JPH0657335A - Method for improving core loss of grain-oriented electric steel sheet using pulse co2 laser and device therefor - Google Patents
Method for improving core loss of grain-oriented electric steel sheet using pulse co2 laser and device thereforInfo
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- JPH0657335A JPH0657335A JP4211530A JP21153092A JPH0657335A JP H0657335 A JPH0657335 A JP H0657335A JP 4211530 A JP4211530 A JP 4211530A JP 21153092 A JP21153092 A JP 21153092A JP H0657335 A JPH0657335 A JP H0657335A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は方向性電磁鋼板の応力緩
和焼鈍に耐え得る鉄損特性改善方法および装置とそれに
よって製造される製品に関し、特にパルスCO2 レーザ
ビーム照射によってその磁気特性を大幅に改善する処理
方法に係わる。The present invention relates to an products produced by it and the iron loss property improved method and apparatus capable of withstanding the stress relaxation annealing grain-oriented electrical steel sheet significantly the magnetic properties by particular pulsed CO 2 laser beam irradiation It relates to the processing method to improve.
【0002】[0002]
【従来技術】従来、電磁鋼板の鉄損値を改善する方法と
して、多くの手段が提唱されてきており、中でも特公昭
57ー2252号公報に開示されているレーザビーム照
射による鉄損特性の改善方法は、その改善効果の大き
さ、ならびに非接触加工であることに起因する信頼性の
高さや制御性の良さから広く実用に供されている。この
方法はレーザビームを照射することによって生ずる熱衝
撃波の反力によって方向性電磁鋼板の磁区を細分化する
ことにより、ヒステリシス損失の増加を抑えたまま渦電
流損失の低下を図るものであり、上記特許公報に続いて
多くの方法が開示されてきたが、全てレーザビームの照
射条件としてはエネルギ密度EであるJ/cm2 の次元
で整理されていた。2. Description of the Related Art Conventionally, many means have been proposed as a method for improving the iron loss value of an electromagnetic steel sheet, and among them, the iron loss characteristic is improved by laser beam irradiation disclosed in Japanese Patent Publication No. 57-2252. The method has been widely put to practical use because of its large improvement effect and high reliability and controllability due to non-contact processing. This method is intended to reduce the eddy current loss while suppressing the increase of the hysteresis loss by subdividing the magnetic domain of the grain-oriented electrical steel sheet by the reaction force of the thermal shock wave generated by irradiating the laser beam. Although many methods have been disclosed following the patent publication, all the irradiation conditions of the laser beam are arranged in the dimension of J / cm 2 which is the energy density E.
【0003】しかるにレーザビームと物質との相互作用
条件は単にレーザビームのエネルギ密度Eのみによって
規定することはできない。すなわちエネルギ密度Eは、
パルスレーザの場合、パルスピークパワー密度Pとパル
ス半値幅Wの積によって定義されるものであるが、同一
のエネルギ密度Eに対しても種々のパルスピークパワー
密度Pとパルス半値幅Wの組合せが存在し得る。また連
続波レーザの場合は、エネルギ密度Eは1秒間に照射さ
れたパワー密度P′によって規定されるので、この場合
にも複数のレーザパワー密度とレーザビーム走査速度の
組合せが存在し得る。図4は、開発社刊、小林昭著「レ
ーザ加工」(1976)p39に示されたレーザエネル
ギとパルス幅によるレーザ加工の分類を示したものであ
り、図4のごとく同一のエネルギに対しても、パルス幅
を短くしてゆくことによって加工現象は物質の加熱のみ
の状況から溶融、蒸発へと現象が変化することが示され
ている。さらに、パルスレーザビームと連続波レーザビ
ームの間では、加工現象により大きな相違があることが
明記されている。したがって、電磁鋼板の鉄損改善処理
方法としてレーザエネルギ密度Eのみで条件を規定する
ことは甚だ不確定な要素を含むものである。However, the condition of interaction between the laser beam and the substance cannot be defined solely by the energy density E of the laser beam. That is, the energy density E is
In the case of a pulse laser, it is defined by the product of the pulse peak power density P and the pulse half width W, but various combinations of the pulse peak power density P and the pulse half width W are available for the same energy density E. Can exist Further, in the case of a continuous wave laser, the energy density E is defined by the power density P'irradiated for one second, and therefore there may be a plurality of combinations of laser power density and laser beam scanning speed in this case as well. FIG. 4 shows the classification of laser energy according to laser energy and pulse width shown in p. 39 of “Laser Machining” (1976) by Akira Kobayashi, published by Development Co., and even for the same energy as in FIG. It has been shown that by shortening the pulse width, the processing phenomenon changes from the state of only heating the substance to melting and evaporation. Further, it is specified that there is a large difference between the pulsed laser beam and the continuous wave laser beam due to the processing phenomenon. Therefore, defining the condition only by the laser energy density E as a method for improving the iron loss of the electromagnetic steel sheet involves a very uncertain factor.
【0004】次にレーザビームと物質との相互作用条件
は上記のレーザ特性以外にも、物質によるレーザビーム
の吸収率によっても大きく左右される。光吸収率を決定
する要因は、被加工物である鋼板の表面粗さ、温度、鋼
板表面の皮膜の吸収特性、ならびにレーザ波長である。
表面粗さ、表面温度を一定にした場合の電磁鋼板表面で
のレーザパワー吸収特性の波長依存性の測定結果の一例
を図5に示す。工業的に一般に利用されているレーザは
主としてYAGレーザとCO2 レーザであり、それらの
代表的な発振波長は1.06μmと10.6μmであ
る。この2つの波長に対する電磁鋼板の吸収率を比較す
ると、YAGレーザの1.06μmでは35〜40%の
吸収率があるのに比べて、CO2 レーザの10.6μm
では5〜10%の吸収率と非常に低く前者の1/4〜1
/5に過ぎない。これに基づいてレーザのエネルギが鋼
板に投入されるので、その加熱、溶融、蒸発現象の変化
は大きく、レーザビームの波長による吸収率の依存性を
無視することはできない。しかるに特公昭59ー536
84号公報等においてはレーザ発振器としてはQスイッ
チング可能なルビーレーザ、YAGレーザ、あるいはC
O2 レーザ、Arレーザ、COレーザなどの連続発振レ
ーザ等任意のレーザを使用することができると開示され
ている。Next, the condition of interaction between the laser beam and the substance is largely influenced by the absorptance of the laser beam by the substance in addition to the above laser characteristics. The factors that determine the light absorptance are the surface roughness of the steel sheet that is the workpiece, the temperature, the absorption characteristics of the film on the steel sheet surface, and the laser wavelength.
FIG. 5 shows an example of the measurement results of the wavelength dependence of the laser power absorption characteristics on the surface of the electromagnetic steel sheet when the surface roughness and the surface temperature are constant. Lasers generally used industrially are mainly YAG lasers and CO 2 lasers, and their typical oscillation wavelengths are 1.06 μm and 10.6 μm. Comparing the absorptance of the electromagnetic steel sheet with respect to these two wavelengths, the YAG laser has an absorptance of 35 to 40% at 1.06 μm, while the CO 2 laser has an absorptance of 10.6 μm.
The absorption rate is 5-10%, which is very low and 1/4 to 1 of the former
Only / 5. Since the laser energy is applied to the steel sheet based on this, the heating, melting, and evaporation phenomena change greatly, and the dependence of the absorptivity on the wavelength of the laser beam cannot be ignored. Kasaruni Shokoku Sho 59-536
In Japanese Patent Publication No. 84 etc., a Q-switchable ruby laser, YAG laser, or C laser oscillator is used.
It is disclosed that any laser such as a continuous wave laser such as an O 2 laser, an Ar laser or a CO laser can be used.
【0005】以上のごとく、従来技術においてはレーザ
ビームと鋼板の相互作用に重大な影響を及ぼす要因であ
るレーザビームのピークパワー密度P、パルス幅W、発
振波長λを何等規定していない。As described above, in the prior art, the peak power density P of the laser beam, the pulse width W, and the oscillation wavelength λ, which are factors that significantly affect the interaction between the laser beam and the steel sheet, are not specified.
【0006】さらにこれらの従来技術では、その照射条
件としてかなり広い範囲を規定し、かつ表面に照射痕跡
を残すことを特徴としているが、その基本はレーザビー
ム照射による熱衝撃反力による結晶粒の微細化であり、
表面形状を変化させるまでの加工は念頭に置かれていな
い。その結果、従来技術によって鉄損改善が施された電
磁鋼板を高温環境下で熱処理すると鉄損改善効果が消滅
してしまう問題点があり、特公昭58ー50298号公
報には600℃を越える温度での熱処理において問題が
あることが明記されている。この制約は、例えば巻鉄心
のようなレーザ処理の後で歪取り焼鈍を要求するような
製品素材に対しては、従来技術を適用できないという大
きな問題点の原因となっていた。Further, these prior arts are characterized in that a considerably wide range is defined as the irradiation condition and an irradiation trace is left on the surface, but the basis thereof is the crystal grain due to the thermal shock reaction force by the laser beam irradiation. Miniaturization,
Processing until changing the surface shape is not taken into consideration. As a result, there is a problem in that the iron loss improving effect disappears when heat treatment is applied to a magnetic steel sheet whose iron loss has been improved by the conventional technique in a high temperature environment. In Japanese Patent Publication No. 58-50298, the temperature exceeds 600 ° C. It is clearly stated that there is a problem with the heat treatment at. This restriction causes a big problem that the conventional technique cannot be applied to a product material such as a wound iron core that requires a stress relief annealing after laser processing.
【0007】800℃を越える応力緩和焼鈍(Stress R
elief Annealing : SRA )を行っても鉄損改善効果が消
滅しない方向性電磁鋼板の処理方法として、Physica Sc
ripta.誌 Vol.T24, p36-41, 1988 には歯形ロールを用
いて圧延方向に直角に深さ10〜25μmの溝を形成す
る方法が提示されている。この方法によれば、850
℃、4時間の応力緩和焼鈍を行っても、改善された鉄損
値が劣化しないことが実験的に確認されており、従来の
レーザ処理による問題点を解決できる画期的な方法であ
るが、反面接触式加工方法であること、ならびに電磁鋼
板は多量のSiを含有することから素材硬度がかなり高い
ことから、歯形ロールの寿命が短く、生産コストが大幅
に高くなるという問題点がある。その他、耐SRA性を
実現できる電磁鋼板の鉄損改善方法として、化学的エッ
チングによる方法、アンチモン(Sb)をドープする方法等
も提唱されているが、何れも高速処理を実現する上で制
約があり、生産性を高められない問題点があった。Stress relaxation annealing exceeding 800 ° C. (Stress R
eryef Annealing: SRA), the Physica Sc
Ripta., Vol. T24, p36-41, 1988, discloses a method of forming a groove having a depth of 10 to 25 μm at right angles to the rolling direction by using a tooth profile roll. According to this method, 850
It has been experimentally confirmed that the improved iron loss value does not deteriorate even if stress relaxation annealing is performed at 4 ° C. for 4 hours, and this is an epoch-making method that can solve the problems of conventional laser processing. However, there is a problem that the life of the tooth profile roll is short and the production cost is significantly increased because the method is a contact-type processing method and that the electromagnetic steel sheet contains a large amount of Si and thus has a considerably high material hardness. Other methods such as chemical etching and antimony (Sb) doping have been proposed as iron loss improving methods for electrical steel sheets that can realize SRA resistance, but both have limitations in achieving high-speed processing. However, there was a problem that productivity could not be improved.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、耐S
RA性を有する方向性電磁鋼板の鉄損特性を改善する方
法および装置において、従来の歯形ロールやエッチング
等による処理プロセスの高コスト、低生産性の問題を解
決し、高い生産性と信頼性ならびに低コスト性を同時に
実現できる方向性電磁鋼板の鉄損改善方法ならびに装置
を提供することにある。DISCLOSURE OF THE INVENTION The object of the present invention is to resist S
In a method and an apparatus for improving the iron loss characteristics of a grain-oriented electrical steel sheet having RA property, the problems of high cost and low productivity of a conventional process such as tooth profile roll or etching are solved, and high productivity and reliability and An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for improving iron loss of grain-oriented electrical steel sheets that can simultaneously realize low cost.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明は、方向性電磁鋼
板の圧延方向にほぼ直角に凹部を形成して応力緩和焼鈍
に耐え得る鉄損改善を実現する方法およびそのための装
置において、レーザ発振器としてパルス半値幅が10n
sec以上、1μsec以下の初期スパイクを持ち、さ
らに100nsec以上、10μsec以下のパルステ
イルを有するパルスQスイッチCO2 レーザを用い、パ
ルスピーク部の光強度密度が2×107W/cm2 以上
とし、集光されたレーザビームが直径1mm以下のほぼ
円形もしくは圧延方向径が1mm以下で走査方向長さが
3mm以下のほぼ楕円形状になるようレーザビームを制
御して照射し、圧延方向幅0.5mm以下、深さ10μ
m以上の凹部がレーザ走査方向間隔2mm以下、圧延方
向間隔10mm以下で存在することを特徴とするパルス
CO2 レーザを用いた方向性電磁鋼板の鉄損改善方法お
び装置である。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a method for forming an indentation substantially perpendicular to the rolling direction of a grain-oriented electrical steel sheet to improve iron loss that can withstand stress relaxation annealing, and an apparatus therefor. Pulse half width is 10n
A pulse Q-switched CO 2 laser having an initial spike of 1 sec or more and 1 μsec or less and a pulse tail of 100 nsec or more and 10 μsec or less and a light intensity density of a pulse peak portion of 2 × 10 7 W / cm 2 or more, The focused laser beam is controlled so that the laser beam has a substantially circular shape with a diameter of 1 mm or less or a substantially elliptical shape with a rolling direction diameter of 1 mm or less and a scanning direction length of 3 mm or less, and a rolling direction width of 0.5 mm. Below, depth 10μ
The present invention provides a method and apparatus for improving iron loss of grain-oriented electrical steel sheet using a pulsed CO 2 laser, characterized in that recesses of m or more are present at an interval of 2 mm or less in the laser scanning direction and an interval of 10 mm or less in the rolling direction.
【0010】[0010]
【作用】以下に本発明を詳細に説明する。図1は、本発
明によるパルスCO2 レーザを用いた耐SRA性を有す
る方向性電磁鋼板の鉄損改善方法において、本発明の主
たる構成要素であるQスイッチCO2 レーザ共振器の構
成と、その出力パルスの電磁鋼板への照射光学系の構成
を示したものである。レーザ放電部2は、CO2レーザ
媒質であるレーザガスに連続的もしくはパルス的に放電
励起によってエネルギを供給する部分であり、レーザ共
振器を構成する全反射鏡3と全透過窓4によって大気と
遮断されている。大気中に設置された出力鏡7と全透過
窓4との間には、共焦点テレスコープ5と回転チョッパ
6によって構成されるQスイッチング装置が設置され
る。回転チョッパ6は一定間隔でレーザビームを透過さ
せるスリットを有し、レーザ光軸上にスリットが来た時
にのみ共振器の性能指数であるQ値が上昇することでQ
スイッチングが実現される。ここで、CO2 レーザの回
転チョッパによるQスイッチングの場合、耐SRA性は
無いが電磁鋼板の鉄損改善に関して従来から用いられて
いる連続波励起QスイッチYAGレーザにおいて問題で
あった音響光学素子の平均出力上限が原理的に無いこと
から、高平均出力化すなわち高パルス繰り返しの周波数
で高ピーク出力、高パルスエネルギの実現が可能であ
り、10kHz以上のパルス繰り返し周波数で250k
W以上のピーク出力、1kW以上の平均出力が得られて
いる。これは典型的なQスイッチYAGレーザの10台
分以上の平均出力値である。さらに、そのパルスピーク
出力は通常のパルス励起YAGレーザのそれの250倍
以上の値である。これら各種のパルスレーザの典型的な
発振特性を対比した結果を表1に示す。The present invention will be described in detail below. FIG. 1 shows a structure of a Q-switch CO 2 laser resonator, which is a main component of the present invention, in a method of improving iron loss of grain-oriented electrical steel sheet having SRA resistance using a pulsed CO 2 laser according to the present invention, and its configuration. 3 shows a configuration of an optical system for irradiating an electromagnetic steel sheet with an output pulse. The laser discharge part 2 is a part which supplies energy to the laser gas which is a CO 2 laser medium by discharge excitation in a continuous or pulsed manner, and is shielded from the atmosphere by a total reflection mirror 3 and a total transmission window 4 which constitute a laser resonator. Has been done. A Q-switching device including a confocal telescope 5 and a rotary chopper 6 is installed between the output mirror 7 installed in the atmosphere and the total transmission window 4. The rotary chopper 6 has slits for transmitting the laser beam at regular intervals, and the Q factor, which is the figure of merit of the resonator, increases only when the slits come on the laser optical axis.
Switching is realized. Here, in the case of Q-switching by the rotating chopper of a CO 2 laser, there is no SRA resistance, but the acousto-optic device which has been a problem in the continuous wave pumped Q-switch YAG laser that has been conventionally used for improving the iron loss of electromagnetic steel sheets. Since there is no upper limit of average output in principle, it is possible to realize high average output, that is, high peak output and high pulse energy at high pulse repetition frequency, and 250k at pulse repetition frequency of 10 kHz or higher.
A peak output of W or more and an average output of 1 kW or more are obtained. This is an average output value of 10 or more typical Q-switch YAG lasers. Further, its pulse peak output is a value more than 250 times that of a normal pulse pumped YAG laser. Table 1 shows the results of comparison of typical oscillation characteristics of these various pulse lasers.
【0011】[0011]
【表1】 [Table 1]
【0012】QスイッチCO2 レーザ共振器から取り出
されたパルスレーザビーム1は、ポリゴンミラー8によ
る回転スキャナーによって電磁鋼板10の板幅方向に走
査され、平面全反射鏡11で反射して放物面鏡9によっ
て集光された後、電磁鋼板10に照射される。The pulsed laser beam 1 extracted from the Q-switch CO 2 laser resonator is scanned in the plate width direction of the electromagnetic steel plate 10 by the rotary scanner by the polygon mirror 8 and reflected by the plane total reflection mirror 11 to form a parabolic surface. After being focused by the mirror 9, the electromagnetic steel sheet 10 is irradiated.
【0013】図2は、パルス繰り返し周波数12kHz
でQスイッチ発振した場合の、QスイッチCO2 レーザ
パルス波形を示したものである。初期スパイク部はQス
イッチレーザ特有のジャイアントパルス発振部であり、
その半値幅は放電励起強度、レーザ共振器長、パルス繰
り返し周波数によって逐次変化するがその範囲は10n
sec以上、1μsec以下である。さらにこのQスイ
ッチCO2 レーザパルは初期スパイク後に長いテイル部
分を伴っている。これは、主としてレーザ媒質中に含ま
れるN2 の励起分子からCO2 分子のレーザ上準位への
衝突によるエネルギ移剰によって発振しているレーザパ
ルスの一部である。このテイル部の最大長さは衝突エネ
ルギ移剰の時定数によって決定されおよそ10μsec
である。これは、QスイッチYAGレーザには無いQス
イッチCO2 レーザに特有のパルステイルである。なお
回転チョッパを用いたQスイッチングにおいては、レー
ザ光透過スリットの幅を適宜変更することによりパルス
テイル長を短くすることが可能である。FIG. 2 shows a pulse repetition frequency of 12 kHz.
2 shows a Q-switch CO 2 laser pulse waveform in the case of Q-switch oscillation in FIG. The initial spike part is a giant pulse oscillation part peculiar to the Q switch laser,
The full width at half maximum varies depending on the discharge excitation intensity, the laser cavity length, and the pulse repetition frequency, but the range is 10n.
It is not less than sec and not more than 1 μsec. Furthermore, the Q-switched CO 2 laser pulse has a long tail after the initial spike. This is a part of the laser pulse oscillated due to energy transfer due to collision of CO 2 molecules from the N 2 excited molecule contained in the laser medium with the laser upper level. The maximum length of this tail part is determined by the time constant of collision energy transfer and is about 10 μsec.
Is. This is a pulse tail peculiar to the Q-switch CO 2 laser which is not found in the Q-switch YAG laser. In Q switching using the rotary chopper, the pulse tail length can be shortened by appropriately changing the width of the laser light transmitting slit.
【0014】Qスイッチ発振時のパルス繰り返し周波数
の最大値は、共振器Q値の上昇後、Qスイッチパルス発
振に至るまでの遅延時間と、共振器Q値が低い間にレー
ザ上準位へエネルギが蓄積される時間の兼ね合いによっ
て決定されるが、一般の連続波発振CO2 レーザを用い
てQスイッチ発振させる場合、100kHz程度までの
周波数が実現可能である。なお、これより周波数を下げ
てゆく場合、レーザ上準位の寿命(レーザガス組成、圧
力に依存するがおよそ50μsec)に相当する20k
Hz程度のパルス繰り返し周波数までの領域では、パル
スエネルギとパルス繰り返し周波数はおよそ反比例の関
係、すなわち一定のレーザ平均出力が得られる。The maximum value of the pulse repetition frequency during Q-switch oscillation is the delay time until the Q-switch pulse oscillation occurs after the resonator Q value rises, and the energy to the laser upper level while the resonator Q value is low. Is determined by the balance of the storage time, but when the Q-switch oscillation is performed using a general continuous wave CO 2 laser, a frequency up to about 100 kHz can be realized. When the frequency is lowered below this, 20 k corresponding to the life of the upper level of the laser (about 50 μsec depending on the laser gas composition and pressure)
In the region up to the pulse repetition frequency of about Hz, the pulse energy and the pulse repetition frequency have an approximately inversely proportional relationship, that is, a constant laser average output is obtained.
【0015】以上に示したようなQスイッチパルスCO
2 レーザを方向性電磁鋼板に照射した場合の、鉄損特性
改善に関して以下に詳細に説明する。先ず、初期スパイ
ク部のパルスピークパワー密度が鉄損特性に及ぼす影響
について、レーザ集光径を約500μmの一定値として
パルスピーク出力を逐次変化させてその特性を調査し
た。その結果、初期スパイク部のパルス半値幅が10n
sec〜1μsecのQスイッチCO2 レーザパルスの
場合、ピークパワー密度が2×107 W/cm2以上の
領域であれば、深さ10μm以上の凹部が形成され、応
力緩和焼鈍を行ってもその鉄損改善特性が消滅しないこ
とが判明した。具体的には、ピーク出力150kWのレ
ーザパルスを直径1mmに集光した場合(ピークパワー
密度2×107 W/cm2 )、凹部の深さは10μmで
あり、同一パルスを直径0.6mmに集光した場合(ピ
ークパワー密度5×107 W/cm2 )、凹部の深さは
30μmであった。なお、ピークパワー密度が2×10
7 W/cm2 より小さい場合、凹部が形成される条件も
あるが、その深さが不十分なため耐SRA性が得られな
いことがわかった。さらにピークパワー密度を極端に大
きくしても、レーザビーム照射によって発生するプラズ
マによってパワーが吸収されるため、穴加工深さはパワ
ー密度を増加しても飽和するので特に上限値は無い。し
たがって、穴加工深さは10μm以上の領域に、またピ
ークパワー密度としては2×107 W/cm2 以上の域
に限定される。The Q switch pulse CO as shown above
2 The iron loss characteristic improvement when the grain oriented electrical steel sheet is irradiated with two lasers will be described in detail below. First, regarding the effect of the pulse peak power density of the initial spike portion on the iron loss characteristics, the characteristics were investigated by sequentially changing the pulse peak output with the laser condensing diameter being a constant value of about 500 μm. As a result, the pulse half width of the initial spike portion is 10n
In the case of a Q-switched CO 2 laser pulse of sec to 1 μsec, if the peak power density is in the region of 2 × 10 7 W / cm 2 or more, a recess having a depth of 10 μm or more is formed, and even if stress relaxation annealing is performed, the It was found that the iron loss improving characteristics did not disappear. Specifically, when a laser pulse with a peak output of 150 kW is focused on a diameter of 1 mm (peak power density 2 × 10 7 W / cm 2 ), the depth of the recess is 10 μm, and the same pulse has a diameter of 0.6 mm. When condensed (peak power density 5 × 10 7 W / cm 2 ), the depth of the recess was 30 μm. The peak power density is 2 × 10
When it is less than 7 W / cm 2 , it is found that the SRA resistance cannot be obtained because the depth is insufficient, although there are some conditions under which the recess is formed. Further, even if the peak power density is extremely increased, the power is absorbed by the plasma generated by the laser beam irradiation, so that the hole machining depth is saturated even if the power density is increased, so there is no particular upper limit. Therefore, the drilling depth is limited to a region of 10 μm or more, and the peak power density is limited to a region of 2 × 10 7 W / cm 2 or more.
【0016】次に、レーザピークパワー密度はピーク出
力を一定として、レーザ集光形状を変化させても制御す
ることができるので、レーザ出力を一定として集光レン
ズの焦点距離を逐次変化させながら、レーザビーム照射
による加工特性を評価した。その結果、鋼板の圧延方向
のレーザビーム径が1mmを超えると加工穴径は0.5
mm以上となり、応力緩和焼鈍後の磁区細分化効果が著
しく劣化し、レーザビーム径は1mm以下とする必要が
あることがわかった。これは、レーザ加工によって形成
される歪領域が広くなり過ぎると、磁区細分化が起こり
にくくなるためと考えられる。なお、ここではレーザビ
ーム集光径、圧延方向穴径の双方とも特に下限は規定し
ていないが、これはレーザビームの集光径を無限に小さ
くすることは不可能であり、集光系の焦点距離等が与え
られると回折限界によって自ずから下限値が規定される
ためである。以上の結果からレーザビームを直径1mm
以下に集光し、そのピークパワー密度が2×107 W/
cm2 以上の値になるためにレーザパルスのピーク値に
要求される値としては150kW以上という条件とな
る。なお、レーザ光走査方向のビーム径は、圧延方向ビ
ーム径程、厳密な制約が無いこともわかった。ここで、
パルスピーク出力は近似的にはパルスエネルギと比例
し、パルスエネルギは前述のごとくパルス繰り返し周波
数と反比例するので、高パルス繰り返し周波数で低めの
ピーク出力を取り出し点状に集光することと、低パルス
繰り返し周波数で高いピーク出力を取り出し線状(楕円
形状)に集光することは等価である。このような線状集
光の鋼板幅方向への走査は図3に示すようにレーザビー
ム集光系に円柱鏡ないし円柱レンズを挿入することによ
って実現される。図において一定方向からポリゴンミラ
ー8に投入されるレーザビーム1′はポリゴンミラー8
の回転によって放物面鏡9の左側9L から右側9R に走
査され、円柱レンズ12によって線状に集光される。な
お図中y方向のレーザビーム集光径dy は、放物面鏡9
と円柱レンズ12の複合焦点距離によって決定され、ま
たx方向の集光径dx は、放物面鏡9の集光特性によっ
て決定される。線状集光の場合のレーザ走査方向の長さ
は、発振器から取り出し得るピーク出力と加工条件から
要求されるピークパワー密度によって決定され、その上
限値は3mmである。Next, the laser peak power density can be controlled by changing the laser focusing shape while keeping the peak output constant, so that the laser output is kept constant and the focal length of the focusing lens is changed sequentially. The processing characteristics by laser beam irradiation were evaluated. As a result, if the diameter of the laser beam in the rolling direction of the steel sheet exceeds 1 mm, the machined hole diameter becomes 0.5.
It has been found that the diameter of the laser beam is more than 1 mm, the magnetic domain refining effect after stress relaxation annealing is significantly deteriorated, and the laser beam diameter needs to be 1 mm or less. It is considered that this is because if the strained region formed by laser processing becomes too wide, the magnetic domain subdivision becomes difficult to occur. In addition, here, the lower limit is not particularly specified for both the laser beam converging diameter and the rolling direction hole diameter, but it is impossible to make the converging diameter of the laser beam infinitely small. This is because the lower limit value is naturally defined by the diffraction limit when the focal length and the like are given. From the above results, the laser beam diameter is 1 mm
The peak power density is 2 × 10 7 W /
Since the value is cm 2 or more, the value required for the peak value of the laser pulse is 150 kW or more. It was also found that the beam diameter in the laser beam scanning direction was not as strict as the beam diameter in the rolling direction. here,
The pulse peak output is approximately proportional to the pulse energy, and the pulse energy is inversely proportional to the pulse repetition frequency as described above. It is equivalent to take out a high peak output at a repetition frequency and focus it in a linear shape (elliptical shape). Such scanning of the linear focusing in the width direction of the steel plate is realized by inserting a cylindrical mirror or a cylindrical lens into the laser beam focusing system as shown in FIG. In the figure, the laser beam 1 ', which is incident on the polygon mirror 8 from a certain direction, is the polygon mirror 8
Is rotated to scan from the left side 9 L to the right side 9 R of the parabolic mirror 9 and is linearly condensed by the cylindrical lens 12. The laser beam condensing diameter d y in the y direction in the figure is determined by the parabolic mirror 9
And the condensing diameter d x in the x direction are determined by the compound focal length of the cylindrical lens 12, and the converging characteristic of the parabolic mirror 9. The length in the laser scanning direction in the case of linear focusing is determined by the peak output that can be taken out from the oscillator and the peak power density required from the processing conditions, and its upper limit value is 3 mm.
【0017】次にQスイッチCO2 レーザパルスに特有
なパルステイル部分のレーザ加工特性に及ぼす影響につ
いて説明する。パルステイル部分の長さは、前述のごと
く回転チョッパのスリット幅を変えることで制御でき
る。そこでパルステイル部分の長さを逐次変化させなが
らその加工特性への影響を調べた。その結果、パルステ
イル部分が無い場合も高品質の穴加工が実現出来るが、
さらに100nsec以上のパルステイルを付加すると
穴加工部位の周囲への異物の付着状況が改善され、より
加工品質が改善されることがわかった。鋼板表面におけ
る加工部周辺の盛り上がりもしくは異物の付着は、後に
電磁鋼板を積層状態にした際に変圧器効率を大幅に劣化
させるため極力防止する必要があり、これが本発明によ
るQスイッチCO2 レーザを用いる最たる特徴の一つと
なっている。なお、このパルステイルによる効果は、テ
イル部分による鋼板の再熱効果によって初期スパイク部
の照射で発生したスパッタ等を加熱、蒸発させているも
のと思われる。Next, the effect of the pulse tail portion peculiar to the Q switch CO 2 laser pulse on the laser processing characteristics will be described. The length of the pulse tail portion can be controlled by changing the slit width of the rotary chopper as described above. Therefore, the effect on the processing characteristics was investigated by changing the length of the pulse tail portion sequentially. As a result, high quality drilling can be realized even if there is no pulse tail part.
Further, it was found that the addition of a pulse tail of 100 nsec or more improves the adhesion of foreign matter to the periphery of the hole-processed portion, further improving the processing quality. Adhesion of swelling or foreign matter around the processed portions of the steel sheet surface after the need to prevent as much as possible in order to significantly degrade the transformer efficiency upon the electromagnetic steel plates in the stacked state, which the Q-switch CO 2 laser according to the present invention It is one of the best features to use. It is considered that the effect of the pulse tail is that the spatter and the like generated by the irradiation of the initial spike portion are heated and evaporated by the reheating effect of the steel sheet by the tail portion.
【0018】上述のごとく、レーザビーム照射による穴
加工で導入された歪による磁区細分化効果は、圧延方向
幅0.5mm以下、深さ10μm以上の凹部を形成する
必要があることがわかったが、さらに鋼板表面上でのそ
の照射間隔を適宜変更して評価した結果、レーザビーム
走査方向に関しては、点状集光、線状集光の双方の条件
共、その間隔が2mm以下であることが必要である。こ
の間隔が広くなり過ぎると歪が導入されない部分の影響
が大きくなり鉄損改善効果が明確でなくなる。なお、こ
の方向の間隔の下限に関しては、従来技術の歯形ロール
で連続的な溝加工を行っていることからもわかるように
特に下限値は無い。同様に圧延方向に関しても、実験的
な評価の結果、歪導入の効果を保持するためにはその間
隔は10mm以下とする必要があり、またその下限値は
レーザ処理による生産性の観点から自ずから決定される
が、磁気特性に関する製品品質においては特に限界は無
いことがわかった。As described above, it was found that the effect of the domain refinement due to the strain introduced by the hole processing by laser beam irradiation requires the formation of recesses having a width of 0.5 mm or less and a depth of 10 μm or more in the rolling direction. Further, as a result of evaluation by appropriately changing the irradiation interval on the surface of the steel sheet, the interval is 2 mm or less in the laser beam scanning direction under both conditions of point-shaped condensing and linear condensing. is necessary. If this spacing becomes too wide, the effect of the portion where no strain is introduced becomes large and the iron loss improving effect becomes unclear. As to the lower limit of the gap in this direction, there is no particular lower limit, as can be seen from the fact that the conventional tooth profile roll is used for continuous grooving. Similarly, with respect to the rolling direction as well, as a result of experimental evaluation, in order to maintain the effect of introducing strain, the interval must be 10 mm or less, and the lower limit value is naturally determined from the viewpoint of productivity by laser processing. However, it has been found that there is no particular limit in product quality regarding magnetic properties.
【0019】なお、以上の本発明の説明においては、Q
スイッチCO2 レーザは連続波放電による連続波発振レ
ーザをQスイッチ動作させる例を念頭に置いて示した
が、パルスピーク出力を大きくとる必要が有る場合に
は、本願発明者等が特願平3ー42596号において提
示したパルス放電励起と回転チョッパQスイッチを同期
させたQスイッチCO2 レーザを用いてもよい。さらに
Qスイッチングの方式としては、回転チョッパを用いる
方式を提示したが、回転ミラー、ファブリペロエタロ
ン、電気光学素子等を用いるその他のQスイッチ方式を
適用したパルスQスイッチCO2 レーザを用いることも
可能である。さらに以上の説明においては、CO2 レー
ザのもう一つの大きな特徴である波長可変性については
特に説明しなかったが、方向性電磁鋼板に通常施される
絶縁皮膜の光吸収率の波長依存性に合わせてレーザ発振
波長を同調して照射することも可能である。In the above description of the present invention, Q
The switched CO 2 laser has been shown with an example in which a continuous wave oscillating laser by continuous wave discharge is operated in Q switch, but when it is necessary to obtain a large pulse peak output, the inventors of the present application filed a patent application 3 A Q-switched CO 2 laser in which the pulsed discharge excitation and the rotary chopper Q-switch presented in US Pat. No. 4,252,96 are synchronized may be used. Further, as a Q switching method, a method using a rotary chopper is presented, but it is also possible to use a pulse Q switch CO 2 laser to which another Q switch method using a rotating mirror, Fabry-Perot etalon, electro-optical element, etc. is applied. Is. Furthermore, in the above description, the wavelength tunability, which is another major feature of the CO 2 laser, was not particularly explained, but the wavelength dependence of the light absorption rate of the insulating film that is usually applied to grain-oriented electrical steel sheets is not explained. It is also possible to irradiate with the laser oscillation wavelength tuned together.
【0020】[0020]
【実施例】本発明によるパルスCO2 レーザを用いた方
向性電磁鋼板の鉄損改善方法を図1に示される構成を用
いて実施した。レーザ放電部2は連続波発振CO2 レー
ザの放電励起部分であり、フリーランニングモードで連
続波発振させた場合、ほぼTEM00モードで3kWのレ
ーザ出力を得る能力を有する。全反射鏡3は波長10.
59μmにおいて反射率99.8%を有する多層膜蒸着
を施したZnSe反射鏡である。全透過窓4は波長1
0.59μmでの無反射コーティングがほどこされたZ
nSe窓である。共焦点テレスコープ5は同様なコーテ
ィングが施された焦点距離100mmのZnSeレンズ
2枚によって構成される。回転チョッパ6は60,00
0rpmで回転する金属ブレードで、チョッパブレード
上には10〜100ケのスリットが導入されている。し
たがって、パルス繰り返し周波数は10〜100kHz
である。以上の条件でレーザをフリーランニングモード
で発振させた場合の平均出力はおよそ1200W強であ
る。レーザ共振器から取り出されたレーザビーム1はポ
リゴンミラー8によって鋼板幅方向に350mmにわた
って走査される。レーザビーム1は点集光の場合は、放
物面鏡9によって鋼板10の表面上で0.5mm直径の
ビームに集光され、線集光の場合は、さらに図示されな
い円柱レンズ12の導入によって約0.4mm×3mm
の線状ビームに集光される。EXAMPLE An iron loss improving method for grain-oriented electrical steel sheet using a pulsed CO 2 laser according to the present invention was carried out by using the constitution shown in FIG. The laser discharge part 2 is a discharge excitation part of a continuous wave oscillation CO 2 laser, and has an ability to obtain a laser output of 3 kW in a TEM 00 mode when continuous wave oscillation is performed in a free running mode. The total reflection mirror 3 has a wavelength of 10.
It is a ZnSe reflecting mirror that has been subjected to multilayer film vapor deposition having a reflectance of 99.8% at 59 μm. Total transmission window 4 has wavelength 1
Z with 0.59μm anti-reflection coating
It is an nSe window. The confocal telescope 5 is composed of two ZnSe lenses having a focal length of 100 mm and having the same coating. Rotating chopper 6 is 60,000
A metal blade rotating at 0 rpm, and 10 to 100 slits are introduced on the chopper blade. Therefore, the pulse repetition frequency is 10 to 100 kHz
Is. The average output when the laser is oscillated in the free running mode under the above conditions is about 1200 W or more. The laser beam 1 extracted from the laser resonator is scanned by the polygon mirror 8 in the width direction of the steel sheet over 350 mm. In the case of point focusing, the laser beam 1 is focused on the surface of the steel plate 10 into a beam having a diameter of 0.5 mm by the parabolic mirror 9, and in the case of line focusing, by introducing a cylindrical lens 12 (not shown). About 0.4 mm x 3 mm
Is focused into a linear beam of.
【0021】[実施例1]パルス繰り返し周波数50k
Hz、波長10. 59μmのレーザビームを点集光し、
初期スパイク部のパルス半値幅250nsec、パルス
テイル2μsecのQスイッチCO2 レーザパルスを、
初期スパイク部のピークパワー密度を5×107 W/c
m2 としてレーザ光走査方向に0. 5mm間隔、鋼板圧
延方向に6.5mm間隔で照射した。その結果、未照射
材に対する全鉄損改善率として9%の値を得、この値は
応力緩和焼鈍を施しても変化しなかった。なお、この改
善率は歯形ロールによる改善率と同等な値である。[Embodiment 1] Pulse repetition frequency 50 k
The laser beam of Hz and wavelength of 10.59 μm is focused on a point
A Q-switch CO 2 laser pulse with a pulse half width of 250 nsec and a pulse tail of 2 μsec in the initial spike portion
The peak power density of the initial spike part is 5 × 10 7 W / c
As m 2 , irradiation was performed at 0.5 mm intervals in the laser beam scanning direction and at 6.5 mm intervals in the steel plate rolling direction. As a result, a total iron loss improvement rate of 9% was obtained for the unirradiated material, and this value did not change even when stress relaxation annealing was performed. This improvement rate is the same value as the improvement rate by the tooth profile roll.
【0022】[実施例2]パルス繰り返し周波数10k
Hz、波長10. 59μmのレーザビームを線集光し、
初期スパイク部のパルス半値幅200nsec、パルス
テイル2. 5μsecのQスイッチCO2 レーザパルス
を、初期スパイク部のピークパワー密度を3×107 W
/cm2 としてレーザ光走査方向に0. 5mm間隔、鋼
板圧延方向に6.5mm間隔で照射した。その結果、実
施例1と同等な鉄損改善効果が得られた。[Embodiment 2] Pulse repetition frequency 10 k
Line-focus a laser beam with a frequency of Hz and a wavelength of 10.59 μm,
The peak power density of the initial spike portion was 3 × 10 7 W with a Q-switched CO 2 laser pulse having a pulse half-width of 200 nsec and a pulse tail of 2.5 μsec.
/ Cm 2 was irradiated at 0.5 mm intervals in the laser beam scanning direction and at 6.5 mm intervals in the steel plate rolling direction. As a result, the iron loss improving effect equivalent to that of Example 1 was obtained.
【0023】[0023]
【発明の効果】以上に説明したごとく本発明によるパル
スCO2 レーザを用いた方向性電磁鋼板の鉄損改善方法
によれば、耐SRA性を有することから従来のレーザ照
射による製品では適用できなかった巻鉄心用素材への適
用も可能となり、その用途を大幅に広げ得る。さらに従
来からあった耐SRA性を有する鉄損改善方法である歯
形ロール等を用いる方法に比べて、非接触加工であるこ
とから、処理に伴う部材の損耗が本質的に無いので、低
コストで高信頼性・高生産性を持つプロセスを実現でき
るという大きな利点を有する。As described above, according to the iron loss improving method for grain-oriented electrical steel sheet using the pulsed CO 2 laser according to the present invention, since it has SRA resistance, it cannot be applied to the conventional products by laser irradiation. It can also be applied to materials for wound iron cores, and its applications can be greatly expanded. Furthermore, as compared with the conventional method using a tooth profile roll, which is an iron loss improving method with SRA resistance, since it is non-contact processing, there is essentially no wear of the members associated with the processing, so at low cost. It has a great advantage that a process with high reliability and high productivity can be realized.
【図1】本発明のパルスCO2 レーザを用いた方向性電
磁鋼板の鉄損改善方法の一実施例の構成を示す模式図で
ある。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an embodiment of an iron loss improving method for a grain-oriented electrical steel sheet using a pulsed CO 2 laser of the present invention.
【図2】QスイッチCO2 レーザの発振波形の典型的な
測定結果例である。FIG. 2 is a typical measurement result example of an oscillation waveform of a Q-switch CO 2 laser.
【図3】線状ビーム集光光学系の構成を示した模式図で
ある。FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of a linear beam focusing optical system.
【図4】レーザエネルギとパルス幅によるレーザ加工の
分類を示した模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing classification of laser processing according to laser energy and pulse width.
【図5】電磁鋼板表面でのレーザ吸収特性の波長依存性
の測定結果を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing measurement results of wavelength dependence of laser absorption characteristics on the surface of an electromagnetic steel sheet.
1:パルスレーザビーム 1′:ポリゴンミラーへ投入されるレーザビーム 2:レーザ放電部 3:全反射鏡 4:ZnSe全透過窓 5:共焦点テレスコープ 6:回転チョッパ 7:出力鏡 8:ポリゴンミラー 9:放物面鏡 10:電磁鋼板 11:平面全反射鏡 12:円柱レンズ 1: Pulsed laser beam 1 ': Laser beam applied to polygon mirror 2: Laser discharge part 3: Total reflection mirror 4: ZnSe total transmission window 5: Confocal telescope 6: Rotating chopper 7: Output mirror 8: Polygon mirror 9: Parabolic mirror 10: Electromagnetic steel plate 11: Planar total reflection mirror 12: Cylindrical lens
Claims (3)
凹部を形成して応力緩和焼鈍に耐え得る鉄損改善を実現
する方法において、レーザ発振器としてパルス半値幅が
10nsec以上、1μsec以下の時間幅を持つパル
スQスイッチCO2 レーザを用い、パルスピーク部の光
強度密度が 2×107 W/cm2 以上とし、集光され
たレーザビームが直径1mm以下のほぼ円形もしくは圧
延方向径が1mm以下で走査方向長さが3mm以下のほ
ぼ楕円形状になるようレーザビームを制御して照射し、
圧延方向幅0.5mm以下、深さ10μm以上の凹部を
レーザ走査方向間隔2mm以下、圧延方向間隔10mm
以下で生成することを特徴とするパルスCO2 レーザを
用いた方向性電磁鋼板の鉄損改善方法。1. A method of forming a recess substantially perpendicular to the rolling direction of a grain-oriented electrical steel sheet to improve iron loss capable of withstanding stress relaxation annealing, wherein a laser oscillator has a pulse half width of 10 nsec or more and 1 μsec or less. Using a pulsed Q-switched CO 2 laser with a width, the light intensity density at the pulse peak is 2 × 10 7 W / cm 2 or more, and the focused laser beam is approximately circular with a diameter of 1 mm or less or the rolling direction diameter is 1 mm. In the following, the laser beam is radiated by controlling the laser beam so that the scanning direction becomes a substantially elliptical shape with a length of 3 mm or less.
Rolling direction width 0.5 mm or less, depth 10 μm or more recesses in laser scanning direction interval 2 mm or less, rolling direction interval 10 mm
A method for improving iron loss of grain-oriented electrical steel sheet using a pulsed CO 2 laser, which is characterized in that:
パルスがパルス半値幅が10nsec以上、1μsec
以下の初期スパイクを持ち、さらに100nsec以
上、10μsec以下のパルステイルを有することを特
徴とする請求項1記載のパルスCO2 レーザを用いた方
向性電磁鋼板の鉄損改善方法。2. The Q-switched CO 2 laser pulse according to claim 1 has a pulse half width of 10 nsec or more and 1 μsec.
The iron loss improving method for a grain-oriented electrical steel sheet using a pulsed CO 2 laser according to claim 1, further comprising a pulse tail having the following initial spike and 100 nsec or more and 10 μsec or less.
2 レーザと、共焦点条件を満たす1組のテレスコープ光
学系と、CO2 レーザの共振用全反射鏡と共振系を構成
する部分透過鏡と、テレスコープの共焦点位置において
レーザビームを透過・遮断するチョッパを組み合わせて
パルス半値幅が10nsec以上、1μsec以下の初
期スパイクを持ち、150kW以上の初期スパイクピー
ク出力を有するレーザパルスを発振するQスイッチCO
2 レーザと、レーザビームを鋼板の圧延方向とほぼ直角
に走査するスキャナーと、鋼板表面にレーザビームをパ
ルスピーク部の光強度密度が 2×107 W/cm2 以
上とし、集光されたレーザビームが直径1mm以下のほ
ぼ円形もしくは圧延方向径が1mm以下で走査方向長さ
が3mm以下のほぼ楕円形状になるよう集光するレンズ
またはミラーによって構成し、電磁鋼板上に圧延方向幅
0.5mm以下、深さ10μm以上の凹部をレーザ走査
方向間隔2mm以下、圧延方向間隔10mm以下で形成
し電磁鋼板の鉄損値を改善することを特徴とするパルス
CO2 レーザを用いた方向性電磁鋼板の鉄損改善装置。3. CO in which the laser output window is replaced with a total transmission mirror
Two lasers, one set of telescope optical system that satisfies the confocal condition, a partial transmission mirror that constitutes the resonance total reflection mirror and the resonance system of the CO 2 laser, and a laser beam that is transmitted at the confocal position of the telescope. A Q-switch CO that oscillates a laser pulse having an initial spike with a half-value width of 10 nsec or more and 1 μsec or less and an initial spike peak output of 150 kW or more in combination with a chopper that cuts off.
2 laser, a scanner that scans the laser beam almost at right angles to the rolling direction of the steel sheet, and a laser beam with a light intensity density of 2 × 10 7 W / cm 2 or more at the pulse peak portion of the laser beam on the steel sheet surface. It is composed of a lens or mirror that condenses the beam so that it has a substantially circular shape with a diameter of 1 mm or less or a diameter in the rolling direction of 1 mm or less and a length in the scanning direction of 3 mm or less, and has a width of 0.5 mm in the rolling direction on an electromagnetic steel plate. A grain-oriented electrical steel sheet using a pulsed CO 2 laser is characterized in that recesses having a depth of 10 μm or more are formed with a laser scanning direction spacing of 2 mm or less and a rolling direction spacing of 10 mm or less to improve the iron loss value of the electrical steel sheet. Iron loss improvement device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4211530A JP2563729B2 (en) | 1992-08-07 | 1992-08-07 | Method and apparatus for improving iron loss of grain-oriented electrical steel sheet using pulsed CO2 laser |
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JPH0657335A true JPH0657335A (en) | 1994-03-01 |
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