CZ279229B6

CZ279229B6 - Způsob zpracování jádra magnetických materiálů

Info

Publication number: CZ279229B6
Application number: CS835689A
Authority: CZ
Inventors: Gary L. Neiheisel; Jerry W. Schoen
Original assignee: Armco, Inc.
Priority date: 1982-07-30
Filing date: 1983-07-29
Publication date: 1995-02-15
Also published as: EP0100638A2; AU1648783A; CZ568983A3; US4456812A; DE3379245D1; EP0100638A3; ES524560A0; JPS5933802A; AU572462B2; ES8405445A1; ZA835031B; CA1202550A; BR8304029A; JPH0532881B2; EP0100638B1

Abstract

Při způsobu zpracování jádra magnetických materiálů, zejména oceli pro elektrická zařizení, s magnetickými doménami a nejméně jednou izolační povlakovou vrstvou se magnetický materiál s izolačním povlakem v ozářených bodech mžikově ozařuje paprskem (3) laseru (4) pracujícího ve spojitém režimu a magnetické domény se druhotně rozdělí při zachování celistvosti izolačního povlaku. Paprsek (3) laseru (4) se vede příčně ke směru válcování magnetického materiálu a ozařují se jím proužkové oblasti plochy magnetického materiálu, které svírají se směrem válcování úhel od 45 .sup.o.n. do 90 .sup.o.n.. Ozařovací paprsek (3) se výhodně modifikuje a na povrch magnetického materiálu ve formě pásu (2) dopadá ve tvaru eliptické stopy, jejíž osa je orientovaná příčně ke směru válcování a svírá s ním úhel 45 .sup.o.n. až 90 .sup.o.n.. Výhodně se na každý ozařovaný bod magnetického materiálu působí laserovým o průměru 0,025 až 15 mm, po dobu 0,001 až 10S.sup.-3.n. a ozařovaný magnetický materiál se udržuŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká laserového zpracování ocelí pro elektroniku s izolačním povlakem, to je skleněným povlakem z válcování, dodatečně naneseným povlakem, nebo s oběma typy povlaků, a dále zejména laserového zpracování ocelí pro elektrotechniku za účelem snížení ztrát v jádru bez jakéhokoliv poškození izolačního povlaku.

Dále popisovaný vynález lze aplikovat na jakémkoliv magnetickém materiálu, obsahujícím domény takové velikosti, že jejich zjemnění přinese podstatné snížení ztrát v jádru, jako jsou amorfní materiály, oceli pro elektroniku, orientované ve směru stran elementárních krychlí (Millerovo označení (100) [001]), a křemíkové oceli, orientované ve směru hran elementárních krychlí. Vynález bude z důvodů zjednodušení popisu vysvětlen při aplikaci ve výrobě ocelí 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 (110) [001].

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 způsobu podle vynálezu.

Podle úvodní části hlavního nároku se dále popsaný vynález týká způsobu zpracováni magnetických materiálů, zejména oceli pro elektrická zařízení, s magnetickými doménami a s nejméně jednou izolační povlakovou vrstvou, vytvořenou ze skla a/nebo povlakového izolačního materiálu, při kterém se na jádro s izolačním povlakem působí paprskem laseru.

Dosavadní stav techniky

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

První kategorie se obvykle označuje jako orientovaná křemíková ocel s pravidelným zrnem a vyrobí se způsobem, kterým se obvykle dosahuje' permeability 1870 při intenzitě magnetického pole 796 A/m. Při tloušťce pásu kolem 0,295 mm se při 60 S^-1a 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

-1CZ 279229 B6 způsobem, kterým se při intenzitě magnetického pole 796 A/m dosahuje permeability, přesahující 1870. Jestliže je tloušťka pásu kolem 0,295 mm, jsou ztráty v jádru při 1,7 T a 60 S^-1 menší než 1,555 W/kg.

Typický způsob výroby křemíkových ocelí s orientovaným pravidelným zrnem je popsán v patentovém spise US 3 764 406. Orientovaná křemíková ocel s pravidelným zrnem má následující typické složení slitiny:

C: méně než 0,085 % hmotnostních,

Si: 2 až 4 % hmotnostní,

S a/nebo Se: 0,015 áž 0,07 % hmotnostních,

Mn: 0,02 až 0,2 % hmotnostní a

Fe: zbytek.

Křemíková ocel kromě toho obsahuje nečistoty, vyplývající ze způsobu výroby.

Křemíková ocel se obvykle, ne však vždy, odlévá do ingotů a válcováním redukuje na ploché předvalky, nebo průběžně odlévá do tvaru bram. Ingoty nebo ploché předvalky se znovu ohřívají na teplotu kolem 1400 °C a za tepla válcují na výslednou tloušťku pásu - tloušťka za tepla. Jestliže má ingot nebo plochý předvalek potřebnou válcovací teplotou, může se válcování 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 více stupních na konečné rozměry a oduhličit při teplotě kolem 815 °C za přibližně 3 minuty ve vlhké vodíkové atmosféře s rosným bodem kolem 60 °C. Na oduhličenou křemíkovou ocel se pak nanese žíhací separátor, například povlak oxidu hořečnatého a ocel se 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 orientovaným zrnem a vysokou permeabilitou jsou popsány V patentech US 3 287 183, 3 636 579, 3 873 381 a 3 932 234.

Typická křemíková ocel má v tomto případě následující složení taveniny:

Si: 2 až 4 % hmotnostní,

C: méně než 0,085 % hmotnostních,

AI (rozpustný v kyselině): 0,01 až 0,065 % hmotnostních,

N: 0,003 až 0,010 % hmotnostních,

Mn: 0,03 až 0,2 % hmotnostních,

S: 0,015 až 0,07 % hmotnostních a

Fe: zbytek.

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

-2CZ 279229 B6

Při typickém způsobu výroby křemíkové oceli s orientovaným zrnem a vysokou permeabilitou se tavenina odlévá na ingoty a válcuje na ploché předvalky, nebo se průběžně odlévá ve formě bram. Plochý předvalek se znovu ohřívá, pokud je to třeba, na teplotu kolem 1 400 °C a za tepla se válcuje na výslednou tloušťku pásu tloušťku za tepla. Po válcování za tepla se ocelový pás průběžně žíhá po dobu 30 s až 60 minut při teplotě 850° až 1 200 °C v atmosféře spalin, dusíku, vzduchu nebo netečného plynu. Pás se pak pozvolna ochlazuje 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 válcují na konečný rozměr, tato závěrečná redukce za studená je v rozsahu 65 až 95 %. Poté se ocel průběžně oduhličuje po dobu 3 minut a při teplotě kolem 830 C ve vlhkém vodíku s rosným bodem kolem 60 °C. Oduhličená ocel je pak opatřena žíhacím separátorem, například kysličníkem hořečnatým, a dále se podrobí závěrečnému žíhání v boxu při teplotě kolem 1 200 °C ve vodíkové atmosféře.

U obou typů ocelí s orientovaným zrnem je obvyklé, že po konečném žíhání za vysoké teploty, během kterého se vytváří požadovaná textura (100) [001], se nanáší na ocel izolační povlak s vysokou dielektrickou pevností, který se nanáší místo nebo přídavně ke skleněnému povlaku z válcování, načež následuje průběžné žíhání při teplotě kolem 815 °C 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 patentových spisech US 3 948 786, 3 996 073 a 3 856 568.

Základním úkolem vynálezu je snížení ztrát v jádru z křemíkové oceli s 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 tloušťky, 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 dříve hledaly různé nemetalurgické způsoby snížení ztrát v jádru, které se provádějí po v podstatě skončeném metalurgickém zpracování.

Jeden z nemetalurgických způsobů spočívá v tom, že na výslednou křemíkovou ocel s orientovaným zrnem se nanáší sekundární povlak s vysokým pnutím, což je popsáno v patentu US 3 996 073. Tento povlak vytvoří v křemíkové oceli s orientovaným zrnem pnutí, které vyvolá zmenšení šířky magnetických domén 180° a zmenšení počtu přídavných domén. Protože zúžení domén 180° a zmenšení počtu přídavných domén snižuje ztráty v jádru z křemíkové oceli s orientovaným zrnem, projevuje se takový povlak s vysokým pnutím příznivě. Velikost pnutí, které lze vytvořit tímto způsobem, je však bohužel omezena.

Jiný nemetalurgický způsob spočívá v tom, že se záměrně vytvářejí kontrolované defekty, což znamená vytváření substruktury, která omezuje, šířku domén 180° v konečné křemíkové oceli s orientovaným zrnem. Základní technologie je popsána v patentu U 3 647 575, podle kterého se používá deformace povrchu křemíkové

-3CZ 279229 B6 oceli 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 se na obou stranách pásu, napříč ke směru válcování, nebo přibližně napříč k tomuto směru, vytvářejí s malými odstupy mělké drážky nebo rýhy. Ocel s orientovaným zrnem, zpracovaná podle patentu US 3 647 575 má poškozený izolační povlak a nerovný povrch. Toto má za následek zvětšení interlaminárních ztrát a zhoršené využití prostoru v transformátoru, který je vyroben 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 rozměry domén zmenšují lokálním ozařováním, například světelným svazkem laseru a podobně, čímž se částečně obcházejí škodlivé důsledky rýhování, což je popsáno v patentu US 3 647 575.

V patentovém spise SU 653 302 je popsáno zpracování oceli s orientovaným zrnem pomocí světelného svazku laseru, kterým se vytváří substruktura, ovlivňující vzdálenost stěn domén, takže se zmenšují ztráty v jádru. Povrch oceli s orientovaným zrnem se podle spisu SU 653 302 po závěrečném žíhání za vysoké teploty ozařuje napříč nebo přibližně napříč ke směru válcování. Pás se v ozářených oblastech rychle zahřívá na teplotu 800° až 1 200 °C. Po tomto laserovém zpracování se na ocel s orientovaným zrnem musí nanést povlak a ocel se žíhá při teplotě 700 až 1 100 °C. Běžný pás z oceli s orientovaným zrnem, zpracovaný způsobem podle uvedeného spisu SU 653 302, může mít ztráty v jádru snížené o 10 % nebo více, bohužel však často dochází ke snížení permeability a zvýšení budicí energie, zejména pokud se používají velmi malé konečné tloušťky pásu kolem 0,30 mm nebo méně, což omezuje průmyslovou použitelnost této technologie.

Jiný způsob laserového zpracování oceli s orientovaným zrnem je popsán v patentovém spise US 4 293 350. Podle něj se povrch oceli s orientovaným zrnem po závěrečném žíhání při vysoké teplotě krátce ozařuje pulsním laserem. Laser je nasměrován tak, aby křížil povrch pásu napříč nebo přibližně napříč ke směru válcování. Na 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 zpracování podle patentu US 4 293 350 může snížit ztráty v jádru z běžné oceli s orientovaným zrnem o přibližně 5 %, u ocelí s orientovaným zrnem a vysokou permeabilitou se dosahuje zlepšení o 10 % nebo více 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 dislokační 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 patentu US 4 293 350 spočívá v tom, že v průběhu zpracování pulsním laserem dochází k poškození povlaku, to je skleněného povlaku z válcování, přídavného povlaku nebo obou. U ocelí s orientovaným zrnem, používaných pro skládaná jádra, se však vyžaduje velmi vysoký interlaminární odpor a souvislost povlaku.

-4CZ 279229 B6

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

Laser jak známo generuje monochromatické elektromagnetické záření, jehož vlnová délka může spadat do vzdálené infračervené až ultrafialové oblasti. Laser je charakteristický přesně definovaným svazkem, který může být přesně směrován a regulován, takže při použití laseru ke zpracování materiálu je energie svazku absorbována na povrchu nebo blízko povrchu materiálu, přičemž velikost absorpce závisí na vlastnostech a povrchové úpravě ozařovaného materiálu. Vyzařovaná energie se absorpcí převádí na lokalizované teplo. Teplotu ohniska lze přesně regulovat, protože lze přesně regulovat energii svazku laseru.

Jeden způsob rozdělení laserů je založen na jejich excitačních materiálech. Materiál laseru určuje vlnovou délku výstupního svazku paprsků.

Jiný způsob rozdělování laserů je založen na metodě, kterou je energie laseru dodávána, to je průběžně, v jediném pulsu, nebo v sériích pulsů.

V případě pulsně pracujícího laseru je radiační energie uvolňována v diskrétních dávkách o kontrolované době trvání a kmitočtu, nebo opakovacím kmitočtu. Důležitými parametry pulsně pracujícího laseru jsou: průměrná výstupní energie, opakovači kmitočet impulsů (kmitočet), doba trvání jednotlivého impulsu, průměr svazku na ozařovaném povrchu a rychlost přebíhání svazku přes tento povrch - rychlost rozmítání. Délka impulsu 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 impulsně pracujících laserů, to je běžně impulsně pracující laser a rychle spínané lasery. Rychle spínaný laser vytváří impulsy o velmi malé délce, řádově 0,0001 ms, a s vysokým opakovacím kmitočtem 1 000 až 40 000 impulsů za sekundu, což je podstatně více než u běžně impulsně pracujících laserů, u kterých je běžná doba trvání impulsu 0,65 až 10,0 ms a opakovači kmitočet impulsu 100 až 400 impulsů za sekundu. Tento rozdíl má v případě rychle spínaného laseru za následek podstatně vyšší okamžitou špičkovou energii impulsu - energie se zde uvažuje jako energie za časovou jednotku.

Další běžně užívaný typ laseru je tak zvaný kontinuálně pracující laser, jehož radiální výstup je konstantní a je charakterizován energií v jednotkách W. Množství energie, dodávané na povrch materiálu kontinuálně pracujícím laserem, lze regulovat: průměrným výstupním výkonem, průměrem svazku na ozařovaném povrchu a rychlostí rozmítání paprsků.

Již dříve byly navrženy způsoby výroby nízkoztrátových amorfních magnetických materiálů, při kterých se používá speciální výrobní technologie a následné žíhání v magnetickém poli. Nízké ztráty těchto amorfních materiálů souvisí s jejich malými rozměry, vysokým objemovým odporem a regulovaným složením. Amorfní

-5CZ 279229 B6 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 volné a vylučují tak dosažení teoreticky minimálních ztrát.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody stávajícího stavu techniky jsou do značné míry odstraněny způsobem zpracování magnetických materiálů, zejména oceli pro elektrická zařízení, s magnetickými doménami a s nejméně jednou izolační povlakovou vrstvou, vytvořenou ze skla a/nebo povlakového izolačního materiálu, při kterém se na materiál s izolačním povlakem působí paprskem laseru, přičemž se podle vynálezu magnetický materiál s izolačním povlakem v ozařovaných bodech mžikově ozáří paprskem laseru, pracujícího ve spojitém režimu, a magnetické domény se druhotně rozdělí při zachování celistvosti izolačního povlaku.

Vynález je založen na zjištění, že ocel s orientovaným zrnem a s izolačním povlakem, tvořeným skleněným povlakem z válcování, s naneseným povlakem, nebo s oběma typy povlaků, může být zpracována kontinuálně pracujícím laserem, jehož použitím se dosáhne podrozdělení domén a jejich zjemnění, což má za následek podstatné zmenšení ztrát v jádru. Přitom nedochází k poškození izolačního povlaku, takže se získá ocel s magnetickými doménami, zjemněnými laserem, a s nepoškozeným povlakem.

Podle výhodného provedení způsobu podle vynálezu se na magnetický materiál působí Nd:YAG laserem s alumino-ytritovým granátovým monokrystalem.

Podle jiného provedení se paprsek laseru vede příčně ke směru válcování magnetického materiálu a ozařují se jím proužkové oblasti plochy magnetického materiálu, které svírají se směrem válcování úhel od 45° do 90°.

Další výhodné uspořádání spočívá v tom, že při ozařování magnetického materiálu laserem se ozařovací energie (E/A_v), působící na jednotku svislé plochy průřezu magnetického materiálu, omezuje na hodnotu menší než 83.

Jiné výhodné provedení spočívá v tom, že se při ozařování magnetického materiálu laserem ozařovací paprsek modifikuje a na povrch magnetického materiálu dopadá ve formě eliptické stopy, jejíž delší osa je orientována příčně ke směru válcování magnetického materiálu a svírá s ním úhel v rozsahu od 45° do 90°.

Výhodně je pak možno při ozařování magnetického materiálu laserem na každý ozařovaný bod magnetického materiálu působit laserovým paprskem po dobu od 0,001 milisekundy do 10 milisekund.

Dále je možno při ozařování magnetického materiálu laserem na jeho povrch působit laserovým paprskem o průměru od 0,025 mm do 15 mm.

-6CZ 279229 B6

Podle jiného výhodného provedení způsobu podle vynálezu se při ozařování magnetického materiálu laserem magnetický materiál udržuje v napjatém stavu tahovou silou v rozsahu od 3,5 do 70 MPa.

Ještě výhodněji je pak možno při ozařování magnetického materiálu laserem magnetický materiál udržovat v napjatém stavu tahovou silou v rozsahu od 10,0 do 35,0 MPa.

Napnutí oceli umožňuje výrobu materiálu bez průhybů, prohloubení nebo vrubů v povrchu a zvlnění, nebo jiných fyzikálních vad rovinnosti pásu, které vyplývají ze zpracování laserem. Jestliže se má dosáhnout maximálního zlepšení vlastností jádra transformátoru, nelze tyto vady tolerovat. Napnutí v průběhu ozařování laserem kromě toho minimalizuje případnou degradaci magnetostrikčních vlastností zpracovávaného pásu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je dále objasněn na příkladu jeho provedení, který je popsán na základě připojených výkresů, na kterých znázorňuje:

obr. 1 schematický pohled na ocelový pás, ze kterého jsou patrné geometrické poměry při provádění způsobu podle vynálezu, obr. 2 závislost snížení ztrát v jádru při použití způsobu podle vynálezu a kruhové stopě laseru, obr. 3 závislost ztrát v jádru při použití způsobu podle vynálezu a různých tvarů stopy laseru a obr. 4 optické rozmítací zařízení.

Příklady provedení vynálezu

Práce na vynálezu byly provedeny s použitím Nd:YAG laseru, ve kterém je použita válcová tyč z jediného alumino-ytritového granátového krystalu, dopovaného 0,5 až 3,0 % hmotnosti neodymových iontů. Výstupní vlnová délka která je určena neodymen, je 1,06 μιη a leží v blízké infračervené části spektra. Tato vlnová délka je výhodná, protože skleněným povlakem z válcování nebo naneseným izolačním povlakem na ocelovém pásu prochází s minimální absorpcí.

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

Výborné výsledky byly na druhé straně dosaženy při použití běžného impulsně pracujícího laseru. Tento laser se vyznačuje

-7CZ 279229 B6 vysokou energií impulsů, délka impulsů je však podstatně delší, tzn. 0,65 až 10,0 ms, takže špičkový výkon impulsů je podstatně nižší. Běžný impulsně pracující laser tedy nepoškozuje izolační povlak, tvořený skleněným povlakem z válcování, naneseným povlakem, nebo oběma typy povlaků, neboť v tomto případě se nevyskytují velmi vysoké špičkové výkony, spojené s použitím rychle spínaného laseru.

Ukázalo se však, že běžné impulsně pracující lasery nejsou vhodné pro zpracování oceli s orientovaným zrnem, protože jim vlastní velmi nízký opakovači kmitočet impulsů vylučuje jejich použití v rychle pracujících výrobních linkách. Použití běžných impulsně pracujících laserů ve srovnání s rychle spínanými lasery navíc vyžaduje zvýšení průměrné hustoty energie na ozařovaném povrchu, aby se dosáhlo požadovaného zjemnění domén. Použití vyšší 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 impulsně pracujícím laserem a zhoršují také využití prostoru v jádrech transformátorů, vyrobených z pásu, zpracovaných impulsně pracujícím laserem.

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

pouprazásadní pracující laser emituje záření špiček vysokého okamžitého výkonu, pro impulsně pracující lasery. Za svazku kontinuálně

Výborné výsledky byly při provádění vynálezu dosaženy s žitím kontinuálně pracujícího laseru, neboť mezi kontinuálně cujícím laserem a impulsně pracujícím laserem jsou dva rozdíly. Za prvé, kontinuálně s konstantní intenzitou bez které jsou charakteristické pro impulsně pracující lasery, druhé, při rozmítání svazku kontinuálně pracujícího laseru lze hovořit o efektivní době působení, která je analogická trváni impulsu u impulsně pracujícího laseru, s tou výjimkou, že se tato efektivní doba působení mění v závislosti na rychlosti rozmítání a průměru svazku na ozařovaném povrchu. Efektivní doba působení nebo doba laseru působí na určitý bod a z průměrného setrvání svazku je čas, po který zaostřená stopa v daném bodě povrchu materiálu. Energie, dodávaná materiálu, může být tedy vypočítána výkonu.

z tohoto času

Geometrické poměry relativně tenkého ocelového pásu nekonečné délky, který má být uvedeným způsobem zpracován laserem, jsou schematicky znázorněný na obr. 1, ze kterého je patrná šířka W pásu a jmenovitá tloušťka T pásu. Při rozmítání svazku laserů napříč šířky W pásu dochází k pronikání tepla do pásu do hloubky Z. Energie, dodávaná svazkem laseru a působící ve svislé ploše

-8CZ 279229 B6

A_v, může být vyjádřena vztahem E/A_y, nebo při záměně danou šířkou W a hloubkou Z vztahem E/WZ.

Je známo, že hodnota energie E může být vyjádřena jako součin výkonu P svazku laseru a rozmítacího času t_scan, potřebného pro přemístění svazku napříč šířky W pásu. Hloubka Z proniknutí může být podobně přibližně popsána vztahem (4k^t)^1//2, kde k je tepelná rozptylnost a zJt je doba setrvání rozmítací stopy na určitém místě. Tepelná rozptylnost je, jak známo, rovna tepelné vodivosti, dělené součinem hustoty a měrného tepla; pro křemíkovou ocel má hodnotu přibližně 0,57 cm²/s. Při dosažení uvedených hodnot může být energie na jednotku plochy E/A_y vyjádření vztahem:

E ₌ P-tscan

Ay 2W Vkzlt

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

Při typické aplikaci způsobu podle vynálezu na pohybující se ocelový pás se rozmítací čas t_scan nastaví tak, že svazek přebíhá celou šířku W pásu a vytváří požadované odstupy mezi sousedními linkami. Protože se při způsobu podle vynálezu předpokládá použití kontinuálně pracujícího laseru, určuje potřebný rozmítací čas také hodnotu doby 2^t působení. Dále, protože tepelné rozpylnost k je pro daný materiál víceméně konstantní, může být hodnota E/A_v regulována vhodnou volbou výkonu P svazku laseru. Dobu Δ t působení lze však regulovat také opakovači rychlostí svazku laserů při jeho rozmítání přes pás, tj. použitím impulsně pracujícího laseru.

Velmi krátké impulsy řádu 0,1 με, které jsou dosažitelné rychle spínaným laserem, způsobují při hustotě energie na povrchu, dostatečné pro zjemnění domén, poškození povlaku. Delší doba působení umožní rozptýlení energie hlouběji do materiálu, což ovlivní tvary doménových stěn. Příliš dlouhá doba působení vsak může způsobit fyzikální vady, jako je prohýbání pásu nebo vytváření přímkových prohloubení na pásu. S úspěchem byla použita doba působení kratší než 0,003 ms.

Kontinuálně pracující Nd:YAG laser s vysokým výkonem 20 až 600 W může být rychle rozmitán a může se jim dosáhnout podstatného zmenšení ztrát v jádru jak v případě orientované oceli s pravidelným zrnem, tak i orientované oceli s vysokou permeabilitou, která je opatřena skleněným povlakem z válcování, dodatečně naneseným izolačním povlakem nebo oběma povlaky. Tento laser je zvláště vhodný pro průmyslové použití, protože ve srovnání s běž

-9CZ 279229 B6 ným impulsně pracujícím laserem, nebo rychle spínaným Nd:YAG laserem, má jednodušší konstrukci a také snazší regulaci parametrů. Nejpodstatnější je to, že při zpracování pásu kontinuálně pracujícím laserem podle vynálezu nedochází k poškozování izolačního skleněného povlaku nebo naneseného povlaku a že toto zpracování lze provádět bez nákladů, spojeným s opakovaným nanášením povlaku na pás.

Bylo zjištěno, že laserové zpracování způsobem 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 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 napětí v rozsahu 3,5 až 70 MPa. Výhodný rozsah hodnot napnutí je přibližně 10 až 35 MPa. Tahová síla nebo síly mohou být vyvolány jednoosým namáháním, dvouosým namáháním nebo radiálním namáháním. Použití napnutí v průběhu ozařování má dále za následek minimální degradace magnetostrikčních vlastností zpracovávaného pásu.

Při provádění vynálezu se zjistilo, že průměr zaostřené stopy má být co nejmenší. Výborné výsledky byly dosaženy s průměrem stopy svazku laseru v rozsahu 0,025 až 1,5 mm. Kromě toho se osvědčila efektivní doba působení v rozsahu 0,003 až 0,65 ms. Odstupy stop ve tvaru linek na povrchu křemíkové oceli s povlakem mají být nejméně 2 mm. Odstup linek je vzdálenost 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/Ay.) 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, s tloušťkou 0,270 mm, na kterých byl aluminiummagnesiumfosfátový povlak ťýpu, popsaného v patentech US 3 996 073 a 3 948 786. Byly provedeny testy na přilnavost, Franklinův odpor a dielektrický průraz, jejichž účelem bylo zjištění, do jaké míry laserové zpracování podle vynálezu ovlivnilo vlastnosti izolačního povlaku.

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

Průrazná pevnost izolačního povlaku ozářeného vzorku byla testována přiváděním zvyšujícího se elektrického napětí na izolační povlak, pokud 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, rychlosti rozmítání a doby působení podle vynálezu nedošlo ke snížení průrazné pevnosti izolačních povlaků.

-10CZ 279229 B6

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 způsobem podle vynálezu, je při pracovních teplotách na transformátoru stabilní a zpracování laserem nemá škodlivý účinek na skleněný povlak z válcování, na nanesený povlak nebo na oba typy povlaků.

Na obr. 2 je znázorněna typická závislost snížení ztrát při použití laserového zpracování způsobem podle vynálezu u křemíkové oceli s orientovaným zrnem a vysokou permeabilitou, která je opatřena aluminiummagnesiumfosfátovým izolačním povlakem typu, popsaného v patentu US 3 996 073. Výsledky jsou vyneseny pro zpracování, provedené laserem s kruhovou stopu. Vodorovná osa je označena v jednotkách energie laseru na jednotku svislé plochy (E/A_v), násobenou konstantou K, která je rovna 2 flc, kde k je 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, velikost zrn, orientace zrn a nerovnoměrnosti povlaku.

V průběhu ověřování však bylo zjištěno, že hodnotu E/A_v nelze za účelem dalšího zjemňování domén a snižování ztrát v jádru zvyšovat libovolně. Při určité hodnotě E/A_v totiž dochází k poškozování povlaku. Další zvyšování hodnoty E/A_v, které by dále snižovalo ztráty v jádru, by mělo za následek zvětšující se degradaci izolačního povlaku a při vysokých hodnotách E/A_v by případně došlo k úplnému odloupnutí povlaku od povrchu ocelového pásu.

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

Výhodné provedení optického zařízení pro rozmítání svazků laseru napříč šířky pohybujícího se ocelového pásu je znázorněno na obr. 4. Ocelový pás 1 odpovídá dříve popsanému pásu. Nekonečná délka pásu 1 je neznázorněnými prostředky posouvána ve směru šipky 2. přibližně konstantní rychlosti.

Kontinuálně pracující Nd:YAG laser £ s vysokým výkonem, například 584 W, vytváří monochromatický poměrně úzký světelný svazek £. Je však samozřejmé, že pro způsob podle vynálezu mohou

-11CZ 279229 B6 být v zájmu dosažení průniku světla různými druhy povlaku použity také jiné typy laseru, například laser, obsahující neodymové sklo, argon, alexandrit, C0₂, rubín a podobně, vytvářející kontinuálně svazek s vhodnou radiační energií. Laser 4 může být umístěn v libovolné vhodné poloze vůči pohybujícímu se ocelovému pásu 1.

Je známo, že světelný svazek £, vystupující z laseru 4, má určitou známou divergenci £_o, která se mění v závislosti na výkonu svazku. Divergence je v provedení podle obr. 4 potlačena a šířka světelného paprsku £ je zvětšena jeho průchodem optickým kolimátorem 5, ve kterém se šířka svazku několikanásobně zvětšuje součinitelem M_c, například 2x, 3x, 7x atd.

Kolimovaný svazek 6 se pak odráží na jednom nebo více směrovacích rovinných zrcadlech 7, která slouží pouze k řízení směru světelného paprsku £. Toto řešení umožňuje, aby laser £ a ostatní optické prvky mohly být umístěny vedle nebo podél strany pohybujícího se ocelového pásu 1, jak to konkrétní provedení vyžaduje.

Přesměrovaný kolimovaný svazek 6a dopadá na jednu z rovinných ploch 8 polygonálního zrcadla 9, které se otáčí ve směru šipky 10 rychlostí, odpovídající rozmítacímu času t_scan· V konkrétním případě bylo použito osmiboké polygonální zrcadlo 9, otáčející se frekvencí 605 min^-1. Je však zřejmé, že počet rovinných ploch 8, velikost jednotlivých rovinných ploch 8 a frekvence otáčení polygonálního zrcadla 9 bude určovat efektivní rozmítací dobu t_scan a ovlivňovat dobu působení At stopy, rozmítané přes šířku W pohybujícího se ocelového pásu 1. Je samozřejmé, že k rozmítání 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 9, 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 1 vytvořila rozmítací stopu tvaru linky o délce 305 mm.

Svazek 13 , vystupující z rozmítací čočky 12, může být zaostřen přímo na povrch ocelového pásu 1, kde vytváří kruhovou stopu s minimálními rozměry. Hodnota E/A^. může být určena z výše uvedeného vztahu a konkrétních parametrů optických členů, například doba působení může být s použitím průměru d stopy vyjádřeny jako At = d(t_scanW). Průměr stopy je dán vztahem:

^f-⁵o

D = -----^Mc kde f je ohnisková vzdálenost rozmítací čočky 12, M_c je násobící součinitel optického kolimátoru 5 a £_o je divergence světelného

-12CZ 279229 B6 svazku 2 na výstupním laseru 4, která se obecně mění s výstupním výkonem laseru. Sloučením uvedených vztahů dostaneme vztah:

E		1	M c	%can	1/2
^Av		2 ýk	f	w δ_ο

Hodnota energie na jednotku svislé plochy v ocelovém pásu 1 je tedy, jak již bylo uvedeno, funkcí výkonu laseru 4. Při laboratorní zkoušce byl způsobem podle vynálezu a při použití kontinuálně pracujícího Nd:YAG laseru 4 zpracován ocelový pás 1 s orientovaným zrnem a vysokou permeabilitou, který byl opatřen izolačním povlakem typu, popsaného ve zmíněných patentech US 3 948 786 a 3 996 073. Byla použita rozmítací čočka 12 s plochým polem a průměrem 10 cm. Parametry optického systému:

Ohnisková vzdálenost f rozmítací čočky

Rozmítací šířka

Násobiči součinitel kolimátoru (M_c)

Efektivní rozmítací doba (tscan)

Doba působení (£t)

Odstup linek (1)

Rychlost linky

Výkon (P)

Výkon na jednotku plochy (P/A)

K. (E/Ay) cm cm

10,8 μιη μιη mm

44,5 m/min

100 W

0,88 MW/cm²

Ocelový pás 1 s orientovaným zrnem měl permeabilitu 1903 a neměl nijak poškozený povlak. Před laserovým zpracováním měl ocelový pás χ 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 měl ocelový pás 1 při sycení 1,5 T ztráty 1,00 W/kg - zlepšení o 0,064 W/kg a při 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 4, zaostřené na povrch ocelového pásu 1, může přinést další zlepšení zpracování. Například při použití stopy a eliptickým tvarem, jejíž delší osa leží ve směru rozmítání, změní efektivní dobu At působení, což bez poškození izolačního povlaku dovoluje širší rozsah výkonu laseru 4, jinými slovy, může se zmenšit hodnota výkonu na jednotku plochy (P/A). 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 druhou 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,

-13CZ 279229 B6 dosažitelným s kruhovým tvarem stopy, avšak s potřebou podstatně nižší hodnoty E/A_v.

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

Aby se dosáhlo eliptického tvaru stopy, je svazek 13./ vystupující z rozmítací čočky 12, veden rozměrnou válcovou čočkou 14, která je uspořádána tak, že linky rozmítané na ocelovém pásu 1 jsou přibližně kolmé na směr posuvu tohoto ocelového pásu 1. Je zřejmé, že pokud je rozmítací rychlost velká ve srovnání s rychlostí posuvu ocelového pásu 1, může být válcová čočka 14 orientovaná přibližně kolmo na směr posuvu tohoto ocelového pásu 1. 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 1 na přibližně 0,2 mm. Je patrné, že zaostření rozmítaného svazku 13 válcovou čočkou 14 umožňuje vytvářet rozmítací přímku 15 požadované délky a současně zmenšit šířku rozmítací přímky 15 ve směru posuvu ocelového pásu 1, čímž se dosáhne zvětšení radiační energie, působící na dané body ocelového pásu 1.

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

Podle vynálezu může být amorfní materiál při odlévání opatřen tenkým izolačním povlakem. Poté je způsobem podle vynálezu zpracován 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 poruch, 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 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

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob zpracování jádra magnetických materiálů, zejména oceli pro elektrická zařízení, s magnetickými doménami a s nejméně jednou izolační povlakovou vrstvou, vytvořenou ze skla a/nebo povlakového izolačního materiálu, při kterém se na materiál s izolačním povlakem působí paprskem laseru, vyznačující se tím, že magnetický materiál s izolačním povlakem se v ozařovaných bodech mžikové ozáří paprskem laseru, pracujícího ve spojitém režimu, a magnetické domény se druhotně rozdělí při zachování celistvosti izolačního povlaku.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že na magnetický materiál se působí Nd:YAG laserem, tvořeným alumino-ytritovým granátovým monokrystalem.

3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že paprsek laseru se vede příčně ke směru válcování magnetického materiálu a ozařují se jím proužkové oblasti plochy magnetického materiálu, které svírají se směrem válcování úhel od 45° do 90°.

4. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že při ozařování magnetického materiálu laserem se ozařovací energie (E/A_v), působící na jednotku svislé plochy průřezu magnetického materiálu, omezuje na poměrnou hodnotu menší než 83.

5. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že při ozařování magnetického materiálu laserem se ozařovací paprsek modifikuje a na povrch magnetického materiálu dopadá ve formě eliptické stopy, jejíž delší osa je orientována příčně ke směru válcování magnetického materiálu a svírá s ním úhel v rozsahu od 45° do 90°.

6. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že při ozařování magnetického materiálu laserem se na každý ozařovaný bod magnetického materiálu působí laserovým paprskem po dobu od 0,001 milisekundy do 10 milisekund.

7. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že při ozařování magnetického materiálu laserem se na jeho povrch působí laserovým paprskem o průměru od 0,025 mm do 15 mm.

8. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že při ozařování magnetického materiálu laserem se magnetický materiál udržuje v napjatém stavu tahovou silou v rozsahu od 3,5 do 70 MPa.

-15CZ 279229 B6

9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že při ozařování magnetického materiálu laserem se magnetický materiál udržuje v napjatém stavu tahovou silou v rozsahu od 10,0 do 35,0 MPa.