CN103429767B - 用于制造晶粒取向的钢板产品的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造晶粒取向的钢板产品的方法，该钢板产品用于生产电工用途的部件并且具有最小化的磁损耗值和最佳的磁致伸缩的特性，该方法包括操作步骤a）提供钢板产品，b）激光处理钢板产品，其中在激光处理过程中借助由激光光束源所发出的具有功率P的激光光束使线形的形变成型到钢板产品的表面中，该形变以间距L设置。根据本发明的用于制造钢板产品的方法适合以最佳的方式制造变压器的部件。这是由此实现的，即，在激光处理（操作步骤b））之前和之后获取在频率为50赫兹和极化率为1.7特斯拉时所求得的钢板产品的视在功率S1.7/50并且这样改变激光处理的参数，即，使进行激光处理之前和之后所得到的视在功率S1.7/50之差小于40%。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造晶粒取向的钢板产品的方法，该钢板产品具有最小化的磁损耗值和最佳的磁致伸缩的特性。
背景技术
对于这里所述的晶粒取向的钢板产品、专业术语也称作“HGO材料”涉及钢带（专业术语也称为“磁性钢带”）或薄钢板（专业术语也称为“磁性钢板”）。由这样的钢板产品制成电工用途的部件。
晶粒取向的磁性钢带或磁性钢板特别适用于这些用途，即，在特别低的磁滞损耗处于重要地位时，以及对导磁率或极化有很高要求时。这些要求特别多用于电力变压器、配电变压器和昂贵的小型变压器的部件上。
正如在文献EP 1 025 268 B1中所详细阐明的一样，一般在生产钢板产品的过程中，首先将钢浇铸成初加工材料，如板坯、薄板坯或铸钢带，该钢（以重量%示出）通常具有2.5至4.0%的Si、0.010至0.100%的C、不高于0.150%的Mn、不高于0.065%的Al和不高于0.0150%的N、以及分别可选的0.010至0.3%的Cu、不高于0.060%的S、不高于0.100%的P、分别不高于0.2%的As、Sn、Sb、Te和Bi，余量的铁和不可避免的杂质。此外，如果需要的话，将初加工材料进行退火处理，以便随后热轧成热轧带钢。
在进行了卷取和可选地、额外地进行了退火，以及同样可选地进行除锈和酸洗处理之后，紧接着以一个或多个步骤将热轧带钢轧成冷轧带钢，其中，在冷轧步骤之间，如果需要的话，可以进行中间退火。在接着进行的脱碳退火中，通常为了避免磁时效，大大减少冷轧带钢的含碳量。
脱碳退火之后，在带钢表面施加退火分离剂，退火分离剂通常为MgO。该退火分离剂防止在接着进行高温退火时由冷轧带钢卷成的卷材的多个圈层相互粘合。通常在有保护气体的罩式退火炉中进行高温退火，在高温退火期间，通过有选择地晶粒增长，在冷轧带钢中形成了组织结构。此外，在带钢表面形成了镁橄榄石层，即所谓的“玻璃薄膜”。同时通过高温退火期间进行的扩散过程净化钢材。
高温退火之后，将这样得到的钢板产品镀上绝缘层，进行热调整，以及在最后的“最终退火”中进行消除应力退火。该最终退火能够在将以上述方式制造的钢板产品批量生产成为继续加工所需的毛坯之前或之后进行，其中，通过最终退火能够在分割毛坯之后，消除在分割过程中出现的、额外的应力。因此所制造的钢板产品通常具有0.15mm至0.5mm的厚度。
分别这样使材料的冶金性能（即，在制造钢板产品时调整的、冷轧过程的变形程度和热处理的参数）相互协调，即，进行有针对性的再结晶过程。该再结晶过程导致对于这种材料来说典型的“戈斯织构（Goss-Textur）”在这种组织结构中，最易磁化性的方向位于成品带钢的轧制方向上。晶粒取向的钢板产品相应地具有强烈的各向异性的磁性能。
有各种不同的方法用于改善晶粒取向的钢板产品的磁滞损耗。例如可以改善钢板产品的戈斯织构的取向清晰度。通过减小180°磁畴壁的间距可以进一步减小损耗。轧制方向上的、通过绝缘涂层传递到带钢表面上的高拉应力同样有助于减小磁畴间距从而降低磁滞损耗。然而，出于技术原因所需的拉应力值能够有限地实现。
例如在文献DE 18 04 208 B1中或文献EP 0 409 389 A2中所提供的改善损耗的其他可行性方案在于，在钢板产品的表面上制造局部的可塑变形。这可以例如通过各个钢板产品的表面的机械刻划或刺戳来实现。以这种方式所达到的、磁性能的重要改善具有不足之处，即，通过表面的机械加工损害钢板产品上所涂覆的绝缘层。这可以例如在由这种钢板产品制造变压器用硅钢片的情况下导致变压器的层叠核心中短路以及局部的腐蚀。
利用机械刻划或刺戳的优势，而不破坏绝缘层的试验已经集中在对激光源的应用上（EP 0 008 385 B1、EP 0 100 638 B1、EP 1 607487 A1）。以激光的应用为基础的方法的共同点在于，激光光束聚焦在待处理的钢板产品的表面上并且在那里的基底材料中产生热张力。这导致形成错位，在错位位置上磁通量的分量脱离钢板产品的表面。由此局部地提高漏磁场能量，形成所谓的“闭磁畴”（专业术语也称作“二级结构”）以抵消漏磁场能量。同时降低主磁畴间距。
因为这种异常的磁滞损耗取决于主磁畴的间距，所以通过合适的激光处理将损耗降至最低。通过激光处理可以使具有对于这种产品来说典型的额定厚度0.23mm的、晶粒取向的钢板产品的磁滞损耗相对于未经处理的状态改善超过10%。损耗改善取决于基底材料的特性（例如粒度和结构清晰度）和激光参数，线（激光光束沿着这些线引至各个钢板产品上）的间距L、作用时间tdwell和比能量密度Us属于这些参数。这些参数的确定对分别所达到的磁滞损耗的降低有重大的影响。
除了磁滞损耗以外，变压器也受到噪音的产生的影响。这是基于已知为磁致伸缩的物理效应。
磁致伸缩是铁磁性材料在其磁化方向上的长度变化。通过在交变磁场中运转铁磁部件（例如变压器）来移动180°主磁畴，然而这不会单独对磁致伸缩有帮助。然而在从180°主磁畴转变到90°闭磁畴时在材料中存在有磁致伸缩应力。该应力在交变磁场中工作时形成声源并且是变压器噪音的起因。
通过激光处理引入额外的90°闭磁畴（即二级结构）通常导致磁致伸缩提高从而特别是在变压器工作时提高噪音的发送。
使变压器工作时噪音产生最小化的要求不断提高。这一方面是由于不断加强的法律规定和标准。另一方面是消费者如今通常不再购买能够听到“变压器嗡嗡声”的电气设备。因此，如今在住宅建筑附近对大型变压器的接受性关键取决于这种变压器工作时产生的噪声。
已有一系列的激光处理工艺，借助这些激光处理工艺通过选择合适的工艺参数可以实现损耗改善以及更好的磁致伸缩特性（DE 60112 357 T2/EP 1 154 025 B1、DE 698 35 923 T2/EP 0 897 016 B1、EP 2 006 397 A1、EP 1 607 487 A1）。然而分别仅在考虑到改善磁滞损耗的情况下进行了激光处理的参数的优化。
发明内容
在上述现有技术的基础上，本发明的目的在于，给出一种制造钢板产品的方法，该钢板产品适合以最佳的方式制造变压器的部件。
根据本发明，由此实现了该目的，即，在制造钢板产品时进行权利要求1所给出的操作步骤。
本发明的有利的设计已在从属权利要求中给出，下面将对本发明的基本思想进行详细阐述。
与上述现有技术相同，根据本发明的用于制造具有最小化的磁损耗值和最佳的磁致伸缩的特性的晶粒取向的钢板产品的方法包括操作步骤：
a）提供钢板产品，和
b）激光处理钢板产品，其中在激光处理过程中借助由激光光束源所发出的具有功率P的激光光束使线形的形变成型到钢板产品的表面中，该形变以间距L设置。
在根据操作步骤a）提供的钢板产品的制造方式和方法上没有特殊要求。因此使用由专业人员普遍已知的、开头总结的方法以及在合适的钢合金的基础上能够制造为根据本发明的方法所提供的钢板产品，这种钢合金同样已由现有技术已知。这自然也包括那些目前还未知的制造方法和合金。
根据本发明，这时这样设置激光处理（操作步骤b））的参数，即，根据本发明制造的钢板产品不仅具有最小化的磁滞损耗，而且对钢板产品在激光处理后所产生的视在功率S1.7/50后进行优化。
出于此目的，根据本发明，在激光处理（操作步骤b））之前和之后获取在频率为50赫兹和极化率为1.7特斯拉时所求得的待使用激光光束处理的钢板产品的视在功率S1.7/50。
然后根据激光处理之前所得到的视在功率S1.7/50前和激光处理之后所得到的视在功率S1.7/50后之差改变激光处理的参数，使得在进行激光处理之前和之后分别所得到的视在功率S1.7/50之差小于40%。
因此根据本发明这样设置激光处理的参数，即，通过调整激光处理参数这样限定在激光处理的过程中所出现的、经根据本发明处理的钢板产品的视在功率S1.7/50的增加部分，即，激光处理之后所得到的视在功率S1.7/50后满足下面的条件：
S1.7/50后＜1.4×S1.7/50前
根据本发明这样相应地限定由于激光处理所引起的视在功率的增加，即，与在同样的工件上进行激光处理之前的视在功率值相比，激光处理之后的视在功率提高不大于40%。
因此本发明考虑，在敷设变压器时通常不将各个经加工的钢板产品的磁滞损耗放在重要的位置，而是将视在功率放在重要位置。因此根据本发明在考虑到磁滞损耗和视在功率的情况下在相同的极化率下优化激光处理的参数。
因此根据本发明的方法的目的是在考虑到最小化的磁滞损耗P1.7/50和视在功率S1.7/50的情况下优化激光参数。对此已证实，在视在功率最小化时噪音增加降至最低。这表明，激光处理虽然明显引起主磁畴的细化，这导致力求达到的损耗降低，但是通过根据本发明的激光处理的优化过程在考虑到尽可能小的视在功率的情况下伴随有相对小的、具有二级磁结构的体积区域的提高。
原则上可以在磁性钢板或板材毛坯上进行激光处理。然而已证实，当加工形成为带钢材料的钢板产品时，该钢板产品在连续的过程中经过激光处理是特别实用的。
在操作过程中在线获取激光处理之前和之后的各个视在功率S1.7/50以及根据所获取的视在功率S1.7/50之差在线变化激光处理的参数的情况下，可以特别快地对激光处理结果的变化做出反应。
然而，在时间上分开进行激光处理之前和之后的视在功率的获取以及激光参数的校准也是可能的。对此可以以一定的时间间隔抽取钢板产品的样品，在这些样品上求得激光处理之前和之后的各个视在功率S1.7/50并且根据这些获取的结果改变激光处理的参数。本设计允许以类似的工艺和测量技术实施根据本发明的方法。
例如线形形变的间距L、激光光束的作用时间tdwell、比能量密度Us、激光功率P、焦点尺寸△s或者扫描速度vscan适合作为在优化激光处理结果方面可以变化的参数。
对此由实际试验已得到，在2-10mm、特别是4-7mm的范围中改变线形形变的间距L可以适宜地达到最佳的视在功率S1.7/50。
通过在1×10-5s至2×10-4s的范围中改变激光光束的作用时间tdwell同样可以使通过激光处理而出现的视在功率S1.7/50的改变降至最小。
在使用光纤激光器作为激光源的情况下，在当前可用的光纤激光器下可以以使通过激光处理所出现的视在功率S1.7/50的变化的最小化为目的在200-3000W的范围中改变激光功率P。光纤激光器在这里具有特别的优势，光纤激光器使激光光束精密聚焦。因此借助光纤激光器可以实现小于20μm的轨距。
然而在实施根据本发明的方法时使用CO2激光器作为激光源也是可能的。由于在这样的激光器下不能如此精密地聚焦激光光束，因此这里在当前可用的CO2激光器下以使通过激光处理所出现的视在功率S1.7/50的变化的最小化为目的在1000-5000W的范围中改变激光功率P。
当然可以优选在这种至少由一层绝缘层所覆盖的钢板产品上实施根据本发明的方法。此外，对此在钢板产品的绝缘层和钢基材之间可以例如还存在有一层玻璃层或镁橄榄石层。
附图说明
为了证明本发明的作用，对下面的用于根据本发明的操作步骤的实例进行了研究。其中，
图1示出了损耗改善△P1.7/50和视在功率变化△S1.7/50关于激光轨道间距L的图表；
图2示出了由测得的长度变化所算出的噪音N作为极化强度J的函数的图表。
具体实施方式
在系统测试的范围中借助1kW的多模光纤激光器改变所使用的激光设备上的各种参数。待优化的参数是激光线的间距L、激光功率P、焦点尺寸△s和扫描速度vscan。
试验基质的经验性评估表明，上述参数的变化在明显改善磁滞损耗的同时可以引起视在功率的急剧变化。
作为实例，图1示出了取决于激光轨道间距L的损耗改善△P1.7/50（通过实心正方形标示）和视在功率变化△S1.7/50（通过空心圆标示）。对此作为参考值分别给出相对于未经激光照射的状态（即，激光处理（操作步骤b））之前的状态）下损耗功率P1.7/50的变化△P1.7/50和视在功率S1.7/50的变化△S1.7/50。
通过改变焦点尺寸△s和扫描速度vscan（即，激光以该速度移动）在作为带钢材料的钢板产品的表面上产生不同的、激光光束的作用时间tdwell。对此tdwell、△s和vscan之间的关系可以进行如下描述：
tdwell=△s/vscan
达到从1×10-5秒至2×10-4秒的作用时间段时会在一定程度上引起在相同大小的、磁滞损耗P1.7/50下改善不同大小的视在功率变化△S1.7/50。这表明，在视在功率变化△S1.7/50最小化时出现各个经处理的钢板产品的最佳噪音情况。
下面的实例表明作用时间tdwell对磁滞损耗P1.7/50和视在功率S1.7/50的影响：
激光处理0.23mm厚的钢带。对此在上述内容的基础上改变作用时间tdwell。
测量磁性参数之后得到总结在下面的表格1中的磁滞损耗P1.7/50和视在功率S1.7/50的变化△P1.7/50、△S1.7/50：
表格1
下面对样品在其磁致伸缩性能方面进行研究并且从中计算出在工作过程中所预期的噪音。为了由磁致伸缩测量计算噪音使用了一种分别在IEC技术报告IEC 62581TR中以及E.Rdiplinger的公开文献《Assessment of grain-oriented transformer sheets with respectto transformer noise》,Journal of Magnetism and MagneticMaterials21(1980),257-261中所公开的方法。
图2示出了由测得的长度变化所计算的噪音N作为极化强度J的函数。
图2中，连续的曲线表示激光处理之前的参考状态（“未经激光处理”），其中，通过黑色实心圆表示形成该曲线的基础的测量值。
图2中，通过空心正方形所示出的虚线描述了在导致视在功率S1.7/50变化+70%的激光处理下的噪音发出状况。
图2中，较紧密的虚线（其测量值通过空心三角形示出）描述了在导致视在功率S1.7/50变化+46%的激光处理下的噪音发出状况。
图2中，点状的虚线（其测量值通过空心圆示出）描述了在激光处理下的噪音发出状况，其中以根据本发明的方式这样选择激光处理的参数，即，使视在功率S1.7/50的变化限制在+18%。
借助激光处理所达到的、损耗功率P1.7/50的变化△P1.7/50相对于激光处理之前的原始状态分别为-13%。
因此，借助根据本发明所达到的、优化的视在功率变化△S=+18%所算出的噪音始终小于原始状态下的噪音。
然而，如果不注意视在功率的话，则在类似的损耗改善的情况下观察到1.1至1.5dB的噪音增加。
对此，由图2得知，在变压器的高调控（例如直至1.7特斯拉）的情况下，根据本发明加工的钢板产品和传统加工的钢板产品之间的噪音发出的差异还是小的。但是这里他们始终还是有规律地得出。此外，这些差异在变压器的较小调控下（即，在较小的磁极化的状态下）立即表现地非常明显。
通过根据本发明这样优化激光参数，即，激光处理之前和之后测得的视在功率S1.7/50之间的差异小于40%，从而一方面可以有效地使损耗功率P1.7/50降至最低，另一方面也可以在工作状态下使声音发射降至最低。根据本发明所进行的对在激光处理之前和之后的视在功率S1.7/50的测量值的对比是否是在连续的带体上在线进行的或者所发生的校准是否在时间上分开进行的对此不重要。
Claims (11)
1.一种用于制造晶粒取向的钢板产品的方法，所述钢板产品用于生产电工用途的部件并且具有最小化的磁损耗值和最佳的磁致伸缩的特性，所述方法包括以下操作步骤
a)提供钢板产品，
b)激光处理钢板产品，其中在激光处理过程中借助由激光光束源所发出的具有功率P的激光光束使线形的形变成型到钢板产品的表面中，该形变以间距L设置，其特征在于，在激光处理，即操作步骤b)之前和之后获取在频率为50赫兹和极化率为1.7特斯拉时所求得的钢板产品的视在功率S1.7/50，并且这样改变激光处理的参数，即，使进行激光处理之前和之后所得到的视在功率S1.7/50之差小于40％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在连续的过程中进行所述激光处理步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在操作过程中在线获取激光处理之前和之后的各个视在功率S1.7/50以及根据所获取的视在功率S1.7/50之差在线变化激光处理的参数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以一定的时间间隔抽取钢板产品的样品，在这些样品上求得激光处理之前和之后的各个视在功率S1.7/50并且根据这些获取的结果改变激光处理的参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为激光处理的参数改变线形形变的间距L、激光光束的作用时间tdwell、比能量密度Us、激光功率P、焦点尺寸△s或者扫描速度vscan。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，线形形变的间距L在2-10mm的范围中变化。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，线形形变的间距L在4-7mm的范围中变化。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，激光光束的作用时间tdwell在1×10-5s至2×10-4s的范围中变化。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使用光纤激光器作为激光源并且使功率P在200-3000W的范围中变化。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使用CO2激光器作为激光源并且使功率P在1000-5000W的范围中变化。
11.根据权利要求1至10的任意一项所述的方法，其特征在于，所述钢板产品覆盖有一层绝缘层。
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