TWI417161B - 塊體非晶合金之脈衝雷射切割方法 - Google Patents

Description

塊體非晶合金之脈衝雷射切割方法

本發明涉及一種非晶合金之切割方法，尤其涉及一種塊體非晶合金之脈衝雷射切割方法。

於足夠高之冷卻速度下，液態合金可避免通常之結晶過程，而過冷至某一溫度(一般稱為玻璃態轉化溫度Glass Transition Temperature)以下時，其內部原子凍結於液態時所處之位置附近，從而形成非晶合金(Amorphous Alloy，or Metallic Glass)。塊體非晶合金(Bulk metallic glass)通常係指最小合成厚度或直徑大於等於1毫米之非晶合金。塊體非晶合金以其較高之強度、韌性、耐磨性、耐蝕性、優良之軟磁性與超導特性等特點，於電子、機械、化工等行業已得到廣泛應用。

於製造結構較為複雜之塊體非晶合金產品時，通常需先藉由澆鑄或壓鑄等方式製造出預成品，然後藉由切割之方式將預成品加工成產品。常見之切割方法有如下幾種：(1)使用刀具或砂輪進行機械切割；(2)線切割；(3)雷射切割。惟，由於非晶合金硬度較高，採用機械切割之方法加工時刀具磨損情況十分嚴重，且加工精度較低，難以達到微米級。線切割之缺點係切割表面品質粗糙，有明顯之切割紋路；且加工速度較慢，不適合大規模批量生產。

請參閱圖11，所示為使用傳統之雷射切割方法對塊體非晶合金樣品進行切割後樣品切割面之照片。由圖11可知，由於雷射之能量較高，於加工過程中易於產品局部產生熱效應，導致切割面產生晶化變性、濺污以及毛刺等缺陷，極大影響切割後產品之機械性能及外觀品質。

有鑒於此，有必要提供一種使塊體非晶合金切割後仍保持非晶態之切割方法。

一種塊體非晶合金之脈衝雷射切割方法，該塊體非晶合金具有臨界冷卻速度與玻璃態轉化溫度，其包括以下步驟：將塊體非晶合金之待切割部位置於冷卻保護氣體氛圍中；採用脈衝雷射切割該塊體非晶合金之待切割部位，以形成切割面，其中於一雷射脈衝週期之高電平之時間內，加熱塊體非晶合金之待切割部位至熔點之上；於該雷射脈衝週期之低電平之時間內，以高於臨界冷卻速度之速度冷卻切割面至玻璃態轉化溫度以下；及去除切割面上於切割時產生之毛刺。

上述塊體非晶合金之切割方法採用脈衝雷射，其每一脈衝週期內具有一段冷卻時間，可於該冷卻時間內利於冷卻保護氣體對切割面進行高於臨界冷卻速度之冷卻散熱，以使切割面仍保持非晶態。

10‧‧‧樣品

11‧‧‧切割面

12‧‧‧毛刺

20‧‧‧脈衝雷射器

30‧‧‧冷卻保護氣體輸出設備

圖1係採用本發明實施方式之方法對塊體非晶合金進行切割之狀態示意圖。

圖2為本發明實施方式塊體非晶合金之脈衝雷射切割方法之流程 圖。

圖3至圖9分別為採用本發明塊體非晶合金之脈衝雷射切割方法實施方式1至實施方式7所獲得之塊體非晶合金切割面之照片。

圖10為採用本發明塊體非晶合金之脈衝雷射切割方法實施方式4所獲得之塊體非晶合金之切割面之X射線衍射圖片。

圖11為使用傳統切割方法對非晶合金進行切割後樣品切割面之照片。

下面將結合附圖及實施方式對本發明之塊體非晶合金之脈衝雷射切割方法作進一步詳細說明。

請參閱圖1，本發明實施方式之塊體非晶合金之脈衝雷射切割方法包括以下步驟：

步驟S1，請一併參閱圖2，提供一薄板狀塊體非晶合金樣品10，並將該樣品10置於冷卻保護氣體輸出設備30之下方。樣品10之材質為鋯-銅-鋁-鎳系合金、鋯-銅-鋁-鎳-鈦系合金、鋯-銅-鋁-鎳-鈮系合金、鋯-銅-鎳-鈦-鈹系合金、鋯-銅-鋁-鎳-鈹系合金及鋯-銅-鋁-鈦-鈹系合金等塊體非晶合金中之一種。樣品10具有玻璃態轉化溫度(Tg)及臨界冷卻速度(Rc)，其厚度為0.2毫米至10毫米。開啟冷卻保護氣體輸出設備30，使冷卻保護氣體吹向樣品10之待切割部位，由此該待切割部位置於冷卻保護氣體氛圍中。

步驟S2，使用脈衝雷射器20所產生之高能量密度之脈衝雷射，於冷卻保護氣體之配合下切割樣品10之待切割部位，以形成切割面11。其中，脈衝雷射器20可為CO2型雷射器或Nd：YAG型雷射器， 脈衝雷射發射之方向與冷卻保護氣體流動之方向相同。具體來說，於單一脈衝週期內，首先於高電平之時間內，將樣品10之待切割部位之加熱至熔點之上，並使熔融材料於一定壓力之冷卻保護氣體之作用下吹向切割面11一側邊緣，冷卻形成毛刺12；然後於低電平之時間內，於冷卻保護氣體之作用下，將切割面11冷卻至樣品10之玻璃態轉化溫度以下，且冷卻速度應大於樣品10之臨界冷卻速度。本實施方式中，脈衝雷射峰值功率為0.2千瓦至5千瓦；脈衝雷射之頻率為100赫茲至300赫茲；脈衝雷射之脈衝寬度為0.2微秒至1.5微秒；切割速度大於3毫米/秒。冷卻保護氣體為氬氣、氦氣及氮氣等冷卻氣體。

步驟S3，去除毛刺12，以得到光滑、平整之切割面11。可使用機械方式或電化學法來去除毛刺12。

以下藉由具體實施方式來對本發明作進一步說明。

實施方式1至7為材質完全相同之塊體非晶合金樣品(組成為：鋯-銅-鎳-鈮-鋁)，使用如表1所示之不同工藝參數進行切割。實施方式1至7之切割面之外觀照片如圖3至圖9所示。切割完畢後，藉由檢測切割面之表面光潔情況及毛刺情況以評價切割品質。其中：切割面品質等級係根據樣品切割面豎直痕跡粗細，粗糙程度確定，共1-5級，等級越高，豎直條紋越細，表面越平滑。毛刺等級係根據樣品單位切割面長度上毛刺數量與毛刺平均長度量化後確定，共1-5級，等級越高，毛刺數量越少且長度較短。

表1 不同工藝參數對塊體非晶合金樣品所產生之影響

由圖3至圖9及表1可以得到如下結論：

(1)於其他條件相同之情況下，隨著切割速度之降低，切割品質變差。

(2)於其他條件相同之情況下，隨著頻率之升高，切割品質變好；但頻率過高會造成毛刺增多。

(3)於其他條件相同之情況下，隨著功率之升高，切割品質變好，且毛刺細小而緻密，易於去除。

請參閱圖10，所示為實施方式4之切割面之X射線衍射圖片。圖中橫軸為衍射角度，縱軸為衍射波之強度。從圖10可知：切割面之衍射圖樣無明顯衍射峰，全部為漫散峰，說明樣品10經過雷射切割後並未被晶化。

本發明之塊體非晶合金之切割方法採用脈衝雷射，每一脈衝週期內具有一段冷卻時間，可於該冷卻時間內充分利於冷卻保護氣體對切割面進行高速之冷卻散熱，以使切割面仍保持非晶態。由於採用高精度之雷射切割，本發明之切割方法之切割精度可達(0.1毫米之內，可滿足精密工程設計之要求。另，本發明之切割方法之切割速度較快，加工效率較高，非常適合大規模工業生產使用。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之如申請專利範圍內。

10‧‧‧樣品

11‧‧‧切割面

12‧‧‧毛刺

20‧‧‧脈衝雷射器

30‧‧‧冷卻保護氣體輸出設備

Claims (10)

1. 一種塊體非晶合金之脈衝雷射切割方法，該塊體非晶合金具有臨界冷卻速度與玻璃態轉化溫度，其包括以下步驟：將該塊體非晶合金之待切割部位置於冷卻保護氣體氛圍中；採用脈衝雷射切割該塊體非晶合金之待切割部位，以形成切割面，其中於一雷射脈衝週期之高電平之時間內，加熱該塊體非晶合金之待切割部位至熔點之上；於該雷射脈衝週期之低電平之時間內，以高於該臨界冷卻速度之速度冷卻該切割面至該玻璃態轉化溫度以下；及去除該切割面上於切割時產生之毛刺。
2. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝雷射切割方法，其中該冷卻保護氣體沿與該脈衝雷射發射相同之方向吹向該塊體非晶合金待切割部位，以使該毛刺形成於該切割面之邊緣。
3. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝雷射切割方法，其中該塊體非晶合金選自鋯-銅-鋁-鎳系合金、鋯-銅-鋁-鎳-鈦系合金、鋯-銅-鋁-鎳-鈮系合金、鋯-銅-鎳-鈦-鈹系合金、鋯-銅-鋁-鎳-鈹系合金及鋯-銅-鋁-鈦-鈹系合金中之一種。
4. 如申請專利範圍第3項所述之脈衝雷射切割方法，其中該塊體非晶合金之厚度為0.2毫米至10毫米。
5. 如申請專利範圍第4項所述之脈衝雷射切割方法，其中該脈衝雷射峰值功率為0.2千瓦至5千瓦。
6. 如申請專利範圍第4項所述之脈衝雷射切割方法，其中切割速度大於3毫米/秒。
7. 如申請專利範圍第4項所述之脈衝雷射切割方法，其中該脈衝雷射之頻率為100赫茲至300赫茲。
8. 如申請專利範圍第4項所述之脈衝雷射切割方法，其中該脈衝雷射之脈衝寬度為0.2微秒至1.5微秒。
9. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝雷射切割方法，其中該冷卻保護氣體為氦氣、氬氣及氮氣中之一種。
10. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝雷射切割方法，其中該去除毛刺步驟為使用機械方式或電化學法去除毛刺。