KR20120127666A

KR20120127666A - 방향성 전자기 강판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20120127666A
Application number: KR1020127025467A
Authority: KR
Inventors: 다츠히코 사카이; 히데유키 하마무라
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-11-22
Also published as: CN106181044A; EP2554685A1; PL2554685T3; JP5234222B2; WO2011125672A1; KR101389647B1; US20130017408A1; CN102834529A; EP2554685B1; BR112012024448B1; BR112012024448A2; JPWO2011125672A1; EP2554685A4; US9139886B2; RU2509163C1; CN106181044B

Abstract

본 방향성 전자기 강판의 제조 방법에서는, 방향성 전자기 강판의 표면에 레이저 빔을 주사하면서 조사하여, 상기 방향성 전자기 강판의 반송 방향에 수직한 방향을 포함하는 방향으로 연장되는 소정의 길이의 홈을 반송 방향에 소정의 간격으로 형성한다. 또한, 본 방향성 전자기 강판의 제조 방법에서는, 상기 레이저 빔은, 레이저 파장 λ가 1.0㎛ 이상 또한 2.1㎛ 이하인 연속파 레이저 빔이며, 레이저 빔 강도 P를 집광 빔 면적 S로 나누어 얻어지는 파워 밀도 Pd[W/㎟]가, 5×10⁵W/㎟ 이상이며, 상기 파워 밀도 Pd[W/㎟]와, 상기 방향성 전자기 강판의 표면 상에서의 상기 레이저 빔의 집광 스폿의 주사 속도 V[㎜/s]가, 0.005×Pd＋3000≤V≤0.005×Pd＋40000을 만족한다.

Description

방향성 전자기 강판 및 그 제조 방법 {DIRECTIONAL ELECTROMAGNETIC STEEL PLATE AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은, 권취 트랜스의 철심 재료 등에 사용되는 방향성 전자기 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 레이저 가공에 의해 그 표면에 홈을 형성하여 철손을 저감시킨 방향성 전자기 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2010년 4월 1일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2010-85457호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

방향성 전자기 강판은, Si를 포함하고, 그 결정립의 자화 용이축[입방정 (100)<001>]이 그 제조 공정에 있어서의 압연 방향으로 대략 정렬된 전자기 강판이다. 이 방향성 전자기 강판은, 압연 방향으로 자화가 향한 자구가, 자벽을 사이에 두고 복수 배열한 구조를 갖고, 이들 자벽 중 대부분은, 180° 자벽이다. 이 방향성 전자기 강판의 자구는, 180° 자구라 하고, 방향성 전자기 강판은, 압연 방향으로 자화되기 쉽다. 그로 인해, 비교적 작은 일정한 자화력에 있어서, 자속 밀도가 높고, 철손이 낮다. 따라서, 방향성 전자기 강판은, 트랜스의 철심 재료로서 매우 우수하다. 철손의 지표에는, 일반적으로 W17/50[W/㎏]이 사용된다. W17/50은, 주파수 50㎐에 있어서 최대 자속 밀도가 1.7T로 되도록 교류 여자하였을 때에, 방향성 전자기 강판에 발생하는 철손의 값이다. 이 W17/50을 작게 하면, 보다 효율이 높은 트랜스를 제조할 수 있다.

통상의 방향성 전자기 강판의 제조 방법을 이하에 개략적으로 설명한다. 소정량의 Si를 포함하는 열연된 규소 강판(열연판)을, 어닐링 및 냉연 공정에 의해 원하는 판 두께로 조정한다. 다음으로, 연속식의 어닐링로에서 이 규소 강판을 어닐링하고, 탈탄 및 왜곡 제거를 겸해 1차 재결정(결정립경:20 내지 30㎛)을 행한다. 계속해서, 주성분으로서 MgO를 포함하는 어닐링 분리재를 이 규소 강판 박판(이하에서는, 단순히 강판이라 기재하는 경우도 있음)의 표면에 도포하여, 강판을 코일 형상(외형이 원통 형상)으로 권취하고, 약 1200℃의 고온에서 20시간 정도의 뱃치 어닐링을 행하고, 강판 중에 2차 재결정 조직을 형성시키고, 강판 표면 상에 글래스 피막을 형성시킨다.

그때, 강판 중에 예를 들어 MnS나 AlN 등의 인히비터를 포함하므로, 압연 방향과 자화 용이 자구가 일치한, 소위 고스 입자가 우선적으로 결정 성장한다. 그 결과, 마무리 어닐링 후에 결정 방위성(결정 배향성)이 높은 방향성 전자기 강판이 얻어진다. 마무리 어닐링 후, 코일이 풀리고, 다른 어닐링로 내에 강판을 연속 통판(通板)하여 평탄화 어닐링을 행하고, 강판 내의 불필요한 왜곡을 제거한다. 또한, 강판 표면에 장력과 전기 절연성을 부여하는 코팅이 실시되어, 방향성 전자기 강판이 제조된다.

이러한 공정을 거쳐 제조된 방향성 전자기 강판에서는, 추가의 처리를 행하지 않아도 철손이 낮지만, 압연 방향(반송 방향)에 대략 수직, 또한 일정 주기(일정 간격)의 왜곡을 부여하면, 더욱 철손이 저하된다. 이 경우, 국소적인 왜곡에 의해 압연 방향과 자화가 직교하는 90° 자구가 형성되고, 거기에서의 정자기 에너지를 근원으로 하여 대략 직사각형의 180° 자구의 자벽 간격이 좁아진다(180° 자구의 폭이 작아짐). 철손(W17/50)은, 180° 자벽의 간격에 정(正)의 상관을 가지므로, 이 원리에 의해 철손이 저하된다.

예를 들어, 특허문헌 1에 개시되는 바와 같이, 레이저 조사에 의해 강판에 왜곡을 부여하는 방법이 이미 실용에 이용되고 있다. 마찬가지로, 방향성 전자기 강판의 압연 방향에 대략 수직, 또한 일정 주기로 10 내지 30㎛ 정도의 깊이의 홈을 형성하면, 철손이 저감된다. 이것은, 홈의 공극에서의 투자율의 변화에 의해 홈 주변에 자극이 발생하고, 이 자극을 근원으로 180° 자벽의 간격이 좁아져, 철손이 개선되기 때문이다. 홈을 형성하는 방법에는, 특허문헌 2에 개시되어 있는 바와 같이 전해 에칭을 이용하여 냉연판에 홈을 형성하는 방법, 특허문헌 3에 개시되는 바와 같이 기계적인 치형을 냉연판에 프레스하는 방법, 혹은 특허문헌 4에 개시되는 바와 같이 레이저 조사에 의해 강판(레이저 조사부)을 용융 및 증발시키는 방법이 있다.

그런데 전력 트랜스에는, 크게 구별하여 적층 트랜스와 권취 트랜스가 있다. 적층 트랜스는, 복수의 전자기 강판을 적층하고 고정하여 제조된다. 한편, 권취 트랜스의 제조 공정에서는, 방향성 전자기 강판을 권취하면서 적층하여 권취 접합하므로, 그 변형 왜곡(예를 들어, 굽힘에 의한 왜곡)을 제거하는 어닐링 공정이 포함된다. 따라서, 철손을 개선하기 위해 왜곡을 부여하는 상술한 방법으로 제조한 방향성 전자기 강판은, 철손 개선 효과를 유지한 채 적층 트랜스에 사용 가능하지만, 철손 개선 효과를 유지한 채 권취 트랜스에 사용할 수 없다. 즉, 권취 트랜스에서는, 왜곡 제거 어닐링에 의해 왜곡이 소실되므로 철손 개선 효과도 소실된다. 한편, 철손을 개선하기 위해 홈을 형성하는 방법으로 제조한 방향성 전자기 강판은, 왜곡 제거 어닐링을 행해도 철손을 개선하는 효과가 손상되지 않으므로, 적층 트랜스 및 권취 트랜스의 양쪽에 사용 가능하다고 하는 이점을 갖는다.

여기서, 홈을 형성하는 방법의 종래 기술을 설명한다. 전해 에칭에 의한 방법에서는, 예를 들어 2차 재결정 후의 표면에 글래스 피막이 형성된 강판을 사용하고, 레이저나 기계적 방법에 의해 표면의 글래스 피막을 선 형상으로 제거하고, 에칭에 의해 지철이 노출된 부분에 홈을 형성한다. 이 방법에서는, 공정이 복잡해지고 제조 비용이 높아지고, 처리 속도에 한계가 있다.

기계적인 치형 프레스에 의한 방법에서는, 전자기 강판이 약 3％의 Si를 포함하는 매우 단단한 강판이므로, 치형의 마모 및 손상이 발생하기 쉽다. 치형이 마모되면 홈 깊이에 편차가 발생하므로, 철손 개선 효과가 불균일해진다.

레이저 조사에 의한 방법(레이저법이라 기재함)에서는, 고 파워 밀도의 집광 레이저 빔에 의해 고속 홈 가공이 가능하다고 하는 이점이 있다. 또한, 레이저법이 비접촉 가공이므로, 레이저 파워 등의 제어에 의해 안정적으로 균일한 홈 가공을 행할 수 있다. 레이저법에 있어서는, 효율적으로 깊이 10㎛ 이상의 홈을 강판 표면에 형성하기 위해, 종래 다양한 시도가 이루어지고 있다. 예를 들어, 특허문헌 4에는, 고 피크 파워의 펄스 CO₂ 레이저(파장 9 내지 11㎛)를 사용하여, 2×10⁵W/㎟ 이상의 높은 파워 밀도(집광점에 있어서의 에너지 밀도)를 실현하고, 홈을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 여기서, 펄스 CO₂ 레이저를 사용하는 방법에서는, 연속하는 펄스간에 레이저 정지 시간이 있으므로, 고속으로 레이저 빔을 강판면 상에 주사하는 경우, 레이저 빔의 주사선 상에는, 각 펄스에 의해 형성되는 구멍(점열)이 이어져 홈이 형성된다. 이때, 고속의 빔 주사에 있어서 펄스간의 시간 간격이 긴 경우, 점열의 간격이 넓혀지고, 각 구멍이 분리하여 철손 개선 효과가 격감한다. 공업적으로 이용 가능한 최대 펄스 주파수는, 최대 100㎑이며, 이 경우, 펄스 시간 간격은, 10μs이다. 예를 들어, 고속 처리에서 요구되는 30m/s의 주사 속도에서는, 펄스간의 시간 간격의 사이에 빔의 주사 위치가 300㎛ 이동해 버린다. 점열의 각 점이 공간적으로 최소한 접하기 위해서는, 집광 빔 직경이 300㎛ 이상인 것이 필요하다. 이로 인해, 가공에 충분한 파워 밀도를 얻기 위해서는, 레이저 파워를 크게 할 필요가 있어, 레이저 장치에 기술적인 한계가 있다. 특허문헌 5에는, 연속파 레이저를 사용하여, 레이저 빔의 집광 형상을 원형으로부터 타원형으로 바꾸고, 저 파워 밀도로 효율적인 홈이 형성되는 것이 개시되어 있다.

또한, 종래에는, 레이저 광원으로서 비교적 고 파워가 용이하게 얻어지는 CO₂ 레이저가 사용되고 있지만, CO₂ 레이저의 파장은, 9 내지 11㎛대이며, 이 파장의 레이저 광은, 가공점(가공 위치)에서 발생하는 금속 증기나 플라즈마에 의해 크게 흡수된다. 그로 인해, 강판 표면으로의 레이저 광의 도달 파워가 감소하여 가공 효율이 저하된다. 또한, 레이저 광을 흡수하여 가열 및 팽창한 플라즈마나 금속 증기가 2차 열원으로서 작용하고, 홈의 단부(견부)의 주변을 용융시키므로, 용융량이 증가하여 홈의 형상(예를 들어, 후술하는 용융 돌기의 증대)이 악화된다.

일본 특허 공고 소58-26406호 공보 일본 특허 공고 소62-54873호 공보 일본 특허 공고 소62-53579호 공보 일본 특허 출원 공개 평6-57335호 공보 일본 특허 출원 공개 제2003-129135호 공보

상기한 종래의 레이저 빔 조사에 의한 홈 형성에서는, 강판 표면에서 레이저 빔이 흡수되고, 강판의 금속(지철)이 용융하여 미세한 용융 액적이 비산하거나, 비점까지 가열된 강판 표면의 지철이 증발하거나 하여 홈이 형성된다. 강판 표면의 용융물은, 가공점(레이저 빔 조사점)에 있어서의 고온의 금속 증기 혹은 플라즈마의 압력에 의해 비산한다. 용융물이 대량으로 발생하는 경우 혹은 압력이 작은 경우에는, 용융물이 완전히 비산할 수 없고, 도 6에 예시하는 바와 같이, 형성한 홈의 주변부에 용융물이 부착되어 표면 돌기가 발생하였다.

트랜스를 성형할 때에 방향성 전자기 강판이 적층 및 압축되므로, 이 표면 돌기가 현저하게 커지면, 각 층의 방향성 전자기 강판의 지철간의 전기 절연성이 저하된다. 또한, 표면 돌기가 압축되면, 강판에 왜곡 변형이 발생하므로 철손을 열화시키는 문제가 발생한다. 상기한 종래 기술에서는, 깊게 효율적으로 홈을 형성할 수 있지만, 표면 돌기를 충분히 억제하는 것이 어렵다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은, 상기 점에 비추어 이루어지고, 권취 트랜스의 철심 재료로서 적층 및 압축되어도, 층간의 전기 절연성의 저하 및 왜곡의 증가가 억제되고, 우수한 에너지 효율(즉, 낮은 철손, 이하에서는, 철손 특성이라 기재함)을 갖는 방향성 전자기 강판을 제공한다. 또한, 본 발명은, 권취 트랜스의 철심 재료 등에 사용되는 방향성 전자기 강판에 대해, 강판의 표면에 레이저 빔을 조사하여 홈을 형성할 때에, 홈 주변부에 발생하는 표면 돌기의 크기를 최대한 작게 하고, 또한 고속 생산 라인에 적합한 방향성 전자기 강판의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 요지는, 이하와 같다.

(1) 본 발명의 일 형태에 관한 방향성 전자기 강판의 제조 방법은, 방향성 전자기 강판의 표면에 레이저 빔을 주사하면서 조사하여, 상기 방향성 전자기 강판의 반송 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 소정의 길이의 홈을 반송 방향에 소정의 간격으로 형성하는 방향성 전자기 강판의 제조 방법이며, 상기 레이저 빔은, 레이저 파장 λ가 1.0㎛ 이상 또한 2.1㎛ 이하인 연속파 레이저 빔이며, 레이저 빔 강도 P를 집광 빔 면적 S로 나누어 얻어지는 파워 밀도 Pd[W/㎟]가, 5×10⁵W/㎟ 이상이며, 상기 파워 밀도 Pd[W/㎟]와, 상기 방향성 전자기 강판의 표면 상에서의 상기 레이저 빔의 집광 스폿의 주사 속도 V[㎜/s]가, 0.005×Pd＋3000≤V≤0.005×Pd＋40000을 만족한다.

(2) 상기 (1)에 기재된 방향성 전자기 강판의 제조 방법에서는, 상기 레이저 빔이, 파이버 레이저 광, 또는 YAG 레이저를 포함하는 박 디스크형 고체 레이저 광이어도 된다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 방향성 전자기 강판의 제조 방법에서는, 상기 파워 밀도 Pd[W/㎟]와, 상기 주사 속도 V[㎜/s]가, 0.005×Pd＋4050≤V≤0.005×Pd＋40000을 만족해도 된다.

(4) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 방향성 전자기 강판의 제조 방법에서는, 상기 파워 밀도 Pd[W/㎟]와, 상기 주사 속도 V[㎜/s]가, 0.005×Pd＋11070≤V≤0.005×Pd＋30700을 만족해도 된다.

(5) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 방향성 전자기 강판의 제조 방법에서는, 상기 집광 스폿의 직경 d가, 0.10㎜ 이하여도 된다.

(6) 본 발명의 일 형태에 관한 방향성 전자기 강판은, 레이저 빔에 의해 반송 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 소정의 길이의 홈이 반송 방향에 소정의 간격으로 형성된 방향성 전자기 강판이며, 상기 홈과의 계면에 용융 응고층을 갖고, 상기 홈의 깊이 치수가, 8 내지 30㎛이며, 상기 홈의 단면적이, 1800㎛² 미만이다.

(7) 상기 (6)에 기재된 방향성 전자기 강판에서는, 상기 홈의 깊이 치수가, 10 내지 30㎛여도 된다.

(8) 상기 (6) 또는 (7)에 기재된 방향성 전자기 강판에서는, 상기 홈의 단면적이, 1000㎛² 미만이어도 된다.

(9) 상기 (6) 또는 (7)에 기재된 방향성 전자기 강판에서는, 상기 홈의 단면적이, 600㎛²미만이어도 된다.

본 발명의 방향성 전자기 강판은, 홈의 주변부의 돌기 높이가 5㎛ 이하로 억제되므로, 권취 트랜스의 철심 재료로서 적층 및 압축되어도, 층간의 전기 절연성의 저하 및 변형에 의한 왜곡의 증가가 억제되어, 우수한 철손 특성을 갖는다. 또한, 본 발명의 방향성 전자기 강판의 제조 방법에 따르면, 고속 빔 주사에 의해, 고속 라인 속도에 대응할 수 있어, 생산성이 높은 제조 프로세스를 구축할 수 있다.

도 1은 레이저 빔 조사의 파워 밀도와 빔 주사 속도의 상하한의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는 홈 형성에 의한 방향성 전자기 강판의 철손 개선율과 홈 깊이의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3a는 낮은 빔 주사 속도의 레이저 빔 조사에 의해 형성한 홈 및 홈의 주변부의 단면 사진이다.
도 3b는 낮은 빔 주사 속도의 레이저 빔 조사에 의해 형성한 홈 및 홈의 주변부의 단면 사진이다.
도 3c는 충분한 빔 주사 속도의 레이저 빔 조사에 의해 형성한 홈 및 홈의 주변부의 단면 사진이다.
도 4는 용융 돌기의 높이 및 홈 깊이에 대한 빔 주사 속도의 영향의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 실시 형태에서 사용하는 제조 장치의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 6은 종래 기술인 CO₂ 레이저를 사용하여 레이저 빔 조사에 의해 형성한 홈 및 홈의 주변부의 단면 사진이다.
도 7은 홈 단면적과 평균 돌기 높이의 관계를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 설명한다.

본 발명자들은, 레이저 빔 조사 시에 방향성 전자기 강판의 표면 돌기(돌기, 용융 돌기)가 발생하는 메커니즘에 대해 예의 검토하였다. 상기한 바와 같이, 레이저 빔 조사에 의해, 강판 표면에서 레이저 빔이 흡수되어, 강판의 지철이 용융하여 미세한 용융물의 액적이 비산한다. 이 용융물은, 가공점(레이저 빔 조사점)에 있어서의 고온의 금속 증기 혹은 플라즈마의 압력에 의해 비산한다. 종래부터, 방향성 전자기 강판에 홈을 형성하기 위해, 비교적 고 파워가 용이하게 얻어지는 CO₂ 레이저가 사용되어 왔다. CO₂ 레이저를 광원으로 하여 방향성 전자기 강판에 홈을 형성하는 실험을 행하고, 용융 현상을 상세하게 검토함으로써, 이하의 메커니즘에 의해 표면 돌기가 발생한다고 추정하였다.

즉, CO₂ 레이저의 파장은, 9 내지 11㎛대이며, 이 파장의 레이저 광은, 가공점에서 발생하는 금속 증기나 플라즈마에 의해 크게 흡수된다. 그로 인해, 강판 표면으로의 레이저 광의 도달 파워가 감소하여 가공 효율이 저하된다. 또한, 레이저 광을 흡수하여 가열 및 팽창한 플라즈마나 금속 증기가 2차 열원으로서 작용하고, 홈의 단부의 주변을 용융시키므로, 용융량이 증가한다. 이러한 레이저 광의 도달 파워의 감소 및 용융량의 증가에 의해, 큰 용융 돌기가 발생한다고 고찰된다.

따라서, 파장 1.0 내지 2.1㎛이고 집광성이 높은 레이저 광원, 즉, 파이버 레이저나 박 디스크형의 YAG 레이저와 같은 레이저 광원으로부터 출사된 레이저 빔을 강판에 조사하는 실험을 행하고, 상세하게 조사 조건을 검토하였다. 그 결과, 이하에서 설명하는 바와 같이, 철손이 작고, 또한 표면 돌기의 크기가 억제된 방향성 전자기 강판을 제조할 수 있는 것을 발견하였다.

우선, 본 발명의 방향성 전자기 강판의 제조 방법의 일 실시 형태를, 도면을 사용하여 상세하게 설명한다. 도 5는 본 실시 형태에서 사용하는 레이저 광원 및 레이저 빔 조사 장치를 구비하는 제조 장치의 일례를 나타내는 모식도이다. 또한, 이 도 5에는, 방향성 전자기 강판(강판)(1)에 조사되는 레이저 광의 조사 위치에 대해서도 도시되어 있다. 레이저 매질로서 Yb가 도프된 파이버 레이저를 레이저 광원으로서 사용한 예를 설명한다. 도 5에 있어서, 강판(1)은, 2차 재결정 후의 판 폭 150㎜의 방향성 전자기 강판이며, 지철 표면에 글래스 피막이 형성되어 있다. 강판(1)은, 라인 속도 VL에 의해 라인 방향(압연 방향, 반송 방향) L로 일정 속도로 통판된다.

레이저 장치(2)는, 최대 출력 2000W의 시판의 파이버 레이저이며, 파이버 코어에 레이저 매질로서 Yb가 도프되어 있고, 그 발진 파장은, 1.07 내지 1.08㎛이다. 코어의 직경은, 약 15㎛이며, 출력 빔의 레이저 발진 모드는, 대략 기본 가우스 모드이다. 레이저 장치(2)로부터 출력된 연속파(CW)의 레이저 광은, 광 파이버(3)를 전송되어, 레이저 조사 장치(4)에 도달한다. 이 레이저 조사 장치(4)는, 콜리메이터(5)와, 20면체의 회전 폴리건 미러(6)와, 초점 거리 200㎜의 fθ 렌즈(7)를 구비한다. 콜리메이터(5)는, 전송 파이버(3)로부터 출력한 레이저 빔(LB)의 직경을 조정한다. 또한, 회전 폴리건 미러(6)는, 레이저 빔(LB)을 편향시켜 강판(1) 상을 고속으로 대략 판 폭 방향 C로 주사하고, fθ 렌즈(7)는, 이 레이저 빔(LB)을 집광한다.

회전 폴리건 미러(6)의 회전 속도를 조절하여 강판(1) 상에서의 빔 주사 속도 V가 2 내지 50m/s의 범위에서 조정할 수 있다. 강판(1) 상에 있어서의 집광 빔의 판 폭 방향의 주사 폭은, 약 150㎜이다. 집광 빔 직경(에너지의 86％가 포함되는 직경) d를, 콜리메이터(5)에 의한 출력 빔 직경의 변경에 의해 10 내지 100㎛로 조정하였다. 또한, 도시되어 있지 않은 포커스 기구를, 회전 폴리건 미러(6)와 초점 거리 200㎜의 fθ 렌즈(7) 사이에 배치하고 있고, 이 포커스 기구에 의해 fθ 렌즈(7)와 강판의 거리를 조정할 수 있다. 회전하는 회전 폴리건 미러(6)의 한 면에 의해 레이저 빔이 강판(1) 상에 주사되어, 강판(1) 상에 소정의 길이(예를 들어, 판 폭 방향의 전체 길이)의 1개의 홈이 대략 폭 방향으로 형성된다. L 방향으로 인접하는 홈의 간격, 즉 압연 방향(반송 방향)의 조사 피치 PL은, 라인 속도 VL 및 폴리건 회전 속도의 조정에 의해 변경 가능하다. 이와 같이, 레이저 조사 장치(4)를 사용하여, 강판(1)에 레이저 빔(LB)을 조사하여 압연 방향 L에 일정한 주사 간격 PL(＝조사 피치, 홈 간격)로 홈을 형성한다. 즉, 방향성 전자기 강판의 표면에 레이저 빔을 집광하여 주사하면서 조사하여, 방향성 전자기 강판의 반송 방향에 대략 수직한 방향(반송 방향과 교차하는 방향, 반송 방향에 수직한 벡터를 포함하는 방향, 예를 들어, 이 수직한 방향으로부터 ±45°의 범위 내)으로 연장되는 소정의 길이의 홈을 반송 방향에 소정의 간격으로 형성한다.

레이저 빔 조사 후의 강판(1)에는, 도시되어 있지 않은 어닐링로에서 약 800℃의 왜곡 제거 어닐링을 실시한 후, 도시되어 있지 않은 코팅 장치에 의해 표면에 전기적 절연 및 장력을 부여하는 절연 피막 코팅을 실시한다. 또한, 절연 피막의 두께는, 2 내지 3㎛이다.

<홈 깊이와 철손 개선 효과의 관계>

우선, 홈 깊이와 철손 개선 효과의 관계를 조사하였다. 소재로서 B8이 1.90T인 방향성 전자기 강판을 준비하였다. 여기서, B8은, 자화력 H가 0.8A/m에 있어서 발생하는 자속 밀도[T]로 정의된다. 특히, 방향성 전자기 강판의 경우, B8은, 강판이 압연 방향으로 자화하였을 때의 자속 밀도이다. B8이 높을수록 강판(1)의 결정 방위성이 높고(결정 배향성이 크고), 일반적으로 철손도 낮다. 이 소재를 사용하여, 레이저 빔 강도 P가 1000W, 집광 빔 직경 d가 0.03㎜, 파워 밀도 Pd가 14×10⁵W/㎜, 홈 간격 PL이 3㎜, 빔 주사 속도 V가 2500 내지 50000㎜/s의 범위인 레이저 빔 조사 조건에서, 레이저 빔을 조사하여 강판 표면에 홈을 형성하였다. 이와 같이, 다른 빔 주사 속도 V로 강판 표면에 홈을 형성함으로써, 다른 홈 깊이를 갖는 강판이 제작되었다. 또한, 여기에서는, 홈 깊이와 철손 개선 효과의 관계에만 착안하고, 홈 주변의 용융 돌기의 높이를 고려하고 있지 않다. 홈을 형성한 강판으로부터 압연 방향 길이 300㎜, 폭 방향 길이 60㎜의 크기의 단판 샘플을 잘라내고, 주지의 철손 측정 방법인 SST(Single Sheet Tester)법에 의해 철손 Wg를 측정하여 평가하였다. 또한, 동일한 소재이며 홈을 형성하고 있지 않은 방향성 전자기 강판의 철손 W0도 이 방법으로 측정하였다. 여기서, 철손 Wg 및 W0는, 주파수가 50㎐, 최대 자속 밀도가 1.7T인 여자 조건에서의 철손값이다. 각 철손 Wg 및 W0를 사용하여 이하의 수학식 1로 철손 개선율 η％를 산출하여 철손 개선 효과의 비교 평가를 행하였다.

도 2는 측정된 강판 표면의 홈의 깊이와 철손 개선율 η의 관계의 일례를 나타내는 도면이다. 홈의 깊이가 측정된 각 강판은, 동일한 재질이며, 그 판 두께는, 0.23㎜였다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 홈 깊이가 8㎛ 이상에서는 현저하게 철손 개선 효과가 증가하고, 10％를 초과하는 철손 개선율 η(η＞10％)가 얻어진다. 홈 깊이가 10 내지 30㎛에 있어서 철손 개선율 η가 약 13％의 최대값을 갖는다. 또한, 홈 깊이가 30㎛를 초과하면, 철손 개선율 η가 10％ 미만까지 저하된다. 홈이 지나치게 깊어지면 홈을 포함하는 부분의 강판의 단면적(고투자율의 영역)이 좁아지므로, 철손이 증가한다. 따라서, 철손 개선의 관점에서는, 홈 깊이가 8 내지 30㎛의 범위인 것이 적절하다.

<용융 돌기(표면 돌기)와 트랜스 특성의 관계>

다음으로, 트랜스 특성에 대한 용융 돌기(표면 돌기)의 영향을 조사하였다. 여기에서는, 트랜스 특성으로서 적층된 강판간의 전기 절연성을 평가하였다. 이것은, 트랜스의 제조 시에 방향성 전자기 강판을 적층 및 압축하였을 때에, 인접하는 층간(지철간)의 전기 절연성이 유지될 필요가 있기 때문이다. 따라서, 상기한 레이저 빔 조사 조건에서 제조한 단판 샘플의 편면에 복수의 접촉자 전극을 압박 접촉하여 전압을 인가하고, 각 전극간에 흐르는 전류를 측정하였다. 측정 조건에 대해서는, 접촉자 전극 1개당 면적이 1㎠, 전압이 0.5V, 접촉 압력이 230psi(1.58㎫), 접촉자 전극의 수가 10개이다. 이 측정 방법으로 측정된 각 전극간에 흐르는 전류가 600㎃ 이하이면, 소형 트랜스를 중심으로 한 일반적인 트랜스에서는 양호한 트랜스 특성이 얻어진다. 또한, 층간 전압이 비교적 높아지는 대형의 트랜스에서는, 이 전류가 100㎷ 이하인 것이 바람직하다. 표 1에는, 표면 돌기의 높이(평균 돌기 높이)와 전류(층간 전류)의 관계에 대한 측정예를 나타낸다.

표 1에 나타내어지는 바와 같이, 표면 돌기의 높이를 5㎛ 이하까지 작게 하면, 층간 전류를 600㎷ 이하로 억제할 수 있고, 홈이 형성된 방향성 전자기 강판을 일반적인 트랜스 철심에 적절하게 사용할 수 있다. 또한, 표면 돌기의 높이를 3㎛ 이하까지 작게 하면, 층간 전류를 100㎃ 이하로 억제할 수 있고, 층간에 충분한 전기 절연성이 유지된다. 그로 인해, 홈이 형성된 방향성 전자기 강판을, 높은 층간 전압이 발생할 수 있는 각종 트랜스 철심에도 적절하게 사용할 수 있다. 또한, 표면 돌기의 높이를 1㎛ 이하까지 작게 하면, 층간에 거의 완전한 절연성이 얻어진다.

상술한 표면 돌기의 높이와 층간 전류의 관계는, 방향성 전자기 강판의 최종 라인에서 강판 표면에 실시되는 절연 코팅의 두께(약 3㎛)에 영향을 받고 있다고 생각된다. 트랜스 철심을 제작할 때, 적층에 의해 서로 대향하는 강판 표면의 한쪽에만 표면 돌기가 존재하므로, 표면 돌기가 소정의 크기 이하이면, 다른 쪽의 강판 표면(이면)의 절연 코팅에 의해 충분한 전기 절연성을 확보할 수 있다. 인접하는 강판의 위치 관계나 표면 돌기의 변형 등의 조건을 고려하면, 표면 돌기가 5㎛ 이하이면, 층간의 전기 절연성이 충분하다. 또한, 표면 돌기가 3㎛ 이하이면, 절연 코팅의 두께의 효과에 의해 층간의 전기 절연성이 우수하다.

<홈 주변부에 발생하는 용융 돌기(표면 돌기)의 억제 방법>

상기 검토 결과를 기초로, 이하에, 홈의 주변부에 발생하는 용융 돌기의 억제 방법에 대해 설명한다. 본 발명자들은, 다양한 파워 밀도 Pd 및 빔 주사 속도 V로 방향성 전자기 강판에 레이저 빔 조사를 행하고, 표면 돌기의 높이와 홈 깊이와 파워 밀도 Pd[W/㎟]와 빔 주사 속도 V의 상관을 조사하였다. 여기서, 레이저 빔 강도 P가 200 내지 2000W의 범위, 집광 스폿의 직경(집광 빔 직경) d가 0.01 내지 0.10㎜의 범위, 빔 주사 속도 V가 5000 내지 70000㎜/s의 범위에서 변경되고, 파워 밀도 Pd 및 빔 주사 속도 V를 제어하였다. 또한, 형성된 홈의 단면을 광학 현미경 및 SEM(Scanning Electron Microscope)으로 관찰하였다. 여기서, 파워 밀도 Pd[W/㎟]는, 집광 빔 면적 S[㎟]에 의해 이하의 수학식 2로 정의된다. 또한, 집광 빔 면적 S[㎟]는, 집광 빔 직경 d를 사용하여 이하의 수학식 3으로부터 구해진다. 이 집광 빔 직경 d는, 빔 전파 방향에 수직한 단면 상에 파워 강도 분포를 갖는 원형의 레이저 빔의 경우, 전체의 86％의 에너지가 포함되는 원 형상의 영역의 직경이다. 즉, 이 경우에는, 레이저 빔의 중심으로부터 레이저 빔의 외측을 향해 파워 강도를 레이저 빔의 반경에 대해 적분하고, 레이저 빔 내에 있어서의 각 반경(각 직경)의 원 형상의 영역에 포함되는 에너지를 구하고 있다. 또한, 표면 돌기의 높이 및 홈 깊이의 치수는, 시판의 접촉식의 표면 조도계로 측정되었다.

도 4는 레이저 빔 강도 P가 1000W, 집광 빔 직경 d가 0.03㎜, 파워 밀도 Pd가 14.0×10⁵W/㎟인 레이저 빔 조사 조건에 있어서, 빔 주사 속도 V가 홈 주변부의 용융 돌기의 평균 높이(돌기 높이) 및 평균 홈 깊이(홈 깊이)에 부여하는 영향을 나타내는 도면이다. 여기서, 돌기 높이 및 홈 깊이는, 모두 50 샘플의 평균값이다. 도 3a 내지 도 3c는 홈 방향(홈의 연장 방향)으로부터 본, 홈 및 홈의 주변부의 단면 사진의 일례이다.

우선, 홈의 단면 형상을 도 3a 내지 도 3c를 사용하여 설명한다. 도 3a는 빔 주사 속도 V가 5000㎜/s에서의 홈 단면 사진이다. 이러한 저속의 빔 주사 속도 V에서는, 60㎛를 초과하는 깊이(양)의 용융(대량의 용융물)이 발생하고, 일시적으로 홈이 형성되지만, 재응고물로 홈의 상부가 메워지고, 내부에 공극이 생기는 경우도 있다. 이 경우, 표면 돌기의 높이는, 30㎛ 정도이다. 도 3b는 빔 주사 속도 V가 10000㎜/s에서의 홈 단면 사진이다. 도 3b로부터, 빔 주사 속도 V를 증가시키는 동시에, 홈 깊이가 얕아지는 것을 알 수 있다. 이 도 3b에서는, 홈 깊이가 30㎛ 정도이지만, 표면 돌기의 높이가 10㎛ 이상이다. 도 3c는 빔 주사 속도 V가 30000㎜/s에서의 홈 단면 사진이다. 이 속도에서는, 홈 깊이가 10 내지 15㎛이며, 돌기 높이가 1㎛ 이하이며, 표면 돌기가 대부분 소멸하고 있다. 또한, 돌기 높이는, 0㎛여도 된다. 여기서, 홈의 주변부에는, 레이저 조사부에 발생한 용융물의 일부가 응고함으로써 형성되는 후술하는 용융 재응고층이 확인되었다.

홈 깊이와 빔 주사 속도 V의 관계를 도 4에 흑색 사각으로 나타냈다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 빔 주사 속도 V가 50000㎜/s를 초과하면, 홈 깊이가 8㎛ 미만으로 된다. 이 경우에는, 도 2로부터 철손 개선 효과가 현저하게 저하되는 것을 알 수 있다. 따라서, 파워 밀도 Pd가 14.0×10⁵W/㎟일 때, 홈 깊이를 충분히 확보하기 위해 필요한 빔 주사 속도 V의 상한 V2는, 50000㎜/s이다. 보다 높은 철손 개선율을 얻기 위해 10㎛ 이상의 홈 깊이를 얻는 경우에는, 빔 주사 속도 V의 상한 V2'가 40000㎜/s인 것이 바람직하다.

한편, 레이저 빔 강도 P가 1000W, 집광 빔 직경 d가 0.03㎜, 파워 밀도 Pd가 14.0×10⁵W/㎟일 때의, 용융 돌기의 높이와 빔 주사 속도 V의 관계를 도 4에 백색 다이아몬드형으로 나타냈다. 도 4에 나타내어지는 바와 같이, 빔 주사 속도 V가 10000㎜/s를 초과하면, 돌기 높이를 5㎛ 이하로 제어할 수 있다. 상술한 표 1(돌기 높이와 층간 전류의 관계에 대한 측정예)에 나타내어지는 바와 같이, 돌기 높이를 5㎛ 이하까지 작게 하면, 층간 전류가 저하되고, 충분한 트랜스 특성이 얻어진다. 따라서, 돌기 높이를 충분히 작게 하기 위해 필요한 빔 주사 속도 V의 하한 V1은, 10000㎜/s이다. 또한, 빔 주사 속도 V가 12000㎜/s를 초과하면, 돌기 높이를 3㎛ 이하로 제어할 수 있다. 돌기 높이가 3㎛ 이하에서는, 표 1에 나타내어지는 바와 같이, 층간 전류가 작고 양호한 트랜스 특성이 얻어진다. 이 경우에는, 빔 주사 속도 V의 하한 V1'은, 12000㎜/s이다. 또한, 돌기 높이를 1㎛ 이하까지 작게 하기 위해 필요한 하한 V1"은, 20000㎜/s이며, 이 범위의 빔 주사 속도 V에서는, 보다 양호한 트랜스 특성을 기대할 수 있다. 단, 여기에서는, 파워 밀도 Pd가 14.0×10⁵W/㎟인 경우에 대해서만, 빔 주사 속도 V의 상하한(V1, V2 등)을 결정하고 있다. 또한, 빔 주사 속도 V의 하한 V1, V1', V1"은, 돌기 높이를 기준으로 결정되고, 빔 주사 속도 V의 상한 V2, V2'는, 홈 깊이를 기준으로 결정된다.

본 발명자들은, 0.01 내지 0.3㎜의 범위의 집광 빔 직경 d와, 100 내지 2000W의 범위의 레이저 빔 강도 P를 다양한 패턴으로 조합하고, 다양한 파워 밀도 Pd로 레이저 조사 실험을 행하였다. 이 조사 실험에서는, 각 파워 밀도 Pd에 있어서의 빔 주사 속도 V의 하한 V1, 상한 V2, 하한 V1', 상한 V2', 하한 V1"을 조사하였다. 그 결과, 도 1(빔 주사 속도의 상하한과 파워 밀도의 관계를 나타내는 도면)에 나타내는 바와 같이, 파워 밀도 Pd가 5×10⁵W/㎟ 이상인 경우에, 양호한 철손 특성 및 트랜스 특성이 얻어지는 빔 주사 속도 V의 상하한이 얻어졌다. 또한, 상한 V1, 하한 V2, 하한 V1', 상한 V2', 하한 V1"이 파워 밀도 Pd에 정의 상관으로 대략 비례하여 변화되는 것을 발견하였다.

또한, 파워 밀도 Pd가 5×10⁵W/㎟ 미만에서는, 돌기 높이, 홈 깊이 모두 측정값의 편차가 커지고, 레이저 빔 조사의 홈 가공 성능이 불안정해졌다. 빔 주사 속도 V가 5000㎜/s 미만인 저속 가공 영역에서는, 레이저 조사부로부터 그 주변으로의 열전도가 현저해진다. 또한, 파워 밀도 Pd가 낮으므로, 용융 후에 증발 또는 비산하는 용융물의 양이 대폭으로 감소한다. 그 결과, 강판 표면에서 용융 및 재응고하는 영역이 증대하고, 용융 돌기의 수 및 높이가 증가한다. 또한, 용융물이 강판 표면의 레이저 조사부에 머무르므로, 홈이 형성되기 어렵고, 홈 깊이도 불안정해진다.

도 1로부터, 파워 밀도 Pd가 5×10⁵W/㎟ 이상인 범위에 있어서, 파워 밀도 Pd와, 빔 주사 속도 V의 상하한(하한 V1, 상한 V2, 하한 V1', 상한 V2' 및 하한 V1"의 각각)의 관계는, 최소 제곱법에 의해 직선 근사식으로 나타내는 것이 가능하다. 이 직선 근사식에 의해 돌기 억제와 철손 개선을 양립하는 최적 레이저 조건을 간단하게 결정할 수 있다. 즉, 도 1 중에 있어서, 하한 V1(V1＝0.005×Pd＋3000)은, 「돌기 높이가 5㎛로 되는 빔 주사 속도 V의 값」을, 하한 V1'(V1'＝0.005×Pd＋4050)은, 「돌기 높이가 3㎛로 되는 빔 주사 속도 V의 값」을, V1"(V1"＝0.005×Pd＋11070)은, 「돌기 높이가 1㎛로 되는 빔 주사 속도 V의 값」을 나타낸다. 마찬가지로, 도 1 중에 있어서, 상한 V2(V2＝0.005×Pd＋40000)는, 「홈 깊이가 8㎛로 되는 빔 주사 속도 V의 값」을, 상한 V2'(V2'＝0.005×Pd＋30700)는, 「홈 깊이가 10㎛로 되는 빔 주사 속도 V의 값」을 나타낸다. 이들 1차식으로 구한 하한 V1, 하한 V1', 하한 V1", 상한 V2, 상한 V2'를 사용하여, 빔 주사 속도 V를 적절하게 제어할 수 있다. 충분히 철손을 저하시켜 일반적인 트랜스에 필요한 트랜스 특성을 얻기 위해서는, 파워 밀도 Pd의 값에 따라 이하의 수학식 4(즉, V1≤V≤V2)를 만족하도록 빔 주사 속도 V를 제어한다. 또한, 레이저 빔 조사에 의해, 보다 철손을 저하시키고, 보다 양호한 트랜스 특성을 얻기 위해서는, 파워 밀도 Pd의 값에 따라, 이하의 수학식 5(즉, V1'≤V≤V2)를 만족하도록 빔 주사 속도 V를 제어하는 것이 바람직하고, 이하의 수학식 6(즉, V1"≤V≤V2')을 만족하도록 빔 주사 속도 V를 제어하는 것이 보다 바람직하다.

여기서, 상술한 바와 같이, 빔 주사 속도 V의 상하한(하한 V1, 상한 V2, 하한 V1', 상한 V2' 및 하한 V1")은, 파워 밀도 Pd에 따라 결정할 수 있고, 파워 밀도 Pd는, 레이저 빔 강도 P와 집광 빔 직경 d의 양쪽에 의해 정의된다. 또한, 이 파워 밀도 Pd와 빔 주사 속도 V는, 단위 시간 및 단위 면적당 레이저 조사부로의 공급 에너지에 영향을 주므로, 후술하는 홈 단면적에도 영향을 줄 수 있다. 또한, 파워 밀도 Pd와 빔 주사 속도 V가 수학식 4를 만족하면, 파워 밀도 Pd의 상한은, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 파워 밀도 Pd를 5×10⁵W/㎟ 이상 또한 7×10⁶W/㎟ 이하로 제어해도 된다.

<본 실시 형태의 효과의 상세 설명>

다음으로, 본 실시 형태에서, 고 피크 파워 밀도의 레이저 빔의 고속 빔 주사에 의해, 돌기를 억제하면서 철손 특성에 적합한 깊이의 홈을 가공할 수 있는 원리에 대해 설명한다. 본 실시 형태에서는, 파장 1.0 내지 2.1㎛의 집광성이 높은 연속 발진형의 레이저(연속 발진 가능한 레이저)를 사용하고 있다. 예를 들어, 이러한 레이저로서, 파이버 레이저 또는 YAG를 포함하는 박 디스크형 고체 레이저를 사용하고 있다. 이 파장 영역의 레이저 광은, 가공점에서 발생하는 금속 이온의 플라즈마나 금속 증기에 흡수되기 어렵다. 한편, 종래 사용되어 온 파장 9 내지 11㎛대의 CO₂ 레이저는, 플라즈마나 금속 증기에 흡수되기 쉬우므로, 플라즈마나 금속 증기의 발생 영역에서 파워가 소비되어 강판 표면의 가공 효율이 저하된다. 또한, 레이저 광을 흡수한 플라즈마는, 고온으로 되고, 집광 빔 직경에 비해 공간적으로 비교적 큰 열원으로서 작용하므로, 홈 주변을 불필요하게 용융시켜, 도 6에 나타낸 폭이 넓은 홈을 형성하고, 돌기가 커진다. 이러한 경향은, 파워 밀도가 높아질수록 현저해지므로, CO₂ 레이저를 사용하는 방법에서는, 파워 밀도를 올려 고속 처리를 행하기 위해서는 불리하고, 돌기를 억제하는 것이 어렵다.

또한, 연속파 레이저를 사용함으로써, 펄스 발진 레이저에서 발생하는, 점열 홈의 구멍간의 갭에 의한 철손 개선 열화도 없다.

파이버 레이저에는, 발진 매체인 파이버의 코어에 각종 레이저 매질(여기 원자)을 도프한 레이저를 사용할 수 있다. 예를 들어, 코어에 Yb(이테르븀)를 도프한 파이버 레이저에서는, 발진 파장이 1.07 내지 1.08㎛, 코어에 Er(에르븀)을 도프한 파이버 레이저에서는, 발진 파장이 1.55㎛, 코어에 Tm(툴륨)을 도프한 파이버 레이저에서는, 발진 파장이 1.70 내지 2.10㎛이다. 또한, 마찬가지의 파장 영역의 고출력 레이저인 YAG 레이저에서는, 발진 파장이 1.06㎛이다. 이들 파이버 레이저 및 YAG 레이저를 사용하는 방법에서는, 가공점에서의 플라즈마 혹은 금속 증기로의 레이저의 흡수의 영향이 적으므로, 이들 방법은, 본 발명의 방법에 속한다.

또한, 본 실시 형태에서는, 집광 스폿의 직경을 0.10㎜의 극소 집광으로 제어하면, 표면 돌기가 현저하게 감소한다. 이것은, 파워 밀도의 증가에 더하여, 용융 체적이 감소하기 때문이다. 따라서, 집광 빔 직경은, 0.10㎜ 이하인 것이 바람직하다. 사용하는 레이저에는, 높은 집광성이 필요하다. 파이버 레이저는, 코어 직경과 동일한 정도까지 집광 가능하고, 보다 높은 집광성을 확보하기 위해서는, 0.10㎜ 이하의 코어 직경을 갖는 파이버 레이저가 적합하다. 또한, YAG 레이저 등의 고체 레이저에 있어서, 발진 매체가 박 디스크형의 결정인 박 디스크 레이저에서는, 결정의 표면적이 크고 냉각이 용이하므로, 고출력 동작에 있어서도 결정의 열왜곡에 의한 집광성의 열화가 발생하기 어렵고, 0.10㎜ 이하의 미소 집광도 용이하게 행할 수 있다. 따라서, 본 발명에는, 박 디스크 고체 레이저도 적합하다. 여기서, 집광 스폿의 직경의 하한은, 특별히 제한되지 않지만, 파이버 레이저의 최소 코어 직경이나 렌즈의 초점 거리 등을 고려하고, 예를 들어 10㎛여도 된다.

또한, 이 집광 스폿의 직경과 홈 폭은, 반드시 일치하는 것은 아니다. 예를 들어, 파워 밀도가 크고, 빔 주사 속도 V가 작으면, 홈 폭이, 집광 스폿의 직경보다도 커진다. 또한, 예를 들어, 파워 밀도가 작고, 빔 주사 속도 V가 크면, 홈 폭이, 집광 스폿의 직경보다도 작아진다. 나아가서는, 홈 폭은, 레이저의 빔 전파 방향에 수직한 단면 상의 파워 강도 분포에 의해서도 변화된다. 여기서, 홈(홈부)은, 강판의 폭 방향(강판의 반송 방향에 수직한 방향)에 수직한 단면에 있어서, 레이저 빔의 비조사 영역(비조사면)을 판 두께 방향에 있어서의 기준면(기준 높이, 레이저 조사 전의 코팅의 표면을 포함함)으로 설정한 경우에, 이 기준면으로부터 레이저 빔에 의해 강판의 일부가 제거된 영역이다. 그로 인해, 홈 폭(홈의 폭 치수)은, 판 두께 방향(홈 깊이 방향)에 수직한 방향의 홈의 최대 길이 치수로서 정의된다. 또한, 각종 치수에 대해서는, 통계적으로 충분한 횟수의 측정(예를 들어, 30회의 측정)을 행하고 있다.

또한, 본 발명의 방향성 전자기 강판의 일 실시 형태를, 도면을 사용하여 상세하게 설명한다. 본 실시 형태에서는, 레이저 등의 열원에 의해 반송 방향에 수직한 방향을 포함하는 방향으로 연장되는 소정의 길이의 홈이, 방향성 전자기 강판의 표면에 형성되어 있다. 이 방향성 전자기 강판에서는, 홈과 강판의 지철 사이에(홈과의 계면에) 용융 재응고층이 형성되고, 홈 깊이가 8 내지 30㎛이며, 강판의 폭 방향에 수직한 단면에 있어서의 홈의 단면적(홈 단면적)이 1800㎛² 미만이다. 또한, 강판에 형성된 홈은, 강판의 반송 방향과 교차하는 방향(빔 주사 방향)으로 연속적으로 연장되어 있다.

상술한 바와 같이, 홈 깊이가 8 내지 30㎛이면, 철손 개선율 η가 10％ 이상까지 향상된다. 또한, 철손 개선율 η의 관점에서, 이 홈 깊이는, 10㎛ 이상인 것이 바람직하다. 마찬가지로, 이 홈 깊이는, 20㎛ 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상기한 돌기 높이(평균 돌기 높이)가 5㎛ 이하로 억제되어 있다. 이 돌기 높이는, 예를 들어, 레이저 조사 시에 발생한 융액의 양이나 레이저 조사 시의 융액 제거의 메커니즘에 영향을 받는다. 따라서, 본 발명자들은, 융액 생성 및 융액 제거의 결과로서 발생하는 홈의 단면적과, 돌기 높이의 관계에 대해 상세하게 검토하였다. 도 7에, 홈 단면적과, 평균 돌기 높이의 관계를 나타낸다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 홈 단면적이 1800㎛² 미만이면, 돌기 높이를 5㎛ 이하로 억제할 수 있다. 또한, 돌기 높이를 3㎛ 이하로 억제하기 위해서는, 홈 단면적이 1000㎛² 미만인 것이 바람직하고, 돌기 높이를 1㎛² 이하로 하기 위해서는, 600㎛² 미만인 것이 바람직하다. 여기서, 홈 단면적은, 강판의 폭 방향에 수직한 단면에 있어서 홈을 반 타원에 근사한 경우의 면적으로서 정의된다. 즉, 홈 단면적 Ds[㎛²]는, 홈 폭 Dw[㎛]와 홈 깊이 Dd[㎛]를 사용하여, 이하의 수학식 7에 의해 정의된다.

이와 같이, 집광 빔 직경을 작게 하여, 홈 단면적, 즉, 용융물의 제거량을 삭감함으로써, 돌기를 발생시키는 성분이 감소하고, 돌기 높이를 저하시킬 수 있다.

또한, 홈 단면적의 하한은, 특별히 제한되지 않지만, 8㎛ 이상의 홈 깊이 또한 8㎛ 이상의 홈 폭을 확보하기 위해, 홈 단면적이, 50㎛ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 본 실시 형태에서는, 홈과 강판의 지철의 계면에 용융 응고층이 형성되어 있다. 이 용융 응고층은, 레이저 조사부에 발생한 용융물의 일부가 응고함으로써 형성된다. 그로 인해, 홈을 포함하는 강판의 폭 방향에 수직한 단면(절단, 수지 매립 및 연마 후의 표면)을 나이탈에 의해 부식시켜 관찰함으로써, 이 용융 응고층을 확인할 수 있다. 즉, 선 형상으로 가시화된 결정립계를 예를 들어 광학 현미경을 사용하여 관찰함으로써, 용융 응고부(용융 재응고층)와 비용융부(지철) 사이에 명확한 선 형상의 경계를 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 돌기 높이는, 5㎛ 이하로 억제되는 것이 바람직하고, 3㎛ 이하로 억제되는 것이 보다 바람직하고, 1㎛ 이하로 억제되는 것이 가장 바람직하다. 이 돌기 높이는, 0㎛ 이상이어도 된다. 또한, 홈의 폭 치수는, 0.01 내지 50㎛여도 된다. 또한, 방향성 전자기 강판의 판 두께가, 0.10㎜ 내지 0.50㎜여도 된다. 방향성 전자기 강판에서는, 특히 0.17㎜ 내지 0.36㎜의 판 두께가 적절하게 사용된다.

또한, 적층된 방향성 전자기 강판의 각 층간에 흐르는 전류는, 상술한 방법에 의해 측정된 경우에, 600㎷ 이하인 것이 바람직하고, 200㎷ 이하인 것이 보다 바람직하다.

또한, 홈을 형성한 방향성 전자기 강판에, 필요에 따라, 표면 처리를 행해도 된다. 예를 들어, 홈을 형성한 방향성 전자기 강판의 표면에, 코팅을 실시해도 된다. 여기서, 본 실시 형태에 있어서의 홈의 정의는, 상기 실시 형태와 동일하며, 홈 형성 후에 강판 표면에 코팅이 행해진 경우라도 변화되지 않는다.

또한, 표면 조도계에 의해 얻어지는 측정 결과와 동일한 결과가 얻어지는 경우에는, 판 두께 방향의 홈의 길이 치수(상기한 기준면으로부터 홈의 선단까지의 거리)로부터 홈 깊이(홈의 깊이 치수)를 결정해도 된다. 마찬가지로, 상기한 기준면으로부터 표면 돌기의 선단까지의 높이 치수(판 두께 방향에 있어서의 거리)로부터 돌기 높이를 결정해도 된다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은, 이들 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 부가, 생략, 치환 및 기타 변경이 가능하다. 본 발명은, 전술한 설명에 의해 한정되는 일은 없고, 첨부된 청구범위에 의해서만 한정된다.

레이저 빔 조사에 의해 강판의 표면에 홈을 형성할 때에, 홈 주변부에 발생하는 표면 돌기의 크기를 최대한 작게 하고, 또한 고속 생산 라인에 적합한 방향성 전자기 강판의 제조 방법 및 우수한 철손 특성을 갖는 방향성 전자기 강판을 제공할 수 있다.

1 : 방향성 전자기 강판(강판)
2 : 레이저 장치
3 : 광 파이버(전송 파이버)
4 : 레이저 조사 장치
5 : 콜리메이터
6 : 폴리건 미러(회전 폴리건 미러)
7 : fθ 렌즈
LB : 레이저 빔
L : 압연 방향(반송 방향)
C : 판 폭 방향
PL : 압연 방향(반송 방향)에 있어서의 홈 형성의 간격

Claims

방향성 전자기 강판의 표면에 레이저 빔을 주사하면서 조사하여, 상기 방향성 전자기 강판의 반송 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 소정의 길이의 홈을 반송 방향에 소정의 간격으로 형성하는 방향성 전자기 강판의 제조 방법이며,
상기 레이저 빔은, 레이저 파장 λ가 1.0㎛ 이상 또한 2.1㎛ 이하인 연속파 레이저 빔이며,
레이저 빔 강도 P를 집광 빔 면적 S로 나누어 얻어지는 파워 밀도 Pd[W/㎟]가, 5×10⁵W/㎟ 이상이며,
상기 파워 밀도 Pd[W/㎟]와, 상기 방향성 전자기 강판의 표면 상에서의 상기 레이저 빔의 집광 스폿의 주사 속도 V[㎜/s]가, 0.005×Pd＋3000≤V≤0.005×Pd＋40000을 만족하는 것을 특징으로 하는, 방향성 전자기 강판의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 레이저 빔이, 파이버 레이저 광, 또는 YAG 레이저를 포함하는 박 디스크형 고체 레이저 광인 것을 특징으로 하는, 방향성 전자기 강판의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 파워 밀도 Pd[W/㎟]와, 상기 주사 속도 V[㎜/s]가, 0.005×Pd＋4050≤V≤0.005×Pd＋40000을 만족하는 것을 특징으로 하는, 방향성 전자기 강판의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 파워 밀도 Pd[W/㎟]와, 상기 주사 속도 V[㎜/s]가, 0.005×Pd＋11070≤V≤0.005×Pd＋30700을 만족하는 것을 특징으로 하는, 방향성 전자기 강판의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 집광 스폿의 직경 d가, 0.10㎜ 이하인 것을 특징으로 하는, 방향성 전자기 강판의 제조 방법.
레이저 빔에 의해 반송 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 소정의 길이의 홈이 반송 방향에 소정의 간격으로 형성된 방향성 전자기 강판이며,
상기 홈과의 계면에 용융 응고층을 갖고,
상기 홈의 깊이 치수가, 8 내지 30㎛이며,
상기 홈의 단면적이, 1800㎛² 미만인 것을 특징으로 하는, 방향성 전자기 강판.
제6항에 있어서, 상기 홈의 깊이 치수가, 10 내지 30㎛인 것을 특징으로 하는, 방향성 전자기 강판.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 홈의 단면적이, 1000㎛² 미만인 것을 특징으로 하는, 방향성 전자기 강판.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 홈의 단면적이, 600㎛²미만인 것을 특징으로 하는, 방향성 전자기 강판.