專利名稱：通過(guò)激光刻痕改善取向硅鋼磁性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及取向硅鋼制造技術(shù)，具體地指一種通過(guò)激光刻痕改善取向硅鋼磁性能 的方法。
背景技術(shù)：
取向硅鋼片主要用作變壓器的鐵芯材料。降低取向硅鋼片的鐵損可以減少變壓器 工作過(guò)程中的能量損耗，這對(duì)于節(jié)能減排是非常重要的。取向硅鋼片的鐵損由磁滯損耗和 渦流損耗構(gòu)成，渦流損耗又分為經(jīng)典渦流損耗和異常渦流損耗。異常渦流損耗是以磁疇壁 的移動(dòng)為基礎(chǔ)的渦流損失，與磁疇壁的移動(dòng)速率成正比，在相同頻率下，磁疇壁的移動(dòng)速率 與移動(dòng)距離成正比，所以磁疇寬度越大，渦流損失也越大。在工頻狀態(tài)下，異常渦流損耗約 占鐵損的一半左右，隨著取向硅鋼片的不斷進(jìn)步，其所占的比例還在不斷增大。為了降低異常渦流損耗，科研人員一般采用減小取向硅鋼片主疇寬度的方法。日 本發(fā)明專利特開(kāi)昭58-26405提出了一種通過(guò)激光照射減小主疇寬度、降低鐵損的方法，其 通過(guò)激光照射的熱沖擊作用在照射區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力從而細(xì)化磁疇。這種方法的缺陷是激光照 射產(chǎn)生的應(yīng)力經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火后會(huì)消失，從而失去磁疇細(xì)化的效果，因此這種方法不適合 用作卷繞鐵芯的取向硅鋼片。另有一些可以經(jīng)受去應(yīng)力退火的磁疇細(xì)化技術(shù)已經(jīng)被提出， 這些技術(shù)是在取向硅鋼片表面垂直于軋制的方向引入與基體磁導(dǎo)率不同的線狀或點(diǎn)線狀 區(qū)域，其具體方案包括如下幾類齒狀輥壓痕形成線狀溝槽的方法(參見(jiàn)日本發(fā)明專利特 開(kāi)昭63-44804)；通過(guò)化學(xué)刻蝕在表面形成線坑的方法(參見(jiàn)美國(guó)發(fā)明專利US4750949)； 采用Q開(kāi)關(guān)二氧化碳激光器在表面形成由一系列的坑組成的溝槽的方法(參見(jiàn)日本發(fā)明 專利特開(kāi)平7-220913)；此外還有通過(guò)激光照射在取向硅鋼片表面形成熔融重凝固層的方 法。對(duì)于上述機(jī)械壓痕方法而言，取向硅鋼片較高的硬度將導(dǎo)致齒輥在使用很短時(shí)間 后就磨損，需要頻繁維護(hù)。對(duì)于上述化學(xué)刻蝕方法而言，需要在刻蝕前施加掩膜，刻蝕后再 去掉掩膜，其工藝比機(jī)械壓痕方法還要復(fù)雜，而且取向硅鋼片的磁感降低嚴(yán)重。對(duì)于上述Q 開(kāi)關(guān)二氧化碳激光器照射方法和在取向硅鋼片表面形成熔融重凝固層的方法而言，雖然沒(méi) 有前兩種方法維護(hù)頻繁、工藝復(fù)雜的問(wèn)題，但Q開(kāi)關(guān)二氧化碳激光器照射位置的熱輸入過(guò) 高，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)取向硅鋼片產(chǎn)生井狀形變，從而導(dǎo)致其疊片系數(shù)降低，而在表面形成熔融重 凝固層對(duì)取向硅鋼片的板形破壞較大，其鐵損降低的幅度不理想。為了解決上述幾類技術(shù)方案存在的問(wèn)題，歐洲發(fā)明專利EP0992591提出了一種通 過(guò)激光照射在取向硅鋼片兩面都形成溝槽的方法，但這種方法需要將兩面對(duì)應(yīng)溝槽的位置 偏差控制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，這在實(shí)際生產(chǎn)上是很難實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提供一種通過(guò)激光刻痕改善取向硅鋼磁性能的方法。采用該 方法處理取向硅鋼既可避免板型破壞，又可阻止磁感惡化，同時(shí)可大幅降低其在去應(yīng)力退火后的鐵損。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的通過(guò)激光刻痕改善取向硅鋼磁性能的方法，是 采用激光束在高溫退火后的取向硅鋼片表面上刻劃出若干條平行布置的線狀或點(diǎn)線狀溝 槽，各條線狀或點(diǎn)線狀溝槽與取向硅鋼片軋制方向的夾角α =78 88°，相鄰線狀或點(diǎn) 線狀溝槽沿取向硅鋼片軋制方向的間距d = 3 5mm，各條線狀或點(diǎn)線狀溝槽的溝槽深度h =15 30 μ m、溝槽寬度b = 50 65 μ m。作為優(yōu)選方案，所述各條線狀或點(diǎn)線狀溝槽與取向硅鋼片軋制方向的夾角α = 80 82°，最佳夾角α = 80°。進(jìn)一步地，所述各條線狀或點(diǎn)線狀溝槽較佳的設(shè)計(jì)參數(shù)為溝槽深度h = 18 25 μ m、溝槽寬度b = 55 65 μ m。更進(jìn)一步地，所述激光束較佳的工作參數(shù)為光斑直徑D = 7 13 μ m、照射點(diǎn)峰 值功率密度N = IO8 109W/cm2，激光平均輸出功率J(W)與激光束掃描線速度V(mm/s)之 比J/V = 0. 005 0. 1 ；所述激光束最佳的光斑直徑D = 10 μ m、照射點(diǎn)峰值功率密度N = 5X108W/cm2、激光平均輸出功率J(W)與激光束掃描線速度V(mm/s)之比P/V = 0. 01 0. 03。本發(fā)明通過(guò)激光束照射刻痕在取向硅鋼片的單面形成一系列平行布置的線狀或 點(diǎn)線狀溝槽，并通過(guò)對(duì)這些線狀或點(diǎn)線狀溝槽的間距、布置角度、尤其是溝槽深度和溝槽寬 度的合理控制，達(dá)到了既不破壞取向硅鋼片板型又可明顯降低鐵損的目的，其鐵損降低效 果經(jīng)過(guò)80(TC去應(yīng)力退火后不會(huì)消失，疊片系數(shù)也不會(huì)降低，磁感基本上沒(méi)有惡化。同時(shí)，采 用激光束照射刻痕的工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)上易于控制。由此有效克服了現(xiàn)有機(jī)械法和化學(xué)法存 在維護(hù)頻繁、工藝復(fù)雜的問(wèn)題，也有效解決了現(xiàn)有激光照射法存在的破壞板型、鐵損降低效 果不明顯或生產(chǎn)難以控制的問(wèn)題。以下對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的作用機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明通過(guò)激光精確刻痕在取向硅鋼 片表面形成上述設(shè)計(jì)角度、間距、深度和寬度的線狀或點(diǎn)線狀溝槽后，可起到阻斷磁通的作 用，有利于自由磁極的產(chǎn)生，在平行的線狀或點(diǎn)線狀溝槽間張力的作用下，自由磁極長(zhǎng)大成 180°疇，從而使磁疇得以細(xì)化。試驗(yàn)表明經(jīng)過(guò)本發(fā)明處理在取向硅鋼片表面所形成的溝 槽，在800°C、2小時(shí)消除應(yīng)力退火后也不會(huì)消失。如果線狀或點(diǎn)線狀溝槽的間距d < 3mm，由內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的晶體缺陷導(dǎo)致的磁滯損 耗的增加將會(huì)大于磁疇細(xì)化導(dǎo)致的渦流損耗的降低，這樣不但對(duì)鐵損降低的效果不明顯， 還會(huì)導(dǎo)致磁感的降低。如果線狀或點(diǎn)線狀溝槽的間距d> 5mm，所產(chǎn)生的張應(yīng)力將不足以形 成足夠多的180°疇，鐵損降低的效果也不好。由于取向硅鋼片的<001>方向與軋制方向有一定的傾角，因此180°疇并非平行 于軋制方向，而是相應(yīng)地與軋制方向有一定的傾角。由于磁疇細(xì)化是通過(guò)線狀或點(diǎn)線狀溝 槽之間的張力產(chǎn)生的，張力的方向相應(yīng)地要與軋制方向成一定的傾角。根據(jù)取向硅鋼片的 晶體學(xué)方向，使線狀或點(diǎn)線狀溝槽與取向硅鋼片軋制方向成一定的夾角α更有利于得到 好的刻痕效果。但如果這個(gè)夾角α <78°，不但不利于增加張力，而且還會(huì)有很多非180° 疇產(chǎn)生，導(dǎo)致取向硅鋼片的磁性惡化。線狀或點(diǎn)線狀溝槽的溝槽深度h和溝槽寬度b也必須控制在一定的范圍內(nèi)。如果 溝槽深度11 < 15μπι或溝槽寬度< 50μπι，將不能產(chǎn)生足夠的張應(yīng)力，從而使取向硅鋼片在去應(yīng)力退火后的鐵損降低效果不理想。如果溝槽深度h > 30 μ m，將導(dǎo)致取向硅鋼片板型破 壞，疊片系數(shù)降低。如果溝槽寬度b > 65μπι，將產(chǎn)生過(guò)多的晶體缺陷，導(dǎo)致磁感降低，磁滯 損耗增加，鐵損降低效果也不好。為了獲得設(shè)計(jì)需要的線狀或點(diǎn)線狀溝槽，激光束的工作參數(shù)也很重要。光纖激光 器能夠產(chǎn)生質(zhì)量極其優(yōu)良的連續(xù)激光束，經(jīng)焦距適當(dāng)?shù)耐哥R聚焦后，其光斑直徑D可控制 在7 13 μ m的狹小范圍，只有多模Nd: YAG激光器的十分之一，其照射點(diǎn)峰值功率密度N 可達(dá)IO8 109W/cm2，從而可以通過(guò)激光功率和掃描線速度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)溝槽深度和溝槽寬 度的準(zhǔn)確控制，是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明最理想的激光器。另外，光纖激光器的運(yùn)行可靠性好，光電轉(zhuǎn) 換效率高，可大幅降低取向硅鋼片的處理和維護(hù)成本。采用本發(fā)明技術(shù)方案處理的取向硅鋼片，既能用于卷繞鐵芯變壓器，也能用于疊 片鐵芯變壓器。特別是對(duì)高磁感取向硅鋼片而言，經(jīng)過(guò)激光刻痕處理后其品質(zhì)和檔次均有 大幅提高，與未處理的高磁感取向硅鋼片相比市場(chǎng)差價(jià)達(dá)356元/噸，一萬(wàn)噸即可為企業(yè)增 加效益356萬(wàn)元。


圖1為通過(guò)激光刻痕在取向硅鋼片表面上形成線狀或點(diǎn)線狀溝槽的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的A-A剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為在本發(fā)明刻痕參數(shù)范圍內(nèi)的一種取向硅鋼片表面上的線狀或點(diǎn)線狀溝槽 的電子顯微形貌示意圖。圖4為在本發(fā)明刻痕參數(shù)范圍外的一種取向硅鋼片表面上的線狀或點(diǎn)線狀溝槽 的電子顯微形貌示意圖。圖5為激光刻痕參數(shù)確定狀況下，取向硅鋼片的鐵損改善百分?jǐn)?shù)與磁感惡化百分 數(shù)隨線狀或點(diǎn)線狀溝槽間距的變化關(guān)系示意圖。圖6為線狀或點(diǎn)線狀溝槽間距和布置夾角確定狀況下，取向硅鋼片的鐵損改善百 分?jǐn)?shù)與溝槽深度和溝槽寬度的變化關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明通過(guò)激光刻痕改善取向硅鋼磁性能的方法 作進(jìn)一步的詳細(xì)描述圖如1、2所示，高磁感取向硅鋼片1表面上刻劃有線狀或點(diǎn)線狀溝槽2，各條線狀 或點(diǎn)線狀溝槽2與取向硅鋼片1軋制方向(圖中所示的R. D方向)的夾角α =78 88°， 相鄰線狀或點(diǎn)線狀溝槽2沿取向硅鋼片1軋制方向的間距d = 3 5mm，各條線狀或點(diǎn)線 狀溝槽2的溝槽深度h = 15 30 μ m、溝槽寬度b = 50 65 μ m。其是通過(guò)如下方法獲得 的將光纖激光器所生產(chǎn)激光束的工作參數(shù)調(diào)整到如下范圍光斑直徑D = 7 13μπκ照 射點(diǎn)峰值功率密度N = IO8 109W/cm2，具體工作時(shí)穩(wěn)定在光斑直徑D = 10 μ m、照射點(diǎn)峰 值功率密度N = 5X108W/cm2、激光平均輸出功率J(W)與激光束掃描線速度V(mm/s)之比 J/V = 0. 01 0. 03。采用調(diào)整好的激光束在高溫退火后的高磁感取向硅鋼片1表面上刻 劃出線狀或點(diǎn)線狀溝槽2即可。當(dāng)然，也可在高溫退火后并形成絕緣涂層的高磁感取向硅 鋼片1表面上刻痕，此時(shí)激光束會(huì)將對(duì)應(yīng)于線狀或點(diǎn)線狀溝槽2處的絕緣涂層破壞掉。針對(duì)線狀或點(diǎn)線狀溝槽2的間距d、布置角度α、溝槽深度h和溝槽寬度b取不同的值，可以 獲得不同高磁感取向硅鋼片1的性能參數(shù)，具體描述如下。如圖3所示為在本發(fā)明刻痕參數(shù)范圍內(nèi)的一種高磁感取向硅鋼片表面上的線狀 或點(diǎn)線狀溝槽2的電子顯微形貌示意圖。該線狀或點(diǎn)線狀溝槽2與取向硅鋼片1軋制方向 夾角α =80°、相鄰線狀或點(diǎn)線狀溝槽2的間距d = 5mm，從該電子顯微形貌示意圖可測(cè)得 其溝槽深度h = 18. 25 μ m、溝槽寬度b = 57. 64 μ m。通過(guò)實(shí)際測(cè)量試樣可知，其去應(yīng)力退火 后鐵損改善幅度Δ P和磁感惡化幅度Δ B分別為9. 2%和0. 45%。其中Δ P =(刻痕前測(cè) 得的試樣的鐵損-刻痕并退火后測(cè)得的試樣的鐵損)/刻痕前測(cè)得的試樣的鐵損χιοο% ； ΔΒ =(刻痕并退火后測(cè)得的試樣的磁感-刻痕前測(cè)得的試樣的磁感)/刻痕前測(cè)得的試樣 的磁感X 100%。如圖4所示為在本發(fā)明刻痕參數(shù)范圍外的一種高磁感取向硅鋼片表面上的線狀 或點(diǎn)線狀溝槽2的電子顯微形貌示意圖。該線狀或點(diǎn)線狀溝槽2與取向硅鋼片1軋制方向 夾角α =80°、相鄰線狀或點(diǎn)線狀溝槽2的間距d = 5mm，從該電子顯微形貌示意圖可測(cè) 得其溝槽深度h = 22. 51 μ m、溝槽寬度b = 45. 25 μ m。通過(guò)實(shí)際測(cè)量試樣可知，其去應(yīng)力 退火后鐵損改善幅度Δ P和磁感惡化幅度Δ B分別為5. 24%和0.80%。由此可見(jiàn)，當(dāng)溝槽 深度h和溝槽寬度b不能同時(shí)滿足本發(fā)明要求時(shí)，得不到好的鐵損改善效果。如圖5所示為激光束的光斑直徑D = 10 μ m、照射點(diǎn)峰值功率密度N = 5X IO8W/ cm2、線狀或點(diǎn)線狀溝槽2與取向硅鋼片1軋制方向的夾角α =80°、相鄰線狀或點(diǎn)線狀溝 槽2的間距d = 2 6mm的狀況下，取向硅鋼片的鐵損改善百分?jǐn)?shù)Δ P與磁感惡化百分?jǐn)?shù) ΔΒ隨線狀或點(diǎn)線狀溝槽間距的變化關(guān)系示意圖。從圖5可以看出如果取向硅鋼片1在本 發(fā)明限定的相鄰線狀或點(diǎn)線狀溝槽2的間距d = 3 5mm的范圍內(nèi)刻痕，其鐵損改善百分 數(shù)ΔP可以達(dá)到7 9%，磁感惡化百分?jǐn)?shù)ΔB只有0.4 0.7%。如果超出上述間距d的 范圍刻痕，則鐵損改善百分?jǐn)?shù)ΔΡ只有3 5%，而磁感惡化百分?jǐn)?shù)ΔΒ卻達(dá)到了 1 2%。如圖6所示為線狀或點(diǎn)線狀溝槽2與取向硅鋼片1軋制方向的夾角α =80°、相 鄰線狀或點(diǎn)線狀溝槽2的間距d = 5mm的狀況下，取向硅鋼片的鐵損改善百分?jǐn)?shù)ΔΡ與溝 槽深度h和溝槽寬度b的變化關(guān)系示意圖。從圖6可以看出只有同時(shí)滿足溝槽深度h = 15 30μm、溝槽寬度b = 50 65 μ m時(shí)，才能達(dá)到良好的鐵損降低效果。溝槽深度h和 溝槽寬度b有一個(gè)不滿足所要求的范圍時(shí)，鐵損改善效果都不好。
權(quán)利要求
一種通過(guò)激光刻痕改善取向硅鋼磁性能的方法，其特征在于該方法是采用激光束在高溫退火后的取向硅鋼片(1)表面上刻劃出若干條平行布置的線狀或點(diǎn)線狀溝槽(2)，各條線狀或點(diǎn)線狀溝槽(2)與取向硅鋼片(1)軋制方向的夾角α＝78～88°，相鄰線狀或點(diǎn)線狀溝槽(2)沿取向硅鋼片(1)軋制方向的間距d＝3～5mm，各條線狀或點(diǎn)線狀溝槽(2)的溝槽深度h＝15～30μm、溝槽寬度b＝50～65μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過(guò)激光刻痕改善取向硅鋼磁性能的方法，其特征在于所 述各條線狀或點(diǎn)線狀溝槽(2)與取向硅鋼片(1)軋制方向的夾角α = 80 82°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過(guò)激光刻痕改善取向硅鋼磁性能的方法，其特征在于所 述各條線狀或點(diǎn)線狀溝槽(2)與取向硅鋼片(1)軋制方向的夾角α =80°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的通過(guò)激光刻痕改善取向硅鋼磁性能的方法，其特征 在于所述各條線狀或點(diǎn)線狀溝槽(2)的溝槽深度h = 18 25 μ m、溝槽寬度b = 50 60 μ m0
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的通過(guò)激光刻痕改善取向硅鋼磁性能的方法，其特征 在于所述激光束的光斑直徑D = 7 13 μ m、照射點(diǎn)峰值功率密度N = IO8 109W/cm2、激 光平均輸出功率J(W)與激光束掃描線速度V(mm/s)之比J/V = 0. 005 0. 1。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的通過(guò)激光刻痕改善取向硅鋼磁性能的方法，其特征在于所 述激光束的光斑直徑D = 7 13 μ m、照射點(diǎn)峰值功率密度N = IO8 109W/cm2、激光平均 輸出功率J(W)與激光束掃描線速度V(mm/s)之比J/V = 0.005 0. 1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的通過(guò)激光刻痕改善取向硅鋼磁性能的方法，其特征 在于所述激光束的光斑直徑D = 10 μ m、照射點(diǎn)峰值功率密度N = 5X 108W/cm2、激光平均 輸出功率J(W)與激光束掃描線速度V(mm/s)之比J/V = 0.01 0.03。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的通過(guò)激光刻痕改善取向硅鋼磁性能的方法，其特征在于所 述激光束的光斑直徑D = 10 μ m、照射點(diǎn)峰值功率密度N = 5X 108W/cm2、激光平均輸出功率 J(W)與激光束掃描線速度V(mm/s)之比J/V = 0. 01 0. 03。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種通過(guò)激光刻痕改善取向硅鋼磁性能的方法。該方法采用激光束在高溫退火后的取向硅鋼片表面上刻劃出若干條平行布置的線狀或點(diǎn)線狀溝槽，各條線狀或點(diǎn)線狀溝槽與取向硅鋼片軋制方向的夾角α＝78～88°，相鄰線狀或點(diǎn)線狀溝槽沿取向硅鋼片軋制方向的間距d＝3～5mm，且溝槽深度h＝15～30μm、溝槽寬度b＝50～65μm。所述激光束較佳的工作參數(shù)為光斑直徑D＝7～13μm、照射點(diǎn)峰值功率密度N＝108～109W/cm2。采用激光刻痕既不破壞取向硅鋼片的板型，又可明顯降低鐵損，其鐵損降低效果經(jīng)過(guò)800℃、2小時(shí)去應(yīng)力退火后不會(huì)消失，疊片系數(shù)不會(huì)降低，磁感基本上沒(méi)有惡化。同時(shí)，其工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)易于控制，特別適于改善高磁感取向硅鋼片的性能，經(jīng)處理后既能用于卷繞鐵芯變壓器，也能用于疊片鐵芯變壓器。
文檔編號(hào)B23K26/06GK101979676SQ201010562949
公開(kāi)日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者張福斌, 朱業(yè)超, 楊皓, 林勇, 毛炯輝, 王向欣, 王若平, 胡守天 申請(qǐng)人:武漢鋼鐵(集團(tuán))公司