CN102941413B - 一种取向硅钢多次激光刻槽降低铁损的方法 - Google Patents

Abstract

一种取向硅钢多次激光刻槽降低铁损的方法：其步骤：预刻刻槽：对经退火后的冷轧取向硅钢板的单面采用激光束预刻成线状或点线状刻槽，其预刻刻槽的深度为目标刻槽深度的30～50%，预刻刻槽的宽度为目标刻槽宽度的60～80%；相邻两刻槽的间隙为3～6mm；精刻刻槽：并使其深度d及宽度w达到目标值。本发明通过激光往复式扫描在取向硅钢片的单面形成一系列平行布置的线状或点线状刻槽，实现了刻槽形貌稳定的控制，尤其是刻槽深度和刻槽宽度的精确控制，使铁损根据板厚现有的水平下降至少8%，且不破坏板型又可明显降低铁损。其铁损降低效果经800℃、2小时消除应力退火后未消失，叠片系数也未降低。

Description

一种取向硅钢多次激光刻槽降低铁损的方法

技术领域

本发明涉及取向硅钢生产方法，具体地指一种多次激光刻槽降低取向硅钢铁损的方法。

背景技术

取向硅钢片主要用作变压器的铁芯材料。降低取向硅钢片的铁损可以减少变压器工作过程中的能量损耗，这对于节能减排是非常重要的。取向硅钢片的铁损由磁滞损耗和涡流损耗构成，涡流损耗又分为经典涡流损耗和异常涡流损耗。异常涡流损耗是以磁畴壁的移动为基础的涡流损失，与磁畴壁的移动速率成正比，在相同频率下，磁畴壁的移动速率与移动距离成正比，所以磁畴宽度越大，涡流损失也越大。在工频状态下，异常涡流损耗约占铁损的一半左右，随着取向硅钢片的不断进步，其所占的比例还在不断增大。

为了降低异常涡流损耗，科研人员一般采用减小取向硅钢片主畴宽度的方法。如日本专利特开昭58-26405，提出了一种通过激光照射减小主畴宽度、降低铁损的方法，其通过激光照射的热冲击作用在照射区域产生应力从而细化磁畴。这种方法的缺陷是激光照射产生的应力经过去应力退火后会消失，从而失去磁畴细化的效果，因此这种方法不适合用作卷绕铁芯的取向硅钢片。另有一些可以经受去应力退火的磁畴细化技术已经被提出，这些技术是在取向硅钢片表面垂直于轧制的方向引入与基体磁导率不同的线状或点线状区域，其具体方案包括如下几类：齿状辊压痕形成线状刻槽的方法（参见日本发明专利特开昭63-44804）；通过化学刻蚀在表面形成线坑的方法（参见美国发明专利US4750949）；采用Q开关二氧化碳激光器在表面形成由一系列的坑组成的刻槽的方法（参见日本发明专利特开平7-220913）；此外还有通过激光照射在取向硅钢片表面形成熔融重凝固层的方法。

对于上述机械压痕方法而言，取向硅钢片较高的硬度将导致齿辊在使用很短时间后就磨损，需要频繁维护。对于上述化学刻蚀方法而言，需要在刻蚀前施加掩膜，刻蚀后再去掉掩膜，其工艺比机械压痕方法还要复杂，而且取向硅钢片的磁感降低严重。对于上述Q开关二氧化碳激光器照射方法和在取向硅钢片表面形成熔融重凝固层的方法而言，虽然没有前两种方法维护频繁、工艺复杂的问题，但Q开关二氧化碳激光器照射位置的热输入过高，会导致整个取向硅钢片产生井状形变，从而导致其叠片系数降低，而在表面形成熔融重凝固层对取向硅钢片的板形破坏较大，其铁损降低的幅度不理想。

为了解决上述几类技术方案存在的问题，欧洲发明专利EP0992591提出了一种通过激光照射在取向硅钢片两面都形成刻槽的方法，但这种方法需要将两面对应刻槽的位置偏差控制在一个很小的范围内，这在实际生产上是很难实现的。

中国专利号为ZL201010562949.2的专利文献，其采用的使单面一次刻刻槽方式，其存在的不足是：难以实现刻槽的深度及宽度要求，导致所刻刻槽的形貌不稳定，铁损改善幅度难以保证，尤其当来料厚度、晶粒尺寸及涂层厚度有波动时，刻槽后产品磁性就会产生不均匀，甚至会恶化，不能满足用户要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能使取向硅钢板所刻刻槽的形貌稳定，保持磁感不变，且铁损根据板厚现有的水平下降至少8%，经在800℃、2小时消除应力退火后其铁损降低效果不会消失的多次激光刻槽降低取向硅钢铁损的方法。

实现上述目的技术措施：

一种取向硅钢多次激光刻槽降低铁损的方法：

刻槽的参数：刻槽的目标深度用d表示，刻槽的目标宽度用w表示，控制刻槽的目标深度d在5～30μm；控制25μm≤w-d≤40μm； 每相邻两刻槽之间的间隙为3～6mm；刻槽的形状为线状或点线状，刻槽与刻槽之间为平行的 ；刻槽与钢板轧制方向成80o～90 o刻槽；

其刻槽步骤：

1）进行预刻刻槽：对经退火后的冷轧取向硅钢板的单面采用激光束预刻成线状或点线状刻槽，其预刻刻槽的深度为目标刻槽深度的30～50%，预刻刻槽的宽度为目标刻槽宽度的60～80%；相邻两刻槽之间的间隙为3～6mm；

2）进行精刻刻槽：采用激光束对经预刻后线状或点线状刻槽进行再次刻制，使其深度d及宽度w达到目标值。

其特征在于：当进行精刻后未达到目标值的，进行再次精刻，直至达到目标值。

其特征在于：所述激光束，其光斑直径为D=7~13μm、照射点峰值功率密度N=10⁸~10⁹W/cm²、激光平均输出功率J与激光束扫描线速度V之比J/V=0.005~0.1，其中激光平均输出功率J的单位是W，激光束扫描线速度V的单位是mm/s。

以下对本发明技术方案的作用机理进行详细说明：通过激光精确刻槽在取向硅钢片表面形成上述设计角度、间距、深度和宽度的线状或点线状刻槽后，可起到阻断磁通的作用，有利于自由磁极的产生，在平行的线状或点线状刻槽间张力的作用下，自由磁极长大成180°畴，从而使磁畴得以细化。试验表明经过本发明处理在取向硅钢片表面所形成的刻槽，在800℃、2小时消除应力退火后也不会消失。

如果线状或点线状刻槽的间距d＜3mm，由内应力产生的晶体缺陷导致的磁滞损耗的增加将会大于磁畴细化导致的涡流损耗的降低，这样不但对铁损降低的效果不明显，还会导致磁感的降低。如果线状或点线状刻槽的间距d＞6mm，所产生的张应力将不足以形成足够多的180°畴，铁损降低的效果也不好。

由于取向硅钢片的〈001〉方向与轧制方向有一定的倾角，因此180°畴并非平行于轧制方向，而是相应地与轧制方向有一定的倾角。由于磁畴细化是通过线状或点线状刻槽之间的张力产生的，张力的方向相应地要与轧制方向成一定的倾角。根据取向硅钢片的晶体学方向，使线状或点线状刻槽与取向硅钢片轧制方向成一定的夹角α更有利于得到好的刻槽效果。但如果这个夹角α＜80°，不但不利于增加张力，而且还会有很多非180°畴产生，导致取向硅钢片的磁性恶化。

线状或点线状刻槽的刻槽深度d和刻槽宽度w也必须控制在一定的范围内。如果刻槽深度d＜5μm，将不能产生足够的张应力，从而使取向硅钢片在去应力退火后的铁损降低效果不显著；如果刻槽深度d＞30μm，将导致取向硅钢片板型破坏，叠片系数降低。

本发明通过激光往复式扫描在取向硅钢片的单面形成一系列平行布置的线状或点线状刻槽，实现了刻槽形貌稳定的控制，尤其是刻槽深度和刻槽宽度的精确控制，铁损根据板厚现有的水平下降至少8%，达到了既不破坏取向硅钢片板型又可明显降低铁损的目的。其铁损降低效果经在800℃、2小时消除应力退火后其铁损降低效果未消失，叠片系数也未降低，磁感基本上未恶化。同时，采用激光束照射刻槽的工艺简单，生产上易于控制。

附图说明

 图1为刻槽形貌示意图

    图2为刻槽次数与刻槽宽度深度之差的关系图

图3为刻槽速率与刻槽宽度深度差和铁损改善幅度的关系示意图

图中：d—表示刻槽深度，单位为μm，w—表示刻槽宽度，单位为μm，t —表示钢板厚度，单位为mm，N —表示刻槽次数，V—表示激光束扫描线速度，单位为mm/s，△P_17/50—表示铁损改善率(%)，△P_17/50=（刻槽前P_17/50-刻槽并消应力退火后P_17/50）/刻槽前P_17/50×100%。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

以下实施例所采用的激光束的参数：光斑直径为D=7~13μm、照射点峰值功率密度N=10⁸~10⁹W/cm²、激光平均输出功率J与激光束扫描线速度V之比J/V=0.005~0.1，其中激光平均输出功率J的单位是W，激光束扫描线速度V的单位是mm/s。

实施例1

一种取向硅钢多次激光刻槽降低铁损的方法：

刻槽的参数：刻槽的目标深度d为5μm；根据此限定式25μm≤w-d≤40μm，则刻槽的目标宽度w为35μm； 每相邻两刻槽之间的间隙为4mm；刻槽的形状为线状，刻槽与刻槽之间为平行的 ；刻槽与钢板轧制方向成80o；

试验的取向硅钢板的厚度为0.265mm，其现有的铁损水平为0.95W/kg；

其刻槽步骤：

1） 进行预刻刻槽：对经退火后的冷轧取向硅钢板的单面采用激光束预刻成线状刻槽，其预刻刻槽的深度为目标刻槽深度d为5μm的40%，即加工深度为2.0μm，预刻刻槽的宽度为目标刻槽宽度w为35μm的60%，即加工宽度为21μm；相邻两刻槽之间的间隙为4mm；

2）进行精刻刻槽：采用激光束对经预刻后线状刻槽进行再次刻制，使其深度d达到5μm，宽度w达到35μm。

经检测，刻槽形貌稳定，且经刻槽后的铁损为0.86W/kg，比现有的铁损水平0.95W/kg降低了9.5%；磁感为1.92T；经在800℃、2小时消除应力退火后其铁损降低效果未消失。

实施例2

一种取向硅钢多次激光刻槽降低铁损的方法：

其刻槽步骤：

刻槽的参数：刻槽的目标深度d为15μm；根据此限定式25μm≤w-d≤40μm，则刻槽的目标宽度w为40μm； 每相邻两刻槽之间的间隙为3mm；刻槽的形状为点线状，刻槽与刻槽之间为平行的 ；刻槽与钢板轧制方向成83o；

试验的取向硅钢板的厚度为0.22mm，其现有的铁损水平为0.85W/kg；

1） 进行预刻刻槽：对经退火后的冷轧取向硅钢板的单面采用激光束预刻成点线状刻槽，其预刻刻槽的深度为目标刻槽深度d为15μm的30%，即加工深度为4.5μm，预刻刻槽的宽度为目标刻槽宽度w为40μm的70%，即加工宽度为28μm；相邻两刻槽之间的间隙为3mm；

2）进行精刻刻槽：采用激光束对经预刻后点线状刻槽进行再次刻制，使其深度d达到15μm，宽度w达到40μm。

经检测，刻槽形貌稳定，铁损为0.76W/kg ，比现有的铁损水平0.85W/kg降低了10.6%；磁感为1.91T ；经在800℃、2小时消除应力退火后其铁损降低效果未消失。

实施例3

一种取向硅钢多次激光刻槽降低铁损的方法：

刻槽的参数：刻槽的目标深度d为25μm；根据此限定式25μm≤w-d≤40μm，则刻槽的目标宽度w为65μm； 每相邻两刻槽之间的间隙为6mm；刻槽的形状为线状，刻槽与刻槽之间为平行的 ；刻槽与钢板轧制方向成88o；

试验的取向硅钢板的厚度为0.285mm，其现有的铁损水平为1.02W/kg；

其刻槽步骤：

1） 进行预刻刻槽：对经退火后的冷轧取向硅钢板的单面采用激光束预刻成线状刻槽，其预刻刻槽的深度为目标刻槽深度d为25μm的45%，即加工深度为11.25μm，预刻刻槽的宽度为目标刻槽宽度w为65μm的75%，即加工宽度为48.75μm；相邻两刻槽之间的间隙为6mm；

2）进行精刻刻槽：采用激光束对经预刻后线状刻槽进行再次刻制，使其深度d达到25μm，宽度w达到65μm。

经检测，刻槽形貌稳定，铁损为0.93W/kg，比现有的铁损水平1.02W/kg降低了8.82%；磁感为1.93T；经在800℃、2小时消除应力退火后其铁损降低效果未消失。

实施例4

一种取向硅钢多次激光刻槽降低铁损的方法：

刻槽的参数：刻槽的目标深度d为30μm；根据此限定式25μm≤w-d≤40μm，则刻槽的目标宽度w为65μm； 每相邻两刻槽之间的间隙为5mm；刻槽的形状为线状，刻槽与刻槽之间为平行的 ；刻槽与钢板轧制方向成90o；

取向硅钢板的厚度为0.265 mm；其现有的铁损水平为0.95W/kg；

其刻槽步骤：

1） 进行预刻刻槽：对经退火后的冷轧取向硅钢板的单面采用激光束预刻成线状,刻槽，其预刻刻槽的深度为目标刻槽深度d为30μm的50%，即加工深度为15μm，预刻刻槽的宽度为目标刻槽宽度w为65μm的80%，即加工宽度为52μm；相邻两刻槽之间的间隙为5mm；

2）进行精刻刻槽：采用激光束对经预刻后线状或点线状刻槽进行再次刻制，使其深度d达到30μm，宽度w达到65μm。

经检测，刻槽形貌稳定，铁损为0.83W/kg，比现有的铁损水平0.95W/kg降低了12.63%；磁感为1.94T；经在800℃、2小时消除应力退火后其铁损降低效果未消失。

当进行精刻后未达到目标值时，刻进行再次精刻，直至达到目标值。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (2)

1.一种取向硅钢多次激光刻槽降低铁损的方法，

刻槽的参数：刻槽的目标深度用d表示，刻槽的目标宽度用w表示，控制刻槽的目标深度d在5～30μm；控制25μm≤w-d≤40μm； 每相邻两刻槽之间的间隙为3～6mm；刻槽的形状为线状或点线状，刻槽与刻槽之间为平行的 ；刻槽与钢板轧制方向成80o～90 o刻槽；

其刻槽步骤：

1）进行预刻刻槽：对经退火后的冷轧取向硅钢板的单面采用激光束预刻成线状或点线状刻槽，其预刻刻槽的深度为刻槽的目标深度的30～50%，预刻刻槽的宽度为刻槽的目标宽度的60～80%；相邻两刻槽之间的间隙为3～6mm；

2）进行精刻刻槽：采用激光束对经预刻后线状或点线状刻槽进行再次刻制，使其深度d及宽度w达到目标值。

2.如权利要求1所述的一种取向硅钢多次激光刻槽降低铁损的方法，其特征在于：当进行精刻后未达到目标值的，进行再次精刻，直至达到目标值。