EP2675927A1 - Verfahren zum erzeugen eines kornorientierten stahlflachprodukts - Google Patents

Verfahren zum erzeugen eines kornorientierten stahlflachprodukts

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EP2675927A1
EP2675927A1 EP11761066.7A EP11761066A EP2675927A1 EP 2675927 A1 EP2675927 A1 EP 2675927A1 EP 11761066 A EP11761066 A EP 11761066A EP 2675927 A1 EP2675927 A1 EP 2675927A1
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EP
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laser
flat steel
steel product
laser treatment
varied
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Thorsten KRENKE
Ludger Lahn
Régis Lemaitre
Chaoyong Wang
Thierry BELGRAND
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ThyssenKrupp Electrical Steel GmbH
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ThyssenKrupp Electrical Steel GmbH
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    • C21D8/12—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of articles with special electromagnetic properties
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    • H01F1/16—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys in the form of sheets

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a grain-oriented flat steel product with minimized magnetic loss values and optimized
  • HGO material Flat steel products, also referred to in technical language as "HGO material", are steel strips, in technical language simply also “electrical tapes”, or
  • Grain-oriented electrical steel or sheet is particularly suitable for applications in which a particularly low loss of magnetization is in the foreground and high demands are placed on the permeability or polarization. Such requirements exist
  • SI / cs 100859WO September 2011 Steel flat products first of all a steel containing (in% by weight) typically 2.5 to 4.0% Si, 0.010 to 0.100% C, up to 0.150% Mn, up to 0.065% Al and up to 0.0150% N, and each optionally 0.010 to 0.3% Cu, to 0.060% S, to 0.100% P, to 0.2% each of As, Sn, Sb, Te, and Bi, balance iron and unavoidable impurities, to a starting material, such as a Slab, thin slab or a cast strip, potted. The starting material is then subjected, if necessary, to an annealing treatment to be subsequently hot rolled into a hot strip.
  • a starting material such as a Slab, thin slab or a cast strip
  • Decarburization annealing is usually significantly reduced to avoid magnetic aging of the carbon content of the cold strip.
  • an annealing separator which is typically MgO, is applied to the strip surfaces.
  • the annealing separator prevents the turns of a coil wound from the cold strip during the subsequent high-temperature annealing
  • the steel flat product thus obtained is coated with an insulating layer, thermally directed and in one
  • This final annealing can be done before or after
  • Flat steel products generally have a thickness of 0.15 mm to 0.5 mm.
  • flat steel products have a strongly anisotropic magnetic behavior.
  • EP 0 409 389 A2 proposed further possibility of loss improvement is that on the surface of the flat steel product partial plastic deformations are generated. This can be done for example by a
  • the losses are minimized by a suitable laser treatment.
  • the loss of magnetization of a grain-oriented flat steel product with a typical nominal thickness of 0.23 mm for these products can be improved by more than 10% compared to the untreated state.
  • the loss enhancements depend both on the properties of the base material, such as the grain size and texture sharpness, and on the laser parameters, to which the distance L of the lines along which the
  • Laser beams are guided to the respective flat steel product, the contact time t dW eii and the specific
  • Transformers also the noise a role. This is based on a known as magnetostriction physical effect.
  • Magnetostriction is the change in length of a
  • the object of the invention was to provide a method for producing flat steel products, which are optimally suitable for the production of parts for transformers.
  • a method of the invention for producing a grain-oriented flat steel product having minimized magnetic loss values and optimized magnetostrictive properties comprises the operations
  • the invention in a
  • the parameters of the laser treatment are varied so that the difference between the respectively detected before and after the laser treatment apparent power Si, 7 is less than 40%.
  • NACH Laser treatment detected apparent power Si, so NACH meets the following condition:
  • the increase in apparent power caused by the laser treatment is so limited in the present invention that the apparent power after the laser is not more than 40% as compared with its value at the same time
  • the invention thus takes into account that in the design transformers usually not the
  • the subject of the method according to the invention is thus an optimization of the laser parameters with regard to
  • Samples of the flat steel product to be taken be determined according to the laser treatment and the parameters of the laser treatment, depending be varied from the result of this detection to these samples, the respective apparent power Si (7/5 o before and.
  • This configuration allows the inventive method having a comparable
  • the distance L of the linear deformations the exposure time t dwe ii of the laser beam, the specific energy density U s , the laser power P, the focus size As or the scan speed come v so in question.
  • Laser beam is varied in the range of 1 x IGT 5 s to 2 x KT 4 s.
  • Apparent power Si / 7/5 ° in the range of 200 - 3000 W can be varied.
  • Fiber lasers have the particular advantage here of allowing close focusing of the laser beam.
  • track widths of less than 20 ⁇ m can be achieved with a fiber laser.
  • Flat steel product for example, a glass or
  • Fig. 1 is a diagram in which the loss improvement
  • Fig. 2 is a diagram in which from the measured
  • Fig. 2 shows that from the measured change in length
  • the narrower dashed line whose measured values are characterized by unfilled triangles, reproduces the noise development in a laser treatment in FIG. 2, which leads to a change in the apparent power Si ( 7/5 o um

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines für die Herstellung von Teilen für elektrotechnische Anwendungen bestimmten kornorientierten Stahlflachprodukts mit minimierten magnetischen Verlustwerten und optimierten magnetostriktiven Eigenschaften, umfassend die Arbeitsschritte a) Bereitstellen eines Stahlflachprodukts, b) Laserbehandeln des Stahlflachprodukts, wobei im Zuge der Laserbehandlung in die Oberfläche des Stahlflachprodukts mittels eines mit einer Leistung P von einer Laserstrahlquelle emittierten Laserstrahls linienförmige Verformungen eingeformt werden, die in einem Abstand a angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Stahlflachprodukten eignet sich in optimaler Weise für die Herstellung von Teilen für Transformatoren. Dies wird dadurch erreicht, dass die bei einer Frequenz von 50 Hertz und einer Polarisation von 1,7 Tesla ermittelte Scheinleistung S1,7/50 des Stahlflachprodukts vor und nach der Laserbehandlung (Arbeitsschritt b) ) erfasst wird und dass die Parameter der Laserbehandlung so variiert werden, dass die Differenz zwischen der vor und nach der Laserbehandlung erfassten Scheinleistung S1,7/50 weniger als 40 % beträgt.

Description

Verfahren zum Erzeugen eines kornorientierten
Stahlflachprodukts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines kornorientierten Stahlflachprodukts mit minimierten magnetischen Verlustwerten und optimierten
magnetostriktiven Eigenschaften.
Bei den hier in Rede stehenden kornorientierten
Stahlflachprodukten, in der Fachsprache auch als "HGO- Material" bezeichnet, handelt es sich um Stahlbänder, in der Fachsprache auch einfach "Elektrobänder" , oder
Stahlbleche, in der Fachsprache auch einfach
"Elektrobleche" genannt. Aus solchen Stahlflachprodukte werden Teile für elektrotechnische Anwendungen gefertigt.
Kornorientiertes Elektroband oder -blech eignet sich insbesondere für Verwendungen, bei denen ein besonders niedriger Ummagnetisierungsverlust im Vordergrund steht und hohe Ansprüche an die Permeabilität oder Polarisation gestellt werden. Solche Anforderungen bestehen
insbesondere bei Teilen für Leistungstransformatoren, Verteilungstransformatoren und höherwertigen
Kleint ansformatoren .
Wie im Einzelnen beispielsweise in der EP 1 025 268 Bl erläutert, wird allgemein im Zuge der Herstellung von
SI/cs 100859WO September 2011 Stahlflachprodukten zunächst ein Stahl, der (in Gew.%) typischerweise 2,5 bis 4,0 % Si, 0,010 bis 0,100 % C, bis zu 0,150 % Mn, bis zu 0,065 % AI und bis zu 0,0150 % N, sowie jeweils optional 0,010 bis 0,3 % Cu, bis 0,060 % S, bis 0,100 % P, bis jeweils 0,2 % As, Sn, Sb, Te, und Bi, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen aufweist, zu einem Vormaterial, wie einer Bramme, Dünnbramme oder einem gegossenen Band, vergossen. Das Vormaterial wird dann erforderlichenfalls einer Glühbehandlung unterzogen, um anschließend zu einem Warmband warmgewalzt zu werden.
Nach dem Haspeln und einer optional zusätzlich
durchgeführten Glühung sowie einer ebenso optional
absolvierten Ent zunderungs- bzw. Beizbehandlung wird aus dem Warmband anschließend in ein oder mehreren Schritten ein Kaltband gewalzt, wobei zwischen den Kaltwalzschritten erforderlichenfalls eine Zwischenglühung durchgeführt werden kann. Bei der daraufhin durchgeführten
Entkohlungsglühung wird üblicherweise zur Vermeidung einer magnetischen Alterung der Kohlenstoffgehalt des Kaltbands entscheidend verringert.
Nach dem Entkohlungsglühen wird auf die Bandoberflächen ein Glühseparator, bei dem es sich typischerweise um MgO handelt, aufgebracht. Der Glühseparator verhindert, dass die Windungen eines aus dem Kaltband gewickelten Coils bei der daraufhin durchgeführten Hochtemperaturglühung
miteinander verkleben. Während der Hochtemperaturglühung, die typischerweise in einem Haubenofen unter Schutzgas durchgeführt wird, entsteht im Kaltband durch selektives Kornwachstum die Textur. Ferner bildet sich auf den
Bandoberflächen eine Forsteritschicht , der sogenannte
SI/cs 100859WO September 2011 "Glasfilm", aus. Darüber hinaus wird durch während der Hochtemperaturglühung ablaufende Diffusionsvorgänge das Stahlmaterial gereinigt.
Im Anschluss an die Hochtemperaturglühung wird das so erhaltene Stahlflachprodukt mit einer Isolierschicht beschichtet, thermisch gerichtet und in einer
abschließenden "Schlussglühung" spannungsarm geglüht.
Diese Schlussglühung kann vor oder nach der
Konfektionierung des in der voranstehend beschriebenen Weise erzeugten Stahlflachprodukts zu den für die
Weiterverarbeitung benötigten Zuschnitten erfolgen, wobei durch eine Schlussglühung nach dem Äbteilen der Zuschnitte die im Zuge des Abteilvorgangs entstandenen zusätzlichen Spannungen abgebaut werden können. So erzeugte
Stahlflachprodukte weisen in der Regel eine Dicke von 0,15 mm bis 0,5 mm auf .
Die metallurgischen Eigenschaften des Werkstoffs, die bei der Erzeugung der Stahlflachprodukte eingestellten
Umformgrade der Kaltwalzprozesse und die Parameter der Wärmebehandlungsschritte sind jeweils so aufeinander abgestimmt, dass gezielte Rekristallisationsprozesse ablaufen. Diese Rekristallisationsprozesse führen zu der für den Werkstoff typischen "Goss-Textur" , bei der die Richtung der leichtesten Magnetisierbarkeit in
Walzrichtung der Fertigbänder liegt. Kornorientierte
Stahlflachprodukte weisen dementsprechend ein stark anisotropes magnetisches Verhalten auf.
Zur Verbesserung der Ummagnetisierungsverluste eines kornorientierten Stahlflachprodukts gibt es verschiedene
SI/cs 100859WO 21. September 2011 Methoden. Zum Beispiel kann die Orientierungsschärfe der Goss-Textur des Stahlflachprodukts verbessert werden.
Weitere Verlustverringerungen können durch Verringerung der Abstände der 180° Domänenwände erreicht werden. Hohe Zugspannungen in Walzrichtung, welche über isolierende Beschichtungen auf die Stahloberfläche übertragen werden, tragen ebenfalls zur Reduzierung der Domänenabstände und damit einhergehend zur Reduzierung der
Ummagnetisierungsverluste bei. Jedoch sind die benötigten Zugspannungswerte aus technischen Gründen nur
eingeschränkt realisierbar.
Eine beispielsweise in der DE 18 04 208 Bl oder der
EP 0 409 389 A2 vorgeschlagene weitere Möglichkeit der Verlustverbesserung besteht darin, dass an der Oberfläche des Stahlflachprodukts partielle plastische Verformungen erzeugt werden. Dies kann beispielsweise durch ein
mechanisches Anritzen oder Anstechen der Oberflächen des jeweiligen Stahlflachprodukts erfolgen. Den auf diese Weise erzielten signifikanten Verbesserungen der
magnetischen Eigenschaften steht der Nachteil gegenüber, dass durch die mechanische Bearbeitung der Oberfläche die darauf aufgetragene Isolierschicht des Stahlflachprodukts beschädigt wird. Dies kann beispielsweise im Fall der Erzeugung von Trafoblechen aus einem solchen
Stahlflachprodukt zu Kurzschlüssen im gestapelten Kern des Transformators sowie zu lokaler Korrosion führen.
Versuche, die Vorteile des mechanischen Anritzens oder Anstechens zu nutzen, ohne die Isolation zu zerstören, haben sich auf die Verwendung von Laserquellen
konzentriert (EP 0 008 385 Bl, EP 0 100 638 Bl,
SI/cs 100859WO 21. September 2011 EP 1 607 487 AI) . Den auf der Verwendung von Lasern basierenden Verfahren gemein ist, dass ein Laserstrahl auf die Oberfläche des zu behandelnden Stahlflachprodukts fokussiert und dort eine thermische Verspannung im
Grundmaterial generiert wird. Diese führt zur Bildung von Versetzungen, an denen Komponenten des magnetischen
Flusses aus der Oberfläche des Stahlflachprodukts
austreten. Hierdurch wird die magnetische Streufeldenergie lokal angehoben, zu deren Kompensation die Bildung von sogenannten "Abschlussdomänen" erfolgt, die in der
Fachsprache auch als "Sekundärstrukturen" bezeichnet werden. Gleichzeitig tritt eine Verringerung des
Hauptdomänenabstandes ein.
Da der anormale Ummagnetisierungsverlust vom Abstand der Hauptdomänen abhängt, werden die Verluste durch eine geeignete Laserbehandlung minimiert. Durch die
Laserbehandlung kann der Ummagnetisierungsverlust eines kornorientierten Stahlflachprodukts mit einer für diese Produkte typischen Nenndicke von 0,23 mm um mehr als 10 % gegenüber dem unbehandelten Zustand verbessert werden. Die Verlustverbesserungen hängen sowohl von den Eigenschaften des Grundmaterials, wie beispielsweise der Korngröße und Texturschärfe, als auch von den Laserparametern ab, zu denen der Abstand L der Linien, entlang derer die
Laserstrahlen auf das jeweilige Stahlflachprodukt geführt werden, die Einwirkzeit tdWeii und die spezifische
Energiedichte Us gehören. Die Abstimmung dieser Parameter hat entscheidenden Einfluss auf die jeweils erreichte Verminderung der Ummagnetisierungsverluste .
SI/cs 100859WO September 2011 Neben den Ummagnetisierungsverlusten spielt bei
Transformatoren auch die Geräuschentwicklung eine Rolle. Diese beruht auf einem als Magnetostriktion bekannten physikalischen Effekt.
Magnetostriktion ist die Längenänderung eines
ferromagnetischen Materials in Richtung seiner
Magnetisierung. Durch den Betrieb eines ferromagnetischen Bauteils, wie beispielsweise eines Transformators, in einem magnetischen Wechselfeld werden die 180°
Hauptdomänen verschoben, was alleine jedoch noch keinen Beitrag zur Magnetostriktion liefert. Jedoch existieren an Übergängen zwischen den 180° Hauptdomänen zu den 90°
Abschlussdomänen magnetostriktive Verspannungen im
Material. Diese bilden beim Betrieb im magnetischen
Wechselfeld eine Schallquelle und sind die Ursache für die Transformatorengeräusche .
Die Einbringung von zusätzlichen 90° Abschlussdomänen, also von Sekundärstrukturen, durch eine Laserbehandlung führt allgemein zu einer Erhöhung der Magnetostriktion und somit der Geräuschemissionen insbesondere beim Betrieb eines Transformators.
Die Anforderungen, die hinsichtlich der Minimierung der Geräuschentwicklung beim Betrieb von Transformatoren gestellt werden, steigen ständig. Dies liegt einerseits an kontinuierlich verschärften gesetzlichen Vorgaben und Normen. Andererseits akzeptieren die Verbraucher heute in der Regel keine elektrischen Geräte mehr, bei denen es zu einem hörbaren "Transformatorbrummen" kommt. So hängt heute die Akzeptanz von Großtransformatoren in der Nähe
SI/cs 100859WO September 2011 von Wohnbebauung entscheidend von den Geräuschemissionen ab, die sich beim Betrieb solcher Transformatoren ergeben.
Es sind eine Reihe von Laserbehandlungsprozessen
vorgeschlagen worden, mit denen sich durch Wahl geeigneter Prozessparameter sowohl Verlustverbesserungen als auch bessere magnetostriktive Eigenschaften erzielen lassen (DE 601 12 357 T2/EP 1 154 025 Bl, DE 698 35 923 T2 /
EP 0 897 016 Bl, EP 2 006 397 AI, EP 1 607 487 AI) . Die Optimierung der Parameter der Laserbehandlung ist dabei jedoch jeweils nur mit Blick auf eine Verbesserung der Ummagnetisierungsverluste vorgenommen worden.
Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Erzeugung von Stahlflachprodukten anzugeben, die in optimaler Weise für die Herstellung von Teilen für Transformatoren geeignet sind.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, dass bei der Erzeugung eines Stahlflachprodukts die in Anspruch 1 angegebenen Arbeitsschritte durchgeführt werden .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
In Übereinstimmung mit dem voranstehend erläuterten Stand der Technik umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen eines kornorientierten Stahlflachprodukts mit minimierten magnetischen Verlustwerten und optimierten magnetostriktiven Eigenschaften die Arbeitsschritte
SI/cs 100859WO September 2011 a) Bereitstellen eines Stahlflachprodukts,
und
b) Laserbehandeln des Stahlflachprodukts, wobei im Zuge der Laserbehandlung in die Oberfläche des
Stahlflachprodukts mittels eines mit einer Leistung P von einer Laserstrahlquelle emittierten Laserstrahls linienförmige Verformungen eingeformt werden, die in einem Abstand L angeordnet sind.
Besondere Anforderungen an die Art und Weise der
Herstellung des gemäß Arbeitsschritt a) bereitgestellten Stahlflachprodukts bestehen nicht. So kann das für das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellte
Stahlflachprodukt unter Anwendung der dem Fachmann
allgemein bekannten, eingangs zusammengefassten Maßnahmen und unter Zugrundelegung von geeigneten Stahllegierungen hergestellt werden, die aus dem Stand der Technik
ebenfalls bereits hinlänglich bekannt sind. Dies schließt selbstverständlich auch solche Fertigungsverfahren und Legierungen ein, die derzeit noch nicht bekannt sind.
Erfindungsgemäß werden nun die Parameter der
Laserbehandlung {Arbeitsschritt b) ) so eingestellt, dass ein erfindungsgemäß erzeugtes Stahlflachprodukt nicht nur minimierte Ummagnetisierungsverluste aufweist, sondern auch seine nach der Laserbehandlung gegebene
Scheinleistung Si>7/50 NACH optimiert ist.
Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß die bei einer
Frequenz von 50 Hertz und einer Polarisation von 1,7 Tesla ermittelte Scheinleistung Si,7 so des mit dem Laserstrahl zu
SI/cs 100859WO 21. September 2011 behandelnden Stahlflachprodukts vor und nach der
Laserbehandlung (Arbeitsschritt b) ) erfasst.
In Abhängigkeit von der Differenz zwischen der vor der Laserbehandlung erfassten Scheinleistung Si,7 5o VOR und der nach der Laserbehandlung erfassten Scheinleistung
Si,7/5o NACH werden dann die Parameter der Laserbehandlung so variiert, dass die Differenz zwischen der vor und nach der Laserbehandlung jeweils erfassten Scheinleistung Si,7 so weniger als 40 % beträgt.
Die Parameter der Laserbehandlung werden somit
erfindungsgemäß so eingestellt, dass eine im Zuge der Laserbehandlung sich einstellende Zunahme der
Scheinleistung Si/7/50 eines erfindungsgemäß verarbeiteten Stahlflachprodukts durch Einstellung der Parameter der Laserbehandlung so begrenzt wird, dass die nach der
Laserbehandlung erfasste Scheinleistung Si, so NACH folgende Bedingung erfüllt:
Sl, 7/50 NACH < 1,4 X Sl(7/50 VOR
Die durch die Laserbehandlung verursachte Zunahme der Scheinleistung ist dementsprechend erfindungsgemäß so begrenzt, dass die Scheinleistung nach dem Lasern um nicht mehr als 40 % verglichen mit ihrem Wert an demselben
Werkstück vor dem Lasern erhöht ist.
Die Erfindung berücksichtigt somit, dass bei der Auslegung Transformatoren in der Regel nicht die
Ummagnetisierungsverluste der jeweils verarbeiteten
Stahlflachprodukte im Vordergrund stehen, sondern die Scheinleistung. Daher werden erfindungsgemäß die Parameter
SI/cs 100859WO September 2011 der Laserbehandlung nicht nur im Hinblick auf die
Ummagnetisierungsverluste sondern auch auf die
Scheinleistungen bei gleicher Polarisation optimiert.
Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit eine Optimierung der Laserparameter hinsichtlich der
Minimierung des Ummagnetisierungsverlustes Pi,7/so und der Scheinleistung Sii7/5o. Dabei stellte sich heraus, dass bei einer Minimierung der Scheinleistung die Geräuschzunahme minimiert wird. Das bedeutet, dass die Laserbehandlung zwar vordergründig die Verfeinerung der Hauptdomänen bewirkt, was zu der angestrebten Verlustverminderung führt, dass damit aber durch die erfindungsgemäße
Optimierung der Laserbehandlung im Hinblick auf eine möglichst geringe Scheinleistung ein vergleichsweise geringer Anstieg der Volumenbereiche mit magnetischen Sekundärstrukturen einhergeht.
Grundsätzlich ist es denkbar, die Laserbehandlung an
Elektroblechen bzw. Blechzuschnitten vorzunehmen.
Besonders praxisgerecht erweist es sich jedoch, wenn ein als Bandmaterial vorliegendes Stahlflachprodukt
verarbeitet wird, das die Laserbehandlung im
kontinuierlichen Durchlauf durchläuft.
Im Fall, dass die jeweilige Scheinleistung Si,7/50 vor und nach der Laserbehandlung im laufenden Betrieb online erfasst wird und die Parameter der Laserbehandlung in Abhängigkeit von der Differenz der erfassten
Scheinleistungen Si/7 so online variiert werden, lässt sich besonders zeitnah auf Veränderungen des Ergebnisses der Laserbehandlung reagieren.
SI/cs 100859WO September 2011 Jedoch ist es auch möglich, die Erfassung der Scheinleistung vor und nach dem Laserbehandeln sowie der Kalibrierung der Laserparameter zeitlich entkoppelt vorzunehmen. Dazu können in bestimmten Zeitabständen
Proben des Stahlflachprodukts genommen werden, an diesen Proben die jeweilige Scheinleistung Si(7/5o vor und nach der Laserbehandlung ermittelt werden und die Parameter der Laserbehandlung in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Erfassung variiert werden. Diese Ausgestaltung erlaubt es, das erfindungsgemäße Verfahren mit vergleichbarer
Verfahrens- und Messtechnik auszuführen.
Als Parameter, die im Hinblick auf die Optimierung der Ergebnisse der Laserbehandlung variiert werden können, kommen beispielsweise der Abstand L der linienförmigen Verformungen, die Einwirkzeit tdweii des Laserstrahls, die spezifische Energiedichte Us, die Laserleistung P, die Fokusgröße As oder die Scangeschwindigkeit vsoan in Frage.
Dabei haben praktische Versuche ergeben, dass es zur
Erzielung optimaler Scheinleistung Si)7/5o zweckmäßig sein kann, den Abstand L der linienförmigen Verformungen im Bereich von 2 - 10 mm, insbesondere 4 - 7 mm, zu
variieren .
Ebenso kann eine Minimierung der über die Laserbehandlung eintretenden Veränderung der Scheinleistung Si 7/50 dadurch erzielt werden, dass die Einwirkzeit tdweii des
Laserstrahls im Bereich von 1 x IGT5 s bis 2 x KT4 s variiert wird.
SI/cs 100859 O September 2011 Im Fall, dass als Laserquelle ein Faser-Laser eingesetzt wird, kann die Laserleistung P bei den heute zur Verfügung stehenden Faser-Lasern zwecks Minimierung der über die Laserbehandlung eintretenden Veränderung der
Scheinleistung Si/7/5o im Bereich von 200 - 3000 W variiert werden. Faser-Laser haben hier den besonderen Vorteil, dass sie eine enge Fokussierung des Laserstrahls erlauben. So lassen sich mit einem Faser-Laser Spurbreiten von weniger als 20 μηη realisieren.
Es ist jedoch auch möglich, bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Laserquelle einen
C02~Laser einzusetzen. Aufgrund dessen, dass bei einem solchen Laser der Laserstrahl nicht so stark fokussiert werden kann, ist hier bei den heute zur Verfügung
stehenden C02-Lasern eine Variation der Laserleistung P im Bereich von 1000 - 5000 W zwecks Minimierung der über die Laserbehandlung eintretenden Veränderung der
Scheinleistung Si,7/so angezeigt.
Selbstverständlich lässt sich das erfindungsgemäße
Verfahren bevorzugt an solchen Stahlflachprodukten
durchführen, die mindestens mit einer Isolationsschicht belegt ist. Zusätzlich kann dabei zwischen der
Isolationsschicht und dem Stahlsubstrat des
Stahlflachprodukts beispielsweise noch eine Glas- bzw.
Forsteritschicht vorhanden sein.
Zum Nachweis der Wirkung der Erfindung sind folgende
Beispiele für eine erfindungsgemäße Vorgehensweise
untersucht worden. Es zeigen:
SI/cs 100859WO September 2011 Fig. 1 ein Diagramm, in dem die Verlustverbesserung
ΔΡι,7 5ο und Scheinleistungsänderung ÄSi,7/50 über den Abstand L der Laserspuren aufgetragen sind;
Fig. 2 ein Diagramm, in dem aus der gemessenen
Längenänderung berechnete Geräusche N als Funktion der Polarisation J dargestellt sind.
Im Rahmen systematischer Untersuchungen wurden diverse Parameter der betrieblichen Lasereinrichtung mit einem 1 kW multimode Faserlaser variiert. Die zu optimierenden Parameter waren der Abstand L der Laserlinien, die
Laserleistung P, die Fokusgröße As und die
Scangeschwindigkeit vscan-
Die empirische Auswertung einer Versuchsmatrix zeigte, dass Variationen der oben genannten Parameter bei
deutlichen Verbesserungen der Ummagnetisierungsverluste gleichzeitig drastische Änderungen der Scheinleistung bewirken können.
Als Beispiel zeigt Fig. 1 Verlustverbesserung ΔΡι)7/5ο
(durch ausgefüllte Quadrate symbolisiert) und
Scheinleistungsänderung ASi 7/50 (durch leere Kreise
symbolisiert) in Abhängigkeit vom Abstand L der
Laserspuren an. Als Bezugsgröße sind dabei jeweils die Änderungen ΔΡι,7/50 der Verlustleistung Pi,7/so und die
Änderung ASi(7 50 der Scheinleistung Si,7/50 gegenüber dem ungelaserten Zustand, d. h. dem Zustand vor der
Laserbehandlung (Arbeitsschritt b) ) angegeben.
SI/cs 100859WO September 2011 Durch Variation der Fokusgröße As und der
Scangeschwindigkeit vscanr d. h. der Geschwindigkeit, mit der der Laser bewegt wird, wurden unterschiedlich lange Einwirkzeiten tdweii des Laserstrahls auf der Oberfläche des als Bandmaterial vorliegenden Stahlflachprodukts generiert. Der Zusammenhang zwischen tdweiir As und vscan kann dabei wie folgt beschrieben werden: tdwell ~ As / vscan
Die von 1 x 1CT5 Sekunden bis 2 x 10~4 Sekunden reichende Spanne der Einwirkzeiten resultiert in einem gewissen Bereich bei gleich großen Verbesserungen der
Ummagnetisierungsverluste Pi, 7 / so in verschieden großen Scheinleistungsänderungen ASi,7/50. Es zeigte sich, dass sich bei minimierten Scheinleistungsänderungen ASi< 7/5o ein optimales Geräuschverhalten des jeweils behandelten
Stahlflachprodukts einstellt.
Folgende Beispiele zeigen den Einfluss der Einwirkzeit td eii auf Ummagnetisierungsverlust Pi,7/so und
Scheinleistung Si(7/50:
Es wurden 0,23 mm dicke Stahlbänder laserbehandelt. Die Einwirkzeit tdweii wurde dabei unter Zugrundelegung der voranstehend erläuterten Zusammenhänge variiert.
Nach Messung der magnetischen Kenngrößen ergaben sich die in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefassten
Änderungen AP1(7/50, ASi,7/5o der Ummagnetisierungsverluste Pi,7/5o und der Scheinleistung Si,7/5o:
SI/cs 100859WO 21. September 2011 Probe P As tdwell ΔΡΐ , 7/50 ASi, 7/50
[W] [mm] [s] [%] [%]
1 900 5 9, 9*10- 5 -12 + 70
2 900 5 6, 6*10- 5 -13 + 46
3 900 5 3, 3*10- 5 -13 + 18
Tabelle 1
Die Proben wurden im Folgenden hinsichtlich ihrer
magnetostriktiven Eigenschaften untersucht und daraus die im Betrieb erwarteten Geräusche berechnet. Zur Berechnung der Geräusche aus den Magnetostriktionsmessungen wurde eine Methode benutzt, die jeweils im IEC-Technical Report IEC 62581 TR sowie in der Veröffentlichung von
E. Reiplinger, "Assessment of grain-oriented transformer sheets with respect to transformer noise", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 21 (1980), 257-261, veröffentlicht worden sind.
Fig. 2 zeigt die aus der gemessenen Längenänderung
berechneten Geräusche N als Funktion der Polarisation J.
Die durchgezogene Kurve stellt in Fig. 2 den
Referenzzustand vor der Laserbehandlung dar ("ohne
Laserbehandlung"), wobei die Messwerte, die die Grundlage dieser Kurve bilden, durch schwarz gefüllte Kreise
symbolisiert sind.
Die gestrichelte Linie, deren Messwerte durch ungefüllte Quadrate gekennzeichnet sind, gibt in Fig. 2 die
Geräuschentwicklung bei einer Laserbehandlung wieder, die zu einer Veränderung der Scheinleistung Si,7/so um + 70 % geführt hat.
SI/cs 100859WO September 2011 - -
Die enger gestrichelte Linie, deren Messwerte durch ungefüllte Dreiecke gekennzeichnet sind, gibt in Fig. 2 die Geräuschentwicklung bei einer Laserbehandlung wieder, die zu einer Veränderung der Scheinleistung Si( 7/5o um
+ 46 % geführt hat.
Die gepunktete Linie, deren Messwerte durch ungefüllte Kreise gekennzeichnet sind, gibt in Fig. 2 die
Geräuschentwicklung bei einer Laserbehandlung wieder, bei der die Parameter der Laserbehandlung in erfindungsgemäßer Weise so gewählt worden sind, dass die Veränderung der Scheinleistung Si(7/50 auf + 18 % begrenzt geblieben ist.
Die mit der Laserbehandlung erzielte Veränderung ΔΡι|7/50 der Verlustleistung Pi,7/so betrug jeweils - 13 % gegenüber dem Ausgangszustand vor der Laserbehandlung.
Die berechneten Geräusche mit der erfindungsgemäß
erzielten, optimierten Scheinleistungsänderungen von
AS = +18 % sind demnach stets kleiner als beim
Ausgangs zustand.
Wird dagegen der Scheinleistung keine Beachtung geschenkt, so wird bei vergleichbaren Verlustverbesserungen eine Geräuschzunahme von 1,1 bis 1,5 dB beobachtet.
Aus Fig. 2 geht dabei zwar hervor, dass bei hohen
Aussteuerungen des Transformators bis beispielsweise
1,7 Tesla die Unterschiede der Geräuschemission zwischen einem erfindungsgemäß behandelten Stahlflachprodukt und einem konventionell behandelten Stahlflachprodukt nur noch gering sind. Sie sind jedoch auch dort immer noch
SI/cs 100859WO September 2011 systematisch gegeben. Zudem zeigen sich diese Unterschiede sofort sehr deutlich bei geringerer Aussteuerung des
Transformators, also bei kleineren magnetischen
Polarisationen.
Indem die Laserparameter erfindungsgemäß so optimiert werden, dass der Unterschied zwischen der vor und nach der Laserbehandlung gemessenen Scheinleistung Si,7 so weniger als 40 % beträgt, lässt sich somit einerseits eine
wirksame Minimierung der Verlustleistungen Pi,7 so
erreichen, andererseits aber auch die Schallemission im Betrieb minimieren. Dabei ist es unerheblich, ob der erfindungsgemäß durchgeführte Vergleich der vor und nach der Laserbehandlung gemessenen Werte der Scheinleistung Si,7/5o online am laufenden Band erfolgt oder im Rahmen zeitlich entkoppelt stattfindender Kalibrierungen
durchgeführt wird.
SI/cs 100859WO September 2011

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Erzeugen eines für die Herstellung von Teilen für elektrotechnische Anwendungen bestimmten kornorientierten Stahlflachprodukts mit minimierten magnetischen Verlustwerten und optimierten
magnetostriktiven Eigenschaften, umfassend die
Arbeitsschritte
a) Bereitstellen eines Stahlflachprodukts,
b) Laserbehandeln des Stahlflachprodukts, wobei im Zuge der Laserbehandlung in die Oberfläche des Stahlflachprodukts mittels eines mit einer Leistung P von einer Laserstrahlquelle
emittierten Laserstrahls linienförmige
Verformungen eingeformt werden, die in einem Abstand a angeordnet sind,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
d a s s die bei einer Frequenz von 50 Hertz und einer Polarisation von 1,7 Tesla ermittelte
Scheinleistung Si,7/50 des Stahlflachprodukts vor und nach der Laserbehandlung (Arbeitsschritt b) ) erfasst wird und
d a s s die Parameter der Laserbehandlung so
variiert werden, dass die Differenz zwischen der vor
SI/cs 100859WO 21. September 2011 - 2 - und nach der Laserbehandlung erfassten
Scheinleistung Si,7 so weniger als 40 % beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die
Laserbehandlung im kontinuierlichen Durchlauf
durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die jeweilige Scheinleistung Si7/5o vor und nach der Laserbehandlung im laufenden Betrieb online erfasst wird und die Parameter der Laserbehandlung in
Abhängigkeit von der Differenz der erfassten
Scheinleistungen Si/7/50 online variiert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s in bestimmten Zeitabständen Proben des
Stahlflachprodukts genommen werden, an diesen Proben die jeweilige Scheinleistung Si,7/5o vor und nach der Laserbehandlung ermittelt wird und die Parameter der Laserbehandlung in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Erfassung variiert werden.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s als Parameter der Laserbehandlung der Abstand a der linienförmigen Verformungen, die Einwirkzeit tdweii
SI/cs 100859WO September 2011 - 3 - des Laserstrahls, die spezifische Energiedichte Us, die Laserleistung P, die Fokusgröße As oder die
Scangeschwindigkeit vscan variiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Abstand a der linienf örmigen Verformungen im Bereich von
2 - 10 mm variiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Abstand a der linienf örmigen Verformungen im Bereich von
4 - 7 mm variiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Einwirkzeit tdweii des Laserstrahls im Bereich von 1 x 10"5 s bis 2 x 10~4 s variiert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s als Laserquelle ein Faser-Laser eingesetzt wird und die Leistung P im Bereich von 200 - 3000 W variiert wird .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s als Laserquelle ein C02-Laser eingesetzt wird und die
SI/cs 100859WO 21. September 2011 - 4 -
Leistung P im Bereich von 1000 - 5000 W variiert wird .
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s das Stahlflachprodukt mit einer Isolationsschicht belegt ist.
SI/cs 100859WO 21. September 2011
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