JP5429213B2 - 鉄損特性の優れた一方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ照射等で残留応力を導入して磁区制御を施した鉄損特性に優れた一方向性電磁鋼板の製造方法に関する。

鋼板の圧延方向（以下Ｌ方向）に磁化容易軸を有する一方向性電磁鋼板は、主にトランスなどに用いられているが、近年エネルギー節約の観点から鉄損を低減することが強く要望されている。

電磁鋼板の鉄損は、大別して、ヒステリシス損と渦電流損からなる。ヒステリシス損は結晶方位、欠陥、粒界等により、また、渦電流損は板厚、電気抵抗、磁区幅等により影響を受けることが知られている。ヒステリシス損低減のために結晶方位を制御、改善する手法には限界があるので、近年、鉄損の多くを占める渦電流損を低減するため、磁区幅の細分化、即ち、磁区を制御する技術が多く提案されている。

その方法の一つとして、特許文献１に、一方向性電磁鋼板の製造方法として、ＹＡＧレーザ照射により圧延方向にほぼ垂直で、かつ、圧延方向に周期的な線状の歪みを導入して、鉄損を低減する方法が開示されている。レーザ磁区制御の原理は、レーザビームの走査照射により導入した表面歪みに起因して、１８０°磁区幅が細分化され、鉄損が低減するというものである。

図１に、一般的な積層型変圧器の製造過程を示す。図１（ａ）に、鋼板の剪断態様を示し、図１（ｂ）に、剪断した鋼板を積層した変圧器鉄芯の態様を示す。図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、鉄心各部の磁化方向Ｍと鋼板のＬ方向が一致するように電磁鋼板を剪断し、剪断された電磁鋼板３を積層して変圧器鉄心４を製造する。鉄心のほとんどの部分で、鋼板のＬ方向と磁化方向Ｍが一致するので、変圧器鉄心４の鉄損は、素材鋼板のＬ方向鉄損にほぼ比例する。

しかし、鋼板継手部５では、磁化方向は、素材鋼板のＬ方向から外れるので、素材鋼板のＬ方向鉄損とは異なり、Ｌ方向と直交する板幅方向（以下「Ｃ方向」ということがある。）の鉄損成分の影響を受けて、鉄損増加領域６が発生して、変圧器鉄心４全体の鉄損が劣化することになる。

特に、レーザ照射等によりＬ方向鉄損を大きく低減した一方向性電磁鋼板を剪断して積層した鉄心においては、Ｃ方向鉄損の影響度が相対的に大きくなり、素材鋼板の優れたＬ方向鉄損特性を、変圧器の性能に十分に生かすことができないという問題がある。

したがって、レーザ照射等によりＬ方向鉄損を低減した高級方向性電磁鋼板、及び、その製造方法においては、優れたＬ方向鉄損特性を維持したままで、Ｃ方向鉄損も低減することが強く求められている。

しかし、Ｃ方向鉄損を改善するメカニズムについては解明されておらず、Ｌ、Ｃ両方向において鉄損を同時に低減する方向性電磁鋼板の製造方法は、現在、確立されていない。

従来の鉄損改善技術においては、Ｌ方向鉄損を低減することに主眼がおかれている。例えば、特許文献２には、レーザビームのモード、集光径、パワー、ビームの走査速度、照射ピッチ等の最適範囲を規定して、Ｌ方向鉄損を低減することが開示されているが、Ｃ方向の鉄損低減については考慮されていない。

しかし、Ｃ方向鉄損の改善に着目した方法が、幾つか提案されている。例えば、特許文献３には、Ｌ方向に平行にレーザを照射する方法が開示されている。この方法では、Ｃ方向鉄損は改善されるものの、Ｌ方向鉄損は十分に改善されない。

前述のように、変圧器鉄損は、Ｌ方向鉄損が支配要因となるので、Ｌ方向に垂直にレーザ照射してＬ方向鉄損を改善した素材鋼板に比べ、変圧器鉄損は劣るという問題がある。

特許文献４には、Ｌ、Ｃ両方向にレーザを照射して、両方向の鉄損を改善する方法が開示されている。しかし、この方法では、レーザを、別々に、２回照射する必要があるので、製造工程が複雑となり、また、生産効率が半減することから、工業的には不向きであるという問題がある。

特公平６-１９１１２号公報 国際公開ＷＯ０４／０８３４６５号パンフレット 特開昭５６−５１５２２号公報 特開昭５６−１０５４５４号公報

本発明は、レーザ照射等を行って鉄損を低減する一方向性電磁鋼板の製造方法において、Ｌ、Ｃ両方向の鉄損を同時に低減することができ、かつ、簡単で生産性が高く、工業的に耐え得る一方向性電磁鋼板の製造方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、レーザ照射等で、歪みや、残留応力を導入して、磁区制御を施した一方向性電磁鋼板において、レーザ照射等で導入した残留応力の分布と、Ｌ方向及びＣ方向鉄損の関係について鋭意研究した。その結果、残留応力の分布と鉄損の間には、相関関係があり、該相関関係に基づけば、Ｌ、Ｃ両方向の鉄損特性の優れた一方向性電磁鋼板を実現することが判明した。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は、以下の通りである。

（１）鋼板表面に、線状歪みを導入して磁区を制御する一方向性電磁鋼板の製造方法において、歪みの量が異なる二種以上の線状歪みを、レーザビーム照射により、
（ｉ）鋼板の圧延方向に交差する方向に、かつ、
（ii）鋼板の圧延方向に周期的に
導入する一方向性電磁鋼板の製造方法であって、
前記レーザビーム照射を、照射条件が異なる主レーザビーム照射と補助レーザビーム照射に分け、補助レーザビーム照射を、主レーザビーム照射と主レーザビーム照射の間で行い、
圧延方向の主レーザビームの照射間隔PLが２mm≦PL≦６mmを満たし、
前記主レーザビーム照射による平均照射エネルギー密度と前記補助レーザビーム照射による平均照射エネルギー密度との比が、５／４〜２０／３であることを特徴とする一方向性電磁鋼板の製造方法。

（２）鋼板表面に、線状歪みを導入して磁区を制御する一方向性電磁鋼板の製造方法において、歪みの量が異なる二種以上の線状歪みを、レーザビーム照射により、
（ｉ）鋼板の圧延方向に交差する方向に、かつ、
（ii）鋼板の圧延方向に周期的に
導入する一方向性電磁鋼板の製造方法であって、
前記レーザビーム照射を、照射条件が異なる主レーザビーム照射と補助レーザビーム照射に分け、補助レーザビーム照射を、主レーザビーム照射と主レーザビーム照射の間で行い、
レーザパワーをＰ（Ｗ）、ビーム走査速度をＶc（mm／ｓ）、圧延方向の照射間隔をPL（mm）とし、平均照射エネルギー密度を、下記（１）式で定義し、前記主レーザビーム照射の照射エネルギー密度をＵa1とし、前記補助レーザビーム照射の照射エネルギー密度をＵa2としたとき、
（ａ）主レーザビーム照射のPL及びＵa1が、それぞれ、２mm≦PL≦６mm、及び、０．５（ｍＪ／mm²）≦Ｕa１≦２．０（ｍＪ／mm²）を満たし、かつ
（ｂ）主レーザビーム照射の間に照射する補助レーザビーム照射のＵa2が、０．６（ｍＪ／mm²）≦Ｕa2の総和≦１．５（ｍＪ／mm²）を満たす
ことを特徴とする一方向性電磁鋼板の製造方法。
Ｕa＝Ｐ／（Ｖc×PL）（ｍＪ／mm²） ・・・（１）

（３）前記鋼板の板幅方向に垂直な断面において、前記歪みによって生じた圧延方向の圧縮残留応力をσ（kgf/mm²）、該断面の圧縮残留応力が存在する領域をＳ（mm²）、面積素片をｄｓとして、積分圧縮応力値σＳ（kgf）を、下記（２）式で定義し、前記主レーザビーム照射で導入した線状歪み近傍の板幅方向に垂直な断面における圧延方向の二次元残留応力分布において、積分圧縮応力値をσＳ1（kgf）とし、前記補助レーザビーム照射で導入した線状歪み近傍の板幅方向に垂直な断面における圧延方向の二次元残留応力分布において、積分圧縮応力値をσＳ2（kgf）としたとき、σＳ1（kgf）が下記（３）式を満たし、σＳ2（kgf）が下記（４）式を満たすことを特徴とする前記（２）に記載の一方向性電磁鋼板の製造方法。
σＳ＝∫Sσｄｓ ・・・（２）
０．０２（kgf）≦σＳ1≦０．０８（kgf） ・・・（３）
０．０１（kgf）≦σＳ2の総和≦０．０４（kgf） ・・・（４）

（４）前記主レーザビーム照射で導入した線状歪みの間隔PL（mm）が２mm以上６mm以下であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の一方向性電磁鋼板の製造方法。
（５）前記鋼板の圧延方向に交差する方向が板幅方向であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の一方向性電磁鋼板の製造方法。

本発明によれば、Ｌ、Ｃ両方向の鉄損をともに低減した一方向性電磁鋼板を提供することができる。そして、本発明の一方向性電磁鋼板を剪断して変圧器を製造すれば、変圧器鉄損を、従来に比べて、大幅に低減することができる。また、本発明によれば、一方向性電磁鋼板を、連続製造ラインで容易に製造することができる。

一般的な積層型変圧器の製造過程を示す図である。（ａ）は、鋼板の剪断態様を示し、（ｂ）は、剪断した鋼板を積層した変圧器鉄芯の態様を示す。 レーザ照射装置と照射態様を模式的に示す図である。（ａ）は、全体的なレーザ照射態様を示し、（ｂ）は、鋼板上でのレーザ照射態様を示す。 レーザ照射位置近傍の板幅方向に垂直な断面における、圧延方向の二次元残留応力分布を示す図である。 積分圧縮応力値σＳと渦電流損Ｗeの関係を示す図である（照射ピッチを４mmに固定）。 積分圧縮応力値σＳとＬ方向鉄損Ｗ_17/50の関係を示す図である（照射ピッチを４mmに固定）。 積分圧縮応力値σＳとＣ方向鉄損Ｗ_5/50の関係を示す図である（照射ピッチを４mmに固定）。 照射間隔PLとＬ方向鉄損Ｗ_17/50の関係を示す図である（圧延方向照射径ｄlを０．１mmに、スキャン方向照射径ｄcを０．５mmに固定）。 照射ピッチPLとＣ方向鉄損Ｗ_5/50の関係を示す図である（圧延方向照射径ｄlを０．１mmに、スキャン方向照射径ｄcを０．５mmに固定）。 主積分圧縮応力値σＳ1及び補助積分圧縮応力値σＳ2の総和とＬ方向鉄損Ｗ_17/50の関係を示す図である（圧延方向照射径ｄlを０．１mm、スキャン方向照射径ｄcを０．５mmに固定）。 補助積分圧縮応力値σＳ2の総和及び主積分圧縮応力値σＳ1と、Ｃ方向鉄損Ｗ_5/50の関係を示す図である（圧延方向照射径ｄlを０．１mmに、スキャン方向照射径ｄcを０．５mmに固定）。 本発明における主積分圧縮応力値σＳ1と補助積分圧縮応力値σＳ2の総和の最適な範囲を示す図である。 本発明における主レーザ照射ピッチPLの最適な範囲を示す図である。 本発明における主レーザ照射エネルギー密度Ｕa1と補助レーザ照射エネルギー密度Ｕa2の総和の最適な範囲を示す図である。 本発明におけるレーザ照射の一態様を示す図である。（ａ）は、本発明で用いるレーザ励起電流指令装置の入力タイムチャートの一例を示し、（ｂ）は、鋼板上への照射態様を示す。

本発明者らは、一方向性電磁鋼板の表面に、レーザ照射等により、圧延方向にほぼ垂直の線状の歪みを一定間隔で導入して鉄損特性を改善する方法において、種々のレーザ照射条件のもとで、板幅方向に垂直な断面における圧延方向の二次元残留応力分布、照射ピッチ、及び、平均照射エネルギー密度Ｕaについて着目し、これらの相関関係について、鋭意調査した。その結果、本発明者らは、Ｌ、Ｃ両方向の鉄損特性の優れた一方向性電磁鋼板を製造することができるレーザ照射方法を見出した。

以下、図面に基づいて、本発明のレーザ照射方法により、Ｌ、Ｃ両方向の鉄損特性の優れた一方向性電磁鋼板を製造する方法について説明する。なお、一方向性電磁鋼板の表面に、圧延方向にほぼ垂直の線状の歪みを一定間隔で導入する手法としては、レーザ照射の他に、イオン注入法、放電加工法、局部メッキ法等があるが、線状歪み導入手法は、いずれの手法でもよい。

図２に、レーザ照射装置と照射態様を模式的に示す。図２（ａ）に、全体的なレーザ照射態様を示し、図２（ｂ）に、鋼板上でのレーザ照射態様を示す。

図２（ａ）に示すように、レーザ装置７から出力し、円柱レンズ又は組円柱レンズ１０を通過したレーザビームLBを、ポリゴンミラー８とfθレンズ９を用いて、電磁鋼板１上に走査照射して、レーザ照射痕２を形成する。

図２（ｂ）に示すように、レーザビームLBの集光スポットの圧延方向集光径をｄl、ビームスキャン方向の集光径（スキャン方向長）ｄcとする。円柱レンズ又は組円柱レンズ１０で、必要に応じて、レーザビームLBのビームスキャン方向の集光径ｄcを変化させて、集光形状を、円形から楕円形まで制御する。

レーザパワーＰを変化させて、平均照射エネルギー密度Ｕa（ｍＪ／mm^２）を変化させた。Ｕa（ｍＪ／mm^２）は、レーザ照射位置間隔PL（mm）、レーザビーム走査速度Ｖc（ｍ／ｓ）、及び、レーザパワーＰ（Ｗ）を用いて、下記式（１）で定義される。
Ｕa（ｍＪ／mm²）＝Ｐ／（Ｖc×PL） ・・・（１）

図２に示すレーザ装置を用いれば、二種類以上の異なる照射条件、即ち、異なる平均照射エネルギー密度Ｕaで、周期的にレーザを照射するために、ポリゴンミラー８の回転速度と同期させたレーザ励起電流指令装置１１を用いて（図２（ａ）、参照）、周期的にレーザパワーＰを設定して、照射エネルギー密度Ｕaを変化させることができる。

一例として、図１４に、本発明におけるレーザ照射の一態様を示す。図１４（ａ）に、本発明で用いるレーザ励起電流指令装置の入力タイムチャートの一例を示し、図１４（ｂ）に、鋼板上への照射態様を示す。

図１４（ａ）に示すタイムチャートは、PL＝１mmとし、レーザパワーＰを２００Ｗに設定して、Ｕa＝１．５ｍＪ／mm²のレーザ照射（主レーザ照射）を４mmピッチで行う間に、Ｕa＝０．３ｍＪ／mm²のレーザ照射（補助レーザ照射）を１mmピッチで３回行う場合のレーザ励起電流ＡとレーザパワーＰ（Ｗ）のタイムチャートである。

ポリゴンミラーの面部分にレーザが入射する時間を、ポリゴンミラーの回転速度から算出し、タイムチャートの励起電流に従い、レーザパワーＰを１／５まで変化させる。鋼板速度は、所望の照射ピッチとなるように計算して決定する。

なお、図２には、レーザ装置と走査装置を一組設置した態様を示すが、電磁鋼板の板幅に応じて、板幅方向に、同様の装置を複数組配置してもよい。

本発明者らは、ファイバコア径１０μｍの連続波ファイバレーザ装置を用いて、集光形状（ｄl、ｄc）、平均照射エネルギー密度Ｕa、及び、主レーザ照射と補助レーザ照射の組み合せについて、種々の照射条件を用いて、一方向性電磁鋼板の表面に、圧延方向にほぼ垂直方向に線状のレーザ照射を実施した。

板幅方向に垂直な断面における圧延方向の二次元残留応力分布と鉄損を調査し、さらに、鉄損を、ヒステリシス損と渦電流損に分離して調査した。

板幅方向に垂直な断面における圧延方向の二次元残留応力分布は、Ｘ線回折法により格子間隔を測定し、弾性率等の物性値を用いて応力に変換して得た。鉄損は、ＳＳＴ（Single Sheet Tester）測定器で測定した。その際、Ｌ方向鉄損はＷ_17/50を代表値とし、Ｃ方向鉄損はＷ_5/50を代表値とした。なお、Ｗ_17/50は、周波数５０Ｈｚ、最大磁束密度１．７Ｔのときの鉄損値であり、Ｗ_5/50は、周波数５０Ｈｚ、最大磁束密度０．５Ｔのときの鉄損値である。

例えば、板厚が０．２３mmの鋼板試料の場合、レーザ照射前のＷ_17/50は０．８６Ｗ／kg、Ｗ_5/50は０．９６Ｗ／kgであった。

図３に、レーザ照射位置近傍の板幅方向に垂直な断面における、圧延方向の二次元残留応力分布を示す。

なお、鉄損改善の見られた鋼板においては、レーザ照射条件によって、残留応力の絶対値に差異はあるが、鋼板表面近傍に大きな引張応力が存在し、その板厚方向直下に圧縮応力が存在し、残留応力が存在する圧延方向幅は、圧延方向集光径ｄlにほぼ比例するという二次元残留応力分布は同様である。

本発明者らは、鉄損低減を実現する圧縮応力の分布を表すのに、特徴量「積分圧縮応力値σＳ」を、次式で定義した。
σＳ＝∫_Sσｄｓ ・・・（２）

即ち、レーザ照射部近傍、つまり、歪導入部近傍に生じた圧延方向の圧縮残留応力の、板幅方向に垂直な断面における二次元分布において、積分圧縮応力値σＳ（kgf）を、圧延方向の圧縮残留応力をσ（kgf／mm²）、該断面の圧縮残留応力が存在する領域をＳ（mm²）、面積素片をｄｓとして、応力σを領域Ｓ内で積分した値をσＳとして定義した。

積分圧縮応力値σＳ（kgf）は、レーザ照射によって導入された圧縮残留応力の総和である。

圧延方向のレーザ照射位置間隔PLを４mm（一定）とし、レーザ集光スポット形状ｄl×ｄcを、２０×２５００μｍ、１００×５００μｍ、１００×２０００μｍ、及び、３００×２００μｍとし、その各々についてレーザパワーを段階的に変えて、レーザを照射した一方向性電磁鋼板について、上記の方法で、積分圧縮応力値を求めた。また、各々について測定した鉄損からヒステリシス損を差引いて、渦電流損Ｗeを求めた。

図４に、各電磁鋼板について求めた、積分圧縮応力値σＳと渦電流損Ｗeの関係を示す。図４から、積分圧縮応力値と渦電流損は、集光スポット形状にかかわらず、逆比例関係にあることが解る。このことは、渦電流損の低減をもたらす磁区細分化効果は、導入した圧縮残留応力の総和に比例するということを意味する。

この現象を、物理的原理から考察すると、次のようにいうことができる。

磁気弾性エネルギーＥは、下記式（３）の通りである。
Ｅ＝−Ｃ×σ×Ｍ×cos²θ ・・・（３）
ここで、Ｃは定数、σは残留応力、Ｍは磁気モーメント、θはσとＭのなす角である。

圧延方向に圧縮残留応力が存在する場合、Ｅが最小になるのは、θが９０度のときであるから、σが負の値であることに注意すると、磁気モーメントの向きは、圧延方向と垂直の向きとなる。したがって、圧縮応力により、磁化容易軸が、圧延方向だけでなく、圧延方向と垂直方向にもできることとなる。

一般に、磁化容易軸が、圧延方向と垂直な磁区を環流磁区というが、環流磁区が存在すると、静磁エネルギーが高くなって不安定になる。そこで、磁区を細分化すると、静磁エネルギーが下がり、安定化すると考えられる。よって、環流磁区が多いほど、即ち、圧縮残留応力が、強く、しかも、広く発生するほど、磁区細分化効果が高くなり、渦電流損が低減されると考えられる。

図５に、積分圧縮応力値σＳとＬ方向鉄損Ｗ_17/50の関係を示す。図５は、図４で使用した積分圧縮応力値に対し測定した鉄損を用い、横軸に積分圧縮応力値σＳ、縦軸にＬ方向到達鉄損Ｗ_17/50をプロットしたものである。

図５から、一点鎖線で区切られた０．０２kgf≦σＳ≦０．０８kgfの範囲において、磁区制御前の鉄損Ｗ_17/50＝０．８６Ｗ／kgに比べ、鉄損改善率が１２％以上（Ｗ_17/50≦０．７６Ｗ／kg、図中の点線、参照）という良好な鉄損特性を実現できることが解る。

なお、鉄損改善率ηは、下記式（４）で定義する。
η（％）＝｛（素材の鉄損−到達鉄損）／素材の鉄損｝×１００ ・・・（４）

積分圧縮応力値σＳが０．０２kgfより小さいときは、渦電流損が高いため、鉄損が低減されない。積分圧縮応力値σＳが０．０８kgfより大きいときは、渦電流損は低減されるものの、表面近傍の引張残留応力による塑性歪のために、ヒステリシス損が増大し、鉄損が低減されないと考えられる。

以上のことから、積分圧縮応力値σＳを下記式（５）の範囲に調節すれば、良好なＬ方向鉄損特性を改善できることが解る。
０．０２（kgf）≦σＳ≦０．０８（kgf） ・・・（５）

同様に、図６に、積分圧縮応力値σＳとＣ方向鉄損Ｗ_5/50の関係を示す。図６は、横軸に積分圧縮応力値σＳを、縦軸にＣ方向到達鉄損Ｗ_5/50をプロットして、両者の関係を示したものである。

図６から、Ｃ方向到達鉄損Ｗ_5/50は、積分圧縮応力値σＳに比例して改善されるが、上述したように、さらに積分圧縮応力値を大きくしても、Ｌ方向鉄損は改善され難く、Ｃ方向とＬ方向の鉄損改善は両立しない。

以上の結果は、レーザ照射位置の間隔PLを４mmに固定して得たが、さらに、PLを変化させて、PLの影響を調査した。その際、レーザビームの集光形状は、圧延方向径ｄl＝０．１mm、スキャン方向径ｄc＝０．５mmとし、積分圧縮応力σＳが、０．０２≦σＳ≦０．０８の範囲になるようにＵaを調整した。

図７に、照射間隔PLとＬ方向鉄損Ｗ_17/50の関係を示す。図７から、２mm≦PL≦８mmの範囲で、Ｌ方向鉄損改善率１２％以上を実現できることが解る（図中、点線、参照）。PLが２mm未満の範囲では、ヒステリシス損が増大するので、鉄損は低減されない。PLが８mm超の範囲では、渦電流損が低減されないので、鉄損は低減されない。

同様に、図８に、照射ピッチPLとＣ方向鉄損Ｗ_5/50の関係を示す。図８から、Ｃ方向鉄損は、照射ピッチ（照射位置間隔）が狭いほど、改善程度が大きいことが解る。一方、圧縮応力値の大きさは、照射ピッチ（照射位置間隔）と比較して、さほど影響度は大きくないことが分かる。

即ち、Ｃ方向鉄損は、レーザ照射等で導入された歪によって誘起されて形成される環流磁区の面積の大きさと相関があると推測される。照射ピッチを狭くすることにより、Ｃ方向鉄損を改善できることを確認することができたが、前述のＬ方向鉄損との両立という観点では、不十分と言わざるを得ない。

本発明者らは、Ｌ、Ｃ両方向の鉄損低減の両立を実現すべく、これまでの結果を精査検討し、次のような仮説を立てた。

（ｘ）Ｌ方向鉄損特性の改善は、積分圧縮応力値、及び、照射ピッチを最適化することにより達成できる。

（ｙ）Ｃ方向鉄損特性の改善は、照射ピッチをできるだけ狭くすることにより達成できる。この際、積分圧縮応力の大きさは殆ど影響しないから、鉄損特性の改善は、環流磁区の体積ではなく、環流磁区の面積に依存すると考える。

（ｚ）してみれば、（z1）Ｌ方向鉄損の改善に影響を与えずに、Ｃ方向鉄損の改善を達成できる歪を、別途、導入することができる、即ち、（z2）Ｌ、Ｃ方向鉄損を、独立して制御することができる。

この仮説の真偽について検討した結果、仮説の有効性が実証されたので、以下、説明する。なお、以下の説明において、（ｉ）Ｌ方向鉄損改善を主目的に歪を導入するレーザ照射を“主レーザ照射”といい、その歪みによって生じる積分圧縮応力値を“主積分圧縮応力値”といい、（ii）Ｃ方向鉄損改善を主目的に歪を導入するレーザ照射を“補助レーザ照射”といい、その歪みによって生じる積分圧縮応力値を“補助積分圧縮応力値”という。

板厚０．２３mmの一方向性電磁鋼板の表面に、連続波レーザ光を線状に走査して照射した。表１に、各種照射条件について、残留応力を測定した後、積分圧縮応力値を算出し、それぞれのＬ方向鉄損、Ｃ方向鉄損を測定した結果を示す。

表１において、主積分圧縮応力値σＳ1は、レーザ光の線状走査主レーザ照射１本当りの値であり、補助積分圧縮応力値σＳ2は、レーザ光の線状走査補助レーザ照射１本当りの値である。補助積分圧縮応力値σＳ2の総和は、主レーザ照射ピッチの間に照射した補助レーザ照射の本数をＮ倍したものである。

より一般的には、ｉを１〜Ｎの整数として補助照射に対応させれば、ｉ番目の補助照射による補助積分圧縮応力値をσＳ２ｉとし、補助積分圧縮応力値σＳ２の総和は、

として求めることができる。補助照射の本数Ｎは、特に限定されるものではないが、１又は２以上６以下が好ましい。

図９に、補助積分圧縮応力値σＳ2の総和を一定にしたときの、主積分圧縮応力値σＳ1及び補助積分圧縮応力値σＳ2の総和と、Ｌ方向鉄損Ｗ_17/50の関係を示す。

また、図１０に、主積分圧縮応力値σＳ1を一定にしたときの、補助積分圧縮応力値σＳ2の総和及び主積分圧縮応力値σＳ1と、Ｃ方向鉄損Ｗ_5/50の関係を示す。

積分圧縮応力値は、Ｘ線回折法を用いて圧延方向の残留応力（歪み）を測定し、圧縮応力に対して上記式（２）より求めた。

図９から、Ｌ方向鉄損の鉄損改善率１２％以上、即ち、鉄損値（Ｗ_17／50）０．７６Ｗ／kg以下を基準とすると、主圧縮積分応力値の範囲は、０．０２kgf≦σＳ1≦０．０８kgfとなることが解る。ただし、この範囲でも、補助積分圧縮応力σＳ2は、ほぼ、σＳ2≦０．０４kgfとなる。これは、σＳ2が０．０４kgf以上になると、歪の導入量が大きくなり、ヒステリシス損が増加するからである。

一方、図１０から、Ｃ方向鉄損の鉄損改善率４０％以上、即ち、鉄損値（Ｗ_5／50）０．５５Ｗ／kg以下を基準とすると、補助圧縮積分応力値の範囲は、０．０１kgf≦σＳ2となる。ただし、この範囲でも、主積分圧縮応力σＳ1は、ほぼ、０．０２kgf≦σＳ1となる。これは、補助圧縮積分応力値が０．０１kgf未満の場合、歪が小さく、環流磁区が形成されず、Ｃ方向鉄損が改善されないからである。

図１１に、これらの結果を整理して得た、本発明における主積分圧縮応力値σＳ1と補助積分圧縮応力値σＳ2の総和の最適な範囲を示す。図１１において、Ｌ方向良好範囲とＣ方向良好範囲が重なる範囲が、Ｌ、Ｃ方向鉄損を両立して低減できる積分圧縮応力値の範囲となる。

即ち、
０．０２（kgf）≦σＳ1≦０．０８（kgf）
０．０１（kgf）≦σＳ2の総和≦０．０４（kgf）
である。

次に、主レーザ照射のピッチPLについて検討した。主レーザ照射条件として、レーザパワーＰを２００Ｗ、集光径ｄl×ｄcを０．１×０．５mm、スキャン速度Ｖcを３２ｍ／ｓに固定し、主積分圧縮応力σＳ1を０．０６kgfに固定して、補助レーザ照射を、主レーザ照射ピッチの間に３本照射して、補助積分圧縮応力を変化させた。図１２に、その結果を示す。

図１２から、Ｌ、Ｃ両方向鉄損を両立する主レーザ照射の最適ピッチPLの範囲は、
２（mm）≦PL≦６（mm）
であることが解る。

ピッチPLが２mm未満では、補助レーザ照射の応力範囲が、主レーザ照射の応力場に影響を与え、Ｌ方向の鉄損改善を阻害する。一方、ピッチPLが６mm超になると、主レーザ照射によるＬ方向鉄損の改善が弱まり、また、補助レーザ照射によるＣ方向鉄損の改善も弱まる。

以上のように、本発明の一方向性電磁鋼板は、補助レーザ照射を行わない比較例（σＳ2＝０）に比べ、Ｌ方向鉄損特性を維持しつつ、Ｃ方向鉄損特性を改善した優れた一方向性電磁鋼板である。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例１）
本発明の一方向性電磁鋼板を実現するためのレーザ照射条件を、平均照射エネルギー密度Ｕaで整理した。その結果を図１３に示す。即ち、図１３に、本発明における主レーザ照射エネルギー密度Ｕa1と補助レーザ照射エネルギー密度Ｕa2の総和の最適な範囲を示す。

ここで、Ｕa1の値は、主レーザ照射の照射条件から、上記式（１）で算出したものである。Ｕa2は、補助レーザ照射の照射条件で、主レーザ照射ピッチ間隔PLの間に複数本ある場合は、それらを総和したものである。

図１３より、Ｌ、Ｃ両方向の鉄損特性を良好にする照射条件の範囲は、
０．５（ｍＪ／mm²）≦Ｕa1≦２．０（ｍＪ／mm²）
０．６（ｍＪ／mm²）≦Ｕa2≦１．５（ｍＪ／mm²）
であることが解る。

このように、本発明の製造方法による一方向性電磁鋼板は、補助レーザ照射を行わない比較例（Ｕa2＝０）に比べ、Ｌ方向の鉄損特性を維持しつつ、Ｃ方向の鉄損を改善した優れた一方向性電磁鋼板である。

（実施例２）
本発明の異なる２種類以上の圧縮積分応力を実現するには、２種類以上の歪をレーザ等により導入しなければならない。連続製造ラインで実現するには、通常は、レーザ照射を個別に行うこと、即ち、照射条件を変更して、複数回、連続製造ラインで行なうことで可能である。しかし、それでは、生産性効率は非常に劣り、工業的には非現実的である。

そこで、本発明者らは、本発明の異なる２種類以上の圧縮積分応力値を持つ鉄損特性の優れた一方向性電磁鋼板を、１回の連続製造ラインで実現する方法を考案した。以下、説明する。表２に示す積分圧縮応力値を持つ一方向性電磁鋼板の製造方法を例にとり説明する。

主積分圧縮応力値を実現する照射条件Ｕa1＝１．５ｍＪ／mm²、及び、補助積分圧縮応力値を実現する照射条件Ｕa2＝１．２ｍＪ／mm²、３本照射の２種類の異なる照射方法を一例とする。これを実現するには、ライン速度一定、スキャン速度一定のもと、ポリゴンミラー回転速度と同期させてレーザパワーを変化させる。

即ち、ポリゴンミラーの一面当りのレーザビーム走査時間をｔとすると、レーザの励起電流を、図１４に示すようなタイムチャートに従い、レーザパワーを変化させて、Ｕaを変化させることで実現することができる。具体的には、表３に示す製造パラメータ、及び、装置パラメータで行った。

このように、本発明によれば、レーザ照射によるＬ方向鉄損、及び、Ｃ方向鉄損の低減メカニズムに関する新知見が得られ、主積分圧縮応力値σＳ1、補助積分圧縮応力値σＳ2、主レーザ照射エネルギー密度Ｕa1、補助レーザ照射エネルギー密度Ｕa2、及び、照射ピッチPLを限定することで、Ｌ、Ｃ方向の鉄損低減効果を、高いレベルで有する一方向性電磁鋼板を得ることができる。

それ故、本発明の一方向性電磁鋼板を用いれば、変圧器鉄心においては、従来にない低い鉄損を実現できる。また、本発明のレーザ照射は、鋼板の連続製造ラインに行なうことができるので、本発明は生産性も高いという利点を有する。

本発明によれば、Ｌ、Ｃ両方向の鉄損をともに低減した一方向性電磁鋼板を提供することができる。そして、本発明の一方向性電磁鋼板を剪断して変圧器を製造すれば、変圧器鉄損を、従来に比べて、大幅に低減することができる。また、本発明によれば、一方向性電磁鋼板を、連続製造ラインで容易に製造することができる。よって、本発明は、生産性にも優れているので、産業上の利用価値は非常に高いものである。

１ 電磁鋼板
２ レーザ照射痕
３ 剪断された電磁鋼板
４ 変圧器鉄心
５ 鋼板継手部
６ 鉄損増加領域
７ レーザ装置
８ ポリゴンミラー
９ fθレンズ
１０ 円柱レンズ、又は、組円柱レンズ
１１ レーザ励起電流指令装置
Ｌ 圧延方向
Ｃ 板幅方向
Ｍ 磁化方向
LB レーザビーム
Ｐ レーザパワー
Ｖc 板幅方向走査速度
PL 圧延方向照射ピッチ
ｄl レーザビームの圧延方向集光径
ｄc レーザビーム走査方向（板幅方向）集光径

Claims (5)

1. 鋼板表面に、線状歪みを導入して磁区を制御する一方向性電磁鋼板の製造方法において、歪みの量が異なる二種以上の線状歪みを、レーザビーム照射により、
   （ｉ）鋼板の圧延方向に交差する方向に、かつ、
   （ii）鋼板の圧延方向に周期的に
   導入する一方向性電磁鋼板の製造方法であって、
   前記レーザビーム照射を、照射条件が異なる主レーザビーム照射と補助レーザビーム照射に分け、補助レーザビーム照射を、主レーザビーム照射と主レーザビーム照射の間で行い、
   圧延方向の主レーザビームの照射間隔PLが２mm≦PL≦６mmを満たし、
   前記主レーザビーム照射による平均照射エネルギー密度と前記補助レーザビーム照射による平均照射エネルギー密度との比が、５／４〜２０／３であることを特徴とする一方向性電磁鋼板の製造方法。
2. 鋼板表面に、線状歪みを導入して磁区を制御する一方向性電磁鋼板の製造方法において、歪みの量が異なる二種以上の線状歪みを、レーザビーム照射により、
   （ｉ）鋼板の圧延方向に交差する方向に、かつ、
   （ii）鋼板の圧延方向に周期的に
   導入する一方向性電磁鋼板の製造方法であって、
   前記レーザビーム照射を、照射条件が異なる主レーザビーム照射と補助レーザビーム照射に分け、補助レーザビーム照射を、主レーザビーム照射と主レーザビーム照射の間で行い、
   レーザパワーをＰ（Ｗ）、ビーム走査速度をＶc（mm／ｓ）、圧延方向の照射間隔をPL（mm）とし、平均照射エネルギー密度を、下記（１）式で定義し、前記主レーザビーム照射の照射エネルギー密度をＵa1とし、前記補助レーザビーム照射の照射エネルギー密度をＵa2としたとき、
   （ａ）主レーザビーム照射のPL及びＵa1が、それぞれ、２mm≦PL≦６mm、及び、０．５（ｍＪ／mm²）≦Ｕa１≦２．０（ｍＪ／mm²）を満たし、かつ
   （ｂ）主レーザビーム照射の間に照射する補助レーザビーム照射のＵa2が、０．６（ｍＪ／mm²）≦Ｕa2の総和≦１．５（ｍＪ／mm²）を満たす
   ことを特徴とする一方向性電磁鋼板の製造方法。
   Ｕa＝Ｐ／（Ｖc×PL）（ｍＪ／mm²） ・・・（１）
3. 前記鋼板の板幅方向に垂直な断面において、前記歪みによって生じた圧延方向の圧縮残留応力をσ（kgf/mm²）、該断面の圧縮残留応力が存在する領域をＳ（mm²）、面積素片をｄｓとして、積分圧縮応力値σＳ（kgf）を、下記（２）式で定義し、前記主レーザビーム照射で導入した線状歪み近傍の板幅方向に垂直な断面における圧延方向の二次元残留応力分布において、積分圧縮応力値をσＳ1（kgf）とし、前記補助レーザビーム照射で導入した線状歪み近傍の板幅方向に垂直な断面における圧延方向の二次元残留応力分布において、積分圧縮応力値をσＳ2（kgf）としたとき、σＳ1（kgf）が下記（３）式を満たし、σＳ2（kgf）が下記（４）式を満たすことを特徴とする請求項２に記載の一方向性電磁鋼板の製造方法。
   σＳ＝∫Sσｄｓ ・・・（２）
   ０．０２（kgf）≦σＳ1≦０．０８（kgf） ・・・（３）
   ０．０１（kgf）≦σＳ2の総和≦０．０４（kgf） ・・・（４）
4. 前記主レーザビーム照射で導入した線状歪みの間隔PL（mm）が２mm以上６mm以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の一方向性電磁鋼板の製造方法。
5. 前記鋼板の圧延方向に交差する方向が板幅方向であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の一方向性電磁鋼板の製造方法。

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