EP2675927B1

EP2675927B1 - Verfahren zum erzeugen eines kornorientierten stahlflachprodukts

Info

Publication number: EP2675927B1
Application number: EP11761066.7A
Authority: EP
Inventors: Eyup DUMAN; Christof Holzapfel; Thorsten KRENKE; Ludger Lahn; Régis Lemaitre; Chaoyong Wang; Thierry BELGRAND
Original assignee: ThyssenKrupp Electrical Steel GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Electrical Steel GmbH
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2019-09-18
Anticipated expiration: 2031-09-22
Also published as: MX2013009016A; CN103429767B; JP2014512453A; PL2675927T3; WO2012110111A1; DE102011000712A1; JP5822243B2; KR20130114246A; US20140034193A1; RU2013138224A; KR101581878B1; MX367050B; RU2547377C2; EP2675927A1; BR112013019877B1; BR112013019877A2; CN103429767A; ES2759823T3

Description

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 Kleintransformatoren.
Wie im Einzelnen beispielsweise in der EP 1 025 268 B1 erläutert, wird allgemein im Zuge der Herstellung von 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 % Al 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 Entzunderungs- 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 "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 Abteilen 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 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 B1 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 B1 , EP 0 100 638 B1 , EP 1 607 487 A1 ). 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 t_dwell und die spezifische Energiedichte U_s gehören. Die Abstimmung dieser Parameter hat entscheidenden Einfluss auf die jeweils erreichte Verminderung der Ummagnetisierungsverluste.
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 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 B1 , DE 698 35 923 T2 / EP 0 897 016 B1 , EP 2 006 397 A1 , EP 1 607 487 A1 ). Die Optimierung der Parameter der Laserbehandlung ist dabei jedoch jeweils nur mit Blick auf eine Verbesserung der Ummagnetisierungsverluste vorgenommen worden.
Neben dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ist aus der JP-A-2005 226122 ein System bekannt, mit dem es möglich sein soll, die magnetischen Eigenschaften eines elektromagnetischen Stahlblechs präzise vorherzusagen, nachdem es zur Einstellung seiner magnetischen Domäne einer Laserbehandlung unterzogen worden ist.
Des Weiteren ist es auch aus der WO 2009/082155 A1 bekannt, dass durch eine Laserbehandlung die magnetischen Eigenschaften eines Stahlblechs für elektromagnetische Anwendungen durch Verfeinerung der magnetischen Domänen so optimiert werden können, dass minimierte Eisenverluste erzielt werden.
Schließlich ist aus der DE 600 04 244 T2 ein Verfahren zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften eines aus einem kornorientierten Siliziumstahl bestehenden Stahlblechs bekannt, das ein sekundäres Rekristallisationsfertigglühen durchlaufen hat und mit einem Isolierüberzug versehen ist. Bei diesem Verfahren wird das in einer Bewegungsrichtung bewegte Stahlblech mit einem CO2-Emissionslaser mit einer Wellenlänge von 10,46 µm in einer in Bezug auf die Bewegungsrichtung querverlaufenden Richtung kontinuierlich abgetastet. Die hierzu gewählten Prozessparameter "spezifische Strahlungsenergie", "Verweilzeit" und "Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Spuren des Laserstrahls auf dem Stahlblech" werden innerhalb von 0,1 und 25 mJ/mm², 1x10^-6s - 1x10^-2 s sowie 2 - 12 mm synchron und kontinuierlich eingestellt, um die Verbesserung von wenigstens einer der magnetischen Kenngrößen des Blechs zu optimieren, wobei die Wahl zwischen Magnetostriktion, Induktion und Kernverlusten besteht, die vor und nach der Laserstrahlbehandlung kontinuierlich gemessen werden.
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

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 S_{1,7/50 NACH} optimiert ist.
Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß die bei einer Frequenz von 50 Hertz und einer Polarisation von 1,7 Tesla ermittelte Scheinleistung S_1,7/50 des mit dem Laserstrahl zu behandelnden Stahlflachprodukts vor und nach der Laserbehandlung (Arbeitsschritt b)) erfasst.
In Abhängigkeit von der Differenz zwischen der vor der Laserbehandlung erfassten Scheinleistung S_{1,7/50 VOR} und der nach der Laserbehandlung erfassten Scheinleistung S_{1,7/50 NACH} werden dann als Parameter der Laserbehandlung der Abstand a der linienförmigen Verformungen, die Einwirkzeit t_dwell des Laserstrahls, die spezifische Energiedichte U_s, die Laserleistung P, die Fokusgröße Δs oder die Scangeschwindigkeit v_scan so variiert, dass die Differenz zwischen der vor und nach der Laserbehandlung jeweils erfassten Scheinleistung S_1,7/50 weniger als 40 % beträgt.
Die Parameter der Laserbehandlung werden somit erfindungsgemäß so eingestellt, dass eine im Zuge der Laserbehandlung sich einstellende Zunahme der Scheinleistung S_1,7/50 eines erfindungsgemäß verarbeiteten Stahlflachprodukts durch Einstellung der Parameter der Laserbehandlung so begrenzt wird, dass die nach der Laserbehandlung erfasste Scheinleistung S_{1,7/50 NACH} folgende Bedingung erfüllt: $S_{1,7 / 50 NACH} < 1,4 \times S_{1,7 / 50 VOR}$
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 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 P_1,7/50 und der Scheinleistung S_1,7/50. 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 S_1,7/50 vor und nach der Laserbehandlung im laufenden Betrieb online erfasst wird und die Parameter der Laserbehandlung in Abhängigkeit von der Differenz der erfassten Scheinleistungen S_1,7/50 online variiert werden, lässt sich besonders zeitnah auf Veränderungen des Ergebnisses der Laserbehandlung reagieren.
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 S_1,7/50 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.
Dabei haben praktische Versuche ergeben, dass es zur Erzielung optimaler Scheinleistung S_1,7/50 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 S_1,7/50 dadurch erzielt werden, dass die Einwirkzeit t_dwell des Laserstrahls im Bereich von 1 x 10^-5 s bis 2 x 10^-4 s variiert wird.
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 S_1,7/50 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 µm realisieren.
Es ist jedoch auch möglich, bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Laserquelle einen CO₂-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 CO₂-Lasern eine Variation der Laserleistung P im Bereich von 1000 - 5000 W zwecks Minimierung der über die Laserbehandlung eintretenden Veränderung der Scheinleistung S_1,7/50 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:

Fig. 1: ein Diagramm, in dem die Verlustverbesserung ΔP_1,7/50 und Scheinleistungsänderung ΔS_1,7/50 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 Δs und die Scangeschwindigkeit v_scan.
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 ΔP_1,7/50 (durch ausgefüllte Quadrate symbolisiert) und Scheinleistungsänderung ΔS_1,7/50 (durch leere Kreise symbolisiert) in Abhängigkeit vom Abstand L der Laserspuren an. Als Bezugsgröße sind dabei jeweils die Änderungen ΔP_1,7/50 der Verlustleistung P_1,7/50 und die Änderung ΔS_1,7/50 der Scheinleistung S_1,7/50 gegenüber dem ungelaserten Zustand, d. h. dem Zustand vor der Laserbehandlung (Arbeitsschritt b)) angegeben.
Durch Variation der Fokusgröße Δs und der Scangeschwindigkeit v_scan, d. h. der Geschwindigkeit, mit der der Laser bewegt wird, wurden unterschiedlich lange Einwirkzeiten t_dwell des Laserstrahls auf der Oberfläche des als Bandmaterial vorliegenden Stahlflachprodukts generiert. Der Zusammenhang zwischen t_dwell, Δs und v_scan kann dabei wie folgt beschrieben werden: $t_{dwell} = Δ s / v_{scan}$
Die von 1 x 10^-5 Sekunden bis 2 x 10^-4 Sekunden reichende Spanne der Einwirkzeiten resultiert in einem gewissen Bereich bei gleich großen Verbesserungen der Ummagnetisierungsverluste P_1,7/50 in verschieden großen Scheinleistungsänderungen ΔS_1,7/50. Es zeigte sich, dass sich bei minimierten Scheinleistungsänderungen ΔS_1,7/50 ein optimales Geräuschverhalten des jeweils behandelten Stahlflachprodukts einstellt.
Folgende Beispiele zeigen den Einfluss der Einwirkzeit t_dwell auf Ummagnetisierungsverlust P_1,7/50 und Scheinleistung S_1,7/50:
Es wurden 0,23 mm dicke Stahlbänder laserbehandelt. Die Einwirkzeit t_dwell wurde dabei unter Zugrundelegung der voranstehend erläuterten Zusammenhänge variiert.
Nach Messung der magnetischen Kenngrößen ergaben sich die in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefassten Änderungen ΔP_1,7/50, ΔS_1,7/50 der Ummagnetisierungsverluste P_1,7/50 und der Scheinleistung S_1,7/50: Tabelle 1

Probe P [W] Δs [mm] t_dwell [s] ΔP_1,7/50 [%] ΔS_1,7/50 [%]

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
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 S_1,7/50 um + 70 % geführt hat.
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 S_1,7/50 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 S_1,7/50 auf + 18 % begrenzt geblieben ist.
Die mit der Laserbehandlung erzielte Veränderung ΔP_1,7/50 der Verlustleistung P_1,7/50 betrug jeweils - 13 % gegenüber dem Ausgangszustand vor der Laserbehandlung.
Die berechneten Geräusche mit der erfindungsgemäß erzielten, optimierten Scheinleistungsänderungen von ΔS = +18 % sind demnach stets kleiner als beim Ausgangszustand.
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 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 S_1,7/50 weniger als 40 % beträgt, lässt sich somit einerseits eine wirksame Minimierung der Verlustleistungen P_1,7/50 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 S_1,7/50 online am laufenden Band erfolgt oder im Rahmen zeitlich entkoppelt stattfindender Kalibrierungen durchgeführt wird.

Claims

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,
dadurch gekennzeichnet,
dass die bei einer Frequenz von 50 Hertz und einer Polarisation von 1,7 Tesla ermittelte Scheinleistung S_1,7/50 des Stahlflachprodukts vor und nach der Laserbehandlung (Arbeitsschritt b)) erfasst wird und
dass als Parameter der Laserbehandlung der Abstand a der linienförmigen Verformungen, die Einwirkzeit t_dwell des Laserstrahls, die spezifische Energiedichte U_s, die Laserleistung P, die Fokusgröße Δs oder die Scangeschwindigkeit v_scan so variiert werden, dass die Differenz zwischen der vor und nach der Laserbehandlung erfassten Scheinleistung S_1,7/50 weniger als 40 % beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbehandlung im kontinuierlichen Durchlauf durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Scheinleistung S_1,7/50 vor und nach der Laserbehandlung im laufenden Betrieb online erfasst wird und die Parameter der Laserbehandlung in Abhängigkeit von der Differenz der erfassten Scheinleistungen S_1,7/50 online variiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in bestimmten Zeitabständen Proben des Stahlflachprodukts genommen werden, an diesen Proben die jeweilige Scheinleistung S_1,7/50 vor und nach der Laserbehandlung ermittelt wird und die Parameter der Laserbehandlung in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Erfassung variiert werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand a der linienförmigen Verformungen im Bereich von 2 - 10 mm variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand a der linienförmigen Verformungen im Bereich von 4 - 7 mm variiert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkzeit t_dwell des Laserstrahls im Bereich von 1 x 10^-5 s bis 2 x 10^-4 s variiert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Laserquelle ein Faser-Laser eingesetzt wird und die Leistung P im Bereich von 200 - 3000 W variiert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Laserquelle ein CO₂-Laser eingesetzt wird und die Leistung P im Bereich von 1000 - 5000 W variiert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlflachprodukt mit einer Isolationsschicht belegt ist.