CN111590224B - 一种激光辅助制备大块非晶合金的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种激光辅助制备大块非晶合金的系统，包括：装夹系统包括第一装夹转盘和第二装夹转盘；所述第一装夹转盘和第二装夹转盘相互独立旋转运动且均可在X方向上平移运动；激光系统位于装夹系统上方；超声系统与所述激光系统联动连接；所述第一装夹转盘的外侧和第二装夹转盘的外侧均设有所述超声系统。本发明提供的激光辅助制备大块非晶合金的系统可以在非晶合金的过冷液相区完成工作，非晶合金不会晶化，确保了制备非晶合金前后材料的非晶态，非晶合金的性能不会受到影响，克服了传统的焊接方法带来的材料性能下降的缺点；本发明还提供了一种使用该激光辅助制备大块非晶合金的系统制备大块非晶合金的激光辅助制备大块非晶合金的方法。

Description

一种激光辅助制备大块非晶合金的系统及方法
技术领域
本发明涉及非晶合金焊接的技术领域，尤其涉及一种激光辅助制备大块非晶合金的系统及方法。
背景技术
非晶合金由于具有独特的结构与优异的性能，在能源、信息、国防等高新技术领域有重要的应用与支撑作用。但是非晶合金的体系有限，能合成的尺寸有限，当前商业化的非晶合金尺寸多为厘米级或毫米级别，分米级别的非晶合金鲜有报道及商业化，严重制约了非晶合金的广泛应用。
非晶合金在其过冷液相区温度下具有粘性流动行为，此时利用其超塑性成型特性可以实现非晶合金之间的结合以完成大块非晶合金的制造。非晶合金升温到过冷液相区进行制造并回温到室温，非晶合金不会发生晶化，仍保持原有的非晶态及性能。
目前，传统的焊接工艺常用压铸的方法实现大块非晶的一次成型，但是该方法依赖于传统的试错法，对非晶合金的元素尺寸有特定的要求，且所铸造出的非晶合金的元素尺寸多为毫米级或者厘米级。利用传统的焊接工艺将小块非晶焊接成大块非晶合金，但是该传统的焊接工艺存在一定的焊接缺陷，例如焊接后材料的性能会不同比例的降低。专利CN201110221851.5公开了一种非晶基材的激光焊接方法，在惰性气氛保护下将焊接件采用脉冲激光焊接于待焊基材上，实现了焊接前后无明显晶化现象，且焊接强度较高，但该方法焊接所得的非晶合金仍存在晶化、强度降低等缺陷。
发明内容
本发明的目的是克服了现有技术的问题，提供了一种克服了传统的焊接方法带来的材料性能下降的缺点的激光辅助制备大块非晶合金的系统，还提供了一种使用该激光辅助制备大块非晶合金的系统制备大块非晶合金的激光辅助制备大块非晶合金的方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下方案：
一种激光辅助制备大块非晶合金的系统，包括：
装夹系统，其包括第一装夹转盘和第二装夹转盘；所述第一装夹转盘和第二装夹转盘相互独立旋转运动且均可在X方向上平移运动；
激光系统，其位于装夹系统上方；
超声系统，其与所述激光系统联动连接；所述第一装夹转盘的外侧和第二装夹转盘的外侧均设有所述超声系统。
进一步地，所述超声系统与所述激光系统联动连接。
进一步地，所述激光系统包括激光发生装置及聚焦模组；所述激光发生装置设于所述聚焦模组上；所述激光发生装置及聚焦模组均位于所述装夹系统的上方。
本发明还提供一种激光辅助制备大块非晶合金的方法，使用上述所述的激光辅助制备大块非晶合金的系统实现，所述激光辅助制备大块非晶合金的方法通过将非晶合金A与非晶合金B装夹于装夹系统上，运行装夹系统、激光系统和超声系统工作，压轧该非晶合金A与非晶合金B形成大块非晶合金。
进一步地，所述激光辅助制备大块非晶合金的方法通过将非晶合金A与非晶合金B装夹于装夹系统上，运行装夹系统、激光系统和超声系统工作，压轧该非晶合金A与非晶合金B形成大块非晶合金的具体步骤如下：
S1.将非晶合金A与非晶合金B装夹于第一装夹转盘和第二装夹转盘上，调整好工件的初始加工位置；
S2.根据非晶合金A与非晶合金B的交叉过冷液相区计算所需激光参数并输出激光束；
S3.激光系统工作，激光束在非晶合金A与非晶合金B工作接触界面处预热；
S4.装夹系统工作，第一装夹转盘和第二装夹转盘沿a方向旋转，并沿X方向相对平移运动挤压；
S5.超声系统工作，沿X方向定向超声，完成非晶合金A与非晶合金B的连接，形成大块非晶合金。
进一步地，在S5步骤后，所述激光辅助制备大块非晶合金的方法还包括：
S6.重复步骤S1～S5，完成非晶合金C与已制备成单块的上述大块非晶合金的压轧。
进一步地，所述激光系统工作先于或同于所述装夹系统工作；所述激光系统、装夹系统和超声系统彼此之间的调节相互独立；所述超声系统的功率范围为0～2kW。
进一步地，所述非晶合金A与非晶合金B为具有交叉过冷液相区的同种或异种非晶合金。
进一步地，在S4步骤中，所述第一装夹转盘和第二装夹转盘沿a方向的旋转范围为0～360°；所述第一装夹转盘和第二装夹转盘的旋转速度均为0～500rpm；所述第一装夹转盘和第二装夹转盘在X方向上平移运动的移动速度为0～500mm/s。
进一步地，所述激光束的波长范围为0.35～10.60μm；所述激光束的脉冲宽度范围为0～200ns；所述激光系统的输出功率为0～100W；所述激光系统的频率范围为2～150kHz；所述激光系统的离焦量为-3～3mm。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明的激光辅助制备大块非晶合金的系统通过设置装夹系统、激光系统和超声系统，利用第一装夹转盘和第二装夹转盘装夹非晶合金，通过第一装夹转盘和第二装夹转盘带动非晶合金相互独立旋转且在X方向上调节平移运动，与激光系统和超声系统共同工作，可以在非晶合金的过冷液相区完成工作，非晶合金不会晶化，确保了制备非晶合金前后材料的非晶态，非晶合金的性能不会受到影响，克服了传统的焊接方法带来的材料性能下降的缺点。
2.本发明的激光辅助制备大块非晶合金的系统通过激光系统的激光束预热，升温快，工作效率高。
3.本发明的激光辅助制备大块非晶合金的系统灵活性高，而且工艺简单。
4.本发明的激光辅助制备大块非晶合金的方法利用激光束预热非晶合金A与非晶合金B的工作接触界面，使温度达到非晶合金A与非晶合金B的交叉过冷液相区温度，此时，非晶合金A与非晶合金B具有粘性流动行为；接着装夹系统工作，第一装夹转盘和第二装夹转盘沿a方向相对旋转运动，并且沿X方向做相互挤压平移运动；然后超声系统工作，通过超声系统辅助以X方向的超声振动，非晶合金A和非晶合金B工作接触界面处温度扩散更为均匀、流动及扩散行为加剧，使非晶合金A与非晶合金B的工作接触界面连接在一起；工作结束后，温度降低，形成整体的非晶合金块，以此类推，完成大块非晶合金的制备工作。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
图1是本发明的激光辅助制备大块非晶合金的系统制备大块非晶合金的实施例1的结构示意图。
图2是本发明的激光辅助制备大块非晶合金的系统制备大块非晶合金的实施例2的结构示意图。
图3是本发明的激光辅助制备大块非晶合金的系统制备大块非晶合金的实施例3的结构示意图。
图4是本发明的激光辅助制备大块非晶合金的系统制备大块非晶合金的实施例4的结构示意图。
图中包括：
装夹系统1、第一装夹转盘11、第二装夹转盘12、激光系统2、激光发生装置21、聚焦模组22、超声系统3、非晶合金A4、非晶合金B5。
具体实施方式
结合以下实施例对本申请作进一步描述。
一种激光辅助制备大块非晶合金的系统，包括装夹系统1、激光系统2和超声系统3。其中，装夹系包括第一装夹转盘11和第二装夹转盘12；该第一装夹转盘11和第二装夹转盘12分别用于装夹非晶合金。所述第一装夹转盘11和第二装夹转盘12相互独立旋转运动且均可在X方向上平移运动；从而使分别装夹在第一装夹转盘11和第二装夹转盘12的非晶合金旋转运动，并且沿X方向做相互挤压平移运动。激光系统2位于装夹系统1上方；通过激光系统2的激光束对装夹在第一装夹转盘11和第二装夹转盘12的非晶合金进行预热，升温快，工作效率高。超声系统3与所述激光系统2联动连接；所述第一装夹转盘11的外侧和第二装夹转盘12的外侧均设有所述超声系统3；通过超声系统3辅助以X方向的超声振动，两块非晶合金工作接触界面处温度扩散更为均匀、流动及扩散行为加剧，使非晶合金A4与非晶合金B5的工作接触界面连接在一起。
该激光辅助制备大块非晶合金的系统通过设置装夹系统1、激光系统2和超声系统3，利用第一装夹转盘11和第二装夹转盘12装夹非晶合金，通过第一装夹转盘11和第二装夹转盘12带动非晶合金相互独立旋转且在X方向上调节平移运动，与激光系统2和超声系统3共同工作，可以在非晶合金的过冷液相区完成工作，非晶合金不会晶化，确保了制备非晶合金前后材料的非晶态，非晶合金的性能不会受到影响，克服了传统的焊接方法带来的材料性能下降的缺点；同时，该激光辅助制备大块非晶合金的系统灵活性高，而且工艺简单。
其中，所述激光系统2包括激光发生装置21及聚焦模组22；所述激光发生装置21设于所述聚焦模组22上；所述激光发生装置21及聚焦模组22均位于所述装夹系统1的上方。通过聚焦模组22对两块非晶合金工作接触界面精确定位，再利用激光发生装置21激发激光束，精准对非晶合金进行预热，升温快，工作效率高。
本发明还提供一种激光辅助制备大块非晶合金的方法，使用上述所述的激光辅助制备大块非晶合金的系统实现，所述激光辅助制备大块非晶合金的方法通过将非晶合金A4与非晶合金B5装夹于装夹系统1上，运行装夹系统1、激光系统2和超声系统3工作，压轧该非晶合金A4与非晶合金B5形成大块非晶合金。该激光辅助制备大块非晶合金的方法利用激光束预热非晶合金A4与非晶合金B5的工作接触界面，使温度达到非晶合金A4与非晶合金B5的交叉过冷液相区温度，此时，非晶合金A4与非晶合金B5具有粘性流动行为；接着装夹系统1工作，第一装夹转盘11和第二装夹转盘12沿a方向相对旋转运动，并且沿X方向做相互挤压平移运动；然后超声系统3工作，通过超声系统3辅助以X方向的超声振动，非晶合金A4和非晶合金B5工作接触界面处温度扩散更为均匀、流动及扩散行为加剧，使非晶合金A4与非晶合金B5的工作接触界面连接在一起；工作结束后，温度降低，形成整体的非晶合金块，以此类推，完成大块非晶合金的制备工作，有助于实现在非晶合金的过冷液相区完成工作，非晶合金不会晶化，确保了制备非晶合金前后材料的非晶态，非晶合金的性能不会受到影响，克服了传统的焊接方法带来的材料性能下降的缺点。
优选的，所述非晶合金A4与非晶合金B5为具有交叉过冷液相区的同种或异种非晶合金。该激光辅助制备大块非晶合金的方法适用于不同种类的非晶合金，灵活性高，制备范围广。
该激光辅助制备大块非晶合金的方法的具体步骤如下：
S1.将非晶合金A4与非晶合金B5装夹于第一装夹转盘11和第二装夹转盘12上，调整好工件的初始加工位置。
S2.根据非晶合金A4与非晶合金B的交叉过冷液相区计算所需激光参数并输出激光束。
S3.激光系统2工作，激光束在非晶合金A4与非晶合金B5工作接触界面处预热。所述激光束的波长范围为0.35～10.60μm；所述激光束的脉冲宽度范围为0～200ns；所述激光系统2的输出功率为0～100W；所述激光系统2的频率范围为2～150kHz；所述激光系统2的离焦量为-3～3mm。
S4.装夹系统1工作，第一装夹转盘11和第二装夹转盘12沿a方向旋转，并沿X方向相对平移运动挤压。其中，所述第一装夹转盘11和第二装夹转盘12沿a方向的旋转范围为0～360°；所述第一装夹转盘11和第二装夹转盘12的旋转速度均为0～500rpm；所述第一装夹转盘11和第二装夹转盘12在X方向上平移运动的移动速度为0～500mm/s。
S5.超声系统3工作，沿X方向定向超声，完成非晶合金A4与非晶合金B5的连接，形成大块非晶合金。该超声系统3的功率范围为0～2kW。所述激光系统2工作先于或同于所述装夹系统1工作；所述激光系统2、装夹系统1和超声系统3彼此之间的调节相互独立。
在本具体实施方式中，在S5步骤后，所述激光辅助制备大块非晶合金的方法还包括：
S6.重复步骤S1～S5，完成非晶合金C与已制备成单块的上述大块非晶合金的压轧。
通过该激光辅助制备大块非晶合金的方法，使已制备成单块的大块非晶合金可以再与非晶合金C的工作接触界面连接在一起，形成整体的新的大块非晶合金，同样可以在非晶合金的过冷液相区完成工作，非晶合金不会晶化，确保了制备非晶合金前后材料的非晶态，非晶合金的性能不会受到影响，克服了传统的焊接方法带来的材料性能下降的缺点。
通过上述的激光辅助制备大块非晶合金的方法可以完成实施例1～4的同种或异种非晶合金之间相压轧形成的大块非晶合金。
实施例1：
在实施例1中，如图1，将非晶合金A4与非晶合金B5装夹于装夹系统1的第一装夹转盘11和第二装夹转盘12上，调整好工件的初始加工位置，非晶合金A4的组分为Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10。其中，Tg为405℃，Tx为470℃。非晶合金B5的组分为Zr58.5Nb2.8Cu15.6Ni12.8Al10.3。其中，Tg为400℃，Tx为480℃。根据非晶合金A4与非晶合金B5的交叉过冷液相区计算加工时温度设定为450℃，进而计算输出波长1030nm、脉冲宽度170fs、功率4W、频率100kHz的激光束，激光束在非晶合金A4与非晶合金B5工作接触界面处预热，装夹系统1工作，第一装夹转盘11沿a方向逆时针旋转，旋转速度为200rpm，第二装夹转盘12沿a方向顺时针旋转，旋转速度为200rpm，并沿X方向相对平移运动挤压，同时，超声系统3工作，功率为800W，沿X方向定向超声，完成非晶合金与非晶合金的连接。
实施例2：
在实施例2中，如图2，将非晶合金A4与非晶合金B5装夹于装夹系统1的第一装夹转盘11和第二装夹转盘12上，调整好工件的初始加工位置，非晶合金A4与非晶合金B5的组分均为Pd43Ni10Cu27P20。其中，Tg为305℃，Tx为406℃。根据非晶合金A4与非晶合金B5的交叉过冷液相区计算加工时温度设定为380℃，进而计算输出波长1064nm、脉冲宽度240ps、功率3W、频率200kHz的激光束，激光束在非晶合金A4与非晶合金B5工作接触界面处预热，装夹系统1工作，第一装夹转盘11沿X方向相对平移运动与第二装夹转盘12相挤压，同时，超声系统3工作，功率为800W，沿X方向定向超声，完成非晶合金A4与非晶合金B5的连接。
实施例3：
在实施例3中，如图3，将非晶合金A4与非晶合金B5装夹于装夹系统1的第一装夹转盘11和第二装夹转盘12上，调整好工件的初始加工位置，非晶合金A4与非晶合金B5的组分均为Ca65Li14.54Mg12.46Zn8。其中，Tg为35℃，Tx为105℃。根据非晶合金A4与非晶合金B5的交叉过冷液相区计算加工时温度设定为50℃，由于温度较低，此时激光束输出为0W，装夹系统1工作，第一装夹转盘11沿a方向逆时针旋转，旋转速度为200rpm，第二装夹转盘12沿a方向顺时针旋转，旋转速度为200rpm，摩擦生热，同时，超声系统34工作，功率为1000W，沿X方向定向超声，完成非晶合金A4与非晶合金B5的连接。
实施例4：
在实施例4中，如图4，为了实现非晶合金A4与非晶合金B5之间的结合，在非晶合金A4与非晶合金B5表面加工出微结构，然后如同实施例一所述，将非晶合金A4与非晶合金B5装夹于装夹系统1的第一装夹转盘11和第二装夹转盘12上，调整好工件的初始加工位置，非晶合金A4的组分为Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10。其中，Tg为405℃，Tx为470℃。非晶合金B5 6的组分为Zr58.5Nb2.8Cu15.6Ni12.8Al10.3。其中，Tg为400℃，Tx为480℃。根据非晶合金A4与非晶合金B5的交叉过冷液相区计算加工时温度设定为450℃，进而计算输出波长1030nm、脉冲宽度170fs、功率4W、频率100kHz的激光束2，激光束在非晶合金A4与非晶合金B5工作接触界面处预热，装夹系统1工作，第一装夹转盘11沿a方向逆时针旋转，旋转速度为200rpm，第二装夹转盘12沿a方向顺时针旋转，旋转速度为200rpm，并沿X方向相对平移运动挤压，同时，超声系统34工作，功率为800W，沿X方向定向超声，完成非晶合金A4与非晶合金B5的连接。
通过上述的激光辅助制备大块非晶合金的方法完成实施例1～4的同种或异种非晶合金之间相压轧形成的大块非晶合金的工作，非晶合金不会晶化，确保了制备非晶合金前后材料的非晶态，非晶合金的性能不会受到影响，克服了传统的焊接方法带来的材料性能下降的缺点。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种激光辅助制备大块非晶合金的方法，其特征在于，包括：
装夹系统，其包括第一装夹转盘和第二装夹转盘；所述第一装夹转盘和第二装夹转盘相互独立旋转运动且均可在X方向上平移运动；
激光系统，其位于装夹系统上方；
超声系统，其与所述激光系统联动连接；所述第一装夹转盘的外侧和第二装夹转盘的外侧均设有所述超声系统；
所述激光系统包括激光发生装置及聚焦模组；所述激光发生装置设于所述聚焦模组上；所述激光发生装置及聚焦模组均位于所述装夹系统的上方；
激光辅助制备大块非晶合金的方法使用激光辅助制备大块非晶合金的系统实现，所述激光辅助制备大块非晶合金的方法通过将非晶合金A与非晶合金B装夹于装夹系统上，运行装夹系统、激光系统和超声系统工作，压轧该非晶合金A与非晶合金B形成大块非晶合金；
具体步骤如下：
S1.将非晶合金A与非晶合金B装夹于第一装夹转盘和第二装夹转盘上，调整好工件的初始加工位置；
S2.根据非晶合金A与非晶合金B的交叉过冷液相区计算所需激光参数并输出激光束；
S3.激光系统工作，激光束在非晶合金A与非晶合金B工作接触界面处预热；
S4.装夹系统工作，第一装夹转盘和第二装夹转盘沿a方向旋转，并沿X方向相对平移运动挤压；
S5.超声系统工作，沿X方向定向超声，完成非晶合金A与非晶合金B的连接，形成大块非晶合金。
2.根据权利要求1所述的激光辅助制备大块非晶合金的方法，其特征在于，在S5步骤后，所述激光辅助制备大块非晶合金的方法还包括：
S6.重复步骤S1～S5，完成非晶合金C与已制备成单块的上述大块非晶合金的压轧。
3.根据权利要求1所述的激光辅助制备大块非晶合金的方法，其特征在于，所述激光系统工作先于或同于所述装夹系统工作；所述激光系统、装夹系统和超声系统彼此之间的调节相互独立。
4.根据权利要求1所述的激光辅助制备大块非晶合金的方法，其特征在于，所述超声系统的功率范围为0～2kW。
5.根据权利要求1所述的激光辅助制备大块非晶合金的方法，其特征在于，所述非晶合金A与非晶合金B为具有交叉过冷液相区的同种或异种非晶合金。
6.根据权利要求1所述的激光辅助制备大块非晶合金的方法，其特征在于，在S4步骤中，所述第一装夹转盘和第二装夹转盘沿a方向的旋转范围为0～360°；所述第一装夹转盘和第二装夹转盘的旋转速度均为0～500rpm；所述第一装夹转盘和第二装夹转盘在X方向上平移运动的移动速度为0～500mm/s。
7.根据权利要求1所述的激光辅助制备大块非晶合金的方法，其特征在于，所述激光束的波长范围为0.35～10.60μm；所述激光束的脉冲宽度范围为0～200ns；所述激光系统的输出功率为0～100W；所述激光系统的频率范围为2～150kHz；所述激光系统的离焦量为-3～3mm。
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