KR20130050378A - 쾌속 레이저 스코어링 방법 - Google Patents

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구오바오 리
신퀴앙 장
싱 마오
완큉 구오
지안루 주
방글린 시앙
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바오샨 아이론 앤 스틸 유한공사
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Abstract

쾌속 레이저 스코어링 방법이 개시되어 있으며, 상기 레이저 스코어링 방법에 있어서 한 세트의 관련 레이저 스코어링 장치가 상당하게 촛점맞춰진 연속 파 레이저 빔으로써, 생산 라인에 공급되어 전방으로 이동하는 지향된 실리콘 스틸 스트립의 상부 표면과 하부 표면상에 라인을 동시에 스코어가공하는데 사용되고; 상기 상부 표면상에 스코어가공된 라인과 상기 하부 표면상에 스코어가공된 라인은 모든 2개의 인접한 스코어 라인 사이에서 동일한 공간을 구비하지만, 그러나 철 손실을 고르게 감소시키기 위하여 서로 엇갈리게 된다. 동일한 표면상에서 모든 2개의 인접한 스코어 라인 사이의 공간은 6 mm ~ 12 mm이고, 레이저 파워는 1000 W ~ 3000 W 이며 그리고 스캐닝 속도는 100 m/min ~ 400 m/min이다. 스코어링 방법 및 장치의 가공 속도는 한 번에 스틸 스트립의 상부 표면 및 하부 표면을 동시에 스코어 가공할 수 없는 종래의 스코어링 방법 중 한 스코어링 방법에 대해 1.5 배 ~ 2 배 달성가능하다. 본 발명의 방법에 의해 스틸 스트립 상에 스코어된 라인은 10 % ~ 16 % 만큼의 스트립의 철 손실을 감소시킬 수 있다.

Description

쾌속 레이저 스코어링 방법{METHOD OF FAST LASER SCRIBING}
본 발명은 전반적으로 레이저 스코어링 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 쾌속 레이저 스코어링 방법에 관한 것이다. 이러한 레이저 스코어링 방법에 의하여, 레이저 스코어링 기기의 가공 속도(machining rate)를 높이기 위하여 그리고 스틸 스트립의 철 손실(iron loss)을 감소시키도록 스코어 라인의 기여도(contribution)를 높이기 위하여, 상기 스틸 스트립의 상부 표면 및 하부 표면 모두에 라인을 동시에 스코어 가공할 수 있다.
지향된 실리콘 스틸 시트는 다양한 변압기를 만들기 위한 필수적인 재료이다. 변압기는 그 철 손실 때문에 전기력을 소모한다. 이러한 이유 때문에, 철 손실을 감소시키는 것은 지향된 실리콘 스틸 시트의 생산에 있어서 언제나 추구하는 목표(ever-seeking target)이다. 실리콘 스틸 시트의 철 손실은 히스테리시스(hysteresis) 손실 및 와전류 손실(eddy current loss)로 나뉘어진다. 와전류 손실은 (와전류에 의한) 전통적인 와전류 손실과 (자기 구역 벽부 이동과 자기 구역의 폭의 비례에 의해 야기된) 비정상적인 와전류 손실로 더욱 나뉘어진다. 파워 주파수의 조건 하에서, 비정상적인 와전류 손실 량은 철 손실의 거의 절반에 해당한다. 야금 기술의 개발에 의해, 금속 조직의 텍스쳐(metallographic texture)(110)[001]가 완전하게 일정하게 될 것이고, 크리스탈 그레인(grain)이 2차 재-결정화 동안에 특별하게 매우 빠르게 성장하여 상기 그레인이 큰 그레인이 되게 할 것이며, 이는 자기 구역 폭을 커지게 하고 비정상적인 와전류 손실 비율을 증대시킬 것이다. 이러한 경우에 있어서, 철 손실을 더욱 감소시키기 위해 종래의 야금 공정을 연속으로 사용하는 것은 더욱 더 어렵다.
자기 구역으로써, 지향된 실리콘 스틸 시트의 철 손실을 더욱 감소시키기 위하여, 세상의 많은 제강소 및 스틸 연구 기관이 자기 구역을 미세하게 하기(fining) 위한 기술에 대한 연구를 계속해오고 있고 그리고 가공 방법, 레이저 조사 방법, 방전 처리 방법, 플라즈마 제트 조사 방법, 국부 가열 방법, 초음파 진동 방법, 및 유체 분출 방법 등과 같은 다양한 표면 처리 기술을 계속해서 개발해 오고 있다. 이들 방법은 철 손실을 감소시킨다는 목표를 달성하기 위하여, 180° 자기 구역 벽부들 사이의 공간을 미세하게 함으로써 자기 구역을 미세하게 할 수 있다. 이들 중에서, 레이저 스코어링 방법이 가장 탁월하다.
지향된 실리콘 스틸의 주요 자기 구역의 폭을 감소시킴으로써, 레이저 조사 방법은 시트의 와전류 손실을 감소시킨다. 더욱 상세하게는, 레이저 빔의 가열을 사용함으로써, 와전류 손실을 감소시킨다는 목표를 달성하기 위하여, 이러한 방법은 실리콘 스틸 시트가 그 표면 아래에서 탄성-플라스틱 변형된 영역을 생성할 수 있게 하고 그리고 상기 탄성-플라스틱 변형된 영역에서 발생된 압력 스트레스와 스코어 라인 사이의 텐션 스트레스에 의해, 지향된 실리콘 스틸의 주요 자기 구역 폭을 감소시킬 수 있게 한다. 철 손실 상당하게 감소시키고 일종의 비-접촉 가공을 행하는데, 이러한 방법은 신뢰성이 매우 높고 상당히 제어가능하다.
레이저 스코어링에 의해 지향된 실리콘 스틸의 철 손실을 감소시키기 위한 방법과 관련된 많은 특허문헌이 있다.
중국특허 CN1216072A는 우수한 자기 특성을 갖는 그레인-지향된 전기 스틸 시트와 그 생산 공정 및 설비를 개시하고 있다. 이러한 공정에 있어서, 펄스 레이저 조사는 180°자기 구역 벽부들 사이의 공간을 감소시키도록 그리고 이에 따라 자기 특성을 향상시키도록 사용된다. 이러한 공정은, 자기 특성을 향상시키는데 필요한 충분하게 축적된 조사 에너지를 제공하고 연속의 레이저 빔을 생성하기 위하여 부분적으로 겹쳐진 타원형 반점을 만듬으로써 그리고 스틸 시트의 표면을 조사하도록 상기 스틸 시트의 횡단 방향에서의 타원형 반점의 주 축선이 위치하는 상기 타원형 반점을 사용함으로써, 상기 스틸 시트의 표면상에서의 단열 필름을 손상시킬 수 있는 임계치를 초과하지 않도록 조정된 파워 밀도를 조사함으로써 그레인-지향된 전기 스틸 시트의 표면을 조사하기 위한 Q-스위치 CO2 레이저를 사용한다. 따라서, 종래의 펄스 레이저 조사 기술이 스틸 시트 표면상에서의 단열 필름을 손상시키는 경향이 있다는 문제점은 다소 성공적으로 해결된다. 그러나, 상기 공정에 있어서, 스캐닝 속도는 충분한 축적된 에너지를 보장하기 위해 매우 쾌속할 수 없으며, 이는 레이저 스코어링 기기의 스코어링 속도를 제한하고 그리고 고-속도 레이저 스코어링에 요구되는 조건을 만족할 수 없다.
중국특허 CN1761764A는 우수한 자기 특성을 갖는 일종의 지향된 전자기 스틸 시트와 그 제조 공정을 개시하고 있다. 상기 제조 공정에 있어서, 1.07 ㎛ ≤ λ ≤ 2.10 ㎛의 파장(λ)을 갖는 광 섬유 레이저 빔을 연속적으로 진동(oscillate)시킴으로써, 스캐닝 조사가, 지향된 실리콘 스틸의 철 손실을 감소시키도록 행해진다. 그러나, 1.07 ㎛ ≤ λ ≤ 2.10 ㎛의 파장(λ)을 갖는 상기 광 섬유 레이저 빔을 연속적으로 진동시키는 것을 사용하는 것은 조사될 표면이 매끈하지 않게 되게 하는, 중앙 근처의 다소 고 빔 강도를 야기시킨다. 레이저 장치의 평균 아웃풋 파워(P)를 감소시킴으로써 이러한 문제점을 해결하려고 한다면, 스캐닝 속도를 동시에 감소시킬 필요가 있고, 이는 레이저 장치의 가공 속도를 특히 저하시킬 것이다.
중국특허 CN 101209514는 진동 미러의 어레이에 기초한 온-라인 레이저 고-속도 스코어링 장치를 개시하고 있다. 본 발명의 장치는 지지 프레임, 이송 벨트, 진동 미러 어레이, 레이저 어레이 그리고 상기 진동 미러 어레이 및 상기 레이저 어레이를 제어하기 위한 제어부를 포함한다. 이러한 방법은, 진동 미러 어레이를 통합하기 때문에, 레이저 스코어링 속도를 효과적으로 상승시킬 수 있고 그리고 탄력적인 적응성, 고 스코어링 속도, 넓은 스캐닝 폭, 고 생산 효율과 같은 장점을 갖지만, 그러나 유감스럽게도, 상기 방법은 스틸 스트립의 양 표면상에서의 스코어링 가공을 동시에 수행할 수 없다. 여러 레이저 스코어링 방법과 비교하여, 이러한 방법은 우수하지 않다.
중국특허 CN1076492A는 실리콘 스틸 시트의 철 손실을 감소시키기 위한 레이저 처리 공정 및 그 장치를 개시하고 있다. 신속하게 가열 및 냉각하는 레이저의 특성을 사용함으로써, 상기 레이저 처리 공정은 지향된 실리콘 스틸 시트 상에 스코어 형성 처리를 행하고 가열된 영역을 활성화시켜 그레인의 아경계(sub-boundary)를 형성하도록 작은 플라스틱 변형 및 고-밀도 전위(dislocation)를 발생시키고 이에 따라 주요 자기 구역의 벽부 길이를 감소시키는 한편, 상기 자기 구역을 미세하게 하고 철 손실을 감소시킨다는 목표를 달성하기 위하여 잔여 텐션 스트레스를 야기시킨다. 공정은 실행가능하고 그리고 상기 장치는 간단하다. 그러나, 상기 공정에 있어서, 철 손실은 대략 5% 만큼만 감소될 수 있고 그리고 가공 속도는 고려되지 않는다.
더욱이, 중국특허 CN101348853는 공통의 지향된 전기 스틸의 철 손실을 감소시키는 공정을 개시하고 있다. 상기 공정에 있어서, 실리콘 스틸 시트의 표면 코팅 필름은 나쁘게 파손될 것이고 그리고 스코어링 이후에 다시 적용될 필요가 있다. 더욱이, 충족되지 않는 작동 및 고 생산 비용은 이러한 공정이 사용되지 않게 하고 있다. 중국특허 CN1244597A는 레이저에 의해, 내열성의 지향된 전기 스틸 시트의 표면을 처리하는 공정을 개시하고 있다. 실리콘 스틸 시트의 국부 영역이 합금되게 함으로써, 이러한 공정은 자기 구역 분포를 최적화시킬 수 있고 이에 따라 철 손실을 감소시킬 수 있어, 고 온도에서의 안정성과 우수한 노화 특성을 갖는 전기 스틸 시트를 만들 수 있다. 그러나, 상기 공정에 있어서, 상기 공정을 실행하기 이전에 실리콘 스틸 시트의 단열 코팅 필름에서 스트립을 벗겨낼 필요가 있고, 그리고 상기 실리콘 스틸 시트가 스코어 가공된 이후에 단열 코팅 필름으로 다시 적용될 필요가 있다. 공정은 또한 실행이 복잡하고 대량 생산에 적용가능하지 않다.
본 발명의 목적은 쾌속 레이저 스코어링 방법을 제공하는 것으로서, 상기 스코어링 방법은 지향된 실리콘 스틸 스트립의 상부 표면 및 하부 표면 모두에 라인을 동시에 스코어 가공할 수 있으며, 그 가공 속도는 상기 스틸 스트립의 상부 표면 및 하부 표면을 동시에 스코어 가공할 수 없는 종래의 스코어링 방법 중 한 스코어링 방법의 1.5 배 ~ 2 배를 달성할 수 있다. 본 방법에 의해 스틸 스트립 상에 스코어 가공된 라인은 10 % ~ 16 % 만큼 상기 스틸 스트립의 철 손실을 감소시킬 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 스코어링 방법의 기술적인 해결책은 생산 라인 전방으로 공급되어 이송하는 스틸 스트립의 상부 표면과 하부 표면 모두에 라인을 동시에 스코어 가공하도록 상당하게 촛점맞춰진 연속 파 레이저 빔을 사용하는 것이고; 상기 상부 표면상에 스코어가공된 라인과 상기 하부 표면상에 스코어가공된 라인은 모든 2개의 인접한 스코어 라인 사이에서 동일한 공간을 구비하지만, 그러나 철 손실 고르게 감소시키기 위하여 서로 엇갈리게 된다(stagger). 동일한 표면상에서의 모든 2개의 인접한 스코어 라인 사이의 공간은 6 mm ~ 12 mm이고, 레이저 파워는 1000 W ~ 3000 W이며, 스캐닝 속도는 100 m/min ~ 400 m/min이다.
레이저 파워 및 스캐닝 속도 모두가 일정한 상태에서, 스코어 라인에 의해 발생된 스트레스의 영향을 받는 영역이 또한 일정하다. 그리고 지향된 실리콘 스틸 시트의 자기 구역의 미세도는 스트레스 크기에 비례한다. 따라서, 모든 2개의 인접한 스코어 라인 사이의 공간이 감소됨에 따라, 지향된 실리콘 스틸 시트의 주요 자기 구역의 폭은 미세하게 되고 그리고 그의 철 손실이 강하된다. 그러나, 주요 자기 구역의 폭이 특정 치수(0.2 mm 정도) 보다 작을 때, 히스테리시스 철 손실이 실리콘 스틸 시트의 전체 철 손실을 증가시키도록 급격하게 상승할 것이다. 예를 들면, B23R090 등급의 실리콘 스틸 시트의 자기 구역 폭과 철 손실 사이의 관계가 도 2에 도시되어 있다. 이러한 이유 때문에, 철 손실을 감소시킨다는 우수한 결과를 달성하기 위하여, 모든 2개의 인접한 스코어 라인 사이에 적당한 공간을 선택할 필요가 있다.
더욱이, 일정한 스캐닝 속도 하에서, 스코어링 기기의 가장 큰 가공 속도는 모든 2개의 인접한 스코어 라인의 공간에 비례한다. 공간의 폭이 넓으면 넓을수록, 허용가능한 가장 큰 가공 속도는 더욱 빠르다. 스코어링 기기의 가공 속도와 스코어 라인의 기여도 모두를 고려하여, 본 발명의 스코어링 방법에 있어서, 모든 2개의 인접한 스코어 라인 사이의 공간은 6 mm ~ 12 mm가 되도록 선택된다.
본 발명의 장점은 적어도 다음과 같다:
1. 실리콘 스틸 시트의 상부 표면 및 하부 표면의 폐쇄된 자기 구역을 중첩시킴으로써, 상기 자기 구역을 더욱 미세하게 할 수 있고 그리고 스코어 라인에 의해 철 손실을 감소시키는 목표를 달성할 수 있으며,
2. 본 발명의 스코어링 방법은, 모든 2개의 인접한 스코어 라인 사이의 가장 큰 공간이 12 mm에 이른 상태에서, 지향된 실리콘 스틸 스트립의 상부 표면과 하부 표면 모두에 라인을 동시에 스코어 가공할 수 있고, 그리고 철 손실을 10% 만큼 용이하게 감소시킬 수 있다. 이와 반하여, 종래의 스코어링 방법은 단지 라인을 실리콘 스틸 시트의 하나의 표면상에 동시에 스코어가공할 수 있고 그리고 모든 2개의 인접한 스코어 라인 사이의 가장 넓은 공간은 10% 만큼 철 손실을 감소시키기 위하여 6 mm를 넘지 않을 수 있다. 달리 말하자면, 철 손실을 감소시킨다는 동일한 결과를 달성하기 위하여, 본 발명의 방법의 스코어링 속도는 종래의 스코어링 방법의 속도의 1.5 배 ~ 2 배이다. 따라서, 본 발명의 스코어링 방법 및 스코어링 기기는 종래의 스코어링 방법의 가공 속도의 2배가 넘는 가공 속도로 라인을 스코어 가공할 수 있고, 이에 따라, 신속한 대량 생산에 적용될 수 있다.
3. 본 발명의 스코어링 방법은 지향된 실리콘 스틸 스트립의 상부 표면과 하부 표면 모두에 라인을 동시에 스코어가공할 수 있고 그리고 상기 지향된 실리콘 스틸 스트립의 상기 상부 표면과 상기 하부 표면상에서의 스코어링가공에 의해 야기된 스트레스가 자기 구역을 더욱 미세하다는 효과를 가짐에 따라, 상기 스코어링 방법은 실리콘 스틸 스트립의 철 손실을 10 % ~ 16 % 만큼, 또한 16 % 이상까지도 일관성있게 감소시킬 수 있는 반면, 종래의 스코어링 방법은 철 손실을 기껏해야 단지 13% 만큼 감소시킬 수 있다. 명확한 것은, 본원 발명의 스코어링 방법은 종래의 스코어링 방법보다 우수하다는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 조사의 광 경로의 개략적인 도면이고;
도 2는 지향된 실리콘 스틸 시트의 철 손실과 자기 구역의 폭 사이의 상호관계를 나타낸 도면이고(0.23 mm 두께를 갖는 등급 R090의 실리콘 스틸 시트 생산);
도 3은 스코어 라인의 공간과 레이저 스코어링 기기의 가공 속도 사이의 상호관계를 나타낸 도면이며(연속의 레이저 공급원, 이중 레이저 헤드, 250 m/min의 스캐닝 속도에서의 레이저 스코어링 기기의 가공 속도);
도 4는 본 발명의 실시예를 나타낸 도면으로서, 즉 실시예와 비교예 모두에서의 0.23 mm NSGO의 실리콘 스틸 시트의 철 손실 감소의 퍼센트와 모든 2개의 인접한 스코어 라인의 공간 사이의 관계를 나타낸 도면이다(10.6 ㎛ 파장, 0.2x 8 mm 반점의 직경, 2000 W 레이저 파워, 250 m/min 스캐닝 속도를 갖는 CO2 가스 연속 파 레이저).
본 발명은 첨부한 도면 및 실시예를 참조로 아래에서 더욱 상세하게 기재되어 있다.
도 1을 살펴보면, 쾌속 레이저 스코어링 방법은 레이저 스코어링 장치를 사용하고 그리고 상당하게 촛점맞춰진 연속 파 레이저 빔으로써, 생산 라인에 공급되어 전방으로 이동하는 지향된 실리콘 스틸 스트립의 상부 표면 및 하부 표면 모두에 라인을 동시에 스코어가공할 수 있다. 상부 표면상에 스코어가공된 라인과 하부 표면상에 스코어가공된 라인은 모든 2개의 인접한 스코어 라인 사이에서 동일한 공간을 갖지만, 그러나 철 손실을 고르게 감소시키도록 서로 엇갈리게 된다. 동일한 표면상에서의 모든 2개의 인접한 스코어 라인 사이의 공간은 6 mm ~ 12 mm이고, 레이저 파워는 1000 W ~ 3000 W이고, 그리고 스캐닝 속도는 100 m/min ~ 400 m/min이다.
예를 들면 본 발명이 스트립 스틸의 각각의 면 상을 동시에 스코어링하기 위하여, 10.6 ㎛ 파장을 갖는 CO2 가스 연속 파 레이저와 이중 레이저 프로젝터를 사용하여 기재되어 있음을 알 수 있을 것이다. 관련 데이터가 아래 표 1에 제시되어 있다.
No. 스틸
시트두께
mm		 레이저 파워
W		 스캐닝
속도
m/min		 스캐닝 폭
mm		 스캐닝
공간
mm		 스코어링
기기 최고속도
m/min		 P17/50,W/kg 철 손실
감소
%
스코어링 전 스코어링 후
실시예 1 0.23 2000 250 1200 6 102 0.88 0.75 14.77
실시예 2 0.23 7 120 0.89 0.74 16.85
실시예 3 0.23 8 138 0.89 0.75 15.73
실시예 4 0.23 9 156 0.87 0.74 14.94
실시예 5 0.23 10 174 0.87 0.75 13.79
실시예 6 0.23 11 192 0.89 0.77 13.48
실시예 7 0.23 1000 150 1200 10 112 0.88 0.75 14.77
실시예 8 0.23 1500 200 140 0.87 0.75 13.79
실시예 9 0.23 2500 300 200 0.89 0.76 14.61
실시예 10 0.23 3000 350 220 0.88 0.76 13.64
비교예 1 0.23 2000 250 1200 3 48 0.91 0.81 10.99
비교예 2 0.23 4 66 0.89 0.78 12.36
비교예 3 0.23 5 84 0.89 0.78 12.36
비교예 4 0.23 6 102 0.90 0.81 10.00
비교예 5 0.23 7 120 0.87 0.80 8.05
비교예 6 0.23 1000 150 1200 5 56 0.87 0.78 10.34
비교예 7 0.23 1500 200 70 0.89 0.80 10.11
비교예 8 0.23 2500 300 100 0.88 0.78 11.36
비교예 9 0.23 3000 350 110 0.88 0.80 9.09
도 2에 도시된 바와 같이, 자기 구역의 폭이 감소됨에 따라, 철 손실은 서서히 강하할 것이다. 그러나 폭이 특정 치수(0.2mm 정도)보다 작을 때, 철 손실은 급격하게 상승한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 최고 가공 속도의 스코어링 기기와, 모든 2개의 인접한 스코어 라인 사이의 공간의 관계가 비례하는 경우에, 상기 공간이 넓어지면, 상기 스코어링 기기의 최고 가공 속도가 더 빨라질 수 있게 된다.
이들 양 실시예와 비교예에서의 철 손실 감소 퍼센트와 모든 2개의 인접한 스코어 라인의 공간 사이의 관계가 도 4에 도시되어 있다. 표 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 공급원, 스틸 시트 두께, 레이저 파워, 스캐닝 속도, 스캐닝 폭 모두가 동일하다는 조건 하에서, 스틸 시트의 하나의 표면 상을 스코어링가공하는 것에 비하여, 상기 스틸 시트의 상부 표면과 하부 표면 상을 동시에 스코어가공하는 것은 보다 넓은 선간(interline) 공간, 스코어링 기기의 보다 빠른 가공 속도, 및 철 손실 감소 퍼센트를 더욱 크게 달성할 수 있다.
상기 기재된 사항을 요약하자면, 본 발명의 스코어링 방법은 스틸 스트립의 상부 표면과 하부 표면 모두에 라인을 동시에 스코어가공할 수 있고 이에 따라 종래 기술의 스코어링 방법보다 스코어링 속도 및 스코어링 효율 면에서 뛰어나다.

Claims (1)

  1. 쾌속 레이저 스코어링 방법에 있어서,
    상기 레이저 스코어링 방법은 상당하게 촛점맞춰진 연속 파 레이저 빔으로써, 생산 라인에 공급되어 전방 이송되는 지향된 실리콘 스틸 스트립의 상부 표면과 하부 표면 모두에 라인을 동시에 스코어가공할 수 있으며, 상기 지향된 실리콘 스틸 스트립의 상기 상부 표면상에 스코어가공된 라인과 상기 하부 표면상에 스코어가공된 라인은 모든 2개의 인접한 스코어 라인 사이에서 동일한 공간을 구비하지만, 그러나 철 손실을 고르게 감소시키기 위하여 서로 엇갈리게 되고, 동일한 표면 상에서의 모든 2개의 인접한 스코어 라인 사이의 공간은 6 mm ~ 12 mm이고, 레이저의 파워가 1000 W ~ 3000 W 이며 그리고 레이저 스코어링 장치의 스캐닝 속도가 100 m/min ~ 400 m/min 인 쾌속 레이저 스코어링 방법.
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