JP6044642B2 - レーザ加工装置及びレーザ照射方法 - Google Patents
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Description
本願は、2012年11月08日に、日本に出願された特願2012−246305号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
前記コリメータレンズの焦点距離、前記金属ミラー及び前記放物面ミラーの焦点距離、並びに前記放物面ミラーから前記方向性電磁鋼板までの距離を変えることで、前記方向性電磁鋼板に集光される前記レーザビームのビームパラメータ積が、前記レーザビームの波長を単位μmでλとしたとき、λ/π〜10mm・mradとなるように構成されている。
方向性電磁鋼板は、鋼板の結晶粒の磁化容易軸(体心立方晶の<100>方向)が製造工程における圧延方向に略揃っている電磁鋼板である。方向性電磁鋼板は、圧延方向に磁化が向いた磁区を、磁壁を挟んで複数配列した構造を有する。このような方向性電磁鋼板は圧延方向に磁化しやすいため、磁力線の方向がほぼ一定に流れるトランスの鉄芯材料として適している。
以下において、上述のような方向性電磁鋼板を、本実施形態に係る方向性電磁鋼板と言う場合がある。
図2を参照しながら、本実施形態に係る方向性電磁鋼板10の製造方法について説明する。図2は、本実施形態に係る方向性電磁鋼板10の製造工程の一例を示すフローチャートである。
図3及び図4を参照しながら、本実施形態に係る方向性電磁鋼板10にレーザビームを照射して残留歪を付与するレーザ加工装置100(以下、本実施形態に係るレーザ加工装置と言う場合がある)の構成例について説明する。本実施形態に係るレーザ加工装置100は、上述のレーザ照射工程S18において、方向性電磁鋼板10にレーザビームを照射するために用いられる。図3は、本実施形態に係るレーザ加工装置100の構成例を示す模式図である。
図4は、一つのレーザ照射装置106の構成例を示す模式図である。
BPP=r×θ…(1)
DOF=2000×r2/BPP…(2)
ここで、BPPを10(mm・mrad)以下とすることにより、狭い環流磁区幅を得るためにrを0.06mmとした場合にもDOFを0.7mm以上確保できることが判る。0.7mm以上のDOFが確保されていれば、方向性電磁鋼板10の鋼板面に垂直な方向の振動が生じるような場合にも、磁区を適切に細分化するのに有効である。なお、BPPの下限値は、レーザビームの波長をλ(μm)としたとき、λ/π(mm・mrad)で与えられる。
ところで、圧延方向に磁界をかけられた方向性電磁鋼板10は、前述したように、圧延方向に磁化が向いた磁区を複数配列した構造を有する。ここで、方向性電磁鋼板10の鉄損の更なる低減を図るためには、レーザビームの照射により磁区を細分化する(磁区を狭くする)ことが有効である。磁区を細分化するには、方向性電磁鋼板10の最表層近傍の圧延方向に沿って見たごく狭い幅の領域に板厚方向に対して大きな温度勾配を与えることで、狭く且つ十分な強度を持った環流磁区を形成することが、特に有効である。
本実施形態の方向性電磁鋼板10の表面におけるレーザビームの強度分布の設定について、比較例と対比しながら説明する。
なお、Ib/Iaは、レーザ加工装置において、例えばレーザビームの種類の変更、及び/または適切な曲率(焦点距離)を有する金属ミラー126や放物面ミラー130の選択により適宜調整することができる。
図11におけるレーザビームの強度分布において、強度分布を、強度分布の重心から−y方向(第3の方向、図11における紙面左側)に向かって積分したときの強度積分値が全強度積分値の43%になるy軸上の位置の、強度分布の重心からの距離を、Rc1とし、強度分布の重心から+y方向(第4の方向、図11における紙面右側)に向かって積分したときの強度積分値が全強度積分値の43%になるy軸上の位置の、強度分布の重心からの距離を、Rc2とし(すなわち、図11において、斜線領域の面積は、図11における強度分布全体の積分値の86%となる)、距離Rc1の位置におけるビーム強度をIc1、距離Rc2の位置におけるビーム強度をIc2、Ic1とIc2との平均値をIc、強度分布の重心におけるビーム強度をIdとしたとき、Id/Ic≧1.5である。
図12に示す比較例は、ビーム強度分布がいわゆるトップフラットに近い場合の強度分布である。このような場合、Id/Icが1.5未満になる。このようなトップフラット型の強度分布では、空間的な強度分布の急激な立ち上がりに呼応して、方向性電磁鋼板表面に急激な温度上昇が発生し、熱衝撃作用により皮膜に疵がつきやすくなる。
Id/Icが1.5以上であれば、強度分布の立ち上がりが緩やかであり、方向性電磁鋼板表面の急激な温度上昇が抑えられるため、皮膜に疵がつきにくくなり、好ましい。
Id/Icが大きくなりすぎると重心部での強度が高くなりすぎるため、Id/Icは10以下とすることが望ましい。
上述した本実施形態に係る実施例の有効性を確認するために、本実施例及び比較例について説明する。
また、同時に、測定された楕円形状のレーザビームスポットの楕円の長軸上、すなわち、レーザビームの走査方向に直交する方向に対するレーザビームの重心を通りレーザビームの走査方向断面におけるビーム強度分布を得て、Rc1とRc2及びその平均値であるRc、Icを求めるとともに、Id/Icを計算した。
なお、本実施例で用いたレーザビームにおいて、Ra1=Ra2、Rc1=Rc2であった。
なお、本実施例6は、金属ミラー126の焦点位置に鋼板面を合わせた例である。この場合、C方向強度分布はトップフラットに近くなり、Id/Icは1.3であった。Ib/Iaが同じ本実施例3及び4と比較すると、同程度の鉄損改善が得られるものの、錆が発生するサンプルが2枚存在した。以上の結果から、Id/Icを1.5以上にすることで、皮膜に疵がつきにくくなるため望ましいことが分かる。
また、本実施例1と本実施例2〜6とを比較すると、Id/IcをIb/Iaよりも大きくすることで、より大きな鉄損改善が得られ、望ましいことが分かる。
12 鋼板本体
14 グラス皮膜
16 絶縁皮膜
100 レーザ加工装置
102 レーザ発振器
104 伝送ファイバ
106 レーザ照射装置
122 レーザヘッド
124 コリメータレンズ
126 金属ミラー
128 ポリゴンミラー
130 放物面ミラー
Claims (5)
- 方向性電磁鋼板にレーザビームの集光及び走査方向への走査を行って、前記方向性電磁鋼板の磁区を細分化するためのレーザ加工装置であって、
前記レーザビームを出射する、ファイバレーザ又はディスクレーザを用いたレーザ発振装置と;
コリメータレンズと;
金属ミラーと;
放物面ミラーと;
前記レーザ発振装置から伝送された前記レーザビームを前記方向性電磁鋼板に照射するレーザ照射装置と;
を備え、
前記レーザ照射装置は、前記方向性電磁鋼板に集光された前記レーザビームの前記方向性電磁鋼板面上における前記走査方向と垂直な方向の断面での強度分布において、前記強度分布の重心を中心に前記走査方向と垂直な方向に沿った第1の方向及び第2の方向に向かって前記強度分布を積分したときの前記第1の方向における前記強度分布の重心からの強度積分値が全強度積分値の43%となる位置の前記強度分布の重心からの距離をRa1、前記第2の方向における前記強度分布の重心からの強度積分値が前記全強度積分値の43%となる位置の前記強度分布の重心からの距離をRa2、前記Ra1と前記Ra2との平均値をRaとし、前記Ra1に対応した前記レーザビームの強度をビーム強度Ia1、前記Ra 2 に対応した前記レーザビームの強度をビーム強度Ia2とし、前記Ia1と前記Ia2との平均値をIaとし、前記強度分布の重心における前記レーザビームの強度をビーム強度Ibとしたときに、
Ib/Iaが、1.0以上2.0以下となり、
前記Raが、5μm以上60μm以下となるように構成され、
前記コリメータレンズの焦点距離、前記金属ミラー及び前記放物面ミラーの焦点距離、並びに前記放物面ミラーから前記方向性電磁鋼板までの距離を変えることで、前記方向性電磁鋼板に集光される前記レーザビームのビームパラメータ積が、前記レーザビームの波長を単位μmでλとしたとき、λ/π〜10mm・mradとなるように構成されている
ことを特徴とするレーザ加工装置。 - さらに、前記レーザ照射装置が、
前記方向性電磁鋼板に集光された前記レーザビームの前記方向電磁鋼板面上における前記走査方向の断面での強度分布であるC方向強度分布において、前記C方向強度分布の重心を中心に前記走査方向に沿った第3の方向及び第4の方向に向かって前記C方向強度分布を積分したときの前記第3の方向における前記C方向強度分布の重心からの強度積分値が全C方向強度積分値の43%となる位置の前記C方向強度分布の重心からの距離をRc1、前記第4の方向における前記C方向強度分布の重心からの強度積分値が前記全C方向強度積分値の43%となる位置の前記C方向強度分布の重心からの距離をRc2とし、前記Rc 1 に対応した前記レーザビームの強度をビーム強度Ic1、前記Rc2に対応した前記レーザビームの強度をビーム強度Ic2とし、前記Ic1と前記Ic2との平均値をIcとし、前記C方向強度分布の重心における前記レーザビームの強度をビーム強度Idとしたときに、Id/Icが1.5〜10となるように構成される
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。 - 前記方向性電磁鋼板に集光される前記レーザビームの集光形状が、楕円であり、
前記楕円の短軸方向が前記走査方向と垂直であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のレーザ加工装置。 - 方向性電磁鋼板に、コリメータレンズ、金属ミラー及び放物面ミラーを介して、レーザビームを集光して走査方向に走査して、前記方向性電磁鋼板の磁区を細分化するためのレーザ照射工程を備え、
前記方向性電磁鋼板に集光された前記レーザビームの前記方向性電磁鋼板面上における前記走査方向と垂直な方向の断面での強度分布において、前記強度分布の重心を中心に前記走査方向と垂直な方向に沿った第1の方向及び第2の方向に向かって前記強度分布を積分したときの前記第1の方向における前記強度分布の重心からの強度積分値が全強度積分値の43%となる位置の前記強度分布の重心からの距離をRa1、前記第2の方向における前記強度分布の重心からの強度積分値が前記全強度積分値の43%となる位置の前記強度分布の重心からの距離をRa2とし、前記Ra1に対応した前記レーザビームの強度をビーム強度Ia1、前記Ra2に対応した前記レーザビームの強度をビーム強度Ia2とし、前記Ia1と前記Ia2との平均値をIaとし、前記強度分布の重心における前記レーザビームの強度をビーム強度Ibとしたときに、
ファイバレーザ又はディスクレーザを用いてレーザビームを照射し、
Ib/Iaを1.0以上2.0以下とし、
前記Ra1と前記Ra2との平均値をRaとしたとき、前記Raを5μm以上60μm以下とし、
前記コリメータレンズの焦点距離、前記金属ミラー及び前記放物面ミラーの焦点距離、並びに前記放物面ミラーから前記方向性電磁鋼板までの距離を変え、前記方向性電磁鋼板に集光される前記レーザビームのビームパラメータ積を、前記レーザビームの波長を単位μmでλとしたとき、λ/π〜10mm・mradとする
ことを特徴とするレーザ照射方法。 - さらに、前記方向性電磁鋼板に集光された前記レーザビームの前記方向電磁鋼板面上における前記走査方向の断面での強度分布であるC方向強度分布において、前記C方向強度分布の重心から前記走査方向に沿った第3の方向及び第4の方向に向かって前記C方向強度分布を積分したときの前記第3の方向における前記C方向強度分布の重心からの強度積分値が全C方向強度積分値の43%となる位置の前記C方向強度分布の重心からの距離をRc1、前記第4の方向における前記C方向強度分布の重心からの強度積分値が前記全C方向強度積分値の43%となる位置の前記C方向強度分布の重心からの距離をRc2とし、前記Rc1に対応した前記レーザビームの強度をビーム強度Ic1、前記Rc2に対応した前記レーザビームの強度をビーム強度Ic2とし、前記Ic1と前記Ic2との平均値をIcとし、前記C方向強度分布の重心における前記レーザビームの強度をビーム強度Idとしたときに、
Id/Icを1.5〜10とする
ことを特徴とする請求項4に記載のレーザ照射方法。
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