CN110695540A - 一种非晶带材的激光切割方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非晶带材的激光切割方法，用于对单片非晶带材进行切割，包括预先设定单片非晶带材的切割轨迹；在真空或惰性气体氛围内，采用激光对单片非晶带材按照切割轨迹进行切割，其中，激光的激光波长小于1030nm，激光的脉冲宽度不大于10‑9s。本发明所提供的非晶带材的激光切割方法，用于切割非晶带材，激光光斑的具有较高的能量密度，使得非晶带材切割区域的温度直接快速升高，并在和周围区域产生热传递之前直接气化，进而避免了切割区域周围升温，能够有效避免切割区域周围的非晶材料的性能发生变化的问题，有利于非晶带材的广泛应用。

Description

一种非晶带材的激光切割方法
技术领域
本发明涉及非晶带材切割技术领域，特别是涉及一种非晶带材的激光切割方法。
背景技术
非晶态金属与合金是20世纪70年代问世的一种新兴的材料，是采用冷却速度大约106℃/秒的超急冷凝固技术，从钢液到薄带成品一次成型。由于超急冷凝固，合金凝固时的原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，故称为非晶态合金，非晶态的结构为非晶态合金带来许多优异的软磁特性。
非晶带材的使用往往需要经过剪切，得到所需的不同宽度或形状后，再进行后续加工使用。剪切的过程我们希望带材的软磁性能尽可能少的降低甚至不受影响。目前普遍使用滚剪技术来切割非晶合金带材，这种切割方法在切割过程中，会对带材产生较大的剪切应力，且由于刀具的磨损，切割端面难以保持光滑平整。
随着激光技术的发展，激光切割成为各个领域比较常用的一种切割技术，但是利用传统的激光对非晶合金带材进行切割时，激光束所产生的热量往往会使得非晶带材切割区域周围升温，从而发生结构驰豫和晶化反应，导致合金带材无法正常使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种非晶带材的激光切割方法，解决了激非晶带材切割时，影响其性能的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种非晶带材的激光切割方法，用于对单片非晶带材进行切割，包括：
预先设定单片非晶带材的切割轨迹；
在真空或惰性气体氛围内，采用激光对所述单片非晶带材按照所述切割轨迹进行切割，其中，所述激光的激光波长小于1030nm，所述激光的脉冲宽度不大于10-9s。
其中，所述采用激光对所述单片非晶带材按照预定轨迹进行切割包括：
所述激光以小于10m/s相对于所述单片非晶带材移动切割所述单片非晶带材。
其中，所述采用激光对所述单片非晶带材按照预定轨迹进行切割包括：
采用单束激光功率小于5W，直径小于20μm的圆斑激光对所述单片非晶带材进行切割。
其中，所述采用激光对所述单片非晶带材按照所述切割轨迹进行切割包括：
采用激光将所述单片非晶带材切割为宽度不大于30mm的带材。
其中，所述激光波长为510nm～550nm。
其中，所述激光波长为335nm～375nm。
其中，所述激光脉冲宽度不大于10-12s。
本发明所提供的对非晶带材的切割方法，通过采用波长小于1030nm，脉冲宽度不大于10-9s的脉冲激光对非晶带材进行切割，由于激光的波长小，且脉冲宽度小，使得激光对非晶带材进行切割时，激光光斑具有较高的能量密度，使得非晶带材切割区域的温度直接快速升高，并在和周围区域产生热传递之前直接气化，进而避免了切割区域周围升温，导致合金带材无法正常使用的问题。
因此，本发明所提供的非晶带材的激光切割方法，用于切割非晶带材，能够有效避免切割区域周围的非晶材料的性能发生变化的问题，有利于非晶带材的广泛应用。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的非晶带材的激光切割方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明实施例所提供的非晶带材的激光切割方法的流程示意图。该切割方法可以包括：
步骤S1：预先设定单片非晶带材的切割轨迹。
步骤S2：在真空或惰性气体氛围内，采用波长小于1030nm，脉冲宽度不大于10-9s的激光对单片非晶带材按照切割轨迹进行切割。
需要说明的是，非晶带材的使用往往需要将制备态的宽带经过剪切，得到所需的不同宽度或形状后，再进行后续加工使用。剪切的过程我们希望带材的软磁性能尽可能少的降低甚至不受影响。
目前普遍使用滚剪技术来切割非晶合金带材，这种切割方法在切割过程中，会对带材产生较大的剪切应力，且由于刀具的磨损，切割端面难以保持光滑平整。一方面刀具的反复维护成本造成综合成本较高，另一方面切割后的应力以及表观质量导致的磁各向异性增大，会降低带材的软磁性能。
利用传统的连续激光对非晶合金带材进行切割时，其原理是通过激光束照射加热带材至熔点以上的温度，带材熔化而完成切割，这样的话带材切割区域周围会由于热传导而升温，从而发生结构驰豫和晶化反应，导致合金带材无法正常使用。
非晶态合金从结构上看是一种亚稳态，当其温度高于250℃左右时，即开始发生结构驰豫；当温度到达500摄氏度左右时，即宏观的发生从亚稳态的非晶相向稳态的晶相转变的过程，并且带材制备态下良好的韧性也会消失，带材变得非常脆。
本发明中采用波长小于1030nm，所述激光的脉冲宽度不大于10-9s。根据激光粒子的波粒二象性原理，当激光功率一定时，光波的波长越小，光波粒子的动能也就越大，并且激光的脉冲宽度较小，能够更好的将激光的能量进行集中，最终使得和非晶带材产生相互作用的激光粒子具有较大的瞬时动能，能够瞬间将非晶带材的切割区域温度升高，使得非晶带材切割区域的材料在和周围区域的材料发生热传递之前直接升华，避免了非晶带材切割区域周围部分材料发生变性，进而很好的保证非晶带材的性能和平整度。
本发明中利用高能量密度的脉冲激光，直接将非晶带材气化，极短的加热时间可以避免周围区域受热升温。本发明提供切割方法可以用来切割非晶合金软磁材料的激光技术,切割后切割区域附件带材无受热变形，热影响区小于30微米，软磁性能无衰减。
例如，为了达到上述目的，本发明可以通过选用的激光器为固态激光器，激光增益介质为晶体材料或玻璃材料，激光为脉冲激光，脉冲宽度为10-9s以下，选用的激光波长小于1030nm，经过此激光切割后的铁基非晶以及纳米晶带材保持了原有的优异软磁性能。
进一步地，在本发明的另一具体实施例中，用于切割非晶带材的激光波长可以为510nm～550nm，具体地，可以采用510nm、520nm、530nm、532nm、540nm、550nm。
因为当激光波长越小，激光的能量密度越高，也就能够最为快速的将非晶带材进行切割，最终获得性能更好的非晶带材。那么进一步地，该激光光波还可以更小。
可选地，在本发明的另一具体实施例中，激光波长还可以是335nm～375nm，具体地可以是335nm、340nm、345nm、350nm、355nm、360nm、365nm、370nm、375nm。
需要说明的是，对于小于激光波长小于1030nm的脉冲激光而言，510nm～550nm波长范围的激光和335nm～375nm波长范围的激光更容易获得。但是本发明中也并不排除波长小于1030nm的其他脉冲激光。
可选地，在本发明的另一具体实施例中，该激光的脉冲宽度还可以进一步地包括：
激光脉冲宽度不大于10-12s。
需要说明的是，对于激光而言，其脉冲宽度越小，能量密度也就越高。本发明中所采用的激光至少为纳秒级的激光，但是皮秒级的激光具有更高的能量密度，能够获得更好的切割效果。
可选地，在本发明的另一具体实施例中，可以包括：
激光以小于10m/s相对于单片非晶带材移动切割单片非晶带材。
可选地，在本发明的另一具体实施例中，可以包括：
采用单束激光功率小于5W，直径小于20μm的圆斑激光对所述单片非晶带材进行切割。
由此可知，本发明中所采用的激光功率和传统所需要的激光功率相同，并不需要通过大功率的激光脉冲增加激光切割非晶焊带的瞬时功率。
另外，尽可能的减小圆斑激光光斑的直径，能够尽可能的保证激光切割的能量集中，提高切割精度。
如前所述，现有技术中，为了进一步地说明本发明中所采用的激光切割非晶带材的有益效果，下面以具体的实验数据进行对比说明。
如表1所示，表1中未剪切142--1和未剪切142--2均为142mm的铁基非晶带材；而滚剪80--1和滚剪80--2均为为采用传统滚剪工艺，将142mm的铁基非晶带材剪切成80mm宽的非晶带材。表1中的各个数据为将四组非晶带材均在50Hz，1.35T的磁场条件下进行测试的测试性能结果。
表1：
样品编号 激磁Ss(VA/kg) 损耗Ps(W/kg) 矫顽力Hc(A/m)
未剪切142--1 0.0816 0.0669 2.02
未剪切142--2 0.0808 0.0698 2.11
滚剪80--1 0.0941 0.0777 2.37
滚剪80--2 0.0894 0.0745 2.29
如表2所示，表2中未剪切142--1和未剪切142--2均为142mm的铁基非晶带材；而激光剪切80--1和激光剪切80--2为利用脉冲宽度20ps，波长355nm激光束，光斑直径小于20微米，非晶带材移动速度为1m/s，激光功率为2W，将142mm宽的铁基纳米晶带材切割成80mm宽的非晶带材。表2中的各个数据为将四组非晶带材均在50Hz，1.35T的磁场条件下进行测试的测试性能结果。
表2：
样品编号 激磁Ss(VA/kg) 损耗Ps(W/kg) 矫顽力Hc(A/m)
未剪切142--1 0.0898 0.0675 2.07
未剪切142--2 0.0817 0.0660 2.05
激光剪切80--1 0.0861 0.0667 2.05
激光剪切80--2 0.0902 0.0668 2.06
由表1和表2对比可知，通过激光剪切的非晶带材和滚剪所获得的非晶带材，单位质量激磁所需电压值相对于未剪切过的非晶带材，均有所增加，但是相对而言，激光剪切所获得的非晶带材单位质量激磁所需电压值的增量更小。
另外，激光剪切所获得的非晶带材相对于未剪切的非晶带材而言，损耗和矫顽力都有所减小，而滚剪所获得的非晶带材相对于未剪切的非晶带材而言，损耗和矫顽力都有所增加。
综上所述，可知滚剪后的铁基非晶带材，激磁、损耗和矫顽力均有不同程度的恶化。而采用激光剪切后的铁基非晶带材，软磁特性均没有恶化，且切割边缘不变形，不变脆。
目前对于铁基纳米晶带材而言，其制备态下带材即具有很高的脆性，只能通过直喷获得宽度较小的非晶带材不仅成带率低且性能不如常规宽带，增加了综合制造和使用成本。
而本发明的上述任一项的切割方法切割非晶带材，获得宽度较小的非晶带材，例如采用上述任意实施例所提供的切割方法，切割获得宽度不大于30mm的非晶带材。
为了对本发明所提供的切割方法，切割获得宽度较小的非晶带材的有益效果进行说明，
如表3所示，表3中直喷30-1、直喷30-2、直喷30-3、直喷30-4为通过直喷获得的30mm宽度的四组非晶带材；而直喷8-1、直喷8-2、直喷8-3、直喷8-4通过直喷获得的8mm宽度的四组非晶带材。通过将八组非晶带材在频率为1kHz，电压为1V条件下测试其磁导率和单位质量的功率损耗。
表3：
样品编号 磁导率(k) 损耗P(W/kg)
直喷30-1 98 5.5
直喷30-2 97 5.0
直喷30-3 97 5.2
直喷30-4 99 5.3
直喷8-1 84 6.3
直喷8-2 85 6.5
直喷8-3 85 6.6
直喷8-4 87 6.6
如表4所示，表4中直喷30-1、直喷30-2、直喷30-3、直喷30-4为通过直喷获得的30mm宽度的四组非晶带材；而激光剪切8-1、激光剪切8-2、激光剪切8-3、激光剪切8-4通过激光剪切获得的8mm宽度的四组非晶带材。通过将八组非晶带材在频率为1kHz，电压为1V条件下测试其磁导率和单位质量的功率损耗。
表4：
样品编号 磁导率(k) 损耗P(W/kg)
直喷30-1 98 5.5
直喷30-2 97 5.0
直喷30-3 97 5.2
直喷30-4 99 5.3
激光切割8-1 99 5.1
激光切割8-2 98 5.2
激光切割8-3 98 5.1
激光切割8-4 96 5.3
由表3和表4对比可知，通过直喷获得的非晶带材宽度越小，其磁导率也就越小，相应地单位质量的损耗功率也越大。而通过激光获得的非晶带材，即便切割的非晶带材宽度很小，相对于直喷切割而言，其磁导率都有所增加，且单位质量的损耗减少。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的非晶带材的激光切割方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种非晶带材的激光切割方法，其特征在于，用于对单片非晶带材进行切割，包括：
预先设定单片非晶带材的切割轨迹；
在真空或惰性气体氛围内，采用激光对所述单片非晶带材按照所述切割轨迹进行切割，其中，所述激光的激光波长小于1030nm，所述激光的脉冲宽度不大于10-9s。
2.根据权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于，所述采用激光对所述单片非晶带材按照预定轨迹进行切割包括：
所述激光以小于10m/s相对于所述单片非晶带材移动切割所述单片非晶带材。
3.根据权利要求2所述的激光切割方法，其特征在于，所述采用激光对所述单片非晶带材按照预定轨迹进行切割包括：
采用单束激光功率小于5W，直径小于20μm的圆斑激光对所述单片非晶带材进行切割。
4.根据权利要求3所述的激光切割方法，其特征在于，所述采用激光对所述单片非晶带材按照所述切割轨迹进行切割包括：
采用激光将所述单片非晶带材切割为宽度不大于30mm的带材。
5.根据权利要求1至4任一项所述的激光切割方法，其特征在于，所述激光波长为510nm～550nm。
6.根据权利要求1至4任一项所述的激光切割方法，其特征在于，所述激光波长为335nm～375nm。
7.根据权利要求1至4任一项所述的激光切割方法，其特征在于，所述激光脉冲宽度不大于10-12s。
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