CS274404B2 - Device for material's laser treatment - Google Patents

Description

Vynález se týká laserového zpracování ocelí pro elektrotechniku s izolačním povlakem, například skleněným povlakem z válcování, nebo dodatečně naneseným povlakem nebo oběma. Vynález se týká zejména laserového zpraoování ooelí pro elektrotechniku za účelem snížení ztrát v jádru, bez jakéhokoli poSkození izolačního povlaku.

Vynález lze aplikovat na jakéirtkoli magnetickém materiálu obsahujícím domény takové velikosti, že jejich zjemnění přinese podstatné snížení ztrát v jádru, Jako jsou amorfní materiály, ooeli pro elektrotechniku orientované ve směru strany elementární krychle (Millerovo označení ([ioo], [OOlJ) a křemíkové ooeli orientované ve směru hran elementárních krychlí. Vynález bude z důvodů zjednoduěení popisu popsán při aplikaci ve výrobě ooelí pro elektrotechniku orientovaných ve směru hran elementárních krychlí. V oceli pro elektrotechniku, orientované ve směru hran elementárních krychlí jsou základní krychle tvořící zrna nebo krystaly orientovány ve směru hran elementárních krychlí - Millerovo označení [lOOj, ^00lj.

Křemíkové oceli orientované ve směru hran elementárních krychlí Jsou v oboru dobře známé a používají se obvykle pro výrobu jader pro transformátory a podobně. Vynález bude dále popsán při jeho aplikaci na křemíkové oceli orientované ve směru hran elementárních krychlí. Je však zřejmé, že vynález lze aplikovat také na Jiné magnetické materiály s dostatečně velkými doménami, u nichž se rovněž příznivě projeví použití zařízení podle vynálezu.

V uplynulých letech bylo nalezeno mnoho různých způsobů výroby křemíkových ooelí orientovaných ve směru hran elementárních krychlí, kterými se dosáhlo podstatného zlepšení magnetických vlastností těchto ocelí. Tyto ooeli pro elektrotechniku se nyní proto rozdělují do dvou základních kategorií.

Přímí kategorie se obvykle označuje Jako orientovaná křemíková ocel s pravidelným zrnem a vyrábí se způsobem, kterým se obvykle dosahuje permeahility 1870 při intenzitě magnetiokého pole 796 A.m~\ Při tlouštce pásu kolem 0,295 mm se při 60 Hz a 1,7 T dosahuje ztrát přesahujících 1,555 W.kg~\

Druhá kategorie se obvykle označuje jako křemíková ocel s orientovaným zrnem a vysokou permeabilitou. Tato ocel se vyrábí způsobem, kterým se při intenzitě magnetického pole 796 A.m^-1 dosahuje permeability přesahující 1870. Jestliže je tloušíka pásu kolem 0,295 mm, jsou ztráty v jádru při 1,7 T a 60 Hz než 1,555 W.kg“\

Typický způsob výroby křemíkové oceli s orientovaným pravidelným zrnem je popsán v US patentu č. 3 764 406. Orientovaná křemíková ocel s pravidelným zrnem mé následující typické složení slitiny:

C : méně než 0,085 % hmotnosti

Si : 2 až 4 % hmotnosti

S a/nebo Se: 0,015 až 0,07 % hmotnosti

Mn : 0,02 až 0,2 % hmotnosti

Fe : zbytek.

Slitina kromě toho obsahuje nečistoty vyplývající ze způsobu výroby.

Slitina se obvykle, ne však vždy, odlévá do ingotů a válcováním redukuje na ploché předvalky nebo průběžně odlévá do tvaru brara. Ingoty nebo ploché předvalky se znovu ohřívají na hodnotu kolem 1400 °C a za tepla válcují na výslednou tloušíku pásu - tloušíka za tepla. Jestliže má ingot nebo ploohý předvalek potřebnou válcovaoí teplotu, může se váloování provést bez opakovaného ohřevu. Horký pás se žíhá při teplotě kolem 980 °C a moří. Poté se křemíková ocel může za studená válcovat ve dvou nebo víoe stupních na konečné rozměry a oduhličit při teplotš kolem 815 °C za přibližně 3 minuty ve vlhké vodíkové atmosféře s rosným bodem kolem 60 °C. Ha oduhličenou křemíkovou ooel se pak nanese žíhací separátor, například povlak kysličníku hořečnatého

CS 274 404 B2 a ocel ee podrobí závěrečnému žíhání v boxu při vysoké teplotě kolem 1200 °C v suchém vodíku, aby se dosáhlo požadované konečné orientace a magnetických vlastností. Typické způsoby výroby křemíkové oceli s prientovaným zrnem a vysokou permeabilitou jsou popsány v US patentech č. 3 287 183, 3 636 579, 3 873 381 a 3 932 234· Typická křemíková ocel má v tomto případě následující složení taveninyί

Si : 2 až 4 % hmotnosti

C : méně než 0,085 % hmotnosti

Al (rozpustný v kyselině) : 0,01 až 0,065 % hmotnosti

N t 0,003 až 0,010 % hmotnosti

Mn : 0,03 až 0,2 % hmotnosti

S : 0,015 aŽ 0,07 % hmotnosti

Pe : zbytek

V uvedeném soupisu jsou uvedeny pouze primární složky, tavenina však může obsaho vat také malá množství mědi, fosforu, kyslíku a nečistot souvisejících se způsobem vý roby.

Při typickém způsobu výroby křemíkové oceli a orientovaným zrnem a vysokou permeabilitou se tavenina odlévá na ingoty a válcuje na ploohé předvalky nebo průběžně odlévá ve formě braní. Plochý předvalek se znovu ohřívá - jestliže je to třeba - na teplotu kolem 1400 °C a za tepla válcuje na výslednou tloušíku pásu - tloušíka za tepla. Po válcování za tepla se ocelový páa průběžně žíhá po dobu 30 s až 60 minut při teplotě 850 až 1200 °C v atmosféře spalin, dusíku, vzduchu nebo netečného plynu. Páa se pak pozvolna oohlazuje na teplotu 850 až 980 °C, načež následuje prudké ochlazení na okolní teplotu. Po odstranění okují a moření se ocel ve dvou nebo více stupních za studená válouje na konečný rozměr, tato závěrečná redukce za studená je v rozsahu 65 až 95 %. Poté se ooel průběžně oduhličuje po dobu 3 minuty a při teplotě kolem 830 °C ve vlhkém vodíku s rosným bodem kolem 60 °C. Na uhličenou ooel se pak nanese žíhací separátor, například kysličník hořečnatý a ocel se podrobí závěrečnému žíhání v boxu při teplotě kolem 1200 °0 v atmosféře vodíku.

U obou typů ocelí s orientovaným zrnem je obvyklé, že po konečném žíhání za vysoké teploty, během kterého se vytváří požadovaná textura (110)jooij , se nanáší na ooel izolační povlak s vysokou dielektrickou pevností, který se nanáší na místo nebo přídavně ke skleněnému povlaku z válcování, načež následuje průběžné žíhání při teplotě kolem 815 °0 po dobu kolem 3 minut, které se provádí za účelem tepelného vyrovnání ocelového pásu a vypálení izolačního povlaku. Nanášení izolačních povlaků je popsáno například v US patentech Č. 3 948 786, 3 996 073 a 3 856 568.

Základním úkolem vynálezu Je snížení ztrát v jádru z křemíkové oceli a orientovaným zrnem. Tomuto problému se věnuje pozornost již dlouho a byly již navrženy jak metalurgické, tak i nemetalurgické způsoby snížení ztrát v Jádru. Mezi metalurgické způsoby spadá zlepšování orientace, zmenšování konečné tloušíky, zvyšování měrného odporu a zmenšování sekundární velikosti zrn. Aby se však dosáhlo optimálních ztrát v jádru z konečné křemíkové oceli s orientovaným zrnem, musí se tyto metalurgické proměnné udržovat v určitých mezích. Dodržování této metalurgické rovnováhy však zabránilo vývoji materiálů, Jejichž ztráty by se blížily teoretické mezi. Proto se již dřív„e hledaly různé nemetalurgické způsoby snížení ztrát v jádru, které se provádějí po v podstatě skončeném metalurgickém zpracování. .

Jeden z nemetalurgiokýoh způsobů spočívá v tom, že na výslednou křemíkovou ooel s orientovaným zrnem se nanáší sekundární povlak s vysokým pnutím, oož je popsáno v US patentu č. 3 996 073. Tento povlak vytvoří v křemíkové oceli a orientovaným zrnem pnutí, které vyvolá zmenšení šířky magnetických domén 180° a zmenšení počtu přídavných domén. Protože zúžení domén 180° a zmenšení počtu přídavných domén

CS 274 404 B2 snižuje ztráty v jádru z křemíkové oceli s orientovaným zrnem, projevuje se takový povlak s vysokým pnutím příznivé. Velikost pnutí, které lze vytvořit tímto způsobem, je však bohužel omezeno.

Jiný nametalurgický způsob spočívá v tom, že se záměrné vytvářejí kontrolované defekty, což znamená vytváření substruktury, která omezuje šířku domén 180° v konečné křemíkové oceli s orientovaným zrnem. Základní technologie je popsána v US patentu č. 3 647 575» podle kterého se používá deformaoe povrchu křemíkové ooeli s orientovaným zrnem, čímž vznikají poruchy omezující délku domén 180°, což má za následek zmenšení šířky domén 180° a tedy i snížení ztrát v jádru. Provádí se to tak, že na obou stranách pásu se napříč ke směru válcování nebo přibližně napříč k tomuto smšru vytvářejí s malými odstupy mělké drážky, nebo rýhy. Ooel s orientovaným zrnem zpracovaná podle US patentu Č. 3 647 575 má poškozený izolační povlak a nerovný povrch. Toto má za následek zvětšení lnterlaminárníoh ztrát a zhoršené využití prostoru v transformátoru, vyrobeném z takto zpracované oceli.

Existuje řada dalších publikací a patentů, ve kterých jsou popsány různé způsoby vytváření řízených defektů. Zvláště zajímavé jsou způsoby, při kterých se rozmš· ry domén zmenšují lokálním ozařováním, například světelným svazkem laseru a podobně, čímž ee částečně obcházejí škodlivé důsledky rýhování popsaného v US patentu č.

647 575.

V SSSR patentu č. 653 302 je popsáno zpraoování oceli s orientovaným zrnem pomocí světelného svazku laseru, kterým se vytváří substruktura ovlivňující vzdálenost stěn domén, takže se zmenšují ztráty v jádru. Povrch ooeli s orientovaným zrnem se podle SSSR patentu č. 653 302 po závěrečném žíhání za vysoké teploty ozařuje napříč nebo přibližně napříč ke smšru válcování. Pás se v ozářených oblastech ryohle zahřívá na teplotu 800 až 1200 °C, Po tomto laserovém zpracování se na ocel s orientovaným zrnem musí nanést povlak a ocel se žíhá při teplotě 700 až 1100 °C. Běžný pás z ooeli s orientovaným zrnem zpracovaný způsobem podle uvedeného SSSR patentu č.

653 302 může mít ztráty v jádru snížené o 10 % nebo více, bohužel však často dochází ke snížení permeability a zvýšení budící energie, zejména jestliže se používají velmi malé konečné tloušlky pásu kolem 0,30 mm nebo méně, oož omezuje průmyslovou použitelnost této technologie.

Jiný způsob laserového zpracování ooeli s orientovaným zrnem je popsán v US patentu Č. 4 293 350, podle kterého se povrch ooeli s orientovaným zrnem po závěrečném žíhání při vysoké teplotě krátoe ozařuje pulzním laserem. Laser je nasměrován tak, aby křížil povroh pásu napříč nebo přibližně napříč ke smšru válcování. Ha povrchu křemíkové oceli s orientovaným zrnem se tak vytvářejí ozářené oblasti, ve kterých vzniká tenká, avšak výrazná struktura, která omezuje Šířku domén, čímž se snižují ztráty v jádru. Laserové zpraoování podle US patentu č, 4 293 350 může snížit ztráty v jádru z běžné ooeli s orientovaným zrnem o přibližně 5 %, přičemž u ooeli s orientovaným zrnem a vysokou permeabilitou se dosahuje zlepšení o 10 % nebo víoe, bez znatelného snížení permeability nebo zvýšení budicí energie takto zpracovaného pásu. Průmyslová použitelnost oceli zpracované touto technologií je omezena na transformátory se skládaným jádrem, kde transformátorové jádro není třeba žíhat za účelem snížení pnutí vznikajícího při výrobě. Drobná dlslokační substruktura způsobená laserem se odstraní žíháním při teplotě 500 až 600 °C, zatímco žíhání za účelem uvolnění pnutí se obvykle provádí při teplotě kolem 800 °C. Další omezení použitelnosti technologie popsané v US patentu č. 4 293 350 spočívá v tom, že v průběhu zpraoování pulzním laserem doohézí k poškození izolačního povlaku, to jest skleněného povlaku z válcování, přídavného povlaku nebo obou. U ooeli s orientovaným zrnem používaných pro skládaná jádra se vyžaduje velmi vysoký interlaminámí odpor a souvislost povlaku.

CS 274 404 B2

Podle evropského patentu δ. 33 878 ae po laserovém zpracování podle US patentu δ. 4 293 350 provádí nanášení povlaku a ohřátí laserem zpracovaného pásu s povlakem na teplotu kolem 500 °C, čímž se povlak vypálí. Tento způsob věak vyžaduje přídavné technologické operace a a nimi spojené náklady.

Vynález, který je předmštem této přihlášky, je založen na zjištění, že ocel s orientovaným zrnem a s izolašním povlakem, tvořeným skleněným povlakem z válcování naneseným povlakem nebo oběma druhy povlaků, může být zpracována kontinuálně pracujícím laserem, jehož použitím se dosáhne dalšího rozdělení domén a jejioh zjemnění, což má za následek podstatné snížení ztrát v jádru. Přitom nedochází k poškození izolaěního povlaku a získá se ocel s magnetickými doménami, zjemněnými laserem a s nepoškozeným povlakem.

Zařízení podle vynálezu pro zpracování materiálu laserem obsahuje laser, vysílající paprsek s dostatečnou energií pro zpracování materiálu, a jednotky pro usměrňování a odklánění laserového paprskuj podstata vynálezu spoěívá v tom, že zařízení je opatřeno válcovou čočkou, umístěnou mezi laserem a zpracovávaným materiálem.

Podle výhodného konkrétního provedení vynálezu je zařízení dále opatřeno optickým kolimátorem, umístěným mezi laserem a válcovou čočkou, a čočkou s rovinným polem, uspořádanou mezi optickým kolimátorem a válcovou čočkou.

Zařízení podle vynálezu obsahuje podle dalšího konkrétního význaku vynálezu kontinuálně praoujíoí laser, zejména Nd : YAG laser.

V průběhu zpracování materiálu zařízením podle vynálezu, obsahující laser, se na povrchu zpraoovávaného materiálu vytváří svazkem laserových paprsků stopa s protáhlým eliptiokým tvarem. Zařízení podle vynálezu je možno využít také pro kontinuální zpraoování pásu z magnetického materiálu, obsahujícího magnetické domény a opatřeného izolačním povlakem, přičemž pás se při tomto zpraoování posouvá kontinuální ryohlostí a laserový paprsek se čočkou a válcovou čočkou zaostřuje na povrch pohybujícího se pásu tak, aby na pásu vznikly úzké oblasti rozdělených magnetických domén bez poškození izolačního povlaku.

V průběhu ozařování laserovým paprskem se může zpracovávaný materiál, například křemíková ocel s orientovaným zrnem, napínat ve směru posuvu. Napnutím se podstatně omezují deformace materiálu, například průhyby nebo zvlnění ocelového pásu a zajištuje se potřebná rovinnost zpracovávané oblasti pásu, která Je důležitá při zpracovávání laserovým paprskem. Zamezením deformací se podstatně zlepší vlastnosti zpraoovávaného materiálu, který může být potom použit například pro výrobu jader transformátorů. Napětí ve zpracovávaném pásu kromě toho minimalizuje případnou degradaci magnetostrikčních vlastností zpraoovávaného pásu.

Další výhodou zařízení podle vynálezu je, že laser, zejména výkonný Nd : YAG laser, vysílá poměrně úzký paprsek, který prochází nejprve kolimátorem, takže vzniká široký kolimovaný svazek se zmenšenou divergencí, který může být usměrněn podle potřeby odraznými plochami směrovacích zrcadel, takže laser může být umístěn podle potřeby vedle linky na zpracování pohybujícího se ocelového pásu. Nasměrovaný kolimovaný svazek paprsků laseru potom dopadá na rychle se otáčející víoeboké zrcadlo, kterým je rozmítán napříč ke směru pohybu ocelového pásu. Orientace otáčejícího se vícebokého zrcadla, Šířka jeho odrazných ploch a rychlost otáčení jsou voleny tak, aby svazek paprsků vytvářel linky, které jsou přibližně kolmé ke směru pohybu pásu, přičemž tyto linky mají odstupy od sebe a přitom je zajištěna požadovaná doba působení paprsku na pás při jeho přebíhání od jednoho okraje pásu ke druhému, aby se dosáhlo maximálního zjemnění domén bez poškození Izolačního povlaku.

Rozmítaný laserový paprsek prochází také poměrně rozměrnou plochou čočkou,

CS 274 404 B2 která zaostřuje Širokou stopu na úzkou příčnou stopu, která má v podstatS eliptický tvar a která je vytvářena svazkem paprsků s eliptickým průřezem a s velmi malou šířkou. Zaostřená stopa v obou případech zajlšíuje dodávku požadované ozařovací energie, přičemž doba působení laserového paprsku je zvolena tak, aby se dosáhlo zjemnění magnetických domén a snížení ztrát v jádru při současném dokonalém zamezení poškozování izolačního povlaku na povrchu ooelového pásu.

Příklad provedení zařízení pro zpracování materiálu laserem podle vynálezu je zobrazen na výkresech, kde obr. 1 znázorňuje axonometrloký pohled na úsek ooelového pásu, na kterém jsou vyznačeny základní geometrioké vztahy, použité při objasňování zpracování pásu, na obr. 2 je grafické znázornění závislosti snížení ztrát v jádru při zpracování ooelového pásu laserem, jehož paprsek zaneohává na povrchu pásu kruhovou stopu, obr. 3 znázorňuje graficky závislost ztrát v jádru zpracování materiálu laserem, pracujícím s různým tvarem stopy svazku paprsků, a na obr. 4 je axonometrický pohled na zařízení pro zpracování materiálu laserem.

Laser jak známo produkuje monochromatické elektromagnetické záření, jehož vlnová délka se může měnit od infračervené do ultrafialové oblasti. Laser je charakterizován produkcí přesně definovaného paprsku, který je přesně směrován a ovládán, přičemž při zpracování materiálu laserem je energie laserového paprsku absorbována na povrchu zpracovaného předmětu nebo v jeho bezprostřední blízkosti, přičemž stupeň absorbce závisí na vlastnosteoh a povrchové úpravě ozařovaného materiálu. Při absorbci se radiační energie převádí na lokalizované teplo. Teplotu terčového materiálu je možno přesně regulovat, protože je možno přesně nastavovat energii laserového paprsku.

V současné době je již vyvinuta celá řada různých typů laserů. Jedním ze základních klasifikačních znaků laserů je druh materiálu, vysílajícího radiační záření. Materiál laseru určuje vlnovou délku výstupního paprsku. Řešení podle vynálezu vychází z použití Nd ; YAG laseru, obsahujícího válcovou tyč z jediného krystalu ytriumaluminiumgranátu, dopovaného 0,5 až 3 % hmot. neodymových iontů. Výstupní vlnová délka, která je určena neodymera, je 1,06 /um a leží v blízké infračervené části 3pektra. Tato vlnová délka je výhodná, protože skleněným povlakem z válcování nebo naneseným izolačním povlakem na ocelovém páau proohází s minimální absorpcí.

Jiný způsob rozdělování laserů Je založen na metodě, kterou Je energie laseru dodávána, to jest průběžně, v jediném pulzu nebo v sériích pulzů.

V případě pulzně pracujícího laseru je radiační energie uvolňována v diskrétníoh dávkách s konstantní dobou trvání a kmitočtem nebo opakovači rychlostí. Důležitými parametry pulzně praoujícího laseru jsou: průměrná výstupní energie, opakovači rychlost impulzů (kmitočet), doba trvání jednotlivého impulzu, průměr svazku na ozařovaném povrchu a rychlost přepínání svazku přes tento povrch - ryohlost rozmítání. Délka impulzu ovlivňuje hloubku proniknutí energie do ozařovaného materiálu. Energie dodávaná do povrchu materiálu může být dále regulována průměrem svazku a rychlostí rozmítání. Obvykle se vyskytují dva typy impulzně praoujícíoh laserů, to je běžné impulzně praoujíoí lasery a rychle spínané lasery. Rychle spínaný laser vytváří impulzy o velmi malé délce, řádově 0,0001 ms, a s vysokou opakovači rychlostí až

000 až 40 000 irapulzů.s”\ což je podstatně více než u běžně impulzně pracujíoíoh laserů, u kterých je běžná doba trvání impulzu 0,65 aŽ 10 ma a opakovači ryohlost má v případě rychle spínaného laseru za následek podstatně vyšší okamžitou špičkovou energii impulzu - výkon se zde uvažuje jako energie za časovou jednotku.

Další běžně používaný typ laseru je tak zvaný kontinuálně pracující laser, Jehož radiační výstupní výkon je konstantní a je charakterizován energií za čas v jednotkách W. Množství energie dodávané na povrch materiálu kontinuálně pracujícím laserem lze regulovat; průměrným výstupním výkonem, průměrem svazku na ozařovaném

CS 274 404 B2 povrchu a rychlostí rozmítání.

Všechny tři typy laserů, to je kontinuálně pracující laser, běžný impulzně pracující laser a rychle spínaný laser, použité u zařízení podle vynálezu jsou typu Nd : YAG a vytvářejí svazek s vlnovou délkou 1,06 yum. Bylo zjištěno, še všemi typy laserů se dosáhne zjemnění domén a následného snížení ztrát v jádru z křemíkové oceli s pravidelně orientovaným zrnem a s vysokou perraeabilitou, opatřené skleněným povlakem z válcování nebo izolačním povlakem. Ukázalo ee však, že rychle spínaný laser je pro zpracování křemíkové oceli s povlakem méně vhodný, protože v důsledku velmi krátkého trvání impulzu a vysokého špičkového výkonu impulzů dochází k porušování povlaku.

Výborné výsledky byly na druhé straně dosaženy při použití běžného irapulzně pra cujícího laseru. Tento laser se vyznačuje vysokou energií impulzů, délka impulzů je však podstatně delší, to je 0,65 až 10 me, takže špičkový výkon impulzů je podstatně nižší. Běžný impulzně pracujíoí laser tedy nepoškozuje izolační povlak tvořený skleněmýra povlakem z válcování, naneseným povlakem nebo oběma, neboí v tomto případě.se nevyskytují velmi vysoké špičkové výkony spojené s použitím rychle spínaného laseru.

Ukázalo se však, že bšžné impulzně pracující lasery nejsou vhodné pro zpracování oceli s orientovaným zrnem, protože jim vlastní velmi nízká opakovači rychlost impulzů vylučuje jejich použití v rychle pracujících výrobních linkách. Použití běžných impulzně pracujících laserů ve srovnání s rychle spínanými lasery navíc vyžaduje zvýšení průměrné hustoty energie na ozařovaném povrohu, aby se dosáhlo požadovaného zjemnění domén. Použití vyěěi hustoty energie na povrchu může vyvolat přídavný problém fyzikálního porušení rovinnosti pásu. Toto porušení vzniká prohýbáním pásu nebo vytvářením přímkových prohlubní v povrchu pásu. Tyto prohlubně zvyšují ztráty v jádru z pásu zpracovaného impulzně pracujíoím laserem a zhoršují také využití prostoru v jádrech transformátorů vyrobených z pásů zpracovaných impulzně pracujících laserem.

Při použití běžně impulzně pracujícího laseru musí být průběh stop na povrohu křemíkové oceli s orientovaným zrnem volen tak, aby se dosáhlo maximálního snížení ztrát v jádru a souvislého povlaku na materiálu při rychlosti výrobní linky. To ovšem závisí na šíři zpracovávaného pásu křemíkové oceli a na opakovači rychlosti impulzů použitého laseru. Bylo zjištěno, že při zvětšení vzdálenosti stop se musí zvýšit také hustota energie na povrchu. Při dané šířce pásu a rychlosti výrobní linky je tedy nutné vhodným způsobem regulovat překrývání nebo odstupy stop impulzů a hustotu energie svazku laserů na povrohu pásu. Tyto faktory ovlivňují možnost rychlého rozmítání svazku při velké šířce pásu a průběžné snížení ztrát v jádru.

Výborné výsledky byly při provádění vynálezu dosaženy s použitím kontinuálně pracujícího laseru. Mezi kontinuálně pracujícím laserem a impulznš pracujícím laserem jsou dva zásadní rozdíly. Za prvé, kontinuálně pracující laser emituje záření s konstantní intenzitou bez špiček vysokého okamžitého výkonu, které jsou charakteristické pro impulzně pracující lasery. Za druhé, při rozmítání svazku kontinuálně pracujícího laseru lze hovořit o efektivní době působení, která je analogická k trvání impulzu u impulzně pracujícího laseru, s tou výjimkou, že tato efektivní doba působení se mění v závislosti na rychlosti rozmítání a průměru svazku na ozařovaném povrchu. Efektivní doba působení nebo doba setrvání svazku je čas, po který zaostřená stopa působí v daném bodě povrchu materiálu. Energie dodávaná na určitý bod materiálu může být tedy vypočítána z tohoto času a z průměrného výkonu.

Geometrické poměry poměrně tenkého ocelového pásu nekonečné délky, který má být uvedeným způsobem zpracován laserem, jsou schematicky znázorněny na obr. 1, ze kterého je patrná šířka W pásu a jmenovitá tloušíka T pásu. Při rozmítání svazku

CS 274 404 B2 laserů napříč šířky W pásu dochází k pronikání tepla do pásu do hloubky Z. Energie dodávaná svazkem laseru a působící ve svislé ploše A může tedy být označena E/A. nebo při zámšnš danou šířkou W pásu a hloubkou Z jako E/WZ.

Je známo, že hodnota energie E může být vyjádřena jako součin výkonu P svazku laseru a rozmítacího času t^ potřebného pro přemístění svazku napříč šířky W pásu. Hloubka Z proniknutí může být podobně přibližně popsána vztahem [4k£ tj^ , kde je tepelná rozptylnost a Δΐ je doba působení rozmítané stopy na určitém místě. Tepel ná rozptylnost je jak známo rovna tepelné vodivosti dělené součinem hustoty a měrné ho tepla, pro křemíkovou ocel má hodnotu přibližně 0,057 cm² s“¹. Při dosazení uvedených hodnot může být energie na jednotku plochy E/A vyjádřená jako

P· *₈

2w7ČkAt?^²

Tento vztah může být rozvinut pro konkrétní tvary stopy, což bude podrobněji popsáno později. Další zajímavou otázkou v souvislosti se zařízením podle vynálezu je výkon P dodávaný svazkem laseru na jednotku A plochy, tj. hodnota P/A, měřená na povrohu zpracovávaného materiálu. Bylo zjištěno, že pro dosažení požadovaného zjemnění domén ve zpracovávaném materiálu je potřebná minimální hodnota E/A, zatímco maximální hodnota P/A je omezena nebezpečím poškození izplaČního povlaku.

Při typické aplikaci zařízení podle vynálezu se na pohybující se ocelový pás rozmítací čas t^ nastaví tak, že svazek přebíhá celou šířku W pásu a vytváří požadované odstupy mezi sousedními linkami. Protože se u zařízení podle vynálezu předpokládá použití kontinuálně pracujícího laseru, určuje potřebný rozmítací čas také hodnotu doby At působení. Dále, protože tepelná rozptylnost k je pro daný materiál víceméně konstantní, může být hodnota E/A regulována vhodnou volbou výkonu P svazku laseru. Dobu At působení lze však regulovat také opakovači rychlostí svazku laserů při jeho rozmítání přes pás, tj. použitím impulsně pracujícího laseru.

Velmi krátké impulzy řádu 0,1 yus, které jsou dosažitelné rychle spínaným laserem, způsobí při hustotě energie na povrchu, dostatečně pro zjemnění domén, poškození povlaku. Delší doby působení umožní rozptýlení energie hlouběji do materiálu, což ovlivní tvary doménových stěn. Příliš dlouhá doba působení však může způsobit fyzikální vadu, jako je prohýbání pásu nebo vytváření přímkových prohlubní na pásu. S úspěchem byla použita doba působení kratší než 0,003 ms.

Kontinuálně pracující Nd sYAG laser s vysokým výkonem 20 až 600 W může být rychle rozmítán a může se jím dosáhnout podstatného zmenšení ztrát v jádru jak v případě orientované oceli a pravidelným zrnem, tak i orientované oceli s vysokou perraeabilitou, která je opatřena skleněným povlakem z válcování, dodatečně naneseným izolačním povlakem nebo oběma. Tento laser je zvláště vhodný pro průmyslové použití, protože ve srovnání s běžným impulzně pracujícím laserem nebo rychle spínaným Nd : YAG laserem má jednodušší konstrukci a také snazší regulaci parametrů. Nejpodstatnější je to, že při zpracování pásu zařízením s kontinuálně pracujícím laserem podle vynálezu nedochází k poškozování izolačního skleněného povlaku nebo naneseného povlaku a že toto zpracování lze provádět bez nákladů spojených s opakovaným nanášením povlaku na pás.

Bylo zjištěno, že laserové zpracování zařízením podle vynálezu může mít za následek vady v rovinnosti pásu, například vytváření prohybů nebo přímkových prohlubní v povrchu. Současně však bylo také zjištěno, že tyto fyzikální vady rovinnosti pásu, které Jsou z hlediska snížení ztrát v jádru velmi škodlivé, lze vyloučit tím, že se ocelový pás s orientovaným zrnem v průběhu zpracování laserem

CS 274 404 B2 napíná ve směru válcování pásu nebo přibližně rovnoběžně s tímto směrem. Osové·napínání je samozřejmě omezeno průtažností oceli s orientovaným zrnem na hodnotu přibližně 324 MPa. S úspěchem však bylo použito osové napnutí v rozsahu 3,5 MPa až 70 MPa. Výhodný rozsah hodnot napnutí je přibližně 10 MPa až 35 MPa. Tahová síla nebo síly mohou být vyvolány jednoosým namáháním, dvouosým namáháním nebo radiálním namáháním. Použití napnutí v průběhu ozařování raá dále za následek minimalizaci degradace magnetostrikěních vlastností zpracovávaného pásu.

Při provádění vynálezu se zjistilo, že průběr zaostřené stopy má být oo nejraenší. Výborné výsledky byly dosaženy s průměrem stopy sVazku laseru v rozsahu 0,025 mm až 1,5 mm. Kromě toho se osvědčila efektivní doba působení v rozsahu 0,003 až 0,65 ms Odstupy linek na povrohu křemíkové oceli s povlakem mají být nejméně 2 mm. Odstup linek popsaný v US patentovém spisu č. 4 293 350 sestává ze vzdálenosti mezi dvěma sousedními linkami plus šířka linky. Důležitým faktorem ovlivňujícím odstupy linek je požadavek na vysokou rychlost výrobní linky. Konečně, hustota energie svazku laseru na jednotku svislé plochy E/A má být co největší, aby se dosáhlo maximálního zjemnění domén bez poškození izolačního povlaku.

Byly provedeny testy vzorků křemíkové oceli s orientovaným zrnem a vysokou permeabilitou, a tloušíkou 0,270 mra, na kterých byl aluminiummagnesiurafosfátový povlak typu popsaného v US patentech č. 3 996 073 a 3 948 786. Byly provedeny testy na přilnavost, Frankllnův odpor a dielektrioký průraz, jejichž účelem bylo zjištění, do jaké míry laserové zpracování podle vynálezu ovlivnilo vlastnosti izolačního povlaku.

Z výsledků měření Pranklinova odporu vyplývá, že zpracování laserem neovlivnilo izolační hodnoty izolačního povlaku ani na horním (ozářeném) povrohu vzorku, ani na spodním povrohu. Všechny vzorky měly vysoký odpor.

Průrazná pevnost izolačního povlaku ozářeného vzorku byla testována přiváděním zvyšujícího se napětí na izolační povlak, dokud nedošlo k jeho proražení a vedení zjistitelného proudu. Maximální napětí, kterému povlak odolá bez proražení, představuje průraznou pevnost, která je ve vztahu k dielektrické pevnosti. Při použití výkonu laseru, rychlostí rozmítání a doby působení podle vynálezu nedošlo ke snížení průrazné pevnosti izolačních povlaků.

Přilnavost izolačních povlaků po ozařování laserem byla zkoušena na 19 mm ohybovém zkušebním zařízení. Z výsledků vyplynulo, že přilnavost nebyla ozářením ovlivněna. Zlepšení ztrát v jádru dosažené při zpracování zařízením podle vynálezu je při pracovních teplotách na transformátoru stabilní a zpraoování laserem nemá škodlivý účinek na skleněný povlak z válcování, nanesený povlak, nebo oba povlaky.

Ha obr. 2 j® znázorněna typická závislost snížení ztrát v jádru při použití laserového zpraoování zařízením podle vynálezu u křemíkové oceli s prientovaným zrnem a vysokou permeabilitou, která je opatřena alurainiummagnesiumfosfátovým izolačním povlakem typu popsaného v US patentu č. 3 996 073. Výsledky jsou vyneseny pro zpracování provedené laserem s kruhovou stopou. Vodorovná osa je označena v jednotkách energie laseru na Jednotku svislé plochy E/A násobenou konstantou K, která je rovna

2.k^ jede £ j_e tepelná rozptylnost. Hodnota K je pro křemíkovou ocel přibližně 0,48.

Ze závislosti na obr. 2 je patrné, že při zvyšování hodnoty energie na jednotku svislé plochy lze dosáhnout podstatného zlepšení ztrát v jádru. Naznačené změny nebo rozptyl výsledků vyplývají z běžného statisticky nerovnoměrného rozptylu parametrů materiálu, to je jeho permeability, velikosti zrn, orientace zrn a nerovnoměrnosti povlaku.

CS 274 404 B2

V průběhu ověřování však bylo zjištěno, Že hodnotu E/A nelze za úěelem dalšího zjemňování domén a snižování ztrát v jádru zvyšovat libovolné. Při uréité hodnotě E/A totiž doohází k poškozování povlaku. Další zvyšování hodnoty E/A, které by dále snižovalo ztráty v jádru, by mělo za následek zvětšující se degradaci izolaéního povlaku a při vysokých hodnotách E/A by případně došlo k úplnému odloupnutí povlaku od povrchu ocelového pásu.

Na obr. 3 je popsán typický průběh ztrát v jádru z křemíkové oceli s orientovaným zrnem typu popsaného v obr. 2 pro kruhový tvar stopy svazku laseru - křivka A*. Je patrné, še se zvyšujícími se hodnotami E/A se snižují ztráty v jádru. V daném případě však při hodnotách K.(E/A) větších než kritická hodnota 40 dochází k poškozování povlaku. V zájmu zamezení poškozování povlaku je tedy nutné omezit hodnotu K.(E/A) pod tuto kritickou mez. Může toho být dosaženo vhodnou volbou výkonu laseru doby rozmitáni a doby působení v daném laserovém zařízení.

Výhodné provedení optického zařízení pro rozmitáni svazků laseru napříč šířky pohybujícího se ocelového pásu je znázorněno na obr. 4. Ocelový pás £ odpovídá dříve popsanému pásu. Nekonečná délka pásu £ je neznázorněnými prostředky posouvána ve směru šipky 2 přibližně konstantní rychlostí.

Kontinuálně pracující Nd : YAQ laser 4 s vysokým výkonem, například 584 W, vytváří monochromatický, poměrně úzký světelný svazek £♦ Je však samozřejmé, že mohou být v zájmu dosažení průniku světla různými druhy povlaku použity také jiné typy laseru, například laser obsahujíoí neodymové sklo, argon, alexandrit, COg, rubín a podobně, vytvářející kontinuálně svazek s vhodnou radiační energií, laser £ může být umístěn v libovolné vhodné poloze vůči pohybujícímu se ocelovému pásu 1..

Je známo, že světelný svazek 2 vystupující z laseru £ má určitou známou divergenci 6^ , která se mění v závislosti na výkonu svazku. Divergence je v provedení podle obr. 4 potlačena a šířka světelného svazku 2 zvětšena jeho průchodem optickým kolimátorem 2» ve kterém se šířka svazku několikanásobně zvětšuje součinitelem M^, například 2x, 3x, 7x atd.

Koliraovaný svazek 6 se pak odráží na jednom nebo více směrovacích rovinných zrcadlech 2· která slouží pouze k řízení směru světelného svazku 2· Toto řešení umožňuje, aby laser £ a ostatní optické prvky mohly být umístěny vedle nebo podél strany pohybujícího se ocelového pásu £, jak to konkrétní provedení vyžaduje.

Přesměrovaný koliraovaný svazek 6a dopadá na jednu z rovinných ploch 8 polygonálního zrcadla 2» které se otáčí ve směru šipky 10 ryohlostí odpovídající rozmítacímu času t . V konkrétním případě bylo použito osmiboké polygonální zrcadlo 9 ^—3 ^4 otáčející se frekvencí 605 otáček . min^- . Je však zřejmé, že počet rovinných plooh 8, velikost jednotlivých rovinných ploch 8 a rychlost otáčení polygonálního zrcadla 2 bude určovat efektivní rozmítací dobu t_a a ovlivňovat dobu působení At stopy rozmítané přes šířku W pohybujícího se ocelového pásu £. Je samozřejmé, še k rozmitáni lze použít i jiné prostředky nebo mechanismy, například kmitající zrcadlo, otáčející se hranol nebo akusticko-optický deflektor.

Svazek 11 odražený od otáčejícího se polygonálního zrcadla 2 prochází rozměrnou rozmítací čočkou 12. která je navržena tak, aby zajistila rovnoměrně zaostřenou stopu na poměrně rozsáhlém rovinném poli, jestliže je požadavek získat přibližně kruhovou stopu. V daném případě má rozmítací čočka 12 ohniskovou vzdálenost f takovou, aby na povrchu ocelového pásu £ vytvořila rozmítací linku o délce 305 mm.

Svazek 13 vystupující z rozmítací čočky 12 může být zaostřen přímo na povrch ocelového pásu £, kde vytvoří kruhovou stopu s minimálními rozměry. Hodnota E/A může být určena z výše uvedeného vztahu a konkrétních parametrů optických členů,

CS 274 404 B2 například doba působení Δτ může být s použitím průměru d stopy vyjádřena jako Δ.1 a d.(t .W“¹). Průměr stopy je dán vztahem

O

f.

'3 kde f je ohnisková vzdálenost rozmítací ěoěky 12, je násobiči součinitel optického kolimátoru 2 β á® divergence světelného svazku 3 na výstupu laseru £, která se obecně mění s výstupním výkonem laseru. Sloučením uvedených vztahů dostaneme vztah:

1/2

E/A _J__

2.k¹/2

C 3

f.W.«t

Ohnisková vzdálenost f rozmítací čočky Rozmítaná šířka

Násobiči součinitel kolimátoru o

Efektivní rozmítací doba t_

Doba působení Δ±

Odstup linek 1 Rychlost linky Výkon P

Výkon na jednotku plochy P/A K . (E/A)

Hodnota energie na jednotku svislé plochy v ocelovém pásu χ je tedy, jak již bylo uvedeno, funkcí výkonu laseru £.

Při laboratorní zkoušce byl způsobem podle vynálezu a při použití kontinuálně pracujícího Nd : YAG laseru £ zpracován ocelový pás χ s orientovaným zrnem a vysokou permeabilitou, který byl opatřen izolačním povlakem typu popsaného ve zmíněných US patentech č. 3 948 786 a 3 996 073. Byla použita rozmítací čočka 12 s plochým polem a průměrem 10 cm. Parametry optického systému:

« 10 cm « 10 cm « 3x

10,8 /us « 13 /US > 8 mra

44,5 m.min“¹ B 100 w « 0,88 MW.cm“2 » 30

Ocelový pás χ s orientovaným zrnem měl permeabilitu 1903 a neměl nijak poškozený povlak. Před laserovým zpracováním měl ocelový pás 1 při sycení 1,5 T ztráty v jádru 1,064 W.kg a při sycení 1,7 T ztráty 1,524 W.kg . Po zpracování laserem mel ocelový pás 1 při sycení 1,5 T ztráty 1,00 W.kg“¹ - zlepšení o 0,064 W.kg”¹ a při ή 4 sycení 1,7 T ztráty 1,397 W.kg , což představuje zlepšení o 0,126 W.kg“ .

Bylo zjištěno, že také úprava tvaru stopy svazku laseru £ zaostřené na povrch ocelového pásu X může přinést další zlepšení zpracování. Například při použití stopy s eliptickým tvarem, Jejíž delší osa leží ve směru rozmítání, změní efektivní dobu At působení, oož bez poškození izolačního povlaku dovoluje širší rozsah výkonu laseru £. Jinými slovy, může^Tse zmenšit hodnota P/A výkonu na jednotku plochy. Zásluhou toho lze s menším nebezpečím poškození povlaku dosáhnout dalšího zmenšení ztrát v jádru zjemněním domén.

Charakteristické zmenšení ztrát v jádru v případě eliptického tvaru stopy je znázorněno křivkou B* na obr. 3. Z naznačeného průběhu je patrné, že použití eliptického tvaru stopy umožní zmenšení ztrát v jádru, které je srovnatelné se zmenšením dosažitelným s kruhovým tvarem stopy, avšak s potřebou podstatně nižší hodnoty

E/A.

CS 274 404 B2

Dalšího zlepšení lze dosáhnout použitím stopy ve tvaru více protáhlá elipsy, tj. elipsy s větším poměrem délek os, oož je znázorněno křivkou c' na obr. 3. V tomto případě omezení výstupního výkonu použitého laseru £ vyloučilo měření hodnot K. (E/A) přesahující hodnotu přibližně 13.

Aby se dosáhlo eliptického tvaru stopy, je svazek 22, vystupující z rozmítací čočky 12 veden rozměrnou válcovou čočkou 14. která je uspořádána tak, že linky rozmítané na ocelovém pásu £ jsou přibližně kolmé na směr posuvu tohoto ocelového pásu £. Je zřejmé, že pokud je rozmítací rychlost velká ve srovnání s rychlostí posuvu ocelového pásu £, může být válcová čočka 14 orientována přibližně kolmo na směr posuvu tohoto ocelového pásu £. V daném případě byla použita válcová čočka 14 s ohniskovou vzdáleností f « 101,6 mm, která zúžila šířku svazku 13 na povrchu pohybujícího se ocelového pásu £ na přibližně 0,2 mra. Je patrné, že zaostření rozraítanóho svazku 13 válcovou čočkou 14 umožňující vytvářet rozmítací přímku 15 požadováné délky a současně zmenšit šířku rozmítací přímky 15 ve směru posuvu ocelového pásu £, čímž se dosáhne zvětšení radiační energie působící na dané body ocelového pásu £.

Z předchozího popisu je zřejmě, že v rámoi vynálezu lze provést různé změny detailů, materiálu, operací a provedení součástí, které byly až dosud popsány. Jak již bylo uvedeno, není použití laserového zpracování zařízením podle vynálezu omezeno na křemíkové oceli s„orientovaným pravidelným zrnem nebo s vysokou permeabilitpu. Zařízení podle vynálezu lze použít pro jakýkoli magnetický materiál obsahující domény takových rozměrů, že jejich zjemnění přinese snížení ztrát v jádru.

Již dříve byly například navrženy způsoby výroby nízkoztrátových amorfních magnetických materiálů, při kterých se používá speciální výrobní technologie a následné žíháni v magnetickém poli. Nízké ztráty těchto amorfních materiálů souvisí s jejich malými rozměry, vysokým objemovým odporem a regulovaným složením. Amorfní materiály mají nicméně určitý nedostatek spočívající v tom, že neobsahují krystalové poruchy, jako jsou rozhraní zrn, dislokace nebo rozhraní uvnitř zrn, které jak známo zmenšují rozměry magnetických domén v krystalických materiálech, jako jsou orientované křemíkové oceli. Magnetické domény v amorfních materiálech jsou v důsledku toho velké a vylučují tak dosažení teoreticky minimálních ztrát.

Podle vynálezu může být amorfní materiál při odlévání opatřen tenkým izolačním povlakem. Poté je podle vynálezu zpraoován laserem, zabudován do jádra, nebo podobně a vyžíhán v magnetickém poli. Zjemnění domén, které je důsledkem laserového zpracování, bude v průběhu tohoto žíhání stabilní.

Amorfní materiál je v průběhu laserového zpracování ozařován napříč nebo přibližně napříč ke směru magnetizace. Laserový svazek vytvoří soustavu poruoh, které slouží jako zárodky nových doménových stěn. Výsledné doménové stěny s menšími odstupy v plochém amorfním materiálu přinesou po aplikaci střídavého magnetického pole snížení ztrát v jádru.

Rozmítací zařízení podle vynálezu může být kromě toho použito i pro jiné druhy laserového zpracování materiálu a provedení určitých změn v tomto materiálu, například pro svařování, legování, tepelné zpracování, vrtání, řezání, orýsování, plátování povrchu a podobně.

Claims (5)

1. Zařízení pro zpracování materiálu laserem, obsahující laser, vysílající pa prsek pro zpraoování materiálu, a jednotky pro usměrňování a odklánění laserového paprsku, vyznačující se tím, že je opatřeno válcovou čočkou (14), umístěnou mezi laserem (4) a zpracovávaným materiálem.

2. Zařízení podle bodu 1, vyznačující se tím, že je opatřeno optickým kolimátorem (5), umístěným mezi laserem (4) a válcovou čočkou (14).

3. Zařízení podle bodů 1 a 2, vyznačujíoí se tím, že Je opatřena čočkou (12) s rovinným polem, uspořádanou mezi optickým kolimátorem (5) a válcovou čočkou (14)

4. Zařízení podle bodů 1 až 3, vyznačující se tím, že je opatřeno vícebokým otočným zrcadlem (9) s rovinnými odraznými plochami (8).

5. Zařízení podle bodů 1 až 4, vyznačujíoí se tím, že laserem (4) je kontinuálně praoujíoí laser, zejména Nd : YAG laser.