(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向性電磁鋼板の表面に、レーザビームの線状走査加工により鋼板表面に圧延方向とほぼ垂直な方向に周期的な溝を形成して、磁区細分化を行い、鉄損特性を向上させる方法において、レーザ時間波形が連続波でかつレーザ集光形状がレーザビームの走査方向に長軸をもつ楕円であるレーザビームを照射して深さが５μｍから２３μｍの溝を形成し耐熱性磁気特性を改善して鉄損を改善することを特徴とするレーザによる一方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項２】
投入パワーP（Ｗ）、レーザビームの走査速度Ｖ（ｍｍ/ｓ）、レーザ集光形状の楕円短軸a（ｍｍ）、楕円長軸ｂ（ｍｍ）とするとき、加工点のレーザビームの瞬時パワー密度Pd(W／ｍｍ2 )＝P／（πab）、加工点のレーザビームのエネルギー密度Ud(J／ｍｍ2 )＝P／（V×a）と定義し、50000≦Pd≦250000において、0.8≦Ud≦3.3の範囲に含まれることを特徴とする請求項１記載のレーザによる一方向性電磁鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工により溝を形成する製造方法で、特に一方向性電磁鋼板表面にレーザ加工により溝を形成することで、歪み取り焼鈍に耐え得る磁気特性のすぐれた方向性電磁鋼板を製造する方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
方向性電磁鋼板は、鉄損を低減することがエネルギー節約の観点から要望されている。その方法として、レーザ照射により磁区を細分化する方法が既に特公昭５８−２６４０５号公報に開示されている。この方法による鉄損の低減は、レーザビームを照射することによって生じる熱衝撃波の反力によって方向性電磁鋼板に応力歪みを導入し、磁区を細分化することによりヒステリシス損失の増加を抑えたまま渦電流損失の低下を図るものである。しかし、この方法では、レーザ照射により導入した歪みが焼鈍時に消失し、磁区細分化効果が失われるという問題がある。したがって、この方法は、歪取り焼鈍を必要としない積鉄芯トランス用としては使用できるが、歪取り焼鈍処理を必要とする巻鉄芯トランス用としては使用できない。
【０００３】
そこで、鉄損値低減効果が歪取り焼鈍後も残るようにした方向性電磁鋼板の磁気特性改善方法として、鋼板に応力歪レベルを超える形状変化を与えて透磁率を変化させ、磁区を細分化する方法がさまざまに提案されている。たとえば、歯形ロールで鋼板を押圧し、溝状または点状の凹みを鋼板表面に形成する方法（特公昭６３−４４８０４号公報参照）、化学的エッチングによる凹みを鋼板表面に形成する方法（米国特許第4750949号明細書参照）、あるいはＱスイッチCO2レーザで鋼板表面に点列溝を形成する方法（特開平７−２２０９１３号公報参照）などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術のうち、歯形ロールを用いる機械的方法は、電磁鋼板の硬度が高いため歯形が短期間で摩耗する。さらに高速処理という観点では、一般的な鉄鋼製造プロセスで要求されるようなライン速度１００ｍｐｍ以上を実現することは困難である。化学的エッチングによる方法は、歯形が磨耗するという問題はないが、マスキング、エッチング処理、マスク除去の工程が必要であり、機械的方法に比べて工程が複雑になる問題がある。ＱスイッチCO2レーザで鋼板に点列溝を形成する方法は、非接触で凹みを形成するため、歯形が磨耗する、工程が複雑になるという問題がなく、高速処理も可能であるが、市販のレーザ発振装置に特殊なＱスイッチ装置を別途追加する必要があるという問題がある。また、従来技術のレーザによる溝形成には、連続波ではなくパルス状の時間波形を採用している。これは、一般に、鋼板に溝を形成するにはできるだけ高いパワー密度を必要とするためで、ＱスイッチCO2レーザが非常に高いピークパワーを有することによる。
【０００５】
鋼板速度１００ｍｐｍという前提を置くと、圧延方向すなわち移動方向とほぼ垂直に周期的に溝を形成するためには、ビーム走査速度１０ｍ／ｓ以上の高速度が必要となる。ＱスイッチCO2レーザをビーム走査速度１０ｍ／ｓで使用する場合、Qスイッチレーザの典型的なパルス時間幅は約10μsであり、このパルス時間内に集光ビームは100μmも移動する。溝加工する場合、集光ビーム径は100μm程度に集光されており、したがって、この場合、等価的に集光ビーム径は2倍になり、パワー密度は等価的に1／2となる。また、Qスイッチレーザのパルスはパルス時間幅内でレーザパワーの非常に高い初期スパイク部と低いテール部で構成されることから、パルス時間内に集光ビームが移動してしまうとパワー密度が変動してしまうため、走査方向に均一な深さの溝を形成するのは困難という問題がある。さらに、パルス加工による溝は点列穴となるが、連続した点列とするには、高い繰返し周波数が必要となり、高速度化になるほどレーザの大出力化が必要となる。
【０００６】
一方、レーザ時間波形が連続波であれば、時間的なパワー密度の変動はないものの、パワー密度が低いため鉄損特性改善に必要な溝深さを10m/s以上の高速走査下で加工するには、集光径を一層小さくしなければならず、集光性能の限界から工業的に困難であった。レーザパワーを高出力化してパワー密度を高くすることも可能であるが、工業設備としては  コスト的に問題がある。
【０００７】
本発明は、レーザ加工により溝を形成し、耐熱性磁気特性を改善する方向性電磁鋼板の製造方法において、安価で安定な高速加工可能なレーザ溝加工方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一方向性電磁鋼板の表面に、レーザビームの線状走査加工により鋼板表面に圧延方向とほぼ垂直な方向に周期的な溝を形成して、磁区細分化を行い、鉄損特性を向上させる方法において、レーザ時間波形が連続波でかつレーザ集光形状がレーザビームの走査方向に長軸をもつ楕円であるレーザビームを照射して深さが５μｍから２３μｍの溝を形成し耐熱性磁気特性を改善して鉄損を改善することを特徴とするレーザによる一方向性電磁鋼板の製造方法である。
【０００９】
また本発明は、上記製造方法において、投入パワーP（Ｗ）、レーザビームの走査速度Ｖ（ｍｍ/ｓ）、レーザ集光形状の楕円短軸a（ｍｍ）、楕円長軸ｂ（ｍｍ）とするとき、加工点のレーザビームの瞬時パワー密度Pd(W／ｍｍ2 )＝P／（πab）、加工点のレーザビームのエネルギー密度Ud(J／ｍｍ2 )＝P／（V×a）と定義し、50000≦Pd≦250000において、0.8≦Ud≦3.3の範囲に含まれることを特徴とする請求項１記載のレーザによる一方向性電磁鋼板の製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
第5図は本発明の低鉄損一方向性電磁鋼板の製造方法に使用した構成図である。
【００１２】
速度ｖで移動する電磁鋼板１の板幅方向にレーザビームLBを速度Vで走査しながら、圧延方向に間隔PLで溝3を形成する。加工点アシストガスを供給するため、アシストガス供給ノズル２を圧延方向に垂直、溝と平行に設置している。楕円のビーム集光形状は圧延方向に短軸a、圧延方向と垂直方向、すなわちレーザビームの走査方向に長軸bとなるように調整する。
【００１３】
本発明者らは、集光形状による加工性すなわち溝の深さ、それによって発現する磁区細分化による鉄損改善率の関係をみるため、投入パワーPを2000W、ビーム集光形状の圧延方向の径a、すなわち楕円短軸の長さを0.1mm、圧延方向と垂直方向の径b、すなわち楕円長軸の長さを0.2mmに固定して、走査速度を変えて溝深さと鉄損を測定した。比較のため、ビーム集光径がa=b=0.1ｍｍである円形についてもあわせて行った。なお、他の固定条件として、溝の圧延方向ピッチPLは３mm、アシストガスは空気、アシストガス方向は圧延方向に垂直、溝と平行に設置し、走査方向のアシストガス圧力成分が加工点において、0.06〜0.15MPaになるよう調整して、鋼板の両面を同条件にて溝加工を行っている。走査速度と片面あたりの溝加工深さの関係を図2に示す。
【００１４】
図２において、円形集光と楕円集光を比較すると、例えば、同一ビーム走査速度10ｍ/ｓにおいて円形集光は深さ16μmの溝加工に対し、楕円集光では25μmの溝加工がなされていることから楕円集光の方が、加工効率が高いことがわかる。これは、レーザは非常にエネルギー密度の高い熱源ではあるものの、照射ビームにはエネルギー分布が存在するので、レーザの照射部では、短時間に溶融温度を越え蒸発温度まで加熱され蒸発する部分と蒸発温度域に達しない部分すなわち、溶融温度領域にとどまる部分とができる。連続波レーザによる溝加工では、蒸発と溶融物のアシストガスによる飛散、加工反力による飛散によって溝が形成されると考えられる。ビーム走査照射の場合、時間ｔ＝（楕円長軸ｂ／ビーム走査速度V）の間、同一点にビームが照射される。
【００１５】
したがって、集光形状がレーザビームの走査方向に長い楕円集光形は円集光に比べ長い時間溶融しているので、同じビーム走査速度では溝が深くなると考えられる。つまり、パワー密度の観点では、円形集光に比べ、低いものの、楕円集光の方が効率的に溝が形成される。
【００１６】
図３は、片面あたりの溝深さ（μm）と鉄損W１７／５０（W／kg）の改善率（％）＝（レーザ照射前の鉄損−レーザ照射後の鉄損）／レーザ照射前の鉄損  ×100  の関係である。レーザ照射後の鉄損はひずみ取り焼鈍800℃×4時間後の測定値である。なお、Ｗ１７／５０は、周波数50Ｈｚ、最大磁束密度1.7Ｔのときの鉄損を示す。片面あたりの溝深さが０μｍから15μｍ範囲では、磁区細分化効果が徐々に大きくなり、15μｍで改善率が最大となる。片面あたりの溝深さが15μｍを越えると、溝部分の空隙の増加にともない、断面積が減少し、磁束密度が低下するため鉄損が悪化しはじめ、改善率も低下する。鉄損改善率2％以上を改善効果下限とすると、溝深さの範囲は、5μmから23μmとなる。図３から鉄損改善率10％を実現するには、片面あたりの溝深さは約15μmであるから、この加工が可能な走査速度は、図2から円集光では１１ｍ／ｓに対し、楕円集光は１７.５ｍ／ｓとなり、加工効率が向上して、高速化に優位であることがわかる。
【００１７】
本発明者らは、さらに高効率、鉄損改善の加工を実現すべく、楕円の形状（短軸ａ、長軸ｂ）、ビーム走査速度V、投入パワーPを種々変化させて鉄損改善率を測定した。固定条件として、PL＝3ｍｍとした。瞬時パワー密度Pdを横軸に、エネルギー密度Udを縦軸にとり、鉄損改善が得られる範囲すなわち改善率2％以上の範囲を示したのが図1である。瞬時パワー密度Pdは投入パワーＰ（Ｗ）／集光形状面積πab（ｍｍ2）であり、同じ改善率を達成するのに、この値が小さい方が投入パワーをより少なく、集光径を大きくできるので工業的、コスト的に有利である。エネルギー密度Udは投入パワーP（Ｗ）／（レーザビームの走査速度V（mm/sec）×  楕円集光形状の走査線方向と垂直な軸長a（mm））であり、また、Ud＝Pd×ｔとなる。ｔ＝ｂ／Vで照射時間に相当する。同じ改善率を達成するのにPdが同一の場合、Udが小さいほうが、ｔが小さくなり、すなわちVが大きくなるので、加工効率が高く、高速加工に有利となる。
【００１８】
図1中のUdが0.8より小さい領域Aは、照射時間ｔが短いため、溝が浅く、鉄損改善が得られない。また、Udが3.3より大きい領域Bは、照射時間ｔが長いため、溝が深くなりすぎ、鉄損改善率が低下した。Pdが50KW/mm2より小さい領域Cは、溝加工が起こらない。これは、瞬時エネルギーが小さいため、蒸発、溶融温度域まで、加熱できないためである。Pdが250KW/mm2以上の領域Dは、溝は形成されるものの発生するプラズマが非常に大きくなり、プラズマによってレーザ光の吸収が顕著になり、加工効率が悪化し、要求パワーが増大するので好ましくない。一方、Pd、Udが上述を除く領域Eにあると、鉄損改善効果があり、良好な電磁特性になっているのである。さらに、集光形状を楕円化することにより円集光と比較して、Pdが小さくなったにもかかわらず、Udが下がっていることから、より効率的に鉄損改善が実現でき、工業的、コスト的に非常に優位である。
【００１９】
例えば、図1で得られた鉄損改善のうち、投入パワーを2KW、短軸aを0.1ｍｍに固定し（Pdは楕円集光の長軸bの逆数分小さくなる）、鉄損改善値10%を実現した条件、すなわち片面あたりの溝深さ15μm加工の条件を楕円比率＝長軸ｂ／短軸aとビーム走査速度Vの関係を示したのが図4である。楕円比率1は円集光にあたり、これよりもビーム走査速度が大きい範囲（Udは加工速度Ｖの逆数分小さくなる）、すなわち楕円比率の範囲は1より大きく5以下となり、加工効率が向上し、高速化が可能となる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高速線状走査レーザ溝加工において、レーザの改造を必要とせず、高効率の溝加工が可能となる。その結果、低鉄損方向性電磁鋼板の製造の高速化、低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザによる低鉄損一方向性電磁鋼板製造方法の瞬時パワー密度とエネルギー密度の鉄損改善範囲を示す説明図である。
【図２】集光形状として、本発明と従来の円集光でのビーム走査速度と加工深さの関係を比較した説明図である。
【図３】溝深さと鉄損改善率の関係を示す説明図である。
【図４】溝深さ15μmを達成する集光形状の楕円比率とビーム走査速度の関係を示す説明図である。
【図５】本発明のレーザによる低鉄損一方向性電磁鋼板製造方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１…電磁鋼板
２…アシストガス供給ノズル
３…加工された溝
ａ…楕円集光の短軸
ｂ…楕円集光の長軸
ＬＢ…レーザビーム
Ｖ…ビーム走査速度
ｖ…鋼板速度
ＰＬ…溝のピッチ
【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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