(57)【要約】  一連の関連するレーザー切れ目付装置が、生産ライン上に送られかつ前方向に移動する方向性ケイ素鋼板の上記上側および下側表面の両面を、高集中連続波レーザービームを用いて同時に線を切れ目付けるために使用される、高速レーザー切れ目付方法が提供される；該方向性ケイ素鋼板の上記上側表面に切り目付けられた線と、上記下側表面に切れ目付けられた線とは、２つの隣接された切れ目付線ごとに同じ間隔を有しているが、鉄損を均一に削減するため、それぞれ互い違いに配列されている；同一上記表面上の２つの隣接された切れ目付線ごとの間隔は６〜１２ｍｍであり、レーザーの出力は１０００〜３０００Ｗであって、レーザー切れ目付装置の上記スキャン速度は毎分１００〜４００ｍである。該切れ目付加工速度は、一度に帯鋼の上記上側および下側表面の両面を同時に切れ目付けることができない通常の方法のうちの１つと比べて１．５〜２倍を達成する。上記方法によって帯鋼に切れ目付けられた上記線は、帯鋼の鉄損を１０〜１６％削減できる。
2013541643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切れ目付方法が、生産ライン上に送られかつ前方向に移動する方向性ケイ素鋼板の上記上側および下側表面の両面を、高集中連続波レーザービームを用いて同時に切れ目付けることができ、上記方向性ケイ素鋼板の上記上側表面に切れ目付けられた上記線と、上記下側表面に切れ目付けられた上記線とは、２つの隣接された切れ目付線ごとに同じ間隔を有しているが、鉄損を均一に削減するため、それぞれ互い違いに配列されており、同一の上記表面上の２つの隣接された切れ目付線ごとの上記間隔は、６〜１２ｍｍであり、上記レーザー出力は、１０００〜３０００Ｗであり、かつ、上記レーザー切れ目付装置の上記スキャン速度は、毎分１００〜４００ｍであることを特徴とする、高速レーザー切れ目付方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、レーザー切れ目付方法に関し、特に、高速レーザー切れ目付方法に関する。このレーザー切れ目付方法によって、レーザー切れ目付装置の加工速度と、帯鋼の鉄損を削減するための切れ目付線の寄与度とを高めるように、帯鋼の上側および下側表面の両面に同時に線を切れ目付けることが可能になる。
【背景技術】
【０００２】
方向性ケイ素鋼板は、種々の変圧器を製造するための必須材料である。変圧器は、鉄損が原因となって電力を消費する。この理由から、鉄損を削減することは、方向性ケイ素鋼板の生産において常に追求される目標である。ケイ素鋼板の鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損とに分けられる。渦電流損は、古典的渦電流損（渦電流によって引き起こされる）と、異常渦電流損（磁区壁移動と、磁区の幅とに比例して引き起こされる）とにさらに分けられる。電源周波数の条件のもと、異常渦電流損量は、鉄損のほとんど半分を占める。金属加工学の発展とともに金属結晶構造（１１０）［００１］は絶えず完全になっており、それは、第２再結晶中における結晶粒のあまりにも急速な成長と、大粒子の形成とを間違いなく引き起こす。このことは、磁区幅の拡大と、異常渦電流損の割合の増加とを引き起こす。この場合、鉄損をさらに削減するために一般的な金属加工の使用を継続することは、ますます難しくなる。
【０００３】
磁区の細分化によって方向性ケイ素鋼板の鉄損をさらに削減するために、世界中の多くの製鋼所および鋼鉄研究所は、磁区細分化のための技術について研究を続け、加工方法、レーザー照射法、放電処理法、プラズマジェット照射法、局部加熱法、超音波振動法、流体ジェット法等の種々の表面処理技術を逐次発展させている。鉄損を削減するという目的を達成するように、これらの方法は、１８０°磁区壁間の間隔を細分化することによって磁区を細分化できる。その中でも、レーザー切れ目付方法は最も卓越している。
【０００４】
方向性ケイ素鋼の主要な磁区幅を縮小することによって、レーザー照射法は、該ケイ素鋼の渦電流損を減らす。より詳細には、レーザービームの熱を利用することによって、該方法は、渦電流損を減らすという目的を達成するように、シリコン鋼鉄板の表面下に弾性−塑性変形領域を生ずることができるとともに、該弾性−塑性変形領域の中に生じた圧力による応力と、切れ目付線間の引っ張り応力とによって、方向性ケイ素鋼の主要な磁区幅を減らす。鉄損を大幅に削減し、かつ非接触加工の一種であるので、該方法は、高い信頼性および可制御性を持つ。
【０００５】
レーザー切れ目付による方向性ケイ素鋼の鉄損を削減する方法に関する多くの特許がある。
【０００６】
中国特許ＣＮ１２１６０７２Ａは、優れた磁気特性を有する方向性電磁鋼板を開示し、かつ、その製造工程と、その製造装置とを開示した。この工程において、パルスレーザー照射は、１８０°磁区壁間の間隔を減じるとともに、磁気特性を改善するために使用される。この工程は、鋼鉄板の表面に照射するために、主軸が鋼鉄板の横断方向にある楕円形白斑を使用することと、連続するレーザービームを生じ、磁気特性を改善するために必要な十分に蓄積された照射エネルギーを提供するために、該楕円形白斑を部分的に重ねることとによって、鋼鉄板表面の絶縁膜を傷つける閾値を超えないよう調整された照射出力密度を有する、方向性電磁鋼板の表面を照射するためのＱ−スイッチＣＯ２レーザーを使用する。その結果、一般的なパルスレーザー照射技術において鋼鉄板表面上の絶縁膜を傷つける傾向がある問題は、かなり首尾よく解決される。しかし、該プロセスにおいて、レーザー切れ目付装置の切れ目付速度を制限する十分な蓄積エネルギーを保証するために、スキャン速度はあまり速くできなく、高速レーザー切れ目付の必要条件を満たすことはできない。
【０００７】
中国特許ＣＮ１７６１７６４Ａは、優れた磁性特性を有する方向性電磁鋼板の一種を開示し、かつその製造工程を開示した。方向性ケイ素鋼の鉄損を削減するため、該工程においてスキャン照射は、１．０７≦λ≦２．１０μｍの波長λを有し、継続して振動する光ファイバーレーザービームによって行われる。しかし、１．０７≦λ≦２．１０μｍの波長λを有し、かつ、継続して振動する光ファイバーレーザービームを使用することによって、その中心近くは、照射された表面に凸凹を生じさせやすい相当高いビーム強度となる。レーザー装置の平均出力パワーＰを減らすことによってこの問題を解決する意図があるのならば、レーザー装置の加工速度を間違いなく遅くするであろう、スキャン速度の減少が同時に必要である。
【０００８】
中国特許ＣＮ１０１２０９５１４Ａは、振動するミラーアレイに基づくオンラインレーザー高速切れ目付装置を開示した。該装置は、支持フレームと、運搬ベルトと、振動するミラーアレイと、レーザーアレイと、振動するミラーアレイおよびレーザーアレイを制御するための制御装置とを含む。該方法は振動するミラーアレイを組み込むので、レーザー切れ目付速度を効率的に上げることができ、柔軟な適合性、速い切れ目付速度、広いスキャン幅、高い生産効率等の利点を持つが、残念ながら、鋼鉄板の両表面上を同時に切れ目付けることができない。他のレーザー切れ目付方法と比較すると、該方法は優れていない。
【０００９】
中国特許ＣＮ１０７６４９２Ａは、シリコン鋼鉄板の鉄損を削減するためのレーザー処理工程およびその装置を開示した。加熱と冷却との両方を素早くするためのレーザー特性を利用することによって、該工程は、方向性ケイ素鋼板上に切れ目形成処理をし、かつ、粒子の副次的な境界を形成し、そのため主要な磁区壁の長さを減らすように、加熱された領域に小さな可塑性変形および高密度転位を生じさせ、その一方で、磁区の細分化と鉄損の削減という目的を達成するように、加熱された領域に残留引っ張り応力を引き起こさせる。該方法は容易であり、装置は単純である。しかし、該工程において、鉄損はおよそ５％だけしか削減することができず、加工速度は考慮されていない。
【００１０】
さらに、中国特許ＣＮ１０１３４８８５３は、一般の方向性電磁鋼板の鉄損を削減する工程を開示した。該工程において、シリコン鋼鉄板の表面コート膜はひどく破壊され、切れ目付後に再度コーティングする必要がある。そのうえ、不便な操作性、および高い生産コストからこの工程は使用されていない。中国特許ＣＮ１２４４５９７Ａは、耐熱型方向性電磁鋼板の、レーザーによる表面処理工程を開示した。シリコン鋼鉄板の局部領域を合金にすることによって、該工程は、磁区分布を最適化するとともに鉄損を削減することができ、それにより、高温における安定性と、優れた経年劣化特性とを電磁鋼鉄板に持たせることができる。しかし、該工程においては、該工程を施行する前にシリコン鋼鉄板の絶縁コート膜をはがす必要があり、切れ目付後に、該シリコン鋼鉄板に絶縁コート膜を再度コーティングする必要がある。該工程は施行するのがあまりにも複雑すぎ、大量生産には向かない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、高速レーザー切れ目付装置を提供することであり、該切れ目付方法は、方向性ケイ素鋼板における上側および下側表面の両面に同時に切れ目付線を付けることが可能であり、鋼鉄板の上側および下側表面の両面に同時に切れ目を付けることが不可能な一般的な切れ目付方法のうちの１つに比べて１．５〜２倍の加工速度を達成できる。該方法による鋼鉄板上の切れ目付線は、鋼鉄板の鉄損を１０〜１６％削減することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前述の目的を達成するため、本切れ目付方法における技術的な解決方法は、高速生産ライン上に送り込まれかつ前方向に移動する鋼鉄板の上側および下側表面の両面に同時に切れ目付線を入れるために、高集中連続波レーザービームを使用することである；上側表面に切れ目付けられた線と、下側表面に切れ目付けられた線とは、２つの隣接した切れ目付線ごとに同じ間隔を有しているが、鉄損を等しく削減するために、互い違いに配列されている。同一表面上における２つの隣接した切れ目付線ごとの間隔は６〜１２ｍｍであり、レーザー出力は１０００〜３０００Ｗであって、スキャン速度は１００〜４００ｍ／ｍｉｎである。
【００１３】
一定のレーザー出力および一定のスキャン速度の両方のもとでは、切れ目付線によって生ずる応力により影響を受ける領域も一定である。そして、方向性ケイ素鋼板における磁区の細かさは、応力の大きさに比例する。したがって、２つの隣接した切れ目付線ごとの間隔が減少するにつれ、方向性ケイ素鋼板の主要な磁区幅が細分化され、かつ鉄損が減少する。しかし、主要な磁区幅が一定の大きさ（０．２ｍｍほど）よりも小さいとき、ケイ素鋼板の全体の鉄損が上昇するように、ヒステリシス鉄損が急上昇する。例えば、等級Ｂ２３Ｒ０９０ケイ素鋼板の鉄損と、磁区幅との関係が図２に示されている。この理由から、鉄損の削減という良い結果を得るため、２つの隣接した切れ目付線ごとに適当な間隔を選択することが必要である。
【００１４】
さらに、一定のスキャン速度のもと、切れ目付装置の最大加工速度は、２つの隣接した切れ目付線ごとの間隔に比例する。間隔が広ければ広いほど、許容される最大加工速度はより速くなる。切れ目付線の寄与度と、切れ目付装置の加工速度との両方を考慮すると、本発明の切れ目付方法において、２つの隣接した切れ目付線ごとの間隔は、６〜１２ｍｍに選択される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の利点は少なくとも次のとおりである。
【００１６】
１．ケイ素鋼板における上側および下側表面の閉じた磁区を重ねることによって、磁区をさらに細分化でき、切れ目付けられた線による鉄損の削減という目的を達成することができる。
【００１７】
２．本発明の切れ目付方法は、方向性ケイ素鋼板の上側および下側表面の両面に同時に、２つの隣接した切れ目付線ごとの最大間隔が１２ｍｍまでの切れ目付線を付けることができ、鉄損を１０％容易に減らすことができる。これに反し、通常の切れ目付方法は、一度にケイ素鋼板の１表面だけしか線を切れ目付けることができず、鉄損を１０％削減するためには、２つの隣接した切れ目付線ごとの最大間隔幅が６ｍｍを超えることはできない。すなわち、同じ鉄損の削減結果を得るにあたり、本発明の方法における切れ目付速度は、通常の切れ目付け方法の１．５〜２倍である。したがって、本発明の切れ目付け方法および切れ目付け装置は、通常の切れ目付け方法のうちの１つと比べて２倍を超える加工速度で線を切れ目付けることができ、それゆえ、高速大量生産に適用可能である。
【００１８】
３．本発明の切れ目付方法は、方向性ケイ素鋼板の上側および下側表面の両面に同時に線を切れ目付けることができ、方向性ケイ素鋼板の上側および下側表面に線を切れ目付けることによって引き起こされる応力は、磁区をさらに細分化する効果を有するので、該切れ目付方法は、ケイ素鋼板の鉄損を、一貫して１０〜１６％、１６％に至る高さでさえも削減することができるが、一方で、通常の切れ目付方法は、せいぜい１３％だけしか削減できない。明らかに、前者のほうが後者よりも優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のレーザー照射における光路の概略図である。
【図２】は、方向性ケイ素鋼板の鉄損と、磁区幅との相互関係を示す（０．２３ｍｍの厚みを有する等級Ｒ０９０ケイ素鋼板製品）。
【図３】レーザー切れ目付装置の加工速度と、切れ目付線の間隔との相互関係を示す（連続レーザー源、ダブルレーザーヘッド、毎分２５０ｍのスキャン速度におけるレーザー切れ目付装置の加工速度）。
【図４】は、本発明の実施形態、すなわち、該実施形態および比較対象の両方における、２つの隣接した切れ目付け線ごとの間隔と、０．２３ｍｍＮＳＧＯのケイ素鋼板の鉄損削減の割合との関係を示す（１０．６μｍの波長を有するＣＯ２ガス連続波レーザー、０．２ｘ  ８ｍｍの白斑直径、２０００Ｗのレーザー出力、毎分２５０ｍのスキャン速度）。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
そこで、添付された図面および実施形態を参照して、本発明の詳細を記述する。
【００２１】
図１を参照すると、高速レーザー切れ目付装置は、レーザー切れ目付装置を採用し、生産ライン上に送り込まれかつ前方向に移動している方向性ケイ素鋼板の上側および下側表面の両面を、高集中連続波レーザービームを用いて同時に線を切れ目付けることが可能である。上側表面に切れ目付けられた線と、下側表面に切れ目付けられた線とは、２つの隣接した切れ目付線ごとに同じ間隔を有しているが、鉄損を均一に削減するため、それぞれ互い違いに配列されている。同一表面上の２つの隣接した切れ目付線ごとの間隔は６〜１２ｍｍであり、レーザー出力は１０００〜３０００Ｗ、そして、スキャン速度は毎分１００〜４００ｍである。
【００２２】
例えば、１０．６μｍの波長を有するＣＯ２ガス連続波レーザーと、みがき帯鋼のそれぞれの側面を同時に切れ目付けるためのダブルレーザープロジェクターとを使用する構成を説明しよう。関連するデータは、表１に与えられている。
【００２３】
【表１】
2013541643.tif 000003
【００２４】
図２に見られるように、磁区幅が減少するにつれて、鉄損は次第に減少する。しかし、該幅が、一定の大きさ（０．２ｍｍほど）よりも小さい時、鉄損は急に上昇する。
【００２５】
図３に見られるように、切れ目付装置の最大加工速度と、２つの隣接した切れ目付線ごとの間隔とは比例関係があり、間隔が広ければ広いほど、切れ目付装置に許容される最大加工速度はより速くなる。
【００２６】
該実施形態および比較対象の両方における、２つの隣接した切れ目付線ごとの間隔と、鉄損削減の割合との関係が図４に示されている。表１および図４に見られるように、レーザー源、鋼鉄板の厚み、レーザー出力、スキャン速度、スキャン幅が同じ条件の下では、鋼鉄板の上側および下側表面を同時に切れ目付けることによって、鋼鉄板の１つの表面上を切れ目付けるのと比較すると、より広い線間間隔と、より速い切れ目付け装置の加工速度とを有することができ、かつ、より大きな鉄損削減率を得ることができる。
【００２７】
上記を要約すると、本発明の切れ目付方法は、帯鋼の上側および下側表面の両面を同時に切れ目付けることができ、切れ目付速度および切れ目付効率において、先行技術の切れ目付方法よりも優れている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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