CN107690368B - 在钢板表面形成凹槽的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在钢板表面形成凹槽的方法及其装置。根据本发明，由多个激光振荡器发出的激光束照射到扫描镜，再透过所述扫描镜后照射到所述钢板表面，以在钢板表面通过激光辐照形成钢板厚度的10％以下的凹槽深度，此时2个以上的激光束共用1个扫描镜，从而在20mpm以上的高速流水线速度(line speed)下使凹槽部的热影响最小化，使得在热处理前(后)具有铁损改善特性。

Description

在钢板表面形成凹槽的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种在钢板表面形成凹槽的方法及其装置。更具体地，本发明涉及一种在钢板表面形成凹槽的方法及其装置，不受振荡方式及光束模式的制约，通过激光辐照而在钢板表面形成凹槽，从而无论是否进行热处理，均可改进铁损改善效果，因此可适用于初次再结晶前后的取向电工钢板工艺，能够最大限度地提高铁损改善率。

背景技术

例如，取向电工钢板使具有<001>易磁化轴的集合组织沿轧制方向发达，从而用作沿轧制方向选择性地激发磁场的变压器等电器的能量转换铁芯材料。

一般而言，取向电工钢板是指经过热轧、冷轧、退火工艺在轧制方向上具有{110}<001>取向的集合组织(还称为“高斯织构(Goss Texture)”)的材料。对于这种取向电工钢板，{110}<001>取向在铁的易磁化轴方向上的取向程度越高磁性能越优异。

磁畴细化方法是一种用于提高取向电工钢板的磁性能的技术，磁畴细化方法根据去应力退火之后是否依旧保持磁畴细化改善效果而分为暂时磁畴细化和永久磁畴细化。

热处理后还能够保持铁损改善效果的永久磁畴细化方法可分为蚀刻法、滚轴法及激光法。蚀刻法是在溶液中通过酸性溶液中的电化学腐蚀反应在钢板表面形成凹槽，因此难以控制凹槽形状，而且由于在生产钢板的中间工艺(脱碳退火、高温退火之前)形成凹槽，难以确保最终产品的铁损特性。此外，使用酸性溶液也不环保，钢板表面上形成适当的凹槽深度的过程也不能高速完成。

使用滚轴的永久磁畴细化方法是在滚轴上形成凸起形状并通过滚压法在钢板表面形成具有一定宽度和深度的凹槽的磁畴细化技术，因此难以确保对机械加工的稳定性、基于厚度的稳定的铁损，并且凹槽形成过程复杂。

对于通过激光辐照形成凹槽的永久磁畴细化方法，不仅在热处理前无法确保磁畴细化效果，而且磁畴细化后磁通密度会变差。

但是，相比于蚀刻法及滚轴法，利用单色光激光束的激光方法在较低的钢板流水线速度(Line Speed)下能够形成相对稳定的凹槽。但是，为了在以高速的流水线速度(LineSpeed)移动的钢板表面上形成凹槽，需要使用高功率的激光，而有关考虑到镜片热稳定性的光学***设计及基于镜片结构简化的光学***组成方法还未给出解决方案。

发明内容

技术问题

本发明旨在提供一种在钢板表面形成凹槽的方法及其装置，不受振荡方式及光束模式的制约，通过激光辐照而在钢板表面形成凹槽，从而无论是否进行热处理，均可改进铁损改善效果，因此可适用于初次再结晶前后的取向电工钢板工艺，能够最大限度地提高铁损改善率。

技术方案

根据本发明的一实施例提供一种在钢板表面形成凹槽的方法，该方法由多个激光振荡器发出的激光束照射到扫描镜，再透过所述扫描镜后照射到所述钢板表面，以在钢板表面通过激光辐照形成钢板厚度的10％以下的凹槽深度，此时2个以上的激光束共用1个扫描镜，从而在20mpm以上的高速的流水线速度(line speed)下使凹槽部的热影响最小化，使得在热处理前(后)具有铁损改善特性。

所述扫描镜可具有激光束射入的4个以上的射入面。

照射到所述扫描镜的激光束在聚光镜聚光之后，可照射到所述钢板表面。

照射到所述扫描镜的激光束射入到2个以下的成形镜之后，经所述成形镜在聚光镜聚光，再照射到所述钢板表面。

通过经所述扫描镜照射激光束，在钢板表面以1个照射线形成线状凹槽的情况下，2个以上且4个以下的激光束可共用1个扫描镜。

通过经所述扫描镜照射所述激光束，在钢板表面以1个照射线形成线状凹槽的情况下，可由2个以下成形镜及1个聚光镜组成。

另外，根据本发明的一实施例可提供一种在钢板表面形成凹槽的装置，通过激光辐照在钢板表面形成钢板厚度的10％以下的凹槽深度时，由多个激光振荡器照射激光束，并包含由2个以上激光束共用的旋转扫描镜(scan mirror)，以在20mpm以上的高速流水线速度(line speed)下使凹槽部的热影响最小化，使得在热处理前(后)具有铁损改善特性。

可包含聚光镜(focusing mirror)，其用于将所述扫描镜反射的激光束聚光之后照射到钢板表面。

可包含2个以下的成形镜(shaping mirror)，所述扫描镜所反射的激光束射入到该成形镜，且该成形镜将所述射入的激光束反射到所述聚光镜。

所述扫描镜可呈多面体形状，具有激光束可射入的4个以上射入面。

通过经所述扫描镜照射激光束，在钢板表面以1个照射线形成线状凹槽的情况下，可由2个以上且4个以下的激光束共用1个扫描镜。

通过经所述扫描镜照射所述激光束，在钢板表面以1个照射线形成线状凹槽的情况下，可由2个以下成形镜及1个聚光镜组成。

发明效果

根据本发明的实施例可以制造低铁损高磁通密度的取向电工钢板磁畴细化产品，该产品在以0.33m/s以上速度移动的电工钢板表面上形成线状的凹槽，该凹槽具有钢板厚度的10％以下的凹槽深度，该凹槽相对于钢板轧制方向朝±82-±98°方向分成3-8个部分，该凹槽不会对初次再结晶、2次再结晶产生影响，在热处理前后可具有10％以上的铁损改善效果。

附图说明

图1是本发明的一实施例的在钢板表面形成凹槽的装置的示意图。

图2是本发明的一实施例的在钢板表面形成凹槽的装置的光学***的示意图。

图3是示出使用本发明的一实施例的在钢板表面形成凹槽的装置在钢板表面形成的线状凹槽的视图。

图4是图3的在钢板表面形成的线状凹槽的连续凹槽形状的放大图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施例进行说明，以使本发明所属技术领域的普通技术人员能够容易实施。在本发明所属技术领域的普通技术人员能够容易理解的前提下，下述实施例在不超出本发明的构思和范围的情况下可以进行多种变形。附图中相同或相似的部分尽量以相同的附图标记标注。

下文中使用的专业术语适用于特定的实施例，并不旨在限定本发明。这里所使用的单数形式的句子如无特殊解释，还包含复数形式。说明书中的“包含”该表述是指，具体含有特定特性、领域、整数、步骤、操作、要素及/或成分，但并不排除存在或附加其他的特定特性、领域、整数、步骤、操作、要素、成分及/或组。

下文所使用的所有术语如技术术语及科学术语的含义为本发明所属技术领域的普通技术人员所知晓的一般含义。词典中定义的术语进一步可解释为符合相关技术文献和现有技术的含义，若无特殊定义，不可解释为理想的、或非常官方的含义。

本发明的通过激光辐照在钢板表面形成凹槽使铁损改善率最大化的磁畴细化方法中，为了在20mpm以上的高速流水线速度下照射高功率激光而在板宽方向上形成稳定的凹槽以及量减少有关光学***的保养/维修费用，需要考虑如下三点。

第一，优选使用在高速流水线速度(line speed)下热稳定性优异的扫描镜。不考虑钢板移动速度，在板表面以相同的能量密度照射激光时，确保扫描镜的热稳定性是最为重要的。

第二，应当尽量减少扫描镜的数量并配合高速的流水线速度。一般而言，为了与高速的流水线速度配合，通常采用的方法为增加扫描镜的数量以减小扫描宽度，但为了尽量降低包含扫描镜在内的光学***加工费用及运营费用，应当尽量减少扫描镜的数量。如果照射到扫描镜的钢板宽度变大，那么随着宽度的增加，用于扫描的扫描镜的数量也会增多。

因此，通过将激光束在激光振荡器至钢板的传送路径减到最小进行高速扫描，能够在以高速的流水线速度移动的板上形成凹槽。

第三，通过多个振荡器共用扫描镜，能够使形成于板表面的凹槽的深度最大化。以20mpm以上速度移动的钢板表面上形成的凹槽的深度优选为板厚度的约10％以内，不管钢板移动速度如何，为了在板表面形成相同的凹槽深度，合理的方法是使激光功率随着板速度的增大而增大。

但是，当增大激光功率时，形成于表面的凹槽周围的热影响会增大，在形成凹槽之后对再结晶会产生热影响，导致二次再结晶不稳定，进而铁损及磁通密度特性变差，因此这不是优选方案。在板表面形成凹槽时使用低功率激光第一次形成凹槽，之后又第二次形成凹槽，从而能够减少用于形成凹槽的激光的功率限制，使凹槽周围的热影响最小化。

本发明在以20mpm以上的速度高速移动、宽度为900mm以上的电气钢板表面上朝相对于钢板轧制(长度)方向的±82～±98°方向形成深度为钢板厚度的10％以下的凹槽，从而改善电气钢板的铁损。

当然，用于形成凹槽的对象不限于电工钢板。除了电工钢板之外，用于形成凹槽的对象可以包含钢材、木材、塑料(Plastic)、晶圆(Wafer)、玻璃(Glass)及陶瓷材料等。下文中，作为用于形成凹槽的对象以电工钢板为例进行说明。

图1是本发明的一实施例的在钢板表面形成凹槽的装置的示意图，图2是本发明的一实施例的在钢板表面形成凹槽的装置的光学***的示意图，图3是示出使用本发明的一实施例的在钢板表面形成凹槽的装置在钢板表面形成的线状凹槽的视图，图4是图3的在钢板表面形成的线状凹槽的连续凹槽形状的放大图。

根据本发明的一实施例的在钢板表面形成凹槽的方法，由多个激光振荡器发出的激光束1照射到扫描镜2，再透过所述扫描镜2后照射到所述钢板表面，以在钢板表面通过激光辐照形成钢板厚度的10％以下的凹槽深度，此时2个以上的激光束1共用1个扫描镜2，从而在20mpm以上的高速的流水线速度(line speed)下使凹槽部的热影响最小化，使得在热处理前(后)具有铁损改善特性。

可由2个以上的激光束1共用1个扫描镜2，优选由2至6个激光束共用1个扫描镜2。

所述扫描镜2可呈具有4个以上激光束射入面的多面体形状，从该射入面可以射入2个以上激光束，以使2个以上的激光束1共用该扫描镜。

照射到所述扫描镜2的激光束1在聚光镜4聚光之后，可照射到所述钢板表面。

另外，照射到所述扫描镜2的激光束1会射入到2个以下的成形镜3，透过所述成形镜3之后在聚光镜4聚光并照射到所述钢板表面。

通过经所述扫描镜2照射激光束1，在钢板表面以1个照射线形成线状凹槽的情况下，可由2个以上且4个以下激光束共用1个扫描镜2。

另外，通过经所述扫描镜2照射所述激光束1，在钢板表面以1个照射线形成线状凹槽的情况下，可由2个以下成形镜3及1个聚光镜4组成。

本发明的一实施例的在钢板表面形成凹槽的装置，在通过激光辐照在钢板表面形成钢板厚度的10％以下的凹槽深度时，由多个激光振荡器照射激光束1，并包含由2个以上激光束共用的旋转扫描镜(scan mirror)1，以在20mpm以上的高速流水线速度(linespeed)下使凹槽部的热影响最小化，使得在热处理前(后)具有铁损改善特性。

另外，可包含聚光镜(focusing mirror)4，其用于将所述扫描镜2反射的激光束1聚光之后照射到钢板表面。

另外，可包含2个以下的成形镜(shaping mirror)3，所述扫描镜2所反射的激光束1射入到该成形镜，且该成形镜将所述射入的激光束1反射到所述聚光镜4。

但是，改变最终激光束1的形状时，可以省略图2中的成形镜3。

可由2个以上激光束1共用1个旋转扫描镜2，优选由2至6个激光束共用1个旋转扫描镜2。

所述扫描镜2可呈具有4个以上激光束射入面的多面体形状，在该射入面可以射入2个以上的激光束1，以使2个以上的激光束1共用该扫描镜。

通过经所述扫描镜2照射激光束1，在钢板表面以1个照射线形成线状凹槽的情况下，可由2个以上且4个以下激光束共用1个扫描镜2。

另外，通过经所述扫描镜2照射所述激光束1，在钢板表面以1个照射线形成线状凹槽的情况下，可由2个以下成形镜3及1个聚光镜4组成。

下面，参照图1至图4，对本发明的一实施例的在钢板表面形成凹槽的方法及其装置的操作进行说明。

如图1所示，由于激光振荡器发出的激光束1射入到扫描镜2的射入面，因此一个扫描镜2可以获得例如4个扫描镜的效果。

图2是针对图1中激光振荡器发出的1个激光束的光学***结构(图1中的附图标记10)的示意图。激光振荡器发出的激光束1经过扫描镜2、成形镜3、及聚光镜4后，激光束1的形状发生变形，从而在图3中的钢板表面上形成4个周期以上的连续线状凹槽(图3中的附图标记5)。

如图3所示，由一个扫描镜2照射的线状凹槽几乎呈一条直线，在钢板上形成犹如2个扫描镜2照射后得到的线状凹槽。

因此，出现在钢板表面的分开的线状凹槽如图3所示大致分成2个部分。另外，根据需要，可以选择性地选定射入到扫描镜2的激光束的位置和数量。

图4是图3的在钢板表面形成的线状凹槽的连续凹槽形状的放大图。在图4中，对于以线状凹槽与线状凹槽之间距离命名的照射间距Ds，能够以两种方法形成凹槽。

第一，以图1的扫描镜2为中心，使由左上端和右上端的照射光束形成的线状凹槽出现在同一条线上。因此，利用低功率的激光可以形成更加深的线状凹槽，而且可以使凹槽部产生的热影响最小化。即，在以20mpm速度移动的例如厚度为0.23mm的取向电工钢板表面上形成约15μm深度的凹槽时，所需的激光能量密度为1.2J/mm²的情况下，所需激光功率为900W，但在初次形成线状凹槽的面上再次形成线状凹槽使最终凹槽深度达到15μm时，分别所需的激光功率为450W，能够使凹槽部的热影响最小化。在钢板表面形成的凹槽部的热影响与激光功率成正比，因此激光功率的减小会使凹槽部周围的热影响减小。

第二，以图1中的扫描镜2为中心，使由左上端和右上端的照射光束形成的线状凹槽互相交叉。以线状凹槽互相交叉的方式照射，能够在更加高速移动的钢板表面形成线状凹槽。

[表1]是示出对以0.83m/s速度移动的厚度为0.23mm的钢板共用扫描镜的情况下，凹槽的深度和铁损改善率的结果。

[表1]

*扫描镜左右对称面的激光束扫描时的磁性值

**向扫描镜传送一个激光束进行扫描时的磁性值

此时，B₈(特斯拉)是磁场强度为800amp(安培)/m时的磁通密度值，单位是特斯拉，W17/50(W/Kg)是磁通密度值为1.7特斯拉、频率为50Hz时的铁损值。

Claims (12)

1.一种在钢板表面形成凹槽的方法，其特征在于，

由多个激光振荡器发出的激光束照射到扫描镜，再透过所述扫描镜后照射到所述钢板表面，以在钢板表面通过激光辐照形成钢板厚度的10％以下凹槽深度，此时2个以上的激光束共用1个扫描镜，从而在20mpm以上的高速流水线速度下使凹槽部的热影响最小化，使得钢板在热处理前后具有铁损改善特性，

其中在通过经所述扫描镜照射激光束，在所述钢板表面以1个照射线形成线状凹槽中，所述2个以上的激光束共用1个扫描镜。

2.根据权利要求1所述的在钢板表面形成凹槽的方法，其特征在于，

所述扫描镜具有4个以上的激光束射入面，由2个以上的激光束共用该激光束射入面。

3.根据权利要求2所述的在钢板表面形成凹槽的方法，其特征在于，

照射到所述扫描镜的激光束在聚光镜聚光之后，照射到所述钢板表面。

4.根据权利要求3所述的在钢板表面形成凹槽的方法，其特征在于，

照射到所述扫描镜的激光束射入到2个以下的成形镜之后，经所述成形镜在聚光镜聚光，再照射到所述钢板表面。

5.根据权利要求3或4所述的在钢板表面形成凹槽的方法，其特征在于，

通过经所述扫描镜照射激光束，在钢板表面以1个照射线形成线状凹槽的情况下，由2个以上且4个以下的激光束共用1个扫描镜。

6.根据权利要求4所述的在钢板表面形成凹槽的方法，其特征在于，

通过经所述扫描镜照射所述激光束，在钢板表面以1个照射线形成线状凹槽的情况下，由2个以下成形镜及1个聚光镜组成。

7.一种在钢板表面形成凹槽的装置，其特征在于，

通过激光辐照在钢板表面形成钢板厚度的10％以下的凹槽深度时，由多个激光振荡器照射激光束，并包含由2个以上激光束共用的旋转扫描镜，以在20mpm以上的高速流水线速度下使凹槽部的热影响最小化，使得钢板在热处理前后具有铁损改善特性，

其中在通过经所述扫描镜照射激光束，在所述钢板表面以1个照射线形成线状凹槽中，所述2个以上的激光束共用1个扫描镜。

8.根据权利要求7所述的在钢板表面形成凹槽的装置，其特征在于，

该装置包含聚光镜，其用于将所述扫描镜反射的激光束聚光之后照射到钢板表面。

9.根据权利要求8所述的在钢板表面形成凹槽的装置，其特征在于，

该装置包含成形镜，所述扫描镜所反射的激光束射入到所述成形镜，且所述成形镜将所述射入的激光束反射到所述聚光镜。

10.根据权利要求8或9所述的在钢板表面形成凹槽的装置，其特征在于，

所述扫描镜呈多面体形状，具有由2个以上激光束共用的4个以上射入面。

11.根据权利要求10所述的在钢板表面形成凹槽的装置，其特征在于，

通过经所述扫描镜照射激光束，在钢板表面以1个照射线形成线状凹槽的情况下，由2个以上且4个以下的激光束共用1个扫描镜。

12.根据权利要求9所述的在钢板表面形成凹槽的装置，其特征在于，

通过经所述扫描镜照射所述激光束，在钢板表面以1个照射线形成线状凹槽的情况下，由2个以下成形镜及1个聚光镜组成。

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