CN106471141B - 激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

一种使激光束聚光于方向性电磁钢板并沿扫描方向进行扫描、用于将上述方向性电磁钢板的磁畴细分的激光加工装置，聚光于上述方向性电磁钢板上的激光束为直线偏光，上述直线偏光的朝向和上述扫描方向所成的角度在0°以上且小于45°。

Description

激光加工装置
技术领域
本发明涉及对用于变压器的铁芯等的方向性电磁钢板照射激光从而将磁畴细分的激光加工装置。
背景技术
方向性电磁钢板具有对钢板制造时的轧制方向容易磁化这样的特征。因此，方向性电磁钢板也称为单向性电磁钢板。方向性电磁钢板作为构成变压器、旋转机械等电气设备的铁芯的材料使用。
当磁化方向性电磁钢板时，产生铁损等能量损失。近年来，随着全球变暖的加剧，全世界都在谋求电气设备的节能化。因此，需要能够进一步降低方向性电磁钢板的铁损的技术。
铁损分为涡流损耗和磁滞损耗。涡流损耗分为经典涡流损耗和异常涡流损耗。为了降低经典涡流损耗，我们知道在表面形成绝缘被膜并且具有薄的板厚的方向性电磁钢板。例如，在下述专利文献1中公开了具有形成于钢板基底的表面上的玻璃被膜和形成于玻璃被膜的表面上的绝缘被膜的方向性电磁钢板。
例如，在下述专利文献2和3中公开了能够抑制异常涡流损耗的激光磁畴控制方法。在该激光磁畴控制方法中，对形成了绝缘被膜的方向性电磁钢板的表面照射激光束，激光束沿方向性电磁钢板的大致宽度方向(即与方向性电磁钢板的轧制方向近似正交的方向)扫描。结果，在方向性电磁钢板的表面(即基底的表面)沿轧制方向周期性地形成多个残余应变，使方向性电磁钢板的磁畴细分。
根据该激光磁畴控制方法，通过激光束的扫描，能够对方向性电磁钢板的最表层赋予在板厚方向上具有大的温度梯度的温度履历。通过赋予这样的温度履历，在方向性电磁钢板的基底(日文：地鉄)的表面产生残余应变，因为该残余应变的原因形成环流磁畴。借助该环流磁畴，180°的磁畴壁间隔被细分，结果，降低方向性电磁钢板的异常涡流损耗。
如上所述，借助形成于基底表面的环流磁畴，180°磁畴壁间隔被细分，结果，降低异常涡流损耗。但是，形成于基底表面的环流磁畴成为使磁滞损耗增加的主要因素。因此，为了使包含涡流损耗和磁滞损耗的铁损最小化，使环流磁畴的宽度变窄是有效的。例如，在专利文献3中公开了使用具有良好的微聚光特性的TEM00模式的激光束在狭窄区域内形成强的应变，通过这样获得狭窄并且具有足够强度的环流磁畴的方法。
现有技术文献
专利文献
[专利文献1]日本国特开2007－119821号公报
[专利文献2]日本国特开昭59－33802号公报
[专利文献3]国际公开2004/083465号
[专利文献4]日本国特开昭58－29592号公报
[专利文献5]日本国特开平2－52192号公报
发明的概要
发明要解决的问题
在以往的激光磁畴控制方法中，为了高速并且高效地实施激光束的扫描，使用从离方向性电磁钢板的表面一定高度的位置沿方向性电磁钢板的宽度方向直线地扫描1条激光束的光学***。
在使用这样的光学***的情况下，在激光扫描宽度的中央部，激光束对方向性电磁钢板的表面垂直地入射。即，在激光束的入射位置与激光扫描宽度的中央部一致的情况下，与方向性电磁钢板的表面正交的方向(法线方向)与激光束的传播方向所成的角度(激光束的入射角φ)为0°。另一方面，激光束的入射位置越靠近激光扫描宽度的端部，激光束的入射角φ越大。
在这样的光学***中，激光束的入射位置越从激光扫描宽度的中央部靠近端部(激光束的入射角φ越大)，激光束的光束直径越扩大，激光束的功率密度越小。
结果，由于在激光扫描宽度的端部沿板厚方向赋予的温度梯度比在激光扫描宽度的中央部沿板厚方向赋予的温度梯度小，因此在激光扫描宽度的端部难以适当地将磁畴细分。
这样，以往的激光磁畴控制方法存在不能够遍及整个激光扫描宽度获得足够的磁畴控制效果(铁损降低效果)这样的问题。
为了解决上述问题，可以考虑在激光扫描宽度的端部提高激光束的吸收率的方案。例如，在上述专利文献4和5中，公开了将激光束(直线偏光)的入射角固定在接近布儒斯特角的角度(例如45°以上，参照专利文献4的权利要求3和专利文献5的权利要求1)，总是在使激光束的吸收率最大的状态下对处理对象物的表面照射激光束的技术。
但是，上述专利文献4和5公开的技术虽然对能够固定激光束的入射角的***有效，但难以应用于像上述以往的激光磁畴控制方法中使用的***那样激光束以预定的激光扫描宽度进行扫描的***(换言之激光束的入射角变化的***)。
发明内容
本发明就是鉴于以上情形而完成的，以提供能够遍及整个激光束的激光扫描宽度地降低方向性电磁钢板的铁损的激光加工装置为目的。
本发明为了达成解决上述课题所涉及的目的，采用以下的手段。
(1)本发明一个形态涉及的激光加工装置为使激光束聚光于方向性电磁钢板上并沿扫描方向进行扫描、用于将上述方向性电磁钢板的磁畴细分的激光加工装置，聚光于上述方向性电磁钢板上的激光束为直线偏光，上述直线偏光的朝向和上述扫描方向所成的角度在0°以上且小于45°。
(2)上述(1)所述的激光加工装置中，也可以上述激光束对上述方向性电磁钢板的最大入射角φMAX满足下述条件式(1)。
1/cosφMAX≤1.24……(1)
(3)在上述(1)或(2)所述的激光加工装置中，聚光于上述方向性电磁钢板的激光束的波长可以为0.15μm以上、7μm以下。
(4)上述(1)～(3)中的任一项所述的激光加工装置还可以具备射出激光束的激光振荡器，以及将上述激光振荡器射出的激光束变成直线偏光的偏光器。
(5)在上述(4)所述的激光加工装置中，上述激光振荡器可以是光纤激光器或盘形激光器。
(6)在上述(1)～(5)中的任一项所述的激光加工装置中，可以是聚光于上述方向性电磁钢板上的激光束的聚光形状为椭圆，上述椭圆的短轴方向与上述扫描方向正交。
发明的效果：
根据上述形态，能够遍及整个激光束的激光扫描宽度地降低方向性电磁钢板的铁损。
附图说明
图1为本发明一个实施形态涉及的方向性电磁钢板10的剖视图；
图2为表示本发明一个实施形态涉及的方向性电磁钢板10的制造工序的一例的流程图；
图3为表示本发明一个实施形态涉及的激光加工装置100的结构例的示意图；
图4为表示本发明一个实施形态涉及的激光照射装置106的结构例的示意图；
图5为表示方向性电磁钢板10上的激光束的聚光形状的图；
图6为表示激光束向方向性电磁钢板10的入射状态的示意图；
图7为表示方向性电磁钢板10上激光束的光束直径的示意图；
图8为表示直线偏光的朝向与激光束的扫描方向之间的关系的示意图；
图9A为表示直线偏光LB以入射角φ入射到方向性电磁钢板10的表面上时P偏光的电场振动方向；
图9B为表示直线偏光LB以入射角φ入射到方向性电磁钢板10的表面时S偏光的电场振动方向的图；
图10为表示激光束的P偏光和S偏光在基底12的上表面的吸收率的曲线图；
图11为表示激光照射装置106的变形例的图。
具体实施方式
下面参照附图详细地说明本发明的一个实施形态。另外，在本说明书和附图中，对于实际上具有同一功能结构的构成要素添加同一个标记，省略重复的说明。
<方向性电磁钢板的概要>
方向性电磁钢板为钢板的晶粒的易磁化轴(体心立方晶体的<001>方向)与制造工序中的轧制方向近似一致的电磁钢板。在上述那样的方向性电磁钢板中，轧制方向与磁化方向一致的多个磁畴在被磁畴壁隔开的状态下排列。这样的方向性电磁钢板由于在轧制方向上容易磁化，因此适用于作为磁力线的方向大致恒定的变压器的铁芯材料。
变压器用的铁芯(铁心)分为卷绕铁芯和叠片铁芯两大类。在卷绕铁芯的制造工序中，边对钢板施加卷绕变形一边组装成铁芯的形状，然后为了将由于该机械变形而导入的应变除去而进行退火。但是，在该退火工序中，由于通过像上述那样照射激光而导入的应变也被除去，因此磁畴的细分效果也消失了。另一方面，在叠片铁芯的制造工序，不需要上述那样的应变除去用的退火工序。因此，本实施形态涉及的方向性电磁钢板尤其适合作为叠片铁芯的材料。
图1为本实施形态涉及的方向性电磁钢板10的剖视图。如图1所示，方向性电磁钢板10具有钢板主体(基底)12、形成于钢板主体12的两面上的玻璃被膜14和形成于玻璃被膜14上的绝缘被膜16。
钢板主体12用含有Si的铁合金构成。钢板主体12的组成作为一例为：Si，2.5％质量以上、4.0％以下质量；C，0.02％以上质量、0.10％质量以下；Mn，0.05％以上质量、0.20％质量以下；酸溶性Al，0.020％质量以上、0.040％质量以下；N，0.002％质量以上、0.012％质量以下；S，0.001％质量以上、0.010％质量以下；P，0.01％质量以上、0.04％质量以下；其余为Fe和不可避免的杂质。钢板主体12的厚度为例如0.1mm以上、0.2mm以下。
玻璃被膜14例如由镁橄榄石(Mg2SiO4)、尖晶石(MgAl2O4)和堇青石(cordierite：Mg2Al4Si5O16)这样的复合氧化物构成。玻璃被膜14的厚度为例如1μm。
绝缘被膜16由例如以胶体状二氧化硅和磷酸盐(磷酸镁、磷酸铝等)为主体的涂布液、将氧化铝溶胶与硼酸混合的涂布液构成。绝缘被膜16的厚度为例如2μm以上、3μm以下。
在上述结构的方向性电磁钢板10中，借助从绝缘被膜16的上方照射激光束，对与轧制方向近似正交的线状区域赋予残余应变。被赋予了残余应变的线状区域以预定的周期在轧制方向上形成，在隔着这2个线状区域并且磁化朝轧制方向的区域，对与轧制方向近似正交的方向上的磁畴宽度进行细分。
<方向性电磁钢板的制造方法>
参照图2说明本实施形态涉及的方向性电磁钢板10的制造方法。图2为表示本实施形态涉及的方向性电磁钢板10的制造工序的一例的流程图。
如图2所示，方向性电磁钢板10的制造工序包含：铸造工序S2、热轧工序S4、退火工序S6、冷轧工序S8、脱碳退火工序S10、退火分离剂涂敷工序S12、最后加工退火工序S14、绝缘被膜形成工序S16和激光照射工序S18。
在铸造工序S2中，将调整成预定的组成的钢液提供给连续铸造机，连续地形成铸锭。在热轧工序S4中，将铸锭加热到规定温度(例如1150～1400℃)后进行热轧。由此，形成预定厚度(例如1.8～3.5mm)的热轧材料。
在退火工序S6中，对热轧材料进行例如加热温度750～1200℃、加热时间30秒～10分钟的条件下的热处理。在冷轧工序S8中，在对热轧材料的表面进行了酸洗后，进行冷轧。由此，形成预定厚度(例如0.1～0.4mm)的冷轧材料。
在脱碳退火工序S10中，对冷轧材料进行例如加热温度700～900℃、加热时间1～3分钟的条件下的热处理，形成钢板主体12。在钢板主体12的表面形成以二氧化硅(SiO2)为主体的氧化物层。在退火分离剂涂敷工序S12中，在钢板主体12的氧化物层上涂敷以氧化镁(MgO)为主体的退火分离剂。
在最后加工退火工序S14中，在将涂敷了退火分离剂的钢板主体12卷绕成线圈状的状态下将其***到间歇式炉内进行热处理。热处理条件为例如加热温度1100～1300℃、加热时间20～24小时。此时，钢板主体12的输送方向(轧制方向)与易磁化轴一致的所谓高斯(Goss)晶粒优先结晶成长。结果，在最终退火后能够获得晶体取向性(结晶取向性)高的方向性电磁钢板。并且，借助最后加工退火工序S14，氧化物层与退火分离剂进行反应，在钢板主体12的表面形成由镁橄榄石(Mg2SiO4)构成的玻璃被膜14。
在绝缘被膜形成工序S16中，将卷绕成线圈状的钢板主体12展开，伸展成板状并输送。并且，在形成于钢板主体12两面上的玻璃被膜14上涂敷绝缘剂并进行烧结，形成绝缘被膜16。形成了绝缘被膜16的钢板主体12卷绕成线圈状。
在激光照射工序S18中，将卷绕成线圈状的钢板主体12展开，伸展成板状并输送。然后用后述的激光照射装置朝钢板主体12的一个面聚光、照射激光束，在被沿轧制方向(输送方向)输送的电磁钢板的大致宽度方向上进行扫描。由此，在钢板主体12的表面以在轧制方向上的预定间隔形成与轧制方向近似正交的线形应变。另外，该激光束的聚光、扫描也可以从钢板主体12的表面和里面两方进行。并且，虽然像上述那样说明了在将形成了绝缘被膜16的钢板主体12卷绕成线圈状以后输送到激光照射工序S18，但也可以在刚刚形成绝缘被膜后立即进行激光照射，然后卷绕成线圈状。
借助如上所述的制造工序，在钢板主体12的表面形成玻璃被膜14和绝缘被膜16，通过激光照射制造进行过磁畴控制的方向性电磁钢板10。
<激光加工装置的结构>
参照图3和图4说明对方向性电磁钢板10照射激光束赋予残余应变的激光加工装置100的结构例。图3为表示本实施形态涉及的激光加工装置100的结构例的示意图。图4为表示一个激光照射装置106的结构例的示意图。
激光加工装置100从以恒定速度沿轧制方向输送的方向性电磁钢板10的绝缘被膜16的上方照射激光束，赋予与轧制方向近似正交的线形应变。如图3所示，激光加工装置100分别具有多个激光振荡器102、传输光纤104和激光照射装置106。图3中表示了3个激光振荡器102、传输光纤104和激光照射装置106，但每个的结构相同。
激光振荡器102射出例如100W以上的大功率的激光束。激光振荡器102射出例如波长0.15μm以上、7μm以下的激光束。传输光纤104为将从激光振荡器102射出的激光束传送到激光照射装置106的光纤。
作为激光振荡器102的种类，从微聚光特性优良、能够形成窄的环流磁畴的观点等触发，优选光纤激光器或盘形激光器。光纤激光器或盘形激光器由于波长位于从近紫外区域到近红外区域(例如1μm带宽)，因而能够借助光纤传播激光束，通过用光纤传播激光束，能够实现比较紧凑的激光加工装置100。激光振荡器102既可以是连续波激光器也可以是脉冲激光器。
激光照射装置106使借助传输光纤104从激光振荡器102传送的激光束聚光到方向性电磁钢板10上，沿与轧制方向近似正交的方向进行扫描。虽然一个激光照射装置106能够扫描激光束的宽度比方向性电磁钢板10的板宽小，但通过像图3所示那样沿板宽度方向排列多个激光照射装置106，能够遍及方向性电磁钢板10的整个板宽地扫描激光束。
如图4所示，激光照射装置106具有准直透镜122、作为偏光器的一例的偏振分光器124、λ/2板125、金属反射镜126、多面反射镜128和抛物面反射镜130。
准直透镜122将从传输光纤104传送来的激光束变成平行光。作为平行光的激光束在这里为无偏光光束，入射到偏振分光器124中。
偏振分光器124使入射的无偏光激光束变成直线偏光。若在偏振分光器124后设置λ/2板125，则通过变更λ/2板125的旋转角度，能够调整直线偏光的朝向。另外，通过将偏振分光器124配置成能够围绕激光束的中心轴旋转，即使不设置λ/2板125，也能够调整直线偏光的朝向。并且，作为使偏光的朝向变化的元件，也可以使用法拉第旋转器等取代λ/2板125。另外，有关将激光束变成直线偏光的理由后述。并且，在原本使用产生直线偏光的激光束的激光振荡器102(例如盘形激光器、保偏型光纤激光器、板条式CO2激光器以及其他的在谐振器内设置了偏光控制元件的激光器)的情况下，能够省略例如图4所示的偏振分光器124这样的将偏光变换成直线偏光的光学元件。而且，在钢板面上的直线偏光的朝向朝后述规定的方向的情况下，能够省略λ/2板125。
另外，作为本发明的线性偏振激光，使用具有仅在一个方向上振动的电场成分(直线偏光成分)的激光比较理想，但严格来说，存在极少量的与该直线偏光成分正交的电场成分(正交成分)。直线偏光成分的功率与正交成分的功率之比随上述偏振分光器124的性能、激光振荡器102的性能而定。在假设直线偏光成分的功率为PW1、其正交成分的功率为PW2时，在将(PW1/(PW1+PW2))定义为偏振度的情况下，本发明的直线偏光具有0.9以上且小于1.0的偏振度。即，在使用具有0.9以上且小于1.0(90％以上且小于100％)的偏振度的直线偏振激光的情况下，能够得到后述实施例的结果。另外，通过使用正交棱镜等将直线偏光分离，能够分析直线偏光成分的比例。
金属反射镜126为用来对入射的激光束在方向性电磁钢板10的板宽度方向(参照图5)上的光束直径进行收拢、调整的镜子。作为金属反射镜126，能够使用例如在一个轴方向上具有曲率的柱面反射镜、抛物面反射镜。由金属反射镜126反射的激光束入射到以预定的旋转速度旋转的多面反射镜128中。
多面反射镜128为能够旋转的多面体，借助旋转使激光束沿方向性电磁钢板10的板宽度方向进行扫描。在激光束入射到多面反射镜128的多面体中某个面期间，伴随这面的旋转，激光束对方向性电磁钢板10上的沿板宽度方向的1条线状区域进行扫描，给该线状区域赋予残余应变。伴随多面反射镜的旋转，在反复进行该激光束的扫描的同时，方向性电磁钢板10被沿轧制方向输送的结果，在方向性电磁钢板10上沿轧制方向周期性地形成具有线状残余应变的区域。另外，线状区域在轧制方向上的周期由方向性电磁钢板10的输送速度和多面反射镜128的转速调整。
抛物面反射镜130为用来对由多面反射镜128反射的激光束在轧制方向上的光束直径进行缩径、调整的镜子。被抛物面反射镜130反射的激光束聚光于方向性电磁钢板10的表面上。
图5为表示方向性电磁钢板10上的激光束的聚光形状的图。在本实施形态中，激光束的聚光形状如图5所示为椭圆。该椭圆的长轴方向与激光束的扫描方向平行，椭圆的短轴方向与扫描方向正交。换言之，椭圆的短轴方向与轧制方向平行。通过这样使激光束的聚光形状为椭圆，激光束对方向性电磁钢板10的某一点的照射时间变长。结果，由于能够一直到方向性电磁钢板10内部深的位置使温度上升，因此对于降低铁损有效。另外，通过用金属反射镜126使板宽度方向(扫描方向)上的光束直径缩径，并且用抛物面反射镜130使轧制方向的光束直径缩径，使激光束的聚光形状成为椭圆。并且，若使激光束的聚光形状为椭圆，则与聚光形状为正圆的情况相比，由于激光束的聚光面积扩大而使功率密度下降。结果，能够防止方向性电磁钢板10的表面附近的相对于板厚方向的温度梯度变陡峭，对抑制玻璃被膜14中缺陷的产生有效。
另外，上述的说明举例说明了方向性电磁钢板10上的激光束的聚光形状为椭圆的情况，但本发明并不局限于此。例如，激光束的聚光形状也可以是正圆。
并且，在本实施形态中，希望使轧制方向的光束直径(包含86％的积分强度的宽度)在200μm以下地设定激光束的强度分布。由此，通过边更好地抑制向轧制方向的热传导的扩散边形成窄的环流磁畴，能够大大降低铁损。而且，为了确实地降低铁损，更希望使上述光束直径在120μm以下。
<有关激光束在激光扫描宽度上的入射状态>
激光照射装置106在遍及规定的激光扫描宽度对方向性电磁钢板10的表面扫描激光束之际，在激光扫描宽度的中央部和端部，激光束对方向性电磁钢板10的表面的入射状态不同。
图6为表示激光束向方向性电磁钢板10的入射状态的示意图。在一个激光照射装置106在扫描方向上对规定的激光扫描宽度L扫描激光束之际，像图6所示那样，激光束在激光扫描宽度L的中央部P1的入射状态与激光束在激光扫描宽度L的端部P2、P3的入射状态不同。具体为，在激光扫描宽度L的中央部P1，被激光照射装置106的抛物面反射镜130反射的激光束垂直地入射到方向性电磁钢板10的表面(绝缘被膜16)。另一方面，在激光扫描宽度L的两端部P2、P3，激光束倾斜地入射(相对于表面的法线方向以入射角φ入射)到方向性电磁钢板10的表面。
即，在激光束的入射位置与激光扫描宽度L的中央部P1一致的情况下，与方向性电磁钢板10的表面正交的方向(法线方向)和激光束的传播方向所成的角度(激光束的入射角φ)为0°。另一方面，激光束的入射位置越靠近激光扫描宽度L的端部P2或P3，激光束的入射角φ越大。
图7为表示激光束在方向性电磁钢板10上的光束直径的示意图。在图7中，标记LB1表示在激光扫描宽度L的中央部P1聚光的激光束。标记LB2表示在激光扫描宽度L的一个端部P2聚光的激光束。标记LB3表示在激光扫描宽度L的另一端部P3聚光的激光束。在激光扫描宽度L的端部P2、P3，由于激光束倾斜入射，因此激光束LB2、LB3在扫描方向上的光束直径(扫描方向上椭圆形光束的长轴的长度)比中央部P1的激光束LB1的光束直径大。另外，由于在激光扫描宽度L的端部P2、P3激光束倾斜入射，因此从抛物面反射镜130到钢板上的照射点之间的距离变长。结果，激光束LB2、LB3在轧制方向上的光束直径(沿轧制方向的椭圆形光束的短轴的长度)也比中央部P1的激光束LB1的光束直径大。
如上所述，若光束直径变大，则激光束的照射面积变宽，因此激光束的功率密度下降。结果，在激光扫描宽度L的端部P2、P3处相对于板厚方向的温度梯度比中央部P1的温度梯度小，在端部P2、P3不能够适当地细分磁畴。
本实施形态为了解决上述问题，使在方向性电磁钢板10的表面(绝缘被膜16)聚光的激光束为直线偏光，并且像图8所示那样，将直线偏光的朝向和激光束的扫描方向所成的角度θ设定为0°以上且小于45°。另外，图8为表示激光束的入射角φ为0°时直线偏光的朝向与激光束的扫描方向之间的关系的示意图。另外，如果激光束的扫描方向与直线偏光的朝向形成的角度θ为0°以上且小于45°的话，则直线偏光的朝向与激光束的扫描方向之间的关系也可以是图8中的线对称的关系。
在像本实施形态这样将角度θ设定为0°以上且小于45°的情况下，像后述那样，由于能够提高激光扫描宽度L的端部P2、P3处激光束的吸收率，因此即使在端部P2、P3处光束直径变大，也能够抑制钢板吸收的功率密度下降。由此，能够抑制在激光扫描宽度L的端部P2、P3处相对于板厚方向的温度梯度下降，能够缩小与中央部P1的温度梯度的差异。结果，能够遍及整个激光扫描宽度L均匀地降低铁损。
<有关直线偏光与吸收率的关系>
这里说明利用直线偏光的朝向与激光束的扫描方向所成的角度θ提高激光束的吸收率的原理。
入射到方向性电磁钢板10的激光束一部分被绝缘被膜16反射，剩余的向绝缘被膜16入射。向绝缘被膜16入射的激光束一部分在绝缘被膜16内部被吸收，到达玻璃被膜14的上表面，在这里一部分被反射，剩余的向玻璃被膜14入射。向玻璃被膜14入射的激光束一部分在玻璃被膜14内部被吸收，到达钢板主体(以下也称为“基底”)12的上表面，这一部份被钢板主体12的表面吸收。于是，传播到方向性电磁钢板10的激光束的功率像上述那样被在绝缘被膜16等中吸收的激光束的吸收率左右。如果绝缘被膜16等中的激光束的吸收率大，则传播到方向性电磁钢板10的激光束的功率也大。
但是，直线偏光通常包含P偏光(也称“P波”)和S偏光(也称“S波”)。我们知道，P偏光的吸收率和S偏光的吸收率不同。因此，传播到方向性电磁钢板10的激光束的功率也根据P偏光和S偏光被绝缘被膜16等吸收的比例而变化。
图9A表示直线偏光LB以入射角φ入射到方向性电磁钢板10的表面时P偏光的电场振动方向。图9B表示直线偏光LB以入射角φ入射到方向性电磁钢板10的表面时S偏光的电场振动方向。如图9A和图9B所示，在直线偏光LB以入射角φ入射到方向性电磁钢板10的表面的情况下，P偏光的电场振动方向与S偏光的电场振动方向不同。具体为，在扫描直线偏光之际，P偏光的电场沿图9A所示的双线箭头方向振动，S偏光的电场像图9B所示那样沿与图面正交的方向振动。
图10为表示激光束的P偏光和S偏光被基底12的上表面吸收的吸收率的曲线图。如图10所示，P偏光的吸收率比S偏光的吸收率大。并且，随着激光束(直线偏光)的入射角φ增大，P偏光的吸收率增加、S偏光的吸收率减小。虽然图10表示被从方向性电磁钢板10除去绝缘被膜16和玻璃被膜14后剩余的基底12的上表面吸收的吸收率，但绝缘被膜16上表面的吸收率和玻璃被膜14的上表面的吸收率也表现出与图10相同的倾向。
在直线偏光的朝向与扫描方向所成的角度θ为0°的情况下，仅有P偏光向入射面(方向性电磁钢板10的表面)入射。在角度θ为45°的情况下，P偏光和S偏光各一半向入射面入射。在角度θ为90°的情况下，仅有S偏光向入射面入射。因此，在角度θ为0°以上且小于45°的情况下，P偏光和S偏光中的P偏光的影响成为主导，激光束的吸收率随入射角φ的增加而增大。另一方面，在角度θ超过45°、90°以下的情况下，S偏光的影响成为主导，激光束的吸收率随入射角φ的增加而变小。
在本实施形态中，为了提高激光照射装置106的激光扫描宽度L的端部P2、P3处激光束的吸收率，将直线偏光的朝向和激光束的扫描方向所成的角度θ设定在0°以上且小于45°。由此，在激光扫描宽度L的端部P2、P3能够使传播到绝缘被膜16等的激光束的功率增大。因此，即使在激光扫描宽度L的端部P2、P3处光束直径变大，也能够抑制端部P2、P3处的激光束的功率密度下降。结果，能够抑制激光扫描宽度L的端部P2、P3处相对于板厚方向的温度梯度下降，能够缩小与中央部P1的温度梯度的差异。
尤其在将直线偏光的朝向和激光束的扫描方向所成的角度θ设定在0°以上、20°以下的情况下，由于能够进一步抑制激光扫描宽度L的端部P2、P3处激光束的功率密度下降，因此能够遍及整个激光扫描宽度L地使相对于板厚方向的温度梯度均匀。
并且，本实施形态在激光束的波长为0.15μm以上、7μm以下的情况下尤其有效。在激光束的波长为0.15μm以上、7μm以下的情况下，绝缘被膜16和玻璃被膜14相对于激光束透明，激光束在绝缘被膜16和玻璃被膜14的内部不容易被吸收。这种情况下，传播到方向性电磁钢板10的激光束的功率随绝缘被膜16的上表面的激光束的吸收率、玻璃被膜14的上表面的激光束的吸收率和基底12的上表面的激光束的吸收率而定。即，激光束在绝缘被膜16上表面的吸收率、在玻璃被膜14的上表面的吸收率和在基底12的上表面的吸收率的乘积是重要的。这3个吸收率中的任一个都像图10所示那样，P偏光的吸收率随角度θ的增加而增加。得益于该乘法运算的效果，通过将角度θ设定在0°以上且小于45°，能够进一步促进在激光扫描宽度L的端部P2、P3处激光束向绝缘被膜16的吸收。结果，能够抑制激光扫描宽度L的端部P2、P3处温度梯度的下降，进一步发挥本实施形态的有效性。
并且，本申请发明者发现，若光束直径相对于激光束的入射角φ为0°时的光束直径(以下称为“基准光束直径”)的扩大率超过24％，则即使像上述那样将直线偏光的朝向和扫描方向所成的角度θ设定为0°以上且小于45°，也不能充分抑制激光扫描宽度L的端部P2、P3处激光束的功率密度的下降(换言之，激光扫描宽度L的端部P2、P3处铁损改善率下降)。
这被认为是因为如果光束直径相对于基准光束直径的扩大率超过24％，则用激光束(直线偏光)的吸收率的增加量不能弥补光束直径扩大引起的功率密度的下降量。
因此，为了遍及整个激光扫描宽度L均匀并且确实地降低铁损，优选根据以下条件式(1)设定激光束的最大入射角φMAX。
1/cosφMAX≤1.24……(1)
在上述条件式(1)中，左边表示光束直径(最大入射角φMAX时的光束直径)相对于基准光束直径的扩大率。因此，借助上述条件式(1)，能够获得相对于基准光束直径的扩大率不超过24％的最大入射角φMAX。通过上述条件式(1)，我们知道最大入射角φMAX优选在36°以下。例如，在使用图4所示的多面反射镜128的激光照射装置106中，假设多面反射镜128的面数为N，则激光束的最大入射角φMAX能够用360°/N表示。因此，在图4所示的激光照射装置106中，优选N为10以上。
如已经叙述过的那样，上述专利文献4和5公开了将激光束(直线偏光)的入射角固定在接近布儒斯特角的角度(例如45°以上)，总是在使激光束的吸收率最大化的状态下对处理对象物的表面照射激光束的技术。相比之下，本发明的实施形态在将激光束的最大入射角φMAX设定为小于45°(详细为36°以下)，在不超过该最大入射角φMAX的范围(即激光扫描宽度L)内使激光束在方向性电磁钢板10上进行扫描这一点上与专利文献4和5公开的技术明显地不同。
并且，也可以像图11所示那样使用电流计反射镜140取代多面反射镜128。该电流计反射镜140由驱动电动机141沿图中的箭头方向旋转驱动。通过电流计反射镜140旋转，激光束沿方向性电磁钢板10的板宽方向(扫描方向)进行扫描。根据这样的结构，通过控制电流计反射镜140的旋转角度，能够控制激光束的入射角φ。因此，通过使用电流计反射镜140，将激光束的最大入射角φMAX设定为合适的值也是容易的。
另外，像上述那样，直线偏光的朝向和扫描方向所成的角度θ通过***λ/2板125等使激光束的直线偏光的朝向旋转的元件就能够调整(参照图4)。并且，虽然上述中设置了将从激光振荡器102射出的无偏光激光束变成直线偏光的偏振分光器124(参照图4)，但本发明并不局限于此。例如，如果激光振荡器102使用了射出直线偏光的激光器的话，则也可以不设置偏振分光器124。即使在这种情况下，也能够抑制激光扫描宽度L的端部P2、P3处相对于板厚方向的温度梯度的下降。另外，在即使不***λ/2板125也能够将直线偏光的朝向和扫描方向所成的角度θ设定在所希望的范围的情况下，能够省略λ/2板125。例如，在借助用射出直线偏光的激光振荡器102将激光束传播到钢板面上能够将角度θ设定为0°以上且小于45°的情况下，也可以省略λ/2板125。
<有关磁畴的细分和玻璃被膜的缺陷>
但是，如前所述，沿轧制方向添加了磁场的方向性电磁钢板10具有排列了多个轧制方向与磁化方向大体一致的磁畴的结构。其中，为了谋求进一步降低方向性电磁钢板10的铁损，通过照射激光束将磁畴细分(使磁畴变窄)是有效的。尤其是通过对方向性电磁钢板10的最表层附近沿轧制方向存在的非常窄的宽度的区域的板厚方向赋予大的温度梯度，获取狭窄并且具有足够强度的环流磁畴是有效的。
另一方面，如果增大相对于板厚方向的温度梯度，则方向性电磁钢板10的表面的温度上升。并且，由于温度上升，有时会在绝缘被膜16、玻璃被膜14中产生缺陷。其中，缺陷为绝缘被膜16和玻璃被膜14的缺损剥离、***、变质、变色等被膜损伤。在玻璃被膜14产生缺陷的情况下，钢板主体12露出到外部，有生锈的担忧。因此，在玻璃被膜14产生缺陷的情况下，需要再次涂敷绝缘被膜16，成为了追加工序引起的制造成本上升的原因。
并且，在方向性电磁钢板10的制造工序中，由于实施大量的热处理，因此在钢板主体12的轧制方向和宽度方向上，玻璃被膜14、绝缘被膜16的界面结构、厚度有时会产生不均匀。因而，即使调整激光条件，也难以确实地抑制在整个钢板主体12上产生玻璃被膜14中的缺陷。因此，追求降低方向性电磁钢板10的铁损并防止玻璃被膜14产生缺陷。
根据本实施形态，不仅能够遍及整个激光扫描宽度L降低铁损，而且能够获得抑制缺陷的产生的效果。即，在使用无偏光激光束的以往的激光磁畴控制方法中，像上述那样，在激光扫描宽度L的端部P2、P3处由于光束直径扩大，因此相对于板厚方向的温度梯度变小，不能得到足够的铁损降低。为了补偿这种情况，可以增大激光束的功率，但如果这样做的话，虽然能够增大在端部P2、P3处铁损的下降，但反过来，在激光扫描宽度L的中央部P1，激光束的吸收功率变得过大，存在容易产生缺陷的问题。另一方面，根据本实施形态，像上述那样，为了增加激光扫描宽度L的端部P2、P3处激光束的吸收率而增大入射角φ，并且在方向性电磁钢板10上进行包含吸收率变大的P偏光的直线偏光的扫描。其中，在激光扫描宽度L的中央部P1处，由于直线偏光垂直地入射到方向性电磁钢板10的表面(图6、图9A和图9B所示的入射角φ小)，因此在中央部P1处，P偏光和S偏光的吸收率几乎相同(参照图10)。由于构成无偏光状态的P偏光和S偏光的吸收率没有差别，因此几乎没有成为P偏光而引起的吸收率的增加。因此，根据本实施形态的激光加工装置100，在激光扫描宽度L的中央部P1处，传播到方向性电磁钢板10的激光束的功率不会过大，能够增加端部P2、P3处吸收的激光束的功率。因此，能够实现遍及整个激光扫描宽度L降低铁损和抑制缺陷的产生。
虽然以上的实施形态说明了对像图1所示那样由基底12、玻璃被膜14、绝缘被膜16这3层结构构成的方向性电磁钢板10进行激光束的照射的例子，但对于没有玻璃被膜14、以基底12和绝缘被膜16这2层为基本结构的钢板，本实施形态的激光加工装置100也发挥能够遍及整个激光扫描宽度L地降低铁损的效果。这是因为，即使没有玻璃被膜14，通过使激光束为直线偏光并且将角度θ设定在上述范围内，能够提高激光扫描宽度L的端部P2、P3处绝缘被膜16和基底12各自的上表面的激光束的吸收率的缘故。作为没有玻璃被膜14的方向性电磁钢板，我们知道由于基底表面的凹凸小、接近镜面因而具有超低铁损特性的方向性电磁钢板。在具有这样的超低铁损特性的方向性电磁钢板中，为了防止基底12因露出而生锈，使绝缘被膜16在激光束的照射过程中不产生缺陷是关键。根据本实施形态的激光加工装置100，借助上述机制，实现遍及整个激光扫描宽度L地降低铁损和减少绝缘被膜16产生的缺陷。
<实施例>
为了确认上述本实施形态涉及的实施例的有效性，下面说明本实施例和比较例涉及的确认试验例。
首先，准备了下述组成的板坯：Si，3.0％质量；C，0.05％质量；Mn，0.1％质量；酸溶性Al，0.02％质量；N，0.01％质量；S，0.01％质量；P，0.02％质量；其余为Fe和不可避免的杂质。对该板坯在1280℃实施了热轧，制出了厚度为2.3mm的热轧材料。接着，以1000℃×1分钟的条件对热轧材料进行了热处理。在热处理后实施了酸洗处理，然后实施冷轧，制出了厚度为0.23mm的冷轧材料。以800℃×2分钟的条件对该冷轧材料实施了脱碳退火。接着，在脱碳退火后的冷轧材料的两面涂敷以氧化镁为主要成分的退火分离材料。然后，在卷绕成线圈状的状态下将涂敷了退火分离材料的冷轧材料装入间歇式炉，以1200℃×20小时的条件实施精退火。由此，制出表面形成了玻璃被膜的钢板基底(钢板主体)。接着，在玻璃被膜上涂敷由磷酸铝构成的绝缘材料，烧结(850℃×1分钟)，形成绝缘被膜。
然后，对形成了绝缘被膜和玻璃被膜的钢板基底照射激光束，给钢板基底的表面赋予应变。
作为激光照射装置使用了图4所示的激光照射装置106。作为激光振荡器102使用了光纤激光器。在本实施例中，使从准直透镜122射出的无偏光光束经过偏振分光器124，变成直线偏光。然后，使直线偏光经过λ/2板125，通过变更其旋转角度，一边变更直线偏光的朝向和扫描方向所成的角度θ一边使直线偏光的激光束在方向性电磁钢板10上进行聚光、扫描。在比较例中，使无偏光激光束不经过偏振分光器124、λ/2板125而在方向性电磁钢板10上进行聚光、扫描。另外，无论是本实施例还是比较例，作为激光束的照射条件都是：到达方向性电磁钢板10上的激光束的功率为2kW，扫描方向上的光束直径为4mm，轧制方向上的光束直径为0.12mm，激光扫描宽度为500mm。最大入射角φMAX为24°。
对激光处理过的钢板的一部分和同一圈钢板中的没进行过激光处理的部分分别进行了SST(Single sheet tester)试验，评价了W17/50(W/kg)的铁损。W17/50为频率50Hz、最大磁通密度为1.7T时的铁损。作为SST测量的试验片，使用了以钢板宽度方向的长度为100mm、钢板轧制方向的长度为500mm的大小切出的方形片。宽度方向的切出位置为离开激光扫描宽度500mm的中央部和端部各为100mm。对激光处理过的钢板的铁损改善率(％)以同一圈的钢板中没有实施过激光处理的部分的铁损为基准进行定义。
将试验结果表示在下述表1中。在使用无偏光激光束的比较例1中，与中央部相比，端部的铁损恶化。另一方面，在本实施例1～4中，通过使用直线偏光的激光束，并且将角度θ设定为小于45°，能够获得端部的铁损改善效果(改善余量(日文：しろ)通常为有意地超过0.5％左右的铁损改善率评价的误差)。尤其在使角度θ为20°以下的情况下，铁损的恶化余量为小于0.5％，能够实际上消除恶化。另一方面，在角度θ为45°的比较例2中，铁损改善率与无偏光的比较例1相比没有实质的差异。这是因为，在角度θ为45°的情况下，由于P偏光和S偏光各一半入射到入射面，因此不能获得提高激光扫描宽度的端部的激光束的吸收率的效果。并且，在角度θ为60°的比较例3中，铁损改善率比无偏光的比较例1低。这是因为，在激光扫描宽度的端部处激光束的吸收率反而变低了的缘故。
[表1]
通过以上的试验结果可以判定：通过将角度θ设定在使P偏光和S偏光中的P偏光的影响能够起主导作用的角度范围内，即设定在0°以上且小于45°，与无偏光的情况相比，能够增加激光扫描宽度的端部处激光束的吸收率，结果，能够提高激光扫描宽度的端部处的铁损改善率。
并且，在将直线偏光的朝向和扫描方向所成的角度θ固定在0°、使激光束的最大入射角φMAX在24°到45°的范围内的情况下，确认了在激光扫描宽度L的端部处铁损改善率如何变化。将其结果表示在表2中。
[表2]
如表2所示，若激光束的最大入射角φMAX超过36°，在则激光扫描宽度L的端部处铁损改善率急剧恶化。在最大入射角φMAX为40°以上的情况下，激光扫描宽度L的端部处铁损改善率与表1所示的比较例1(无偏光的情况下)相等或在其之下。这被认为是因为如果激光束的最大入射角φMAX超过36°，则光束直径相对于基准光束直径的扩大率超过了24％。即，通过实验确认，为了遍及整个激光扫描宽度L均匀并且确实地降低铁损，优选根据上述条件式(1)设定激光束的最大入射角φMAX。
<总结>
如上所述，在本实施形态涉及的激光加工装置100中，对方向性电磁钢板10进行扫描的直线偏光的朝向和扫描方向所成的角度θ设定在0°以上且小于45°。
由此，在激光照射装置106的激光扫描宽度L的端部P2、P3处能够增大传播到钢板主体12、玻璃被膜14的激光束的功率，因此即使在端部P2、P3处光束直径扩大，也能够抑制在端部P2、P3处激光束的功率密度下降。结果，能够抑制激光扫描宽度L的端部P2、P3处相对于板厚方向的温度梯度的降低，能够缩小激光扫描宽度L的中央部P1与端部P2、P3之间温度梯度的差异。并且，由于像上述那样在中央部P1处激光束的吸收功率不会增加，因此能够抑制在中央部P1产生缺陷。即，能够同时实现遍及整个激光扫描宽度L地降低铁损这一点和防止玻璃被膜14中产生缺陷这一点。
根据本实施形态涉及的激光加工装置100，借助上述铁损的降低和玻璃被膜14的缺陷的抑制，能够制造沿方向性电磁钢板10的宽度方向整体看时铁损比以往低的方向性电磁钢板10。结果，不仅能够更廉价地提供铁损极低的方向性电磁钢板10，而且通过使铁损极低的方向性电磁钢板10在世界上广泛普及，从能够实现降低能耗的观点来看，也能够取得巨大的经济效果。
虽然以上参照附图详细地说明了本发明的优选实施形态，但本发明并不局限于提到的实例。很明显，只要是具有本发明所属技术领域的一般知识的人，在权利要求范围记载的技术思想的范畴内能够想到各种变更例或者修正例，对于这些，当然属于本发明的技術范围内。
符号说明
10-方向性电磁钢板；12-钢板主体；14-玻璃被膜；16-绝缘被膜；100-激光加工装置；102-激光振荡器；104-传输光纤；106-激光照射装置；122-准直透镜；124-偏振分光器；125-λ/2板；126-金属反射镜；128-多面反射镜；130-抛物面反射镜。

Claims (7)

1.一种激光加工装置，使激光束聚光于方向性电磁钢板上并沿扫描方向进行扫描，用于将上述方向性电磁钢板的磁畴细分，其特征在于，
聚光于上述方向性电磁钢板上的激光束为直线偏光，
上述直线偏光的朝向和上述扫描方向所成的角度在0°以上且小于45°，
在设上述直线片偏光的直线偏光成分的功率为PW1、上述直线偏光的正交成分的功率为PW2时，在将(PW1/(PW1+PW2))定义为偏振度的情况下，上述直线偏光具有0.9以上且小于1.0的偏振度，
上述激光束对上述方向性电磁钢板的最大入射角φMAX满足下述条件式(1)，
1/cosφMAX≤1.24……(1)。
2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，聚光于上述方向性电磁钢板的激光束的波长为0.15μm以上且7μm以下。
3.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，还具备：
激光振荡器，射出激光束，以及
偏光器，将上述激光振荡器射出的激光束变成直线偏光。
4.如权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，还具备：
激光振荡器，射出激光束，以及
偏光器，将上述激光振荡器射出的激光束变成直线偏光。
5.如权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，
上述激光振荡器为光纤激光器或盘形激光器。
6.如权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于，
上述激光振荡器为光纤激光器或盘形激光器。
7.如权利要求1～6中的任一项所述的激光加工装置，其特征在于，
聚光于上述方向性电磁钢板上的激光束的聚光形状为椭圆，
上述椭圆的短轴方向与上述扫描方向正交。
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