方向性电磁钢板及其制造方法

专利名称：方向性电磁钢板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及卷式变压器的铁芯材料等中使用的方向性电磁钢板及其制造方法。特别是涉及通过激光加工在其表面形成槽而降低了铁损的方向性电磁钢板及其制造方法。本申请基于2010年4月I日在日本申请的 特愿2010-85457号主张优先权，在这里引用其内容。
背景技术：
方向性电磁钢板是含Si且其晶粒的易磁化轴(立方晶(100)〈001>)与其制造工序中的轧制方向大体一致的电磁钢板。该方向性电磁钢板具有多个磁化朝向轧制方向的磁区夹持磁畴壁排列而成的结构,这些磁畴壁中的大多数是180°磁畴壁。该方向性电磁钢板的磁区被称为180°磁区，方向性电磁钢板容易沿轧制方向发生磁化。因此，在比较小的一定的磁化力下，磁通密度高，铁损低。因此，方向性电磁钢板作为变压器的铁芯材料非常优异。铁损的指标一般采用W17/50[W/kg]。W17/50是按照在频率50Hz下最大磁通密度达到I. 7T的方式进行交流励磁时，方向性电磁钢板中产生的铁损的值。若减小该W17/50，则能够制造效率更高的变压器。以下简略地说明通常的方向性电磁钢板的制造方法。将含有规定量的Si的经热轧的硅钢板(热轧板)通过退火及冷轧工序调整为所期望的板厚。接着，在连续式的退火炉中对该硅钢板进行退火，兼带脱炭及消除应力地进行一次再结晶(晶粒直径20 30 μ m)。接着，将作为主成分含有MgO的退火分离材料涂布到该硅钢板薄板(以下有时也简记为钢板)的表面，将钢板卷取成线圈状(外形为圆筒状)，在约1200°C的高温下进行20小时左右的分批退火，使钢板中形成二次再结晶组织，在钢板表面上形成玻璃皮膜。此时，由于在钢板中包含例如MnS或AlN等抑制剂，所以轧制方向与易磁化磁区一致的、所谓高斯晶粒优先发生晶体生长。其结果是，在最终退火之后得到晶体取向性(crystal orientation)高的方向性电磁钢板。在最终退火之后,线圈松开,在另外的退火炉内将钢板连续通板而进行平坦化退火，除去钢板内不需要的应力。此外，对钢板表面实施赋予张力和电绝缘性的涂布，从而制造方向性电磁钢板。就经由这样的工序制造的方向性电磁钢板而言，即使不进行追加的处理铁损也低，若赋予与轧制方向(搬送方向)大体垂直、且一定周期(一定间隔)的应力，则铁损进一步降低。这种情况下，由于局部的应力而形成磁化与轧制方向正交的90°磁区，以这里的静磁能量为源而近似长方形的180°磁区的磁畴壁间隔变窄(180°磁区的宽度变小)。由于铁损(W17/50)与180°磁畴壁的间隔具有正相关，所以根据该原理铁损降低。例如，如专利文献I中公开的那样，通过激光照射赋予钢板应力的方法已经被供于实际应用。同样地，若与方向性电磁钢板的轧制方向大体垂直、且以一定周期形成10 30 μ m左右的深度的槽，则铁损降低。这是因为，由于槽的空隙中的导磁率的变化而在槽周边产生磁极，以该磁极为源而180°磁畴壁的间隔变窄，铁损得到改善。形成槽的方法有如专利文献2中公开的那样采用电解蚀刻在冷轧板上形成槽的方法、如专利文献3中公开的那样将机械齿轮压制到冷轧板上的方法、或如专利文献4中公开的那样通过激光照射使钢板(激光照射部)熔融及蒸发的方法。然而，电力变压器大致有层叠式变压器和卷式变压器。层叠式变压器通过将多个电磁钢板层叠并固定而制造。另一方面，在卷式变压器的制造工序中，由于将方向性电磁钢板边卷绕边层叠并卷紧，所以包括消除其变形应力(例如因弯曲而产生的应力)的退火工序。因此，通过为了改善铁损而赋予应力的上述的方法制造的方向性电磁钢板虽然可以在维持铁损改善效果的状态下用于层叠式变压器，但无法在维持铁损改善效果的状态下用于卷式变压器。即，在卷式变压器中，通过消除应力退火使得应力消失，所以铁损改善效果也消失。另一方面，通过为了改善铁损而形成槽的方法制造的方向性电磁钢板由于即使进行消除应力退火也不会损害改善铁损的效果，所以具有能够用于层叠式变压器及卷式变压器这两者的优点。这里，对形成槽的方法的现有技术进行说明。在利用电解蚀刻的方法中，例如使用在二次再结晶后的表面形成有玻璃被膜的钢板，通过激光或机械方法将表面的玻璃被膜以 线状除去，在通过蚀刻而露出基底金属的部分形成槽。该方法中，工序变得复杂而制造成本变高，处理速度有限。在利用机械齿轮压制的方法中，由于电磁钢板是含有约3%的Si的非常硬的钢板，所以容易产生齿轮的磨损及损伤。若齿轮发生磨损则槽深度产生不均，所以铁损改善效果变得不均一。在利用激光照射的方法(记为激光法)中，具有能通过高功率密度的聚光激光束进行高速槽加工的优点。此外，由于激光法是非接触加工，所以通过激光功率等的控制能够进行稳定且均一的槽加工。在激光法中，为了高效地在钢板表面形成深度为10 μ m以上的槽，以往进行了各种尝试。例如，在专利文献4中公开了采用高峰值功率的脉冲CO2激光器(波长为9 11 μ m)，实现2 X 105W/mm2以上的高功率密度(聚光点处的能量密度)来形成槽的方法。这里，在使用脉冲0)2激光器的方法中，由于在连续的脉冲间存在激光停止时间，所以在以高速在钢板面上扫描激光束的情况下，在激光束的扫描线上，通过各脉冲而形成的孔(点列)相连而形成槽。此时，在高速的光束扫描中脉冲间的时间间隔长时，点列的间隔扩大，各孔分离而铁损改善效果骤减。工业上能够利用的最大脉冲频率充其量为100kHz，这种情况下，脉冲时间间隔为10 μ S。例如，在高速处理中要求的30m/s的扫描速度下，在脉冲间的时间间隔之间光束的扫描位置移动300μπι。为使点列的各点在空间上最低限相接，聚光束直径必须为300 μ m以上。因此，为了得到对于加工而言充分的功率密度，必须增大激光功率，激光装置存在技术性限制。专利文献5中公开了使用连续波激光器，使激光束的聚光形状由圆形变成椭圆形，以低功率密度形成有效的槽。此外，以往，作为激光光源采用容易得到较高功率的CO2激光器，CO2激光器的波长为9 11 μ m带，该波长的激光被在加工点(加工位置)处产生的金属蒸汽或等离子体大量地吸收。因此，激光在钢板表面的到达功率减少而加工效率降低。此外，吸收激光而加热及膨胀的等离子体或金属蒸汽作为二次热源发挥作用，使槽的端部(肩部)的周边发生熔融，所以熔融量增加而槽的形状(例如后述的熔融突起增大)发生恶化。现有技术文献专利文献
专利文献I :日本特公昭58-26406号公报专利文献2 :日本特公昭62-54873号公报专利文献3 日本特公昭62-53579号公报专利文献4 :日本特开平6-57335号公报专利文献5 :日本特开2003-129135号公报

发明内容
发明所要解决的问题在上述的以往的利用激光束照射的槽形成中，在钢板表面激光束被吸收，钢板的金属(基底金属)发生熔融而细小的熔融液滴飞散，或加热至沸点的钢板表面的基底金属蒸 发而形成槽。钢板表面的熔融物在加工点(激光束照射点)处的高温的金属蒸汽或等离子体的压力的作用下飞散。当熔融物大量产生时或压力小时，熔融物无法完全飞散，如图6中例示的那样，熔融物附着在所形成的槽的周边部而产生表面突起。由于在成形变压器时方向性电磁钢板被层叠及压缩，所以若该表面突起显著变大，则各层的方向性电磁钢板的基底金属间的电绝缘性降低。此外，若表面突起被压缩，则由于钢板中发生应力变形所以产生使铁损劣化的问题。在上述的现有技术中，虽然能够深地、高效地形成槽，但存在难以充分地抑制表面突起的问题。本发明是鉴于上述问题而完成的，本发明提供一种方向性电磁钢板，其即使作为卷式变压器的铁芯材料被层叠及压缩，也可抑制层间的电绝缘性的降低及应力的增加，具有优异的能量转换效率(即低铁损，以下记为铁损特性)。此外，本发明还提供一种方向性电磁钢板的制造方法，其用于制造卷式变压器的铁芯材料等中使用的方向性电磁钢板，当向钢板的表面照射激光束而形成槽时，能极大减小在槽周边部产生的表面突起的大小，并适于高速生产线。用于解决问题的方法本发明的主旨如下所述。( I)本发明的一个方式所述的方向性电磁钢板的制造方法，其通过对方向性电磁钢板的表面边扫描边照射激光束，从而沿搬送方向以规定的间隔形成沿着与上述方向性电磁钢板的搬送方向交叉的方向连续存在的规定长度的槽，其中，上述激光束是激光波长λ为Ι.Ομπι以上且2.1μπι以下的连续波激光束，将激光束强度P除以聚光束面积S而得到的功率密度Pd[W/mm2]为5X 105W/mm2以上，上述功率密度Pd[W/mm2]与上述方向性电磁钢板的表面上的上述激光束的聚光点的扫描速度V[mm/s]满足
O.005XPd+3000 ^ V ^ O. 005XPd+40000。(2)在上述(I)所述的方向性电磁钢板的制造方法中，上述激光束也可以是光纤激光、或包含YAG激光的薄圆盘型固体激光。(3)在上述(I)或(2)所述的方向性电磁钢板的制造方法中，上述功率密度Pd [ff/mm2]与上述扫描速度V[mm/s]也可以满足O. 005XPd+4050彡V彡O. 005XPd+40000。(4)在上述(I)或(2)所述的方向性电磁钢板的制造方法中，上述功率密度Pd [ff/mm2]与上述扫描速度 V[mm/s]也可以满足 O. 005XPd+11070 ^ V ^ O. 005XPd+30700。(5)在上述(I)或(2)所述的方向性电磁钢板的制造方法中，上述聚光点的直径d也可以为O. IOmm以下。(6)本发明的一个实施方式所述的方向性电磁钢板，其沿搬送方向以规定的间隔利用激光束形成有沿着与搬送方向交叉的方向连续存在的规定长度的槽，其中，在与上述槽的界面上具有熔融凝固层，上述槽的深度尺寸为8 30 μ m，上述槽的截面积低于1800 μ m2。(7)在上述(6)所述的方向性电磁钢板中，上述槽的深度尺寸也可以为10 30 μ m0(8)在上述(6)或(7)所述的方向性电磁钢板中，上述槽的截面积也可以低于1000 μ m2。(9)在上述(6)或(7)所述的方向性电磁钢板中，上述槽的截面积也可以低于600 μ m2。
发明的效果本发明的方向性电磁钢板由于槽的周边部的突起高度被抑制到5 μ m以下，所以即使作为卷式变压器的铁芯材料被层叠及压缩，也可抑制层间的电绝缘性的降低及变形所导致的应力的增加，具有优异的铁损特性。此外，根据本发明的方向性电磁钢板的制造方法，通过高速光束扫描，能够适应于高速线速度，从而构筑生产率高的制造工艺。


图I是表示激光束照射的功率密度与光束扫描速度的上下限的关系的图。图2是表示由槽形成带来的方向性电磁钢板的铁损改善率与槽深度的关系的一个例子的图。图3A是通过低光束扫描速度的激光束照射而形成的槽及槽的周边部的截面照片。图3B是通过低光束扫描速度的激光束照射而形成的槽及槽的周边部的截面照片。图3C是通过充分的光束扫描速度的激光束照射而形成的槽及槽的周边部的截面照片。图4是表示光束扫描速度对熔融突起的高度及槽深度的影响的一个例子的图。图5是表示本实施方式中使用的制造装置的一个例子的示意图。图6是使用现有技术的CO2激光器通过激光束照射而形成的槽及槽的周边部的截面照片。图7是表示槽截面积与平均突起高度的关系的图。
具体实施例方式以下，参照所附附图，对本发明的优选实施方式进行说明。本发明者们对在激光束照射时方向性电磁钢板的表面突起(突起、熔融突起)产生的机制进行了深入研究。如上所述，通过激光束照射，在钢板表面激光束被吸收，钢板的基底金属发生熔融，细小的熔融物的液滴飞散。该熔融物在加工点(激光束照射点)处的高温的金属蒸汽或等离子体的压力的作用下飞散。一直以来，为了在方向性电磁钢板上形成槽，采用容易得到较高功率的CO2激光器。进行以CO2激光器为光源在方向性电磁钢板上形成槽的实验，对熔融现象进行了详细研究，从而推测通过以下的机制产生表面突起。g卩，CO2激光器的波长为9 11 μ m带，该波长的激光被在加工点产生的金属蒸汽或等离子体大量地吸收。因此，激光在钢板表面的到达功率减少而加工效率降低。此外，吸收激光而加热及膨胀的等离子体或金属蒸汽作为二次热源发挥作用，使槽的端部的周边发生熔融，所以熔融量增加。考察到由于这样的激光的到达功率的减少及熔融量的增加，产生大的溶融关起。因此，进行将从波长为I. O 2. I μ m且聚光性高的激光光源、即光纤激光器或薄圆盘型的YAG激光器那样的激光光源出射的激光束对钢板进行照射的实验，详细地研究了照射条件。其结果发现，如以下说明的那样，能够制造铁损小、且表面突起的大小得到抑制的方向性电磁钢板。
首先，采用附图对本发明的方向性电磁钢板的制造方法的一个实施方式进行详细说明。图5是表示本实施方式中使用的具备激光光源及激光束照射装置的制造装置的一个例子的示意图。另外，该图5中，也示出照射到方向性电磁钢板(钢板)1的激光的照射位置。对使用掺杂有Yb作为激光介质的光纤激光器作为激光光源的例子进行说明。图5中，钢板I是二次再结晶后的板宽为150mm的方向性电磁钢板,在基底金属表面形成有玻璃被膜。钢板I以线速度VL沿线方向(轧制方向、搬送方向)L以一定速度进行通板。激光装置2是最大输出功率为2000W的市售的光纤激光器，纤维芯中掺杂有Yb作为激光介质，其振荡波长为I. 07 1.08 μ m。芯的直径为约15 μ m，输出光束的激光振荡模式为大致基本高斯模式。从激光装置2输出的连续波(CW)的激光经光纤维3传送，到达激光照射装置4。该激光照射装置4具备准直器5、20面体的旋转多面反射镜6和焦点距离为200mm的f Θ透镜7。准直器5调整从传送纤维3输出的激光束LB的直径。此外，旋转多面反射镜6使激光束LB发生偏转而在钢板I上以高速沿大致板宽方向C进行扫描，f Θ透镜7将该激光束LB聚光。通过调节旋转多面反射镜6的旋转速度，可以将钢板I上的光束扫描速度V在2 50m/s的范围内调整。钢板I上的聚光束的板宽方向的扫描宽度为约150mm。将聚光束直径(包含能量的86%的直径)d通过利用准直器5的输出光束直径的变更而调整为10 100 μ m。另外，将未图示的聚焦机构配置在旋转多面反射镜6与焦点距离为200mm的f Θ透镜7之间，通过该聚焦机构能够调整透镜7与钢板的距离。通过旋转的旋转多面反射镜6的I面使激光束在钢板I上扫描，在钢板I上沿大致宽度方向形成规定长度(例如板宽方向的全长)的I道槽。L方向上邻接的槽的间隔、S卩轧制方向(搬送方向)的照射间距PL可以通过线速度VL及多面旋转速度的调整来变更。这样，使用激光照射装置4，对钢板I照射激光束LB而沿轧制方向L以一定的扫描间隔PL (=照射间距、槽间隔)形成槽。即，通过对方向性电磁钢板的表面将激光束边聚光扫描边照射，从而沿搬送方向以规定的间隔形成沿与方向性电磁钢板的搬送方向大致垂直的方向(与搬送方向交叉的方向、包含与搬送方向垂直的矢量的方向、例如从该垂直的方向±45°的范围内)连续存在的规定长度的槽。对激光束照射后的钢板1，在未图示的退火炉中实施约800°C的消除应力退火，然后通过未图示的涂布装置对表面实施赋予电绝缘及张力的绝缘被膜涂布。另外，绝缘被膜的厚度为2 3 μ m。
<槽深度与铁损改善效果的关系>首先，研究槽深度与铁损改善效果的关系。作为材料准备B8为I. 90T的方向性电磁钢板。这里，B8用磁化力H为O. 8A/m时产生的磁通密度[T]来定义。特别是在方向性电磁钢板的情况下，B8是钢板沿轧制方向磁化时的磁通密度。B8越高则钢板I的晶体取向性越高(晶体取向性大)，一般铁损也越低。使用该材料，在激光束强度P为1000W、聚光束直径d为O. 03mm、功率密度Pd为14X 105W/mm、槽间隔PL为3mm、光束扫描速度V为2500 50000mm/s的范围的激光束照射条件下，照射激光束而在钢板表面形成槽。这样，通过以不同的光束扫描速度V在钢板表面形成槽，制作具有不同的槽深度的钢板。另外，这里，仅着眼于槽深度与铁损改善效果的关系，没有考虑槽周边的熔融突起的高度。从形成有槽的钢板切出轧制方向长度为300_、宽度方向长度为60mm大小的单板样品,通过公知的铁损测定方法即SST (Single Sheet Tester)法测定铁损Wg并进行评价。此外,也通过该方法测定了相同材料但没有形成槽的方向性电磁钢板的铁损W0。这里，铁损Wg及WO是在频率为50Hz、最大磁通密度为I. 7T的励磁条件下的铁损值。采用各铁损Wg及WO通过以下的式(I)算出铁损改善率Π%进行铁损改善效果的比较评价。 n= (WO-Wg)/WOX100 (I)图2是表示测定的钢板表面的槽的深度与铁损改善率η的关系的一个例子的图。测定槽的深度的各钢板为相同材质，其板厚为O. 23mm。如图2所示那样，槽深度为SymWi时铁损改善效果显著增加，得到超过10%的铁损改善率η ( n >10%)。槽深度为10 30 μ m时铁损改善率Π具有约13%的最大值。此外，若槽深度超过30 μ m，则铁损改善率η降低至低于10%。若槽变得过深，则包含槽的部分的钢板的截面积(高导磁率的区域)变窄，所以铁损增加。因此，从改善铁损的观点考虑，槽深度为8 30 μ m的范围是适宜的。<熔融突起(表面突起)与变压器特性的关系>接着，研究熔融突起(表面突起)对变压器特性的影响。这里，作为变压器特性评价层叠的钢板间的电绝缘性。这是由于，在变压器的制造时将方向性电磁钢板层叠及压缩时，必须维持邻接的层间(基底金属间)的电绝缘性。因此，对在上述的激光束照射条件下制造的单板样品的单面压入多个接触电极并施加电压，测定各电极间流过的电流。关于测定条件，每I个接触电极的面积为1cm2、电压为O. 5V、接触压力为230psi (I. 58MPa)、接触电极的数目为10个。只要通过该测定方法测定的各电极间流过的电流为600mA以下，在以小型变压器为中心的通常的变压器中就可得到良好的变压器特性。此外，在层间电压变得较高的大型的变压器中，该电流优选为IOOmV以下。表I中示出关于表面突起的高度(平均突起高度)与电流(层间电流)的关系的测定例。表I
平均突起高度(μ m)~ < I ~2~3~5~10~20
层间电流(mA)O50100600700850如表I所示那样，若将表面突起的高度减小至5μπι以下，则能够将层间电流抑制到600mV以下，能够适合将形成有槽的方向性电磁钢板用于通常的变压器铁芯。此外，若将表面突起的高度减小至3μπι以下，则能够将层间电流抑制到IOOmA以下，可维持层间充分的电绝缘性。因此，也能够将形成有槽的方向性电磁钢板适用于可产生高的层间电压的各种变压器铁芯。此外，若将表面突起的高度减小至Ium以下，则可得到层间大致完全的绝缘性。认为上述的表面突起的高度与层间电流的关系受到在方向性电磁钢板的最终线上对钢板表面施加的绝缘涂布的厚度(约为3μπι)的影响。由于在制作变压器铁芯时，仅在通过层叠而彼此相对的钢板表面的一侧存在表面突起，所以只要表面突起为规定的大小以下，就可通过另一钢板表面(背面)的绝缘涂布来确保充分的电绝缘性。考虑到相邻的钢板的位置关系或表面突起的变形等条件，只要表面突起为5 μ m以下，则层间的电绝缘性就是充分的。此外，若表面突起为3μπ 以下，则由于绝缘涂布的厚度的效果，层间的电绝缘性优异。<在槽周边部产生的熔融突起(表面突起)的抑制方法>基于上述研究结果，以下，对在槽的周边部产生的熔融突起的抑制方法进行说明。本发明者们以各种功率密度Pd及光束扫描速度V对方向性电磁钢板进行激光束照射，研究表面突起的高度和槽深度与功率密度Pd[W/mm2]和光束扫描速度V的相关性。这里，在激光束强度P为200 2000W的范围、聚光点的直径(聚光束直径)d为O. 01 O. IOmm的范围、光束扫描速度V为5000 70000mm/s的范围内变更，控制功率密度Pd及光束扫描速度V。此外，用光学显微镜及SEM (Scanning Electron Microscope)观察所形成的槽的截面。这里，功率密度Pd [W/mm2]通过聚光束面积S[mm2]用以下的式(2)来定义。此外，聚光束面积S[mm2]利用聚光束直径d用以下的式(3)求出。在与光束传播方向垂直的截面上具有功率强度分布的圆形的激光束的情况下，该聚光束直径d是包含整体的86%的能量的圆状的区域的直径。即，这种情况下，从激光束的中心向激光束的外侧将功率强度对激光束的半径进行积分，求出激光束内的各半径(各直径)的圆状的区域中包含的能量。另外，表面突起的高度及槽深度的尺寸通过市售的接触式的表面粗度计来测定。Pd=P/S(2)S=Ji X (d/2)2 (3)图4是表示在激光束强度P为1000W、聚光束直径d为O. 03mm、功率密度Pd为14. OX 105W/mm2的激光束照射条件下，光束扫描速度V对槽周边部的熔融突起的平均高度(突起高度)及平均槽深度(槽深度)产生的影响的图。这里，突起高度及槽深度均是50个样品的平均值。图3A C是从槽方向(槽的连续存在方向)看的槽及槽的周边部的截面照片的一个例子。首先，利用图3A 图3C来说明槽的截面形状。图3A是光束扫描速度V为5000mm/s时的槽截面照片。在这样的低速的光束扫描速度V下，产生超过60 μ m的深度(量)的熔融(大量的熔融物)，暂时地形成槽，但槽的上部被再凝固物填埋，有时也在内部形成空隙。这种情况下，表面突起的高度为30 μ m左右。图3B是光束扫描速度V为10000mm/S时的槽截面照片。由图3B可知，随着光束扫描速度V的增加，槽深度变浅。在该图3B中，槽深度为30 μ m左右，但表面突起的高度为10 μ m以上。图3C是光束扫描速度V为30000mm/s时的槽截面照片。在该速度下，槽深度为10 15 μπι，突起高度为Iym以下，表面突起几乎消失。另外，突起高度也可以为Ομπι。这里，在槽的周边部，确认到由于在激光照射部产生的熔融物的一部分发生凝固而形成的后述的熔融再凝固层。图4中以涂黑的四角表示槽深度与光束扫描速度V的关系。如图4所示那样，若光束扫描速度V超过50000mm/s，则槽深度低于8 μ m。这种情况下，由图2可知铁损改善效果显著降低。因而，功率密度Pd为14. OX 105W/mm2时，为了充分确保槽深度所需的光束扫描速度V的上限V2为50000mm/s。为了得到更高的铁损改善率而得到IOym以上的槽深度时，光束扫描速度V的上限V2’优选为40000mm/s。另一方面，图4中以空白的菱形表不激光束强度P为1000W、聚光束直径d为
O.03mm、功率密度Pd为14. OX 105W/mm2时的、熔融突起的高度与光束扫描速度V的关系。如图4所示那样，若光束扫描速度V超过10000mm/S，则能够将突起高度控制在5 μ m以下。如上述的表I (关于突起闻度与层间电流的关系的测定例)所不那样，若将突起闻度减小至5μπι以下，则层间电流降低，得到充分的变压器特性。因而，为了充分地减小突起高度所需的光束扫描速度V的下限Vl为10000mm/S。此外，若光束扫描速度V超过12000mm/s，则能够将突起高度控制在3μπι以下。突起高度为3μπι以下时，如表I所示那样，层间电流小， 得到良好的变压器特性。这种情况下，光束扫描速度V的下限VI’为12000mm/s。此外，为了将突起高度减小至Iym以下所必须的下限VI”为20000mm/s，为该范围的光束扫描速度V时，可期待更良好的变压器特性。但是，这里，仅对于功率密度Pd为14. OX 105W/mm2的情况，确定了光束扫描速度V的上下限(V1、V2等)。另外，光束扫描速度V的下限V1、V1’、V1”以突起高度为基准来确定，光束扫描速度V的上限V2、V2’以槽深度为基准来确定。本发明者们将0. 01 0. 3mm的范围的聚光束直径d和100 2000W的范围的激光束强度P以各种模式组合，并以各种功率密度Pd进行激光照射实验。在该照射实验中，研究各功率密度Pd下的光束扫描速度V的下限VI、上限V2、下限VI’、上限V2’、下限VI”。其结果是，如图I (表示光束扫描速度的上下限与功率密度的关系的图)所示那样，功率密度Pd为5 X 105W/mm2以上时，可获得能得到良好的铁损特性及变压器特性的光束扫描速度V的上下限。进而发现，上限VI、下限V2、下限VI’、上限V2’、下限VI”与功率密度Pd以正相关略成比例地发生变化。另外，功率密度Pd低于5 X 105W/mm2时，突起高度、槽深度的测定值的不均都变大，激光束照射的槽加工性能变得不稳定。在光束扫描速度V低于5000mm/s的低速加工域中，从激光照射部向其周边的热传导变得显著。此外，由于功率密度Pd低，所以在熔融后蒸发或飞散的熔融物的量大幅减少。其结果是，在钢板表面熔融及再凝固的区域增大，熔融突起的数量及高度增加。此外，由于熔融物停留在钢板表面的激光照射部，所以难以形成槽，槽深度也变得不稳定。根据图I，功率密度Pd在5X 105W/mm2以上的范围内，功率密度Pd与光束扫描速度V的上下限(下限VI、上限V2、下限VI’、上限V2’及下限VI”各自)的关系可以通过最小二乘法以直线近似式表示。通过该直线近似式可以简单地确定兼顾突起抑制和铁损改善的最适激光条件。即，图I中，下限Vl (V1=0. 005XPd+3000)表示“突起高度达到5μπι的光束扫描速度V的值”，下限VI’(VI’ =0.005XPd+4050)表示“突起高度达到3μπι的光束扫描速度V的值”，VI”(Vl”=0.005XPd+11070)表示“突起高度达到I μ m的光束扫描速度V的值”。同样地，图I中，上限V2 (V2=0. 005XPd+40000)表示“槽深度达到8μπι的光束扫描速度V的值”，上限V2’(V2’ =0. 005XPd+30700)表示“槽深度达到10 μ m的光束扫描速度V的值”。利用由这些一次式求出的下限VI、下限VI’、下限VI”、上限V2、上限V2’，可以适当地控制光束扫描速度V。为了使铁损充分降低并得到通常的变压器所需的变压器特性，根据功率密度Pd的值按照满足以下的式(4)(即Vl < V < V2)的方式控制光束扫描速度V。此外，为了通过激光束照射使铁损进一步降低从而得到更良好的变压器特性，优选根据功率密度Pd的值，按照满足以下的式(5)(即VI’彡V彡V2)的方式控制光束扫描速度V，更优选按照满足以下的式(6)(即Vl”< V < V2’)的方式控制光束扫描速度V。O. 005XPd+3000 ^ V ^ O. 005XPd+40000 (4)O. 005 X Pd+4050 彡 V 彡 O. 005 X Pd+40000 (5 )O. 005XPd+11070 ^ V ^ O. 005XPd+30700 (6)这里，如上所述，光束扫描速度V的上下限(下限VI、上限V2、下限VI’、上限V2’及下限VI”)可以根据功率密度Pd来确定，功率密度Pd通过激光束强度P和聚光束直径d这两者来定义。此外，由于该功率密度Pd和光束扫描速度V对向每单位时间及单位面积的激光照射部供给的能量产生影响，所以对后述的槽截面积也产生影响。另外，只要功率密度Pd和光束扫描速度V满足(4)式，则功率密度Pd的上限没有特别限制。例如，也可以将功率密度Pd控制为5X 105W/mm2以上且7 X 106W/mm2以下。〈本实施方式的效果的详细说明〉接着，本实施方式中，对利用高峰值功率密度的激光束的高速光束扫描能够抑制突起并加工成适于铁损特性的深度的槽的原理进行说明。本实施方式中，使用波长为
I.O 2. I μ m的聚光性高的连续振荡型的激光器(能够连续振荡的激光器)。例如，作为这样的激光器，使用光纤激光器或包含YAG的薄圆盘型固体激光器。该波长域的激光不易被在加工点产生的金属离子的等离子体或金属蒸汽吸收。另一方面，以往一直使用的波长为9 11 μ m带的CO2激光器由于容易被等离子体或金属蒸汽吸收，所以在等离子体或金属蒸汽的产生区域中功率被消耗、钢板表面的加工效率降低。此外，由于吸收了激光的等离子体变成高温，作为与聚光束直径相比空间上较大的热源发挥作用，所以使槽周边不必要地发生熔融，形成如图6所示那样的宽度广的槽，突起变大。由于功率密度变得越高，这样的倾向变得越显著，所以在使用CO2激光器的方法中，对于提高功率密度进行高速处理是不利的，难以抑制突起。此外，通过使用连续波激光器，也没有由脉冲振荡激光器产生的、点列槽的孔间的间隙导致的铁损改善劣化。光纤激光器中，可以使用在作为振荡介质的纤维的芯中掺杂有各种激光介质(激发原子)的激光器。例如，芯中掺杂有Yb (镱)的光纤激光器中，其振荡波长为I. 07
I.08 μ m，芯中掺杂有Er (铒)的光纤激光器中，其振荡波长为I. 55 μ m，芯中掺杂有Tm (铥)的光纤激光器中，其振荡波长为I. 70 2.10 μ m。此外，同样的波长域的高输出功率激光器即YAG激光器中，振荡波长为1.06μπι。在使用这些光纤激光器及YAG激光器的方法中，由于激光被加工点处的等离子体或金属蒸汽吸收的影响少，所以这些方法属于本发明的方法。此外，在本实施方式中，若将聚光点的直径控制为O. IOmm的极小聚光,贝U表面突起显著减少。这是由于，除了功率密度的增加以外，熔融体积减少。因而，聚光束直径优选为O. IOmm以下。对于所使用的激光器，要求高的聚光性。光纤激光器能够聚光至与芯直径相同的程度，为了确保更高的聚光性，具有O. IOmm以下的芯径的光纤激光器是适合的。此夕卜，在YAG激光器等固体激光器中，振荡介质为薄圆盘型的晶体的薄圆盘激光器，由于晶体的表面积大且容易冷却，所以即使在高输出功率工作中也不易产生因晶体的热应力导致的聚光性的劣化，并容易进行O. IOmm以下的微小聚光。因此，本发明中，薄圆盘固体激光器也适合。这里，聚光点的直径的下限没有特别制限，但考虑到光纤激光器的最小芯径或透镜的焦点距离等，例如可以为10 μ m。
另外，该聚光点的直径和槽宽不一定一致。例如，若功率密度大，光束扫描速度V小，则槽宽变得比聚光点的直径大。此外，例如，若功率密度小，光束扫描速度V大，则槽宽变得比聚光点的直径小。此外，槽宽也根据与激光的光束传播方向垂直的截面上的功率强度分布的不同而发生变化。这里，在与钢板的宽度方向(与钢板的搬送方向垂直的方向)垂直的截面中，将激光束的非照射区域(非照射面)设定为板厚方向上的基准面(基准高度、包括激光照射前的涂布的表面)时，槽(槽部)是从该基准面利用激光束除去了部分钢板的区域。因此，槽宽(槽的宽度尺寸)用与板厚方向(槽深度方向)垂直的方向的槽的最大长度尺寸来定义。另外，关于各种的尺寸，进行统计学上充分的次数的测定(例如30次的测定)。此外，利用附图对本发明的方向性电磁钢板的一个实施方式进行详细说明。本实施方式中，通过激光等热源在方向性电磁钢板的表面形成沿包括与搬送方向垂直的方向在内的方向连续存在的规定长度的槽。该方向性电磁钢板中，在槽与钢板的基底金属之间(与槽的界面处)形成熔融再凝固层，槽深度为8 30 μ m，与钢板的宽度方向垂直的截面上的槽的截面积(槽截面积)低于1800μπι2。此外，钢板上形成的槽沿与钢板的搬送方向交叉的方向(光束扫描方向)连续地连续存在。如上所述，若槽深度为8 30 μ m，则铁损改善率η提高至10%以上。此外，从铁损改善率η的观点出发，该槽深度优选为IOym以上。同样地，该槽深度优选为20μπι以下。此外，本实施方式中，上述的突起高度(平均突起高度)被抑制到5μπι以下。该突起高度例如受到在激光照射时产生的融液的量或激光照射时的融液除去的机制的影响。因此，本发明者们对作为融液生成及融液除去的结果而产生的槽的截面积与突起高度的关系进行了详细研究。图7中示出槽截面积与平均突起高度的关系。如图7所示那样，若槽截面积低于1800μπι2，则能够将突起高度抑制到5μπι以下。此外，为了将突起高度抑制到3μπι以下，槽截面积优选低于1000 μ m2，为了将突起高度抑制到Iym2以下，槽截面积优选低于600 μ m2。这里，槽截面积用在与钢板的宽度方向垂直的截面上将槽近似为半椭圆时的面积来定义。S卩，槽截面积Ds [ μ m2]采用槽宽Dw[ μ m]和槽深度Dd[ μ m]通过以下的式(7)来定义。Ds=Ji XDwXDd/4 (7)这样，通过减小聚光束直径来削减槽截面积即熔融物的除去量，能够减少产生突起的成分，使突起高度降低。另外，对槽截面积的下限没有特别限制，但为了确保8 μ m以上的槽深度且8 μ m以上的槽宽，槽截面积优选为50 μ m以上。此外，在本实施方式中，在槽与钢板的基底金属的界面处形成了熔融凝固层。该熔融凝固层通过在激光照射部产生的熔融物的一部分发生凝固而形成。因此，通过利用硝酸乙醇腐蚀液腐蚀与包含槽的钢板的宽度方向垂直的截面(切断、树脂填埋及研磨后的表面)并进行观察，能够确认该熔融凝固层。即，通过使用例如光学显微镜观察以线状可视化的晶体晶界，能够在熔融凝固部(熔融再凝固层)与非熔融部(基底金属)之间确认到明显的线状的边界。如上所述，突起高度优选抑制到5 μ m以下，更优选抑制到3 μ m以下，最优选抑制到I μ m以下。该突起高度也可以为O μ m以上。此外,槽的宽度尺寸也可以为O. 01 50 μ m。此外，方向性电磁钢板的板厚也可以为O. IOmm O. 50mm。就方向性电磁钢板而言,特别适合使用O. 17mm O. 36mm的板厚。此外，所层叠的方向性电磁钢板的各层间流过的电流在利用上述的方法进行测定的情况下，优选为600mV以下，更优选为200mV以下。此外，也可以根据需要对形成有槽的方向性电磁钢板进行表面处理。例如，也可以对形成有槽的方向性电磁钢板的表面实施涂布。这里，本实施方式中的槽的定义与上述实施方式相同，即使在槽形成后对钢板表面进行涂布时也不会发生变化。 此外，得到与通过表面粗度计得到的测定结果相同的结果时，由板厚方向的槽的长度尺寸(从上述的基准面到槽的前端为止的距离)来确定槽深度(槽的深度尺寸)。同样地，由从上述的基准面到表面突起的前端为止的高度尺寸(板厚方向上的距离)来确定突起高度。以上，对本发明的优选的实施例进行了说明，但本发明并不限定于这些实施例。在不脱离本发明的主旨的范围内，可以进行技术特征的增加、省略、替换、及其他的变更。本发明不受上述的说明的限定，仅受所附的权利要求书的限定。产业上的可利用性本发明能够提供通过激光束照射在钢板的表面形成槽时，极大减小在槽周边部产生的表面突起的大小，且适于高速生产线的方向性电磁钢板的制造方法及具有优异的铁损特性的方向性电磁钢板。符号说明I方向性电磁钢板(钢板)2激光装置3光纤维(传送纤维)4激光照射装置5准直器6多面反射镜(旋转多面反射镜)7 f Θ 透镜LB激光束L轧制方向(搬送方向)C板宽方向PL轧制方向(搬送方向)上的槽形成的间隔
权利要求
1.一种方向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，通过对方向性电磁钢板的表面边扫描边照射激光束，从而沿搬送方向以规定的间隔形成沿与所述方向性电磁钢板的搬送方向交叉的方向连续存在的规定长度的槽，其中， 所述激光束是激光波长λ为I. O μ m以上且2. I μ m以下的连续波激光束， 将激光束强度P除以聚光束面积S而得到的功率密度Pd为5 X 105W/mm2以上， 所述功率密度Pd与所述方向性电磁钢板的表面上的所述激光束的聚光点的扫描速度V 满足 O. 005XPd+3000 ^ V ^ O. 005XPd+40000, 其中，功率密度Pd的单位为W/mm2，扫描速度V的单位为mm/s。
2.根据权利要求I所述的方向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，所述激光束是光纤激光、或包含YAG激光的薄圆盘型固体激光。
3.根据权利要求I或2所述的方向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，所述功率密度Pd与所述扫描速度V满足O. 005XPd+4050 ^ V ^ O. 005 XPd+40000，其中，功率密度Pd的单位为W/mm2，扫描速度V的单位为mm/s。
4.根据权利要求I或2所述的方向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，所述功率密度Pd与所述扫描速度V满足O. 005XPd+11070 ^ V ^ O. 005XPd+30700，其中，功率密度Pd的单位为W/mm2,扫描速度V的单位为mm/s。
5.根据权利要求I或2所述的方向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，所述聚光点的直径d为O. IOmm以下。
6.一种方向性电磁钢板，其特征在于，其沿搬送方向以规定的间隔通过激光束形成有沿与搬送方向交叉的方向连续存在的规定长度的槽，其中， 在与所述槽的界面处具有熔融凝固层， 所述槽的深度尺寸为8 30 μ m， 所述槽的截面积低于1800 μ m2。
7.根据权利要求6所述的方向性电磁钢板，其特征在于，所述槽的深度尺寸为10 .30 μ m0
8.根据权利要求6或7所述的方向性电磁钢板，其特征在于，所述槽的截面积低于.1000 μ m2。
9.根据权利要求6或7所述的方向性电磁钢板，其特征在于，所述槽的截面积低于.600 μ m2。
全文摘要
本发明的方向性电磁钢板的制造方法中，通过对方向性电磁钢板的表面边扫描边照射激光束，从而沿搬送方向以规定的间隔形成沿包括与上述方向性电磁钢板的搬送方向垂直的方向在内的方向连续存在的规定长度的槽。此外，所述方向性电磁钢板的制造方法中，所述激光束是激光波长λ为1.0μm以上且2.1μm以下的连续波激光束，将激光束强度P除以聚光束面积S而得到的功率密度Pd[W/mm2]为5×105W/mm2以上，所述功率密度Pd[W/mm2]与所述方向性电磁钢板的表面上的所述激光束的聚光点的扫描速度V[mm/s]满足0.005×Pd+3000≤V≤0.005×Pd+40000。
文档编号B23K26/00GK102834529SQ201180017618
公开日2012年12月19日 申请日期2011年3月29日 优先权日2010年4月1日
发明者坂井辰彦, 滨村秀行 申请人:新日本制铁株式会社