KR101060746B1

KR101060746B1 - 방향성 전자 강판의 자기 특성 개선 방법

Info

Publication number: KR101060746B1
Application number: KR1020087023489A
Authority: KR
Inventors: 다쓰히코 사카이; 히데유키 하마무라
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2011-08-31
Also published as: EP2006397B1; EP2006397A4; TWI334445B; TW200745347A; KR20080106305A; US20090114316A1; US7763120B2; WO2007116893A1; CN101415847B; CN101415847A; RU2374334C1; EP2006397A1; JP2007277644A; JP5000182B2

Abstract

본 발명은 방향성 전자 강판의 철손을 극도로 저감하면서, 자왜를 가급적 작게 할 수 있는 방향성 전자 강판의 제조 방법을 제공하는 것으로, 가늘게 집광된 레이저 빔의 조사에 의하여 자기 특성을 개선하는 방향성 전자 강판의 제조 방법에 있어서, 최대 파워 밀도를 1×10²내지 1×10⁴W/㎟으로 제어한 파워 변조 레이저를 사용하여, 판 폭 방향, 압연 방향 쌍방에서 레이저 조사에 의한 변형량을 최적화하고, 특히 변조 듀티를 70% 이상, 100% 미만으로 함으로써, 자왜가 작은 전자 강판의 제조 방법이다.

방향성 전자 강판, 파워 변조 레이저, 레이저 조사

Description

방향성 전자 강판의 자기 특성 개선 방법 {METHOD FOR IMPROVING THE MAGNETIC CHARACTERISTICS OF GRAIN-ORIENTED MAGNETIC STEEL PLATE}

본 발명은 철손이 작고, 또한 자왜 특성이 우수한 방향성 전자 강판의 제조 방법에 관한 것이다.

결정의 자화 용이 축이 강판 전체에서 거의 동일한 방향으로 모아진 결정 방위성이 높은 전자 강판은 방향성 전자 강판이라 불리고, 그 방향은 강판의 압연 방향과 일치한다. 이와 같은 강판은 트랜스 철심의 재료로서 매우 우수하다.

방향성 전자 강판을 교류로 자화한 때의 철손은 와전류손과 히스테리시스손으로 분리되고, 또한 와전류손은 고전적 와전류손과 이상(異常) 와전류손으로 나뉘어진다. 고전적 와전류손은 강판의 판 두께에 비례하기 때문에, 재료의 박판화로 인하여 줄어들고 있다. 이상 와전류 손은 자벽의 이동에 의하여 국소적으로 발생하는 와전류에 의한 철손으로, 압연 방향으로 가늘고 긴 자구인 180°자구의 자벽 간격에 비례하여 작아진다. 이에, 저철손화를 위하여 자구의 세분화 기술이 여러 가지로 고안되어 왔다.

압연 방향에 대하여 거의 수직인 직선상으로, 주기적인 변형을 강판 표면에 부여함으로써, 그 근방에 가는 환류 자구가 형성되고, 이를 기점으로 180°자벽 간 격은 좁아져서 이상 와전류손이 저감되는 것이 알려져 있다. 이때, 레이저 빔을 집광하여, 판 폭 방향으로 주사 조사하여 변형을 부여하는 방법이 고안되어, 현재 실용화되어 있다.

한편, 히스테리시스손은 자화 곡선, 즉, 히스테리시스 곡선에 의한 철손으로, 강판의 변형에 민감한 철손 성분이다. 따라서, 레이저 조사에 따른 과잉 변형 부여는 히스테리시스손의 증가로 이어지는 문제가 있다.

또한, 철손과 함께 전자 강판의 중요한 특성으로는 자왜가 있다. 이것은 교류 자계 중에서의 강판의 신축에 기인하는 것으로, 트랜스 제품의 잡음의 주된 원인이다. 특히 결정 방위성이 높은 전자 강판에 있어서는 강판의 신축량은 부여한 변형량과 정(正)의 상관이 있는 것이 알려져 있고, 자왜의 관점에서는 과잉 변형은 억제하여야 한다. 따라서, 가능한 한 적은 변형량으로 이상 와전류손을 저감하고, 히스테리시스손과 자왜의 증가를 극도로 억제하는 것이 바람직하다.

종래의 레이저 조사로 잔류 응력이 부여되는 철손 개선 기술에 있어서, 예를 들면 일본 특허 공개 공보 평6-57333호에 개시되어 있는 바와 같이, 1 내지 2μs 정도의 짧은 펄스로, 또한 전자 강판 면상에서의 피크 파워 밀도가 1×10⁴W/㎟을 초과하는 높은 피크 펄스 레이저의 조사 방법은 효과적으로 변형을 도입하는 것이 가능하기 때문에, 피크 파워가 높은 Q 스위치 레이저가 사용되고 있다. 그러나, 이 방법에서는 국소적으로 상당히 강한 충격력이 강판에 가해지기 때문에, 빔의 집광 지름보다 넓은 범위에 걸쳐서 비교적 강한 변형이 부여되는 결과, 와전류손은 충분히 저감되지만, 과잉 변형에 의하여 히스테리스시손과 자왜가 증가하는 문제가 발생한다.

이에, 보다 좁은 영역에 효과적인 자왜를 도입하기 위하여, 예를 들면 국제 특허 공개 공보 WO2004/083465호에 개시되어 있는 바와 같이, 레이저 빔의 집광 스폿의 압연 방향 지름을 0.2 ㎜ 이하로 함으로써, 상당히 좁은 영역에 변형을 부여하여 우수한 특성을 얻었다. 이 방법에서는 높은 피크 펄스 레이저에 비하여 과잉의 변형 폭의 발생은 적지만, 자왜 변형에 관하여는 더욱 개선이 요망되고 있다. 그러나, 집광 폭을 좁게 한 경우, 전자 강판 면상에서의 파워 밀도가 증가하기 때문에, 비교적 짧은 시간에 파워가 낮은 연속파 레이저로도 과잉 변형이 발생하고, 또한 연속파 레이저의 경우에는 연속적인 입열 과정에 의하여 강판이 용융되기 쉽다고 하는 문제가 있다. 이 경우, 용융부의 재응고시에 과대한 장력이 발생하고 오히려 변형 영역은 증가한다는 문제가 있었다. 즉, 연속파 레이저법에 있어서는 집광 지름의 축소만으로는 자왜 특성이 개선에 한계가 있었다.

최근, 에너지 절약, 환경 문제의 관점에서 고효율 트랜스의 재료인 고급 전자 강판에 대한 수요가 점차 증대되고 있고, 그 중에서도 설치 환경의 제약으로부터 트랜스 잡음 저감에 대한 요구도는 높다. 이에 철손을 저감하고 자왜를 더욱 개선하는 기술이 요망되고 있다.

본 발명은 방향성 전자 강판의 철손을 극도로 저감하면서 자왜를 가급적 작게 할 수 있는 방향성 전자 강판의 제조 방법을 제공하는 것이다. 이 과제를 달성하기 위한 본 발명의 수단은 다음과 같다.

(1) 레이저 빔을 방향성 전자 강판 면에 집광하고, 이 방향성 전자 강판 면의 판 폭 방향으로 주사 조사하여 잔류 응력을 주기적으로 부여하여 자기 특성을 개선하는 방향성 전자 강판의 제조 방법으로서,

레이저 빔은 연속파 레이저를 주기적으로 파워 변조한 빔이고, 상기 파워 변조한 빔의 시간 파형에 있어서, 변조 주기 Tm과, 파워가 최대값 Pp의 10% 이하인 시간 폭 Tf와, 이들 변조 주기 Tm과 시간 폭 Tf의 차(Tn=Tm-Tf)로, 파워 변조 듀티 Dp를 Dp=Tn/Tm×100(%)로 정의할 때, 파워 변조 듀티 Dp가 70% 이상, 100% 미만이고, 또한 이 레이저 빔의 파워의 최소값 Pb가 최대값 Pp의 10% 이하인 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판의 제조 방법.

(2) 상기 레이저 빔의 강판 면상의 피크 파워 밀도 Ppd를 레이저 빔의 집광 면적 S와 상기 최대값 Pp로 Ppd=Pp/S로 정의하였을 때, 피크 파워 밀도 Ppd가 1×10² 이상, 그리고 1×10⁴(W/㎟) 이하인 것을 특징으로 하는 (1) 기재의 방향성 전자 강판의 제조 방법.

(3) 상기 레이저 빔은 반도체 레이저 여기 화이버 레이저 장치로부터 출사되는 빔인 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2) 기재의 방향성 전자 강판의 제조 방법.

도 1은 본 발명의 자기 특성이 우수한 방향성 전자 강판의 제조 방법에 있어서 레이저 파워 변조의 설명도이다.

도 2는 본 발명의 자기 특성이 우수한 방향성 전자 강판의 제조 방법의 실시 형태의 개략 설명도이다.

도 3은 실시예의 변조 듀티와 철손의 관계를 설명하는 도이다.

도 4는 실시예의 변조 듀티와 자왜의 관계를 설명하는 도이다.

도 5는 높은 피크 펄스 레이저 조사에 있어서의 집광 지름 및 변형 폭의 모식도이다.

도 6은 연속파 레이저 조사에 있어서의 집광 지름 및 변형 폭의 모식도이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

1 화이버 레이저 장치

2 전송 화이버

3 레이저 출력 헤드

4 원주 렌즈

5 fθ 렌즈

6 폴리곤 미러

7 전자 강

Pp 최대 파워

Pb 최소 파워

Ppd 공간 최대 파워 밀도

Tm 파워가 최대값의 10% 이하인 시간 폭

Tn Tm-Tf

Dp 파워 변조 듀티

LB 레이저 빔

d1 빔 집광 지름

d2 변형 폭

W17/50 철손

λp-p 자왜

W17/50(P) Q 스위치 펄스 레이저법에서의 레이저 조사 후의 도달 철손

λp-p(P) Q 스위치 펄스 레이저법에서의 레이저 조사 후의 자왜

레이저 조사에 의한 변형 부여 영역에 환류 자구가 형성된다. 환류 자구의 신축이 자왜로 이어지기 때문에 변형의 도입량이 자왜와 거의 정의 상관이 있다. 따라서, 자왜 증가를 최소한으로 억제하려면, 와전류손을 저감하기에 충분한 변형을 가하되, 그 이상의 극도로 불필요한 변형은 가하지 않는 것이 이상적이다. 즉, 도입 변형 체적을 최적화하는 것이 중요하다.

Q 스위치 CO₂ 레이저 또는 YAG 레이저로 대표되는 펄스 발진 레이저에서는 레이저 매질에 축적된 에너지를 일순간 레이저 광으로써 취출하기 때문에, 펄스 수가 수μs 이하이고, 펄스 에너지가 높으며, 피크 파워는 쉽게 수 kW를 넘는다. 이와 같은 짧은 펄스, 높은 피크의 펄스 레이저 조사로는 변형이 효과적으로 도입되지만, 도 5에 도시하는 바와 같이 상당히 강한 충격력에 의하여 집광 빔 지름(d1)의 주위의 넓은 범위에 폭(d2)의 변형이 발생하고, 여분의 변형이 들어가는 경향이 있다. 그 때문에 변형 도입 체적의 삭감 및 제어는 곤란하다. 일본 특허 공개 공보 평6-57333호에 개시되어 있는 바와 같이 1×10⁴W/㎟를 넘는 높은 피크 파워 밀도에서는 이와 같은 현상이 일어나는 것으로 생각된다.

한편, 연속파 레이저에서는 순간적인 파워 밀도가 작고, 도 6에 도시하는 바와 같이 발생하는 변형 폭(d2)은 빔 집광 지름(d1)과 거의 동등하게 된다. 따라서, 집광 지름을 제어함으로써, 압연 방향의 변형 폭(d2)을 어느 정도 제어할 수 있다. 그러나 판폭 방향은 연속적으로 균일한 변형 분포가 되기 때문에 압연 방향 폭 이외의 제어의 자유도는 한정되어 있다.

본 발명자들은 연속 레이저에 의하여 압연 방향의 변형 폭을 최소한으로 제어한 경우에도 판 폭 방향 전체 폭에 걸쳐서 연속적으로 변형을 도입하지 않고도 철손이 충분히 개선 가능하지 않은가 하는 생각을 하기에 이르렀다. 즉, 판 폭 방향으로 자왜를 불필요하게 증가시키는 여분의 변형이 존재하는 것으로 생각하였다. 이에, 판 폭 방향의 변형 분포도 제어하고, 변형 체적을 제어, 최적화하는 것을 목적으로 파워 밀도를 제어하고 세밀하게 집광한 연속파 레이저를 베이스로 파워의 시간 변조를 실시함으로써 판폭 방향으로 변형이 도입된 부분과 그렇지 않은 부분을 주기적으로 형성하는 본 발명에 이르렀다.

이하, 실시예를 사용하여 본 발명을 실시하기 위한 형태를 설명한다.

도 1은 본 발명의 연속파 레이저의 파워 변조 파형의 일례이다. 최대 파워는 연속파 레이저의 최대 출력 Pp이고, 파워 변조에 의하여 주기적으로 최소값 Pb를 갖는 저 파워 시간 역을 갖는다. 변조 주기를 Tm으로 하고, 파워가 최대값 10% 이하의 시간 폭을 Tf, Tm-Tf를 Tn으로 하고, 파워 변조 듀티 Dp를 Dp=Tn/Tm×100%로 정의하였다. 상 변조 주파수는 Fm=1/Tm이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 있어서의 조사 실험의 모식도이다. 본 실시예에서는 레이저 장치(1)는 반도체 레이저 여기 화이버 레이저이고, 여기 광원인 반도체 레이저는 고속 변조가 가능하기 때문에, 화이버 레이저 출력도 마찬가지로 고속으로 변조된다. 화이버 레이저의 화이버 코어 지름은 10 ㎛이고, 집광 광학계를 적절하게 사용하여 코어 지름과 동등한 정도까지 집광이 가능하다. 레이저 파장은 1.07 ㎛이다. 레이저 출력은 전송 화이버(2)를 통하여, 출력 헤드(3)로부터 출력된다. 레이저 빔(LB)은 원주 렌즈(4), fθ 렌즈(5)의 조합으로 집광된다.

본 실시예에서는 최대 파워(Pp)는 100 W이고, 집광 빔의 압연 방향 지름 d1=100 ㎛, 판폭 방향 지름 dc=300 ㎛의 타원이다. 따라서, 최대 파워 밀도 Ppd는 0.4×10⁴W/㎟이다. 레이저 빔은 폴리곤 미러(6)로 판 폭 방향으로 속도 Vs로 주사된다. 본 실시예에서는 Vs=15 m/s이다. 또한 강판 (7)의 압연 방향 이동에 의하여 압연 방향의 조사 피치 P1은 6 ㎜로 하였다. 이 조건으로 변조 주파수 Fm=2 kHz로 고정하고, 펄스 변조 듀티 Dp를 여러 가지로 변경하여 철손과 자왜 특성을 조사하였다.

도 3은 시료로서 판 두께 0.23 ㎜, 자속 밀도 B8=1.935 T, 레이저 조사전 철 손 W17/50=0.84 W/kg의 소재를 사용한 경우의 펄스 변조 듀티 Dp와 레이저 조사 후의 철손 W17/50의 관계를 나타내는 것이다. 시료 사이즈는 폭 60 ㎜, 압연 방향 길이 300 ㎜이다.

B8은 800 A/m의 자화력에 있어서 발생하는 강판의 자속 밀도이다. W17/50은 교류 여자의 주파수 50 Hz, 최대 자속 밀도 1.7 T에 있어서의 철손이다.

또한, 도 4는 자왜 λp-p와 펄스 변조 듀티 Dp의 관계를 나타내는 것이다. 이 때, λp-p는 교류 여자의 주파수 50 Hz, 최대 자속 밀도 1.7 T에 있어서의 철손이다.

또한, 비교로써 동일한 시료에 파장 10.6 ㎛의 Q 스위치 펄스 CO₂ 레이저를 조사한 경우의 철손과 자왜를 조사하였다. 조사 조건은 압연 방향의 집광 빔 지름 0.3 ㎜, 판 폭 방향 집광 지름 0.5 ㎜, 펄스 시간 폭 2 μs, 펄스 주파수 20 kHz, 펄스 에너지 6 mJ, 평균 파워는 120 W이다. 빔 주사 속도 Vs=10 m/s, 조사 피치 P1=6 ㎜이다. Q. 스위치 CO₂ 레이저 펄스는 펄스 초기에 급격한 경사의 피치를 가지고, 피크 파워는 Pp=2 kW이며, 최대 파워 밀도 Ppd=1.7×10⁴W/㎟이다.

도 3에 의하여, 완전 연속파 레이저 조사에 상당하는 펄스 변조 듀티 Dp=100%에서 Dp=70%까지는 철손은 W17/50=0.70 W/kg 정도의 낮은 레벨을 나타내고 있고, 도 3 중에 점선으로 나타내는 바와 같이 Q 스위치 CO₂ 펄스 레이저법의 철손 W17/50(P)=0.750 W/kg에 비하여 낮은 철손이 얻어진다. Q 스위치 펄스 레이저로 충분한 철손이 저감되지 않는 것은 와전류손은 저감되지만, 변형 체적이 과잉으로 히 스테리시스손의 증가가 현저하게 되기 때문이라고 생각된다.

한편, 도 4에 있어서 자왜는 펄스 변조 듀티 Dp의 감소와 함께 거의 단조 감소되는 경향을 나타낸다. 즉, 연속파 레이저를 파워 변조하여 최대 파워의 10% 이하의 시간역을 만듦으로써, 이 시간 역에서는 거의 강판에 변형이 도입되지 않는 것으로 생각된다. 그 결과, Dp의 감소와 함께 도입 변형량이 감소하고 있다.

도 3의 결과로부터, 펄스 변조 듀티 Dp=70%에서 철손 저감 효과는 거의 포화되어 있고, 이 이상 Dp를 증가시켜도 철손은 그 이상 저감되지 않는다. 한편, 도 4의 결과로부터, Dp를 70% 이상으로 증가시키고, 또한 변형을 도입하더라도 불필요하게 증가시키는 것으로 생각된다.

또한, Q 스위치 CO₂ 레이저법에서는 짧은 펄스, 높은 피크 파워에 의하여 변형 영역이 넓어지는 경향이 있다. 또한, 파장이 화이버 레이저의 약 10배 길기 때문에, 집광 지름의 축소에는 한계가 있다. 따라서, 변형 폭은 본 발명의 화이버 레이저의 경우에 비하여 넓고, 그 때문에, 도 4 중에 점선으로 나타내는 바와 같이, 펄스 레이저법에서의 자왜 λp-p(P)는 본 발명의 경우에 비하여 크다.

따라서, 본 발명에 따른, 가늘게 집광되고, 파워 밀도를 제어한 파워 변조 레이저를 조사하는 방법을 사용하면 종래의 높은 피크 펄스 레이저법과 비교하여 철손, 자왜 모두 우수한 특성이 얻어진다. 또한, 마찬가지로 최대 파워 밀도를 제어한 연속파 레이저법에 비하여도 동등한 철손과 낮은 자왜가 얻어지고, 특히 펄스 변조 듀티 Dp가 70% 이상, 100% 미만의 범위에 있어서 더 낮은 자왜와 낮은 철손이 얻어진다.

본 발명에 있어서는 변형 영역을 제어하는 것이 중요하다. 파워 밀도가 Ppd가 1×10⁴W/㎟를 넘는 경우, 전술한 바와 같이 집광 지름 이상의 과대한 변형이 도입되기 때문에 좋지 않다. 한편, 철손 저감 효과가 충분하게 되는 변형을 발생시키는 것이 가능한 최소한의 파워 밀도 Ppd의 값은 전자 강판 면상의 레이저 빔 주사 속도에 의존한다. 당해 최소 파워 밀도 Ppd의 값은 펄스 변조 듀티 Dp를 100%, 즉, 완전 연속으로 레이저 조사하여 구할 수 있다. 상기 실시예와 같은 제조 공정에 있어서, 생산성의 관점에서 무리 없이 실시할 수 있는 주사 광학계에서의 레이저 빔 주사 속도 범위에 있어서는 파워 밀도 Ppd는 1×10²W/㎟가 하한이다. 이것에 의하여 적은 경우에는 변형이 거의 발생하지 않기 때문에 철손 저감 효과도 크게 감소된다. 따라서, 파워 밀도 Ppd의 범위는 1×10²내지 1×10⁴W/㎟의 범위가 좋다.

본 발명의 목적을 달성하려면 소정의 파워 변조를 높은 정밀도로 실시할 필요가 있다. 반도체 레이저는 전류 제어에 의하여 고속의 변조가 가능하기 때문에, 그것을 여기원으로 하는 화이버 레이저는 동일하게 고속으로 변조 제어가 가능하다. 또한 화이버 레이저는 코어 지름과 동등 레벨의 집광이 용이하기 때문에, 과잉 변형 폭을 가하지 않기 때문에, 집광 지름을 가늘게 하는 것이 가능하다. 따라서 본 발명을 실시하려면 반도체 레이저 여기의 화이버 레이저가 적합하다.

또한, 파장의 관점에서 파장이 짧은 것이 가는 집광이 가능하고, 한편 파장이 긴 쪽이 전자 강판에의 레이저 에너지 흡수율이 높다는 것을 감안하여, 실용적 인 레이저 중에서 파장 1.06 ㎛의 YAG 레이저와 파장 10.6 ㎛의 CO₂ 레이저의 사이에 위치하는 파장 1.07 내지 2.10 ㎛의 화이버 레이저가 바람직하다.

본 발명에 의하여, 레이저 조사에 의하여 도입되는 변형량의 제어가 압연 방향, 판 폭 방향의 쌍방에서 가능하게 되고, 철손이 최소화하며, 자왜 증가를 극도로 억제하는 변형량의 최적화를 가능하게 하였기 때문에, 고효율·저잡음 트랜스의 소재로서, 철손이 극도로 작고, 자왜 특성도 우수한 방향성 전자 강판을 제조할 수 있다.

Claims

레이저 빔을 방향성 전자 강판 면에 집광하고, 이 방향성 전자 강판 면의 판 폭 방향으로 주사 조사하여 잔류 응력을 주기적으로 부여하여 방향성 전자 강판의 자기 특성을 개선하는 방법으로서, 레이저 빔은 연속파 레이저를 주기적으로 파워 변조한 빔이고, 상기 파워 변조한 빔의 시간 파형에 있어서, 변조 주기 Tm과, 파워가 상기 연속파 레이저의 파워의 최대값 Pp의 10% 이하인 시간 폭 Tf와, 이들 변조 주기 Tm과 시간 폭 Tf의 차(Tn=Tm-Tf)로, 파워 변조 듀티 Dp를 Dp=Tn/Tm×100(%)로 정의하였을 때, 파워 변조 듀티 Dp가 70% 이상, 100% 미만이고, 또한 상기 연속파 레이저의 파워의 최소값 Pb가 상기 최대값 Pp의 10% 이하인 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판의 자기 특성 개선 방법.
제1항에 있어서, 상기 레이저 빔의 강판 면상의 피크 파워 밀도 Ppd를 레이저 빔의 집광 면적 S와 상기 최대값 Pp로 Ppd=Pp/S로 정의할 때, 피크 파워 밀도 Ppd가 1×10² 이상, 그리고 1×10⁴(W/㎟) 이하인 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판의 자기 특성 개선 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레이저 빔은 반도체 레이저 여기 화이버 레이저 장치로부터 출사되는 빔인 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판의 자기 특성 개선 방법.