KR101698479B1 - 방향성 전기강판의 자구미세화 장치 - Google Patents

방향성 전기강판의 자구미세화 장치 Download PDF

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권오열
홍성철
이규택
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Abstract

본 발명은 지지롤의 외주면을 따라 면접촉을 하며 이송되는 강판에 홈을 형성하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치에 관한 것으로서, 레이저 빔을 조사하는 레이저 발진기; 및 상기 강판에 상기 레이저 빔이 조사되게 하는 광학계;를 포함하고, 상기 지지롤의 상부에서 조사되는 레이저 빔의 조사방향이 상기 지지롤의 중심축을 지날 때의 레이저 빔 조사 위치를 기준점(P)으로 할 때, 상기 광학계는 상기 기준점(P)에서 상기 지지롤의 중심(C)을 기준으로 외주면을 따라 소정의 이격 각도를 두고 이격된 위치에 상기 레이저 빔을 조사되게 한다. 이에 따라, 상기 방향성 전기강판의 자구미세화 장치는 1kW 이상의 고출력 레이저 조사시 발생하는 되먹임(Back Reflection) 빔에 의한 광소자의 열 영향을 최소화할 수 있다.

Description

방향성 전기강판의 자구미세화 장치{APPARATUS FOR REFINING MAGNETIC DOMAINS GRAIN-ORIENTED ELECTRICAL STEEL}
본 발명은 방향성 전기강판에 레이저를 조사하여 영구적으로 강판의 자구를 미세화 처리하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치에 관한 것이다.
좀 더 상세하게는, 방향성 전기강판에 레이저를 조사시 전기강판에 의해 산란되는 산란광이 광학계로 되반사되는 것을 방지하여 강판의 자구를 미세화시 균일한 홈을 안정적으로 형성하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치에 관한 것이다.
높은 품질의 강판에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 강판의 표면을 가공하는 기술이 개발되었다.
예를 들어, 변압기와 같은 전기기기의 전력손실을 줄이고 효율을 향상시키기 위해, 철손이 낮고 자속밀도가 높은 자기적 특성을 지닌 방향성 전기강판이 요구된다.
방향성 전기강판의 철손을 줄이기 위해, 강판 표면에 기계적 방법이나 레이저 빔을 조사하여 압연 방향에 대해 수직방향으로 자구를 미세화함으로써, 철손을 감소시키는 기술이 개시되어 있다.
자구 미세화 방법은 응력 제거 소둔 후 자구 미세화 개선 효과를 유지하는지 여부에 따라 일시 자구미세화와 영구 자구미세화로 크게 구분할 수 있다.
일시 자구미세화 방법은 강판 표면에 국부적인 압축 응력부를 형성시킴으로써 자구를 미세화시킨다. 일시 자구미세화 방법은 응력 제거 소둔 후 자구미세화 효과를 상실하는 단점이 있다. 또한, 이러한 방법은 강판 표면의 절연 코팅층 손상을 일으키기 때문에 재코팅이 요구되며, 최종 제품이 아닌 중간 공정에서 자구미세화 처리를 하기 때문에 제조 비용이 높은 단점이 있다.
영구 자구미세화 방법은 열처리 후에도 철손 개선 효과를 유지할 수 있다. 영구 자구미세화 처리를 위해, 에칭 공법이나 롤 공법, 레이저 공법을 이용한 기술이 주로 사용되고 있다. 에칭 공법의 경우 홈 형성 깊이나 폭 제어가 어렵고, 최종 제품의 철손 특성의 보증이 어려우며 산용액을 사용하기 때문에 환경친화적이지 못한 단점이 있다. 롤을 이용한 공법의 경우, 기계 가공에 대한 안정성, 신뢰성 및 프로세스가 복잡한 단점이 있다.
레이저를 이용하여 강판을 영구 자구미세화하는 공법은, 강판을 지지하고 장력을 조절한 상태에서 강판의 표면에 레이저 빔을 조사하여 강판 표면에 용융 홈을 형성함으로써 자구를 미세화시킬 수 있다. 이와 같이, 레이저를 이용하여 자구를 미세화함에 있어서, 고속 처리가 가능하면서도, 전기강판의 철손을 낮추고 자속밀도를 높일 수 있도록 보다 효과적인 공정의 개선과 최적화가 요구된다.
이때, 레이저는 연속파(Continuous Wave; CW) CO2 레이저, 펄스형(Pulse) CO2 레이저, 고체 YAG 혹은 Fiber 레이저 등을 이용될 수 있다.
그리고, 상기 레이저를 이용하여 길이 및 폭 방향에 대해서 홈 깊이가 깊고 폭이 좁은 균일한 홈을 형성하는 것이 필요하다.
이에, 표면가공용 빔 크기를 종래의 100um 이상에서 20um 이하의 고정도로 제어하는 공정이 요구되고 있다. 그에 따라, 폭 1m 이상의 강판이 50mpm(~0.83m/s) 이상의 속도로 진행하는 조건에서 표면에 홈을 가공하기 위해서는 고출력의 레이저와 빔 조사용 광학계가 필수적이다.
강판에 입사한 레이저 빔은 1um 근처의 파장을 가질 때 35% 정도의 흡수율을 보인다. 따라서 60% 이상의 레이저 빔은 도 1의 (a), (b)와 같이 표면 거칠기 및 기타 상태에 따라 정반사각을 중심으로 한 산란 분포를 가진다.
그리고, 산란된 레이저 빔은 입사한 광경로와 반대방향으로 진행하여 광학계 개구부를 지나 레이저 빔 조사용 광학계에 되먹임(feedback)된다. 그에 따라, 광학계의 미러의 흡수율을 증가시키고 구조물의 열팽창을 유발하기 때문에, 강판에 형성되는 홈 형성능이 열화되는 문제을 일으키게 된다.
구체적으로, 광학계의 개구부를 통과하여 레이저와 광학계에 되먹임되는 레이저 빔은 집광미러, 주사미러 등 광학계의 구성소자에 열변형을 유도함으로써 광정렬을 왜곡시키거나 레이저 출력광섬유에 되입사되어 빔 전송용 광섬유 및 레이저 내부를 파손시키게 된다.
더욱이 20um 이하의 고정밀한 레이저 빔 사이즈를 형성하는 광학계는 광경로 상의 미세한 변형이 최종 빔 사이즈의 왜곡을 가져올 수 있다.
예를 들어, 15mm 크기의 빔을 150mm 거리에 초점을 맺는 광학계를 구성할 때 일반적인 plano-convex lens를 사용할 경우 광학계의 빔 사이즈와 구면수차에 의한 빔 사이즈는 다음 식에 의해 계산할 수 있다.
Figure 112016023371052-pat00001
Figure 112016023371052-pat00002
여기서 λ=1.08um, M2=1.1, k=0.03, D=15mm, f=150mm를 대입하면 광학계의 빔 사이즈는 15.1um, 구면수차에 의한 빔 사이즈는 4.5um가 되는데 이는 구면수차가 없을 경우 빔 사이즈 15.1um에서 plano-convex lens의 광경로 틀어짐에 의해 빔 사이즈가 4.5um 확대됨을 의미한다.
따라서, 렌즈의 미세한 구면수차에 의한 광경로 변화로 빔 사이즈는 19.6um로 커지게 되어(33% 증가) 홈 가공 효율은 그만큼 감소한다. 이와 마찬가지로 열에 의한 광경로 상의 변형 또한 빔 사이즈의 변화를 가져와 홈 가공 효율에 중요한 영향을 미치게 된다
따라서 장시간 조업시 강판표면에서 광학계로 되반사하는 빔에 의해 광학계의 성능이 저하되는 현상이 나타난다. 이를 해결하여야만 길이 및 폭 방향으로 깊고 폭이 좁은 균일한 홈을 안정적으로 형성시킬 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레이저를 이용하여 강판 표면의 홈 가공을 함에 있어서, 강판 표면에서 되반사되어 광학계로 입사하는 산란광에 의한 광학계의 성능저하를 방지하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 지지롤의 외주면을 따라 면접촉을 하며 이송되는 강판에 홈을 형성하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치에 있어서, 레이저 빔을 조사하는 레이저 발진기; 및 상기 강판에 상기 레이저 빔이 조사되게 하는 광학계;를 포함하고, 상기 지지롤의 상부에서 조사되는 레이저 빔의 조사방향이 상기 지지롤의 중심축을 지날 때의 레이저 빔 조사 위치를 기준점(P)으로 할 때, 상기 광학계는 상기 기준점(P)에서 상기 지지롤의 중심(C)을 기준으로 외주면을 따라 소정의 이격 각도를 두고 이격된 위치에 상기 레이저 빔을 조사되게 하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치에 의하여 달성된다.
상기 이격 각도는 상기 기준점(P)에 대해 상기 지지롤의 중심(C)을 기준으로 외주면을 따라 5 내지 10° 범위로 설정될 수 있다.
상기 방향성 전기강판의 자구미세화 장치는 상기 강판에 의하여 산란되는 산란광이 상기 광학계로 유입되는 것을 차단하는 차폐부를 더 포함할 수 있다.
상기 차폐부는, 상기 산란광을 차단하는 차폐블럭과 상기 차폐블럭을 냉각시키는 냉각장치를 포함할 수 있다.
한편, 상기 광학계는, 내부 공간을 구비하는 광학계 본체; 상기 내부 공간으로 진입된 레이저 빔이 상기 강판을 향해 조사되게 상기 광학계 본체에 형성된 개구부; 및 상기 개구부를 통해 조사되는 레이저 빔을 모니터링 하는 빔조사부 측정기를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 빔조사부 측정기는 상기 개구부를 통해 조사되는 레이저 빔의 왜곡을 방지하도록 상기 광학계 본체의 상부에 설치될 수 있다.
또한, 상기 광학계로 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기; 및 상기 빔조사부 측정기의 신호에 따라 상기 레이저 발진기를 제어하는 레이저 발진기 제어기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 방향성 전기강판의 자구미세화 장치는 상기 지지롤의 위치를 조절하는 지지롤 위치 조절설비를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 방향성 전기강판의 자구미세화 장치는 상기 지지롤, 상기 레이저 발진기 및 상기 광학계를 외부와 격리시키는 레이저룸을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 레이저룸의 내부 압력은 외부보다 높게 설정될 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 방향성 전기강판의 자구미세화 장치는 1kW 이상의 고출력 레이저 조사시 발생하는 되먹임(Back Reflection) 빔에 의한 광소자의 열 영향을 최소화할 수 있다.
좀 더 상세하게는, 첫째, 강판 표면 레이저 조사시 표면에서 반사되는 산란광이 레이저 빔의 이동경로를 따라 입사되지 않도록 레이저 빔을 강판에 조사하고, 둘째, 차폐부를 이용하여 되먹임 산란광에 의한 구조물의 2차 가열을 방지하며, 세째, 모니터링할 수 있는 광조사부 측정기를 설치하여 열화정도를 실시간 확인하여 방향성 전기강판의 자구미세화 장치의 열 영향을 최소화하고 실시간 확인할 수 있다.
그에 따라, 상기 방향성 전기강판의 가구미세화 장치는 자구 미세화 효율을 높이고 작업성을 개선하여 처리 능력을 증대시킬 수 있다.
도 1은 강판 표면 거칠기 및 상태에 따라 정반사각을 중심으로 레이저 빔의 산란 분포를 나타내는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방향성 전기강판의 자구미세화 장치를 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자구 미세화 처리된 강판을 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 방향성 전기강판의 자구미세화 장치의 레이저 조사설비에 의해 조사된 레이저 빔의 반사광 또는 산란광을 차폐하는 차폐부를 나타내는 도면이고,
도 5는 도 4의 레이저 빔의 조사 위치를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 구성요소가 다른 구성요소의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소가 상기 두 구성요소 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 '상(위) 또는 하(아래)(on or under)'로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방향성 전기강판의 자구미세화 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 자구 미세화 처리된 강판을 도시한 도면이다.
이하. 본 발명을 설명함에 있에서, 압연방향 또는 강판 이동방향은 도 3에서 x축 방향을 의미하며, 폭방향은 압연방향에 직각인 방향으로 도 3에서 y축 방향을 의미하고, 폭은 y축 방향에 대한 강판의 길이를 의미한다. 도 3에서 도면부호 2는 레이저 빔을 이용하여 강판(S, Strip) 표면에 연속적으로 형성된 홈을 가리킨다.
본 발명의 실시예에 따른 방향성 전기 강판의 자구 미세화 장치(1)는 강판(S)이 50mpm(~0.83m/s) 이상의 고속으로 진행되더라도 안정적으로 영구 자구미세화 처리를 수행할 수 있다.
도 2 내지 도 5를 참조하여 살펴보면, 상기 방향성 전기 강판의 자구 미세화 장치(1)는 레이저룸(100), 지지롤(200), 강판(S)에 레이저를 조사하는 레이저 조사설비(300), 지지롤(200)의 위치를 제어하여 강판(S)을 지지하게 하는 지지롤 위치 조절설비(400) 및 차폐부(500)를 포함할 수 있다. 여기서, 레이저 조사설비(300)는 레이저 발진기 제어기(310), 레이저 발진기(320), 및 광학계(330)를 포함할 수 있다.
레이저룸(100)의 내부에는 지지롤(200), 레이저 조사설비(300), 지지롤 위치 조절설비(400) 및 차폐부(500)가 배치될 수 있다.
레이저룸(100) 내부로 진입된 강판(S)은 레이저 조사설비(300)를 통해 영구 자구 미세화 처리 된 후 레이저룸(100) 밖으로 인출된다.
레이저룸(100)의 내부에는 레이저 조사설비(300) 바로 아래쪽에 지지롤(200)이 배치된다. 그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 지지롤(200)을 사이에 두고 양쪽에 각각 디플렉터롤(Deflector Roll)(210, 220)이 배치될 수 있다.
강판(S)의 이동방향은 디플렉터 롤(Deflector Roll)(210, 220)에 의해 지지롤(200)로 향하도록 전환된다. 강판(S)은 디플렉터 롤(210)를 지나면서 지지롤(200)쪽으로 이동방향이 전환되어 지지롤(200)에 접한 후 다시 디플렉터 롤(220)쪽으로 방향이 전환되어 다른 디플렉터 롤(220)를 지나 이동된다.
상기 디플렉터 롤(210, 220)에 의해 강판(S)은 지지롤(200)의 외주면을 따라 원호형태로 감겨져 지지롤(200)에 면접촉되면서 지나가게 된다.
그리고, 강판(S)이 지지롤(200)에 충분히 면접촉되어 지나가는 상태에서 강판(S)에 레이저 빔을 조사되기 때문에, 강판의 진동 및 웨이브에 의한 레이저 빔 초점 거리 변동을 최소화할 수 있다.
즉, 지지롤(200)에 강판(S)이 면접촉됨에 따라 상기 레이저 조사설비(300)는 강판(S)에 대해 레이저 빔을 정확히 조사할 수 있다.
한편, 레이저룸(100)은 내부를 외부와 격리시켜 외부 오염물질의 유입을 차단하고, 레이저룸(100) 내부 온도와 압력 및 습도를 자구 미세화 형성을 위한 동작 환경에 맞춰 제어하게 된다.
레이저룸(100)은 내부의 압력을 외부와 비교하여 높게 설정하여 유지함으로써, 외부의 먼지 등 이물질이 레이저룸(100) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 강판(S)이 이동되는 통로인 입구와 출구에 공기에 의한 막(예: 에어커튼 등)을 형성함으로써, 입구와 출구를 통해서 강판이 진행하는 과정에서 먼지 등 이물질이 레이저룸(100) 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
그리고, 양압장치(110)를 설치하여 레이저룸(100)의 내부 압력을 외부 압력보다 상대적으로 높게 유지하여 외부의 이물질이 레이저룸(100) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 레이저룸(100)에는 항온항습제어기(미도시)가 더 설치될 수 있으며, 상기 항온항습제어기는 레이저룸(100) 내부의 온도와 습도를 조절하여 적정 환경을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 항온항습제어기는 레이저룸(100) 내부의 온도를 20 내지 25℃로 유지하고, 습도를 50% 이하로 유지함으로써, 레이저 조사에 의한 자구 미세화 처리에 최적의 조건을 제공할 수 있다.
따라서, 상기 방향성 전기강판의 자구미세화 장치(1)는 공정에 필요한 최적의 동작 환경하에서 고품질의 제품을 대량으로 생산할 수 있게 된다.
도 2 및 도 4를 참조하여 살펴보면, 레이저 조사설비(300)는 지지롤(200)의 상부에 배치되어 지지롤(200)에 의해 이송되는 강판(S)에 레이저 빔을 조사한다.
레이저 조사설비(300)에 있어서, 레이저 발진기 제어기(310)의 명령에 따라 레이저 발진기(320)에서 생성된 레이저 빔은 광학계(330)를 거쳐 강판(S) 표면에 조사된다.
레이저 발진기(320)는 싱글 모드(Single mode) 연속파 레이저 빔을 광학계(330)를 향하여 발진할 수 있다. 예컨데, 레이저 발진기(320)는 TEM00 연속파 레이저 빔을 발진하여 광학계(330)로 전달할 수 있다.
광학계(330)는 레이저 빔의 방향을 전환하여 강판(S)의 표면에 레이저 빔을 조사되게 함으로써, 강판(S) 표면에 연속적으로 용융 홈(2)을 형성하여 자구 미세화 처리되게 한다.
즉, 광학계(330)를 거쳐 강판에 조사되는 레이저 빔에 의해 강판 표면이 용융되면서 조사선을 따라 용융 홈(2)이 형성된다. 본 실시예에서, 레이저 빔 조사를 통해 강판 표면에 상부폭, 하부폭과 깊이가 각각 70㎛ 이내, 10㎛ 이내, 3 내지 30㎛인 홈을 형성시킴과 동시에 레이저 조사 시 용융부의 홈 내부 벽면에 잔류시키는 재응고부가 생성되도록, 레이저 발진기(320)와 광학계(330)는 강판의 용융에 필요한 1.0 내지 5.0J/㎟ 범위 내의 레이저 에너지 밀도를 강판에 전달할 수 있다.
또한, 광학계(330)는 레이저 주사속도를 제어하는 기능이 있어 레이저 조사선(도 3의 2 참조)의 간격을 압연방향으로 2 내지 30 mm로 조정할 수 있다. 이에, 레이저 빔에 의한 열영향부(HAZ, Heat Affected Zone)의 영향을 최소화하여 강판의 철손을 개선할 수 있다.
한편, 광학계(330)는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 강판(S)에 대한 레이저 빔의 조사 위치를 제어하여, 강판(S)에 조사되는 레이저 빔이 강판(S)에서 반사되어 광학계(330)나 레이저 발진기(320)로 들어가는 백 리플렉션 현상을 방지할 수 있다.
레이저 조사설비(300)의 광학계(330)는 지지롤(200) 표면에 원호형태로 접하여 이송되는 강판(S)의 표면에 대해, 기준점(P)으로부터 외주면을 따라 각도(이하 설명의 편의를 위해 이격 각도(R)이라 한다)를 두고 이격된 위치에 레이저 빔을 조사하는 구조로 구현될 수 있다. 여기서, 도 5에 도시된 기준점(P)은 광학계(330)에서 조사되는 레이저 빔의 조사방향이 지지롤(200)의 중심축을 지나는 수직 방향으로 조사될 때, 지지롤(200) 외주면의 레이저 빔 조사 위치를 의미한다.
레이저 빔의 조사방향이 지지롤(200)의 중심축을 지나는 경우 레이저 빔의 초점은 기준점(P)에 맞춰진다. 이 경우, 레이저 빔의 조사방향이 기준점(P)에서의 지지롤(200) 접선과 직각을 이룸에 따라, 강판(S)에 맞아 반사되는 레이저 빔이 그대로 광학계(330)와 레이저 발진기(320)로 들어가 손상을 입히는 백 리플렉션 현상이 발생된다.
레이저 조사설비(300)는 기준점(P)에서 이격 각도(R)만큼 이격된 위치에 레이저 빔이 조사되게 함으로써, 강판(S)에서 되반사되는 레이저 빔이 광학계(330)로 입사되지 않게 된다. 따라서, 상기한 백 리플렉션 현상이 방지되고 레이저 빔에 의해 형성되는 홈 형상의 품질을 유지할 수 있게 된다.
상기 이격 각도(R)는 강판(S)의 표면상태와 가공효율을 고려하여 결정되어야 한다.
좀 더 상세하게는 강판(S) 표면의 거칠기가 증가할수록 산란분포의 범위가 넓어지므로 상기 이격 각도(R)를 증가시킴으로써, 광학계(330)의 개구부(332)로 되입사되는 레이저 빔 성분을 작게할 수 있다. 그러나, 상기 각도(R)가 수직방향에서 벗어날수록 가공효율이 감소하게 되는바, 소정의 각도 내에서 결정하는 것이 바람직하다.
상기 이격 각도(R)는 상기 기준점(P)에 대해 지지롤(200) 중심에서 외주면을 따라 3 내지 10° 범위로 설정될 수 있다. 바람직하게 상기 이격 각도(R)는 상기 기준점(P)을 기준으로 5 내지 10° 범위로 설정될 수 있다.
상기 레이저 빔이 조사되는 위치인 이격 각도(R)가 지지롤의 중심(C)을 기준으로 5°보다 작은 경우에는 강판에서 되반사되는 레이저 빔의 일부가 레이저 발진기(320) 또는 광학계(330)로 유입되어 백 리플렉션 현상을 발생시킬 수 있다. 그리고, 상기 이격각도(R)가 10°를 넘게 되면 레이저 빔에 의한 홈(2) 형성이 제대로 이루어지지 않고 홈 형성의 불량이 발생한다.
즉, 레이저 조사설비(300)는 기준점(P)을 중심으로 소정 각도 이격된 지점에서 레이저를 강판(S)에 조사함으로써, 백 리플렉션 현상을 방지하고 레이저 빔 반사시 입사 광로와 간섭되지 않으며 레이저 빔에 의해 형성되는 홈 형상의 품질을 안정적으로 유지할 수 있다.
도 4를 참조하여 살펴보면, 광학계(330)는 내부에 내부 공간이 형성된 광학계 본체(331), 상기 내부 공간으로 진입된 레이저 빔이 강판(S)을 향해 조사되도록 형성된 개구부(332) 및 빔조사부 측정기(333)를 포함할 수 있다.
광학계 본체(331) 내부로 진입한 레이저 빔은 폴리곤 미러(미도시), 집광 미러(미도시) 등에 의해 개구부(332)를 통해 조사된다.
빔조사부 측정기(333)는 상기 내부 공간에 설치되되, 광학계 본체(331)의 상부에 설치되어 개구부(332)를 통해 조사되는 레이저 빔을 모니터링할 수 있다. 그에 따라, 빔조사부 측정기(333)는 장시간 조업시 광학계(330)의 성능저하를 감시한다.
광학계(330)에서 조사되는 레이저 빔의 측면쪽에서 관측할 수 있도록 빔조사부 측정기(333)가 설치될 수도 있으나 레이저 빔 분포의 왜곡이 발생할 수 있는바, 광학계 본체(331)의 상부에 설치되어 개구부(332)를 통해 조사되는 레이저 빔을 모니터링하도록 설치되어 레이저 빔을 이용한 홈(2) 형성 기능의 열화정도를 실시간으로 확인할 수 있다.
그리고, 빔조사부 측정기(333)는 열화정도에 대한 정보를 포함하는 신호를 송출할 수 있다. 상기 신호는 레이저 발진기 제어기(310)로 송출되어 레이저 발진기(320)의 ON/OFF를 제어할 수 있게 하며, 디스플레이 장치(미도시)를 통해 열화정도를 사용자에게 인지시킬 수 있다.
한편, 광학계(330)는 회전가능하게 설치되어 강판의 폭 방향에 대한 레이저빔 조사선의 각도를 부여할 수 있으며, 그에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 강판(S)에 홈(2)을 형성할 수 있다.
즉, 광학계(330)가 강판(S)의 폭 방향에 대한 회전 가능한 구조로 설치되어, 강판(S) 표면에 조사되는 레이저 빔의 조사선 각도를 강판(S)의 폭 방향에 대해 변환시킬 수 있다. 예컨데, 레이저 빔에 의한 상기 조사선 각도는 강판의 압연 방향에 대해 직각인 방향에 대해 ±4°의 범위로 기울어져 형성된다. 따라서, 레이저 빔에 의한 홈(S) 형성에 따른 자속밀도 저하를 최소화할 수 있게 된다.
상기 지지롤 위치 조절설비(400)는 레이저 조사설비(300)의 레이저 조사 위치로 지지롤(200)의 위치를 제어하여 강판(S)을 지지하게 한다.
예컨데, 지지롤 위치 조절설비(400)는 레이저 강판조사 효율이 높은 초점심도(Depth of Focus) 내에 강판(S)이 위치하도록, 지지롤(200) 위치를 전체적으로 상하로 조정한다. 그에 따라, 강판(S)에 레이저 조사 시 발생하는 불꽃의 밝기가 가장 좋은 상태가 된다.
상기 지지롤 위치 조절설비(400)는 휘도 측정센서(410), 거리 측정센서(420) 및 지지롤 위치 제어계(430)를 포함할 수 있다.
휘도 측정센서(410)는 레이저 조사설비(300)에서 강판(S)에 레이저 조사시 발생하는 불꽃의 밝기를 측정한다.
거리 측정센서(420)는 레이저 조사설비(300)의 광학계(330)로부터 강판(S) 표면 사이의 실제 거리를 측정한다.
지지롤 위치 제어계(430)는 휘도 측정센서(410)에서 측정된 불꽃의 밝기에 따라 지지롤(200)의 위치를 제어한다. 또한, 지지롤 위치 제어계(430)는 실제 측정된 광학계(330)와 강판(S) 표면간의 거리를 연산하여 지지롤(200)의 위치를 보다 정밀하게 제어한다.
그에 따라, 지지롤 위치 조절설비(400)는 강판에 정밀하게 홈(2)을 형성할 수 있도록 레이저 빔 조사 위치에서의 조건을 만들어주는 역할을 한다.
상기 방향성 전기강판의 자구미세화 장치(1)의 차폐부(500)는 레이저 조사설비(300)에서 조사되는 레이저 빔이 강판(S)에 의해 반사되어 생성되는 반사광 또는 산란되어 생성되는 산란광과 열이 레이저 조사설비(300)로 유입되는 것을 차단한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 차폐부(500)는 상기 산란광의 산란분포를 고려하여 산란분포의 중심에서 최대한 냉각효과를 확보할 수 있도록 광학계(300)와 강판(S) 사이에 일정한 공간을 두고 직접 열 접촉되지 않도록 이격되어 설치되는 것이 바람직하다.
여기서, 차폐부(500)는 차폐블럭(510)과 냉각장치(520)를 포함할 수 있다.
차폐블럭(510)은 강판(S)에 의한 레이저 빔의 반사광과 산란광 및 복사열이 광학계로 유입되는 것을 차단한다. 즉, 차폐블럭(510)은 상기 반사광과 상기 산란광에 의한 복사열에 의해 광학계(330)가 가열되어 열변형되는 것을 방지한다.
냉각장치(520)는 가열된 차폐블럭(510)을 냉각시킨다. 여기서, 냉각장치(520)는 수냉 또는 공냉 등의 방법으로 차폐블럭(510)을 냉각시켜 장시간 레이저 빔의 조사에 따라 복사열에 의한 광학계(330)의 성능 저하를 막을 수 있다.
차폐부 이격각도(R) 홈깊이(1시간) 홈깊이(10시간) 홈깊이(15시간)
미적용 5° 12㎛ 12㎛ 11㎛
10° 10㎛ 10㎛ 9㎛
적용 5° 15㎛ 15㎛ 15㎛
10° 13㎛ 13㎛ 13㎛
표 1은 레이저 빔 조사시 이격 각도와 반사광 및 산란광의 차단을 위한 냉각블럭의 차단 효과를 나타내고 있다. 상기 차단 효과는 1.07μm 파장의 1kW 레이저를 50mpm의 판 속도로 이동하는 강판 표면에 조사한 후 표면 홈 깊이 및 가동시간을 측정한 데이터로부터 확인할 수 있다.
여기서, 표 1의 이격 각도(R)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 기준점(P)에서 지지롤의 중심(C)을 기준으로 이격된 각도를 의미한다.
따라서, 차폐부(500)는 장기간 레이저 빔에 의한 홈 및 표면 개질시 광학계(330)의 성능 저하를 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 수정과 변경에 관계된 차이점들을 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 방향성 전기강판의 자구미세화 장치 2 : 홈
100 : 레이저룸 200 : 지지롤
300 : 레이저 조사설비 310 : 레이저 발진기 제어기
320 : 레이저 발진기 330 : 광학계
333 : 빔조사부 측정기 400 : 지지롤 위치 조절설비
500 : 차폐부 S : 강판

Claims (10)

  1. 지지롤의 외주면을 따라 면접촉을 하며 이송되는 강판에 홈을 형성하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치에 있어서,
    레이저 빔을 조사하는 레이저 발진기; 및
    상기 강판에 상기 레이저 빔이 조사되게 하는 광학계;를 포함하고,
    상기 지지롤의 상부에서 조사되는 레이저 빔의 조사방향이 상기 지지롤의 중심축을 지날 때의 레이저 빔 조사 위치를 기준점(P)으로 할 때, 상기 광학계는 상기 기준점(P)에서 상기 지지롤의 중심(C)을 기준으로 외주면을 따라 소정의 이격 각도를 두고 이격된 위치에 상기 레이저 빔을 조사되게 하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이격 각도는 상기 기준점(P)에 대해 상기 지지롤의 중심(C)을 기준으로 외주면을 따라 5 내지 10° 범위로 설정되는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강판에 의하여 산란되는 산란광이 상기 광학계로 유입되는 것을 차단하는 차폐부를 더 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 차폐부는,
    상기 산란광을 차단하는 차폐블럭과 상기 차폐블럭을 냉각시키는 냉각장치를 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광학계는,
    내부 공간을 구비하는 광학계 본체;
    상기 내부 공간으로 진입된 레이저 빔이 상기 강판을 향해 조사되게 상기 광학계 본체에 형성된 개구부; 및
    상기 개구부를 통해 조사되는 레이저 빔을 모니터링 하는 빔조사부 측정기를 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 빔조사부 측정기는 상기 개구부를 통해 조사되는 레이저 빔의 왜곡을 방지하도록 상기 광학계 본체의 상부에 설치되는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광학계로 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기; 및
    상기 빔조사부 측정기의 신호에 따라 상기 레이저 발진기를 제어하는 레이저 발진기 제어기를 더 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지지롤의 위치를 조절하는 지지롤 위치 조절설비를 더 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 지지롤, 상기 레이저 발진기 및 상기 광학계를 외부와 격리시키는 레이저룸을 더 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 레이저룸의 내부 압력은 외부보다 높게 설정되는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
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