的去除掉激光切割过程中形成的熔渣，使得切割边缘光滑。优选地，可采用超声清洗方法，在水中超声清洗5-10分钟即可高效地去除熔渣。
通过上述激光切割方法，可实现激光的无接触式切割。相对于传统机械方式切割，切割边缘光滑，硬度基本无变化。激光束利用聚焦镜使焦点位置处功率密度较高，材料很快加热至汽化程度，并且伴随着光束与材料相对线性移动，使激光在材料表面形成很窄的切缝，同时切割精度也比较精密。切割后的熔渣易于水解去除，无需采用机械切割或者磨削、刮擦等工艺，不会对待切割的钨钢薄片造成损伤，质量不会受到影响。整个切割过程，工艺简单易实现，切割效率较高。
本具体实施方式中还提供一种激光切割系统，其结构示意图如图1所示，包括激光器1，扩束准直镜2，45°反射镜3，聚焦镜4，辅助吹气模块6，工作台8和水洗装置(图中未示出)。
激光器1发出波长范围为950～1100nm的激光束，所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于待切割的钨钢薄片的破坏阈值。待切割的钨钢薄片7置于工作台8上。优选地，工作台8为真空吸附平台，可以将上述钨钢薄片材料7吸附在工作平台上以保证激光加工过程中样件的平整性，使得激光束不出现离焦现象。激光束经扩束准直镜2，45°反射镜3和聚焦镜4后聚焦于钨钢薄片7的表面，激光束5的焦点位于钨钢薄片7的上表面。辅助吹气模块6用于向钨钢薄片7表面的切割位置处吹包含氯气、氧气和氮气的混合气体，使钨钢薄片7被切割开后，在切割侧壁和下表面边缘处形成凝固态的熔渣。水洗装置用于对切割开的钨钢薄片进行水洗，去除所述熔渣。优选地，水洗装置为超声波水洗装置。系统中，激光器1发出的激光束的峰值功率为600～11000W，平均功率为90～150W；辅助吹气模块6吹的混合气体的气压为0.5Mpa～1Mpa。通过该工艺参数的配合，可以最大限度的提高加工效率和加工质量。
同样优选地，辅助吹气模块吹的混合气体按体积比，包括20％～30％的氯气，20％～30％的氮气和40％～60％的氧气。采用上述比例的混合成分时，混合气体毒性不会太大，且也较容易反应生成水解的混合物，后续熔渣易于去除掉。同时，氧气的含量较适宜，使得可与钨钢材料有效反应，高效促进激光切割过程。
上述系统中，辅助吹气模块6可与聚焦镜4出射的激光束5同轴设置，也可不同轴设置。当同轴设置时，可使激光束5直接通过辅助吹气模块6的出气口，激光束5与混合气体一起从出气口穿过后到达钨钢薄片7。另外，需说明的是，激光器一般水平方向放置，工作台以及其上的待切割的钨钢薄片7也均是水平放置，因此设置45°反射镜3调整激光束转向90°后垂直入射到钨钢薄片上。而有些情形下，钨钢薄片6不是水平方式放置，而是倾斜放置，此时相应调整45°反射镜3的角度即可。
切割时，保持激光器以及光学组件固定不动，移动工作台8沿着X/Y/Z方向进给运动，使激光束与待切割的钨钢薄片之间按照激光切割扫描路径产生相对运动，形成切槽，从而将钨钢薄片7切割开。激光束切割扫描路径可根据希望加工出的成品的外形设计。例如，希望将钨钢薄片7切割成多个带倒角的矩形块时，图2和图3分别示意了可实现的两种路径。按图2的路径，激光束先沿菱形路径图形9进行切割，然后在沿网格路径图形10进行切割，从而将整块钨钢薄片切割成各个独立小块的钨钢薄片。按图3的路径，激光束直接沿小块钨钢薄片的外形形状形成的切割路径11进行切割。两种切割路径下得到的切割效果相同。
通过上述切割系统，可实现激光切割加工，切割效率高，且切割后边缘光滑，不会对待切割的钨钢薄片造成损伤，质量不会受到影响。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种钨钢薄片的激光切割方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将波长范围为950～1100nm的激光束聚焦处理后垂直入射到待切割的钨钢薄片的上表面，且所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于待切割的钨钢薄片的破坏阈值；2)在激光束沿切割路径切割的同时，向所述钨钢薄片表面的切割位置处辅助吹包含氯气、氧气和氮气的混合气体，所述混合气体按体积比，包括20％～30％的氯气，20％～30％的氮气和40％～60％的氧气；切割完成后，在所述钨钢薄片的切割侧壁和下表面边缘处形成凝固态的熔渣；3)将切割开的钨钢薄片放入水中清洗，去除所述熔渣。
2.根据权利要求1所述的钨钢薄片的激光切割方法，其特征在于：所述步骤3)中，在水中进行超声波清洗5～10分钟。
3.根据权利要求1所述的钨钢薄片的激光切割方法，其特征在于：所述步骤1)中激光束的峰值功率为600～11000W，平均功率为90～150W；所述步骤2)中辅助吹混合气体的气压为0.5Mpa～1Mpa。
4.根据权利要求1所述的钨钢薄片的激光切割方法，其特征在于：所述待切割的钨钢薄片的厚度为0.15～0.6mm。
5.一种钨钢薄片的激光切割系统，其特征在于：包括激光器，扩束准直镜，聚焦模块、辅助吹气模块、工作台和水洗装置；所述激光器发出波长范围为950～1100nm的激光束，所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于待切割的钨钢薄片的破坏阈值；待切割的钨钢薄片置于所述工作台上；所述激光束经所述扩束准直镜和聚焦模块后聚焦于所述钨钢薄片的表面，所述辅助吹气模块用于向所述钨钢薄片表面的切割位置处吹包含氯气、氧气和氮气的混合气体，按体积比，包括20％～30％的氯气，20％～30％的氮气和40％～60％的氧气，使所述钨钢薄片被切割开后，在切割侧壁和下表面边缘处形成凝固态的熔渣；所述水洗装置用于对切割开的钨钢薄片进行水洗，去除所述熔渣。
6.根据权利要求5所述的钨钢薄片的激光切割系统，其特征在于：所述水洗装置为超声波水洗装置。
7.根据权利要求5所述的钨钢薄片的激光切割系统，其特征在于：所述激光器发出的激光束的峰值功率为600～11000W，平均功率为90～150W；所述辅助吹气模块吹的混合气体的气压为0.5Mpa～1Mpa。
8.根据权利要求5所述的钨钢薄片的激光切割系统，其特征在于：所述激光切割系统还包括45°反射镜，所述45°反射镜设置在所述扩束准直镜的出射端，用于将所述扩束准直镜出射的激光束转换90°方向后入射到所述聚焦模块中。
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