Brevet FR2673557A1 — publié le 19920911

La présente invention concerne un procédé et un dispositif optique pour le traitement par irradia- tion laser au défilé de la surface d'un produit en matériau magnétique et notamment d'une bande de tôle en acier, dispositif équipé d'une source de rayonne- ment laser, rayonnement dont l'impact est constitué de traits continus sur toute ou partie de la largeur du produit traité, perpendiculaires ou inclinés par rapport à la direction de défilement et régulièrement espacési Il est connu que les pertes magnétiques d'un certain nombre de produits, telles que les tôles à usage électromagnétique, peuvent être réduites de ma- nière très significative par irradiation de la surface du matériau avec un rayonnement émis par un laser. La technique classique de traitement à l'aide d'un laser d'un produit mince magnétique utili- se le balayage, notamment grâce à un système optique rotatif, d'un faisceau laser ponctuel focalisé, perpendiculairement à la direction de déplacement du produit. Des systèmes de balayage à l'aide d'un fais- ceau laser focalisé perpendiculairement au sens de la- minage de tôles en mouvement décrits dans les docu- ments EP O 140 663 et O 102 732, sont complexes et portent des éléments en mouvement rotatifs tels que miroirs, moteurs, qui nécessitent un contrôle, une mise au point, donc, un entretien constant. La présente invention concerne un procédé de traitement par irradiation laser au défilé de la surface d'un produit magnétique dans lequel on effectue simultanément sur toute une ligne correspon- dant à une largeur du produit traité, l'irradiation laser. La présente invention concerne également un dispositif avec une configuration optique plus simple à mettre en oeuvre car statique: ce dispositif assure la transformation d'un faisceau électromagnétique en un trait dont la longueur est pratiquement égale à la largeur du produit ou de la bande de tôle à traiter en mouvement et dont la largeur est fonction de la foca- lisation désirée. Selon le procédé de l'invention, un faisceau de rayonnement laser est anamorphosé de façon à pro- duire, dans un plan perpendiculaire au plan focal d'une lentille cylindrique divergente, un plan de lumière homogène dont les caractéristiques dépendent de la dimension du faisceau issu du laser et des composants optiques utilisées pour le dispositif de mise en oeuvre du procédé. L'invention a également pour objet un dispositif optique statique pour le traitement par irradiation laser au défilé de la surface d'un produit en matériau magnétique, et notamment d'une bande de tôle d'acier, dispositif équipé d'une source de rayon- nement laser et caractérisé en ce qu'il comprend une combinaison optique disposée entre la source et le produit, composée de lentilles dont au moins une, est sensiblement cylindrique et divergente, les axes focaux étant orthogonaux à la direction d'émission de la source, de manière à transformer le faisceau issu de la source en un trait relativement étroit focalisé sur la surface du produit à traiter et orienté approximativement transversalement à la direction du mouvement. Les autres caractéristiques de l'invention sont: la combinaison optique comprend une len- tille divergente proche de la source et une lentille convergente proche du produit; la lentille convergente proche du produit à traiter est une lentille cylindro-torique de focali- sation; le rayonnement laser est pulsé à une fré- quence inférieure à 500 Hertz, et de préférence entre et 100 Hertz; la durée de l'impulsion est comprise entre ns et 10 ms et de préférence d'environ 0,2 ms; la longueur du trait occupe toute la lar- geur du produit et sa largeur est comprise dans l'in- tervalle 10 à 200 pm; la source de rayonnement est un laser Nd = YAG, un laser au C 02, un laser solide semi-conducteur constitué d'au moins une diode. L'invention a pour objet l'application de ce dispositif au traitement de tôles magnétiques à grains orientés de texture de GOSS ( 110) t 001 j, de tôles magnétiques à grains orientés de texture cubique ( 100) t 001 J, de rubans et/ou feuillard amorphes, et dont l'épaisseur est inférieure à 0,50 mm environ afin d'en réduire les pertes magnétiques en watt/Kg. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la lecture de la description et des revendications qui suivent ainsi que de l'examen du dessin annexé, donné seulement à bitre d'exemple, o les Figures 1 et 2 sont des vues schématiques de face et de côté d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Les Figures 1 et 2 présentent schématique- ment deux lentilles 21 et 22 d'une combinaison 20 dans deux plans perpendiculaires La lentille 21 est cylindrique divergente dans le plan défini par la lar- geur du produit P Elle produit un faisceau divergent dont l'épaisseur est égale au diamètre du faisceau F incident émis par un laser 10 La lentille 22 est cy- lindrique convergente Elle focalise la lumière selon un trait T et permet de définir et régler l'épaisseur ou largeur du trait. Pour des traits focalisés de grandes dimen- sions, l'onde cylindrique qui se propage entre les deux lentilles, s'éloigne fortement du critère de Rayleigh calculé à partir de l'onde plane Dans ce cas, la lentille 22 est complexe et s'apparente à une lentille cylindro-torique Pour des raisons de fabri- cation, cette dernière peut être faite en plusieurs tronçons. Cependant, le fait d'effectuer, simultané- ment, sur toute une ligne correspondant à une largeur du produit traité, l'irradiation laser assure une homogénéité de la distribution en surface des impacts laser et de ce fait des caractéristiques magnétiques homogènes audit produit. L'efficacité de l'invention a été constaté en traitant des tôles à grains orientés de texture de Goss ( 110) (O 01 J,à haute perméabilité, dont la croissance sélective des grains pendant la recris- tallisation secondaire est contrôlée par les inhibi- teurs Mn S et Al N L'invention est applicable quel que soit le procédé de fabrication de la tôle à haute per- méabilité qui a dans cet exemple de gros grains, typiquement de 5 à 25 mm de taille moyenne Il est donc particulièrement avantageux de les traiter par un rayonnement laser afin d'affiner les domaines magnétiques et de réduire les pertes magnétiques en watt/Kg. Un essai a été conduit avec un laser Nd YAG (grenat d'yttrium et aluminium dopé au néodyme) émettant un rayonnement de longueur d'onde 1,06 >m. Une fréquence de pulsation du laser étant fixée, on fait varier la distance entre les traits en agissant sur la vitesse de défilement du produit à traiter dont le sens du déplacement est repéré par une flèche sur la figure 2 La tôle à grains orientés de texture de Goss ( 110) t O 11 J, qui a subi le traitement par irradiation laser, était revêtu d'un revêtement isolant à base de phosphate et de silice qui exerce une influence bénéfique sur le niveau des pertes en watt/Kg en imposant l'équivalent d'une contrainte de traction parallèle à la direction de laminage Un apport d'énergie trop important est susceptible de dégrader le revêtement, ce qui rendrait nécessaire de soumettre le produit traité par irradiation laser à un deuxième traitement d'isolation L'absence de dégrada- tion du revêtement est due au fait que l'absorption du rayonnement laser par le revêtement de la tôle est faible. L'intervalle entre les traits produits par le faisceau laser sur la tôle a été fixé à 5 mm Cette valeur peut être ajustée en fonction de la taille moyenne des grains. Le Tableau 1 présente l'influence du traite- ment laser sur l'amélioration de pertes en watts Dans cet exemple, la fréquence de pulsation du laser est de Hz La durée de l'impulsion électromagnétique est de 0,2 ms et l'énergie par impulsion est de l'ordre de 1 Joule, de préférence comprise entre 0,8 et 1,1 Joule La largeur du trait d'impact est de l'ordre de ,,m. PO et Pl représentent respectivement à 1,7 Tesla et 50 Hertz les pertes magnétiques en watt/kg avant et après irradiation laser à l'aide du disposi- tif optique selon l'invention des échantillons préle- vés dans une tôle à haute perméabilité d'épaisseur de 0,23 mm et ayant subi un recuit de relaxation de con- traintes de découpage Des réductions des pertes pouvant atteindre 20 % ont été observées pour des réglages appropriés, sans dégradation du revêtement. B O et Bl représentent l'induction sous un champ de 800 A/m avant et après le traitement laser. Les valeurs de B et B 1 i avant et après traitement laser, sont pratiquement identiques. La durée de l'impulsion électromagnétique dépend à la fois de la nature des matériaux et de la distribution temporelle de l'énergie apportée Cette durée est toutefois supérieure à 10 ns et inférieure à ms. Les caractéristiques magnétiques après trai- tement laser dépendent de la perméabilité et de la di- mension moyenne des gains de l'échantillon à traiter. Dans les conditions définies auparavant, le pourcen- tage moyen d'amélioration des pertes magnétiques en watt/Kg obtenu avec un grand nombre de tôles de haute perméabilité, d'épaisseur 0,23 mm, est de l'ordre de 12 % pour une densité d'énergie du rayonnement d'environ 12 Joules/cm L'amélioration est fonction de l'énergie apportée mais, au-delà d'une densité d'énergie donnée d'environ 20 Joules/cm 2, une dégradation du revêtement est observée Le seuil de détérioration du revêtement varie avec la nature et les caractéristiques en absorption du revêtement ainsi qu'avec le profil de la distribution spatiale de l'énergie. Les pertes magnétiques d'une tôle à haute perméabilité dépendent de l'épaisseur de la tôle Dans les mêmes conditions que précédemment, le pourcentage moyen d'amélioration des pertes a été de 8,6 % avec des tôles d'épaisseur 0,27 mm. L'homogénéité de la distribution d'énergie influence le degré d'amélioration des pertes Pour une même distance entre traits et pour une exploration des durées des impulsions électromagnétiques, les densités d'énergie varient mais le pourcentage d'amélioration moyen des pertes en watt des échantillons de 0,23 mm d'épaisseur reste compris entre environ 11 et 12 %. Pour obtenir les effets désirés, il convient de veiller avec attention à l'aspect temporel de l'ap- port, du dépôt d'énergie par le faisceau laser, faute de quoi, il est particulièrement difficile d'aboutir à de bonnes performances magnétiques sans dégrader le revêtement. Les lasers à pompage sélectif par diodes-la- sers ou les édifices de diodes-lasers mis en phase et ordonnés spatialement peuvent se substituer économi- quement aux lasers à solide à pompage classique qui utilisent des lampes à éclairs pour le pompage opti- que. L'intérêt de l'invention est de permettre un affinement des domaines magnétiques à l'aide de l'ana- morphose d'un faisceau laser, obtenu grâce à un dispositif optique statique d'un coût de construction, de fonctionnement et d'entretien nettement moins élevé que celui des techniques dynamiques qui consistent à déplacer le spot de focalisation d'un faisceau laser. TABLEAU I Durée Réduction Dégradation Energie de PO Ba O 1 B 1 des du par l'impulsion pertes revêtement impulsion (ms) (%) 0,2 0,891 1,924 0,754 1,920 15,4 non 0,9 0,2 0,869 1, 942 0,726 1,940 16,4 non 0,8 0,2 0,880 1,951 0,717 1,952 18,5 non 0,8 0,2 0,894 1,941 0, 723 1,940 19,1 non 0,8 0,2 0,910 1,920 0,750 1,920 17,6 non 0,9 0,2 0,904 1,943 0,721 1, 939 20,2 non 0,9 0,2 0,910 1,933 0,725 1,933 20,3 oui 1,1 0,2 0,875 1,926 0,729 1,925 16,7 oui 1,1 0,2 0,944 1,923 0,755 1,912 20 oui 1,1 Espacement entre les traits: 5 mm. REVENDICATIONS 1 Procédé de traitement par irradiation laser au défilé de la surface d'un produit en matériau magnétique et notamment d'une bande de tôle en acier, caractérisé en ce qu'on effectue, simultanément, sur toute une ligne correspondant à une largeur du produit traité, l'irradiation laser. 2 Dispositif optique pour le traitement par irradiation laser au défilé de la surface d'un produit en matériau magnétique et notamment d'une bande de tôle en acier, dispositif équipé d'une source de rayonnement laser, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre le procédé selon la revendication 1. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une combinaison optique ( 20) disposée entre la source ( 10) et le produit (P), composée de lentilles dont au moins une, est sensiblement cylindrique et divergente, les axes focaux étant orthogonaux à la direction d'émission de la source de manière à transformer le faisceau (F) issu de la source ( 10) en un trait (T) relativement étroit focalisé sur la surface du produit à traiter et orienté approximativement transversalement à la direction du mouvement. 4 Dispositif optique selon la revendica- tions 2 et 3, caractérisé en ce que la combinaison optique comprend une lentille divergente ( 21) proche de la source ( 10) et une lentille convergente ( 22) proche du produit (P). 5 Dispositif selon les revendications 2 et 4, caractérisé en ce que la lentille convergente ( 22) proche du produit (P) à traiter est une lentille cy- lindro-torique de focalisation. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rayonnement laser est pulsé. 7 Dispositif selon la revendication 6, ca- ractérisé en ce que la fréquence de pulsation est inférieure à 500 Hertz. 8 Dispositif selon la revendication 7, ca- ractérisé en ce que la fréquence de pulsation est com- prise dans l'intervalle 10 à 100 Hertz. 9 Dispositif selon la revendication 6 à 8, caractérisé en ce que la durée de l'impulsion est com- prise entre 10 ns et 10 ms. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la durée de l'impulsion est d'environ 0,2 ms. 11 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur du trait (T) est telle qu'il occupe toute la largeur du produit (P) en mouvement et que sa largeur est comprise dans l'intervalle 10 à 200 pm. 12 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source ( 10) de rayonnement est un laser Nd = YAG. 13 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que la source ( 10) de rayonnement est un laser CO 2. 14 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que la source ( 10) de rayonnement est un laser solide semi-conduc- teur constitué d'au moins une diode. Tôle d'acier magnétique, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par traitement laser avec le dispositif selon les revendications 1 à 14. 16 Tôle d'acier magnétique selon la reven- dication 15, caractérisée en ce qu'elle est à grains orientés ( 110)f 001 et d'épaisseur inférieure à 0,50 mm. 17 Tôle d'acier magnétique selon la reven- dication 15, caractérisée en ce qu'elle est à grains orientés de texture cubique ( 100)L 01 j et d'épaisseur est inférieure à 0,50 mm.5 18 Tôle d'acier magnétique selon la reven- dication 15, caractérisé en ce qu'elle est de structure amorphe et d'épaisseur inférieure à 0,50 mm.