JP2004124226A

JP2004124226A - 磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造装置および方法

Info

Publication number: JP2004124226A
Application number: JP2002293559A
Authority: JP
Inventors: Tatsuhiko Sakai; 坂井　辰彦
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-07
Also published as: JP4227388B2

Abstract

【課題】レーザ照射により磁気特性を改善する方向性電磁鋼板の製造技術において、二つ以上の異なるレーザ照射方法を単一の装置で実現し、表面照射痕と磁気特性を制御可能な方向性電磁鋼板の製造装置と方法を提供する。
【解決手段】切り替え装置を備えた２枚以上の集光焦点距離の異なるビーム走査方向集光円柱ミラーまたはレンズと、１枚のビーム走査平面ミラーと、１枚の走査集光ミラーまたはレンズと、１枚の圧延方向集光円柱ミラーまたはレンズを備える磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造装置であり、また、ビーム走査方向集光円柱ミラーを切り替えることにより、走査線方向の集光径を変更し、磁歪特性と外観を制御する磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法である。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造装置と製造方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、方向性電磁鋼板の製造方法において、鋼板表面にグラス皮膜を形成し、更に絶縁コーティングを施した後に鋼板表面に力学的応力歪みを導入し、局所的還流磁区を形成することで１８０　°磁区を細分化し、鉄損を減少させる方法が種々提案されてきた。
【０００３】
これらの方法は、例えば、特許文献１や特許文献２等に開示されるような、鋼板表面のグラス皮膜をパルスレーザにより蒸発飛散させ、その反力により歪みを導入する方法と、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６等に開示されているような、鋼板表面の急加熱・急冷により歪みを導入し、グラス皮膜に損傷を与えない方法の二つの方法に大別される。特に後者の方法では、レーザ照射の後に錆防止と絶縁のための再コーティングを行う必要がないという利点を有する。
【０００４】
前者の照射痕が発生する方法では、レーザビームは一般にφ０．５ｍｍ以下の微小スポットに集光され、高いパワー密度により表面皮膜を蒸発飛散させる。後者の方法では、一般にレーザビームはビームの走査線方向に長軸を持つ、例えば０．３５ｍｍ×１０ｍｍ程度の長楕円形状に集光され、パワー密度は低く抑えることにより表面皮膜の蒸発を抑制し、熱歪みを与えている。従って、集光形状が大きく異なるため、これら二つの手法を同じ生産設備で切り替えて行うレーザ照射装置は従来になかった。
【０００５】
また、これらの二つの手法で製造された方向性電磁鋼板の特徴的な磁気特性についての知見に乏しく、そのため異なる製造方法の生産設備を独立に持つという要求も発想もなく、ましては同じ生産設備で共有するという発想はなかった。
【０００６】
【特許文献１】
特公昭５８−２６４０５号公報
【特許文献２】
特開平６−５７３３３号公報
【特許文献３】
米国特許第４，６４５，５４７号公報
【特許文献４】
特公昭６２−４９３２２号公報
【特許文献５】
特公平５−３２８８１号公報
【特許文献６】
特開平１０−２０４５３３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、レーザ照射により磁気特性を改善する方向性電磁鋼板の製造技術において、二つ以上の異なるレーザ照射方法を単一の装置で実現し、表面照射痕と磁気特性を制御可能な方向性電磁鋼板の製造装置と方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、鋼板の圧延方向に対して概垂直で、且つ概一定間隔でレーザビームを走査照射して鉄損特性を改善する方向性電磁鋼板の製造装置において、切り替え装置を備えた２枚以上の集光焦点距離の異なるビーム走査方向集光円柱ミラーまたはレンズと、１枚のビーム走査平面ミラーと、１枚の走査集光ミラーまたはレンズと、１枚の圧延方向集光円柱ミラーまたはレンズを備えることを特徴とする磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造装置、である。
【０００９】
また、本発明は、前記の２枚以上のビーム走査方向集光円柱ミラーを切り替えることにより、鋼板上の集光ビーム形状を、圧延方向集光径を一定に維持したまま、走査線方向の集光径を変更することを特徴とする磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法、である。
【００１０】
【発明の実施の形態・実施例】
以下に実施例を用いて、本発明を詳細に説明する。
【００１１】
本発明者らは、主に表面のレーザ照射痕の有無で特徴づけられる、表１に示す二つのレーザ照射条件にて製造された方向性電磁鋼板の磁気特性を詳細に解析した。その結果、表１に示すように双方ともレーザ照射後の周波数５０Ｈｚの交番磁界１．７Ｔにおける鉄損Ｗ１７／５０は同等であることが判明した。一方で、磁歪特性は磁束密度Ｂｍによって、それぞれの条件で特徴的であることを発見した。
【００１２】
図３は表１に示す二つのレーザ照射条件で製造された方向性電磁鋼板の磁束密度Ｂｍと磁歪λｐ−ｐの測定結果である。なお、この結果は後述する図１の本発明の装置を用いて得られた結果である。λｐ−ｐは磁束密度Ｂｍにおける圧延方向の鋼板伸縮率（＝圧延方向鋼板伸縮量／鋼板長さ）に相当し、交番磁界の下では周期的な伸縮によりトランスの騒音に大きく影響するパラメータである。図３に示すように、磁歪照射痕が発生した条件１ではλｐ−ｐの値は、１．７Ｔ以下の中低磁場で比較的小さく、１．７Ｔ以上の高磁場では大きい。一方、表面照射痕の発生しない条件２では、その傾向が逆転することがわかった。従って、照射方法によって磁歪特性を制御することが可能であり、その結果、トランスの設計磁束密度にあわせて、低い磁歪特性をもつ電磁鋼板の製品供給が可能となる。
【００１３】
また表１に示すように、ビームの圧延方向径は固定のままで、ビーム走査方向の集光径を変えることで、鋼板表面のレーザエネルギー密度が増減し、表面照射痕の有無が決まる。外観上、周期的な表面照射痕の有無もまた製品性能を表す一つの重要な特徴である。例えば、レーザ照射され鉄損特性が改善された製品か否かを容易に判別するための目印として利用可能である。従って、磁気特性、外観を用途にあわせて製造できるこれらの異なる照射方法をすべて持つことの利点は大きく、更にそれが一つのレーザ照射装置で実現できれば、設備の簡略化も可能となる。
【００１４】
【表１】

【００１５】
そこで、同じレーザ出力特性でも、照射ビーム形状により磁歪特性を制御できる点に着目し、本発明では、最小限の光学素子の切り替えで、特に板幅方向、すなわちビームの走査線方向径を変更し、同一の装置で製造方法を変更する装置を考案した。
【００１６】
図１は本発明の実施例の模式図である。図示されないパルス発振ＣＯ_２レーザより出力されたレーザビーム１はほぼ真円形状をしており、まず走査線方向集光円柱ミラー２により走査線方向のみ反射集光される。ここでミラー２として焦点距離の異なる２枚の円柱ミラーを備えており、ミラー切り替え装置３による水平移動により切り替えが可能である。２枚の円柱ミラーの実効焦点距離はｆｓ１およびｆｓ２である。尚、実効焦点距離は、ビームの反射角と円柱ミラーの曲率半径で決まる値である。ミラー２からの反射ビームは回転多角形ミラーからなる走査平面ミラー４により、圧延方向に概垂直な方向に走査される。その後、１枚の放物面ミラーからなる走査集光ミラー５により、圧延方向と走査線方向の双方が集光され反射される。放物面ミラー５の焦点距離はｆｐである。最後に実効焦点距離ｆｒをもつ圧延方向集光円柱ミラー６により、更に圧延方向に集光され、方向性鋼板７に走査照射される。ここで照射集光形はビーム走査方向幅ｄｓおよび圧延方向幅ｄｒである。また、各照射点の間隔Ｐｓは走査速度とレーザパルスの繰り返し周波数により決定される。ここで走査線方向集光円柱ミラー２の集光方向と圧延方向集光円柱ミラー６の集光方向は互いに直交するように配置されており、従って、互いの集光性に影響することはない。よって、この構成では、走査線方向の集光径ｄｓは、ミラー２、５の焦点距離ｆｓ１またはｆｓ２とｆｐの組み合わせにより決定され、圧延方向の集光径ｄｒはミラー５、６の焦点距離ｆｐとｆｒにより決定される。従って、本装置ではミラー２を切り替えることで、走査線方向の集光径ｄｓのみを変更することが可能である。
【００１７】
図２は実施例として行った二つの照射条件における圧延方向および走査線方向のビーム伝搬・集光特性の計算結果である。条件１としてｆｓ１＝１３００ｍｍ、条件２としてｆｓ２＝４００ｍｍ、条件１，２の共通条件としてｆｐ＝３８０ｍｍ、ｆｒ＝２００ｍｍである。ここでビーム伝搬・集光特性はレーザ装置のリアミラーを起点としたビーム伝搬距離とビーム直径の関係である。図２の計算結果より本実施例では、ミラー２の切り替えにより、ｄｓは条件１にて０．３ｍｍ、条件２にて１０ｍｍに集光されていることがわかった。この際、圧延方向の集光径ｄｒは双方とも０．２０ｍｍであった。この二つの集光条件にて、表１に示す他の照射条件を設定して厚さ０．２３ｍｍの方向性電磁鋼板にレーザ照射を行い、表面照射痕と磁歪特性を比較したところ前述した表１および図３の結果が得られたものである。
【００１８】
また本発明は、複数の鋼板コイルを溶接にて接合して、連続してレーザ照射を行い、磁気特性を改善する生産設備へ適用できる。この際、鋼板コイル毎に磁気特性、または表面照射痕の有無を制御したい場合は、鋼板の移動方向に対してレーザ照射部の上流にコイルの溶接点検知装置を設置し、溶接点を検出した時間、検出位置とレーザ照射位置との距離、鋼板移動速度から、走査線方向集光円柱ミラー２を切り替えるタイミングを計算し、連続するコイルの溶接点前後で照射条件を変更すればよい。
【００１９】
なお、本実施例では走査線方向集光円柱ミラーとして集光距離の異なる２枚のミラー切り替えの場合を示したが、必要によって２枚以上のミラーを使用してもよく、また集光ミラーの代わりにレンズを用いてもかまわない。更に走査平面ミラーとして振動ミラー、走査集光ミラーとしてｆθレンズを用いてもかまわない。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、同一のレーザ照射設備により、異なる照射条件にてレーザビームを照射する装置が実現され、方向性電磁鋼板を用途に合わせた磁気特性にて製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置構成の説明図である。
【図２】本発明の実施例の条件にて得られる、ビーム伝搬・集光形状の計算結果を示す図である。
【図３】本発明の装置、および方法で製造された方向性電磁鋼板の磁歪特性を示す図である。
【符号の説明】
１…レーザビーム
２…走査方向集光円柱ミラー
３…ミラー切り替え装置
４…ビーム走査平面ミラー
５…走査集光ミラー
６…圧延方向集光円柱ミラー
７…方向性電磁鋼板
ｆｓ１、ｆｓ２…走査方向集光円柱ミラーの実効焦点距離
ｆｐ…走査集光ミラーの焦点距離
ｆｒ…圧延方向集光円柱ミラーの実効焦点距離
ｄｓ…集光ビームの走査線方向径
ｄｒ…集光ビームの圧延方向径
Ｐｓ…走査線方向の各照射点間隔

Claims

鋼板の圧延方向に対して垂直で、且つ一定間隔でレーザビームを走査照射して鉄損特性を改善する方向性電磁鋼板の製造装置において、ミラー切り替え装置を備えた２枚以上の集光焦点距離の異なるビーム走査方向集光円柱ミラーまたはレンズと、ビーム走査平面ミラーと、走査集光ミラーまたはレンズと、圧延方向集光円柱ミラーまたはレンズを備えることを特徴とする磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造装置。
請求項１記載の装置を用い、前記の２枚以上のビーム走査方向集光円柱ミラーまたはレンズを切り替えることにより、鋼板上の集光ビーム形状を、圧延方向集光径を一定に維持したまま、走査線方向の集光径を変更することを特徴とする磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
レーザ照射を行う方向性電磁鋼板の連続製造設備にて、鋼板の溶接点を検出したタイミングを基に、前記ビーム走査方向集光円柱ミラーまたはレンズを切り替えることを特徴とする請求項２記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。