(57)【要約】本発明は、極小集光されたレーザビームの走査照射により、極力鉄損の低い方向性電磁鋼板とその製造方法を提供するもので、ＴＥＭ００モードであり、発振波長λが１．０７≦λ≦２．１０μｍの連続発振ファイバーレーザを、鋼板の圧延方向に対して概垂直で、且つ概一定間隔で走査照射して磁気特性を改善した方向性電磁鋼板とその製造方法であり、照射ビームの圧延方向集光径ｄ［ｍｍ］、レーザビームの走査線速度Ｖ［ｍｍ／ｓ］、レーザの平均出力Ｐ［Ｗ］、形成された照射痕幅または環流磁区幅Ｗ１［ｍｍ］、照射痕の圧延方向ピッチＰ１［ｍｍ］が以下の範囲である。    ０＜ｄ≦０．２０    ０．００１≦Ｐ／Ｖ≦０．０１２    ０＜Ｗ１≦０．２０    １．５≦Ｐ１≦１１．０
2004083465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続発振レーザビームの走査照射により、鋼板の圧延方向に対して概垂直で、且つ概一定間隔で線状の環流磁区を形成して鉄損特性を改善した方向性電磁鋼板の製造方法において、レーザが、ビーム伝搬方向に垂直な断面内のレーザ光強度分布が光軸中心近傍に最大強度を持つＴＥＭ００モードであり、照射ビームの圧延方向集光径ｄ［ｍｍ］、レーザビームの走査線速度Ｖ［ｍｍ／ｓ］、レーザの平均出力Ｐ［Ｗ］が以下の範囲であることを特徴とする磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
０＜ｄ≦０．２
０．００１≦Ｐ／Ｖ≦０．０１２
【請求項２】
前記ｄ、Ｖ、Ｐが以下の範囲であることを特徴とする請求項１記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
０．０１０≦ｄ≦０．１０
０．００１≦Ｐ／Ｖ≦０．００８
【請求項３】
前記ｄ、Ｖ、Ｐが以下の範囲であることを特徴とする請求項１記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
０．０１０＜ｄ≦０．０６０
０．００２≦Ｐ／Ｖ≦０．００６
【請求項４】
前記ｄ、Ｖ、Ｐが以下の範囲であることを特徴とする請求項１記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
０．０１０＜ｄ＜０．０４０
０．００２≦Ｐ／Ｖ≦０．００６
【請求項５】
照射レーザビーム形状の圧延方向径をｄ、それと直交方向の径をｄｃ、レーザ平均出力をＰとした時、瞬時パワー密度Ｉｐ［ｋＷ／ｍｍ２］をＩｐ＝Ｐ／（ｄ×ｄｃ）で定義し、Ｉｐの範囲が０＜Ｉｐ≦１００ｋＷ／ｍｍ２であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項６】
前記レーザ装置が、発振波長λが１．０７≦λ≦２．１０μｍの連続発振ファイバーレーザ装置によるものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項７】
前記レーザ装置が、平均出力１０Ｗ以上の連続発振ファイバーレーザであることを特徴とする請求項６記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項８】
レーザビームの走査照射により、鋼板の圧延方向に対して概垂直で、且つ概一定間隔で線状の環流磁区を形成して鉄損特性を改善した方向性電磁鋼板において、レーザビーム照射痕およびまたは線状環流磁区の圧延方向幅Ｗ１が、０＜Ｗ１≦０．２ｍｍであることを特徴とする磁気特性の優れた方向性電磁鋼板。
【請求項９】
レーザビーム照射痕およびまたは線状環流磁区の幅Ｗ１が０．０１≦Ｗ１≦０．１ｍｍであることを特徴とする請求項８記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板。
【請求項１０】
レーザビーム照射痕およびまたは線状環流磁区の幅Ｗ１が０．０１≦Ｗ１≦０．０４ｍｍであることを特徴とする請求項８記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板。
【請求項１１】
レーザビーム線状照射痕およびまたは線状環流磁区の圧延方向間隔Ｐ１が、１．５≦Ｐ１≦１１．０ｍｍであることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかの項に記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板。
【請求項１２】
レーザビーム線状照射痕およびまたは線状環流磁区の圧延方向間隔Ｐ１が、３．０≦Ｐ１≦７．０ｍｍであることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかの項に記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、磁気特性の優れた方向性電磁鋼板とその製造方法に関するものである。
【背景技術】  圧延方向に磁化容易軸がそろった方向性電磁鋼板がトランス鉄芯材料として用いられている。方向性電磁鋼板の製造方法として、特公平６−１９１１２号公報にＹＡＧレーザ照射により圧延方向にほぼ垂直に、且つ圧延方向に周期的な線状の歪みを導入し、鉄損を低減する方法が開示されている。この方法の原理は、レーザビームの走査照射による表面歪みを起因として形成される環流磁区により１８０°磁壁間隔が細分化され、特に異常渦電流損が低減されるというものであり、磁区制御と呼ばれる。
従来、この技術には様々な方法が開示されており、例えば、特開平６−５７３３３号公報にはパルス発振ＣＯ２レーザを用いる方法、また、上記特公平６−１９１１２号公報には連続発振ＹＡＧレーザを用いて、照射ビーム径、パワー、走査速度等を規定した方法で、しかも表面照射痕が発生しない方法も開示されている。いずれも方法も照射条件をある特定の範囲に限定することで鉄損改善効果が向上することが開示され、現在実用に供されている。しかし、トランス鉄芯の鉄損低減に対するニーズは依然として高く、更に鉄損の低い電磁鋼板を高効率で製造する方法が望まれていた。
鉄損は主に古典的渦電流損、異常渦電流損、およびヒステリシス損の合計である。古典的渦電流損は板厚によってほぼ決まる損失であり、レーザ磁区制御によって変化する損失は異常渦電流損とヒステリシス損である。レーザ磁区制御により付与された還流磁区は１８０°磁壁間隔を細分化して異常渦電流損を低減させるが、一方でヒステリシス損を増加させる要因となる。よって圧延方向にはできるだけ狭い環流磁区を形成する方がヒステリシス損の増加が少なく、トータルの鉄損は低くなる。しかし、環流磁区が狭すぎると磁区細分化効果は小さくなり、その結果、特公平６−１９１１２号公報に記述されるように、ＹＡＧレーザを用いた場合、照射ビーム径を極小化するとレーザビームの走査線速度あるいはレーザパワーを調整しても優れた鉄損改善効果が得られないという問題があった。
【発明の開示】
本発明の課題は、極小集光されたレーザビームの走査照射により、極力鉄損の低減された方向性電磁鋼板とその製造方法を提供することにあり、その要旨は以下の通りである。
（１）連続発振レーザビームの走査照射により、鋼板の圧延方向に対して概垂直で、且つ概一定間隔で線状の環流磁区を形成して鉄損特性を改善した方向性電磁鋼板の製造方法において、レーザが、ビーム伝搬方向に垂直な断面内のレーザ光強度分布が光軸中心近傍に最大強度を持つＴＥＭ００モードであり、照射ビームの圧延方向集光径ｄ［ｍｍ］、レーザビームの走査線速度Ｖ［ｍｍ／ｓ］、レーザの平均出力Ｐ［Ｗ］が以下の範囲であることを特徴とする磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
０＜ｄ≦０．２
０．００１≦Ｐ／Ｖ≦０．０１２
（２）前記ｄ、Ｖ、Ｐが以下の範囲であることを特徴とする（１）記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
０．０１０≦ｄ≦０．１０
０．００１≦Ｐ／Ｖ≦０．００８
（３）前記ｄ、Ｖ、Ｐが以下の範囲であることを特徴とする（１）記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
０．０１０＜ｄ≦０．０６０
０．００２≦Ｐ／Ｖ≦０．００６
（４）前記ｄ、Ｖ、Ｐが以下の範囲であることを特徴とする（１）記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
０．０１０＜ｄ＜０．０４０
０．００２≦Ｐ／Ｖ≦０．００６
（５）照射レーザビーム形状の圧延方向径をｄ、それと直交方向の径をｄｃ、レーザ平均出力をＰとした時、瞬時パワー密度Ｉｐ［ｋＷ／ｍｍ２］をＩｐ＝Ｐ／（ｄ×ｄｃ）で定義し、Ｉｐの範囲が０＜Ｉｐ≦１００ｋＷ／ｍｍ２であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかの項に記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
（６）前記レーザ装置が、発振波長λが１．０７≦λ≦２．１０μｍの連続発振ファイバーレーザ装置によるものであることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかの項に記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
（７）前記レーザ装置が、平均出力１０Ｗ以上の連続発振ファイバーレーザであることを特徴とする（６）記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
（８）レーザビームの走査照射により、鋼板の圧延方向に対して概垂直で、且つ概一定間隔で線状の環流磁区を形成して鉄損特性を改善した方向性電磁鋼板において、レーザビーム照射痕およびまたは線状環流磁区の圧延方向幅Ｗ１が、０＜Ｗ１≦０．２ｍｍであることを特徴とする磁気特性の優れた方向性電磁鋼板。
（９）レーザビーム照射痕およびまたは線状環流磁区の幅Ｗ１が０．０１≦Ｗ１≦０．１ｍｍであることを特徴とする（８）記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板。
（１０）レーザビーム照射痕およびまたは線状環流磁区の幅Ｗ１が０．０１≦Ｗ１≦０．０４ｍｍであることを特徴とする（８）記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板。
（１１）レーザビーム線状照射痕およびまたは線状環流磁区の圧延方向間隔Ｐ１が、１．５≦Ｐ１≦１１．０ｍｍであることを特徴とする（８）〜（１０）のいずれかの項に記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板。
（１２）レーザビーム線状照射痕およびまたは線状環流磁区の圧延方向間隔Ｐ１が、３．０≦Ｐ１≦７．０ｍｍであることを特徴とする（８）〜（１０）のいずれかの項に記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板。
【図面の簡単な説明】  図１は、鉄損改善率のパワーと走査速度との比率パラメータ依存性を示す図。
図２は、本発明にかかわるレーザ照射方法の説明図。
図３は、ＴＥＭ００モードの模式図。
図４は、マルチモードの模式図。
図５は、本発明の範囲内におけるＴＥＭ００モードのビーム集光照射による鋼板表面近傍の温度分布計算結果を示す図。
図６（ａ）は、本発明の範囲内において、比較的Ｐ／Ｖが高い場合におけるＴＥＭ００モードのビーム集光照射による鋼板表面近傍の温度分布計算結果を示す図。
図６（ｂ）は図６（ａ）のレーザ照射条件における鋼板の断面観察写真。
図７は、マルチモードのビーム集光照射による鋼板表面近傍の温度分布計算結果を示す図。
図８は、図５および図７の温度分布計算結果をビーム中心での深さ方向の温度変化を比較した結果を示す図。
図９（ａ）は、本発明の代表的なレーザ照射痕の表面光学顕微鏡写真で、図９（ｂ）は磁区構造のＳＥＭ写真。
図１０は、鉄損改善率とＰ／Ｖの関係を示す図。
図１１は、照射痕幅で近似したＷ１と鉄損改善率の関係を示す図。
図１２は、照射痕の圧延方向ピッチＰ１と鉄損改善率の関係を示す図。
図１３は、Ｉｐとコート後の層間電流の関係を示す図。
【発明を実施するための最良の形態】  以下に実施例を用いて、本発明の効果とその効果発現の理由を説明する。
図２は本発明にかかわるレーザビームの照射方法の説明図である。レーザビーム１は図示されないファイバーレーザ装置から出力される。ファイバーレーザは半導体レーザを励起源としてファイバーコア自身が発光するレーザ装置であり、発振ビーム径はファイバーコア径により規制されている。
ところでレーザ共振器から出力されるレーザビームは波長、媒質の直径、共振器ミラーの曲率等で決定される種々の強度分布を持つビームモードの重ね合わせである。これらの各モードは次数の異なるガウスモードで表され、共振器内での発振可能なビーム断面が大きい程、高次のモードまで発振する。一般のＹＡＧレーザ等はこれらの複数のモードが同時に発振し得るため、マルチモードビームと呼ばれる。図４に典型的なマルチモードビームの強度分布を示す。
一方、ファイバーレーザの場合、ファイバーコア直径が０．０１ｍｍ程度のシングルモードファイバーを用いることで、発振可能なモードが規制され、容易に最低次数での単一モード発振が可能である。このモードはほぼ基本ガウス分布に相当し、一般にＴＥＭ００モードと呼ばれる。ＴＥＭ００モードは図３に示すように、光軸中心で最大強度を持つガウス分布であり、このビームを集光した場合、集光点でも同じ強度分布を持つ。
ビームのモードを示す指標としては、一般にビーム品質ファクターＭ２が用いられており、ＴＥＭ００モードのＭ２理論計算値は１．０であり、高次モードになるに従いＭ２は増加する。上述のシングルモードファイバーレーザで得られるビームのＭ２は１．１以下であり、ほぼ理想的なＴＥＭ００モードである。一般のマルチモードＹＡＧレーザ等のＭ２値は２０以上である。したがって、本発明に用いるレーザビームのＴＥＭ００モードとは強度分布が略ガウス分布であるものを含み、Ｍ２値としては２以下に相当する。
本発明の一実施例では、ファイバーレーザ装置から出力されるＴＥＭ００モードのレーザビーム１を図２に示すように走査ミラー２とｆθレンズ３を使用し、方向性電磁鋼板４のＸ方向に走査照射した。なお、Ｘ方向は方向性電磁鋼板の圧延方向に概ね垂直方向である。集光点でのビーム直径ｄは約０．０５ｍｍである。ビーム直径はレーザパワーの８６％が含まれるビーム直径で定義される。ビームの走査線速度Ｖは３０００〜１６０００ｍｍ／ｓである。レーザ平均出力は３２Ｗで固定した。また圧延方向の照射ピッチＰ１は５ｍｍである。
レーザ照射によって発生する歪みは鋼板表面への投入エネルギー密度に依存すると考えられることから、本発明者らは、ビームの走査照射法において投入エネルギー密度に比例するパラメータであるレーザ平均出力Ｐ（Ｗ＝Ｊ／ｓ）と走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）の比率Ｐ／Ｖ（Ｊ／ｍｍ）に注目した。図１は本実施例におけるＰ／Ｖと鉄損改善率との関係を調べた実験結果である。鉄損改善率ηはレーザ照射前後の鉄損値Ｗ１７／５０（Ｗ／ｋｇ）から次式によって定義される。
η＝｛（レーザ照射前のＷ１７／５０−レーザ照射後のＷ１７／５０）／レーザ照射前のＷ１７／５０｝×１００（％）
ここでＷ１７／５０は、磁界強度１．７Ｔ、周波数５０Ｈｚでの鉄損値である。本実施例で用いた方向性電磁鋼板サンプルの板厚は０．２３ｍｍであり、レーザ照射前のＷ１７／５０の範囲は０．８５〜０．９０Ｗ／ｋｇである。
図１よりＴＥＭ００モード、集光直径ｄが０．０５ｍｍにおいて、Ｐ／Ｖが０．００６５Ｊ／ｍｍ以下の範囲、すなわち走査線速度Ｖが５０００ｍｍ／ｓを越える高速走査条件にて特に鉄損改善率は増加し、８％を上回る高い値が得られることがわかった。一方、この集光径ではＰ／Ｖの値が０．００６５Ｊ／ｍｍ以上、走査速度５０００ｍｍ／ｓ以下の条件では鉄損改善率は低下する傾向にある。この条件での鋼板表面を詳細に観察したところ、レーザ照射部は溶融・再凝固していることが判明した。この再凝固部では過大な引っ張り応力が発生しているため、ヒステリシス損が著しく増大した結果と考えられる。
従って、本発明の方法によれば、従来、レーザ平均出力や走査速度を調整しても鉄損特性が劣化していた０．０５ｍｍ程度の極小集光ビーム径の領域でも、優れた鉄損特性が得られる。更に同等レベルの極小集光ビーム径を用いた従来技術（特公平０６−１９１１２号公報）で最適と開示されている条件よりも低いパワー範囲、あるいは高速の走査速度範囲で従来以上の鉄損改善率が得られるため、特性が優れるだけでなく、高効率で高速プロセスが実現可能である。
本発明の方法にてこの様な優れた特性と効率が得られる理由は以下のように考察される。
磁区制御の理想は圧延方向に狭い環流磁区でヒステリシス損の増加を抑制し、且つその狭い環流磁区に１８０°磁区を十分細分化させ得る強度を持たせることにある。環流磁区の源はレーザ照射による歪みであるが、歪みは鋼板表面近傍の温度分布に起因し、特に到達すべき温度と温度勾配に依存すると本発明者らは考えた。更にレーザ照射部の温度の空間分布はレーザビームの空間強度分布が影響すると考えた。そこでビームモードを考慮して、連続波レーザを走査照射した場合の定常状態におけるレーザ照射部の温度分布を熱伝導シミュレーションにより推定した。ここでの計算パラメータはビームモード、レーザ平均出力Ｐ、走査線速度Ｖである。
図５は本発明の条件に相当するＴＥＭ００モード、集光直径ｄ０．０５ｍｍ、平均出力３２Ｗ、走査線速度８０００ｍｍ／ｓでの温度分布計算結果である。尚、座標ｘ、ｙ、ｚは図２に示す座標に相当する。図６（ａ）は、走査線速度Ｖ＝４０００ｍｍ／ｓ、Ｐ／Ｖ＝０．００８の条件での温度分布計算結果である。なお、他の条件は図５に同じである。また、図６（ｂ）はこの実験条件にて得られた鋼板サンプルの断面観察写真であり、表面に溶融部分が見られる。図７はマルチモードの場合の計算結果であり、他の条件は図３に同じであり、表面に溶融部分が見られる。また図８は図５と図７の計算結果をビーム中心での深さ方向の温度変化を比較した結果である。
図５と図７の比較、および図８より、集光径が同じでもＴＥＭ００モードの場合はマルチモードの場合に比べ、等温線の間隔が狭く、温度分布の勾配が大きい。更に６００℃レベルの高温部の浸透深さも深く、ビーム中心近傍に高温部が集中していることが推測される。本発明者らの実験によると、レーザ磁区制御された鋼板を５００℃以上の温度にて歪み取り焼鈍処理を行うと磁区制御効果が消失してしまうことがわかっている。従ってレーザ照射時には、この温度以上の温度履歴を経ることが必要と考えられ、この温度域の等温線が環流磁区形状に影響していると想定される。また温度勾配が急峻な程、歪み量は大きいことが考えられるので、ＴＥＭ００モードの場合、狭い領域に強い歪みが形成される。その結果、一般のマルチモードを使う場合に比べて、ＴＥＭ００モードを使用する本発明では、極小集光ビームでも、狭く、且つ深い空間に磁区細分化に十分な環流磁区強度が得られるため、理想的な磁区制御がはじめて可能になるものである。
一方、パワーが増加、あるいは走査速度が低下することでＰ／Ｖが増加して図６に示すように表面温度が鋼板の融点である１６００℃を越える箇所が発生する。この予測結果は実験により得られたサンプルの溶融断面と比較的よく一致しており、他の計算結果も合わせて、この温度分布の予測精度が高いことを示している。この様に溶融部が発生すると、前述したように溶融部の再凝固過程に大きな引っ張り応力が発生し、これが非常に広範囲な歪み、すなわち環流磁区を形成すると考えられる。その結果、ヒステリシス損が増大し始めるため、全体の鉄損特性は劣化する傾向となる。
以上の考察を基に、本発明者らは、極小ビーム集光により狭い環流磁区を形成して、優れた鉄損特性が得られる集光径、あるいは環流磁区幅、およびパワー、走査線速度の範囲を詳細に実験検討した。図１０は照射ビームの圧延方向径ｄを０．０１０ｍｍから０．２００ｍｍまで種々変化させて、鉄損改善率とＰ／Ｖの関係を調べた結果である。ここで圧延方向の照射ピッチＰ１は５ｍｍである。この結果より、ＴＥＭ００モードではｄおよびＰ／Ｖの広い範囲で鉄損の改善が見られることがわかる。特にｄが小さい場合には、より低いＰ／Ｖで高い改善率が得られることが判明した。高い改善率が得られるのは０＜ｄ≦０．２０ｍｍの範囲において、０．００１≦Ｐ／Ｖ≦０．０１２Ｊ／ｍｍである。更に、ｄの上限として好ましくは０．１、０．０８、０．０６、０．０４、０．０３、０．０２ｍｍ、下限として好ましくは、０．００５、０．０１０ｍｍに限定することで、より高い鉄損改善率が得られる。Ｐ／Ｖとの組み合わせにおいて更に好ましくは０．０１０≦ｄ≦０．１０ｍｍの範囲において０．００１≦Ｐ／Ｖ≦０．００８Ｊ／ｍｍ、あるいは０．０１０＜ｄ≦０．０６０ｍｍの範囲において０．００２≦Ｐ／Ｖ≦０．００６Ｊ／ｍｍに限定することで、より高い鉄損改善率が得られる。比較的狭いレーザビーム集光径で高い鉄損改善が得られるのは、先に記述したようにヒステリシス損の増加が抑制されている効果と考えられる。
また上記の各ｄの範囲における、Ｐ／Ｖの最適な範囲は次のように説明される。すなわち、下限については環流磁区形成に十分なパワーを投入するために必要な値であり、一方、上限については、パワー密度が過大になり顕著な表面溶融が発生しない値である。例えば、ビーム径が小さい範囲では、より局部的な熱分布となるため改善効果は高くなるが、表面溶融を避けるためには、Ｐ／Ｖを更に小さい範囲に抑制することが好ましい。
尚、本発明の条件範囲で製造した方向性電磁鋼板のレーザ照射部を顕微鏡および磁区観察用ＳＥＭで詳細に観察したところ、照射ビーム径ｄにほぼ一致した照射痕と環流磁区幅Ｗ１が形成されていることが判明した。照射ビーム径ｄが０．０１５ｍｍの場合の照射痕の顕微鏡観察写真、および磁区ＳＥＭによる環流磁区観察写真を図９に示す。従って、ビーム径ｄと環流磁区幅Ｗ１はほぼ一致する。図１１は、照射痕跡幅を環流磁区の圧延方向幅Ｗ１と仮定し、各Ｗ１での最高改善率をまとめた結果である。Ｗ１の範囲が０．２ｍｍ未満、特に０．０１から０．１ｍｍの範囲で高改善率が得られる。Ｗ１の下限値としては、好ましくは０．００５ｍｍ、より好ましくは０．０１０ｍｍであり、上限値として好ましくは０．１ｍｍ、より好ましくは０．０４ｍｍである。
以上説明したように、レーザビームを極小集光する場合は、レーザビームのモードとパワーと走査速度条件を限定すれば、高い鉄損改善効果が得られることが発見された。またその優れた特性が得られるパワー、走査速度範囲は従来技術で限定された範囲では適当ではなく、より低パワー、高速域が最適である。
更に照射痕の圧延方向ピッチＰ１も改善率に影響することが判明した。図１２はＷ１＝０．０１５ｍｍにてＰ／Ｖを０．００３０に固定し、Ｐ１を１．５から１３ｍｍまで変化させた場合の改善率変化である。Ｐ１が１．５ｍｍ以下で狭すぎると各環流磁区によるヒステリシス損増加量は少ないものの、鋼板全体で形成される線状還流磁区の本数が大幅に増加するため、全ヒステリシス損は増加して鉄損は劣化する。一方、Ｐ１が１１ｍｍを越えて広すぎると、１８０°磁区の細分化効果が減少するため、鉄損特性はやはり劣化する。従ってＰ１の範囲は１．５ｍｍから１１ｍｍの範囲が好ましい。更に、３．０≦Ｐ１≦７．０ｍｍの範囲が比較的Ｐ１に依存せず、最も高い改善効果が得られる。
次に本発明の製造方法としてファイバーレーザを使用する理由について説明する。
本発明の実施例で用いたファイバーレーザは石英ファイバーのコア部にＹｂ（イッテルビウム）をドープしたものであり、半導体レーザを用いた励起により発振し、その発振波長は１．０７から１．１０μｍである。従来電磁鋼板の磁区制御に使用されてきたＹＡＧレーザ波長１．０６μｍとＣＯ２レーザ波長１０．６μｍの間の波長であることがファイバーレーザの第一の特徴である。
またファイバーレーザの発振モードは前述のごとく、シングルモードに近似され、ビーム品質ファクターＭ２値が理論限界の１に近い。これは一般のＹＡＧレーザのＭ２値が２０以上であることに比べると非常に優れた性能である。
レーザビームはＭ２値が小さいほど、あるいは波長が短いほど高い集光性を示す。ここで、レーザビームの集光可能な最小径ｄｍは波長をλ、集光レンズの焦点距離をｆ、レンズへの入射ビーム径をＤとすると以下の式で表される。
ｄｍ＝Ｍ２×（４／π）×ｆ×λ／Ｄ
よって、Ｍ２値の大きいＹＡＧレーザや波長λの長いＣＯ２レーザに比べ、ファイバーレーザは、より極小集光が可能であり、これが磁区制御におけるファイバーレーザの第二の特徴である。
以上の二つの特徴を鑑みて、本発明者らはファイバーレーザを使用することを特徴とする発明に至ったものである。すなわち、方向性電磁鋼板の表面はセラミック状のコーティングで覆われており、このコーティングのレーザ波長吸収特性は波長１μｍから１０μｍ帯の長波長側にかけて吸収率が上昇することに着目した。よってＹＡＧレーザより波長の長いＹｂドープファイバーレーザを使用する場合、レーザパワーの鋼板への吸収量が増加し、より効率的な磁区制御が可能である。また集光性能が高いため、本発明の特徴であるＷ１＜０．２ｍｍの極小環流磁区を形成した方向性電磁鋼板の製造法に適する。またＣＯ２レーザに比較して、波長吸収特性は劣位であるものの、波長の長いＣＯ２レーザの場合、実用上安定して集光径０．２ｍｍを得ることは困難となるため、やはりＣＯ２レーザを使用する場合に比べ格段に有利である。従って、本発明を工業的に実施するにあたり、ファイバーレーザを使用することで、安定して効率よく、所望の特性を持つ電磁鋼板が製造できるものである。
また、ファイバーレーザの種類としてコアにＥｒ（エリビウム）をドープしたファイバーレーザは発振波長が１．５５μｍ近傍、Ｔｍ（ツリウム）をドープしたファイバーレーザは発振波長が１．７０〜２．１０μｍであり、いずれのファイバーレーザを使用する方法も、前記の理由より本発明の方法に属するものである。
また、本発明の方法には容易に高出力のＴＥＭ００モードのレーザビームが得られるファイバーレーザが最適であるが、その他ＴＥＭ００に近似のモードが得られ、かつ鋼板表面の波長吸収特性の高いレーザ装置であれば本発明に使用してもよい。
なお、本発明の実施例ではビーム集光形状が直径ｄの円形の場合を示したが、前述の説明にもあるように、理想的な磁区制御のために必要な条件は環流磁区の圧延方向幅が狭いことにあるため、圧延方向ビーム径ｄが本発明の範囲であるならば、ビーム走査方向径がｄと異なってかまわない。例えばビーム走査方向のビーム径をｄよりも長くした楕円ビームとしてもよく、その結果、鋼板の表面にレーザ照射痕が発生しない方法も本発明に含まれる。
だたし、本件発明のレーザ照射法は通常と比べて中心付近のビーム強度が高いため、場合によってはレーザ照射後の表面に凹凸が発生することがある。そこで、照射ビームの形状を工夫して、レーザ照射部に凹凸が発生しないようにする必要がある。なぜならば、電磁鋼板を積層して積みトランスに用いる際に、鋼板に凹凸があると層間の電気的絶縁性に影響を及ぼすからである。通常、電気的絶縁性をより確実なものとするため、レーザ照射後の工程で、表面に絶縁コートを行うが、表面に凹凸が発生していると、このコーティングでも十分な絶縁性を確保することができなくなる。
そこで本発明者らはレーザ照射後の表面をほぼ平坦にし、高い層間絶縁性を得るレーザ照射方法を検討した。その結果、レーザ平均出力Ｐとビームスキャン速度Ｖにもある程度依存するものの、平均出力Ｐと照射ビーム断面積で決まる瞬時パワー密度Ｉｐによって層間の絶縁性を制御することが可能であることを見出した。ここでＩｐは、レーザ平均出力をＰ、圧延方向ビーム径をｄ、ｄと直交するビーム径をｄｃとすると次式である。
Ｉｐ＝Ｐ／（ｄ×ｄｃ）  ［ｋＷ／ｍｍ２］
絶縁性はコート後の層間電流を測定することにより評価される。図１３はＩｐとコート後の層間電流の関係であり、同じＩｐにおいて走査速度Ｖを変更して、層間電流を調べた結果である。コート後の層間電流値として２００ｍＡ以下であれば、積みトランスとしての使用が可能である。この結果より、Ｖの違いにも影響されるものの、Ｉｐが１３０ｋＷ／ｍｍ２未満、好ましくは１００ｋＷ／ｍｍ２以下、より好ましくは７０ｋＷ／ｍｍ２以下であれば、層間電流は２００ｍＡ以下に抑制される。Ｉｐはレーザ照射した時の鋼板表面の瞬時的な蒸発現象を支配する要因であるため、表面状態、特に表面の凹凸を支配する要因であると考えられる。よって、本発明の方法において、Ｉｐを１００ｋＷ／ｍｍ２以下に抑制することで鉄損特性とともに、層間絶縁性に優れた電磁鋼板を製造することが可能である。例えば、ｄ＝０．０１５ｍｍ、Ｐ＝１５０Ｗにおいては、集光ビーム形状をｄｃが好ましくは０．１２７ｍｍ以上となる楕円に設定することで優れた絶縁性が得られる。
レーザ平均出力Ｐについて説明する。本発明では前記のごとくＰ／Ｖの範囲が規定されている。よってレーザ平均出力Ｐが小さくなると、板幅方向ビーム走査速度Ｖも比例して小さくする必要がある。ところで、本発明のかかわる電磁鋼板の磁区制御プロセスの実用方法は、例えば特公平６−１９１１２号公報に開示されるように、レーザビームを時間分割して周期的に鋼板に照射する。この場合、通板速度が速くなった場合、圧延方向の照射ピッチＰ１を一定に保つには、この照射周期ｔ（ｓｅｃ）は短くなる。その周期の間に走査できる範囲Ｗｃは走査速度と周期ｔの積となる。よってレーザ平均出力の小さい場合、Ｖも小さくなり、その結果Ｗｃも狭くなる。すなわち、レーザ平均出力が小さい場合、レーザ１台当たりの処理可能な幅が狭くなる。
例えば鋼板の板幅１０００ｍｍ、ライン速度３０ｍｐｍ程度の実用的な連続処理プロセスを考えた場合、平均出力１０Ｗ以下のレーザではレーザ１台当たりの処理可能な幅が１０ｍｍ程度と極端に狭くなり、必要レーザ台数が１００台を超えることになる。よってレーザ出力は１０Ｗ以上が好ましい。具体的には、２０Ｗ、３０Ｗ、４０Ｗ、５０Ｗ、１００Ｗ、２００Ｗ、３００Ｗ、５００Ｗ、８００Ｗ、１ｋＷ、２ｋＷ、３ｋＷ、５ｋＷ、１０ｋＷ、２０ｋＷ、５０ｋＷ等、種々のものが可能である。
【産業上の利用可能性】  本発明は、極小集光されたレーザビームの走査照射により、極力鉄損の低減された方向性電磁鋼板を提出することが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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