專利名稱：取向電磁鋼板的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵損小且磁致伸縮特性優(yōu)異的取向電磁鋼板的制造方法。
背景技術(shù)：
晶體的易磁化軸在整個鋼板中大致為同 一方向的晶體取向性高的電磁 鋼板，被稱為取向電磁鋼板，該方向與鋼板的軋制方向一致。這樣的鋼板 作為變壓器鐵心材料非常優(yōu)異。
用交流磁化取向電磁鋼板時的鐵損，可分離為渦流損耗和磁滯損耗， 而且渦流損耗又可以分成典型的渦流損耗和異常渦流損耗。典型的渦流損 耗與鋼板的板厚成比例，因此可通過材料的減薄來降低，異常渦流損耗是 由于磁疇壁的移動而局部發(fā)生的渦流所引起的損耗，與在軋制方向細(xì)長的
磁疇即180。磁疇的磁疇壁間隔成比例地減小。因此，為了降低鐵損，提出 了各種的磁疇的細(xì)分化技術(shù)。
人們已知道，通過對鋼板表面賦予與軋制方向大致垂直的直線狀的、 且周期性的應(yīng)變，可在其應(yīng)變的附近形成細(xì)的環(huán)流/磁疇，以其為起點180。 磁疇壁間隔變窄，異常渦流損耗得到降低。因此，考察了將激光束聚光并 在板幅方向(板橫向)掃描照射來賦予應(yīng)變的方法，現(xiàn)在已經(jīng)用于實用。
另一方面，磁滯損耗是磁化曲線即磁滯曲線所導(dǎo)致的損耗，是對鋼板 的應(yīng)變敏感的鐵損成分。因此，通過激光照射進(jìn)行的過剩的應(yīng)變賦予存在 導(dǎo)致磁滯損耗增加的問題。
另外，與電磁鋼板的鐵損同樣重要的特性有磁致伸縮。這起因于鋼板 在交流磁場中的伸縮，因此是變壓器產(chǎn)品噪音的主要原因。特別是對于晶 體取向性高的電磁鋼板，人們已知鋼板伸縮量與賦予的應(yīng)變量存在正的相關(guān)關(guān)系，從磁致伸縮的觀點來看，必須抑制過剩的應(yīng)變。因此，希望以盡 量少的應(yīng)變量降低異常渦流損耗，并極力抑制磁滯損耗和磁致伸縮的增加。 在以往的通過激光照射來賦予殘余應(yīng)力的鐵損改善技術(shù)中，例如如日
本特開平6-57333號公報所公開的那樣，1 2jis左右的短脈沖、且在電磁 鋼板面上的峰值功率密度超過lxl04\V/mm2的高的峰值脈沖激光的照射方 法，可有效地導(dǎo)入應(yīng)變，峰值功率高的Q開關(guān)激光器正被使用。但是，該 方法中，會對鋼板賦予局部非常強(qiáng)的沖擊力，因此在比光束的聚光徑更大 的范圍被賦予較強(qiáng)的應(yīng)變的結(jié)果，雖然渦流損耗被充分降低，但是由于過 剩的應(yīng)變，而發(fā)生磁滯損耗和磁致伸縮增加的問題。
因此，為了在更狹窄的區(qū)域?qū)胗行У膽?yīng)變，例如如WO2004/083465 號公報所公開的那樣，通過使激光束的聚光點在軋制方向的徑為0.2mm以 下，來對非常狹窄的區(qū)域賦予應(yīng)變，得到了優(yōu)異的特性。在該方法中，雖 然與高峰值脈沖激光器相比較，過剩的應(yīng)變幅度的發(fā)生較少，但是關(guān)于磁
致伸縮特性，還希望進(jìn)一步改善。然而，進(jìn)一步使聚光范圍變窄的場合， 在電磁鋼板面上的功率密度增加，因此甚至采用瞬時功率較低的連續(xù)波激 光器也會引入過剩的應(yīng)變，而且在連續(xù)波激光器的場合，由于連續(xù)的熱輸 入過程，存在鋼板容易熔融的問題。在這種場合，熔融部再凝固時會發(fā)生 過大的張力，存在應(yīng)變區(qū)增大的問題。即，對于連續(xù)波激光法，只縮小聚 光徑時，磁致伸縮特性的改善存在限度。
近年來，從節(jié)能、環(huán)境問題的觀點考慮，高效率變壓器材料即高級電 磁鋼板的需求日益增大，其中，由于設(shè)置環(huán)境的制約，對降低變壓器噪音 的要求度較高。因此，希望得到降低鐵損并且進(jìn)一步改善磁致伸縮的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是提供能夠極力降低取向電磁鋼板的鐵損且盡可能減小磁致伸 縮的取向電磁鋼板的制造方法的發(fā)明。用于完成該課題的本發(fā)明的手段如 下。
(1) 一種取向電磁鋼板的制造方法，是將激光束聚光至取向電磁鋼板面，在該取向電磁鋼板面的板幅方向進(jìn)行掃描照射，周期性地賦予殘余應(yīng) 力來改善磁特性的取向電磁鋼板的制造方法，其特征在于，激光束是將連 續(xù)波激光進(jìn)行了周期性功率調(diào)制的光束，在上述進(jìn)行過功率調(diào)制的光束的
時間波形中，以調(diào)制周期Tm、功率為最大值Pp的10%以下的時間幅度 Tf以及所述的調(diào)制周期Tm與時間幅度Tf之差(Tn=Tm-Tf)將功率調(diào)制 效率Dp定義為Dp二Tn/Tmxl00。/o時，功率調(diào)制效率Dp為70%以上且低 于100%,并且該激光束的功率最小值Pb為最大值Pp的10%以下。
(2)根據(jù)(1)所述的取向電磁鋼板的制造方法，其特征在于，以激 光束的聚光面積S和上述最大值Pp將上述激光束在鋼板面上的峰值功率 密度Ppd定義為Ppc^Pp/S時，峰值功率密度Ppd為lxl02~lxl04W/mm2。
(3 )根據(jù)(1 )或(2 )所述的取向電磁鋼板的制造方法，其特征在于， 上述激光束是從半導(dǎo)體激光激發(fā)的光纖激光器裝置射出的光束。


圖1 調(diào)制的說明圖
圖2 概略說明圖。
圖3是說明實施例的調(diào)制效率與4失損的關(guān)系的圖。
圖4是說明實施例的調(diào)制效率與磁致伸縮的關(guān)系的圖。
圖5是高峰值脈沖激光照射中的聚光徑以及應(yīng)變幅度的模式圖
圖6是連續(xù)波激光照射中的聚光徑以及應(yīng)變幅度的模式圖。
具體實施例方式
在通過激光照射賦予應(yīng)變的區(qū)域形成環(huán)流磁疇。環(huán)流磁疇的伸縮導(dǎo)致 磁致伸縮，因此應(yīng)變的導(dǎo)入量與磁致伸縮存在大致正的相關(guān)關(guān)系。因此， 為了將磁致伸縮的增加抑制在最小限度，賦予足夠降低渦流損耗的應(yīng)變， 且極力不給予那以上的不必要的應(yīng)變是理想的。即，將導(dǎo)入的應(yīng)變體積最佳化是重要的。
Q開關(guān)C02激光器或者YAG激光器所代表的脈沖振蕩激光器，將蓄 積于激光媒質(zhì)中的能量一瞬間以激光形式取出，因此脈沖幅度為數(shù)fts以 下，脈沖能量高，峰值功率容易地超過數(shù)kW。采用這樣的短脈沖高峰值 的脈沖激光照射時，雖然應(yīng)變可有效地導(dǎo)入，但如圖5所示，由于非常強(qiáng) 的沖擊力，在聚光束徑dl的周圍的較寬范圍發(fā)生幅度d2的應(yīng)變，存在引 入多余的應(yīng)變的傾向。因此，應(yīng)變導(dǎo)入體積的削減以及控制是困難的?？?以認(rèn)為，如專利文獻(xiàn)l所公開的那樣，當(dāng)為超過lxloSv/mn^的高峰值功 率密度時，會引起這樣的現(xiàn)象。
另一方面，采用連續(xù)波激光器時，瞬時的功率密度較小，如圖6所示， 發(fā)生的應(yīng)變幅度d2與光束聚光徑dl大致同等。因此，通過控制聚光徑， 可以某種程度地控制軋制方向的應(yīng)變幅度d2。但是，板幅方向變?yōu)檫B續(xù)均 勻的應(yīng)變分布，因此軋制方向?qū)挾纫酝獾目刂频淖杂啥仁艿较拗啤?br> 本發(fā)明者們想到，采用連續(xù)波激光器，即使將軋制方向的應(yīng)變幅度控 制在最小限度的場合，即便不在板幅方向整個寬度連續(xù)地導(dǎo)入應(yīng)變，鐵損 也可能得到充分改善。即，認(rèn)為在板幅方向存在使磁致伸縮不必要地增加 的多余的應(yīng)變。因此，還控制板幅方向的應(yīng)變分布，將對應(yīng)變體積進(jìn)行控 制使其最佳化作為目的，通過抑制功率密度，以聚光得較細(xì)一些的連續(xù)波 激光為基礎(chǔ)，進(jìn)行功率的時間調(diào)制，在板幅方向周期地形成導(dǎo)入應(yīng)變的部 分和未導(dǎo)入應(yīng)變的部分，直到完成本發(fā)明。
以下，采用實施例說明實施發(fā)明的方式。
圖1是本發(fā)明的連續(xù)波激光器的功率調(diào)制波形的一例。最大功率是連 續(xù)波激光器的最大輸出Pp,通過功率調(diào)制，而周期地具有有最小值Pb的 低功率時間區(qū)域。將調(diào)制周期設(shè)為Tm，將功率為最大值的10%以下的時 間幅度設(shè)為Tf，將Tm-Tf設(shè)為Tn，將功率調(diào)制效率Dp定義為 Dp=Tn/TmxlOO ( % )。再者，調(diào)制頻率為Fm=l/Tm。
圖2是本發(fā)明的實施例中的照射實驗的模式圖。在本實施例中，激光 器裝置1是半導(dǎo)體激光激發(fā)的光纖激光器，激發(fā)光源即半導(dǎo)體激光器可進(jìn)行高速調(diào)制，因此光纖激光器輸出也同樣可高速調(diào)制。光纖激光器的光纖
芯徑為10pm，適當(dāng)?shù)厥褂镁酃夤鈱W(xué)系統(tǒng)，可聚光到與芯徑同等。激光波 長為1.07nm。激光器輸出是通過傳送光纖2并由輸出頭3輸出。激光束 LB通過圓柱透鏡4和f6透鏡5的組合而聚光。
本實施例中，最大功率Pp為IOOW，聚光束是軋制方向徑dl=100nm、 板幅方向徑dc=300jim的橢圓。因此，最大功率密度Ppd為0.4xl04W/mm2。 激光束由光學(xué)多面體6在板幅方向以速度Vs進(jìn)行掃描。在本實施例中， Vs=15m/s。另外，通過鋼板7的在軋制方向的移動，使軋制方向的照射間 距P1為6mm。在該條件下，將調(diào)制頻率Fm固定在Fm-2kHz，對脈沖調(diào) 制效率Dp進(jìn)行各種變更，調(diào)查了鐵損和磁特性。
圖3表示作為試樣使用板厚0.23mm、磁通密度B8=1.935T、激光照射 前的鐵損W17/50=084W/kg的材料時的脈沖調(diào)制效率Dp與激光照射后的 4失損W17/50的關(guān)系。試樣尺寸為寬60mm、軋制方向長300mm。
B8是在800A/m的磁化力下發(fā)生的鋼板的磁通密度。W17/50是在交 流勵磁的頻率50Hz、最大磁通密度1.7T下的鐵損。
另夕卜，圖4表示磁致伸縮lp-p與脈沖調(diào)制效率Dp的關(guān)系。在此，kp-p 是在交流勵磁的頻率50Hz、最大磁通密度1.7T下，軋制方向的鋼板伸縮
總寬度相對于鋼板長度的比例(％)。
再者，作為比較，調(diào)查了對相同的試樣照射波長10.6fim的Q開關(guān)脈 沖C02激光時的鐵損和磁致伸縮。照射條件為軋制方向聚光束徑0.3mm、 板幅方向聚光束徑0.5mm、脈沖時間幅度2fis、脈沖頻率20kHz、脈沖能 量6mJ、平均功率120W。光束掃描速度Vs=10m/s，照射間距Pl-6mm。 Q開關(guān)C02激光脈沖在脈沖初期具有陡峻的峰，峰值功率Pp-2kW，最大 功率密度Ppd=1.7xl04W/mm2。
由圖3來看，在與完全連續(xù)波激光照射相當(dāng)?shù)拿}沖調(diào)制效率Dp=100% 至Dp-70。/。時，鐵損顯示出W17/50-0.70W/kg左右的低水平，如圖3中虛 線所示，與Q開關(guān)C02脈沖激光法的鐵損W17/50(P)^.750W/kg相比， 得到了更低的鐵損。可以認(rèn)為，采用Q開關(guān)脈沖激光器不能充分降低鐵損是由于，雖然可以降低渦流損耗，但應(yīng)變體積過剩，磁滯損耗的增加變得 顯著的緣故。
另一方面，在圖4中可以看到，磁致伸縮伴隨著脈沖調(diào)制效率Dp的 減小，呈大體單調(diào)減小的趨勢。即可以認(rèn)為，通過將連續(xù)波激光進(jìn)行功率 調(diào)制，形成最大功率的10%以下的時間區(qū)域，在該時間區(qū)域基本不對鋼板 導(dǎo)入應(yīng)變。其結(jié)果，隨著Dp的減小，導(dǎo)入應(yīng)變量減小。
從圖3的結(jié)果來看，在脈沖調(diào)制效率Dp-70。/。時，鐵損降低效果大體 飽和，即使使Dp進(jìn)一步增加，鐵損也不進(jìn)一步降低。另一方面，由圖4 的結(jié)果可以認(rèn)為，即使使Dp增加到70%以上而進(jìn)一步導(dǎo)入應(yīng)變，也會4吏 磁致伸縮不必要地增加。
再者，Q開關(guān)C02激光法中，由于短脈沖、高的峰值功率，而使應(yīng)變 區(qū)域存在擴(kuò)大的趨勢，而且，由于波長較長，約為光纖激光的10倍，因此 聚光徑的縮小存在限度。因此，應(yīng)變幅度比本發(fā)明的光纖激光的情況寬， 因此，如圖4中的虛線所示，脈沖激光法的磁致伸縮kp-p (P)比本發(fā)明 的情況大。
因此，本發(fā)明的照射聚光成較細(xì)一些的、且抑制了功率密度的功率調(diào) 制激光的方法，與以往的高峰值脈沖激光法相比，可以得到鐵損和磁致伸 縮均優(yōu)異的特性。另外，與同樣抑制了最大功率密度的連續(xù)波激光法相比， 可以得到同等的鐵損和低的磁致伸縮，尤其是在脈沖調(diào)制效率Dp為70% 以上且低于100。/。的范圍時，可以得到更低的磁致伸縮和較低的鐵損。
在本發(fā)明中，控制應(yīng)變區(qū)域很重要。在功率密度Ppd超過lxl04W/mm2 的場合，如上所述，會導(dǎo)入聚光徑以上的過大的應(yīng)變，因此不理想。另一 方面，可發(fā)生鐵損降低效果變得充分的應(yīng)變的最小的功率密度Ppd的值， 依賴于電磁鋼板面上的激光束掃描速度。該最小的功率密度Ppd的值，可 通過使脈沖調(diào)制效率Dp為100%,即進(jìn)行完全連續(xù)地激光照射而求出。在 如上述實施例那樣的制造工序中，從生產(chǎn)率的觀點考慮，在可正常實施的 掃描光學(xué)系統(tǒng)中的激光束掃描速度范圍內(nèi)，功率密度Ppd的下限為 lxl02W/mm2。比該值更小的場合，基本不發(fā)生應(yīng)變，因此鐵損降低效果也大大減小。所以，功率密度Ppd的范圍優(yōu)選為lxl(^ lxl0Sv/mm2的范圍。
為了達(dá)到本發(fā)明的目的，需要以高精度進(jìn)行規(guī)定的功率調(diào)制。半導(dǎo)體 激光器通過電流控制而可進(jìn)行高速的調(diào)制，因此以其為激發(fā)源的光纖激光 器，可同樣以高速進(jìn)行調(diào)制控制。另外，光纖激光器容易進(jìn)行與芯徑同等 水平的聚光，不會賦予過剩的應(yīng)變幅度，因此可使聚光徑變細(xì)。因此，為 了實施本發(fā)明，優(yōu)選半導(dǎo)體激光激發(fā)的光纖激光器。
另外，從波長的觀點來看，波長短時可進(jìn)行較細(xì)的聚光，而另一方面， 波長較長時，電磁鋼板的激光能量吸收率較高，鑒于此，在實用的激光器 中優(yōu)選位于波長1.06nm的YAG激光器與波長10.6nm的C02激光器之間 的波長1.07~2.10nm的光纖激光器。
產(chǎn)業(yè)上的利用可能性
根據(jù)本發(fā)明，可在軋制方向和板幅方向這兩個方向控制通過激光照射 而導(dǎo)入的應(yīng)變量，可使鐵損最小化、并可使極力抑制磁致伸縮增加的應(yīng)變 量最佳化，因此作為高效率、低噪音的變壓器材料，能夠制造鐵損極小且 磁致伸縮特性優(yōu)異的取向電磁鋼板。
權(quán)利要求
1. 一種取向電磁鋼板的制造方法，是將激光束聚光至取向電磁鋼板面，在該取向電磁鋼板面的板幅方向進(jìn)行掃描照射，周期性地賦予殘余應(yīng)力來改善磁特性的取向電磁鋼板的制造方法，其特征在于，激光束是將連續(xù)波激光進(jìn)行了周期性功率調(diào)制的光束，在所述進(jìn)行了功率調(diào)制的光束的時間波形中，以調(diào)制周期Tm、功率為最大值Pp的10％以下的時間幅度Tf以及所述的調(diào)制周期Tm與時間幅度Tf之差，即Tn＝Tm-Tf，將功率調(diào)制效率Dp定義為Dp＝Tn/Tm×100％時，功率調(diào)制效率Dp為70％以上且低于100％，并且該激光束的功率最小值Pb為最大值Pp的10％以下。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的取向電磁鋼板的制造方法，其特征在于， 以激光束的聚光面積S和所述最大值Pp將所述激光束在鋼板面上的峰值 功率密度Ppd定義為Ppd=Pp/S時，峰值功率密度Ppd為lxl02~ lxl04W/mm2。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的取向電磁鋼板的制造方法，其特征在 于，所述激光束是從半導(dǎo)體激光激發(fā)的光纖激光器裝置射出的光束。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠極力降低取向電磁鋼板的鐵損且盡可能減小磁致伸縮的取向電磁鋼板的制造方法。本發(fā)明的電磁鋼板的制造方法，是通過照射較細(xì)地聚光的激光束來改善磁特性的取向電磁鋼板的制造方法，使用將最大功率密度控制在1×10²～1×10⁴W/mm²的功率調(diào)制激光器在板幅方向和軋制方向這兩個方向進(jìn)行激光照射，通過使由此引起的應(yīng)變量最佳化，特別是將調(diào)制效率控制在70％以上且低于100％而使磁致伸縮較小。
文檔編號C21D8/12GK101415847SQ20078001231
公開日2009年4月22日 申請日期2007年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者坂井辰彥, 濱村秀行 申請人:新日本制鐵株式會社