CN114255971A - 一种耐热刻痕取向硅钢及其刻痕方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐热刻痕取向硅钢，其单面或双面具有刻痕形成的平行线状沟槽，所述沟槽的两侧堆积物高度不超过3μm，相邻沟槽之间的无刻痕区域内的飞溅物最大高度不超过3μm，且无刻痕区域内飞溅物所占面积比例不超过5％。此外，本发明还公开了上述的耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法，其在进行激光刻痕的同时对带钢施加振动，使得带钢振幅介于0.2～3000μm之间。本发明通过引入钢板高频振动的方式，有效解决了激光生产耐热刻痕取向硅钢中所面临的沟槽附近熔融物堆积或飞溅所导致的叠片系数下降的问题。

Description

一种耐热刻痕取向硅钢及其刻痕方法

技术领域

本发明涉及一种钢种及其制造方法，尤其涉及一种高强度钢及其制造方法。

背景技术

近年来，全球能源环境问题日益突出，节能降耗需求在世界范围内不断增长，各国普遍提高了相应能耗设备标准，降低各类设备对能源的无功消耗。

目前，变压器作为电力传输系统中的基本组成部件，其损耗约占在电力传送系统中损耗的40％左右。其中，由取向硅钢层叠或卷绕而制成的铁芯，在工作状态下的无功损耗约占总损耗的20％左右，铁芯的损耗通常简称为铁损。可见降低取向硅钢的铁损对国民经济和环境保护具有重大意义。

取向硅钢是一种铁磁材料，以其内部晶粒{110}<001>位向与钢板轧向排列基本一致而得名。由于取向硅钢{110}<001>方向的导磁性最好，因此其被广泛应用于电力传输中变压器的制造。取向硅钢的导磁性一般用B₈表征，即在800A/m的激励磁场下硅钢板的磁通密度，单位为T；取向硅钢的铁损一般用P_17/50表征，即在50Hz的交流励磁场下硅钢板中磁通密度达到1.7T时磁化所消耗的无效电能，单位为W/kg；此外，硅钢片在交流磁化过程中，由于其内部磁矩在外场作用下发生转动而产生磁致伸缩现象，而磁致伸缩正是变压器铁芯工作时噪音的主要来源。IEC60076-10-1推荐采用指定磁场强度下的磁致伸缩噪音AWV值作为取向硅钢磁致伸缩大小和波形的综合评价，考虑到变压器实际工作状态，一般同样以50Hz交流励磁场下硅钢板磁通密度为1.7T时的AWV值作为评价方法，记为AWV_17/50。

通常情况下，上述导磁性B₈、铁损P_17/50和AWV_17/50表征了取向硅钢的基本电磁性能。高性能取向硅钢以导磁性B₈高、铁损P_17/50低、AWV_17/50低为主要特征，其对应着制成变压器体积小、损耗低、噪声低的特点，是取向硅钢产品和技术的进步方向。其中，降低取向硅钢的铁损尤为重要，其直接关系到电网的输配电损耗，对人类社会的节能减排具有重要意义。

目前，业内公认的提高取向硅钢性能的方法主要有三种：一、通过冶金学手段控制成品二次再结晶组织，从而提高取向度，并降低硅钢片铁损；二、在硅钢表面形成张力涂层，细化磁畴，降低铁损；三、通过激光、电子束、机械、电化学等手段在硅钢表面刻痕形成线状应力或应变，细化磁畴，降低铁损。其中，如何高速、高质量实现第三种方法及产品仍是目前该领域的研究热点之一。

取向硅钢晶粒内部存在磁畴结构，在无外场条件作用下，取向硅钢内部磁畴主要为反向平行排列的180°磁畴，单一磁畴宽度通常可以达到几十微米甚至数毫米。相邻磁畴间存在着几十到数百个原子层的过渡层，称为磁畴壁。磁化过程中，外场驱动下磁矩转动，磁畴壁迁移使相邻磁畴相互吞并，从而实现导磁功能。同时磁畴壁迁移过程中不同区域磁畴结构的不同使得微区域产生微涡流，因而产生涡流损耗，这部分损耗在取向硅钢中被称为反常涡流损耗P_a。由此可见，反常涡流损耗P_a与取向硅钢的固有磁畴结构直接相关，相应地其也与磁畴宽度直接相关。减小磁畴宽度可降低P_a。因此通过刻痕手段细化取向硅钢的磁畴，即减小磁畴宽度，可有效降低反常涡流损耗P_a，从而降低取向硅钢整体铁损。

通过在取向硅钢表面实施刻痕使磁畴细化而降低铁损的技术，根据刻痕的效果可分为两大类：第一类是不耐消除应力退火刻痕，通过激光、等离子束、电子束等方式在表面以一定间距形成线状热应力区，使该区域周围出现亚磁畴，从而减小180°磁畴宽度，以达到降低铁损的目的；第二类是耐消除应力退火刻痕，目前报道的技术手段有机械、电化学腐蚀、激光束等，其基本技术方案是在取向硅钢表面形成线状应变区或沟槽，使其内部能量重新分配，减小180°磁畴宽度，从而降低铁损。

需要说明的是，上述第一类方法的磁畴细化效果经过消除应力退火后会随刻痕处热应力消除而消失，铁损会回复到原来水平，因此只能用于不经消除应力退火的叠片铁芯变压器制造；相应地，第二类方法制造的取向硅钢经过消除应力退火后铁损不发生回复，因此能够应用于需消除应力退火的卷绕铁芯变压器的制造。

随着节能环保的需求越来越高，卷绕铁芯变压器正逐渐受到市场青睐。由于卷绕铁芯的硅钢板是沿钢板轧向卷制而成，充分利用了取向硅钢轧向上磁性能的优异性，因此相比叠片铁芯具有低损耗、低噪音、无剪切废料等优点，特别适用于中小型节能型变压器的制造。但由于铁芯在卷制过程中产生内应力，硅钢板铁损性能劣化，因此铁芯必须经过消除应力退火。消除应力退火的工艺通常为在保护气氛中经过800℃或以上、不低于2hr的保温，此时材料内部位错完全回复，内应力完全消除，硅钢片磁性能达到最佳状态。采用以往激光或电子束产生线状应力区细化磁畴的取向硅钢板，在经过消除应力退火后细化磁畴效果随应力消失而消失，因此不能用于卷绕铁芯变压器的制造。

为了使细化磁畴效果能够在消除应力退火后保持，人们开发了耐消除应力退火细化磁畴技术，即采用化学侵蚀、机械压力等方式在硅钢板表面形成具有一定形状的沟槽，沟槽处产生自由磁极的存在使材料能量重新分配，磁畴宽度减小，铁损降低。由于沟槽在消除应力退火过程中不发生变化，因此采用该类技术生产的取向硅钢板可以应用于卷绕铁芯变压器的制造，统称为耐热刻痕技术。

目前得到商业化应用的耐热刻痕技术分别为化学侵蚀法和机械刻痕法。采用化学侵蚀方法由于其生产过程属于化学反应，因此沟槽均匀性和过程可控性均较差，并且对环境有一定污染；采用机械压力形成应变区的技术方案，由于硅钢材料硬度很高而沟槽尺寸细小，对机械装置硬度和加工精度要求很高。鉴于激光在其他微加工领域所取得的优异效果，以及在高效生产非耐热刻痕取向硅钢的显著优势，本领域研发和工程技术人员长期致力于采用激光微加工方式实现耐热刻痕取向硅钢生产，但由于钢铁材料导热速度快的特点，激光在钢板表面形成刻痕沟槽时不可避免地产生熔融甚至蒸发现象，所形成的熔融物或蒸发液滴容易在钢板表面堆积，造成钢板叠片系数下降，同时在服役过程中也存在脱落风险，会降低制成变压器的可靠性。

公开号为CN102941413A，公开日为2013年2月27日，名称为“一种取向硅钢多次激光刻槽降低铁损的方法”的中国专利文献公开了一种用多次较低功率的激光刻痕反复刻痕的方式来克服飞溅物产生的难题，但反复刻痕效率低，且微区域内重复定位难度大，难以实现工业化流水线的批量生产。目前，上述熔融或飞溅物和生产效率问题仍然是实现激光耐热刻痕的难点。

由此可见，现有技术中通过电化学方式实现的耐热刻痕技术，工序复杂，且形成的沟槽形状、深度可控性较差，不易获得磁性能稳定均匀的取向硅钢片；采用机械压力形成沟槽的技术方案对齿辊要求极高，批量制造成本高；采用激光刻痕的方式可以高效地实现刻痕沟槽，但由于熔融物易在沟槽边缘及其附近产生火山口状凸起和飞溅物，这将导致取向硅钢叠片系数下降，且飞溅物可能在硅钢片服役过程中脱落，铁心产生片间导通而击穿的风险。而采用多次扫描的激光刻痕方式虽然可以在一定程度上解决熔融飞溅的问题，但重复定位精度要求高，流水线生产比较困难。

基于此，为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种耐热刻痕取向硅钢及其刻痕方法，该刻痕方法可有效地控制沟槽附近熔融物堆积和飞溅物在钢板表面的附着，克服以往激光耐热刻痕过程中加工效率受限、沟槽附近熔融物堆积或飞溅导致的叠片系数下降等缺陷，能够快速有效的制备适用于卷绕铁芯变压器制造的耐热刻痕取向硅钢。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种耐热刻痕取向硅钢，该耐热刻痕取向硅钢不仅具有良好的铁损性能，同时还具有良好的磁致伸缩性能，其磁性能和叠片系数也相当优异，可以有效适用于卷绕铁芯变压器的制造，具有良好的使用前景和应用价值。

为了实现上述目的，本发明提出了一种耐热刻痕取向硅钢，其单面或双面具有刻痕形成的平行线状沟槽，所述沟槽的两侧堆积物高度不超过3μm，相邻沟槽之间的无刻痕区域内的飞溅物最大高度不超过3μm，且无刻痕区域内飞溅物所占无刻痕区域的面积比例不超过5％。

在本发明的上述技术方案中，发明人通过研究确定了沟槽两侧形成熔融物堆积、激光烧蚀形成的金属残渣在刻痕线间形成的飞溅物的形成规律，并深入研究了这些熔融堆积物、飞溅物对硅钢板性能的影响。研究发现当沟槽的两侧堆积物高度不超过3μm，相邻沟槽之间的无刻痕区域内的飞溅物最大高度不超过3μm，且无刻痕区域内飞溅物所占无刻痕区域的面积比例不超过5％时，取向硅钢的叠片系数良好。当超过上述技术特征限定的范围时，不仅会导致取向硅钢的叠片系数下降，也会增加取向硅钢在制成变压器后因表面飞溅物脱落而导致的片间导通风险。

进一步地，在本发明所述的耐热刻痕取向硅钢中，所述沟槽的宽度w的标准差R_w满足：R_w≤30％w。

进一步地，在本发明所述的耐热刻痕取向硅钢中，所述沟槽的深度d的标准差R_d满足：R_d≤30％d。

在上述技术方案中，以R_d、R_w分别表示本发明所述的耐热刻痕取向硅钢中沟槽的深度和宽度的标准差。在本发明中，可以通过控制R_w≤30％w和/或R_d≤30％d，以进一步地缩小耐热刻痕取向硅钢的磁致伸缩噪音。

需要说明的是，上述沟槽宽度w、深度d及对应的标准差测量方式如下：

在刻痕线延展方向上的任意100mm范围内，任取10个位置进行测量刻痕沟槽宽度和深度，所获得的平均值定义为本发明的沟槽宽度w和深度d；相应的，二者标准差分别定义为R_w和R_d。

进一步地，本发明所述的耐热刻痕取向硅钢的磁致伸缩所致的噪音值AWV≤52dBA，并且其叠片系数≥94.5％。

进一步地，在本发明所述的耐热刻痕取向硅钢中，所述沟槽满足下述各项的至少其中之一：

沟槽宽度w为10～300μm；

沟槽深度d为6～50μm；

在轧向方向上相邻沟槽之间的间距为2～10mm。

在本发明的上述技术方案中，本发明所述的耐热刻痕取向硅钢沟槽的宽度w可以优选在10～300μm之间，沟槽的深度d可以优选在6～50μm之间。需要说明的是，当沟槽深度d小于6μm时，磁畴细化效果弱，成品铁损下降不显著；而当沟槽深度d大于50μm时，尽管铁损下降明显，但同时该沟槽区域形成了大量的漏磁通，制成的成品取向硅钢磁感较低。同样地，在本发明所述的耐热刻痕取向硅钢中，当沟槽的宽度w小于10μm时，采用激光刻痕时激光聚焦比较困难；而当沟槽宽度w大于300μm时，激光刻痕形成的沟槽过宽，会导致大量的漏磁通产生，从而使耐热刻痕取向硅钢的磁感B₈下降，劣化钢材的导磁性能。

相应地，本发明的另一目的在于提供上述的耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法，本发明所述的耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法可以克服以往激光耐热刻痕过程中加工效率受限、沟槽附近熔融物堆积或飞溅导致的叠片系数下降等缺陷。该耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法具有配置简单和制造难度低等特点，其可以使用激光刻痕方式一次在钢板表面高速形成特定沟槽，通板效率可达到2m/s以上。采用该刻痕方法制得的耐热刻痕取向硅钢铁损低、磁致伸缩性能良好，磁性能和叠片系数均十分优良，特别适用于节能型卷铁心变压器的制造。

为了实现上述目的，本发明提出了上述的耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法，其在进行激光刻痕的同时对带钢施加振动，使得带钢振幅介于0.2～3000μm之间。

在本发明的上述技术方案中，本发明所述的刻痕方法中，带钢振幅会影响激光刻痕的效果，因此需要严格控制带钢的振幅。当带钢振幅小于0.2μm时，不仅不能防止熔融物或飞溅物的附着，还会导致硅钢片叠片系数降低；而若带钢振幅大于3000μm时，则会在进行激光刻痕时产生激光聚焦偏差，产生的沟槽宽度和深度标准差将超过30％，从而劣化取向硅钢的磁致伸缩噪音性能。因此，在本发明所述的刻痕方法中，需要严格控制带钢振幅在0.2～3000μm之间。

进一步地，在本发明所述的刻痕方法中，带钢的振动频率f与激光停留时间t_d满足关系式：f≥5/t_d。

在上述技术方案中，本发明所述刻痕方法中，带钢的振动频率f与激光停留时间t_d可以被控制为满足关系式：f≥5/t_d。其中，f表示为带钢振动频率，其单位可以为KHz，t_d表示为激光停留时间，其单位可以为ms。

为了达到更优的刻痕效果，在激光停留时间范围内带钢需要产生振动5次或以上。当带钢的振动频率f低于不满足上述关系式，会导致刻痕沟槽不受控，沟槽两侧和非刻痕区域有堆积物或飞溅物的残留，从而降低硅钢片的叠片系数。

进一步地，在本发明所述的刻痕方法中，激光刻痕的激光为连续式或脉冲式。

进一步地，在本发明所述的刻痕方法中，激光的功率密度I不低于5.0×10³W/mm²，激光的平均能量密度E_d介于0.3J/mm²-2.1J/mm²之间。

在本发明所述的技术方案中，发明人通过反复试验和详细研究，确定了本发明的激光参数范围。具体而言，在本发明所述的刻痕方法中，控制激光的功率密度I不低于5.0×10³W/mm²才能有效形成刻痕沟槽，当I低于5.0×10³W/mm²时，激光辐照无法达到使钢板熔融形成沟槽的效果。

相应地，激光的平均能量密度E_d可以控制在0.3J/mm²-2.1J/mm²之间，这是由刻痕铁损改善率决定的，当激光的平均能量密度E_d低于0.3J/mm²时，则无法形成深度≥6μm的刻痕沟槽，磁畴细化效果不明显，铁损改善效果不明显；当激光的平均能量密度E_d高于2.1J/mm²时，则刻痕沟槽深度过大，将会导致取向硅钢的磁感B₈显著下降，同时也会产生大量热扩散现象，铁损改善效果同样不显著。

进一步地，在本发明所述的刻痕方法中，在进行激光刻痕的同时在刻痕位置进行惰性气体吹扫，惰性气体压力为0.2～5MPa。

在本发明所述的技术方案中，在某些优选的实施方式中，在进行激光刻痕的同时，可以在刻痕位置进行惰性气体吹扫，将钢板熔融物吹出。同时也可以采用吸气集尘的方式将激光刻痕熔渣和飞溅物等排出，防止熔渣和飞溅物再次附着在钢板的表面，同时也防止其对激光的散射作用，保证激光刻痕的效率。

此外，上述技术方案中，还可以优选的控制惰性气体压力为0.2～5MPa，这是因为：当惰性气体压力小于0.2MPa时，不能有效吹除钢板表面的刻痕残渣。而当惰性气体压力过大，超过5MPa时，则会对带钢振动产生不利影响。

进一步地，在本发明所述的刻痕方法中，激光的发生泵源为CO₂激光器、固体激光器、光纤激光器中的一种或几种的组合。

本发明所述的耐热刻痕取向硅钢及其刻痕方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：

本发明所述的耐热刻痕取向硅钢不仅具有良好的铁损性能，同时还具有良好的磁致伸缩性能，其磁性能和叠片系数也相当优异，可以有效适用于卷绕铁芯变压器的制造，具有良好的使用前景和应用价值。

相应地，本发明所述的耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法可以克服以往激光耐热刻痕过程中加工效率受限、沟槽附近熔融物堆积或飞溅导致的叠片系数下降等缺陷。该耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法具有配置简单和制造难度低等特点，其可以使用激光刻痕方式一次在钢板表面高速形成特定沟槽，通板效率可达到2m/s以上。采用该刻痕方法制得的耐热刻痕取向硅钢铁损低、磁致伸缩性能良好，磁性能和叠片系数均十分优良，特别适用于节能型卷铁心变压器的制造。

附图说明

图1示意性地显示了本发明所述耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法在一种实施方式下的实施示意图。

图2示意性地显示了本发明所述耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法在一种实施方式下激光聚焦在钢板表面刻痕的示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图以及具体的实施例对本发明所述的耐热刻痕取向硅钢及其刻痕方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

图1示意性地显示了本发明所述耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法在一种实施方式下的实施示意图。

如图1所示，在本实施方式中，可以采用本发明所述耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法对带钢1进行刻痕。其中，实施本发明的耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法的试验装置配置相当简单，其包括：传送辊2、激光器3、电磁激振器5、吸尘系统6、吹气喷嘴7、支撑辊8和传送辊9。

其中，带钢1经过传送辊2之后，可以在传动辊2和支撑辊8之间完成刻痕。在进行激光刻痕时，激光器3可以针对带钢1有效输出激光4，以在带钢1的表面刻痕。相应地，在带钢1刻痕区域的正下方，可以采用电磁激振器5使带钢1产生高频振动，同时通过吹气喷嘴7可以向带钢1的表面吹扫惰性气体，并通过吸尘系统6将刻痕形成的残渣排出刻痕区域外，以控制沟槽附近熔融物堆积和飞溅物在钢板表面的附着。

需要说明的是，在本实施方式中，采用本发明所述耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法对带钢1进行刻痕可有效地控制沟槽附近熔融物堆积和飞溅物在钢板表面的附着。其在刻痕过程中不仅添加了电磁激振器5使带钢1产生高频振动，同时还增加吹气喷嘴7和吸尘系统6，以进一步将激光刻痕熔融物和飞溅物排除，从而实现沟槽附近熔融物堆积和飞溅物的有效控制。

此外，需要注意的是，在某些实施方式中，激光4的发生泵源可以为CO₂激光器、固体激光器、光纤激光器中的一种或几种的组合，当然也可以根据激光器的功率、带钢宽度和生产速度的需要配置多台激光器进行刻痕。相应地，激光4也可以具有多种形式，其可以为连续式或脉冲式。等离子或高能电子束烧蚀也可以使用在本发明所述的刻痕方法中，其能够获得同样的有益效果。

相应地，在本发明所述的耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法中，本发明方案并不需要对带钢的振动形式做限制，正弦、矩形及其他复合振动形式都能产生本发明的有益效果。带钢1的振动可以采用电磁激振器、电流振动器在带钢下方或旁侧产生，也可以采用具有规则或不规则表面的传动凹凸辊实现。

图2示意性地显示了本发明所述耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法在一种实施方式下激光聚焦在钢板表面刻痕的示意图。

如图2所示，图2示意性地显示了激光器3输出的激光4在带钢1表面刻痕的示意图。以带钢1轧向方向为x方向，带钢1的横向为y方向，带钢1的厚度方向为z方向。激光扫描刻痕的方向G与y方向一致，当然在某些实施方式中也可以成一定角度，扫描速度可以设置为V_s。激光4的聚焦光斑尺寸可以分别以a和b表示，其中，a为光斑在垂直于扫描方向上的长度，对应于图2所示椭圆形光斑的短轴，b为光斑在扫描方向上的长度，对应于图2所示椭圆形光斑的长轴。在本实施方式中，当激光4进行聚焦刻痕的同时，在刻痕区域的正下方设置的电磁激振器5可以使带钢1产生高频振动。

当然，在某些实施方式中，电磁激振器5也可以设置在带钢1下方或旁侧，其同样可以实现带动带钢1产生高频振动的效果。

需要说明的是，本发明所述刻痕沟槽的宽度w和沟槽的深度d均为所形成沟槽的平均值。在本发明中，发明人通过详细研究发现，当沟槽深度d控制在6-50μm之间，沟槽宽度控制在10-300μm之间，相邻沟槽的轧向间距控制在2-10mm之间时，既能有效降低铁损，又能实现高效生产的沟槽参数。其中，当沟槽深度d小于6μm时，磁畴细化效果弱，成品铁损下降不显著；而当沟槽深度d大于50μm时，尽管铁损下降显著，但同时该沟槽区域形成了大量的漏磁通，制成的成品取向硅钢磁感较低。当沟槽宽度w小于10μm时，实现激光聚焦比较困难；而当沟槽宽度w大于300μm时，沟槽过宽导致大量漏磁通产生，成品磁感B₈显著下降。当相邻刻痕线间距大于10mm时，同样磁畴细化效果有限，成品铁损下降不显著；相邻刻痕线间距小于2mm将会造成B₈显著下降，从而劣化钢材的导磁性能。

相应地，在本实施方式中，采用激光进行刻痕时，其中激光停留时间可以定义为：

其中，b表示聚焦光斑在激光扫描行进方向上的长度，其单位参量可以为mm；V_s表示激光的扫描速度，其单位参量可以为m/s。

激光的功率密度可以定义为：

其中，a表示聚焦光斑在垂直于激光扫描行进方向上的长度，其单位参量可以为mm；p表示激光输出功率，其单位参量可以为W。

激光的能量密度可以定义为：

E_d＝I·t_d (3)

在本发明方案中，激光在钢板表面聚焦扫描，在激光停留时间t_d范围内，钢板局部区域受激光辐照作用升温至熔点甚至沸点以上，从而形成沟槽。

在本发明中，发明人通过反复试验和详细研究，确定了本发明的激光参数范围。具体而言，激光的功率密度需要达到5×10³W/mm²以上，才能有效形成刻痕沟槽，低于该值，激光辐照无法达到使钢板熔融形成沟槽的效果。相应地，由刻痕铁损改善率可以决定控制激光的能量密度在0.3～2.1J/mm²之间，这是因为：当能量密度低于0.3J/mm²时，无法形成深度≥6μm的刻痕沟槽，磁畴细化效果不明显，铁损改善效果不明显；而当能量密度高于2.1J/mm²时，则刻痕沟槽深度过大，将会导致取向硅钢的磁感B₈显著下降，同时也会产生大量热扩散现象，铁损改善效果不显著。

在本发明所述的技术方案中，为了控制激光刻痕形成沟槽时熔融物堆积和飞溅物附着在钢板表面导致取向硅钢叠片系数下降的问题，发明人提出了在激光刻痕同时对钢板施加一定频率振动的方式来解决该技术问题。

首先，发明人经过深入地研究确定了沟槽两侧形成的熔融物堆积、激光烧蚀形成的金属残渣在刻痕线间形成的飞溅物的形成规律，并深入研究了这些熔融堆积物、飞溅物对硅钢板性能的影响。发现当所形成的沟槽的两侧堆积物高度不超过3μm，相邻沟槽之间的无刻痕区域内的飞溅物最大高度不超过3μm，且相邻刻痕线间硅钢表面单位面积上飞溅物所占比例不超过5.0％时，取向硅钢的叠片系数良好。若超过上述的参数范围，不仅会使取向硅钢的叠片系数下降，还会增加取向硅钢在制成变压器后因表面飞溅物脱落而导致的片间导通风险。

其次，激光聚焦在钢板表面扫描时，由于带钢振动使得聚焦光斑直径有一定变化，导致成品取向硅钢的沟槽尺寸存在一定偏差，该偏差会使得硅钢板磁致伸缩产生的噪声值AWV增大。这是因为，不同宽度和深度的刻痕沟槽处导磁能力不一致，磁化过程中磁力线穿过该区域时产生不规则弯曲，同时也会产生额外的磁力振荡，磁致伸缩波形不规则度增大，从而使钢板整体的振动噪音增大。本案发明人通过详细研究，确定了刻痕沟槽宽度w和深度d的标准差均需保持在30％以内，才能达到有效抑制刻痕导致的磁致伸缩噪音增加现象。以R_d、R_w分别表示刻痕沟槽深度和宽度的标准差，在本发明中控制R_w≤30％w和/或R_d≤30％d，能够有效抑制刻痕导致的磁致伸缩噪音增加现象。若刻痕沟槽深度偏差或宽度偏差超过本发明范围，均会造成磁致伸缩噪音值AWV的增大。

此外，为了达到本发明的有益效果，带钢的振动频率f与激光停留时间t_d需要满足关系式：

f≥5/t_d (4)

其中，f表示为带钢的振动频率，其单位为KHz，t_d表示为激光停留时间，其单位为ms。为使本发明获得更优的刻痕效果，在激光停留时间范围内带钢需要产生振动5次或以上。当振动频率f低于5/t_d时，会导致刻痕沟槽不受控，沟槽两侧和非刻痕区域有堆积物或飞溅物的残留，降低硅钢片的叠片系数。

另外结合参考图1可知，在本实施方式中，在进行激光刻痕的同时，吹气喷嘴7可以以吹气方式将钢板熔融物吹除，同时以吸尘系统6吸气集尘的方式将激光刻痕熔渣和飞溅物等排出，防止熔渣和飞溅物再次附着在钢板表面。

发明人通过实验确定了能够有效将刻痕熔渣和飞溅物排出的吹气压力可以为0.2～5MPa。当吹气压力小于0.2MPa时，不能有效吹除钢板表面的刻痕残渣，而当吹气压力过大，超过5MPa时，吹气会对带钢振动产生不利影响，沟槽深度和宽度的标准差超过要求范围，磁致伸缩噪音性能劣化。

需要说明的是，以上吹扫气体可以是压缩空气、氮气或氩气等惰性气体的一种或几种组合。只要不在激光刻痕同时与钢板产生化学反应的气体，均应在本发明的保护范围内。

综上所述可以看出，本发明所述耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法所采用的配置十分简洁，操作相当简单，能够高效地生产耐热刻痕取向硅钢。采用该刻痕方法制得的耐热刻痕取向硅钢铁损低、磁致伸缩性能良好，磁性能和叠片系数均十分优良，特别适用于节能型卷铁心变压器的制造，具有良好的推广前景和应用价值。

为了更好地说明本发明所述的耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法的应用情况，采用以下实施例1-18和对比例1-13进行具体试验分析，以进行进一步说明。

实施例1-7以及对比例1-5

实施例1-7和对比例1-5的取向硅钢经过炼铁、炼钢、连铸、热轧工艺，再经过一次冷轧轧制成最终厚度0.185mm，经过870℃的脱碳退火工艺，形成表面氧化层后在其表面涂覆MgO隔离剂，卷制成钢卷后在1250℃高温退火条件下保持20小时，而后清洗表面未反应的残余MgO并烘干，然后才在硅钢板单面沿钢板横向实施激光刻痕。

实施例1-7和对比例1-5采用YAG固体激光器进行激光刻痕，其输出功率为2000W，聚焦光斑沿x和y方向的长度b和a(如图2所示)分别为0.03mm和8mm，扫描速度V_s设定为80m/s，计算得到激光停留时间t_d＝0.1ms，控制激光的功率密度I＝1.1×10⁴W/mm²，激光的平均能量密度为1.1J/mm²；取向硅钢钢板下方采用电磁激振器使钢板产生高频振动，调节电磁激振器参数使钢板产生不同频率和振幅的振动，采用高压N₂向钢板表面吹扫方式吹除熔渣、飞溅等物质，并采用吸尘系统将这些固体废物排出工作区域；设定刻痕轧向间距为4mm。经测量，所形成的沟槽平均深度d均保持在23±1μm范围内，沟槽平均宽度w均在32±1.2μm范围内；然后在其表面涂覆绝缘涂层并进行最终退火形成成品的取向硅钢板。

表1列出了实施例1-7的耐热刻痕取向硅钢以及对比例1-5的对比钢在进行激光刻痕时的带钢的振动频率、带钢振幅、惰性气体压力、沟槽尺寸标准差、沟槽尺寸标准差与对应沟槽尺寸的百分比、堆积物/飞溅物高度、无刻痕区域内飞溅物所占面积比例的数据。

表1.

将经过上述激光刻痕步骤最终得到的成品实施例1-7的耐热刻痕取向硅钢以及对比例1-5的对比钢分别取样，并进行相关电磁性能测试，测得各个实施例和对比例经刻痕后钢的铁损P_17/50、磁感B₈和磁致伸缩噪音值AWV，并将所得的测试结果列于表2中。

需要说明的是，在本发明中，实施例1-7和对比例1-5经过刻痕后的成品取向硅钢的铁损P_17/50和磁感B₈的值均采用GBT3655-2008《用爱泼斯坦方圈测量电工钢片(带)磁性能的方法》测定。

相应地，实施例1-7和对比例1-5钢板的磁致伸缩所致噪音值AWV可以采用SST100×500单片法测试得到。

表2列出了实施例1-7的耐热刻痕取向硅钢以及对比例1-5对比钢的电磁性能测试结果及叠片系数。

表2.

结合表1和表2可以看出，本发明所示实施例1-7的耐热刻痕取向硅钢的磁致伸缩噪音值AWV均≤52dBA，且叠片系数均保持在94.5％以上。

而对比例1钢板振幅过大，带钢振动是阻止堆积物、飞溅物形成的必要手段，振幅较大不会造成二者超标；但是，振幅过大会使激光离焦，形成的沟槽尺寸发生变化，因此，对比例1钢板振幅过大振幅超标会使Rw和Rd超出范围，钢板磁致伸缩噪音变值AWV大；相应地，对比例5由于惰性气体压力过大，而导致了沟槽尺寸偏差过大，从而使成品的磁致伸缩噪音值AWV较高。对比例2的钢板振幅不在发明范围内，对比例4的惰性气体压力不在本发明优选的范围内，因此它们容易产生熔融或飞溅物导致叠片系数下降的问题；对比例3由于钢板振动频率低于本发明的要求，同样产生了大量熔融或飞溅物，导致成品取向硅钢的叠片系数下降。

实施例8-18以及对比例6-13

实施例8-18和对比例6-13的取向硅钢需要经过炼铁、炼钢、连铸、热轧工艺，再经过一次冷轧可以轧制成最终厚度0.22mm，经过850℃的脱碳退火工艺，形成表面氧化层后在其表面涂覆MgO隔离剂，卷制成钢卷后在1200℃高温退火条除保持20小时，之后清洗表面未反应的残余MgO并烘干，而后在钢板表面施加绝缘涂层，然后才在钢板单面沿其横向实施激光刻痕。

在进行激光刻痕前，需要对实施例8-18和对比例6-13采用的取向硅钢分别取样并进行相关铁损和磁感性能测试，将所得铁损P_17/50及磁感B₈的值列于下述表4中。

实施例8-18和对比例6-13进行激光刻痕的激光均采用脉冲式单模光纤激光，其波长533nm，通过调节激光输出功率、光束整形器和焦距调节可以获得不同参数的激光输出。钢板下方使用电磁激振器使钢板发生高频振动，振动频率为800KHz，振幅50μm；刻痕同时用压缩空气进行吹扫，气体吹扫压力为1MPa，并用吸尘系统将形成的熔渣废弃物排出工作区域外，所获得的沟槽附近堆积物或飞溅物高度均小于1μm，飞溅物比例均小于1％，最后再次涂覆绝缘涂层并进行最终退火形成成品取向硅钢板。

表3列出了实施例8-18的耐热刻痕取向硅钢以及对比例6-13的对比钢在进行激光刻痕时的激光输出功率、束斑直径、扫描速度、激光停留时间、激光的功率密度和激光的平均能量密度。

表3.

对经过上述激光刻痕步骤最终得到的成品实施例8-18的耐热刻痕取向硅钢以及对比例6-13的对比钢进行观察测量，并测试各实施例和对比例经刻痕后钢的铁损和磁感性能，并将所得的观察测量结果和铁损和磁感性能结果列于表4中。

需要说明的是，在本发明中，各实施例和对比例刻痕前的取向硅钢和经过刻痕后的取向硅钢的铁损P_17/50和磁感B₈的值均采用GBT3655-2008《用爱泼斯坦方圈测量电工钢片(带)磁性能的方法》测定。

表4列出了实施例8-18的耐热刻痕取向硅钢以及对比例6-13对比钢的观察测量结果以及刻痕前后的铁损P_17/50和磁感B₈。

表4.

由表4可以看出，相较于对比例6-13，本发明所述实施例8-18经刻痕后磁畴细化效果好，实施例8-18的成品耐热刻痕取向硅钢铁损P_17/50低，且磁感B₈劣化量小。

对比例6和对比例13由于激光平均能量密度E_d超过本发明范围，对比例12激光功率密度I超过本发明范围，因此它们无法获得本发明优选技术方案中所要求的沟槽尺寸，也无法获得本发明的优选的有益效果。

相应地，由于对比例7和对比例8沟槽深度d超过本发明限定的优选范围，对比例9沟槽宽度w超过本发明限定的优选范围，对比例10和对比例11相邻沟槽轧向间距均超过本发明限定的优选范围，因此均无法获得本发明的优选的有益效果。

综上所述可以看出，本发明所述的耐热刻痕取向硅钢不仅具有良好的铁损性能，同时还具有良好的磁致伸缩性能，其磁性能和叠片系数也相当优异，可以有效适用于卷绕铁芯变压器的制造，具有良好的使用前景和应用价值。

相应地，本发明所述的耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法可以克服以往激光耐热刻痕过程中加工效率受限、沟槽附近熔融物堆积或飞溅导致的叠片系数下降等缺陷。该耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法具有配置简单和制造难度低等特点，其可以使用激光刻痕方式一次在钢板表面高速形成特定沟槽，通板效率可达到2m/s以上。采用该刻痕方法制得的耐热刻痕取向硅钢铁损低、磁致伸缩性能良好，磁性能和叠片系数均十分优良，特别适用于节能型卷铁心变压器的制造。

需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种耐热刻痕取向硅钢，其特征在于，其单面或双面具有刻痕形成的平行线状沟槽，所述沟槽的两侧堆积物高度不超过3μm，相邻沟槽之间的无刻痕区域内的飞溅物最大高度不超过3μm，且无刻痕区域内飞溅物所占无刻痕区域的面积比例不超过5％。

2.如权利要求1所述的耐热刻痕取向硅钢，其特征在于，所述沟槽的宽度w的标准差R_w满足：R_w≤30％w。

3.如权利要求1所述的耐热刻痕取向硅钢，其特征在于，所述沟槽的深度d的标准差R_d满足：R_d≤30％d。

4.如权利要求1所述的耐热刻痕取向硅钢，其特征在于，其磁致伸缩所致的噪音值AWV≤52dBA，并且其叠片系数≥94.5％。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的耐热刻痕取向硅钢，其特征在于，所述沟槽满足下述各项的至少其中之一：

沟槽宽度w为10～300μm；

沟槽深度d为6～50μm；

在轧向方向上相邻沟槽之间的间距为2～10mm。

6.一种如权利要求1-5中任意一项所述的耐热刻痕取向硅钢的刻痕方法，其特征在于：在进行激光刻痕的同时对带钢施加振动，使得带钢振幅介于0.2～3000μm之间。

7.如权利要求6所述的刻痕方法，其特征在于，带钢的振动频率f与激光停留时间t_d满足关系式：f≥5/t_d。

8.如权利要求6所述的刻痕方法，其特征在于，激光刻痕的激光为连续式或脉冲式。

9.如权利要求6所述的刻痕方法，其特征在于，激光的功率密度I不低于5.0×10³W/mm²，激光的平均能量密度E_d介于0.3J/mm²-2.1J/mm²之间。

10.如权利要求6所述的刻痕方法，其特征在于，在进行激光刻痕的同时在刻痕位置进行惰性气体吹扫，惰性气体压力为0.2～5MPa。

11.如权利要求6所述的刻痕方法，其特征在于，激光的发生泵源为CO₂激光器、固体激光器、光纤激光器中的一种或几种的组合。

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