CN112222631B - 一种非晶零件激光切割方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非晶零件激光切割方法。包括：将待加工的非晶合金材料固定在光敏玻璃基板上；运用飞秒激光对待加工的非晶合金材料进行加工，当光敏玻璃基板发出持续荧光后完成加工。本发明采用光敏玻璃基板粘贴固定非晶合金材料的方式，无需专用的夹持工具，可一次性完成非晶合金材料轮廓的激光切割，且易于从光敏玻璃基板上取下加工完成的零件；且玻璃基板的激光去除阈值极高，在激光切割过程中损伤很小，可避免非晶非晶合金材料的污染。同时，本发明选用掺杂荧光物质的光敏玻璃基板，基板接触激光后会发出荧光，可以高效判断加工进度。采用的热效应极小的飞秒激光方式，有效避免了非晶合金材料晶化的氧化。

Description

一种非晶零件激光切割方法
技术领域
本发明涉及激光切割技术领域，特别是涉及一种非晶零件激光切割方法。
背景技术
非晶合金是一种以金属元素为主要组分、原子堆积呈短程有序但长程无序的热力学亚稳态合金。与晶态合金相比，非晶合金具有优良物理、化学和力学性能，应用前景广阔。目前非晶材料已应用于对性能具有较高要求的关键部件上，如加速度计的摆片、微机械齿轮等。相较于其他加工方式，激光加工精度高、无接触应力、无刀具磨损、材料适用性广，在脆硬性的非晶合金加工方面潜力巨大。
现有的非晶合金激光切割方法根据材料在加工过程中温度是否超过熔点，可分为激光熔融切割和激光非熔融切割两种方式。其中激光熔融切割方式是指利用激光的热作用去除材料，并通过冷却保护气氛快速冷却，保持切割面非晶态的一种方式。激光非熔融切割方式是利用超短脉冲激光热效应较小的特点，保证材料切割过程始终无晶化。另外，现有激光切割方法大多未考虑小型非晶零件外形轮廓切割过程中的夹持固定及无法准确判断加工进度等问题。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种非晶零件激光切割方法，包括：将待加工的非晶合金材料固定在光敏玻璃基板上；运用飞秒激光对待加工的非晶合金材料进行加工，方便夹持固定和判断加工进度。
(2)技术方案
本发明的实施例提出了一种非晶零件激光切割方法，包括：将待加工的非晶合金材料固定在光敏玻璃基板上；运用飞秒激光对待加工的非晶合金材料进行加工，当光敏玻璃基板发出持续荧光后完成加工。
进一步地，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。
进一步地，所述非晶合金材料厚度为0.05-2mm。
进一步地，所述光敏玻璃基板为掺杂荧光物质的玻璃基板。
进一步地，所述光敏玻璃基板厚度为1-5mm。
进一步地，所述非晶合金材料通过粘合剂固定在光敏玻璃基板上。
进一步地，飞秒激光加工时，通入惰性气体或氮气与飞秒激光束同轴吹向加工区域。
进一步地，所述飞秒激光脉冲宽度小于300fs。
进一步地，完成加工后使用溶解剂溶解粘合剂。
进一步地，所述溶解剂为无水乙醇。
(3)有益效果
本发明采用光敏玻璃基板粘贴固定非晶合金材料的方式，无需专用的夹持工具，可一次性完成非晶合金材料轮廓的激光切割，且易于从光敏玻璃基板上取下加工完成的零件；且玻璃基板的激光去除阈值极高，在激光切割过程中损伤很小，可避免非晶非晶合金材料的污染。
同时，本发明选用掺杂荧光物质的光敏玻璃基板，基板接触激光后会发出荧光，可以高效判断加工进度。采用的热效应极小的飞秒激光方式，有效避免了非晶合金材料晶化的氧化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明一实施例所示激光切割方法的流程图。
图2是本发明又一实施例所示激光切割方法的流程图。
图3是本发明一实施例所示激光切割非晶合金材料的状态示意图。
图4是本发明一实施例所示激光切割方法切割的锆基非晶材料的形貌图。
图5是本发明一对比例所示切割方法切割的锆基非晶材料的形貌图。
图6是本发明一对比例所示切割方法切割的锆基非晶材料的形貌图。
图7是本发明一实施例所示切割方法切割的锆基非晶材料的形貌图。
图8是本发明一实施例所示切割方法切割的锆基非晶材料的形貌图。
图9是本发明一实施例所示切割方法切割的锆基非晶材料的形貌图。
图10是本发明一实施例所示切割方法切割的锆基非晶材料的X射线衍射图。
图11是是本发明一对比例所示切割方法切割的锆基非晶材料的状态图。
图中：非晶合金材料1、非晶合金零件11、光敏玻璃基板2、飞秒激光3。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参照附图1-附图11并结合实施例来详细说明本申请。
参阅附图1所示，根据本发明实施例的一种非晶零件激光切割方法，包括：
S1：将待加工的非晶合金材料固定在光敏玻璃基板上；
S2：运用飞秒激光对待加工的非晶合金材料进行加工，当光敏玻璃基板发出持续荧光后完成加工。
在本发明实施例中，首先将待加工的非晶合金材料固定在光敏玻璃基板上，解决了现有技术中尺寸较小的非晶合金材料不容易固定的难题，固定以后的非晶合金材料便于加工，从而可以提高加工的精度和效果；同时运用飞秒激光对非晶合金材料进行加工，由于飞秒激光的热效应极小，可以避免非晶合金材料的晶化，从而也可以提高加工的效果；最后，选用光敏玻璃基板作为固定非晶合金材料的基板，一方面利用了光敏玻璃基板的激光去除阈值极高的优点，在激光切割过程中对非晶合金材料的损伤很小，避免非晶合金材料的污染，另一方面，选用光敏的玻璃基板，光敏玻璃基板接触激光后会发出光，当光敏玻璃基板发出持续荧光后，说明飞秒激光是持续直接照射在光敏玻璃基板上，而不是照射在待加工的非晶合金材料上，说明此时待加工的非晶合金材料按照加工路径已经完成了加工工作，故工作人员可以高效、准确、及时地判断加工进度和加工过程是否已经结束。
具体地，在本发明实施例中，非晶合金可以包括锆基非晶合金、铜基非晶合金、钛基非晶合金和铁基非晶合金，这样锆基非晶合金、铜基非晶合金、钛基非晶合金和铁基非晶合金都可以采用本发明实施例所示的激光切割方法加工成相应的结构，大大提高了上述各种非晶合金加工的精度、降低加工时固定的难度和高效、准确、及时地判断加工进度。
进一步地，非晶合金材料厚度可以为0.05-2mm，当待加工的非晶合金材料厚度在0.05-2mm之间时，适合运用飞秒激光进行加工，若非晶合金材料厚度超过2mm，运用飞秒激光效率明显降低，增长了加工时间；若非晶合金材料厚度小于0.05mm，运用飞秒激光加工时，容易损坏非晶合金材料。
具体地，根据本发明的有一个实施例中，光敏玻璃基板可以为掺杂荧光物质的玻璃基板，选用掺杂荧光物质的玻璃基板，基板接触激光后会发出荧光，荧光为可见光，加工时工作人员能及时观察和分辨出，从而当光敏玻璃基板发出持续荧光后可以高效、准确、及时地判断加工进度是否结束。
进一步地，光敏玻璃基板的厚度可以为1-5mm，当光敏玻璃基板的厚度为1-5mm，一方面可以避免光敏玻璃基板因厚度过小而强度降低，另一方面可以提高经济性。
根据本发明的另一个实施例，非晶合金材料可以通过粘合剂固定在光敏玻璃基板上，通过粘合剂固定在光敏玻璃基板上，在加工完成以后再从光敏玻璃基板上拆下。通过粘合剂固定无需再根据不同规格的待加工非晶合金材料制备适合的夹具，从而可以大大降低前期成本，且通过粘合剂固定粘接过程比使用夹具操作更加简单，可一次性完成非晶合金材料的轮廓切割加工，且加工后易于从光敏玻璃基板上取下。
进一步地，根据本发明的又一个实施例中，飞秒激光加工时，可以通入惰性气体或氮气与飞秒激光束同轴吹向加工区域。通入惰性气体或氮气一方面可以降低加工区域的温度，减小飞秒激光加工的热效应，避免非晶合金材料晶化和氧化，提高了非晶合金材料的激光加工效果；另一方面，通入惰性气体或氮气可以在加工区域形成高压气氛，可防止粉尘附着。
具体地，本发明实施例中飞秒激光的脉冲宽度可以小于300fs，脉冲宽度小于300fs可以提高飞秒激光输出激光的能量密度，从而可以提高激光切割效果。
具体地，完成加工后可以使用溶解剂溶解粘合剂，这样相对于采用工装或夹具固定待加工的非晶合金材料可以非常方便地进行拆卸。进一步地，溶解剂可以选为无水乙醇。
具体地，待加工的非晶零件尺寸可以小于10mmx10mm。
参阅附图2和附图3所示，根据本发明的有一个实施例中，其中，非晶合金材料1固定在光敏玻璃基板2上，，由上下上垂直照射飞秒激光3进行激光切割，最后得到非晶合金零件11，非晶零件的激光切割方法的步骤包括：
S1：先用粘合剂将待加工的非晶合金材料1固定在光敏玻璃基板2上；
S2：然后在冷却惰性气氛保护下，飞秒激光3按预设的加工路径进行加工切割，当光敏玻璃基板2发出持续的荧光后完成加工；
S3：最后去除粘合剂，获得非晶合金零件11。
在本发明实施例中，首先将待加工的非晶合金材料1固定在光敏玻璃基板2上，解决了现有技术中尺寸较小的非晶合金材料1不容易固定的难题，固定以后的非晶合金材料1便于加工，从而可以提高加工的精度和效果；同时运用飞秒激光3对非晶合金材料1进行加工，由于飞秒激光3的热效应极小，可以避免非晶合金材料1的晶化，从而也可以提高加工的效果；最后，选用光敏玻璃基板2作为固定非晶合金材料1的基板，一方面利用了光敏玻璃基板1的激光去除阈值极高的优点，在激光切割过程中对非晶合金材料1的损伤很小，避免非晶合金材料1的污染，另一方面，选用光敏的玻璃基板，光敏玻璃基板2接触激光后会发出光，当光敏玻璃基板2发出持续荧光后，说明飞秒激光3是持续直接照射在光敏玻璃基板2上，而不是照射在待加工的非晶合金材料1上，说明此时待加工的非晶合金材料1按照加工路径已经完成了加工工作，故工作人员可以高效、准确、及时地判断加工进度和加工过程是否已经结束。
同时，本发明的实施例中，非晶合金材料1通过粘合剂固定在光敏玻璃基板2上，在加工完成以后再从光敏玻璃基板2上拆下。通过粘合剂固定无需再根据不同规格的待加工的非晶合金材料1制备适合的夹具，从而可以大大降低前期成本，且通过粘合剂固定粘接过程比使用夹具操作更加简单，可一次性完成非晶合金材料1的轮廓切割加工，且加工后易于从光敏玻璃基板2上取下。
且本发明实施例中，通入冷却惰性气氛，一方面可以降低加工区域的温度，减小飞秒激光3加工的热效应，避免非晶合金材料1晶化和氧化，提高了非晶合金材料1的激光加工效果；另一方面，可以在加工区域形成高压气氛，可防止粉尘附着。
下面以几个具体的实施例和对比例来说明本发明实施例的有益效果。
实施例1
按照图3的状态图进行设置，选厚度为0.1mm的锆基非晶材料作为非晶合金材料1，使用荧光玻璃基板作为光敏玻璃基板2粘贴固定锆基非晶材料。飞秒激光3的脉宽为250fs，波长为780nm，功率为1w，切割速度为30mm/min，保护气氛为氮气，气压为0.3MPa。飞秒激光3按直线切割，图4中三条切缝的切割次数从上到下依次为5、10、15。可见切割结果为：切缝无毛刺，锆基非晶材料表面无飞溅污染。
对比例1
按照图3的状态图进行设置，选厚度为0.1mm的锆基非晶材料作为非晶合金材料1，使用不锈钢基板粘贴固定锆基非晶材料。飞秒激光3的脉宽为250fs，波长为780nm，功率为1w，切割速度为30mm/min，保护气氛为氮气，气压为0.3MPa。飞秒激光3按直线切割，图5中三条切缝的切割次数均为10。切割结果为：切缝无毛刺，但锆基非晶材料表面有大量飞溅污染。
对比例2
按照图3的状态图进行设置，选厚度为0.1mm的锆基非晶材料作为非晶合金材料1，使用陶瓷基板粘贴固定锆基非晶材料。飞秒激光3的脉宽为250fs，波长为780nm，功率为1w，切割速度为30mm/min，保护气氛为氮气，气压为0.3MPa。飞秒激光3按直线切割，图6中三条切缝的切割次数从上到下依次为5、10、15。切割结果为：切缝无毛刺，但锆基非晶材料表面有大量飞溅污染。
实施例2
按照图3的状态图进行设置，选用厚度为0.12mm的锆基非晶材料，使用荧光玻璃基板粘贴固定。飞秒激光3的脉宽为250fs，波长为780nm，功率为1w，切割速度为30mm/min，保护气氛为氮气，气压为0.3MPa。飞秒激光3按齿轮外形切割，获得外径2mm的微型齿轮，获得如附图7所示的加工零件。切割结果参阅附图7-9所示，切缝无毛刺，切割面平整，零件表面无飞溅污染等损伤。X射线衍射分析见附图10所示，显示切割面仍为非晶态，说明非晶材料经过激光切割后未晶化。
对比例3
按照图3的状态图进行设置，选用厚度为0.12mm的锆基非晶材料，但待加工部位悬空无支撑。飞秒激光3的脉宽为250fs，波长为780nm，功率为1w，切割速度为30mm/min，保护气氛为氮气，气压为0.3MPa。飞秒激光按齿轮外形切割，得到外径2mm的微型齿轮。切割结果：零件表面无飞溅污染，切缝无毛刺，无晶化，但零件表面存在激光划痕。这些划痕发生在激光即将切透材料时，零件与切割孔只靠某些未完全断开的部位连接，零件发生倾倒被激光所伤。此外，参阅附图11所示，脱落后的微型零件易被同轴吹送的冷却惰性气氛吹丢，由于加工现场环境复杂，微型零件的收集十分困难。
综上所示，本发明实施例采用光敏玻璃基板粘贴固定非晶合金材料的方式，无需专用的夹持工具，可一次性完成非晶合金材料轮廓的激光切割，且易于从光敏玻璃基板上取下加工完成的零件；且玻璃基板的激光去除阈值极高，在激光切割过程中损伤很小，可避免非晶非晶合金材料的污染。
同时，本发明实施例选用掺杂荧光物质的光敏玻璃基板，基板接触激光后会发出荧光，可以高效判断加工进度。采用的热效应极小的飞秒激光方式，有效避免了非晶合金材料晶化的氧化。
最后，本发明实施例采用惰性冷却气氛，即可提高加工效率，又可防止粉尘的附着。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种非晶零件激光切割方法，其特征在于，包括：
将待加工的非晶合金材料固定在光敏玻璃基板上；
运用飞秒激光对待加工的非晶合金材料进行加工，当光敏玻璃基板发出持续荧光后完成加工；
所述非晶合金材料通过粘合剂固定在光敏玻璃基板上。
2.根据权利要求1所述的一种非晶零件激光切割方法，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1所述的一种非晶零件激光切割方法，其特征在于，所述非晶合金材料厚度为0.05-2mm。
4.根据权利要求1所述的一种非晶零件激光切割方法，其特征在于，所述光敏玻璃基板为掺杂荧光物质的玻璃基板。
5.根据权利要求1或4所述的一种非晶零件激光切割方法，其特征在于，所述光敏玻璃基板厚度为1-5mm。
6.根据权利要求1所述的一种非晶零件激光切割方法，其特征在于，飞秒激光加工时，通入惰性气体或氮气与飞秒激光束同轴吹向加工区域。
7.根据权利要求1所述的一种非晶零件激光切割方法，其特征在于，所述飞秒激光脉冲宽度小于300fs。
8.根据权利要求1所述的一种非晶零件激光切割方法，其特征在于，完成加工后使用溶解剂溶解粘合剂。
9.根据权利要求8所述的一种非晶零件激光切割方法，其特征在于，所述溶解剂为无水乙醇。
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