WO2012068829A1 - 一种快速激光刻痕方法 - Google Patents

Description

一种快速激光刻痕方法 发明领域

本发明涉及一种激光刻痕方法， 特别涉及一种快速激光刻痕方法， 通 过采用在带钢上、下表面同时刻痕的方法， 来提高激光刻痕机组加工速度 和刻痕铁损改善率。 背景技术

取向硅钢是用于制造变压器设备的基本材料， 变压器因铁损而大量消耗 电能， 因此降低铁损是生产取向硅钢不懈追求的目标。 硅钢片的铁损可分为 磁滞损耗和涡流损耗， 涡流损耗还可进一歩分为经典涡流损耗 （因涡流引起 的） 和异常涡流损耗 （因磁壁运动引起的， 正比于磁畴宽）， 在工频条件下， 异常涡流损耗约占铁损的一半左右。 随着冶金工艺的发展， （110 ) [001]织构 不断完善， 在二次再结晶中势必引起晶粒生长过快， 形成大晶粒， 导致磁畴 宽度增大， 反常涡流损耗比例增加。 在这种条件下， 继续采用传统的冶金方 法来进一歩降低铁损， 将是愈来愈困难。

为了进一歩细化磁畴来降低取向硅钢铁损,国内外很多钢铁企业或科研 院所对细化磁畴技术展开了研究， 先后开发了机械加工法、 激光照射法、 放 电处理法、 等离子流照射法、 局部加热法、 超声波振动和喷射流体法等表面 处理技术，通过细化 180°磁畴壁间距来细化磁畴，从而达到降低铁损的目的， 其中以激光刻痕法最为突出。

激光照射法通过减小取向硅钢主畴宽度来降低其涡流损耗， 该方法利用 激光束的热量在钢板的表面之下产生一弹性-塑性形变区域，通过在弹塑性形 变区产生的压应力和刻痕间的张应力来减小取向硅钢主畴宽度， 从而达到降 低其涡流损耗的目的， 这种方法由于大大降低了铁损， 而且是非接触加工， 具有非常高的可靠性和可控制性。

针对采用激光刻痕来降低取向硅钢铁损的技术， 许多专利进行了不同的 尝试。

中国专利 CN1216072A公开了一种具有优良磁性能的晶粒取向性电工 钢薄板及其生产工艺和设备， 该方法通过用脉冲激光照射减小 180°磁畴壁间 距提高磁性能。 该方法采用 Q—开关 C0₂激光器在晶粒取向性电工钢薄板表 面照射，激光脉冲的照射功率密度调节到不高于钢板表面的薄膜损阈值，采用 长轴为钢板横向的椭圆形光斑照射以在钢板表面重叠形成连续脉冲光束， 为 磁性能的提高提供所必需的足够的累积照射能。 从而较好地解决了传统脉冲 激光法易对钢板表面薄膜造成照射损伤的问题。 但是该方法为保证足够的能 量积累， 扫描速度不能太快， 从而限制了机组的激光刻痕速度， 不能满足高 速激光刻痕的要求。

中国专利公开号 CN1761764A公开了一种磁特性良好的方向性电磁钢 板及其制造方法， 该方法通过振荡波长 λ为 1.07≤λ≤2.10μπι的连续振荡光纤 维激光束的扫描照射， 极力降低取向硅钢的铁损。 由于采用振荡波长 λ 为 1.07<λ<2.10μπι 的连续振荡光纤维激光， 中心附近的光束强度较高， 根据情 况不同有可能在激光照射后的表面产生凹凸， 如果通过降低平均输出功率 Ρ 来解决这一问题， 相应的扫描速度 V必须同歩降低， 势必会牺牲机组的加工 速度。

中国专利公开号 CN101209514 公开了一种基于振镜阵列的激光在线高 速刻痕装置， 它包括机架、 传送带、 振镜阵列、 激光器阵列、 用于控制振镜 阵列和激光器阵列的控制装置。 该方法由于引入了振镜阵列， 能有效地提高 激光刻痕速度， 具有适应性强、 刻痕速度快、 扫描幅面宽、 生产效率高的优 点， 但仅限于在带钢单面进行激光刻痕， 与其它激光刻痕方法相比， 在刻痕 铁损改善率上并无优势。

中国专利公开号为 CN1076492A 中国专利了一种降低硅钢片铁损的激 光处理方法及装置， 利用激光快速加热和冷却的特点， 对取向硅钢片表面做 划线状处理， 促使加热区产生微小塑性变形和高密度位错， 形成亚晶界， 减 小主畴壁长， 同时引起残余张应力， 达到细化磁畴， 降低铁损的效果。 涉及 的方法可行， 装置简单， 但铁损改善率仅在 5%左右， 改善效率低， 且没有 考虑机组的加工速度。

此外， 中国专利公开号为 CN101348853 提供了一种降低普通取向电 工钢铁损的方法， 该方法严重破坏钢板表面涂层， 刻痕后需重新涂层， 操 作很不方便， 且生产成本高， 目前基本不被采用； 中国专利公开号 CN1244597A中国专利了一种耐热型激光处理取向硅钢表面的方法， 该方 法通过激光局域合金化处理优化磁畴分布降低铁损，使产品具有良好的高 温稳定性和优越的时效性能， 然而该工艺需要先剥离绝缘涂层， 刻痕处理 后又需重新涂层， 工艺复杂且不易实现， 不适合于大生产。 发明概述

本发明的目的在于提供一种快速激光刻痕方法， 通过在取向硅钢带钢 上、下表面同时进行激光刻痕，加工速度达到传统单面激光刻痕方法的 1.5〜 2倍； 激光刻痕产品的铁损改善率稳定达到 10%〜16%。

为达到上述目的， 本发明的技术方案是：

一种快速激光刻痕方法， 采用激光刻痕设备， 在取向硅钢带钢上、 下表 面同时进行激光刻痕， 将高度聚焦的连续波激光束同时在运行的带钢上、 下 表面进行划线， 带钢上、 下表面刻痕线采用等间距交错的形式， 以保证刻痕 铁损改善效果均匀，带钢单个表面的刻痕线间距 6〜12mm;激光功率 1000〜 3000W, 扫描速度 100〜400m/min。

在激光功率和扫描速度一定的情况下， 刻痕线的应力影响区域是一定 的， 而取向硅钢磁畴的细化程度与应力成正比， 因此， 随着刻痕线间距的减 小， 取向硅钢的主磁畴宽度得到细化， 铁损呈下降趋势。 但当磁畴宽度小于 某一尺寸 （约 0.2mm) 时， 磁滞铁损急剧上升， 整体铁损增大， 以 B23R090 牌号为例铁损和磁畴宽度的关系如图 2所示。 因此为保证激光刻痕铁损改善 效果， 刻痕线间距的选择以使磁畴宽度达到最低铁损为宜。

此外， 在扫描速度一定的情况下， 刻痕机组加工最大速度和刻痕间距呈 正向关系 （见图 3 )， 刻痕线间距越大， 机组允许的最大加工速度越高。 综合 考虑刻痕效果和机组加工速度， 本发明方法的刻痕间距选择 6〜12mm之间。

本发明的有益效果

1、 本发明由于上、 下表面闭合磁畴的叠加效应， 可以进一歩细化磁 畴， 达到提高刻痕铁损改善率的目的。

2、 本发明在取向硅钢带钢上、 下表面同时进行激光刻痕， 带钢单个表 面的刻痕线间距最大可以达到 12mm， 而传统单面激光刻痕方法为达到 10% 的铁损改善率， 刻痕线间距最大不超过 6mm， 刻痕速度可以提高 1.5〜2倍。 因此， 采用本发明方法的机组最大加工速度可以达到传统单面激光刻痕方法 机组最大加工速度的 2倍以上从而适合于高速、 大规模连续加工， 并且可以 降低生产成本。

3、 由于本发明采用了在取向硅钢带钢上、 下表面同时进行激光刻痕 的方法， 带钢上、 下表面的刻痕应力均可起到进一歩细化磁畴的效果， 铁 损改善率可以稳定达到 10%〜16%， 刻痕最大铁损改善率可以达到 16%， 而传统单面激光刻痕方法最大只能达到 13%， 因此， 本发明方法的激光刻 痕铁损改善率要优于传统激光刻痕方法。 附图说明

图 1本发明激光照射光路示意图。

图 2为取向硅钢铁损和磁畴宽度的关系 （0.23mm规格 R090牌号产

P Λ

m )

图 3为刻痕机组加工速度和刻痕线间距的关系（连续激光源， 双激光 头， 250m/min的扫描速度下的机组加工速度） 。

图 4为本发明的实施例， 0.23mmNSGO在不同刻痕间距下的铁损改 善率。（采用波长为 10.6μπι的 C0₂气体连续波激光源，光斑直径 0.2 x 8mm， 激光功率 2000W , 扫描速度 250m/min ) 。 发明的详细说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一歩说明。

参见图 1， 本发明的快速激光刻痕方法， 采用激光刻痕设备， 在取向 硅钢带钢上、下表面同时进行激光刻痕， 将高度聚焦的连续波激光束同时 在运行的带钢上、 下表面进行划线， 带钢上、 下表面刻痕线采用等间距交 错的形式，以保证刻痕铁损改善效果均匀，带钢单个表面的刻痕线间距 6〜 12mm ; 激光功率 1000〜3000W， 扫描速度 100〜400m/min。

以波长为 10.6μπι的 C0₂气体连续波激光源， 单侧采用双激光发射器 同时刻痕为例进行说明， 参见表 1。 表 1

带钢 激光 扫描 扫描 扫描 机组最高

P17/50,W/kg 铁损 序号 厚度 功率 速度 幅宽 间距 速度

改善率％ mm W m/min mm mm m/min 刻痕前 刻痕后 实施例 1 0.23 2000 250 1200 6 102 0.88 0.75 14.77 实施例 2 0.23 7 120 0.89 0.74 16.85 实施例 3 0.23 8 138 0.89 0.75 15.73 实施例 4 0.23 9 156 0.87 0.74 14.94 实施例 5 0.23 10 174 0.87 0.75 13.79 实施例 6 0.23 11 192 0.89 0.77 13.48 实施例 7 0.23 1000 150 112 0.88 0.75 14.77 实施例 8 0.23 1500 200 140 0.87 0.75 13.79 实施例 9 0.23 2500 300 1200 10 200 0.89 0.76 14.61 实施例

0.23 3000 350 220 0.88 0.76 13.64 10

对比例 1 0.23 3 48 0.91 0.81 10.99 对比例 2 0.23 4 66 0.89 0.78 12.36 对比例 3 0.23 2000 250 1200 5 84 0.89 0.78 12.36 对比例 4 0.23 6 102 0.90 0.81 10.00 对比例 5 0.23 7 120 0.87 0.80 8.05 对比例 6 0.23 1000 150 56 0.87 0.78 10.34 对比例 7 0.23 1500 200 70 0.89 0.80 10.11

1200 5

对比例 8 0.23 2500 300 100 0.88 0.78 11.36 对比例 9 0.23 3000 350 110 0.88 0.80 9.09 由图 2可见， 随着磁畴宽度的细化， 铁损呈下降趋势， 但当磁畴宽度 小于某一尺寸 （约 0.2mm) 时， 磁滞铁损急剧上升， 整体铁损增大。

由图 3可见， 刻痕机组加工最大速度和刻痕间距呈正比关系， 刻痕线 间距越大， 机组允许的最大加工速度越高。

对比例和实施例的刻痕间距和铁损改善率的关系见图 4， 由表 1和图

4可见， 对于相同激光源， 在带钢厚度、 激光功率、 扫描速度、 扫描幅宽 等条件一致的情况下， 采用在带钢上、下表面同时进行刻痕的方法较单面 刻痕的刻痕线间距可以更大，刻痕机组加工速度更高，同时改善效率更高。

综上所述， 本发明方法在取向硅钢带钢上、 下表面同时进行刻痕， 与上 述技术相比， 具有刻痕速度快、 刻痕效率高的明显优势。

Claims

权 利 要 求 书

1. 一种快速激光刻痕方法， 采用激光刻痕设备， 在取向硅钢带钢上、 下表面 同时进行激光刻痕， 将高度聚焦的连续波激光束同时在运行的带钢上、 下表 面进行划线， 带钢上、 下表面刻痕线采用等间距交错的形式， 以保证刻痕铁 损改善效果均匀， 带钢单个表面的刻痕线间距 6〜12mm_; 激光功率 1000〜 3000W, 扫描速度 100〜400m/min。