CN117672655A - 一种铁损性能均匀良好的取向硅钢板及其激光刻痕方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁损性能均匀良好的取向硅钢板，其表面具有激光刻痕形成的沟槽，所述沟槽深度d取值范围为10‑40μm，并且沟槽深度d满足：其中，P17/50，b表示激光刻痕前取向硅钢板的铁损值，B8，b表示激光刻痕前取向硅钢板的磁感，e表示对数函数的底数。相应地，本发明还公开了用于上述取向硅钢板的激光刻痕方法，即对应于沿取向硅钢板的轧制方向上的每一个长度位置，均采用激光分束的方式在取向硅钢板表面形成若干个子光斑，该若干个子光斑沿取向硅钢板的宽度方向排布，并且彼此之间具有能量间隔区。

Description

一种铁损性能均匀良好的取向硅钢板及其激光刻痕方法
技术领域
本发明涉及一种取向硅钢及其制造工艺，尤其涉及一种取向硅钢板及其激光刻痕方法。
背景技术
在电力传输系统中，变压器作为电力传输系统中的基本组成部件，其无功损耗在电力传输系统中总损耗的40％左右。在这种变压器中，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。这种由变压器铁芯所造成的损耗通常简称为铁损，由此，降低用于制备变压器铁芯的取向硅钢的铁损具有巨大的经济和社会效益，其对于全社会的节能减排具有十分重大的意义。
众所周知，取向硅钢是一种铁磁材料，其以自身内部晶粒{110}<001>位向与钢板轧向排列基本一致而得名。在取向硅钢板的内部存在着与晶粒易磁化方向相同的180°磁畴，在交流磁化过程中，钢板内磁极通过磁畴壁移动而实现快速转动，因此具有良好的导磁性能，其具体表现为在较小的磁化力下，即可达到很高磁感且铁损很低。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。
当前，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，其单位为T；取向硅钢的铁损衡量指标一般用P17/50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，其大小与取向硅钢板180°磁畴宽度正向相关，且单位为W/kg。在取向硅钢中，钢板内部晶粒{110}<001>位向与轧向偏离角越小，则钢板导磁性越好，磁感B8越高，铁损P17/50越低。
研究发现，取向硅钢铁损由三部分组成，磁滞损耗、涡流损耗和反常涡流损耗。其中，磁滞损耗是在磁化过程中，由于材料中夹杂物、晶体缺陷、内应力等因素阻碍磁畴壁运动，造成磁感应强度落后于磁场强度变化的磁滞现象而引起的能量损耗；涡流损耗是磁化过程中磁通改变感生出局部电动势而引起涡电流所造成的能量损耗，其与硅钢板的电导率和厚度有关；反常涡流损耗是硅钢板磁化时磁畴结构不同而引起的能量损耗，其主要受磁畴宽度影响。细化磁畴，即减小磁畴宽度，可有效降低反常涡流损耗，是降低硅钢板铁损的重要方法，也是取向硅钢技术进步的主要方向之一。
在当前现有技术中，不断降低硅钢材料铁损是硅钢技术的发展方向，目前可实现的技术方向主要有如下三种：1.冶金学方法：通过冶金学方法控制二次再结晶组织，提高晶粒取向度，同时适度减小晶粒尺寸以细化磁畴降低铁损；2.张力控制：在硅钢板表面施加高张力涂层，通过涂层的张力效应细化磁畴，降低铁损；3.表面刻痕：在硅钢板表面通过激光、电子束等方式施加线状应力或应变，以细化磁畴并降低铁损。
近年来，随着冶金行业技术水平不断提高，通过冶金学方法控制二次再结晶组织已经接近于理论最大值。因此，通过表面张力和刻痕的方式实现细化磁畴成为取向硅钢主要技术进步点。其中，细化磁畴可使取向硅钢反常涡流损耗有效降低。当前，在取向硅钢表面实施刻痕使磁畴细化而降低取向硅钢铁损的技术，根据刻痕的效果可分为两大类：
(1)一类是不耐热刻痕细化磁畴，其通过激光、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，应力在其附近区域产生垂直于轧向的90°磁畴，使该区域周围出现亚磁畴，从而减小180°磁畴宽度，达到降低铁损的目的。此类方法的磁畴细化效果经过消除应力退火后随刻痕处热应力消除而消失，铁损回复到原来水平，因此只能用于不经消除应力退火的叠片铁芯变压器制造。
(2)另一类是耐热刻痕细化磁畴，目前报道的技术手段有机械、电化学腐蚀、激光束等，其技术原理是在取向硅钢表面形成线状应变区，使其内部能量重新分配，减小180°磁畴宽度，从而降低铁损。此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。
相比较于叠片铁芯，卷绕铁芯充分利用了取向硅钢轧向上磁性能的优异性，损耗和噪声更低、材料利用率更高，是节能型配电变压器的首选方案。由于卷绕铁芯变压器充分利用了取向硅钢轧向磁性能的优异性，在损耗和噪音方面均有明显优势，因此其受到了下游用户的广泛青睐。研究发现，耐热磁畴细化型的取向硅钢特别适用于该类型变压器制造，是技术进步的方向。
当前，已有部分研究人员对于耐热刻痕细化磁畴的技术进行了相关研究，并获得了一定的技术成果：
例如：专利号为US4770720的美国专利文献，公开了一种采用机械压力方式在硅钢表面形成微应变区的技术方案，其经过消除应力退火后应变区下方形成小晶粒，由于小晶粒的位向与基板位向不同，从而产生磁畴细化效果。
又例如：专利号为US7063780的美国专利文献，公开了一种利用电解腐蚀的方法形成耐热刻痕效果的技术方案。在该技术方案中，其首先利用激光对带底层的取向硅钢板进行线状加工，剥离底层使该区域裸露出金属基体，再在电解液中浸泡，使硅钢板和铂电极形成电极对，通过交替控制电极电位正负的变化，电解腐蚀基板使该区域形成接近矩形的线状沟槽。
再例如：专利号为US7045025的美国专利文献，公开了一种采用激光手段进行耐热刻痕细化磁畴的技术方案。在该技术方案中，其利用激光束在热拉伸平整退火前或后的硅钢板表面进行线状局部加热，形成重熔区，并将涂层物质和部分金属基体熔化后再冷却、固化形成重熔区，通过控制重熔区的宽度和深度使硅钢板铁损降低。
然而，发明人研究发现取向硅钢在生产过程中，需要经过高温退火阶段。在该高温退火阶段中，其高斯位相的晶粒会异常长大，并会吞并其他位相晶粒，这一过程被称为二次再结晶。其中，取向硅钢高温退火需要较长时间，才能在板内部形成完善的二次再结晶组织，该过程长达5-8天，因此生产上均采用罩式或环形炉立式退火方式实现批量生产。在这种退火方式下，钢卷横向和长度方向上均存在明显的温度差，并导致最终成品卷在钢板横向和长度方向上均存在明显的铁损性能差异，这种差异给下游用户使用带来极大困扰。
以往的耐热刻痕技术，如电化学腐蚀或机械齿辊等方式，受自身技术限制，可调节性差，因此仅注重于刻痕产生的磁畴细化、降低铁损效果，所制成的硅钢板仍然存在着明显的铁损性能差异。
为此，为解决现有技术所存在的这种问题，本发明提供了一种新型的激光刻痕方法，其可以消除取向硅钢板在高温退火过程中产生的铁损性能差别，并有效制备出铁损性能均匀良好的取向硅钢板。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种铁损性能均匀良好的取向硅钢板，该种取向硅钢具有铁损低且波动小的特点，其可避免因铁损性能不均匀引起的局部温升过大造成的长期服役可靠性变差的问题，且特别适用于制造节能型卷铁芯变压器制造，其具有十分良好的推广前景和应用价值。
为了实现上述目的，本发明提供了一种铁损性能均匀良好的取向硅钢板，其表面具有激光刻痕形成的沟槽，所述沟槽深度d取值范围为10-40μm，并且沟槽深度d满足下式：
其中，P17/50，b表示激光刻痕前取向硅钢板的铁损值，B8，b表示激光刻痕前取向硅钢板的磁感，e表示对数函数的底数。
在当前现有技术中，本领域技术人员在制造取向硅钢的过程中需要经过长时间的高温退火处理，该过程最高温度达到1200℃以上，以使内部二次再结晶充分，进而确保成品钢板的磁性能优良，获得优异的铁损。由于该过程长达数天，因此通常采用钢卷立式退火的方法进行制备。这种制备方式造成了立式钢卷的上方和下方、内圈和外圈升温不同步，进而产生冷热点的差异，冷点和热点的钢板再结晶时间差异非常大。因此钢卷无论是横向还是轧向，均存在明显的铁损性能差异，这种差异增加了后续精整处理的成本，也给下游铁芯制造厂商造成选材、用材的困难，特别是横向的不均匀，往往会造成磁化过程中部分区域磁阻偏大，内部磁场扭曲，从而导致制备的铁芯性能值与设计值出现偏离。
当前，改善这种取向硅钢板所存在的铁损性能差异的方法之一是：延长退火时间。但这种延长退火时间的工艺手段经济性较差，且会导致能耗剧增；此外，也有部分研究人员设计了其他的改进方法，例如：增加上方盖板、调整烧嘴布置等方式。但这些方式均无法从根本上消除上述冷热点的温度差异，因此取向硅钢板的铁损性能差异仍然存在。
为此，本发明开发了一种铁损性能均匀良好的取向硅钢板及激光刻痕方法，以有效消除取向硅钢板横向和纵向的铁损不均匀现象。
本发明人通过研究发现，激光刻痕方式细化磁畴降低铁损效果受到基板磁性能的影响。在同一刻痕工艺下，铁损改善效果与基板固有的磁感、铁损有关。对于高磁感取向硅钢，固有铁损较高的基板，铁损改善率较高；对于磁感高的基板，也会取得较高的铁损改善率。根据晶体学原理和铁磁学理论，发明人推测这一现象与基板晶粒大小及其取向度有关。取向度高、晶粒尺寸大的基板，磁畴宽度也较大，对应于表观磁性能，其磁感B8高、铁损P17/50也相对较高。这里的相对较高，是指这种情况的铁损P17/50在同等条件下相对于取向度低的基板而言，总体上铁损P17/50和B8仍遵循以往规律，即磁感B8在1.95T以下时，总体P17/50与B8呈反向相关关系；当磁感B8在1.95T以上，则铁损P17/50与B8有正向相关关系。
这种磁畴宽度较大的基板，在施加沟槽刻痕后，由于引入了额外的表面能，因此磁畴得以细化，且细化幅度相较于原本磁畴宽度较小的基板略大，因此铁损改善率相对高一些。对于铁损P17/50相对较高、磁感B8相对较低的基板，同一刻痕条件下铁损改善率也相对较高，这是因为沟槽刻痕引入后磁畴宽度迅速向理论极限值逼近。本发明通过详细研究，确认了基板固有磁性能对铁损改善效果的影响。基于此，本发明提出了一种新的激光耐热刻痕工艺，其可消除作为基板的取向硅钢板的固有铁损性能差异，以确保激光刻痕后获得的成品取向硅钢板的铁损性能在钢板横向和纵向上均优良一致。
由此，本发明人通过研究获得了刻痕形成的沟槽尺寸与最终获得的成品取向硅钢板铁损性能的关系发现，为获得本发明效果的铁损性能均匀良好的取向硅钢板，可以具体控制沟槽深度d的取值范围为10-40μm，且沟槽深度d需要满足下式：
其中，P17/50，b表示激光刻痕前取向硅钢板的铁损值，B8，b表示激光刻痕前取向硅钢板的磁感，e表示对数函数的底数。
当设计沟槽深度d达到细化磁畴所需最低沟槽深度d，但沟槽深度d不满足以上关系式时，虽然可以获得较好的铁损改善率，但无法实现取向硅钢板整体的铁损性能均匀效果。
在实际制备本发明所述的取向硅钢板时，可以先将具有一定Si含量的钢材经过炼铁、炼钢、连铸，而后经过热轧工序，再经过一次或含中间退火的两次冷轧，将钢材轧制成具有目标厚度的硅钢片。
然后，控制所制备的硅钢片经过脱碳退火，以形成表面具有氧化膜的初次再结晶钢板；在涂布MgO隔离剂后，该硅钢板先后经过脱碳退火和高温退火，通过二次再结晶形成具有高斯织构的硅钢片，表面氧化膜与隔离剂反应形成硅酸镁底层。之后，硅钢片刷洗掉未反应的MgO后，再经过热拉伸平整退火，并施以涂层涂覆及烘烤工艺，从而制成成品取向硅钢片。在上述刷洗未反应的MgO之后，或热拉伸平整退火后，施以本发明所述的激光刻痕方法，所制成取向硅钢板具有铁损性能均匀性良好的特点，能够应用于变压器铁芯的制造。
进一步地，在本发明所述的铁损性能均匀良好的取向硅钢板中，激光刻痕后所述取向硅钢板的最终铁损波动DivP17/50不超过4％；其中：
其中，P17/50,Max表示铁损最大值，P17/50,Min表示铁损最小值，P17/50,AVE表示铁损平均值。
在本技术方案中，“最终铁损波动”是指在经过激光刻痕处理后的取向硅钢板上不同位置所测得的铁损的波动或偏差。
进一步地，在本发明所述的铁损性能均匀良好的取向硅钢板中，其成品厚度为0.15mm-0.27mm。
更进一步地，在本发明所述的铁损性能均匀良好的取向硅钢板中，所述沟槽的宽度为10-120μm。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种用于上述的铁损性能均匀良好的取向硅钢板的激光刻痕方法，该激光刻痕方法通过对激光光束的合理设计，采用激光分束的方式在取向硅钢板表面形成若干个子光斑，从而可以实现不同铁损性能区域的沟槽深度差异化控制，进而有效制备铁损性能均匀的取向硅钢板。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于上述铁损性能均匀良好的取向硅钢板的激光刻痕方法，即：对应于沿取向硅钢板的轧制方向上的每一个长度位置，均采用激光分束的方式在取向硅钢板表面形成若干个子光斑，该若干个子光斑沿取向硅钢板的宽度方向排布，并且彼此之间具有能量间隔区。
本发明所设计的这种技术方案是在二次再结晶组织的取向硅钢板上实施刻痕，其在取向硅钢板进行最终热拉伸平整退火工艺前或工艺后均可实施。
需要指明的是，在最终热拉伸平整退火前实施激光刻痕时，本发明所述刻痕后取向硅钢磁性能是指经过最终热拉伸平整退火后、表面带有绝缘涂层的成品取向硅钢板磁性能，其刻痕后的成品取向硅钢板的铁损和磁感可以分别表示为P17/50,f、B8,f。
在本发明中，为了实现本发明所述的沟槽深度效果，本发明需要使用激光分束方式实现在硅钢板表面高效率加工形成刻痕沟槽，从而细化磁畴降低铁损。
在具体实施时，单束入射激光束从激光器中发出后，经过光束分光器后形成系列子光束簇，聚焦后能够在取向硅钢板表面形成平行排列的一组系列子光斑。入射激光束经过分光后，能够降低子光斑的能量密度，且子光斑之间存在一定的能量间隙区。在进行激光扫描时，子光斑能够在钢板表面形成刻痕沟槽，由于分光后光束能量降低且存在间隙区，取向硅钢板表面上单点的温度升高呈现出短暂降温并快速积累的双重特点，其能够有效避免传统长光斑刻痕方式热量持续累积形成热熔融及变形，因此形成沟槽形貌处于可控状态，在其边部的熔融堆积物可以得到明显控制。
进一步地，在本发明所述的激光刻痕方法中，激光分束的数量n≥5，优选地n≥50。
在本发明上述技术方案中，在某些实施方式中，可以优选地控制激光分束的数量n≥5，该激光分束的数量n是由子光束单脉冲瞬时峰值功率密度和激光输出总能流密度u决定的。当激光分束的数量n小于5时，为了得到本发明范围效果的子光束单脉冲瞬时峰值功率密度和激光输出总能流密度u，需要将激光总能流控制到很小，这样做将使得实际生产中设置过多的激光器，达到数十台甚至上百台，这种系统的复杂度过高，不具备工业实用价值。
更进一步地，在本发明所述的激光刻痕方法中，激光分束所形成的子光束的单脉冲瞬时峰值功率密度不小于11W/μm2。
在本发明中，激光分束所形成的子光束能够在取向硅钢板表面以点阵方式在钢板表面移动，且所形成的单列或多列方式排列光斑均属于本发明范围。
在取向硅钢板表面，激光分束所形成的子光束的平均功率密度可以具体表示为：
其中，P为入射激光束的总功率，其单位参量为W；n表示形成的子光束数量；Sa表示子光束在取向硅钢板表面形成的面积，其单位参量为mm2；pa为激光分束所形成的子光束在钢板表面的功率密度，其单位参量为W/mm2。
相应地，子光束单脉冲瞬时峰值功率密度可以具体定义并表示为：
其中，ps为子光束单脉冲瞬时峰值功率密度，其单位参量为W/mm2；fr为激光重复频率，其单位参量为Hz；tp为激光的平均单脉冲宽度，其单位参量为s。
在本发明中，发明人通过详细研究和反复试验，设计了一种控制沟槽形貌的激光刻痕的技术方案，其在激光能量经过分光器后，具体将子光束单脉冲瞬时峰值功率密度控制在11W/μm2以上，以使取向硅钢板的磁畴得到细化，铁损降低，同时不会在刻痕沟槽两侧形成明显的堆积物，降低叠装系数。这是因为，当子光束单脉冲瞬时峰值功率密度在11W/μm2以下时，则激光扫描时钢板表面达不到熔融或气化温度，不能有效烧蚀剥离取向硅钢板局部微区材料，从而无法形成细化磁畴所需要的沟槽。
由此，虽然入射激光束经过分光器分光后子光束能量存在一定差异，但各子光束单脉冲瞬时峰值功率密度均要保持在11W/μm2及以上。
进一步地，在本发明所述的激光刻痕方法中，激光输出总能流密度u的取值范围为1.5J/mm2-6J/mm2。
进一步地，在本发明所述的激光刻痕方法中，激光输出总能流密度u满足下式：
其中，P17/50，b表示激光刻痕前取向硅钢板的铁损值，B8，b表示激光刻痕前取向硅钢板的磁感，e表示对数函数的底数。
在本发明上述技术方案中，激光在扫描形成沟槽时，激光输出总能流密度u对沟槽形状起着决定性影响，其激光输出总能流密度u可以具体定义为：
其中，P为入射激光束的总功率，其单位参量为W；td为平均子光斑停留时间，即具体表示为子光斑在钢板横向上的长度与激光扫描速度的比值，其单位参量为ms；Sa为子光斑平均面积，单位为mm2。因此，可以获得激光输出总能流密度u的单位参量为mJ/mm2。
需要说明的是，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以具体将激光输出总能流密度u的取值下限设计为1.5J/mm2，上限设计为6J/mm2，且应满足以下关系式：
当激光输出总能流密度u低于本发明取值下限1.5J/mm2时，则激光刻痕形成的沟槽深度过小，无法有效细化磁畴降低铁损；而当激光输出总能流密度u超过本发明上限6J/mm2时，则激光刻痕形成的沟槽深度过大，刻痕处漏磁严重，会导致磁感下降，且使得钢板铁损性能变得更加难以控制，不均匀性增大。
此外，需要注意的是，当所设计的激光输出总能流密度u不满足上述公式时，则会导致取向硅钢板的铁损性能均匀性变差，并在具体应用时导致所制备的成品变压器内部导磁不均匀，并容易产生局部温升过大，威胁长期服役的安全性。
进一步地，在本发明所述的激光刻痕方法中，所述子光斑沿轧制方向上的尺寸为10-150μm，其沿取向硅钢板的宽度方向上的尺寸为10-500μm。
在本发明上述技术方案中，子光斑沿轧制方向上的尺寸以及其沿取向硅钢板的宽度方向上的尺寸可根据目标的子光束单脉冲瞬时峰值功率密度和激光输出总能流密度u进行调节，本发明并不做特别限制。
进一步地，在本发明所述的激光刻痕方法中，采用的激光为脉冲激光，脉冲宽度不超过6ns。
本发明使用的激光特点为具有很高的单脉冲瞬时峰值功率密度，可以通过减小激光脉冲宽度实现。为了达到本发明所述沟槽的技术效果，在一些优选的实施方式中，可以具体采用脉冲激光，并将脉冲宽度控制在6ns以下。这是因为，发明人研究发现，当脉冲宽度超过6ns，获得本发明范围的子光束单脉冲瞬时峰值功率密度需要大幅提高激光总输出能量，在实际生产中，需要布置更为复杂的激光分光器及光路系统，且激光输出的稳定控制也变得不容易，沟槽质量可控性差。
本发明所述的铁损性能均匀良好的取向硅钢板及其激光刻痕方法与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明提供了一种铁损性能均匀的取向硅钢板及其制造方法，其通过在取向硅钢板的带钢上布局多台纳秒级激光器，并根据取向硅钢板性能动态调节注入到钢板的总能流密度，以实现不同磁性能区域的沟槽深度差异化控制，进而可以将取向硅钢板的整体铁损波动控制在4％以内。
采用本发明所设计的这种技术方案所制备的取向硅钢板产品具有铁损低且波动小的特征，其特别适用于节能型卷铁芯变压器的制造，可避免铁芯因局部铁损性能差异产生的局部升温过高等风险，具有良好的推广前景和应用价值。
附图说明
图1示意性地显示了本发明所述的沟槽深度d的取值范围示意图。
图2示意性地显示了本发明所述的激光输出总能流密度u的取值范围示意图。
图3示意性地显示了采用本发明所述的激光刻痕方法并布置单台激光器的布局示意图。
图4示意性地显示了采用本发明所述的激光刻痕方法并布置多台激光器的布局示意图。
具体实施方式
下面将结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的铁损性能均匀良好的取向硅钢板及其激光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的沟槽深度d的取值范围示意图。图1所示的“○”代表在本发明范围内，获得的铁损性能均匀良好的区域，“×”代表在本发明范围外，不能获得本发明效果的区域。
图2示意性地显示了本发明所述的激光输出总能流密度u的取值范围示意图。图2所示的“○”代表在本发明范围内，获得的铁损性能均匀良好的区域，“×”代表在本发明范围外，不能获得本发明效果的区域。
图3示意性地显示了采用本发明所述的激光刻痕方法并布置单台激光器的布局示意图。
在本发明中，为了实现本发明所述的沟槽深度效果，本发明需要使用激光分束方式实现在硅钢板表面高效率加工形成刻痕沟槽，从而细化磁畴降低铁损。
图3是采用本发明所述的激光刻痕方法并布置单台激光器所构建的激光光路系统的布局示意图。如图3所示，激光光束L1从激光器1发出后，经过反射镜2、3、5，并由光束检测器4、6检测光束的空间位置，并将检测信号反馈至反射镜2、3，通过调节反射镜2、3、5的角度，可以保持光束准直。准直后的光束经过光束放大器7，形成直径放大的光束L2，再经过衍射分光元件8，将单束激光分成多束激光L3，并最终经过聚焦扫描镜9形成光束L4，以在取向硅钢板10表面扫描形成具有一定深度的系列沟槽刻痕线11。
在本发明上述技术方案中，激光在扫描形成沟槽时，激光输出总能流密度u对沟槽形状起决定性影响，其激光输出总能流密度u可以具体定义为：
其中，P为入射激光束的总功率，其单位参量为W；td为平均子光斑停留时间，即具体表示为子光斑在钢板横向上的长度与激光扫描速度的比值，其单位参量为ms；Sa为子光斑平均面积，单位为mm2。因此，可以获得激光输出总能流密度u的单位参量为mJ/mm2。
需要说明的是，为了获得更优的实施效果，在本发明中，可以具体将激光输出总能流密度u的取值下限设计为1.5J/mm2，上限设计为6J/mm2，且应满足以下关系式：
采用本发明所设计的这种激光刻痕方法，可以有效制备铁损性能均匀良好的取向硅钢板，其表面具有激光刻痕形成的沟槽，该沟槽深度d控制在10-40μm之间，并且沟槽深度d满足下式：
其中，P17/50，b表示激光刻痕前取向硅钢板的铁损值，B8，b表示激光刻痕前取向硅钢板的磁感，e表示对数函数的底数。
图4示意性地显示了采用本发明所述的激光刻痕方法并布置多台激光器的布局示意图。
如图4所示，图4是在带钢宽度方向上布置多台激光器实现全板宽刻痕的简化图示。在图4所示的这种图示中，激光系统省略了激光光路部分，仅保留聚焦扫描镜，各台激光光路均采用附图3所示方法。多台激光器在钢板宽度方向上分区扫描，可根据长度、宽度两个方向上磁性能差异调节各激光器功率输出，使之符合本发明总能流密度u和沟槽深度d所述公式的要求范围，从而获得整体磁性能均匀的取向硅钢板。
需要注意的是，图4仅是对一种方案进行了图示，图4中的9-1、9-2、9-3、9-4和9-5分别表示5台激光器所分别对应的聚焦扫描镜。在实际生产中，在取向硅钢板的宽度方向上布置多台激光器可以共同构成一组模块，并可根据生产速度在轧向上布置多组模块，采用方式与一组模块完全相同，此种方案不再进行赘述，其均在本发明保护范围内。
下面，本技术方案将采用具体的实施例数据进一步描述本案的技术方案并证明本案的有益效果：
实施例1-3及对比例1-3
实施例1-3和对比例1-3的取向硅钢板均采用以下步骤制得：
(1)将取向硅钢经过炼铁、炼钢、连铸、热轧工艺，再经过一次冷轧轧至最终厚度0.20mm、0.23mm、0.27mm三种规格；
(2)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；
(3)卷制成钢卷后在1200℃高温退火条件下保持20小时；
(4)清洗掉表面未反应的残余MgO后在钢板单面实施激光刻痕(激光刻痕的基础应用参数列于表1中)，采用的激光为脉冲激光，且脉冲宽度不超过6ns，其对应于沿取向硅钢板的轧制方向上的每一个长度位置，均采用激光分束的方式在取向硅钢板表面形成若干个子光斑，该若干个子光斑沿取向硅钢板的宽度方向排布，并且彼此之间具有能量间隔区。其中，具体控制激光分束的数量n≥5，控制激光分束所形成的子光束的单脉冲瞬时峰值功率密度不小于11W/μm2，控制激光输出总能流密度u的取值范围为1.5J/mm2-6 J/mm2，并进一步控制激光输出总能流密度u满足：
其中，P17/50，b表示激光刻痕前取向硅钢板的铁损值，B8，b表示激光刻痕前取向硅钢板的磁感，e表示对数函数的底数。
此外，在激光刻痕中，具体选用子光斑沿轧制方向上的尺寸为10-150μm，其沿取向硅钢板的宽度方向上的尺寸为10-500μm。
另外，经由激光刻痕后，能够获得宽度为10-120μm，深度d为10-40μm的沟槽，且沟槽深度d满足下式：
在本发明中，实施例1-3根据刻痕前取向硅钢板不同位置的P17/50,b和B8,b在本发明公式范围内对激光输出总能流密度u和沟槽深度d做了调整。而对比例1-3的取向硅钢板的所有位置均使用相同的激光输出总能流密度u和沟槽深度d，其并未针对不同位置及区域的铁损对激光输出总能流密度u和沟槽深度d进行调整。刻痕后均钢卷经过热拉伸平整退火并施加绝缘涂层。
需要说明的是，本发明实施例1-3的取向硅钢板所进行的激光刻痕均满足上述工艺方案，而对比例1-3的取向硅钢板则存在着不满足上述方案的参数。
本发明所设计并采用这种激光刻痕工艺对取向硅钢板并无特殊限定，且在实际实施时，并不仅局限于上述工艺所制成的取向硅钢板。
表1列出了实施例1-3和对比例1-3的取向硅钢板在上述制造方法的步骤(4)中的激光刻痕的基础应用参数。
表1.
需要说明的是，在本发明中，在所设计的实施例1-3和对比例1-3的实施方式中，所形成的子光斑均为圆形，其子光斑面积也是基于这种外形计算获得的。
在本发明中，刻痕前的实施例1-3和对比例1-3的硅钢板及刻痕后成品取向硅钢板的磁性能测试方法均为单片法，其取样尺寸均为100mm×500mm，并分别在实施例1-3和对比例1-3的八个不同位置进行取样，且各个样品均经过去应力退火处理。其中，实施例1-3和对比例1-3的各位置样品在具体实施时的对比效果见表2。
表2.
实施例1-3和对比例1-3的样品在刻痕前后的铁损性能均值及其波动以及磁感性能均值见表3。
表3.
在本发明中，激光刻痕前和激光刻痕后的取向硅钢板的最终铁损波动DivP17/50均由下述公式计算得到：
其中，P17/50,Max表示铁损最大值，P17/50,Min表示铁损最小值，P17/50,AVE表示铁损平均值。
当计算的为刻痕前的铁损波动时，则上述铁损最大值、铁损最小值以及铁损平均值均代入实施例1-3和对比例1-3在刻痕前的铁损P17/50,b数据；当计算的为刻痕后的最终铁损波动时，则上述铁损最大值、铁损最小值以及铁损平均值均代入实施例1-3和对比例1-3在刻痕后的铁损P17/50,f数据。
由上述表2和表3可以看出，实施例1-3不同厚度规格的取向硅钢板所取样的八个位置的样品在刻痕前铁损波动幅度较大，最大可达到14.6％，经过本发明所设计的激光刻痕工艺进行处理后，最终成品板铁损P17/50,f铁损波动幅度降低到4％以内。
而在对比例1-3中，未采用本发明所设计的激光刻痕方案，即未针对不同位置及区域的铁损对激光输出总能流密度u和沟槽深度d进行调整。其中对比例1和对比例2只有在取样位置编号为“2”和“3”的两处，总能流密度u和沟槽深度d均在适宜范围内，其余位置中编号为1的样品板材所采用的激光输出总能流密度u低于本发明所限定的激光输出总能流密度u所需要满足的公式范围下限，其刻痕后铁损较高；而取样编号为4-8的样品板材所采用的激光输出总能流密度u和沟槽深度d均超出其对应所需要满足的公式范围上限，其最终的铁损较低。可见，对比例1和对比例2虽然在刻痕后铁损也达到了较低的水平，其刻痕后的P17/50,f平均值分别为0.737W/kg和0.712W/kg，但不同位置的铁损波动达到7.3％和7.6％，无法形成本发明实施例1-3的取向硅钢板所具有的铁损性能均匀的优异效果。
而对比例3的取样位置编号“1”、“2”两处总能流密度u和沟槽深度d低于其对应所需要满足的公式下限，其刻痕厚铁损较高，尽管其余取样位置也在发明范围内，但其并未针对不同位置及区域的铁损对激光输出总能流密度u和沟槽深度d进行调整，从而导致总体铁损波动较大，达不到本发明效果。
实施例4-8及对比例4-6
实施例4-8和对比例4-6的取向硅钢板采用以下步骤制得：
(1)将取向硅钢经过炼铁、炼钢、连铸、热轧工艺，再经过一次冷轧轧至最终厚度0.20mm。
(2)经过840℃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。
(3)卷制成钢卷后在1200℃高温退火条件下保持20小时，清洗掉表面未反应的残余MgO后在钢板单面实施激光刻痕(激光刻痕的基础应用参数列于表4中)，其采用的激光也为脉冲激光，且脉冲宽度不超过6ns，其对应于沿取向硅钢板的轧制方向上的每一个长度位置，均采用激光分束的方式在取向硅钢板表面形成若干个子光斑，该若干个子光斑沿取向硅钢板的宽度方向排布，并且彼此之间具有能量间隔区。其中，具体控制激光分束的数量n≥5，控制激光分束所形成的子光束的单脉冲瞬时峰值功率密度不小于11W/μm2，控制激光输出总能流密度u的取值范围为1.5J/mm2-6 J/mm2，并进一步控制激光输出总能流密度u满足：
其中，P17/50，b表示激光刻痕前取向硅钢板的铁损值，B8，b表示激光刻痕前取向硅钢板的磁感，e表示对数函数的底数。
此外，在激光刻痕中，具体选用子光斑沿轧制方向上的尺寸为10-150μm，其沿取向硅钢板的宽度方向上的尺寸为10-500μm。
另外，经由激光刻痕后，能够获得宽度为10-120μm，深度d为10-40μm的沟槽，且沟槽深度d满足下式：
(4)完成激光刻痕后，经过最终热拉伸平整退火并施加绝缘涂层形成成品取向硅钢板。
需要说明的是，本发明实施例4-8的取向硅钢板所进行的激光刻痕均满足上述工艺方案，而对比例4-6的取向硅钢板则存在着不满足上述方案的参数。
表4列出了实施例4-8和对比例4-6的取向硅钢板在上述制造工艺的步骤(3)的激光刻痕中的具体工艺参数。
表4.
在本发明中，发明人进一步在刻痕前及刻痕后对实施例4-8和对比例4-6的取向硅钢板进行导磁性能(B8)和铁损(P17/50)测试，具体是用Epstein法测试取向硅钢在800A/m的激励磁场下的磁通密度，得到B8值，其单位参量为T；用Epstein法测试取向硅钢在50Hz的交流励磁场下的磁通密度达到1.7T时磁化所消耗的无效电能，得到P17/50值，其单位参量为W/kg。
相应地，在完成刻痕后，还对实施例4-8和对比例4-6的取向硅钢板的叠装系数进行了检测，其具体采用GB/T 19289-2003《电工钢片(带)的密度、电阻率和叠装系数的测量方法》中所述方法，以测得刻痕后的最终实施例和对比例成品板的叠装系数。相关实施例4-8和对比例4-6的取向硅钢板在刻痕前及刻痕后检测列于表5中。
表5列出了实施例4-8和对比例4-6的取向硅钢板在刻痕前以及刻痕后的P17/50、B8及叠装系数值。
表5.
需要说明的是，本案的实施例4-8和对比例4-6用于验证如果超出了本发明的单脉冲瞬时峰值功率密度及脉冲宽度取值范围，则会导致叠装系数下降。
本案此处未给出实施例4-8的铁损波动是因为：铁损波动需要建立在性能不同的批量硅钢板上，同时需要刻痕前性能与激光参数一一对应。实施例4-8和对比例4-6的每一个均是针对一块试样，因此不存在波动值。因此，本案的铁损波动效果采用实施例1来验证。
由上述表4和表5可以看出，实施例4-8在脉冲宽度和单脉冲瞬时峰值功率密度均在本发明所设计的范围内，其在激光刻痕处理后可以获得铁损P17/50、磁感B8均十分良好的取向硅钢板，且其叠装系数均大于95％，能够满足变压器铁芯的制造。
而针对对比例1-6进行分析不难发现，对比例4的取向硅钢板在进行激光刻痕处理时，其单脉冲瞬时峰值功率密度低于本发明优选限定的范围，无法形成具有本发明特征深度的沟槽，最终磁畴细化降低铁损效果影响，达不到降低铁损的要求；而对比例5的脉冲宽度超过本发明优选限定的范围，虽然形成了一定深度的沟槽，但沟槽边缘产生火山口状堆积物导致硅钢板叠装系数下降；对比例6的脉冲宽度超过本发明优选限定的范围，且单脉冲瞬时峰值功率密度也低于本发明要求范围，磁畴细化降低铁损效果有限，且沟槽边缘产生的火山口状堆积物也导致了硅钢片叠装系数的下降。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，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)

1.一种铁损性能均匀良好的取向硅钢板，其表面具有激光刻痕形成的沟槽，其特征在于，所述沟槽深度d取值范围为10-40μm，并且沟槽深度d满足下式：
其中，P17/50，b表示激光刻痕前取向硅钢板的铁损值，B8，b表示激光刻痕前取向硅钢板的磁感，e表示对数函数的底数。
2.如权利要求1所述的铁损性能均匀良好的取向硅钢板，其特征在于，激光刻痕后所述取向硅钢板的最终铁损波动DivP17/50不超过4％；其中：
其中，P17/50,Max表示铁损最大值，P17/50,Min表示铁损最小值，P17/50,AVE表示铁损平均值。
3.如权利要求1所述的铁损性能均匀良好的取向硅钢板，其特征在于，其成品厚度为0.15mm-0.27mm。
4.如权利要求1所述的铁损性能均匀良好的取向硅钢板，其特征在于，所述沟槽的宽度为10-120μm。
5.一种用于如权利要求1-4中任意一项所述的铁损性能均匀良好的取向硅钢板的激光刻痕方法，其特征在于，对应于沿取向硅钢板的轧制方向上的每一个长度位置，均采用激光分束的方式在取向硅钢板表面形成若干个子光斑，该若干个子光斑沿取向硅钢板的宽度方向排布，并且彼此之间具有能量间隔区。
6.如权利要求5所述的激光刻痕方法，其特征在于，激光分束的数量n≥50。
7.如权利要求5所述的激光刻痕方法，其特征在于，激光分束所形成的子光束的单脉冲瞬时峰值功率密度不小于11W/μm2。
8.如权利要求5所述的激光刻痕方法，其特征在于，激光输出总能流密度u的取值范围为1.5J/mm2-6 J/mm2。
9.如权利要求8所述的激光刻痕方法，其特征在于，激光输出总能流密度u满足下式：
其中，P17/50，b表示激光刻痕前取向硅钢板的铁损值，B8，b表示激光刻痕前取向硅钢板的磁感，e表示对数函数的底数。
10.如权利要求5所述的激光刻痕方法，其特征在于，所述子光斑沿轧制方向上的尺寸为10-150μm，其沿取向硅钢板的宽度方向上的尺寸为10-500μm。
11.如权利要求5所述的激光刻痕方法，其特征在于，采用的激光为脉冲激光，脉冲宽度不超过6ns。
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