BR112016030575B1 - Aparelho de processamento a laser - Google Patents

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Koji Hirano
Hirofumi Imai
Hideyuki Hamamura
Tatsuhiko Sakai
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Nippon Steel Corporation
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Abstract

em um aparelho de processamento a laser para refinar domínios magnéticos de uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado pelo ajuste de um raio laser a ser focalizado na chapa de aço eletromagnético com grão orientado e varrido na direção de varredura, o raio laser focalizado na chapa de aço eletromagnético com grão orientado é luz polarizada linearmente, e o ângulo entre a direção da polarização linear e a direção da varredura e igual a ou maior que 0° e menor que 45°.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para APARELHO DE PROCESSAMENTO A LASER.
Campo Técnico da Invenção [001] A presente invenção refere-se a um aparelho de processamento a laser que irradia com raios laser em uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado usada para o núcleo de um transformador ou similar, definindo assim os domínios magnéticos.
Técnica Relativa [002] Uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado é facilmente magnetizada na direção de laminação durante a produção da chapa de aço. Portanto, a chapa de aço eletromagnético com grão orientado é também chamada chapa de aço eletromagnético unidirecional. A chapa de aço eletromagnético com grão orientado é usada como material para formação do núcleo de um dispositivo elétrico tal como um transformador ou uma máquina giratória.
Quando a chapa de aço eletromagnético com grão orientado é magnetizada, é gerada perda de energia tal como a perda de núcleo. Nos últimos anos, devido à progressão do aquecimento global, aparelhos elétricos com economia de energia têm sido exigidos por todo o mundo. Portanto, é necessária uma tecnologia para também reduzir a perda de núcleo em uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado.
[003] A perda de núcleo é classificada em perda de corrente parasita e perda por histerese. A perda de corrente parasita é classificada em perda de corrente parasita clássica e perda de corrente parasita anômala. Para reduzir a perda de corrente parasite clássica, é conhecida uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado que tenha uma película de revestimento isolante formada na superfície e tenha uma pequena espessura. Por exemplo, o Documento de Patente 1
Petição 870160079124, de 26/12/2016, pág. 6/62
2/39 mencionado abaixo descreve uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado que inclui uma película de revestimento vítreo formada na superfície da chapa de aço base de um material base chapa de aço, e uma película de revestimento isolante formada na superfície da película de revestimento vítreo.
[004] Por exemplo, os Documentos de Patente 2 e 3 mencionados abaixo descrevem um método de controle do domínio magnético a laser capaz de limitar as perdas de correntes parasitas anômalas. No método de controle do domínio magnético a laser, a superfície de uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado na qual uma película de revestimento isolante é formada é irradiada com um raio laser e o raio laser é varrido substancialmente ao longo da direção da largura da chapa de aço eletromagnético com grão orientado (isto é, uma direção substancialmente perpendicular à direção de laminação da chapa de aço eletromagnético com grão orientado). Como resultado, algumas tensões residuais são formadas periodicamente ao longo da direção de laminação na superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado (isto é, a superfície do material de aço base) de modo que os domínios magnéticos da chapa de aço eletromagnético com grão orientado sejam refinados.
De acordo com o método de controle do domínio magnético a laser, uma história térmica tendo um gradiente de temperatura acentuado ao longo da direção da espessura é gerada na superfície mais externa da chapa de aço eletromagnético com grão orientado através da varredura com o raio laser. Uma vez que seja dada a história térmica, tensões residuais são geradas na superfície do material de aço base da chapa de aço eletromagnético com grão orientado, e domínios magnéticos de corrente circulante são formados devido às tensões residuais. Intervalos entre paredes de domínio de 180° são refinados pelos domínios magnéticos de correntes circulantes e, como resultado, a
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3/39 perda de corrente parasita anômala na chapa de aço eletromagnético com grão orientado é reduzida.
[005] Conforme descrito acima, intervalos entre paredes de domínio de 180° são refinados pelos domínios magnéticos de correntes circulantes formados na superfície do material de aço base e, como resultado, a perda de correntes parasitas anômalas é reduzida. Entretanto, os domínios magnéticos de correntes circulantes formados na superfície do material de aço base provocam um aumento na perda por histerese. Portanto, para minimizar a perda de núcleo incluindo as perdas de corrente s parasitas e as perdas por histerese, é eficaz reduzir a largura dos domínios magnéticos de corrente circulante. Por exemplo, o Documento de Patente 3 descreve um método no qual são formadas fortes tensões em uma região estreita usando-se um raio laser do modo TEM00, que permite um tamanho de ponto de emissão muito pequeno por suas excelentes características de focalização, de modo que sejam obtidos domínios magnéticos de correntes circulantes que são estreitos e têm resistência suficiente.
Documentos da Técnica Anterior
Documentos de Patente [006] Documento de Patente 1 - Pedido de Patente Não examinado Japonesa, Primeira Publicação N°. 2007-119821
Documento de Patente 2 - Pedido de Patente Não examinado Japonesa, Primeira Publicação N°. S59-33802
Documento de Patente 3 - Publicação International PCT No. WO2004/083465
Documento de Patente 4 - Pedido de Patente Não examinado Japonesa, Primeira Publicação N°. S58-29592
Documento de Patente 5 - Pedido de Patente Não examinado Japonesa, Primeira Publicação N°. H2-52192
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Descrição da Invenção
Problemas a serem resolvidos pela invenção [007] No método de controle de domínio magnético a laser na técnica relativa, para executar a varredura com o raio laser rapidamente e eficientemente, é usado um sistema ótico que varre linearmente um raio laser único desde uma posição a uma altura predeterminada a partir da superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado em uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado ao longo da direção da sua largura.
Em um caso em que esse sistema ótico é usado, o raio laser incide perpendicularmente à superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado em uma porção central da largura da varredura do laser. Isto é, em um caso em que a posição de incidência do raio laser é coincidente com a porção central da largura de varredura do laser, o ângulo entre a posição perpendicular (direção normal) à superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado e a direção de propagação do raio laser (o ângulo de incidência φ do raio laser) se torna 0°. Por outro lado, à medida que a posição incidente do raio laser se aproxima da porção final da largura de varredura do laser, o ângulo de incidência φ do raio laser aumenta.
Em tal sistema ótico, à medida que a posição de incidência do raio laser se aproxima da posição final fora da porção central da largura de varredura do laser (à medida que o ângulo de incidência φ do raio laser aumenta), o diâmetro do raio laser aumenta, e a densidade de energia do raio laser diminui.
Como resultado, um gradiente de temperatura ao longo da direção da espessura dado à porção extrema da largura de varredura do laser se torna menor que um gradiente de temperatura ao longo da direção da espessura dado à porção central da largura de varredura do laser, e torna-se difícil refinar adequadamente os domínios magnéPetição 870160079124, de 26/12/2016, pág. 9/62
5/39 ticos na porção extrema da largura de varredura do laser.
Conforme descrito acima, no método de controle de domínio magnético a laser na técnica relativa, há o problema de que o efeito de controlar os domínios magnéticos sobre toda a largura de varredura do laser (efeito de redução da perda de núcleo) é obtido insuficientemente.
[008] Para resolver esse problema, pode ser considerado aumentar a absorção do raio laser na porção extrema da largura de varredura do laser. Por exemplo, os Documentos de Patente 4 e 5 mencionados acima descrevem uma tecnologia na qual o ângulo de incidência de um raio laser (luz polarizada linearmente) é fixada para um ângulo próximo ao ângulo de Brewster (por exemplo, um ângulo de 45° ou mais, referente à Reivindicação 3 no Documento de Patente 4 e à Reivindicação 1 no Documento de Patente 5) de modo que a superfície de um objeto do processamento seja irradiado com o raio laser em um estado no qual a absorção do raio laser é sempre maximizada.
Entretanto, embora as tecnologias descritas nos Documentos de Patente 4 e 5 sejam eficazes em um sistema no qual o ângulo de incidência do raio laser possa ser fixado, é difícil aplicar a tecnologia a um sistema no qual o raio laser seja varrido em um objeto do processamento por uma largura de varredura do laser predeterminada como no sistema usado para o método de controle do domínio magnético na técnica relativa descrito acima (em outras palavras, um sistema no qual o ângulo de incidência do raio laser varia).
[009] A presente invenção foi feita levando em consideração as circunstâncias precedentes, e seu objetivo é fornecer um aparelho de processamento a laser capaz de reduzir a perda de núcleo de uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado por toda a largura de varredura do raio laser.
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Meios para Resolver o Problema [0010] Para alcançar o objetivo pela resolução dos problemas, a presente invenção emprega as medidas a seguir.
(1) Um aspecto da presente invenção fornece um aparelho de processamento a laser para refinar domínios magnéticos de uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado fazendo um raio laser ser focalizado na chapa de aço eletromagnético com grão orientado e varrido na direção de varredura, na qual o raio laser focalizado na chapa de aço eletromagnético com grão orientado tem a luz polarizada linearmente, e o ângulo entre uma direção de polarização linear e a direção de varredura é igual a ou maior que 0° e menor que 45°.
[0011] (2) No aparelho de processamento a laser descrito no item (1), um ângulo máximo de incidência φΜΑΧ do raio laser incidente na chapa de aço eletromagnético com grão orientado pode satisfazer a expressão condicional (1) a seguir.
1/cos0max 1,24 .„(1) [0012] (3) No aparelho de processamento a laser descrito no item (1) ou (2), o comprimento de onda do raio laser focalizado na chapa de aço eletromagnético com grão orientado pode ser 0,15 pm ou mais e 7 pm ou menos.
[0013] (4) O aparelho de processamento a laser descrito em qualquer um dos itens (1) a (3) pode também incluir: um oscilador de laser que emite o raio laser; e um polarizador que converte o raio laser emitido pelo oscilador de laser na luz polarizada linearmente.
[0014] (5) No aparelho de processamento a laser descrito no item (4), o oscilador de laser pode ser um laser de fibra ou um laser de disco.
[0015] (6) No aparelho de processamento a laser descrito em qualquer um dos itens (1) a (5), a forma do raio laser focalizado na
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7/39 chapa de aço eletromagnético com grão orientado é uma elipse, e a direção do eixo menor da elipse é perpendicular à direção de varredura.
Efeitos da Invenção [0016] De acordo com o aspecto a perda de núcleo da chapa de aço eletromagnético com grão orientado pode ser reduzida sobre toda a largura da varredura a laser do raio laser.
Breve Descrição dos Desenhos [0017] A Figura 1 é uma vista seccional de uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 conforme uma modalidade da presente invenção.
A Figura 2 é um fluxograma mostrando um exemplo de um processo de produção da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 conforme uma modalidade da presente invenção.
A Figura 3 é uma vista esquemática mostrando um exemplo de uma configuração do aparelho de processamento a raio laser 100 conforme uma modalidade da presente invenção.
A Figura 4 é uma vista esquemática mostrando um exemplo de uma configuração de um dispositivo de irradiação a laser 106 conforme uma modalidade da presente invenção.
A Figura 5 é uma vista mostrando uma forma de um raio laser focalizado na chapa de aço eletromagnético com grão orientado
10.
A Figura 6 é uma vista esquemática mostrando os estados do raio laser incidente na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10.
A Figura 7 é uma vista esquemática mostrando os diâmetros do raio laser nas chapas de aço eletromagnético o com grão orientado 10.
A Figura 8 é uma vista esquemática mostrando a relação
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8/39 entre a direção polarização linear e a direção de varredura do raio laser.
A Figura 9A é uma vista mostrando a direção de oscilação do campo elétrico da luz polarizada P em um caso em que uma luz LB polarizada linearmente incide na superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 a um ângulo de incidência φ.
A Figura 9B é uma vista mostrando a direção de oscilação de um campo elétrico da luz polarizada S no caso em que a luz polarizada linearmente LB incide na superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 a um ângulo de incidência φ.
A Figura 10 é um gráfico mostrando as absorções da luz polarizada P e da luz polarizada S do raio laser na superfície superior de um material de aço base 12.
A Figura 11 é uma vista mostrando o exemplo de modificação do dispositivo de irradiação de laser 106.
Modalidade da Invenção [0018] Uma modalidade da presente invenção será descrita em detalhes abaixo em relação aos desenhos anexos. Na especificação e nos desenhos, elementos que têm substancialmente a mesma configuração funcional são denotados pelos mesmos numerais de referência, e descrições correspondentes não serão repetidas.
Sumário da chapa de aço eletromagnético com grão orientado [0019] Uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado é uma chapa de aço eletromagnético na qual o eixo de magnetização fácil dos grãos da chapa de aço (direção <001> de um cristal cúbico de corpo centrado) é substancialmente alinhado com a direção de laminação em um processo de produção. Na chapa de aço eletromagnético com grão orientado descrita acima, o número de domínios magnético cuja direção de magnetização se alinha com a direção de laminação são arranjadas e esses domínio magnéticos são separados por
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9/39 paredes de domínio. A chapa de aço eletromagnético com grão orientado é facilmente magnetizada na direção de laminação e é assim adequado à medida que o material de núcleo de um transformador no qual as direções das linhas das forças magnéticas são substancialmente constantes.
Um núcleo de um transformador é grosseiramente classificado em um núcleo enrolado e um núcleo empilhado. Em um processo de produção de um núcleo enrolado, uma chapa de aço é montada na forma do núcleo enquanto é dada a deformação de enrolamento, e posteriormente o recozimento e executado no material resultante para remoer tensões introduzidas devido à deformação mecânica. Entretanto, no processo de recozimento, conforme descrito acima, tensões introduzidas devido à irradiação de laser são também removidas, e assim o efeito de refinar os domínios magnéticos é perdido. Por outro lado, em um processo de produção de um núcleo empilhado, o processo de recozimento para remoção de tensões descrita acima é desnecessário. Portanto, a chapa de aço eletromagnético com grão orientado conforme essa modalidade é particularmente adequada como material de núcleos empilhados.
[0020] A Figura 1 é uma vista seccional de uma chapa de aço é eletromagnético com grão orientado 10 conforme essa modalidade. Como mostrado na Figura 1, a chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 inclui um corpo de chapa de aço (material de aço base) 12, películas de revestimento vítreo, películas de revestimento 14 formadas em ambas as superfícies do corpo da chapa de aço 12, e películas de revestimento de isolamento 16 formadas nas películas de revestimento vítreo 14.
[0021] O corpo de chapa de aço 12 é formado de uma liga de ferro contendo Si. A composição do corpo de chapa de aço 12 inclui, como um exemplo, Si: 2,5% em massa ou mais e 4,0% em massa ou me
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10/39 nos, C: 0,02% em massa ou mais e 0,10% em massa ou menos, Mn: 0,05% em massa ou mais e 0,20% em massa ou menos, Al solúvel em ácido: 0,020% em massa ou mais e 0,040% em massa ou menos, N: 0,002% em massa ou mais e 0,012% em massa ou menos, S: 0,001% em massa mais e 0,010% em massa ou menos, P: 0,01% em massa ou mais e 0,04% em massa ou menos, e Fe e as inevitáveis impurezas como o restante. Por exemplo, a espessura do corpo da chapa de aço 12 é 0,1 mm ou mais e 0,4 mm ou menos.
[0022] Por exemplo, a película de revestimento vítreo 14 é formada de óxidos complexos tal como forsterita (Mg2SiO4), espinélio (MgAl2O4), e cordierita (Mg2Al4Si5O16). Por exemplo, a espessura da película de revestimento vítreo 14 é 1 pm.
[0023] Por exemplo, a película de revestimento de isolamento 16 e formada de um revestimento líquido contendo, principalmente, sílica coloidal e fosfato (fosfato de magnésio, fosfato de alumínio, ou similares), ou um revestimento líquido no qual a alumina sol. e ácido bórico são misturados. Por exemplo, a espessura da película de revestimento isolante 16 é 2 pm ou maior e 3 pm ou menos.
[0024] Na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 tendo a modalidade descrita acima, um raio laser é emitido na direção do lado superior da película de revestimento isolante 16 de modo que as tensões residuais são dadas a regiões em forma de linha substancialmente perpendiculares à direção de laminação. As regiões em forma de linha às quais são dadas as tensões residuais são formadas em períodos predeterminados na direção de laminação. Nas regiões que existem entre duas regiões em forma de linha e são magnetizadas na direção de laminação, as larguras do domínio magnético em uma direção substancialmente perpendicular à direção de laminação são refinadas.
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Método de Produção da Chapa de Aço Eletromagnético com Grão Orientado [0025] O método de produção da chapa de aço elétrico com grão orientado 10 conforme essa modalidade será descrito em relação à Figura 2. A Figura 2 é um fluxograma mostrando um exemplo de um processo de produção da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 conforme essa modalidade.
[0026] Como mostrado na Figura 2, o processo de produção da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 inclui um processo de lingotamento S2, um processo de laminação a quente S4, um processo de recozimento S6, um processo de laminação a frio S8, um processo de recozimento de descarburação S10, um processo de aplicação de agente de separação S12, um processo de recozimento de acabamento final S14, um processo de formação de película de revestimento isolante S16, e um processo de irradiação a laser S18.
[0027] No processo de lingotamento S2, o aço fundido que é ajustado para ter uma composição predeterminada é fornecido a uma máquina de lingotamento contínuo para formar continuamente um lingote. No processo de laminação a quente S4, a laminação a quente é executada aquecendo-se o lingote até uma temperatura predeterminada (por exemplo, 1150°C a 1400°C). Consequentemente, é formado um material laminado a quente tendo uma espessura predeterminada (por exemplo, 1,8 a 3,5 mm).
[0028] No processo de recozimento S6, é executado um tratamento térmico no material laminado a quente, por exemplo, sob a condição de temperatura de acabamento de 750°C a 1200°C e um tempo de aquecimento de 30 segundos a 10 minutos. No processo de laminação a frio S8, a superfície do material laminado a quente é decapada, e posteriormente é executada a laminação a frio. Consequentemente, é
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12/39 formado um material laminado a frio tendo uma espessura predeterminada (por exemplo, 0,1 a 0,4 mm).
[0029] No processo de recozimento de descarburação S10, um tratamento térmico é executado no material laminado a frio, por exemplo, sob a condição de uma temperatura de aquecimento de 700°C a 900°C e um tempo de aquecimento de 1 a 3 minutos, formando assim o corpo da chapa de aço 12. Uma película de óxido contendo principalmente sílica (SiO2) é formada na superfície do corpo da chapa de aço 12. No processo de aplicação de um agente de separação de recozimento S12, um agente de separação de recozimento contendo principalmente magnésia (MgO) e formado na camada de óxido do corpo da chapa de aço 12.
[0030] No processo de recozimento de acabamento final S14, o corpo da chapa de aço 12 ao qual o agente de separação de recozimento é aplicado é inserido em um forno do tipo caixa em um estado para ser enrolado em forma de bobina e é submetido a um tratamento térmico. As condições do tratamento térmico são, por exemplo, uma temperatura de aquecimento de 1100°C a 1300°C e um tempo de aquecimento de 20 a 24 horas. Nesse momento, os assim chamados grãos de Gross, cujo eixo de magnetização fácil se alinha com a direção de transporte (direção de laminação) do corpo da chapa de aço 12, preferivelmente crescem. Como resultado, uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado que tem um grau de orientação de cristal (orientação) pode ser obtida após o recozimento de acabamento. Em adição, no processo de recozimento de acabamento S14, a camada de óxido e o agente de separação de recozimento reagem entre si e assim a película de revestimento vítreo 14 formada de forsterita (Mg2SiO4) é formada na superfície do corpo da chapa de aço 12.
[0031] Na película de revestimento isolante que forma o processo
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S16, o corpo de chapa de aço 12 que é enrolado na forma de bobina é desenrolado e estirado em forma de chapa de modo a ser transportado. Então, um agente de isolamento é aplicado nas películas de revestimento vítreo 14 formadas em ambas as superfícies do corpo de chapa de aço 12, e o material resultante é cozido, formando assim as películas de revestimento isolante 16. O corpo da chapa de aço 12 no qual as películas de revestimento isolante 16 são formadas é enrolado em forma de bobina.
[0032] No processo de irradiação a laser S18, o corpo da chapa de aço 12 que é enrolado na forma de bobina e desenrolado e estirado em forma de chapa de modo a ser transportado. Em adição, um raio laser é focalizado e irradia uma superfície no corpo da chapa de aço 12 por um dispositivo de irradiação a laser, que será descrito mais adiante, e o raio laser é varrido substancialmente ao longo da direção da largura da chapa de aço eletromagnético transportada na direção de laminação (direção de transporte). Consequentemente, tensões em forma de linha, que são substancialmente perpendiculares à direção de laminação, são formadas na superfície do corpo da chapa de aço 12 a intervalos predeterminados a direção de laminação. Em adição, a focalização e a varredura do raio laser podem ser também executadas em ambas as superfícies incluindo a superfície frontal e a superfície traseira do corpo da chapa de aço 12. Em adição, é descrito acima que o corpo da chapa de aço 12 no qual as películas de revestimento isolante 16 são formadas é enrolado na forma de bobina e é então submetido ao processo de irradiação a laser S18. Entretanto, a irradiação a laser pode ser executada imediatamente após a formação das películas de revestimento isolante e posteriormente o corpo de chapa de aço 12 pode ser enrolado na forma de uma bobina.
[0033] No processo de produção descrito acima, é produzida uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 na qual as pelí
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14/39 culas de revestimento vítreo 14 e as películas de revestimento isolante 16 são formadas na superfície do corpo da chapa de aço 12 e os domínios magnéticos são controlados pela irradiação a laser. Modalidade do aparelho de processamento a laser [0034] Um exemplo da modalidade de um aparelho de processamento a laser 100 que irradia a chapa de aço eletromagnética com grão orientado 10 com um raio laser para gerar tensões residuais será descrito em relação às Figuras 3 e 4. A Figura 3 é uma vista esquemática mostrando o exemplo da modalidade do aparelho de processamento a laser 100 conforme essa modalidade. A Figura 4 é uma vista esquemática mostrando um exemplo da modalidade de um dispositivo de irradiação a laser simples 106.
[0035] O aparelho de processamento a laser 100 emite o raio laser na direção do lado superior da película de revestimento isolante 16 da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10, que é transportada na direção de laminação a uma velocidade predeterminada, para gerar tensões em forma de linha substancialmente perpendiculares à direção de laminação. Como mostrado na Figura 3, o aparelho de processamento a laser 100 inclui um número de osciladores de laser 102, um número de fibras de transmissão 104, e um número de dispositivos de irradiação de laser 106. Na Figura 3, são mostrados três osciladores de laser 102, três fibras de transmissão 104, e três dispositivos de irradiação de laser 106, e as modalidades dos três são as mesmas.
[0036] Por exemplo, o oscilador de laser 102 emite um raio laser com uma saída de 100 W ou mais. Por exemplo, o oscilador de laser 102 emite um raio laser a um comprimento de onda de 0,15 pm ou mais e 7 pm ou menos. A fibra de transmissão 104 é uma fibra ótica que transmite o raio laser emitido do oscilador de laser 102 para o dispositivo de irradiação de laser 106.
[0037] Como o tipo de oscilador de laser 102, um laser de fibra ou
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15/39 um laser de disco é preferível porque permite um tamanho muito pequeno do ponto do raio, pelas suas excelentes características de focalização, e permite formar domínios magnéticos de correntes circulantes estreitos. Um laser de fibra ou um laser de disco tem um comprimento de onda em uma região próxima à região ultravioleta até a região próxima do infravermelho (por exemplo, faixa de 1 pm) e assim pode ser transmitido através de uma fibra ótica. Uma vez que o raio laser pode ser transmitido através de uma fibra ótica, o aparelho de processamento a laser 100 que seja relativamente compacto pode ser realizado. O oscilador de laser 102 pode ser ou um laser de onda contínua ou um laser pulsado.
[0038] O dispositivo de irradiação de laser 106 permite que o raio laser transmitido pelo oscilador de laser 102 para a fibra de transmissão 104 seja focalizado na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 de modo que o raio laser seja varrido na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 ao longo de uma direção substancialmente perpendicular à direção de laminação. A largura que é varrida com o raio laser por um dispositivo de irradiação de laser simples 106 pode ser menor que a largura da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10. Entretanto, como mostrado na Figura 3, arranjando-se o número de dispositivos de irradiação de laser 106 na direção da largura, a região de toda a largura da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 pode ser varrida com os raios laser.
[0039] Como mostrado na Figura 4, o dispositivo de irradiação a laser 106 inclui uma lente colimadora 122, um divisor irradiador de raio polarizante 124 como um exemplo de polarizador, uma chapa λ/2 125, um espelho metálico 126, um espelho poligonal 128, e um espelho parabólico 130.
[0040] A lente colimadora 122 converte o raio laser transmitido da fibra de transmissão 104 em luz colimadora. O raio laser como a luz
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16/39 colimada é um raio não polarizado na descrição e incide no divisor de raio polarizante 124.
[0041] O divisor de raio polarizante 124 converte o raio polarizado incidente em luz polarizada linearmente. Quando a chapa λ/2 125 é fornecida atrás do divisor de raio polarizante 124, a direção depolarização linear pode ser ajustada mudando-se o ângulo de rotação da chapa λ/2 125. Em adição, arranjando-se o divisor de raio polarizante 124 para girar em torno do eixo central do raio laser, a direção de polarização linear pode ser ajustada sem a chapa λ/2 125. Como um elemento para mudar a direção de polarização, um rotador Faraday ou similar pode ser usado o invés da chapa λ/2 125. A razão porque o raio laser é polarizado linearmente será descrita mais adiante. Em um caso em que o oscilador de laser 102 que geralmente oscila um raio laser polarizado linearmente (por exemplo, um laser de disco, um laser de fibra que mantém a polarização, um laser de placa CO2, ou laseres fornecidos com um elemento regulador de luz polarizada em um ressonador) é usado, por exemplo, um elemento ótico para converter a polarização em luz polarizada linearmente, tal como o divisor de raio polarizante 124 mostrado na Figura 4, pode ser omitido. Além disso, em um caso em que a direção de polarização linear na chapa de aço segue uma direção predeterminada, que será descrita mais adiante, a chapa λ/2 125 pode ser omitida.
Uma luz de laser tendo um componente campo elétrico (componente polarizado linearmente) que oscila em apenas uma direção é ideal para o laser polarizado linearmente na presente invenção. Falando estritamente, um componente campo elétrico que é perpendicular ao componente polarizado linearmente (componente ortogonal) existe muito levemente. A razão entre a força do componente polarizado linearmente e a força do componente ortogonal depende da performance do divisor de laser 124 descrito acima e da performance do
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17/39 oscilador de laser 102. Quando a força do componente polarizado linearmente é dada por PW1, a força do componente ortogonal pé dada por PW2, e (PW1/(PW1+PW2)) é definido como o grau de polarização, a luz polarizada linearmente na presente invenção tem um grau de polarização de ,9 ou mais e menor que 1,0. Isto é, Em um caso em que foi usado um laser polarizado linearmente tendo um grau de polarização de 0,9 ou mais e menor que 1,0 (90% ou mais e menor que 100%), foram obtidos os resultados dos Exemplos, que serão descritos mais adiante. Em adição, dividindo-se a luz polarizada linearmente usando-se um prisma ortogonal ou similar, as proporções dos componentes polarizados linearmente podem ser analisadas.
[0042] O espelho metálico 126 é um espelho que comprime e ajusta o diâmetro do raio laser incidente na direção da largura da chapa (veja Figura 5) da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10. Como espelho metálico 126, pode ser usado um espelho cilíndrico ou um espelho parabólico tendo uma curvatura em uma direção uniaxial. O raio laser refletido pelo espelho metálico 126 incide no espelho poligonal 128 que gira a uma velocidade de rotação predeterminada.
[0043] O espelho poligonal 128 é um poliedro giratório e varre o raio laser na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 ao longo da direção da sua largura à medida que o espelho poligonal 128 gira. Enquanto o raio laser incide em um lado do poliedro do espelho poligonal 128, uma região simples em forma de linha na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 ao longo da direção de largura da chapa é varrida com o raio laser à medida que o lado gira de modo que uma tensão residual é gerada para a região em forma de linha. À medida que o espelho poligonal gira, a varredura do raio laser é executada repetidamente, e a chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 é transportada simultaneamente na direção de laminação. Como resultado, uma região tendo uma tensão residual em forma
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18/39 de linha é formada periodicamente na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 na direção de laminação. O período das regiões em forma de linha é ajustado pela velocidade de transporte da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 e pela velocidade de rotação do espelho poligonal 128.
[0044] O espelho parabólico 130 é um espelho que comprime e ajusta o diâmetro do raio laser refletido pelo espelho poligonal 128 na direção de laminação. O raio laser refletido pelo espelho parabólico 130 é focalizado na superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10.
[0045] A Figura 5 é uma vista mostrando a forma do raio laser focalizado na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10. Nessa modalidade, a forma do raio laser focalizado é uma elipse como mostrado na Figura 5. A direção do eixo maior da elipse é paralela à direção de varredura do raio laser, e a direção do eixo menor da elipse é perpendicular à direção da varredura. Em outras palavras, a direção do eixo menor da elipse é paralela à direção de laminação. Ajustandose a forma do raio laser focalizado para ser uma elipse, o tempo para irradiar um ponto na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 com o raio laser aumenta. Como resultado, a temperatura da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 pode ser aumentada na direção de uma posição profunda no seu interior, que é eficaz em reduzir as perdas de núcleo. Uma vez que o diâmetro do raio na direção de largura da chapa (direção de varredura) é comprimido pelo espelho metálico 126 e o diâmetro de raio na direção de laminação é comprimido pelo espelho parabólico 130, a forma do raio laser focalizado se torna uma elipse. Em adição, quando a forma do raio laser focalizado é a elipse, a área do raio laser focalizado aumenta em comparação ao caso em que a forma focalizada é um círculo verdadeiro, resultando em uma redução na densidade de energia. Como resultado, é evitado
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19/39 que o gradiente de temperatura ao longo da direção da espessura na vizinhança da superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 se torne acentuado, que é eficaz em suprimir a geração de defeitos na película de revestimento vítreo 14.
[0046] Na descrição acima, um caso em que a forma do raio laser focalizado na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 é uma elipse é um exemplo, mas a presente invenção não é limitada a isso. Por exemplo, a forma do raio laser focalizado pode também ser um círculo verdadeiro.
[0047] Nessa modalidade, é preferível que a distribuição de intensidade do raio laser seja tal que o diâmetro do raio (uma largura incluindo 86% da intensidade integrada) na direção de laminação se torne 200 pm ou menos. Consequentemente, domínios magnéticos de correntes circulantes mais estreitos são formados enquanto também limitam a expansão da condução térmica na direção de laminação, reduzindo assim significativamente a perda de núcleo. Além disso, para reduzir seguramente a perda de núcleo, é mais preferível que o diâmetro do raio seja ajustado para 120 pm ou menos.
Estado de incidência do raio laser na largura da varredura do laser [0048] Quando o dispositivo de irradiação de laser 106 varre a superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 com o raio laser por uma largura de varredura do laser predeterminada, os estados do raio laser que incide na superfície na superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 na porção central e na porção de extremidade da largura de varredura do laser são diferentes entre si.
[0049] A Figura 6 é uma vista esquemática mostrando o estado do raio laser incidente na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10. Quando o dispositivo de irradiação a laser 106 varre o raio laser sobre uma largura de varredura de laser predeterminada L na
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20/39 direção da varredura, como mostrado na Figura 6, o estado do raio laser que incide na porção central P1 da largura de varredura do laser L é diferente do estado do raio laser que incide nas porções extremas P2 e P3 da largura da varredura do laser L. Especificamente, o raio laser refletido pelo espelho parabólico 130 do dispositivo de irradiação a laser 106 incide perpendicularmente à superfície (película de revestimento isolante 16) da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 na posição central P1 da largura da varredura do laser L. Por outro lado, o raio laser incide obliquamente na superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 (incidente a um ângulo de incidência φ em relação à direção normal à superfície) em ambas as porções extremas P2 e P3 da largura de varredura do laser L.
Isto é, em um caso em que a posição de incidência do raio laser coincide com a porção central P1 da largura de varredura do laser L, o ângulo entre a direção perpendicular (direção normal) à superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 e a direção de propagação do raio laser (ângulo de incidência φ do raio laser) se torna 0. Por outro lado, à medida que a posição de incidência do raio laser se aproxima da porção extrema P2 ou P3 da largura de varredura do laser L, o ângulo de incidência φ do raio laser aumenta. [0050] A Figura 7 é uma vista esquemática mostrando os diâmetros do raio laser na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10. Na Figura 7, o numeral de referência LB1 denota um raio laser focalizado na porção central P1 da largura de varredura do laser L. O numeral de referência LB2 denota um raio laser focalizado em uma porção extrema P2 da largura de varredura do laser L. O numeral de referência LB3 denota o raio laser focalizado na outra porção extrema P3 da largura de varredura do laser L. Uma vez que os raios laser incidem obliquamente nas porções extremas P2 e P3 da largura da varredura do laser L, os diâmetros dos raios laser LB2 e LB3 na direção
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21/39 da varredura (comprimento do eixo maior de um raio elíptico na direção da varredura) são maiores que o diâmetro do raio laser LB1 da porção central P1. Em adição, uma vez que os raios laser incidem obliquamente nas porções extremas P2 e P3 a largura da varredura do laser L, a distância desde o espelho parabólico 130 até um ponto de irradiação na chapa de aço aumenta. Como resultado, os diâmetros dos raios laser LB2 e LB3 na direção de laminação (comprimento do eixo menor do raio elíptico ao longo da direção de laminação) são maiores que o diâmetro do raio laser LB1 da porção central P1.
[0051] Conforme descrito acima, à medida que o diâmetro do raio aumenta, a área irradiada com o raio laser aumenta, e assim a densidade de energia do raio laser diminui. Como resultado, o gradiente de temperatura ao longo da direção da espessura nas porções extremas P2 e P3 da largura de varredura do laser L se torna menor que o gradiente de temperatura na porção central P1, e assim os domínios magnéticos nas porções extremas P2 e P3 não podem ser refinadas adequadamente.
[0052] Nessa modalidade, para resolver esse problema, o raio laser focalizado na superfície (a película de revestimento isolante 16) da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 é ajustado para ser uma luz polarizada linearmente, e como mostrado na Figura 8, e o ângulo θ entre a direção de polarização linear e a direção de varredura do raio laser é ajustada para ser igual a ou maior que 0° e menor que 45°. A Figura 8 é uma vista esquemática mostrando a relação entre a direção da polarização linear e a direção de varredura do raio laser em um caso em que o ângulo de incidência φ do raio laser é 0°. Até o ângulo θ entre a direção de varredura do raio laser e a direção da polarização linear é igual a ou maior que 0° e menor que 45°, a relação entre a direção da polarização linear e a direção de varredura do raio laser pode ter uma simetria de reflexão em relação à Figura 8.
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22/39 [0053] Como nesta modalidade, em um caso em que o ângulo θ é ajustado para ser igual a ou maior que 0° e menor q ue 45°, conforme descrito mais adiante, a absorção do raio laser nas porções extremas P2 e P3 da largura da varredura do laser L pode ser aumentada. Portanto, mesmo quando o diâmetro do raio laser nas porções extremas P2 e P3 aumenta, a redução na densidade de energia absorvida pela chapa de aço pode ser limitada. Consequentemente, a redução do gradiente de temperatura ao longo da direção da espessura nas porções extremas P2 e P3 da largura de varredura do laser L pode ser limitada, e a diferença no gradiente de temperatura a partir da porção central P1 pode ser reduzida. Como resultado, a perda de núcleo pode ser reduzida uniformemente por toda a largura de varredura do laser L. Relação entre luz polarizada linearmente e absorção [0054] Aqui, e descrito o princípio de que a absorção do raio laser é aumentada, dependendo do ângulo θ entre a direção de polarização linear e a direção da varredura do raio laser.
[0055] Uma porção do raio laser que incide na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 é refletida pela película de revestimento isolante 16, e o restante é incidente na película de revestimento isolante 16. Uma porção do raio laser incidente na película de revestimento isolante 16 é absorvida no interior da película de revestimento isolante 16 e o restante alcança a superfície superior da película de revestimento vítreo 14 de modo que uma porção da mesma seja refletida e o restante incida na película de revestimento vítreo 14. Uma porção do raio laser que incide na película de revestimento vítreo 14 é absorvida no interior da película de revestimento vítreo 14 e o restante alcança a superfície superior do corpo de chapa de aço (daqui em diante também chamado de material de aço base) 12 de modo que uma porção da mesma seja refletida e o restante seja absorvido pela superfície do corpo de chapa de aço 12. Em adição, a energia do raio laser
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23/39 transmitida à chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 depende da absorção do raio laser absorvido pela película de revestimento isolante 16 e similares conforme descrito acima. Quando a absorção do raio laser na película de revestimento isolante 16 e de similares é alta, a energia do raio laser transmitido à chapa de aço magnético 10 aumenta.
[0056] A luz polarizada linearmente inclui geralmente luz polarizada P (também chamada ondas P) e luz polarizada S (também chamada ondas S). É sabido que a absorção da luz polarizada P e a absorção da luz polarizada S são diferentes entre si. Portanto, dependendo da razão entre a luz polarizada P e a luz polarizada S na película de revestimento isolante 16 e similares, a energia do raio laser transmitida à chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 varia.
[0057] A Figura 9A mostra a direção de oscilação de um campo elétrico da luz polarizada P em um caso em que a luz polarizada linearmente LB incide na superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 a um ângulo de incidência φ. A Figura 9B mostra a direção de oscilação do campo elétrico da luz polarizada S em um caso em que a luz polarizada linearmente LB incide na superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 a um ângulo de incidência φ. Como mostrado nas FIGURAS 9A e 9B, no caso em que a luz polarizada linearmente LB incide na superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 a um ângulo de incidência φ, a direção de oscilação do campo elétrico da luz polarizada P e a direção de oscilação do campo elétrico da luz polarizada S são diferentes entre si. Especificamente, durante a varredura da luz polarizada linearmente, o campo elétrico da luz polarizada P oscila ao longo da direção da seta dupla mostrada na Figura 9A, e o campo elétrico da luz polarizada S oscila ao longo da direção perpendicular à figura como mostrado na Figura 9B.
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24/39 [0058] A Figura 10 é um gráfico mostrando as absorções da luz polarizada P e da luz polarizada S do raio laser na superfície superior do material de aço base 12. Como mostrado na Figura 10, a absorção da luz polarizada P é maior que a absorção da luz polarizada S. Em adição, à medida que o ângulo de incidência φ do raio laser (luz polarizada linearmente) aumenta, a absorção da luz polarizada P aumenta, e a absorção da luz polarizada S diminui. A Figura 10 mostra as absorções na superfície superior do material de aço base 12, que permanecem após remoção da película de revestimento isolante 16 e da película de revestimento vítreo 14 da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10. Entretanto, a absorção na superfície superior da película de revestimento isolante 16 e a absorção na superfície superior da película de revestimento vítreo 14 têm a mesma tendência que a da Figura 10.
[0059] Em um caso em que o ângulo θ entre a direção de polarização linear e a direção de varredura do raio laser é 0°, apenas a luz polarizada P incide em uma superfície incidente (a superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10). No caso em que o ângulo θ é 45°, a luz polarizada P e a luz polarizada S incidem na superfície incidente, uma metade para cada uma. No caso em que o ângulo θ é 90°, apenas a luz polarizada S incide na superfí cie incidente. Portanto, em um caso em que o ângulo θ é igual a ou maior que 0° e menor que 45°, o efeito da luz polarizada P entre a luz polarizada P e a luz polarizada S se torna dominante, e à medida que o ângulo de incidência φ aumenta, a absorção do raio laser aumenta. Por outro lado, em um caso em que o ângulo θ é maior que 45° e igual a ou menor que 90°, o efeito da luz polarizada S se torna domi nante, e à medida que o ângulo de incidência φ aumenta, a absorção do raio laser diminui.
[0060] Nessa modalidade, para aumentar a absorção do raio laser
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25/39 nas porções extremas P2 e P3 da largura da varredura do laser L do dispositivo de irradiação de laser 106, o ângulo θ entre a direção de polarização linear e a direção da varredura do raio laser é ajustado para ser igual a ou maior que 0° e menor que 45°. Con sequentemente, a energia do raio laser transmitida à película de revestimento isolante 16 e similares nas porções extremas P2 e P3 da largura de varredura do laser L pode ser aumentada. Portanto, embora o diâmetro do raio nas porções extremas P2 e P3 da largura de varredura do laser L aumente, a redução da densidade de energia do raio laser nas porções extremas P2 e P3 pode ser limitada. Como resultado, a redução do gradiente de temperatura ao longo da direção da espessura nas porções extremas P2 e P3 da largura de varredura do laser L pode ser limitada, e assim a diferença no gradiente de temperatura a partir da porção central P1 pode ser reduzida.
[0061] Particularmente, no caso em que o ângulo θ entre a direção de polarização linear e a direção de varredura do raio laser é ajustado para 0° ou mais e 20° ou menos, a redução da densid ade de energia do raio laser nas porções extremas P2 e P3 da largura da varredura L pode também ser limitada, e assim o gradiente de temperatura ao longo da direção da espessura por toda a largura da varredura do laser L pode ser uniformizada.
[0062] Em adição, nessa modalidade, um raio laser tendo um comprimento de onda de 0,15 pm ou mais e 7 pm ou menos é particularmente eficaz. Em um caso em que o comprimento de onda do raio laser é 0,15 pm ou mais e 7 pm ou menos, a película de revestimento isolante 16 e a película de revestimento vítreo 14 são transparentes para o raio laser, e o raio laser é menos passível de ser absorvido no interior da película de revestimento isolante 16 e da película de revestimento vítreo 14. Nesse caso, a energia do raio laser transmitida à chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 é determinada
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26/39 dependendo da absorção do raio laser na superfície superior da película de revestimento isolante 16, da absorção do raio laser na superfície superior da película de revestimento vítreo 14, e da absorção do raio laser na superfície superior do material de aço base 12. Isto é, o produto da absorção do raio laser na superfície superior da película de revestimento de isolamento 16, da absorção do raio laser na superfície superior da película de revestimento vítreo 14, e da absorção do raio laser na superfície superior do material de aço base 12 é importante. Em relação a qualquer uma das absorções, como mostrado na Figura 10, à medida que o ângulo θ aumenta, a absorção da luz polarizada P aumenta. Devido ao efeito multiplicador, ajustando-se o ângulo θ para ser igual a ou maior que 0° e menor que 45°, a abso rção do raio laser pela película de revestimento de isolamento 16 nas porções extremas P2 e P3 da largura de varredura do laser L pode também ser promovida. Como resultado, uma redução no gradiente de temperatura nas porções extremas P2 e P3 da largura da varredura do laser L pode ser limitada, e assim a eficácia dessa modalidade pode também ser exibida com segurança.
[0063] Em adição, os inventores descobriram que quando a ampliação de um diâmetro de raio em relação ao diâmetro do raio (daqui em diante chamado diâmetro de raio de referência) em um caso em que o ângulo de incidência φ do raio laser é 0° é maior que 24%, conforme descrito acima, mesmo quando o ângulo θ entre a direção da polarização linear e a direção da varredura é ajustada para ser igual a ou maior que 0° e menor que 45°, a redução da densidade d e energia do raio laser nas porções de extremidade P2 e P3 da largura de varredura do laser L não pode ser limitada suficientemente (em outras palavras, a razão de melhoria da perda de núcleo nas porções extremas P2 e P3 da largura de varredura do laser L diminui).
É imaginado que isso seja porque quando a ampliação do
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27/39 diâmetro do raio laser em relação ao diâmetro de raio de referência pé maior que 24%, a quantidade de redução na densidade de energia provocada pelo aumento no diâmetro do raio não pode ser coberta pela quantidade de aumento de absorção de raio laser (luz polarizada linearmente).
Portanto, para reduzir uniformemente e seguramente a perda de núcleo por toda a largura de varredura do laser L, é preferível que o ângulo máximo de incidência φΜΑΧ do raio laser seja ajustado com base na expressão condicional (1) a seguir.
1/cos0max 1,24 .„(1) [0064] Na expressão condicional (1), o lado esquerdo representa a ampliação do diâmetro do raio (o diâmetro do raio no ângulo máximo de incidência φΜΑΧ) em relação ao diâmetro de raio de referência. Portanto, usando-se a expressão condicional (1), pode ser obtido o ângulo máximo de incidência φΜΑΧ no qual a ampliação em relação ao diâmetro de raio de referência não seja maior que 24%. De acordo com a expressão condicional (1), pode ser visto que é preferível que o ângulo máximo de incidência φΜΑΧ seja 36° ou menos. Por exemplo, no dispositivo de irradiação de laser 106 que usa o espelho poligonal 128 mostrado na Figura 4, quando o número de lados do espelho poligonal 128 é dado por N, o ângulo máximo de incidência φΜΑΧ do raio laser pode ser expresso por 360°/N. Portanto, é preferível que no dispositivo de irradiação a laser 106 mostrado na Figura 4, N seja 10 ou mais.
Como descrito acima, os Documentos de Patente 4 e 5 mencionados acima descrevem uma tecnologia na qual o ângulo incidente de um raio laser (luz polarizada linearmente) é fixada até um ângulo próximo do ângulo de Brewster (por exemplo, um ângulo de 45° ou maior) e a superfície de um objeto de proces samento e irradiada com o raio laser em um estado no qual a absorção do raio laser é sempre maximizada. Ao contrário, a modalidade da presente invenção
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28/39 é significativamente diferente da tecnologia descrita nos Documentos de Patente 4 e 5 pelo fato de que o ângulo máximo de incidência 0MAX do raio laser é ajustado para ser menor que 45° (es pecificamente 36° ou menos) e a chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 é varrida com o raio laser em uma faixa em que φ não exceda o valor de 0MAX (isto é, a largura de varredura do laser L).
[0065] Conforme mostrado na Figura 11, um espelho galvânico 140 pode ser usado ao invés do espelho poligonal 128. O espelho galvânico 140 é movido por um motor 141 para girar na direção das setas da figura. À medida que o espelho galvânico 140 gira, a chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 é varrida com o raio laser ao longo da direção da sua largura (direção de varredura). Nessa modalidade, é possível controlar o ângulo de incidência φ do raio laser controlando-se o ângulo de rotação do espelho galvânico 140. Portanto, é fácil ajustar o ângulo máximo de incidência φ^ do raio laser para um valor adequado usando-se o espelho galvânico 140.
[0066] Conforme descrito acima, o ângulo θ entre a direção da luz polarizada linearmente e a direção da varredura pode ser ajustada inserindo-se um elemento para girar a direção da polarização linear do raio laser, tal como a chapa λ/2 125 (veja a Figura 4). Na descrição acima, é fornecido o divisor de raio polarizante 124 (veja a Figura 4) que converte o raio laser não polarizado emitido pelo oscilador de raio laser 102 em luz polarizada linearmente, mas a presente invenção não é limitada a isso. Por exemplo, quando um laser que emite luz polarizada linearmente é usado como oscilador de laser 102, o divisor de raios de polarização 124 pode ser omitido. Mesmo nesse caso, uma redução do gradiente de temperatura ao longo da direção da espessura nas porções extremas P2 e P3 da largura de varredura do laser L pode ser limitada. Em adição, embora a chapa λ/2 125 não seja inserida, em um caso em que o ângulo θ entre a direção de polarização li
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29/39 near e a direção de varredura pode ser ajustada para estar na faixa preferida, a chapa λ/2 125 pode ser omitida. Por exemplo, em um caso em que o ângulo θ possa ser ajustado para ser igual a ou maior que 0° e menor que 45° pela transmissão do raio laser na c hapa de aço a partir do oscilador de laser 102 que emite luz polarizada linearmente, a chapa λ/2 125 de ser omitida.
Refino dos domínios magnéticos e defeitos da película de revestimento vítreo [0067] Conforme descrito acima, a chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 na qual o campo magnético é aplicado na direção de laminação tem uma estrutura na qual o número de domínios magnéticos que têm a direção de magnetização que se alinha substancialmente com a direção de laminação são estruturados. Aqui, para alcançar uma outra redução na perda de núcleo da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10, é eficaz refinar os domínios magnéticos (reduzir os domínios magnéticos na largura) através da irradiação de raios laser. Particularmente, é eficaz obter domínios magnéticos de corrente circulante que sejam estreitos e tenham resistência suficiente pela geração de um gradiente de temperatura significativo ao longo da direção da espessura em, uma região muito estreita que está presente na vizinhança da camada mais superior da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 ao longo da direção de laminação.
[0068] Por outro lado, quando o gradiente de temperatura ao longo da direção da espessura é aumentado, a temperatura da superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 aumenta. Devido ao aumento da temperatura, pode haver casos em que defeitos são gerados na película de revestimento isolante 16 ou na película de revestimento vítreo 14. Aqui defeitos significam danos à película tais como descascamento, inchação, alteração, e descoloração da película
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30/39 de revestimento isolante 16 e da película de revestimento vítreo 14. Em um caso em que os defeitos são gerados na película de revestimento vítreo 14, o corpo da chapa de aço 12 é exposto ao exterior, r e há a preocupação de que possa ser gerada ferrugem. Portanto, em um caso em que efeitos são gerados na película de revestimento vítreo, a película de revestimento isolante 16 precisa ser aplicada novamente, o que provoca a adição de um processo e um aumento nos custos de produção.
[0069] Durante o processo de produção da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10, muitos tratamentos térmicos são executados, e a estrutura da interface e a espessura da película de revestimento vítreo 14 ou do revestimento de película isolante 16 podem variar na direção de laminação e na direção da largura do corpo da chapa de aço 12. Portanto, foi difícil limitar com segurança a geração de defeitos na película de revestimento vítreo 14 por todo o corpo da chapa de aço 12 mesmo quando as condições do laser são ajustadas. Portanto, é preciso evitar a geração de defeitos na película de revestimento vítreo 14 enquanto se reduzem as perdas de núcleo da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10.
[0070] De acordo com essa modalidade, não apenas a perda de núcleo pode ser reduzida por toda a largura de varredura do laser L, mas também um efeito de suprimir a geração de defeitos pode ser obtido. Isto é, em um método de controle do domínio magnético no qual um raio laser não polarizado é usado na técnica relativa, conforme descrito acima, o gradiente de temperatura na largura de varredura do laser diminui à medida que o diâmetro do raio nas porções extremas P2 e P3 da largura de varredura do laser aumenta, e assim a redução da perda de núcleo não pode ser obtida suficientemente. Para compensar isso, a energia do raio laser pode ser aumentada. Nesse caso, embora a perda de núcleo nas porções extremas P2 e P3 possa tam
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31/39 bém ser reduzida, a energia do raio laser absorvida pela porção central P1 da largura de varredura do laser L se torna excessiva, e há um problema que defeitos são facilmente gerados. Por outro lado, nessa modalidade, conforme descrito acima, para aumentar a absorção do raio laser nas porções extremas P2 e P3 da largura de varredura do laser L conforme descrito acima, a chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 é varrida com a luz polarizada linearmente incluindo a luz polarizada P cuja absorção aumenta à medida que o ângulo de incidência φ aumenta. Aqui, na porção central P1 a largura de varredura do laser L, uma vez que a luz polarizada linearmente incide perpendicularmente à superfície da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 (o ângulo de incidência φ mostrado nas FIGURAS 6, 9A, e 9B é pequeno), as absorções da luz polarizada P e da luz polarizada S na porção central P1 são substancialmente as mesmas (veja Figura 10). Uma vez que não há diferença na absorção entre a luz polarizada P e a luz polarizada S que formam um estado não polarizado, um aumento na absorção, que é provocado empregando-se a luz polarizada P, raramente ocorre. Portanto, no aparelho de processamento a laser 100 dessa modalidade, sem um aumento excessivo da energia do raio laser transmitido para a chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 na porção central da varredura do laser L, a energia do raio laser absorvida nas porções extremas P2 e P3 pode ser aumentada. Consequentemente, a redução da perda de núcleo e a supressão da geração de defeitos podem ser realizadas por toda a largura de varredura do laser L.
[0071] Na modalidade descrita acima, como mostrado na Figura 1, foi descrito um exemplo no qual a chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 constituída por uma estrutura de três camadas incluindo o material de aço base 12, a película de revestimento vítreo 14, e a película de revestimento isolante 16 irradiada com o raio laser. En
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32/39 tretanto, mesmo para uma chapa de aço que tenha duas camadas incluindo o material de aço base 12 e a película de revestimento isolante 16 como estrutura básica sem a película de revestimento vítreo 14, o aparelho de processamento a laser 100 dessa modalidade apresenta um efeito de perda de núcleo por toda a largura da varredura do laser L. Isto é porque mesmo quando a película de revestimento vítreo 14 está ausente, empregando-se a luz polarizada linearmente como raio laser e ajustando-se o ângulo θ para estar na faixa descrita acima, a absorção do raio laser absorvido pelas superfícies superiores da película de revestimento isolante 16 e pelo material de aço base 12 nas porções extremas P2 e P3 da largura da varredura do laser L pode ser aumentada. Como uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado sem a película de revestimento vítreo 14, é conhecida uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado na qual a superfície de um material de aço base tem pequena rugosidade e está próxima de uma superfície espelhada e assim apresenta características de perda de núcleo ultrabaixas. Na chapa de aço eletromagnético com grão orientado tendo tais características de perdas de núcleo ultrabaixas, para evitar a geração de ferrugem provocada pela exposição do material de aço base 12, é importante que defeitos não sejam gerados na película de revestimento isolante 16 durante a irradiação do raio laser. Conforme descrito acima, no aparelho de processamento a laser 100 dessa modalidade, são realizadas a redução da perda de núcleo por toda a largura de varredura do laser L e a supressão da geração de defeitos na película de revestimento isolante 16.
Exemplo [0072] Para confirmar a eficácia dos Exemplos conforme a modalidade descrita acima, será descrito um exemplo de teste de confirmação conforme os Exemplos e Exemplos Comparativos.
[0073] Inicialmente, foi preparada uma placa tendo uma composi
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33/39 ção incluindo Si: 3,0% em massa, C: 0,05% em massa, Mn: 0,1% em massa, Al solúvel em ácido: 0,02% em massa, N: 0,01% em massa, S: 0,01% em massa, P: 0,02% em massa, e Fe e as inevitáveis impurezas como saldo. A laminação a quente foi executada na placa a 1280°C, produzindo assim um material laminado a quente tendo uma espessura de 2,3 mm. A seguir, um tratamento térmico foi executado no material laminado a quente sob a condição de 1000°C x 1 minuto. Um tratamento de decapagem foi executado no material resultante após o tratamento térmico, e a laminação a frio foi executada no material resultante, produzindo assim um material laminado a frio tendo uma espessura de 0,23 mm. O recozimento de descarburação foi executado no material laminado a frio sob a condição de 800°C x 2 minutos. A seguir, um agente de separação de recozimento contendo principalmente magnésia foi aplicado a ambas as superfícies do material laminado a frio após o recozimento de descarburação. Em adição, o material laminado a frio ao qual o agente de separação de recozimento foi aplicado foi colocado em um forno tipo caixa em um estado de ser enrolado em forma de bobina, e o recozimento de acabamento foi executado sob a condição de 1200°C χ 20 horas. Consequentemente, foi produzido um material chapa de aço (corpo de chapa de aço) tendo películas de revestimento vítreo formada nas superfícies A seguir, um material isolante formado de fosfato de alumínio foi aplicado às películas de revestimento vítreo e foi cozido (850°C χ 1 minuto), formando assim películas de revestimento isolante.
[0074] O material chapa de aço base tendo as películas de revestimento isolante e as películas de revestimento vítreo formadas nela foi irradiada com um raio laser de modo que foi dada a tensão à superfície do material chapa de aço base.
[0075] Como aparelho de irradiação a laser, foi usado o dispositivo de irradiação a laser 106 na Figura 4. Como o oscilador de laser 102
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34/39 foi usado um laser de fibra. Nos Exemplos, um raio não polarizado emitido pela lente colimadora 122 foi convertido em luz polarizada linearmente pelo divisor de raio polarizante 124. Posteriormente, o raio laser polarizado linearmente foi focalizado e varrido na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 enquanto muda o ângulo θ entre a direção de polarização linear e a direção de varredura ajustandose a luz polarizada linearmente para passar através da chapa λ/2 125 e mudar o seu ângulo de rotação. Nos Exemplos Comparativos, um raio laser não polarizado foi focalizado e varrido na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 em passar através do divisor de raio polarizante 124 e da chapa λ/2 125. Tanto nos Exemplos quanto nos Exemplos Comparativos, como condições de irradiação do raio laser, a energia do raio laser que alcança a chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 foi ajustado para 2 kW, o diâmetro do raio na direção de varredura foi ajustado para 4 mm, o diâmetro de raio na direção de laminação foi ajustado para 0,12 mm, e a largura de varredura do laser foi ajustada para 500 mm. O ângulo máximo de incidência 0MAX foi 24°.
[0076] Uma porção da chapa de aço processada a laser e uma porção da chapa de aço a partir da mesma bobina, que não foi submetida ao processamento a laser, foram submetidas a um testador de chapa simples (SST), e a perda de núcleo em W17/50 (W/kg) foi avaliada. W17/50 é a perda de núcleo a uma frequência de 50 Hz e uma densidade máxima de fluxo magnético de 1,7 T. Como corpo de prova para a medição SST, foi usada uma peça retangular que foi cortada em um tamanho de 100 mm de comprimento na direção da largura da chapa de aço e 500 mm de comprimento na direção de laminação da chapa de aço. As posições de corte na direção da largura foram 100 mm para cada uma entre a porção central e a porção extrema em relação a 500 mm da largura de varredura do laser. A razão de melhoria
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35/39 da perda de núcleo (%) da chapa de aço processada a laser foi definida em relação à perda de núcleo da porção da chapa de aço a partir da mesma bobina, que não foi submetida ao processamento a laser, como referência.
[0077] Os resultados do teste estão mostrados na Tabela 1 a seguir. No Exemplo Comparativo 1 no qual foi usado o raio laser não polarizado, a perda de núcleo da porção extrema foi deteriorada se comparado com a da porção central. Por outro lado, nos Exemplos 1 a 4, uma vez que foi usado o raio laser polarizado linearmente e o ângulo θ foi ajustado para ser menor que 45°, o efeito de me lhorar a perda de núcleo da porção extrema foi obtido (a margem de melhoria é significativa porque é maior que cerca de 0,5%, que é tipicamente um erro na avaliação da razão de melhoria da perda de núcleo). Particularmente, em um caso em que o ângulo θ foi 20° ou menos, o grau de deterioração da perda de núcleo foi menor que 0,5%, que significa que não houve realmente nenhuma deterioração. Por outro lado, no Exemplo Comparativo 2 no qual o ângulo θ foi 45°, não houve diferença substancial na razão de melhoria da perda de núcleo do Exemplo Comparativo 1 com a luz não polarizada. Isto é porque em um caso em que o ângulo θ é 45°, a luz polarizada P e a luz polarizada S incidem em uma superfície de incidência em uma razão regular e o efeito de aumentar a absorção do raio laser na porção extrema da largura de varredura do laser não pode ser obtido. No Exemplo Comparativo 3 no qual o ângulo θ é 60°, a razão de melhoria da perda de núcleo foi menor que no exemplo Comparativo 1, com a luz não polarizada. Isto é porque a absorção do raio laser na porção extrema da largura de varredura do laser foi, ao contrário, diminuída.
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Tabela 1
Tipo de polarização Ângulo θ (°) Razão de melhoria da perda de núcleo da porção central (%) Razão de melhoria da perda de núcleo da porção extrema (%)
Exemplo 1 Luz polarizada Linearmente 0 13,4 13,2
Exemplo 2 Luz polarizada Linearmente 10 13,0 12,8
Exemplo 3 Luz polarizada Linearmente 20 13,1 12,8
Exemplo 4 Luz polarizada Linearmente 30 13,5 12,4
Exemplo Comparativo 1 Luz Não polarizada - 13,2 11,2
Exemplo Comparativo 2 Luz Linearmente 45 13,2 11,3
Exemplo Comparativo 3 Luz Linearmente 60 13,3 10,2
[0078] Dos resultados dos testes descritos acima, pode ser isto que ajustando-se o ângulo θ em uma faixa onde o efeito da luz polarizada P ente a luz polarizada P e a luz polarizada S se torne dominante, isto é, ajustando-se o ângulo θ para ser igual a ou maior que 0° e menor que 45°, a absorção do raio laser na porção e xtrema f=da largura da varredura do laser pode ser aumentada comparado ao caso da luz não polarizada, e como resultado, a razão de melhoria da perda de núcleo na porção extrema da largura de varredura do laser pode ser aumentada.
[0079] Em adição, em um caso em que o ângulo θ entre a direção da luz polarizada linearmente e a direção de varredura é fixado para 0° e o ângulo máximo de incidência 0MAX do raio laser foi mudado em uma faixa de 24° a 45°, uma mudança na razão de mel horia da perda de núcleo na porção extrema da largura de varredura do laser L foi verificada. Os resultados estão mostrados na Tabela 2.
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Tabela 2
Ângulo máximo de incidência 0MAX O 1/cos 0MAX Razão de redução da perda de núcleo (%)
24 1,09 13,2
30 1,15 12,9
33 1,19 12,5
36 1,24 12
40 1,31 11,4
45 1,41 10,5
[0080] Como mostrado na Tabela 2, pode ser visto que quando o ângulo máximo de incidência 0MAX do raio laser foi maior que 36°, a razão de melhoria da perda de núcleo na porção extrema da largura de varredura do laser L foi rapidamente deteriorada. Em um caso em que o ângulo máximo de incidência 0MAX é 40° ou mais, a razão de melhoria da perda de núcleo na porção extrema da largura de varredura do laser L foi igual a ou menor que a do Exemplo Comparativo 1 (no caso de luz não polarizada) mostrado na Tabela 1. Imagina-se que isto seja porque quando o ângulo máximo de incidência 0MAX é maior que 36°, a ampliação do diâmetro do raio em relação ao diâmetro de raio de referência se torna maior que 24%. Isto é, foi confirmado pela experiência que para reduzir uniformemente e seguramente a perda de núcleo por toda a largura de varredura do laser L, é preferível que o ângulo máximo de incidência 0MAX do raio laser seja ajustado com base na expressão condicional (1) descrito acima.
Conclusão [0081] Conforme descrito acima, no aparelho de processamento a laser 100 conforme essa modalidade, o ângulo θ entre a direção de
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38/39 varredura da luz de polarização linear na chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 e a direção de varredura é ajustado para ser igual a ou maior que 0° e menor que 45°.
[0082] Consequentemente, a energia do raio laser transmitida para o corpo da chapa de aço 12 ou a película de revestimento vítreo 14 nas porções extremas P2 e P3 da largura de varredura do laser L do dispositivo de irradiação a laser 106 pode ser aumentada. Portanto, mesmo quando o diâmetro do raio nas porções extremas P2 e P3 aumenta, a redução na densidade de energia do raio laser nas porções extremas P2 e P3 pode ser limitada. Como resultado, a redução do gradiente de temperatura ao longo da direção da espessura nas porções extremas P2 e P3 da largura de varredura do laser L de ser limitada, e a diferença no gradiente de temperatura entre a porção central P1 e as porções extremas P2 e P3 da largura de varredura do laser L pode ser reduzida. Além disso, conforme descrito acima, uma vez que a energia do raio laser absorvida na porção central P1 não é aumentada, a geração de defeitos na porção central P1 pode ser definida. Isto é, reduzir a perda de núcleo e evitar a geração de defeitos na película de revestimento vítreo 14 podem ser realizados simultaneamente por toda a largura de varredura do laser L.
[0083] No aparelho de processamento a laser 100 conforme essa modalidade, uma vez que a redução na perda de núcleo e a limitação de defeitos na película de revestimento vítreo 14 descritas acima podem ser alcançadas, a chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 pode ser produzida. Como resultado, a chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 com perda de núcleo ultrabaixa pode ser fornecida com um custo mais baixo. Além disso, do ponto de vista de realizar a redução do consumo de energia através da distribuição da chapa de aço eletromagnético com grão orientado 10 com uma perda de núcleo ultrabaixa mundial, um grande efeito econômico é apresentado.
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39/39 [0084] Embora a modalidade preferida da presente invenção tenha sido descrita em detalhes em relação aos desenhos anexos, a presente invenção não é limitada aos exemplos. Deve ser notado por aqueles que são peritos no campo técnico ao qual a presente invenção pertence que várias mudanças e modificações podem ser feitas sem sair do espírito técnico descrito nas reivindicações, e deve ser entendido que essas mudanças e modificações pertencem naturalmente ao escopo técnico da presente invenção.
Breve Descrição dos Símbolos de Referência
10: Chapa de aço eletromagnético com grão orientado
12: Corpo da chapa de aço
14: Película de revestimento vítreo
16: Película de revestimento isolante
100: aparelho de processamento a laser
102: Oscilador de laser
104: Fibra de transmissão
106: Dispositivo de irradiação de laser
122: Lente colimadora
124: Divisor de raio polarizante
125: Chapa λ/2
126: Espelho metálico
128: Espelho poligonal
130 Espelho parabólico

Claims (6)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Aparelho de processamento a laser (100) para refinar domínios magnéticos de uma chapa de aço eletromagnético com grão orientado ajustando-se um raio laser a ser focalizado na chapa de aço eletromagnético com grão orientado e varrido em uma direção de varredura, caracterizado pelo fato de que:
    o raio laser focalizado na chapa de aço eletromagnético com grão orientado é luz polarizada linearmente, e o ângulo entre uma direção da polarização linear e a direção de varredura é igual a ou maior que 0° e menor que 45°.
  2. 2. Aparelho (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ângulo máximo de incidência 0max do raio laser que incide na chapa de aço eletromagnético com grão orientado satisfaz a expressão condicional (1) a seguir.
    1/cos0MAX 1.24 .„(1)
  3. 3. Aparelho (100), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o comprimento de onda do raio laser focalizado na chapa de aço eletromagnético com grão orientado é 0,15 pm ou mais e 7 pm ou menos.
  4. 4. Aparelho (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
    um oscilador de laser (102) que emite o raio laser; e um polarizador que converte o raio laser emitido pelo oscilador de laser (102) em luz polarizada linearmente.
  5. 5. Aparelho (100), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o oscilador de laser (102) é um laser de fibra ou um laser de disco.
  6. 6. Aparelho (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que:
    a forma do raio laser focalizado na chapa de alço eletroPetição 870190102529, de 11/10/2019, pág. 6/11
    2/2 magnético com grão orientado é uma elipse, e a direção do eixo menor da elipse é perpendicular à direção de varredura.
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