KR20150065860A - 레이저 가공 장치 및 레이저 조사 방법 - Google Patents

레이저 가공 장치 및 레이저 조사 방법 Download PDF

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Abstract

이 레이저 가공 장치는 레이저 조사 장치를 구비하고, 상기 레이저 조사 장치는 상기 방향성 전자 강판에 집광된 상기 레이저 빔의 상기 방향성 전자 강판면 상에 있어서의 상기 주사 방향과 수직인 방향의 단면에서의 강도 분포에 있어서, 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 전체 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Ra1, Ra2로 하고, 상기 Ra1, 상기 Ra2에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ia1, 빔 강도 Ia2로 하고, 상기 Ia1과 상기 Ia2의 평균값을 Ia로 하고, 상기 강도 분포의 무게 중심에 있어서의 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ib로 했을 때에, Ib/Ia가 2.0 이하로 되도록 구성된다.

Description

레이저 가공 장치 및 레이저 조사 방법 {LASER PROCESSING DEVICE AND LASER RADIATION METHOD}
본 발명은 트랜스의 철심 등에 사용되는 방향성 전자 강판에 대해 레이저 빔을 조사하여 자구 제어하는 레이저 가공 장치 및 레이저 조사 방법에 관한 것이다.
본원은 2012년 11월 08일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2012-246305호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
방향성 전자 강판은 강판 제조 시의 압연 방향에 대해 자력선을 투과하기 쉽다는(자화 용이 방향이 압연 방향으로 정렬되어 있음) 특징을 갖고 있고(그로 인해, 일방향성 전자 강판이라고도 불림), 트랜스, 회전기 등의 전기 기기의 철심을 구성하는 소재로서 사용된다. 이와 같은 철심에 사용되는 방향성 전자 강판에 있어서는, 자화할 때의 에너지 손실(철손)을 저감하는 것이 요구된다. 특히, 최근에는 지구 온난화의 진행에 수반하여, 전기 기기의 에너지 절약화가 세계적으로 요구되고 있다. 따라서, 철손이 최대한 저감된 방향성 전자 강판을 안정적으로 생산하는 것이 요망되고 있다.
그런데, 철손은 와전류손과 히스테리시스손으로 분류된다. 또한, 와전류손은 고전적 와전류손과 이상 와전류손으로 분류된다. 여기서, 고전적 와전류손을 저감하기 위해, 판 표면에 절연 피막을 형성한 판 두께가 얇은 방향성 전자 강판이 제공되어 있다. 절연 피막을 형성한 방향성 전자 강판으로서는, 예를 들어 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, 강판 지철(금속부)의 표면에 글래스 피막이 형성되고, 글래스 피막 위에 절연 피막이 더 형성된 2층 구조의 것이 제안되어, 실용화되어 있다.
또한, 이상 와전류손을 억제하기 위해, 예를 들어 특허문헌 2, 3에 개시한 바와 같이, 절연 피막 상으로부터 레이저 빔을 집광ㆍ조사하고, 전자 강판의 대략 폭 방향(즉, 압연 방향에 대략 수직인 방향)으로 레이저 빔을 주사함으로써, 압연 방향으로 주기적으로 잔류 변형을 갖는 영역을 형성함으로써, 자구를 세분화하는 레이저 자구 제어법이 제안되어 있다. 이 레이저 자구 제어법에 의하면, 레이저 빔의 주사 조사에 의해, 강판 최표층 영역에 판 두께 방향에 대해 강한 온도 구배를 가진 온도 이력이 부여됨으로써 발생하는 표면 변형을 기인으로 하여 형성되는 환류 자구에 의해, 180° 자벽 간격이 세분화되고, 특히 이상 와전류손이 저감된다.
레이저 자구 제어에 의해 부여된 환류 자구는 180° 자벽 간격을 세분화하여 이상 와전류손을 저감시키지만, 한편으로는 히스테리시스손을 증가시키는 요인이 된다. 따라서, 전체적인 철손 저감의 관점에서는, 환류 자구 폭을 좁게 하는 것이 유효하다. 이 기술 사상에 따른 발명으로서, 예를 들어 특허문헌 3에는 미소 집광 특성이 우수한 TEM00 모드의 레이저 빔을 사용하여, 좁은 영역에 강한 변형을 형성하고, 좁고 또한 충분한 강도를 가진 환류 자구를 얻는 방법이 개시되어 있다.
그런데, 레이저 자구 제어법에 있어서의 레이저 조사 공정에 있어서는, 글래스 피막 위에 절연 피막을 형성하고, 이 절연 피막 위로부터 레이저 빔을 조사함으로써, 자구 제어를 행하고 있다. 그러나, 이와 같은 방법에서는, 레이저 빔의 조사에 의한 온도 상승을 기인으로 하여, 절연 피막 및 글래스 피막에 흠집이 발생하는 경우가 있었다. 여기서, 흠집이라 함은, 절연 피막 및 글래스 피막의 결손 박리, 부상, 변질, 변색 등의 피막 손상이다. 글래스 피막에 흠집이 발생한 경우에는, 피막 아래의 금속부가 외부에 노출되어, 녹이 발생할 우려가 있다. 이로 인해, 글래스 피막에 흠집이 발생한 경우에는, 다시, 절연 피막을 도포할 필요가 있다. 이와 같은 경우, 공정의 추가에 의한 제조 비용 증가의 원인이 된다.
방향성 전자 강판의 제조에 있어서는, 많은 열처리가 실시되므로, 강판 금속부의 압연 방향 및 폭 방향에 있어서, 글래스 피막이나 절연 피막의 계면 구조나 두께에 편차가 생기는 경우가 있다. 따라서, 레이저 조건을 조정해도, 강판 전체적으로 글래스 피막에 있어서의 흠집의 발생을 억제하는 것이 곤란한 경우가 있었다.
일본 특허 출원 공개 2007-119821호 공보 일본 특허 출원 공개 소59-33802호 공보 국제 공개 2004/083465호 팸플릿 일본 특허 공고 평1-51527호 공보
이상 서술한 바와 같이, 저철손의 방향성 전자 강판을 효율적으로 제조하기 위해서는, 글래스 피막에 있어서의 흠집의 발생을 억제하면서, 강판의 금속부에 충분한 강도를 가진 좁은 환류 자구를 형성하는 것이 요구된다. 그러나, 흠집 발생의 억제와 환류 자구의 형성이라 함은, 서로 경합하는 사상이다. 즉, 좁고 깊은 환류 자구를 형성하기 위해서는, 레이저의 주사 조사 중에 강판 최표층 근방에 형성되는 판 두께 방향에 대한 온도 분포의 구배를 크게 하는 것이 유효하다. 그러나, 온도 구배가 크면, 강판 표면의 레이저 빔 조사부에 있어서의 온도가 높아지므로, 글래스 피막에 흠집이 발생하는 리스크가 높아진다. 이들 경합 관계를 근거로 한 레이저 조사 조건의 최적화가 요구되어 있지만, 충분히 양립할 수 있는 기술은 아직 확립 되어 있지 않다.
예를 들어, 특허문헌 3에 개시된 TEM00 모드의 레이저 빔을 사용하여 자구 제어를 행함으로써, TEM00 모드의 특징인 미소 집광성과 중심부가 높아지는 강도 분포에 의해, 충분한 강도를 가진 좁은 환류 자구를 형성할 수 있다. 한편, 이 방법에서는, 중심 부근의 빔 강도가 높기 때문에 TEM00 모드가 아닌 경우에 비해 흠집이 발생하기 쉬워진다는 과제가 있었다. 이러한 흠집 발생을 억제하는 방법으로서, 예를 들어 특허문헌 4에는 빔 형상을 레이저 빔의 주사 방향으로 긴 타원 형상으로 하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 타원 형상의 레이저 빔을 사용하는 방법에 의하면, 흠집의 발생은 억제되지만, 가열 시간이 길어진다. 그로 인해, 레이저 빔의 주사 방향에 수직인 방향으로의 열전도의 영향에 의해 환류 자구 폭이 확대되는 경향이 있고, 철손의 저감이 어렵다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어졌다. 본 발명의 목적은 방향성 전자 강판의 철손을 저감하면서, 글래스 피막에 있어서의 흠집의 발생을 억제하는 것이 가능한 레이저 가공 장치 및 레이저 조사 방법을 제공하는 것이다.
(1) 즉, 본 발명의 일 형태에 관한 레이저 가공 장치는 방향성 전자 강판에 레이저 빔의 집광 및 주사 방향으로의 주사를 행하여, 상기 방향성 전자 강판의 자구를 세분화하기 위한 레이저 가공 장치이며, 상기 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진 장치와; 상기 레이저 발진 장치로부터 전송된 상기 레이저 빔을 상기 방향성 전자 강판에 조사하는 레이저 조사 장치를 구비하고, 상기 레이저 조사 장치는 상기 방향성 전자 강판에 집광된 상기 레이저 빔의 상기 방향성 전자 강판면 상에 있어서의 상기 주사 방향과 수직인 방향의 단면에서의 강도 분포에 있어서, 상기 강도 분포의 무게 중심을 중심으로 상기 주사 방향과 수직인 방향을 따른 제1 방향 및 제2 방향을 향해 상기 강도 분포를 적분했을 때의 상기 제1 방향에 있어서의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 전체 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Ra1, 상기 제2 방향에 있어서의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 상기 전체 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Ra2로 하고, 상기 Ra1에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ia1, 상기 Ra2에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ia2로 하고, 상기 Ia1과 상기 Ia2의 평균값을 Ia로 하고, 상기 강도 분포의 무게 중심에 있어서의 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ib로 했을 때에, Ib/Ia가 2.0 이하로 되도록 구성된다.
(2) 상기 (1)에 기재된 레이저 가공 장치에서는, 또한, 상기 레이저 조사 장치가, 상기 방향성 전자 강판에 집광된 상기 레이저 빔의 상기 방향 전자 강판면 상에 있어서의 상기 주사 방향의 단면에서의 강도 분포인 C 방향 강도 분포에 있어서, 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심을 중심으로 상기 주사 방향을 따른 제3 방향 및 제4 방향을 향해 상기 C 방향 강도 분포를 적분했을 때의 상기 제3 방향에 있어서의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 전체 C 방향 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Rc1, 상기 제4 방향에 있어서의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 상기 전체 C 방향 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Rc2로 하고, 상기 Rc1에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ic1, 상기 Rc2에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ic2로 하고, 상기 Ic1과 상기 Ic2의 평균값을 Ic로 하고, 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심에 있어서의 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Id로 했을 때에, Id/Ic가 1.5 내지 10이 되도록 구성되어도 된다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 레이저 가공 장치는 상기 Ib/Ia가 1.0 내지 2.0이어도 된다.
(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 레이저 가공 장치는 상기 Ra1과 상기 Ra2의 평균값을 Ra로 했을 때, 상기 Ra가 5 내지 100㎛여도 된다.
(5) 상기 (4)에 기재된 레이저 가공 장치는 상기 Ra가 5 내지 60㎛여도 된다.
(6) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 한 항에 기재된 레이저 가공 장치에서는 상기 방향성 전자 강판에 집광되는 상기 레이저 빔의 빔 파라미터 곱이, 상기 레이저 빔의 파장을 단위 ㎛로 λ로 했을 때, λ/π 내지 10㎜ㆍmrad이어도 된다.
(7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 레이저 가공 장치에서는 상기 레이저 발진 장치가 파이버 레이저 또는 디스크 레이저여도 된다.
(8) 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 레이저 가공 장치에서는 상기 방향성 전자 강판에 집광되는 상기 레이저 빔의 집광 형상이 타원이고, 상기 타원의 단축 방향이 상기 주사 방향과 수직이어도 된다.
(9) 본 발명의 일 형태에 관한 레이저 조사 방법은 방향성 전자 강판에 레이저 빔을 집광하여 주사 방향으로 주사하고, 상기 방향성 전자 강판의 자구를 세분화하기 위한 레이저 조사 공정을 구비하여, 상기 방향성 전자 강판에 집광된 상기 레이저 빔의 상기 방향성 전자 강판면 상에 있어서의 상기 주사 방향과 수직인 방향의 단면에서의 강도 분포에 있어서, 상기 강도 분포의 무게 중심을 중심으로 상기 주사 방향과 수직인 방향을 따른 제1 방향 및 제2 방향을 향해 상기 강도 분포를 적분했을 때의 상기 제1 방향에 있어서의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 전체 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Ra1, 상기 제2 방향에 있어서의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 상기 전체 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Ra2로 하고, 상기 Ra1에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ia1, 상기 Ra2에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ia2로 하고, 상기 Ia1과 상기 Ia2의 평균값을 Ia로 하고, 상기 강도 분포의 무게 중심에 있어서의 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ib로 했을 때에, Ib/Ia가 2.0 이하이다.
(10) 상기 (9)에 기재된 레이저 조사 방법에서는, 또한, 상기 방향성 전자 강판에 집광된 상기 레이저 빔의 상기 방향 전자 강판면 상에 있어서의 상기 주사 방향의 단면에서의 강도 분포인 C 방향 강도 분포에 있어서, 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터 상기 주사 방향을 따른 제3 방향 및 제4 방향을 향해 상기 C 방향 강도 분포를 적분했을 때의 상기 제3 방향에 있어서의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 전체 C 방향 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Rc1, 상기 제4 방향에 있어서의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 상기 전체 C 방향 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Rc2로 하고, 상기 Rc1에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ic1, 상기 Rc2에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ic2로 하고, 상기 Ic1과 상기 Ic2의 평균값을 Ic로 하고, 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심에 있어서의 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Id로 했을 때에, Id/Ic가 1.5 내지 10이어도 된다.
본 발명의 상기 형태에 의하면, 방향성 전자 강판의 철손을 저감하면서, 글래스 피막에 있어서의 흠집의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판(10)의 단면도이다.
도 2는 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판(10)의 제조 공정의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 3은 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)의 구성예를 도시하는 모식도이다.
도 4는 본 실시 형태에 관한 레이저 조사 장치(106)의 구성예를 도시하는 모식도이다.
도 5는 빔 파라미터 곱(BPP)을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 방향성 전자 강판(10) 위의 레이저 빔의 집광 형상을 도시하는 도면이다.
도 7은 레이저 빔 주사 방향에 수직인 단면에서 본 경우의 본 실시 형태에 관한 레이저 빔의 강도 분포를 도시하는 도면이다.
도 8은 레이저 빔 주사 방향에 수직인 단면에서 본 경우의 비교예에 관한 레이저 빔의 강도 분포를 도시하는 도면이다.
도 9는 비교예에 관한 끝단 영역 A로부터 주사 방향에 직교하는 방향으로 발생하는 열전도를 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 본 실시 형태에 관한 레이저 빔의 강도 분포의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 11은 레이저 빔 주사 방향의 단면에서 본 경우의 본 실시 형태에 관한 레이저 빔의 강도 분포를 도시하는 도면이다.
도 12는 레이저 빔 주사 방향의 단면에서 본 경우의 비교예에 관한 레이저 빔의 강도 분포를 도시하는 도면이다.
도 13은 본 실시 형태에 관한 레이저 빔의 강도 분포를 도시하는 모식도이다.
이하에, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다.
<방향성 전자 강판의 개요>
방향성 전자 강판은 강판의 결정립의 자화 용이축(체심 입방정의 <100> 방향)이 제조 공정에 있어서의 압연 방향으로 대략 정렬되어 있는 전자 강판이다. 방향성 전자 강판은 압연 방향으로 자화가 향한 자구를, 자벽을 사이에 두고 복수 배열된 구조를 갖는다. 이와 같은 방향성 전자 강판은 압연 방향으로 자화되기 쉬우므로, 자력선의 방향이 대략 일정하게 흐르는 트랜스의 철심 재료로서 적합하다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판(10)의 단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 방향성 전자 강판(10)은 강판 본체(금속부)(12)와, 강판 본체(12)의 양면에 형성된 글래스 피막(14)과, 글래스 피막(14) 위에 형성된 절연 피막(16)을 갖는다. 그런데, 트랜스는 적층 트랜스와 권취 트랜스로 크게 구별된다. 권취 트랜스는 강판에 권취 변형을 가하면서 트랜스의 형상으로 조립한 후에, 그 기계적인 변형으로 도입된 변형을 제거하기 위해 어닐링(변형 제거 어닐링 공정)이 행해진다. 이 어닐링 공정에 있어서는, 상술한 바와 같이 레이저 조사에 의해 도입된 변형까지가 해방되어, 자구의 세분화 효과가 소실되어 버린다. 한편, 적층 트랜스의 제조에서는, 그와 같은 변형 제거 어닐링 공정은 필요없다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판(10)은, 특히 적층 트랜스의 재료에 적합하다.
강판 본체(12)는 Si를 함유하는 철합금으로 구성되어 있다. 강판 본체(12)의 화학 조성은 일례로서, Si:2.5 내지 4.0질량％, C:0.02 내지 0.10질량％, Mn:0.05 내지 0.20질량％, 산가용성 Al:0.020 내지 0.040질량％, N:0.002 내지 0.012질량％, S:0.001 내지 0.010질량％, P:0.01 내지 0.04질량％, 잔량부가 Fe 및 불순물이다. 강판 본체(12)의 두께는, 예를 들어 0.2 내지 0.3㎜이다.
글래스 피막(14)은, 예를 들어 포르스테라이트(Mg2SiO4), 스피넬(MgAl2O4) 및 코지라이트(Mg2Al4Si5O16) 등의 복합 산화물에 의해 구성되어 있다. 글래스 피막(14)의 두께는, 예를 들어 1㎛이다.
절연 피막(16)은, 예를 들어 콜로이드 형상 실리카와 인산염(인산마그네슘, 인산알루미늄 등)을 주체로 하는 코팅액이나, 알루미나졸과 붕산을 혼합한 코팅액이 베이킹됨으로써 형성되어 있다. 절연 피막(16)의 두께는, 예를 들어 2 내지 3㎛이다.
상술한 구성의 방향성 전자 강판(10)에 있어서는, 레이저 빔을 집광, 절연 피막(16) 위로부터 조사하여, 압연 방향(반송 방향)으로 반송되는 방향성 전자 강판의 대략 폭 방향(압연 방향에 대략 직교하는 방향)으로 레이저 빔을 주사한다. 레이저 빔이 조사됨으로써 발생하는 판 두께ㆍ판 폭 방향에서의 온도 구배에 기인하여, 압연 방향에 대략 직교하는 선 형상의 영역에 잔류 변형이 부여된다. 잔류 변형이 부여된 선형상 영역은 압연 방향으로 소정의 주기로 형성되고, 2개의 선형상 영역에 끼워져 압연 방향으로 자화가 향한 영역에 있어서, 압연 방향과 대략 직교하는 방향의 자구 폭을 세분화한다.
이하에 있어서, 상술한 바와 같이 방향성 전자 강판을, 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판이라고 하는 경우가 있다.
<방향성 전자 강판의 제조 방법>
도 2를 참조하면서, 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판(10)의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 2는 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판(10)의 제조 공정의 일례를 도시하는 흐름도이다.
방향성 전자 강판(10)의 제조 공정은, 도 2에 도시한 바와 같이 주조 공정 S2와, 열간 압연 공정 S4와, 어닐링 공정 S6과, 냉간 압연 공정 S8과, 탈탄 어닐링 공정 S10과, 어닐링 분리제 도포 공정 S12와, 최종 마무리 어닐링 공정 S14와, 절연 피막 형성 공정 S16과, 레이저 조사 공정 S18을 포함한다.
주조 공정 S2에서는 소정의 조성으로 조정된 용강을 연속 주조기에 공급하여, 주괴를 연속적으로 형성한다. 열간 압연 공정 S4에서는 주괴를 소정 온도(예를 들어, 1150 내지 1400℃)로 가열하여 열간 압연을 행한다. 이에 의해, 소정 두께(예를 들어, 1.8 내지 3.5㎜)의 열간 압연재가 얻어진다.
어닐링 공정 S6에서는 열간 압연재에 대해, 예를 들어 가열 온도 750 내지 1200℃, 가열 시간 30초 내지 10분의 조건으로 열처리(어닐링)를 행한다. 냉간 압연 공정 S8에서는, 열간 압연재의 표면을 산세한 후에, 냉간 압연을 행한다. 이에 의해, 소정 두께(예를 들어, 0.15 내지 0.35㎜)의 냉간 압연재가 얻어진다.
탈탄 어닐링 공정 S10에서는 냉간 압연재에 대해, 예를 들어 가열 온도 700 내지 900℃, 가열 시간 1 내지 3분의 조건으로 열처리(탈탄 어닐링)를 행하여, 강판 본체(12)를 얻는다. 이 탈탄 어닐링 공정에 의하면, 강판 본체(12)의 표면에, 실리카(SiO2)를 주체로 하는 산화물층이 형성된다. 어닐링 분리제 도포 공정 S12에서는 강판 본체(12)의 표면에 형성된 산화물층의 위에, 마그네시아(MgO)를 주체로 하는 어닐링 분리제를 도포한다.
최종 마무리 어닐링 공정 S14에서는, 어닐링 분리제가 도포된 강판 본체(12)를 코일 형상으로 권취한 상태에서, 뱃치식 노 내에 삽입하여 열처리(마무리 어닐링)를 행한다. 열처리 조건은, 예를 들어 가열 온도 1100 내지 1300℃, 가열 시간 20 내지 24시간이다. 이때, 강판 본체(12)의 반송 방향(압연 방향)과 자화 용이축이 일치한, 소위 고스 입자가 우선적으로 결정 성장한다. 이 결과, 마무리 어닐링 후에 결정 방위성(결정 배향성)이 높은 방향성 전자 강판이 얻어지게 된다. 또한, 최종 마무리 어닐링 공정 S14에 의해, 산화물층과 어닐링 분리제가 반응하여, 강판 본체(12)의 표면에 포르스테라이트(Mg2SiO4)를 포함하는 글래스 피막(14)이 형성된다.
절연 피막 형성 공정 S16에서는 코일 형상으로 권취된 강판 본체(12)를 풀어 판 형상으로 펴서 반송한다. 그리고, 강판 본체(12)의 양면에 형성된 글래스 피막(14) 위에 절연제를 도포하고, 베이킹을 행함으로써, 절연 피막(16)을 형성한다. 절연 피막(16)이 형성된 강판 본체(12)는 코일 형상으로 권취된다.
레이저 조사 공정 S18에서는, 코일 형상으로 권취된 강판 본체(12)를 풀어 판 형상으로 펴서 반송한다. 그리고, 후술하는 본 실시 형태에 관한 레이저 조사 장치에 의해, 강판 본체(12)의 편면을 향해 레이저 빔을 집광, 조사하여, 압연 방향(반송 방향)으로 반송되는 방향성 전자 강판의 대략 폭 방향(압연 방향에 대략 직교하는 방향)으로 레이저 빔을 주사한다. 이에 의해, 강판 본체(12)의 표면에, 압연 방향과 대략 직교하는 선 형상의 변형이 압연 방향에 있어서 소정 간격으로 형성된다. 또한, 이 레이저 빔의 집광, 주사는 강판 본체(12)의 표면에만, 또는 이면에만 행해도 되고, 표면 및 이면의 양쪽에 행해도 된다. 또한, 상기에서는 절연 피막(16)이 형성된 강판 본체(12)를 코일 형상으로 권취한 후 레이저 조사 공정 S18로 이송한다고 설명하였지만, 절연 피막 형성 직후에 레이저 조사를 행하고, 그 후 코일 형상으로 권취해도 된다.
이와 같이 하여, 강판 본체(12)의 표면에 글래스 피막(14) 및 절연 피막(16)이 형성되고, 레이저 조사에 의해 자구 제어된 방향성 전자 강판(10)이 제조된다.
<레이저 가공 장치의 구성>
도 3 및 도 4를 참조하면서, 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판(10)에 레이저 빔을 조사하여 잔류 변형을 부여하는 레이저 가공 장치(100)(이하, 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치라고 하는 경우가 있음)의 구성예에 대해 설명한다. 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)는, 상술한 레이저 조사 공정 S18에 있어서, 방향성 전자 강판(10)에 레이저 빔을 조사하기 위해 사용된다. 도 3은 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)의 구성예를 도시하는 모식도이다.
레이저 가공 장치(100)는 압연 방향으로 일정 속도로 반송되는 방향성 전자 강판(10)의 절연 피막(16) 위로부터 레이저 빔을 조사하여, 압연 방향과 대략 직교하는 선 형상의 변형을 부여한다. 레이저 가공 장치(100)는, 도 3에 도시한 바와 같이 레이저 발진기(102)와, 전송 파이버(104)와, 레이저 조사 장치(106)를, 각각 복수 갖는다. 도 3에서는 3개의, 레이저 발진기(102), 전송 파이버(104) 및 레이저 조사 장치(106)가 도시되어 있지만, 각각의 구성은 마찬가지이다. 또한, 본 실시 형태에서는 각각 3개의 장치를 갖는 경우에 대해 설명하지만, 판 폭 전체에 걸쳐서 주사할 수 있으면, 장치의 수에 대해서는 한정되지 않는다.
도 4는 하나의 레이저 조사 장치(106)의 구성예를 도시하는 모식도이다.
레이저 발진기(102)는, 예를 들어 고출력의 레이저 빔을 출사한다. 전송 파이버(104)는 레이저 발진기(102)로부터 출사된 레이저 빔을 레이저 조사 장치(106)까지 전송하는 광 파이버이다.
레이저 발진기(102)의 종류로서는, 미소 집광 특성이 우수하고, 좁은 환류 자구를 형성할 수 있는 관점 등으로부터, 파이버 레이저 또는 디스크 레이저가 바람직하다. 파이버 레이저 또는 디스크 레이저는 파장이 근자외역으로부터 근적외역(예를 들어, 1㎛대)에 있으므로 레이저 빔의 광 파이버에 의한 전송이 가능하다. 레이저 빔을 광 파이버에 의해 전송함으로써 비교적 콤팩트한 레이저 가공 장치(100)를 실현할 수 있다. 또한, 파이버 레이저 또는 디스크 레이저로부터의 레이저 빔을 광 파이버에 의해 전송함으로써, CO2 레이저나 광 파이버에 의해 전송되지 않는 YAG 레이저와 비교하여, 후술하는 바와 같은 집광점에 있어서의 빔 강도 분포의 제어가 용이해지므로 바람직하다. 또한, 레이저 발진기(102)는 연속파 레이저여도 되고, 펄스 레이저여도 된다.
방향성 전자 강판(10)의, 레이저 빔이 조사되는 부위에 있어서, 강판면에 수직인 방향으로의 강판면의 진동 등이 발생한 경우에 자구를 적절하게 형성하기 위해서는, 초점 심도의 확보가 필요하다. 이를 위해서는, 이하에 서술하는 바와 같이, 레이저 빔의 빔 품질 파라미터 곱이 10(㎜ㆍmrad) 이하인 것이 바람직하다. 레이저 발진기(102)로서 파이버 레이저 또는 디스크 레이저를 사용하면, 빔 품질 파라미터 곱을 상술한 범위 내로 할 수 있다.
빔 품질의 정량 평가 방법에 대해 설명한다. 레이저 빔의 집광 반경과, 레이저 빔의 초점 심도는 빔 품질에 의존한다. 빔 품질은 일반적으로 빔 파라미터 곱(BPP)을 사용하여 정량화된다.
도 5는 빔 파라미터 곱(BPP)을 설명하기 위한 모식도이다. 도 5에서는 렌즈를 통과한 레이저 빔이 반경 r의 빔 직경으로 집광되고, 그 후 다시 퍼지고 있다. 또한, 레이저 빔은 각도 θ에서 집광되어 있다. 이 경우, 빔 파라미터 곱(BPP)은 단위가 ㎜ㆍmrad이고, 하기의 수학식 1과 같이 표시된다.
Figure pct00001
또한, 이 경우, 초점 심도(DOF)는 BPP를 사용하여, 단위 ㎜로, 하기의 수학식 2와 같이 표시된다.
Figure pct00002
여기서, BPP를 10(㎜ㆍmrad) 이하로 함으로써, 좁은 환류 자구 폭을 얻기 위해, r을 0.06㎜로 한 경우에도 DOF를 0.7㎜ 이상 확보할 수 있는 것을 알 수 있다. 0.7㎜ 이상의 DOF가 확보되어 있으면, 방향성 전자 강판(10)의 강판면에 수직인 방향의 진동이 발생하는 경우에도, 자구를 적절하게 세분화하는 데 유효하다. 또한, BPP의 하한값은 레이저 빔의 파장을 λ(㎛)로 했을 때, λ/π(㎜ㆍmrad)로 부여된다.
도 3으로 돌아가 설명을 계속한다. 레이저 조사 장치(106)는 레이저 발진기(102)로부터 전송 파이버(104)에 의해 전송된 레이저 빔을, 방향성 전자 강판(10)에 집광ㆍ주사시킨다. 하나의 레이저 조사 장치(106)가 레이저 빔을 주사할 수 있는 폭은 방향성 전자 강판(10)의 판 폭보다도 작아도 된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 레이저 조사 장치(106)를 판 폭 방향으로 복수 배열시킴으로써, 방향성 전자 강판(10)의 판 폭 전역에 걸쳐서 레이저 빔을 주사할 수 있다.
레이저 조사 장치(106)는, 도 4에 도시한 바와 같이 레이저 헤드(122)와, 콜리메이터 렌즈(124)와, 금속 미러(126)와, 폴리곤 미러(128)와, 포물면 미러(130)를 갖는다.
레이저 헤드(122)는 전송 파이버(104)에 의해 전송된 레이저 빔을, 소정의 발산각에서 출사한다. 콜리메이터 렌즈(124)는 레이저 헤드(122)로부터 출사되는 레이저 빔을 평행광으로 한다.
금속 미러(126)는 입사한 레이저 빔의, 방향성 전자 강판(10)의 판 폭 방향(도 3 참조)의 빔 직경을 교축하여, 조정하기 위한 미러이다. 금속 미러(126)로서는, 예를 들어 1축 방향으로 곡률을 가진 원기둥 미러나 포물면 미러를 사용할 수 있다. 금속 미러(126)로 반사한 레이저 빔은 소정의 회전 속도로 회전하는 폴리곤 미러(128)에 입사한다.
폴리곤 미러(128)는 회전 가능한 다면체이고, 회전함으로써 레이저 빔을 방향성 전자 강판(10)의 판 폭 방향으로 주사한다. 레이저 빔이 폴리곤 미러(128)의 다면체의 어느 한 면에 입사하는 동안, 그 면의 회전에 수반하여, 레이저 빔이 방향성 전자 강판(10) 위의 대략 판 폭 방향을 따른 선 형상의 영역에 주사된다. 그 결과, 그 선 형상의 영역에 잔류 변형이 부여된다. 폴리곤 미러(128)의 회전에 수반하여, 레이저 빔의 주사가 반복되고, 동시에, 방향성 전자 강판(10)은 압연 방향으로 반송된다. 그 결과, 방향성 전자 강판(10) 위에 선 형상의 잔류 변형을 가진 영역이, 압연 방향으로 주기적으로 형성된다. 또한, 선 형상의 영역의 압연 방향의 주기는 방향성 전자 강판(10)의 반송 속도와, 폴리곤 미러(128)의 회전 속도에 의해 조정된다.
포물면 미러(130)는 폴리곤 미러(128)로 반사한 레이저 빔의 압연 방향의 빔 직경을 교축하여, 조정하기 위한 미러이다. 포물면 미러(130)에 의해 반사된 레이저 빔은 방향성 전자 강판(10)의 표면에 집광된다.
도 6은 방향성 전자 강판(10) 위의 레이저 빔의 집광 형상을 도시하는 도면이다. 본 실시 형태에 있어서, 레이저 빔의 집광 형상은, 도 6에 도시한 바와 같이 타원 형상이며, 장축이 레이저 빔(LB)의 주사 방향을 따르고 있고(장축과 레이저 빔 LB의 주사 방향은 대략 평행), 단축이 주사 방향에 대해 대략 직교하고 있다(즉, 대략 90°이며, 엄밀하게 90°가 아닌 경우도 포함함). 이와 같이 집광 형상을 타원화함으로써, 강판의 어느 한점에서 보았을 때의 레이저 빔의 조사에 의한 가열 시간이 길어진다. 그 결과, 방향성 전자 강판(10)의 내부의 깊은 위치까지 온도를 상승시킬 수 있으므로, 철손의 저감에 유효하다. 또한, 레이저 빔에 있어서, 집광 형상을 타원 형상으로 하기 위해서는, 전술한 금속 미러(126)로 레이저 빔 LB의 주사 방향을 따른 빔 직경을 교축함과 함께, 포물면 미러(130)로 주사 방향에 직교하는 방향의 빔 직경을 교축하면 된다. 방향성 전자 강판을 압연 방향으로 반송하면서, 레이저 빔 LB를 방향성 전자 강판(10)의 폭 방향으로 주사한 경우, 레이저 조사 장치(106)로부터 보았을 때의 주사 방향과, 방향성 전자 강판(10)으로부터 보았을 때의 주사 방향은 다르다. 본 실시 형태에 있어서의 레이저 빔 LB의 주사 방향이라 함은, 방향성 전자 강판(10)으로부터 보았을 때의 주사 방향을 나타내고 있다.
상기에서는 방향성 전자 강판(10) 위의 레이저 빔의 집광 형상이 타원 형상인 것으로 하였지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 레이저 빔의 집광 형상이 진원 형상이어도 된다.
또한, 상기에서는 레이저 발진기(102)가 파이버 레이저 또는 디스크 레이저인 것으로 하였지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 레이저 발진기(102)가 CO2 레이저여도 된다. 그 경우에는, 레이저 발진기(102)로부터 레이저 조사 장치(106)까지의 레이저 빔의 전송은 광 파이버가 아니라, 미러 등을 사용하여 행한다.
<자구의 세분화 및 글래스 피막의 흠집에 대해>
그런데, 압연 방향으로 자계가 걸린 방향성 전자 강판(10)은, 전술한 바와 같이 압연 방향으로 자화가 향한 자구를 복수 배열한 구조를 갖는다. 여기서, 방향성 전자 강판(10)의 철손의 가일층의 저감을 도모하기 위해서는, 레이저 빔의 조사에 의해 자구를 세분화하는(자구를 좁게 하는) 것이 유효하다. 자구를 세분화하기 위해서는, 방향성 전자 강판(10)의 최표층 근방의 압연 방향을 따라서 본 극히 좁은 폭의 영역에 판 두께 방향에 대해 큰 온도 구배를 부여함으로써, 좁고 또한 충분한 강도를 가진 환류 자구를 형성하는 것이 특히 유효하다.
한편, 온도 구배를 크게 하기 위해서는, 방향성 전자 강판(10)의 표면의 온도를 상승시킬 필요가 있다. 그러나, 표면의 온도를 상승시키면, 온도 상승에 기인하여, 절연 피막(16)이나 글래스 피막(14)에 있어서, 피막의 결손 박리 등의 흠집이 발생하는 경우가 있다. 특히 글래스 피막(14)에 흠집이 발생한 경우에는, 강판 본체(12)가 외부에 노출되어, 녹이 발생할 우려가 있으므로 바람직하지 않다.
따라서, 본 실시 형태에서는 방향성 전자 강판(10)의 철손을 저감하는 점과, 글래스 피막(14)에 있어서의 흠집의 발생을 방지하는 점을 모두 실현하기 위해, 하기에 설명하는 바와 같이, 방향성 전자 강판(10)의 표면에 있어서의 레이저 빔의 강도 분포가 소정의 조건을 만족시키도록 설정하고 있다.
<방향성 전자 강판의 표면에 있어서의 레이저 빔의 강도 분포>
본 실시 형태의 방향성 전자 강판(10)의 표면에 있어서의 레이저 빔의 강도 분포의 설정에 대해, 비교예와 대비하면서 설명한다.
도 7은 본 실시 형태에 관한 레이저 빔의 강도 분포를 도시하는 도면이다. 도 8은 비교예에 관한 레이저 빔의 강도 분포를 도시하는 도면이다. 도 7 및 도 8 모두, 주사 방향에 대한 레이저 빔의 무게 중심을 지나 레이저 빔의 주사 방향에 수직인 단면에서 본 빔 강도 I(레이저 빔의 단위 면적당의 출력)의 분포이다. 도 7 및 도 8의 횡축은 그 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리 x이다(x축의 정의를 도 6에 도시함). 여기서, 주사 방향에 대한 레이저 빔의 무게 중심이라 함은, 레이저 빔의 주사 방향을 y축으로서 정의했을 때에, x와 y의 함수가 되는 레이저 빔의 강도 분포를 각 y에 대해 x축을 따라서 적분하여 얻어지는 강도 적분량(이 적분량은 y의 함수가 됨)의 무게 중심 위치 y로서 정의된다. 또한, 도 8에 도시하는 비교예는, 소위 TEM00 모드의 레이저 빔을 방향성 전자 강판(10)에 집광한 경우의 강도 분포이다. TEM00 모드는, 도 8에 도시한 바와 같이 강도 분포의 중심부에서 최대 빔 강도를 갖는 가우스 분포를 나타내는 모드이다.
비교예의 경우에는, 도 8에 도시한 바와 같이 빔 강도가 주사 방향에 직교하는 방향(x축 방향)의 광범위에 분포하고 있고, 강도 분포의 양측에 끝단 영역 A가 존재한다(즉, 강도 분포의 양측이 완만하게 연장되어 있음). 이와 같이 끝단 영역 A가 존재하는 경우에는, 레이저 빔의 주사 방향과 직교하는 방향으로 끝단 영역 A로부터 열전도가 발생하기 쉽다.
도 9는 비교예에 관한 레이저 빔의 강도 분포에 있어서, 끝단 영역 A로부터 주사 방향에 직교하는 방향으로 발생하는 열전도를 설명하기 위한 모식도이다. 도 9에 도시한 바와 같이 레이저 빔 LB를 주사 방향으로 주사할 때에, 끝단 영역 A로부터 주사 방향에 직교하는 방향으로의 열전도가 발생한다. 이에 의해, 온도가 상승하는 영역이 주사 방향에 직교하는 방향의 광범위로 넓어져 버려, 환류 자구 폭이 넓어지기 쉽다. 이 결과, 방향성 전자 강판(10)의 철손의 저감이 방해된다.
이에 대해, 본 실시 형태에 관한 레이저 빔의 강도 분포의 경우에는, 도 7에 도시한 바와 같이 강도 분포의 끝단 영역의 폭이 좁고, 주사 방향에 직교하는 방향의 협범위로 빔 강도가 분포하고 있다. 이로 인해, 끝단 영역으로부터의 주사 방향에 직교하는 방향으로의 열전도의 발생이 억제되어, 환류 자구 폭이 좁아진다. 이 결과, 비교예에 비해 방향성 전자 강판(10)의 철손의 가일층의 저감이 가능해진다.
도 7 및 도 8에 도시하는 레이저 빔의 강도 분포에 있어서, 거리 Ra1, Ra2, 빔 강도 Ia1, 빔 강도 Ia2 및 빔 강도 Ib는 이하와 같이 정의된다. 거리 Ra1은 강도 분포를, 강도 분포의 무게 중심으로부터 －x 방향(제1 방향, 도 7에 있어서의 지면 좌측 방향)을 향해 적분했을 때의 강도 적분값이 전체 강도 적분값의 43％가 되는 x축 상의 위치의, 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리이다. 또한, 거리 Ra2는 강도 분포의 무게 중심으로부터 ＋x 방향(제2 방향, 도 7에 있어서의 지면 우측 방향)을 향해 적분했을 때의 강도 적분값이 전체 강도 적분값의 43％가 되는 x축 상의 위치의, 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리이다. 즉, 도 7에 있어서, Ra1, Ra2로 규정되는 사선 영역의 면적은, 도 7에 있어서의 강도 분포 전체의 적분값의 86％(43％＋43％)로 되어 있다(이 정의는 도 8에 있어서도 마찬가지임). 또한, 빔 강도 Ia1은 거리 Ra1의 위치에 있어서의 빔 강도이고, 빔 강도 Ia2는 거리 Ra2의 위치에 있어서의 빔 강도이다. Ia1과 Ia2의 평균을 Ia로 한다. 또한, 레이저 빔이 좌우 대칭인 경우, Ra1과 Ra2, Ia1과 Ia2는 동등해진다. 빔 강도 Ib는 강도 분포의 무게 중심에 있어서의 빔 강도이다.
도 8에 도시하는 비교예에 관한 레이저 빔의 강도 분포에 있어서, Ib/Ia는 2.8이다. 이에 대해, 도 7에 도시하는 본 실시 형태에 관한 레이저 빔의 강도 분포에서는 강도의 피크를 억제함과 함께, 주사 방향에 직교하는 방향으로의 열전도를 억제하기 위해, Ib/Ia가 2.0 이하, 바람직하게는 1.0 내지 2.0이 되도록 설정되어 있다. Ib/Ia가 1.0 내지 2.0이 되도록 방향성 전자 강판(10)의 표면에 있어서의 레이저 빔의 강도 분포를 설정함으로써, 열전도의 발생을 억제하여, 철손을 크게 저감하는 것이 가능해진다.
또한, Ib/Ia는 레이저 가공 장치에 있어서, 예를 들어 레이저 빔의 종류의 변경 및/또는 적절한 곡률(초점 거리)을 갖는 금속 미러(126)나 포물면 미러(130)의 선택에 의해 적절히 조정할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, Ra1과 Ra2의 평균값을 Ra로 했을 때, Ra가 100㎛(0.1㎜) 이하로 되도록, 레이저 빔의 강도 분포가 설정되어 있다. 이에 의해, 주사 방향에 직교하는 방향으로의 열전도의 확대를 보다 억제하면서 좁은 환류 자구를 형성함으로써, 철손을 보다 크게 저감할 수 있다. 철손을 확실하게 저감하기 위해서는, Ra를 60㎛ 이하로 하는 쪽이 보다 한층 바람직하다. 또한, Ra가 5㎛ 미만으로 되면, 초점 심도가 지나치게 작아지므로, 바람직하지 않다.
또한, 본 실시 형태에 관한 레이저 빔의 강도 분포를 갖는 레이저 빔이면, 글래스 피막(14)의 흠집의 발생도 억제할 수 있다. 레이저 빔의 강도 분포가 도 8에 도시한 바와 같은 가우스 분포인 경우, 강도 분포의 중심부에서 큰 빔 강도(도 8에 도시하는 빔 강도 Ib)로 된다. 이와 같은 경우에는, 강도 분포의 중심부의 빔 강도가 과대해지는 것에 기인하여, 방향성 전자 강판(10)의 표면에 있어서 국소적으로 온도가 높아져 버려, 글래스 피막(14)의 흠집이 발생할 우려가 있다.
이에 대해, 레이저 빔의 강도 분포가 도 7에 도시한 바와 같은 강도 분포를 갖는 경우에는, 빔 강도 분포가 대략 직사각 형상을 나타내고 있으므로, 비교예에 비해 중심부에서의 빔 강도(도 7에 도시하는 빔 강도 Ib)가 과대해지지 않는다. 이에 의해, 방향성 전자 강판(10)의 표면에 있어서의 국소적인 온도 상승을 억제할 수 있으므로, 글래스 피막(14)의 흠집의 발생을 억제할 수 있다.
상기에서는, 본 실시 형태에 관한 레이저 빔의 강도 분포는 도 7에 도시한 바와 같은 분포로서 설명하였지만, 레이저 빔의 강도 분포는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 10은 본 실시 형태에 관한 레이저 빔의 강도 분포의 변형예를 도시하는 도면이다. 도 10에 도시한 바와 같은 강도 분포에서는, 분포의 양단부의 빔 강도가, 중앙부의 빔 강도보다도 약간 크게 되어 있다. 그로 인해, Ib/Ia는 1보다도 작아져, 당연히 2.0 이하이다. 이와 같은 강도 분포라도 강도 분포의 양측에 끝단 영역을 갖지 않는 것은 도 7에 도시하는 강도 분포와 공통이다. 따라서, 도 7에 도시하는 강도 분포와 마찬가지로, 주사 방향에 직교하는 방향으로의 열전도의 확대를 억제하여, 철손을 크게 저감할 수 있다. 즉, Ib/Ia가 2.0 이하이면, 주사 방향에 직교하는 방향으로의 열전도의 확대를 억제하여, 철손의 저감을 크게 할 수 있다. 또한, 강도 분포의 중심이 주연부보다도 낮고 Ib/Ia가 1.0 미만으로 되는 경우, 주연부의 온도가 높아지기 쉬우므로 주사 방향에 직교하는 방향으로의 열전도의 확대가 커지는 경향이 있다. 이 관점에서는, Ib/Ia는 1.0 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상술한 도 7 내지 도 9에서는 레이저 빔의 집광 형상이 타원 형상인 경우가 도시되어 있지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 레이저 빔의 집광 형상이 진원 형상인 경우에도, Ib/Ia를 2.0 이하가 되도록 설정함으로써, 철손을 저감함과 함께, 글래스 피막(14)의 흠집의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서 집광ㆍ주사되는 레이저 빔은 주사 방향에 직교하는 방향에 대한 레이저 빔의 무게 중심을 지나 레이저 빔의 주사 방향의 단면에서 본 경우에, 레이저 빔 강도 분포(C 방향 강도 분포)가 도 11에 도시한 바와 같은 형상을 나타낸다. 도 11은 레이저 빔의 주사 방향을 y축으로 한 경우에, 빔 강도 I를 종축에, 그 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리 y를 횡축에 취한 도면이다. 여기서, 주사 방향에 직교하는 방향에 대한 레이저 빔의 무게 중심이라 함은, x와 y의 함수가 되는 레이저 빔의 강도 분포를 각 x에 대해 y 축을 따라서 적분하여 얻어지는 강도 적분량(이 적분량은 x의 함수가 됨)의 무게 중심 위치 x로서 정의된다.
도 11에 있어서의 레이저 빔의 강도 분포에 있어서, 강도 분포를, 강도 분포의 무게 중심으로부터 －y 방향(제3 방향, 도 11에 있어서의 지면 좌측)을 향해 적분했을 때의 강도 적분값이 전체 강도 적분값의 43％가 되는 y축 상의 위치의, 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를, Rc1로 하고, 강도 분포의 무게 중심으로부터 ＋y 방향(제4 방향, 도 11에 있어서의 지면 우측)을 향해 적분했을 때의 강도 적분값이 전체 강도 적분값의 43％가 되는 y축 상의 위치의, 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를, Rc2로 하고(즉, 도 11에 있어서, 사선 영역의 면적은 도 11에 있어서의 강도 분포 전체의 적분값의 86％가 됨), 거리 Rc1의 위치에 있어서의 빔 강도를 Ic1, 거리 Rc2의 위치에 있어서의 빔 강도를 Ic2, Ic1과 Ic2의 평균값을 Ic, 강도 분포의 무게 중심에 있어서의 빔 강도를 Id로 했을 때, Id/Ic≥1.5이다.
도 12에 도시하는 비교예는 빔 강도 분포가, 소위 톱 플랫에 가까운 경우의 강도 분포이다. 이와 같은 경우, Id/Ic가 1.5 미만으로 된다. 이와 같은 톱 플랫형의 강도 분포에서는 공간적인 강도 분포의 급격한 상승에 호응하여, 방향성 전자 강판 표면에 급격한 온도 상승이 발생하고, 열충격 작용에 의해 피막에 흠집이 생기기 쉬워진다.
Id/Ic가 1.5 이상이면, 강도 분포의 상승이 완만하고, 방향성 전자 강판 표면의 급격한 온도 상승이 억제되므로, 피막에 흠집이 생기기 어려워져, 바람직하다.
Id/Ic가 지나치게 커지면 무게 중심부에서의 강도가 지나치게 높아지므로, Id/Ic는 10 이하로 하는 것이 바람직하다.
도 13은 레이저 빔의 주사 방향에 수직인 단면에서 본 빔 강도 I의 분포가 도 7과 같고, 또한 레이저 빔의 주사 방향의 단면에서 본 빔 강도 I의 분포가 도 11과 같은 레이저 빔의, 빔 강도를 도시하는 모식도이다.
<실시예>
상술한 본 실시 형태에 관한 실시예의 유효성을 확인하기 위해, 본 실시예 및 비교예에 대해 설명한다.
먼저, 화학 조성이, Si:3.0질량％, C:0.05질량％, Mn:0.1질량％, 산가용성 Al:0.02질량％, N:0.01질량％, S:0.01질량％, P:0.02질량％, 잔량부가 Fe 및 불순물인 슬래브(강편)를 준비했다. 이 슬래브에 대해 1280℃에서 열간 압연을 실시하여, 두께 2.3㎜의 열간 압연재를 얻었다. 다음에, 얻어진 열간 압연재에 대해 1000℃×1분(가열 온도 1000℃이고, 유지 시간 1분)의 조건으로 열처리를 행하였다. 열 처리 후에, 열간 압연재에 대해 산세 처리를 실시한 후에 냉간 압연을 실시하고, 두께 0.23㎜의 냉간 압연재를 얻었다. 이 냉간 압연재에 대해, 800℃×2분의 조건으로 탈탄 어닐링을 실시하였다. 다음에, 탈탄 어닐링 후의 냉간 압연재의 양면에, 마그네시아를 주성분으로 하는 어닐링 분리재를 도포하였다. 그리고, 어닐링 분리재가 도포된 냉간 압연재를, 코일 형상으로 권취한 상태에서, 뱃치식 노에 장입하고, 1200℃×20시간의 조건으로 마무리 어닐링을 실시하였다. 이에 의해, 표면에 글래스 피막이 형성된 강판[강판 본체(12)]을 만들어 냈다. 다음에, 글래스 피막(14) 위에, 인산알루미늄으로 이루어지는 절연재를 도포한 후, 베이킹(850℃×1분)을 행하여, 절연 피막(16)을 형성하였다.
그리고, 절연 피막(16) 및 글래스 피막(14)이 형성된 강판 본체(12)에 대해 레이저 빔을 조사하여, 강판 본체(12)의 표면에 변형을 부여하였다.
사용한 레이저 조사 장치로서는, 도 1에 도시하는 레이저 조사 장치(106)를 사용하여, 강판 표면에 있어서의 레이저 빔의 강도 분포를 타원 형상으로 하고, 타원의 장축을 강판면 상에 있어서의 레이저 빔의 주사 방향으로 정렬하였다. 또한, 본 실시예와 비교예를 비교하기 위해, 레이저 발진기(102)로서 사용하는 파이버 레이저의 종류, 광 파이버의 코어 직경, 콜리메이터 렌즈의 초점 거리, 금속 미러(126) 및 포물면 미러(130)의 초점 거리 및 이들 광학 소자로부터 강판면까지의 거리 등 다양한 조건을 바꿈으로써, 레이저 빔의 주사 방향 및 그 주사 방향에 수직인 방향의 단면에 있어서의 빔의 강도 분포에 대해 상술한 바와 같이 정의되는 Ib/Ia, Ra, Id/Ic가 다른 다양한 조건으로 시험을 행하였다. 조사 조건으로서, 주사 속도 Vc를 160m/s, 조사 피치 PL을 5㎜, 레이저 빔의 파장 λ를 1.08㎛로 하였다.
Ib/Ia는 이하와 같이 실험적으로 구하였다. 먼저, 시판의 집광 레이저 빔 평가 장치로 강판 표면 위치에 있어서의 빔 강도 분포를 측정하였다. 다음에, 측정된 타원 형상의 레이저 빔 스폿의 타원의 단축 위, 즉 레이저 빔의 주사 방향에 대한 레이저 빔의 무게 중심을 지나 레이저 빔의 주사 방향에 수직인 단면에 있어서의 빔 강도 분포를 얻었다. 마지막으로, Ra1과 Ra2 및 그 평균값인 Ra, Ia를 구함과 함께, Ib/Ia를 계산하였다.
또한, 동시에, 측정된 타원 형상의 레이저 빔 스폿의 타원의 장축 위, 즉 레이저 빔의 주사 방향에 직교하는 방향에 대한 레이저 빔의 무게 중심을 지나 레이저 빔의 주사 방향 단면에 있어서의 빔 강도 분포를 얻고, Rc1과 Rc2 및 그 평균값인 Rc, Ic를 구함과 함께, Id/Ic를 계산하였다.
또한, 본 실시예에서 사용한 레이저 빔에 있어서, Ra1＝Ra2, Rc1＝Rc2였다.
레이저 처리한 강판의 일부와 동일 코일의 강판 중에서 레이저 처리하지 않았던 부분을 각각, SST(Single sheet tester) 시험에 걸어, W17/50(W/㎏)의 철손을 평가하였다. W17/50은 주파수 50㎐, 최대 자속 밀도 1.7T일 때의 철손이다. SST 측정의 시험편으로서는, 강판 폭 방향 길이 100㎜, 강판 압연 방향 길이 500㎜의 사이즈로 잘라낸 사각편을 사용하였다. 레이저 처리한 강판에 대한 철손 개선율(％)은 동일 코일의 강판 중에서 레이저 처리가 실시되어 있지 않은 부분의 철손을 기준으로 하여 정의하였다.
또한, 글래스 피막(14)에 대한 흠집의 발생에 기인하는 녹 발생의 판정을, 습윤 시험에 의해 행하였다. 습윤 시험은 JIS K2246-5.34에 준하여 행하고, 시험 조건은 온도 50℃, 습도 98％, 시험 시간 72시간으로 하였다. 그 후, 레이저 조사부의 녹 발생의 유무를 육안으로 확인하였다. 각 조건에 대해, 강판의 폭 방향 길이 100㎜, 강판의 압연 방향 길이 500㎜의 사이즈의 사각편을 10매 잘라내어, 녹의 발생이 있었던 매수로 평가를 행하였다.
시험 결과를 표 1에 나타낸다. Ib/Ia가 2.0 이하로 되는 본 실시예 1 내지 5에서는 12％ 이상의 충분한 철손 개선율이 얻어졌다. 또한, 녹의 발생 매수도 없고, 레이저 조사에 의한 글래스 피막(14)에 대한 흠집의 발생도 억제되어 있었다.
또한, 본 실시예 6은 금속 미러(126)의 초점 위치에 강판면을 맞춘 예이다. 이 경우, C 방향 강도 분포는 톱 플랫에 가까워지고, Id/Ic는 1.3이었다. Ib/Ia가 동일한 본 실시예 3 및 4와 비교하면, 동일 정도의 철손 개선이 얻어지지만, 녹이 발생하는 샘플이 2매 존재했다. 이상의 결과로부터, Id/Ic를 1.5 이상으로 함으로써, 피막에 흠집이 생기기 어려워지므로 바람직한 것을 알 수 있다.
또한, 본 실시예 1과 본 실시예 2 내지 6을 비교하면, Id/Ic를 Ib/Ia보다도 크게 함으로써, 보다 큰 철손 개선이 얻어져, 바람직한 것을 알 수 있다.
비교예 1은 TEM00 모드의 레이저(레이저 빔)를 조사한 예이다. 이 비교예 1에서는, Ib/Ia가 2.8이고, 철손 개선율이 10.2％였다. 목표로 한 제품 등급에는 12％ 이상의 철손 개선이 요구되지만, 이 비교예 1은 철손 개선율이 목표에 도달하고 있지 않았다. 또한, 비교예 1에서는 글래스 피막(14)에 대해 녹의 발생이 있는 샘플이 10매 중 2매 존재했다.
비교예 2도 또한, TEM00 모드의 레이저를 조사한 예이다. 비교예 2와 같이 TEM00 모드의 미소 집광 특성을 살려 Ra(Ra1 및 Ra2)를 작게 하면, 12％ 이상의 철손 개선이 얻어진다. 그러나, Ra를 작게 하여 TEM00 모드의 레이저를 조사한 경우, 샘플 10매 전부에 녹이 발생하고 있어, 레이저 조사에 의한 글래스 피막(14)의 흠집의 발생이 현저해지는 것을 알 수 있었다. 비교예 2의 조건으로 레이저를 조사한 경우, 절연 피막(16)의 재도포가 필요해지므로, 제조 비용이 현저하게 증가한다.
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이상의 시험 결과로부터, 본 실시예와 같이 Ib/Ia를 2.0 이하로 함으로써, 충분한 철손의 개선 효과와 함께 글래스 피막(14)에 대한 흠집의 발생을 억제하는 효과가 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, Id/Ic를 1.5 이상으로 함으로써, 흠집의 발생을 더욱 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)는 레이저 빔의 주사 방향과 수직인 방향의 단면에서의 강도 분포에 있어서, 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 전체 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Ra1, Ra2로 하고, 이들 Ra1, Ra2에 대응한 레이저 빔의 강도를 각각 Ia1, Ia2로 하고, Ia1과 Ia2의 평균값을 Ia로 하고, 또한 강도 분포의 무게 중심에 있어서의 레이저 빔의 강도를 Ib로 했을 때에, Ib/Ia가 2.0 이하로 되도록 구성된다. 이에 의해, 방향성 전자 강판(10)의 표면에 있어서의 레이저 빔의 강도 분포를 최적의 형상으로 설정할 수 있다. 그 결과, 레이저 빔을 주사 방향으로 주사할 때의 주사 방향에 직교하는 방향으로의 열전도를 억제할 수 있다. 이로 인해, 충분한 강도의 환류 자구를 형성하기 위해 집광 형상을 타원화하고, 그것에 수반하여 방향성 전자 강판(10)의 어느 한점에 대한 레이저 빔의 조사 시간이 길어지는 경우에도, 열전도에 의한 환류 자구 폭의 확대를 억제하는 것이 가능해진다. 이 결과로서, 방향성 전자 강판(10)의 철손의 가일층의 저감이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에 관한 레이저 빔의 강도 분포에서는 강도 분포의 무게 중심에서의 빔 강도 Ib가 과대해지는 것을 억제할 수 있으므로, 방향성 전자 강판(10)의 표면에 있어서의 국소적인 온도 상승을 억제할 수 있고, 이 결과 글래스 피막(14)의 흠집의 발생을 억제할 수 있다.
본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)에 의하면, 상기의 철손 저하와 글래스 피막의 흠집 억제에 의해, 저철손의 방향성 전자 강판(10)을 양호한 수율로 안정적으로 제조할 수 있다. 그 결과, 저철손의 방향성 전자 강판(10)을 보다 저렴하게 공급하는 것이 가능해질 뿐만 아니라, 저철손의 방향성 전자 강판(10)을 세상에 널리 보급시킴으로써 에너지 소비량의 삭감을 실현할 수 있다는 관점에서도, 막대한 경제적 효과가 발휘된다.
이상, 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태 및 실시예에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 이들로 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술의 분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 사람이라면, 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하고, 이들에 대해서도, 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다.
본 발명에 따르면, 방향성 전자 강판의 철손을 저감하면서, 글래스 피막에 있어서의 흠집의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
10 : 방향성 전자 강판
12 : 강판 본체
14 : 글래스 피막
16 : 절연 피막
100 : 레이저 가공 장치
102 : 레이저 발진기
104 : 전송 파이버
106 : 레이저 조사 장치
122 : 레이저 헤드
124 : 콜리메이터 렌즈
126 : 금속 미러
128 : 폴리곤 미러
130 : 포물면 미러

Claims (10)

  1. 방향성 전자 강판에 레이저 빔의 집광 및 주사 방향으로의 주사를 행하여, 상기 방향성 전자 강판의 자구를 세분화하기 위한 레이저 가공 장치이며,
    상기 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진 장치와;
    상기 레이저 발진 장치로부터 전송된 상기 레이저 빔을 상기 방향성 전자 강판에 조사하는 레이저 조사 장치를 구비하고,
    상기 레이저 조사 장치는 상기 방향성 전자 강판에 집광된 상기 레이저 빔의 상기 방향성 전자 강판면 상에 있어서의 상기 주사 방향과 수직인 방향의 단면에서의 강도 분포에 있어서, 상기 강도 분포의 무게 중심을 중심으로 상기 주사 방향과 수직인 방향을 따른 제1 방향 및 제2 방향을 향해 상기 강도 분포를 적분했을 때의 상기 제1 방향에 있어서의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 전체 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Ra1, 상기 제2 방향에 있어서의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 상기 전체 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Ra2로 하고, 상기 Ra1에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ia1, 상기 Ra2에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ia2로 하고, 상기 Ia1과 상기 Ia2의 평균값을 Ia로 하고, 상기 강도 분포의 무게 중심에 있어서의 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ib로 했을 때에, Ib/Ia가 2.0 이하로 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서, 또한, 상기 레이저 조사 장치가,
    상기 방향성 전자 강판에 집광된 상기 레이저 빔의 상기 방향 전자 강판면 상에 있어서의 상기 주사 방향의 단면에서의 강도 분포인 C 방향 강도 분포에 있어서, 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심을 중심으로 상기 주사 방향을 따른 제3 방향 및 제4 방향을 향해 상기 C 방향 강도 분포를 적분했을 때의 상기 제3 방향에 있어서의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 전체 C 방향 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Rc1, 상기 제4 방향에 있어서의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 상기 전체 C 방향 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Rc2로 하고, 상기 Rc1에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ic1, 상기 Rc2에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ic2로 하고, 상기 Ic1과 상기 Ic2의 평균값을 Ic로 하고, 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심에 있어서의 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Id로 했을 때에, Id/Ic가 1.5 내지 10이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Ib/Ia가 1.0 내지 2.0인 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Ra1과 상기 Ra2의 평균값을 Ra로 했을 때, 상기 Ra가 5 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 Ra가 5 내지 60㎛인 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방향성 전자 강판에 집광되는 상기 레이저 빔의 빔 파라미터 곱이 상기 레이저 빔의 파장을 단위 ㎛로 λ로 했을 때, λ/π ~ 10㎜ㆍmrad인 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 발진 장치가 파이버 레이저 또는 디스크 레이저인 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방향성 전자 강판에 집광되는 상기 레이저 빔의 집광 형상이 타원이고,
    상기 타원의 단축 방향이 상기 주사 방향과 수직인 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
  9. 방향성 전자 강판에 레이저 빔을 집광하여 주사 방향으로 주사하고, 상기 방향성 전자 강판의 자구를 세분화하기 위한 레이저 조사 공정을 구비하고,
    상기 방향성 전자 강판에 집광된 상기 레이저 빔의 상기 방향성 전자 강판면 상에 있어서의 상기 주사 방향과 수직인 방향의 단면에서의 강도 분포에 있어서, 상기 강도 분포의 무게 중심을 중심으로 상기 주사 방향과 수직인 방향을 따른 제1 방향 및 제2 방향을 향해 상기 강도 분포를 적분했을 때의 상기 제1 방향에 있어서의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 전체 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Ra1, 상기 제2 방향에 있어서의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 상기 전체 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Ra2로 하고, 상기 Ra1에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ia1, 상기 Ra2에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ia2로 하고, 상기 Ia1과 상기 Ia2의 평균값을 Ia로 하고, 상기 강도 분포의 무게 중심에 있어서의 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ib로 했을 때에, Ib/Ia가 2.0 이하인 것을 특징으로 하는, 레이저 조사 방법.
  10. 제9항에 있어서, 또한, 상기 방향성 전자 강판에 집광된 상기 레이저 빔의 상기 방향 전자 강판면 상에 있어서의 상기 주사 방향의 단면에서의 강도 분포인 C 방향 강도 분포에 있어서, 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터 상기 주사 방향을 따른 제3 방향 및 제4 방향을 향해 상기 C 방향 강도 분포를 적분했을 때의 상기 제3 방향에 있어서의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 전체 C 방향 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Rc1, 상기 제4 방향에 있어서의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 강도 적분값이 상기 전체 C 방향 강도 적분값의 43％가 되는 위치의 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심으로부터의 거리를 Rc2로 하고, 상기 Rc1에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ic1, 상기 Rc2에 대응한 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Ic2로 하고, 상기 Ic1과 상기 Ic2의 평균값을 Ic로 하고, 상기 C 방향 강도 분포의 무게 중심에 있어서의 상기 레이저 빔의 강도를 빔 강도 Id로 했을 때에, Id/Ic가 1.5 내지 10인 것을 특징으로 하는, 레이저 조사 방법.
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