CN101979676B - 通过激光刻痕改善取向硅钢磁性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过激光刻痕改善取向硅钢磁性能的方法。该方法采用激光束在高温退火后的取向硅钢片表面上刻划出若干条平行布置的线状或点线状沟槽，各条线状或点线状沟槽与取向硅钢片轧制方向的夹角α＝78～88°，相邻线状或点线状沟槽沿取向硅钢片轧制方向的间距d＝3～5mm，且沟槽深度h＝15～30μm、沟槽宽度b＝50～65μm。所述激光束较佳的工作参数为：光斑直径D＝7～13μm、照射点峰值功率密度N＝108～109W/cm2。采用激光刻痕既不破坏取向硅钢片的板型，又可明显降低铁损，其铁损降低效果经过800℃、2小时去应力退火后不会消失，叠片系数不会降低，磁感基本上没有恶化。同时，其工艺简单、生产易于控制，特别适于改善高磁感取向硅钢片的性能，经处理后既能用于卷绕铁芯变压器，也能用于叠片铁芯变压器。
Description
技术领域
本发明涉及取向硅钢制造技术，具体地指一种通过激光刻痕改善取向硅钢磁性能的方法。
背景技术
取向硅钢片主要用作变压器的铁芯材料。降低取向硅钢片的铁损可以减少变压器工作过程中的能量损耗，这对于节能减排是非常重要的。取向硅钢片的铁损由磁滞损耗和涡流损耗构成，涡流损耗又分为经典涡流损耗和异常涡流损耗。异常涡流损耗是以磁畴壁的移动为基础的涡流损失，与磁畴壁的移动速率成正比，在相同频率下，磁畴壁的移动速率与移动距离成正比，所以磁畴宽度越大，涡流损失也越大。在工频状态下，异常涡流损耗约占铁损的一半左右，随着取向硅钢片的不断进步，其所占的比例还在不断增大。
为了降低异常涡流损耗，科研人员一般采用减小取向硅钢片主畴宽度的方法。日本发明专利特开昭58-26405提出了一种通过激光照射减小主畴宽度、降低铁损的方法，其通过激光照射的热冲击作用在照射区域产生应力从而细化磁畴。这种方法的缺陷是激光照射产生的应力经过去应力退火后会消失，从而失去磁畴细化的效果，因此这种方法不适合用作卷绕铁芯的取向硅钢片。另有一些可以经受去应力退火的磁畴细化技术已经被提出，这些技术是在取向硅钢片表面垂直于轧制的方向引入与基体磁导率不同的线状或点线状区域，其具体方案包括如下几类：齿状辊压痕形成线状沟槽的方法(参见日本发明专利特开昭63-44804)；通过化学刻蚀在表面形成线坑的方法(参见美国发明专利US4750949)；采用Q开关二氧化碳激光器在表面形成由一系列的坑组成的沟槽的方法(参见日本发明专利特开平7-220913)；此外还有通过激光照射在取向硅钢片表面形成熔融重凝固层的方法。
对于上述机械压痕方法而言，取向硅钢片较高的硬度将导致齿辊在使用很短时间后就磨损，需要频繁维护。对于上述化学刻蚀方法而言，需要在刻蚀前施加掩膜，刻蚀后再去掉掩膜，其工艺比机械压痕方法还要复杂，而且取向硅钢片的磁感降低严重。对于上述Q开关二氧化碳激光器照射方法和在取向硅钢片表面形成熔融重凝固层的方法而言，虽然没有前两种方法维护频繁、工艺复杂的问题，但Q开关二氧化碳激光器照射位置的热输入过高，会导致整个取向硅钢片产生井状形变，从而导致其叠片系数降低，而在表面形成熔融重凝固层对取向硅钢片的板形破坏较大，其铁损降低的幅度不理想。
为了解决上述几类技术方案存在的问题，欧洲发明专利EP0992591提出了一种通过激光照射在取向硅钢片两面都形成沟槽的方法，但这种方法需要将两面对应沟槽的位置偏差控制在一个很小的范围内，这在实际生产上是很难实现的。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种通过激光刻痕改善取向硅钢磁性能的方法。采用该方法处理取向硅钢既可避免板型破坏，又可阻止磁感恶化，同时可大幅降低其在去应力退火后的铁损。
为实现上述目的，本发明所设计的通过激光刻痕改善取向硅钢磁性能的方法，是采用激光束在高温退火后的取向硅钢片表面上刻划出若干条平行布置的线状或点线状沟槽，各条线状或点线状沟槽与取向硅钢片轧制方向的夹角α＝78～88°，相邻线状或点线状沟槽沿取向硅钢片轧制方向的间距d＝3～5mm，各条线状或点线状沟槽的沟槽深度h＝15～30μm、沟槽宽度b＝50～65μm。
作为优选方案，所述各条线状或点线状沟槽与取向硅钢片轧制方向的夹角α＝80～82°，最佳夹角α＝80°。
进一步地，所述各条线状或点线状沟槽较佳的设计参数为：沟槽深度h＝18～25μm、沟槽宽度b＝55～65μm。
更进一步地，所述激光束较佳的工作参数为：光斑直径D＝7～13μm、照射点峰值功率密度N＝108～109W/cm2，激光平均输出功率J(W)与激光束扫描线速度V(mm/s)之比J/V＝0.005～0.1；所述激光束最佳的光斑直径D＝10μm、照射点峰值功率密度N＝5×108W/cm2、激光平均输出功率J(W)与激光束扫描线速度V(mm/s)之比P/V＝0.01～0.03。
本发明通过激光束照射刻痕在取向硅钢片的单面形成一系列平行布置的线状或点线状沟槽，并通过对这些线状或点线状沟槽的间距、布置角度、尤其是沟槽深度和沟槽宽度的合理控制，达到了既不破坏取向硅钢片板型又可明显降低铁损的目的，其铁损降低效果经过800℃去应力退火后不会消失，叠片系数也不会降低，磁感基本上没有恶化。同时，采用激光束照射刻痕的工艺简单，生产上易于控制。由此有效克服了现有机械法和化学法存在维护频繁、工艺复杂的问题，也有效解决了现有激光照射法存在的破坏板型、铁损降低效果不明显或生产难以控制的问题。
以下对本发明技术方案的作用机理进行详细说明：通过激光精确刻痕在取向硅钢片表面形成上述设计角度、间距、深度和宽度的线状或点线状沟槽后，可起到阻断磁通的作用，有利于自由磁极的产生，在平行的线状或点线状沟槽间张力的作用下，自由磁极长大成180°畴，从而使磁畴得以细化。试验表明经过本发明处理在取向硅钢片表面所形成的沟槽，在800℃、2小时消除应力退火后也不会消失。
如果线状或点线状沟槽的间距d＜3mm，由内应力产生的晶体缺陷导致的磁滞损耗的增加将会大于磁畴细化导致的涡流损耗的降低，这样不但对铁损降低的效果不明显，还会导致磁感的降低。如果线状或点线状沟槽的间距d＞5mm，所产生的张应力将不足以形成足够多的180°畴，铁损降低的效果也不好。
由于取向硅钢片的<001>方向与轧制方向有一定的倾角，因此180°畴并非平行于轧制方向，而是相应地与轧制方向有一定的倾角。由于磁畴细化是通过线状或点线状沟槽之间的张力产生的，张力的方向相应地要与轧制方向成一定的倾角。根据取向硅钢片的晶体学方向，使线状或点线状沟槽与取向硅钢片轧制方向成一定的夹角α更有利于得到好的刻痕效果。但如果这个夹角α＜78°，不但不利于增加张力，而且还会有很多非180°畴产生，导致取向硅钢片的磁性恶化。
线状或点线状沟槽的沟槽深度h和沟槽宽度b也必须控制在一定的范围内。如果沟槽深度h＜15μm或沟槽宽度＜50μm，将不能产生足够的张应力，从而使取向硅钢片在去应力退火后的铁损降低效果不理想。如果沟槽深度h＞30μm，将导致取向硅钢片板型破坏，叠片系数降低。如果沟槽宽度b＞65μm，将产生过多的晶体缺陷，导致磁感降低，磁滞损耗增加，铁损降低效果也不好。
为了获得设计需要的线状或点线状沟槽，激光束的工作参数也很重要。光纤激光器能够产生质量极其优良的连续激光束，经焦距适当的透镜聚焦后，其光斑直径D可控制在7～13μm的狭小范围，只有多模Nd:YAG激光器的十分之一，其照射点峰值功率密度N可达108～109W/cm2，从而可以通过激光功率和扫描线速度的调节，实现沟槽深度和沟槽宽度的准确控制，是实现本发明最理想的激光器。另外，光纤激光器的运行可靠性好，光电转换效率高，可大幅降低取向硅钢片的处理和维护成本。
采用本发明技术方案处理的取向硅钢片，既能用于卷绕铁芯变压器，也能用于叠片铁芯变压器。特别是对高磁感取向硅钢片而言，经过激光刻痕处理后其品质和档次均有大幅提高，与未处理的高磁感取向硅钢片相比市场差价达356元/吨，一万吨即可为企业增加效益356万元。
附图说明
图1为通过激光刻痕在取向硅钢片表面上形成线状或点线状沟槽的结构示意图。
图2为图1的A-A剖视结构示意图。
图3为在本发明刻痕参数范围内的一种取向硅钢片表面上的线状或点线状沟槽的电子显微形貌示意图。
图4为在本发明刻痕参数范围外的一种取向硅钢片表面上的线状或点线状沟槽的电子显微形貌示意图。
图5为激光刻痕参数确定状况下，取向硅钢片的铁损改善百分数与磁感恶化百分数随线状或点线状沟槽间距的变化关系示意图。
图6为线状或点线状沟槽间距和布置夹角确定状况下，取向硅钢片的铁损改善百分数与沟槽深度和沟槽宽度的变化关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明通过激光刻痕改善取向硅钢磁性能的方法作进一步的详细描述：
图如1、2所示，高磁感取向硅钢片1表面上刻划有线状或点线状沟槽2，各条线状或点线状沟槽2与取向硅钢片1轧制方向(图中所示的R.D方向)的夹角α＝78～88°，相邻线状或点线状沟槽2沿取向硅钢片1轧制方向的间距d＝3～5mm，各条线状或点线状沟槽2的沟槽深度h＝15～30μm、沟槽宽度b＝50～65μm。其是通过如下方法获得的：将光纤激光器所生产激光束的工作参数调整到如下范围：光斑直径D＝7～13μm、照射点峰值功率密度N＝108～109W/cm2，具体工作时稳定在光斑直径D＝10μm、照射点峰值功率密度N＝5×108W/cm2、激光平均输出功率J(W)与激光束扫描线速度V(mm/s)之比J/V＝0.01～0.03。采用调整好的激光束在高温退火后的高磁感取向硅钢片1表面上刻划出线状或点线状沟槽2即可。当然，也可在高温退火后并形成绝缘涂层的高磁感取向硅钢片1表面上刻痕，此时激光束会将对应于线状或点线状沟槽2处的绝缘涂层破坏掉。针对线状或点线状沟槽2的间距d、布置角度α、沟槽深度h和沟槽宽度b取不同的值，可以获得不同高磁感取向硅钢片1的性能参数，具体描述如下。
如图3所示为在本发明刻痕参数范围内的一种高磁感取向硅钢片表面上的线状或点线状沟槽2的电子显微形貌示意图。该线状或点线状沟槽2与取向硅钢片1轧制方向夹角α＝80°、相邻线状或点线状沟槽2的间距d＝5mm，从该电子显微形貌示意图可测得其沟槽深度h＝18.25μm、沟槽宽度b＝57.64μm。通过实际测量试样可知，其去应力退火后铁损改善幅度ΔP和磁感恶化幅度ΔB分别为9.2％和0.45％。其中：ΔP＝(刻痕前测得的试样的铁损-刻痕并退火后测得的试样的铁损)/刻痕前测得的试样的铁损×100％；ΔB＝(刻痕并退火后测得的试样的磁感-刻痕前测得的试样的磁感)/刻痕前测得的试样的磁感×100％。
如图4所示为在本发明刻痕参数范围外的一种高磁感取向硅钢片表面上的线状或点线状沟槽2的电子显微形貌示意图。该线状或点线状沟槽2与取向硅钢片1轧制方向夹角α＝80°、相邻线状或点线状沟槽2的间距d＝5mm，从该电子显微形貌示意图可测得其沟槽深度h＝22.51μm、沟槽宽度b＝45.25μm。通过实际测量试样可知，其去应力退火后铁损改善幅度ΔP和磁感恶化幅度ΔB分别为5.24％和0.80％。由此可见，当沟槽深度h和沟槽宽度b不能同时满足本发明要求时，得不到好的铁损改善效果。
如图5所示为激光束的光斑直径D＝10μm、照射点峰值功率密度N＝5×108W/cm2、线状或点线状沟槽2与取向硅钢片1轧制方向的夹角α＝80°、相邻线状或点线状沟槽2的间距d＝2～6mm的状况下，取向硅钢片的铁损改善百分数ΔP与磁感恶化百分数ΔB随线状或点线状沟槽间距的变化关系示意图。从图5可以看出：如果取向硅钢片1在本发明限定的相邻线状或点线状沟槽2的间距d＝3～5mm的范围内刻痕，其铁损改善百分数ΔP可以达到7～9％，磁感恶化百分数ΔB只有0.4～0.7％。如果超出上述间距d的范围刻痕，则铁损改善百分数ΔP只有3～5％，而磁感恶化百分数ΔB却达到了1～2％。
如图6所示为线状或点线状沟槽2与取向硅钢片1轧制方向的夹角α＝80°、相邻线状或点线状沟槽2的间距d＝5mm的状况下，取向硅钢片的铁损改善百分数ΔP与沟槽深度h和沟槽宽度b的变化关系示意图。从图6可以看出：只有同时满足沟槽深度h＝15～30μm、沟槽宽度b＝50～65μm时，才能达到良好的铁损降低效果。沟槽深度h和沟槽宽度b有一个不满足所要求的范围时，铁损改善效果都不好。
Claims (6)
1.一种通过激光刻痕改善取向硅钢磁性能的方法，其特征在于：该方法是采用激光束在高温退火后的取向硅钢片(1)表面上刻划出若干条平行布置的线状或点线状沟槽(2)，各条线状或点线状沟槽(2)与取向硅钢片(1)轧制方向的夹角α＝78～88°，相邻线状或点线状沟槽(2)沿取向硅钢片(1)轧制方向的间距d＝3～5mm，各条线状或点线状沟槽(2)的沟槽深度h＝15～30μm、沟槽宽度b＝50～65μm；所述激光束的光斑直径D＝7～13μm、照射点峰值功率密度N＝108～109W/cm2、激光平均输出功率J与激光束扫描线速度V之比J/V＝0.005～0.1，其中激光平均输出功率J的单位是W，激光束扫描线速度V的单位是mm/s。
2.根据权利要求1所述的通过激光刻痕改善取向硅钢磁性能的方法，其特征在于：所述各条线状或点线状沟槽(2)与取向硅钢片(1)轧制方向的夹角α＝80～82°。
3.根据权利要求1所述的通过激光刻痕改善取向硅钢磁性能的方法，其特征在于：所述各条线状或点线状沟槽(2)与取向硅钢片(1)轧制方向的夹角α＝80°。
4.根据权利要求1或2或3所述的通过激光刻痕改善取向硅钢磁性能的方法，其特征在于：所述各条线状或点线状沟槽(2)的沟槽深度h＝18～25μm、沟槽宽度b＝50～60μm。
5.根据权利要求1或2或3所述的通过激光刻痕改善取向硅钢磁性能的方法，其特征在于：所述激光束的光斑直径D＝10μm、照射点峰值功率密度N＝5×108W/cm2、激光平均输出功率J与激光束扫描线速度V之比J/V＝0.01～0.03，其中激光平均输出功率J的单位是W，激光束扫描线速度V的单位是mm/s。
6.根据权利要求4所述的通过激光刻痕改善取向硅钢磁性能的方法，其特征在于：所述激光束的光斑直径D＝10μm、照射点峰值功率密度N＝5×108W/cm2、激光平均输出功率J与激光束扫描线速度V之比J/V＝0.01～0.03，其中激光平均输出功率J的单位是W，激光束扫描线速度V的单位是mm/s。
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