JP6482671B2 - 鋼板表面の溝形成方法およびその装置 - Google Patents
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Description
本発明は、鋼板表面の溝形成方法およびその装置に関し、より詳細には、発振方式およびビームモードに関係なくレーザ照射で鋼板表面に溝を形成させることによって、熱処理に関係なく鉄損改善効果を改善できるため、一次再結晶前後の方向性電磁鋼板工程に適用可能な鉄損改善率を極大化できる鋼板表面の溝形成方法およびその装置に関する。
例えば、方向性電磁鋼板は、圧延方向に＜００１＞磁化容易軸を有する集合組織を発達させることによって、圧延方向に磁場を選択的に誘起しようとする変圧器などの電気機器のエネルギー変換用鉄心材料として幅広く使用されている。
一般に、方向性電磁鋼板は、熱延、冷延と焼鈍工程により、圧延方向に｛１１０｝＜００１＞方向に配向された集合組織（別名「Ｇｏｓｓ Ｔｅｘｔｕｒｅ」ともいう）を有する材料をいう。このような方向性電磁鋼板において、｛１１０｝＜００１＞方向は、鉄の磁化容易軸方向に配向された程度が高いほど、磁気的特性に優れている。
磁区微細化方法は、方向性電磁鋼板の磁気的特性を向上させるために使用される技術であり、磁区微細化方法としては、応力除去焼鈍後にも磁区微細化改善効果の維持の有／無により一時磁区微細化と永久磁区微細化とに分けられる。
熱処理後にも鉄損改善効果を維持可能な永久磁区微細化法は、エッチング法、ロール法、およびレーザ法に分けられる。エッチング法は、溶液中における酸容液で電気化学的な腐食反応によって鋼板表面に溝を形成させるため、溝形状の制御が難しく、鋼板を生産する中間工程（脱炭焼鈍、高温焼鈍前）で溝を形成させるため、最終製品の鉄損特性の保証が難しく、酸容液を使用するために環境にもやさしくなく、鋼板表面の適正な溝の深さを形成するためには高速に溝を形成させにくいという欠点がある。
ロールによる永久磁区微細化方法は、ロールに突起形状を加工して加圧法によって鋼板の表面に一定の幅と深さを有する溝を形成する磁区微細化技術で、機械加工に対する安定性、厚さに応じた安定した鉄損を確保しにくく、溝形成プロセスが複雑であるという欠点がある。
レーザ照射による溝形成の永久磁区微細化方法は、熱処理前に磁区微細化効果を確保できないだけでなく、磁区微細化後に磁束密度が劣化するという欠点がある。
しかし、エッチングおよびロール法に比べて単色光のレーザビームを用いるレーザ法は、比較的遅い鋼板のラインスピード（Ｌｉｎｅ Ｓｐｅｅｄ）で相対的に安定した溝を形成させることができるという利点を有している。しかし、高速のラインスピード（Ｌｉｎｅ Ｓｐｅｅｄ）で移動する鋼板表面に溝を形成するために高出力のレーザを必要とする場合、ミラーの熱的安定性を考慮した光学系の設計およびミラー構成の単純化による光学系の構成方法に対する解決策は提示されていない。
本発明は、発振方式およびビームモードに関係なくレーザ照射で鋼板表面に溝を形成させることによって、熱処理に関係なく鉄損改善効果を改善できるため、一次再結晶前後の方向性電磁鋼板工程に適用可能な鉄損改善率を極大化できる鋼板表面の溝形成方法およびその装置を提供する。
本発明の一実施形態によれば、レーザ照射で鋼板厚さの１０％以下の溝深さを鋼板表面に形成するために、複数のレーザ発振器からレーザビームが走査ミラーに照射され、前記走査ミラーを通過した後、前記鋼板表面に照射される場合に、１個の走査ミラーを２個以上のレーザビームと共有することによって、２０ｍｐｍ以上の高速のラインスピード（ｌｉｎｅ ｓｐｅｅｄ）で溝部の熱影響を最小化させて熱処理前（後）の鉄損改善特性を有する鋼板表面の溝形成方法が提供される。
前記走査ミラーは、レーザビームが入射可能な４個以上の入射面を有することができる。
前記走査ミラーに照射されたレーザビームは、集光ミラーに集光された後、前記鋼板表面に照射される。
前記走査ミラーに照射されたレーザビームは、２個以下の形状ミラーに入射した後、前記形状ミラーを通して集光ミラーに集光されて、前記鋼板表面に照射される。
前記走査ミラーを通したレーザビームの照射によって鋼板表面に１個の照射線で線状溝を形成させるにあたり、１個の走査ミラーを２個以上４個以下のレーザビームが共有することができる。
前記走査ミラーを通した前記レーザビームの照射によって鋼板表面に１個の照射線で線状溝を形成させるにあたり、２個以下の形状ミラーおよび１個の集光ミラーから構成される。
また、本発明の一実施形態によれば、レーザ照射で鋼板厚さの１０％以下の溝深さを鋼板表面に形成時、２０ｍｐｍ以上の高速のラインスピード（ｌｉｎｅ ｓｐｅｅｄ）で溝部の熱影響を最小化させて熱処理前（後）の鉄損改善特性を持たせるために、複数のレーザ発振器からレーザビームが照射され、２個以上のレーザビームと共有する回転走査ミラー（ｓｃａｎ ｍｉｒｒｏｒ）を含む鋼板表面の溝形成装置が提供される。
前記走査ミラーから反射されるレーザビームを集光して、鋼板表面に照射するための集光ミラー（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ）を含むことができる。
前記走査ミラーから反射されるレーザビームが入射し、前記入射したレーザビームを前記集光ミラーに反射する２個以下の形状ミラー（ｓｈａｐｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ）を含むことができる。
前記走査ミラーは、レーザビームが入射可能な４個以上の入射面を有する多面体形態に形成される。
前記走査ミラーを通したレーザビームの照射によって鋼板表面に１個の照射線で線状溝を形成させるにあたり、１個の走査ミラーを２個以上４個以下のレーザビームが共有することができる。
前記走査ミラーを通した前記レーザビームの照射によって鋼板表面に１個の照射線で線状溝を形成させるにあたり、２個以下の形状ミラーおよび１個の集光ミラーから構成される。
本発明の実施形態によれば、０．３３ｍ／ｓ以上で移動する電磁鋼板表面に鋼板厚さの１０％以下の溝深さを鋼板の圧延方向に対して±８２〜±９８°に３〜８の部分に分けられた線状の溝を形成させながら、溝によって一次、二次再結晶の形成に影響を与えず、熱処理前／後に１０％以上の鉄損改善効果特性を有する低鉄損高磁束密度の方向性電磁鋼板の磁区微細化製品を製造することが可能である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように本発明の実施形態を説明する。本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に理解できるように、後述する実施形態は本発明の概念と範囲を逸脱しない限度内で多様な形態に変形可能である。できるだけ同一であるか類似の部分は、図面において同一の図面符号を用いて表す。
以下で使用される専門用語は、単に特定の実施形態に言及するためのものであり、本発明を限定することを意図しない。ここで使用される単数形態は、文章がこれと明確に反対の意味を示さない限り、複数形態も含む。明細書で使用される「含む」の意味は、特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素および／または成分を具体化し、他の特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素、成分および／または群の存在や付加を除外させるものではない。
以下で使用される技術用語および科学用語を含む全ての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が一般に理解する意味と同一の意味を有する。事前に定義された用語は、関連技術文献と現在開示された内容に符合する意味を有すると追加解釈され、定義されない限り、理想的または非常に公式的な意味で解釈されない。
本発明は、レーザ照射で鋼板表面に溝を形成することによって鉄損改善率を極大化しようとする磁区微細化方法において、２０ｍｐｍ以上の高速Ｌｉｎｅ Ｓｐｅｅｄで高出力レーザに照射時、板幅方向に安定した溝を形成させ、光学系に関連する維持／補修費用を最小化するためには、第一、高速のラインスピード（ｌｉｎｅ ｓｐｅｅｄ）で熱的安定性に優れた走査ミラーを適用することが好ましい。鋼板の進行速度に関係なく板表面に同一のエネルギー密度でレーザを照射する場合、走査ミラーの熱的安定性を確保することが何より重要である。
第二に、走査ミラーの個数を最小化しながら高速のラインスピードに対応することが必要である。一般に、高速のラインスピードに対応するためには、走査ミラーの個数を増加させて走査幅を減少させることに幅広く使用される接近法であるが、走査ミラーを含む光学系の加工費用および運営費用を最小化するためには、走査ミラーの個数を最小化させることが必要である。走査ミラーに照射する鋼板の幅が増加すると、幅の増加に応じて走査する走査ミラーの個数も増大するしかない。
したがって、レーザ発振器から鋼板に達するレーザビームの伝送経路を最小化させながら高速化走査をすることによって、高速のラインスピードで移動する板に溝を形成させることが可能になる。
第三に、走査ミラーを数個の発振器が共有することによって、板表面に形成される溝の深さを極大化することができる。２０ｍｐｍ以上の速度で移動する鋼板表面に形成される溝は、板厚さの約１０％以内の深さに形成されることが好ましく、鋼板の移動速度に関係なく同一の溝深さを板表面に形成させるためには、板速度の増加に応じてレーザ出力を増加させることが合理的である。
しかし、レーザ出力の増加時、表面に形成される溝周囲の熱の影響が増加するため、溝形成後、再結晶に熱の影響が及ぼされることから、二次再結晶が不完全に形成されることによって、鉄損および磁束密度特性が劣化し得るので、好ましくない。板表面の溝形成が低い出力のレーザにより一次溝を形成させ、二次溝を形成させることによって、溝を形成させるためのレーザの出力制限を緩和させることによって、溝周囲の熱の影響を最小化することができる。
本発明は、２０ｍｐｍ以上の高速に移動する幅９００ｍｍ以上の電磁鋼板表面に鋼板厚さの１０％以下の深さの溝を鋼板の圧延（長手）方向に対して±８２〜±９８°に溝を形成させることによって、電磁鋼板の鉄損を改善させることである。
もちろん、溝を形成するにあたり、対象材を電磁鋼板に限る必要はない。溝形成対象材としては、電磁鋼板のほか、鋼材、木材、プラスチック（Ｐｌａｓｔｉｃ）、ウエハ（ウエハ）、ガラス（Ｇｌａｓｓ）、およびセラミック材料などを全て含むことができる。以下、溝を形成する対象材として電磁鋼板を例に挙げて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る鋼板表面の溝形成装置の概略的な構成図であり、図２は、本発明の一実施形態に係る鋼板表面の溝形成装置の光学系の概略的な構成図であり、図３は、本発明の一実施形態に係る鋼板表面の溝形成装置により鋼板表面に形成された線状溝を示す図であり、図４は、図３の鋼板表面に形成された線状溝の連続的な溝の形状を拡大した図である。
本発明の一実施形態に係る鋼板表面の溝形成方法は、レーザ照射で鋼板厚さの１０％以下の溝深さを鋼板表面に形成するために、複数のレーザ発振器からレーザビーム１が走査ミラー２に照射され、前記走査ミラー２を通過した後、前記鋼板表面に照射される場合に、１個の走査ミラー２を２個以上のレーザビーム１と共有することによって、２０ｍｐｍ以上の高速のラインスピード（ｌｉｎｅ ｓｐｅｅｄ）で溝部の熱影響を最小化させて熱処理前（後）の鉄損改善特性を有することができる。
１個の走査ミラー２を２個以上のレーザビーム１と共有し、好ましくは、２個〜６個のレーザビームと共有することができる。
前記走査ミラー２は、２個以上のレーザビーム１と共有できるように２個以上のレーザビームが入射可能な４個以上のレーザビーム入射面を有する多面体形態に形成される。
前記走査ミラー２に照射されたレーザビーム１は、集光ミラー４に集光された後、前記鋼板表面に照射される。
また、前記走査ミラー２に照射されたレーザビーム１は、２個以下の形状ミラー３に入射され、前記形状ミラー３を通過した後、集光ミラー４に集光されて、前記鋼板表面に照射される。
前記走査ミラー２を介したレーザビーム１の照射によって鋼板表面に１個の照射線で線状溝を形成させるにあたり、１個の走査ミラー２を２個以上４個以下のレーザビームが共有することができる。
また、前記走査ミラー２を介した前記レーザビーム１の照射によって鋼板表面に１個の照射線で線状溝を形成させるにあたり、２個以下の形状ミラー３および１個の集光ミラー４から構成される。
本発明の一実施形態に係る鋼板表面の溝形成装置は、レーザ照射で鋼板厚さの１０％以下の溝深さを鋼板表面に形成時、２０ｍｐｍ以上の高速のラインスピード（ｌｉｎｅ ｓｐｅｅｄ）で溝部の熱影響を最小化させて熱処理前（後）の鉄損改善特性を持たせるために、複数のレーザ発振器からレーザビーム１が照射され、２個以上のレーザビームと共有する回転走査ミラー（ｓｃａｎ ｍｉｒｒｏｒ）２を含むことができる。
また、前記走査ミラー２から反射されるレーザビーム１を集光して、鋼板表面に照射するための集光ミラー（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ）４を含むことができる。
さらに、前記走査ミラー２から反射されるレーザビーム１が入射し、前記入射したレーザビーム１を前記集光ミラー４に反射する２個以下の形状ミラー（ｓｈａｐｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ）３を含むことができる。
しかし、つまり、最終レーザビーム１の形状変更時、図２の形状ミラー３を省略可能である。
１個の回転走査ミラー２を２個以上のレーザビーム１と共有し、好ましくは、２個〜６個のレーザビームと共有することができる。
前記走査ミラー２は、２個以上のレーザビーム１と共有できるように２個以上のレーザビームが入射可能な４個以上のレーザビーム入射面を有する多面体形態に形成される。
前記走査ミラー２を介したレーザビーム１の照射によって鋼板表面に１個の照射線で線状溝を形成させるにあたり、１個の走査ミラー２を２個以上４個以下のレーザビームが共有することができる。
また、前記走査ミラー２を介した前記レーザビーム１の照射によって鋼板表面に１個の照射線で線状溝を形成させるにあたり、２個以下の形状ミラー３および１個の集光ミラー４から構成される。
以下、図１〜図４を参照して、本発明の一実施形態に係る鋼板表面の溝形成方法およびその装置の作動について説明する。
図１のように、走査ミラー２の入射面にレーザ発振器から照射されるレーザビーム１が入射するため、１個の走査ミラー２で、例えば、走査ミラー４個を適用した効果を得ることができる。
図２は、図１に示すレーザ発振器から照射されるレーザビーム１個に対する光学系の構成（図１の１０）を概略的に示すものである。レーザ発振器から照射されるレーザビーム１は、走査ミラー２、形状ミラー３、および集光ミラー４を経てレーザビーム１の形状を変形させることによって、図３の鋼板表面に４周期以上の連続的な線状溝（図３の５）を形成させる。
図３のように、１個の走査ミラー２から照射された線状溝はほぼ一直線上に現れることによって、まるで２個の走査ミラー２から照射されたかのような線状溝を鋼板に形成させる。
したがって、鋼板表面に現れる区分された線状溝は、図３のように、大きくて２個にのみ分離されているように現れる。また、必要によっては、走査ミラー２に入射するレーザビームの位置と個数を選別的に選択してもよい。
図４は、図３の鋼板表面に形成された線状溝の連続的な溝の形状を拡大して表現したものである。図４で、線状溝と線状溝との間の距離で名付けられる照射間隔（Ｄｓ）は、２つの方法で溝を形成させることができる。
第一は、図１の走査ミラー２を中心に左上端と右上端の照射ビームによる線状溝が互いに同一線上に現れるようにするものである。したがって、低出力のレーザを用いて線状溝の深さをより深く形成させることができ、溝部で発生する熱影響を最小化することができる。つまり、２０ｍｐｍの速度で移動する、例えば、０．２３ｍｍの厚さの方向性電磁鋼板表面に約１５μｍの深さの溝を形成するために必要なレーザエネルギー密度が１．２Ｊ／ｍｍ２の場合、必要なレーザの出力は９００Ｗであるが、一次線状溝が形成された面に再び線状溝を形成して、最終溝深さ１５μｍを形成させるために必要なそれぞれのレーザ出力は４５０Ｗで、溝部の熱影響を最小化することができる。鋼板表面に形成される溝部の熱影響はレーザ出力に比例するので、レーザ出力が減少すると、溝部周辺の熱影響は減少する。
第二は、図１の走査ミラー２を中心の左上端と右上端の照射ビームによる線状溝を互いに交差させるものである。線状溝が互いに交差するように照射することによって、より高速に鋼板表面に線状溝を形成させることができるという利点を有している。
表１は、０．８３ｍ／ｓで移動する０．２３ｍｍの厚さの鋼板に走査ミラーを共有した場合の、溝の深さと鉄損改善率の結果を示したものである。
＊走査ミラーの左右対称の面のレーザビームを走査した場合の磁性値
＊＊走査ミラーに１つのレーザビームのみを伝送して走査した場合の磁性値
ここで、Ｂ８（Ｔｅｌｓａ）は、磁場の強度が８００ａｍｐ（アンペア）／ｍの時の磁束密度値をＴｅｌｓａ単位で表したものであり、Ｗ１７／５０（Ｗ／ｋｇ）は、磁束密度の値が１．７Ｔｅｌｓａの時の周波数が５０Ｈｚの場合の鉄損値を表したものである。
＊＊走査ミラーに１つのレーザビームのみを伝送して走査した場合の磁性値
ここで、Ｂ８（Ｔｅｌｓａ）は、磁場の強度が８００ａｍｐ（アンペア）／ｍの時の磁束密度値をＴｅｌｓａ単位で表したものであり、Ｗ１７／５０（Ｗ／ｋｇ）は、磁束密度の値が１．７Ｔｅｌｓａの時の周波数が５０Ｈｚの場合の鉄損値を表したものである。
１：レーザビーム
２：走査ミラー
３：形状ミラー
４：集光ミラー
５：連続的な線状溝
２：走査ミラー
３：形状ミラー
４：集光ミラー
５：連続的な線状溝
Claims (12)
- レーザ照射で鋼板厚さの１０％以下の溝深さを鋼板表面に形成するために、複数のレーザ発振器からレーザビームが走査ミラーに照射され、前記走査ミラーを通過した後、前記鋼板表面に照射される場合に、１個の走査ミラーを２個以上のレーザビームと共有して前記２個以上のレーザビームのうちの２個のレーザビームによって形成される溝が互いに重ねられるか交差するようにすることによって、２０ｍｐｍ以上の高速のラインスピード（ｌｉｎｅ ｓｐｅｅｄ）で溝部の熱影響を最小化させて熱処理前（後）の鉄損改善特性を有する鋼板表面の溝形成方法。
- 前記走査ミラーは、２個以上のレーザビームと共有可能な４個以上のレーザビーム入射面を有する、請求項１に記載の鋼板表面の溝形成方法。
- 前記走査ミラーに照射されたレーザビームは、集光ミラーに集光された後、前記鋼板表面に照射される、請求項２に記載の鋼板表面の溝形成方法。
- 前記走査ミラーに照射されたレーザビームは、２個以下の形状ミラーに入射した後、前記形状ミラーを通して集光ミラーに集光されて、前記鋼板表面に照射される、請求項３に記載の鋼板表面の溝形成方法。
- 前記走査ミラーを通したレーザビームの照射によって鋼板表面に１個の照射線で線状溝を形成させるにあたり、１個の走査ミラーを２個以上４個以下のレーザビームが共有する、請求項３または４に記載の鋼板表面の溝形成方法。
- 前記走査ミラーを通した前記レーザビームの照射によって鋼板表面に１個の照射線で線状溝を形成させるにあたり、２個以下の形状ミラーおよび１個の集光ミラーから構成される、請求項４に記載の鋼板表面の溝形成方法。
- レーザ照射で鋼板厚さの１０％以下の溝深さを鋼板表面に形成時、２０ｍｐｍ以上の高速のラインスピード（ｌｉｎｅ ｓｐｅｅｄ）で溝部の熱影響を最小化させて熱処理前（後）の鉄損改善特性を持たせるために、
複数のレーザ発振器からレーザビームが照射され、２個以上のレーザビームと共有して前記２個以上のレーザビームのうちの２個のレーザビームによって形成される溝が互いに重ねられるか交差するようにする回転走査ミラー（ｓｃａｎ ｍｉｒｒｏｒ）を含む鋼板表面の溝形成装置。 - 前記走査ミラーから反射されるレーザビームを集光して、鋼板表面に照射するための集光ミラー（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ）を含む、請求項７に記載の鋼板表面の溝形成装置。
- 前記走査ミラーから反射されるレーザビームが入射し、前記入射したレーザビームを前記集光ミラーに反射する形状ミラー（ｓｈａｐｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ）を含む、請求項８に記載の鋼板表面の溝形成装置。
- 前記走査ミラーは、２個以上のレーザビームと共有可能な４個以上のレーザビーム入射面を有する多面体形態に形成される、請求項８または９に記載の鋼板表面の溝形成装置。
- 前記走査ミラーを通したレーザビームの照射によって鋼板表面に１個の照射線で線状溝を形成させるにあたり、１個の走査ミラーを２個以上４個以下のレーザビームが共有する、請求項１０に記載の鋼板表面の溝形成装置。
- 前記走査ミラーを通した前記レーザビームの照射によって鋼板表面に１個の照射線で線状溝を形成させるにあたり、２個以下の形状ミラーおよび１個の集光ミラーから構成される、請求項９に記載の鋼板表面の溝形成装置。
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