JP5000182B2 - 磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は鉄損が小さく、かつ磁歪特性に優れる方向性電磁鋼板の製造方法に関する。

結晶の磁化容易軸が鋼板全体でほぼ同一の方向にそろった結晶方位性の高い電磁鋼板は方向性電磁鋼板とよばれ、その方向は鋼板の圧延方向に一致している。この様な鋼板はトランス鉄芯の材料として非常に優れている。

方向性電磁鋼板を交流で磁化したときの鉄損は渦電流損とヒステリシス損に分離され、更に渦電流損は古典的渦電流損と異常渦電流損に分けられる。古典的渦電流損は鋼板の板厚に比例するため、材料の薄手化で低減されてきている。異常渦電流損は、磁壁の移動により局所的に発生する渦電流による損失で、圧延方向に細長い磁区である180°磁区の磁壁間隔に比例して小さくなる。そこで低鉄損化のため、磁区の細分化技術が種々考案されてきた。

圧延方向に対してほぼ垂直な直線状で、且つ周期的な歪みを鋼板表面に与えてやることで、その近傍に細かい環流磁区が形成され、そこを起点に180°磁壁間隔は狭くなり、異常渦電流損が低減されることが知られている。そこで、レーザビームを集光して、板幅方向に走査照射して歪みを付与する方法が考案され、現在実用に供されている。

一方、ヒステリシス損は、磁化曲線すなわちヒステリシス曲線による損失で、鋼板の歪みに敏感な鉄損成分である。従ってレーザ照射による過剰な歪み付与はヒステリシス損の増加につながる問題があった。

また、鉄損と並び電磁鋼板の重要な特性に磁歪がある。これは交流磁界中での鋼板の伸縮に起因するもので、トランス製品の騒音の主な原因である。特に結晶方位性の高い電磁鋼板においては、鋼板伸縮量は与えた歪み量と正の相関があることが知られており、磁歪の観点では過剰な歪みは抑制しなければならい。よって、できるだけ少ない歪み量で異常渦電流損を低減し、ヒステリシス損と磁歪の増加を極力抑制することが望まれている。

従来のレーザ照射で残留応力を付与する鉄損改善技術において、例えば特許文献１にあるように、１〜2μs程度の短パルスで、且つ電磁鋼板面上でのピークパワー密度が1×10⁴W/mm²を越えるような高ピークパルスレーザの照射方法は効果的に歪みを導入することが可能で、ピークパワーの高いＱスイッチレーザが用いられている。しかし、この方法では局所的に非常に強い衝撃力が鋼板に与えられるため、ビームの集光径よりも広い範囲にわたり比較的強い歪みが付与される。その結果、渦電流損は十分低減されるものの、過剰な歪みによりヒステリシス損と磁歪が増加する問題が発生する。

そこで、より狭い領域に効果的な歪みを導入するために、例えば特許文献２にあるように、レーザビームの集光スポットの圧延方向径を0.2mm以下にすることで、非常に狭い領域に歪みを付与して優れた特性を得ている。この方法では高ピークパルスレーザに比べ過剰な歪幅の発生は少ないものの、磁歪特性に関してはさらなる改善が望まれていた。しかし更に集光幅を狭くした場合、電磁鋼板面上でのパワー密度が増加するため、比較的瞬時パワーの低い連続波レーザでさえも過剰な歪みが入り、更に連続波レーザの場合は連続的な入熱過程により鋼板が溶融しやすいという問題がある。その場合、溶融部の再凝固時に過大な張力が発生し、むしろ歪み領域は増加するという問題があった。つまり連続波レーザ法に於いては集光径の縮小だけでは磁歪特性の改善に限界があった。

近年、省エネルギー、環境問題の観点で高効率トランスの材料である高級電磁鋼板のニーズは益々増大しており、中でも設置環境の制約からトランス騒音低減への要求度は高い。そこで鉄損を低減した上で磁歪の更なる改善技術が望まれていた。

特開平６−５７３３３号公報 ＷＯ２００４／０８３４６５号公報

本発明は、方向性電磁鋼板の鉄損を極力低減しつつ、磁歪を可及的に小さくすることができる方向性電磁鋼板の製造方法を提供することである。

上記課題を達成するための本発明の手段は次の通りである。

本発明の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法は、レーザビームを方向性電磁鋼板面に集光して、該鋼板の板幅方向に走査照射して残留応力を周期的に付与して磁気特性を改善する方向性電磁鋼板の製造方法であって、レーザビームは連続波レーザを周期的にパワー変調したビームで、該レーザビームのパワーの最小値Ｐｂが最大値Ｐｐの１０％以下であり、レーザビームの方向性電磁鋼板面上のピークパワー密度Ｐｐｄを、レーザビームの集光面積Ｓと前記最大値ＰｐとでＰｐｄ＝Ｐｐ／Ｓと定義したとき、ピークパワー密度Ｐｐｄが、１×１０²以上、且つ１×１０⁴（Ｗ／ｍｍ²）以下であり、前記パワー変調したビームの時間波形において、変調周期Ｔｍと、パワーが最大値Ｐｐの１０％以下の時間幅Ｔｆと、これら変調周期Ｔｍと時間幅Ｔｆの差（Ｔｎ＝Ｔｍ−Ｔｆ）とで、パワー変調デューティＤｐをＤｐ＝Ｔｎ／Ｔｍ×１００（％）と定義したとき、パワー変調デューティＤｐが７０％以上、１００％未満であることを特徴とする。

また、前記レーザビームは、半導体レーザ励起ファイバレーザ装置から出射されるビームであることを特徴とする。

本発明により、レーザ照射によって導入される歪み量の制御が圧延方向、板幅方向の双方で可能となり、鉄損を最小化し、磁歪増加を極力抑制する歪み量の最適化を可能としたので、高効率・低騒音トランスの素材として、鉄損が極力小さく、かつ磁歪特性も優れた方向性電磁鋼板が製造できる。

レーザ照射による歪付与領域に環流磁区が形成される。環流磁区の伸縮が磁歪につながるため、歪の導入量が磁歪とほぼ正の相関がある。よって磁歪増加を最小限に抑えるには、渦電流損を低減するに十分な歪みを与え、それ以上は極力不要な歪みは与えないことが理想である。すなわち導入歪体積を最適化することが重要である。

QスイッチCO₂レーザ、あるいはYAGレーザに代表されるパルス発振レーザでは、レーザ媒質に蓄積されたエネルギーを一瞬にしてレーザ光として取り出すため、パルス幅が数μｓ以下でパルスエネルギーが高く、ピークパワーは容易に数kWを越える。この様な短パルス高ピークのパルスレーザ照射では歪は効果的に導入されるものの、図５に示すように非常に強い衝撃力により集光ビーム径ｄ1の周囲の広い範囲に幅d2の歪が発生し、余分な歪みが入る傾向にある。そのため歪み導入体積の削減、および制御は困難である。特許文献１に開示されるように1×10⁴W/mm²を越えるような高ピークパワー密度ではこの様な現象が起こると考えられる。

一方、連続波レーザでは瞬時的なパワー密度は小さく、図６に示すように発生する歪み幅ｄ2はビーム集光径ｄ1とほぼ同等となる。従って集光径を制御することで圧延方向の歪幅d2をある程度制御することができる。しかし板幅方向は連続に均一の歪み分布となるため、圧延方向幅以外の制御の自由度は限られている。

本発明者らは、連続波レーザによって圧延方向の歪み幅を最小限に抑制した場合でも、板幅方向全幅にわたり連続的に歪みを導入しなくとも鉄損は十分改善可能ではないかと想到した。すなわち板幅方向には磁歪を不必要に増加させる余分な歪みが存在していると考えた。そこで、板幅方向の歪分布も制御し、歪み体積を制御、最適化することを目的に、パワー密度を抑制し、細く集光した連続波レーザをベースにパワーの時間変調を行うことで、板幅方向に歪みの導入された部分とそうでない部分を周期的に形成する本発明に至った。

以下実施例を用いて本発明を実施するための形態を説明する。

図１は本発明の連続波レーザのパワー変調波形の一例である。最大パワーは連続波レーザの最大出力Ｐpであり、パワー変調により周期的に最小値Pbを有する低パワー時間域を持つ。変調周期をTmとし、パワーが最大値10%以下の時間幅をTf、Tm-TfをTnとし、パワー変調デューティDpをDp＝Tn／Tm×100（％）と定義した。尚変調周波数はFm=１／Tmである。

図２は本発明の実施例における照射実験の模式図である。本実施例では、レーザ装置１は半導体レーザ励起ファイバレーザであり、励起光源である半導体レーザは高速変調が可能であるため、ファイバレーザ出力も同じく高速で変調される。ファイバレーザのファイバコア径は10μmであり、集光光学系を適切に用いてコア径と同等まで集光可能である。レーザ波長は1.07μmである。レーザ出力は伝送ファイバ２を通り、出力ヘッド３より出力される。レーザビームLBは円柱レンズ４、ｆθレンズ５の組み合わせにて集光される。

本実施例では、最大パワーPpは100Wであり、集光ビームの圧延方向径dl＝100μm、板幅方向径dc＝300μmの楕円である。従って最大パワー密度Ppdは0.4×10⁴W/mm²である。レーザビームはポリゴンミラー６にて板幅方向に速度Vsにて走査される。本実施例では、Vs＝15m/sである。また、鋼板７の圧延方向移動により、圧延方向の照射ピッチPlは6mmとした。この条件にて、変調周波数Fm=2kHzに固定し、パルス変調デューティDpを種々変更して鉄損と磁歪特性を調べた。

図３は試料として板厚0.23mm、磁束密度B8＝1.935T、レーザ照射前鉄損W17/50＝084W/kgの素材を用いた場合のパルス変調デューティDpとレーザ照射後の鉄損W17/50の関係を示すものである。試料サイズは幅60mm、圧延方向長300mmである。

B8は800A/mの磁化力において発生する鋼板の磁束密度である。W17/50は交流励磁の周波数50Hz、最大磁束密度1.7Tにおける鉄損である。

また、図４は磁歪λp-pとパルス変調デューティDpの関係を示すものである。ここでλp-pは交流励磁の周波数50Hz、最大磁束密度1.7Tにおいて、圧延方向の鋼板伸縮全幅の鋼板長に対する割合（％）である。

なお、比較として同じ試料に波長10.6μmのQスイッチパルスCO₂レーザを照射した場合の鉄損と磁歪を調べた。照射条件は圧延方向集光ビーム径0.3mm、板幅方向集光径0.5mm、パルス時間幅2μs、パルス周波数20kHz、パルスエネルギー6mJ、平均パワーは120Wである。ビーム走査速度Vs=10m/s、照射ピッチPl=6mmである。QスイッチCO₂レーザパルスはパルス初期に急峻なピークを持ち、ピークパワーはPp=2kWであり、最大パワー密度Ppd＝1.7×10⁴W/mm²である。

図３より、完全連続波レーザ照射に相当するパルス変調デューティDp=100%からDp=70%までは鉄損はW17/50=0.70W/kg近傍までほぼ同等レベルに減少しており、図３中に点線で示されるようにQスイッチCO₂パルスレーザ法の鉄損W17/50(P)=0.750W/kgに比べ低い鉄損が得られた。Ｑスイッチパルスレーザで十分鉄損が低減できないのは、渦電流損は低減されているものの、歪み体積が過剰でヒステリシス損の増加が顕著になっているためであると考えられる。

一方、図４において、磁歪はパルス変調デューティDpの減少とともにほぼ単調に減少する傾向が見られた。すなわち連続波レーザをパワー変調して最大パワーの10%以下の時間域をつくることで、この時間域ではほとんど鋼板に歪みが導入されていないと考えられる。その結果、Dpの減少とともに導入歪み量が減少している。
図３の結果より、パルス変調デューティDp＝70%の照射条件にて導入された歪みで鉄損低減効果はほぼ飽和しており、図４の結果から、Dp＞70%の歪み導入は磁歪を不必要に増加させるものであると考えられる。

なお、QスイッチCO₂レーザ法では短パルス、高ピークパワーにより歪み領域が広くなる傾向がある、更に波長がファイバレーザの約10倍と長いため集光径の縮小には限界がある。よって歪み幅は本発明のファイバレーザの場合に比べ広く、そのため図４中に点線で示されるように、パルスレーザ法での磁歪λp-p(P)は本発明の場合に比べ大きい。

従って、本発明による細く集光され、且つパワー密度を抑制したパワー変調レーザを照射する方法では従来の高ピークパルスレーザ法に比べ鉄損、磁歪ともに優れた特性が得られ。また同じく最大パワー密度を抑制した連続波レーザ法に比べても同等鉄損と低磁歪が得られ、特にパルス変調デューティDpが70%以上、100%未満の範囲においてより低い磁歪が得られる。

本発明においては歪み領域を制御することが重要である。パワー密度Ppdが１×10⁴ W/mm²を越える場合、前述のごとく集光径以上の過大な歪みが導入されるため好ましくない。一方、鉄損低減効果が十分になる歪みを発生させることが出来る最小のパワー密度Ppdの値は、電磁鋼板面上のレーザビーム走査速度に依存する。当該最小のパワー密度Ppdの値は、パルス変調デューティDpを100%、すなわち完全連続にレーザ照射して求めることができる。上記の実施例のような、製造工程において生産性の観点から無理なく実施できる走査光学系でのレーザビーム走査速度範囲においては、パワー密度Ppdは１×10² W/mm²が下限である。これより小さい場合は歪みがほとんど発生しないため鉄損低減効果も大きく減少する。従ってパワー密度Ppdの範囲は１×10²から１×10⁴W/mm²の範囲が好ましい。

本発明の目的を達成するには所定ののパワー変調を高精度で行う必要がある。半導体レーザは電流制御によって高速の変調が可能あるため、それを励起源にするファイバレーザは同じく高速で変調制御が可能である。またファイバレーザはコア径と同等レベルの集光が容易であることから、過剰な歪み幅を与えないために集光径を細くすることが可能である。従って、本発明を実施するには半導体レーザ励起のファイバレーザが好適である。

また波長の観点で、波長が短い方が細い集光が可能であること、また一方で波長が長い方が電磁鋼板へのレーザエネルギー吸収率が高いことを鑑み、実用的なレーザの中で波長1.06μmのYAGレーザと波長10.6μmのCO₂レーザの間に位置する波長1.07〜2.10μmのファイバレーザが望ましい。

本発明の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法に於けるレーザパワー変調の説明図である。 本発明の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法の実施の形態の概略の説明図である。 実施例の変調デューティと鉄損の関係を説明する図である。 実施例の変調デューティと磁歪の関係を説明する図である。 高ピークパルスレーザ照射における集光径、および歪み幅の模式図である。 連続波レーザ照射における集光径、および歪み幅の模式図である。

符号の説明

１ ファイバレーザ装置
２ 伝送ファイバ
３ レーザ出力ヘッド
４ 円柱レンズ
５ ｆθレンズ
６ ポリゴンミラー
７ 電磁鋼
Pp 最大パワー
Pb 最小パワー
Ppd 空間最大パワー密度
Tm 変調周期
Tf パワーが最大値の10%以下の時間幅
Tn Tm−Tf
Dp パワー変調デューティ
LB レーザビーム
d1 ビーム集光径
d2 歪み幅
W17/50 鉄損
λp-p 磁歪
W17/50(P) Qスイッチパルスレーザ法でのレーザ照射後の到達鉄損
λp-p（P） Qスイッチパルスレーザ法でのレーザ照射後の磁歪

Claims (2)

1. レーザビームを方向性電磁鋼板面に集光して、該方向性電磁鋼板面の板幅方向に走査照射して残留応力を周期的に付与して磁気特性を改善する方向性電磁鋼板の製造方法であって、
   レーザビームは連続波レーザを周期的にパワー変調したビームで、該レーザビームのパワーの最小値Ｐｂが最大値Ｐｐの１０％以下であり、
   レーザビームの前記方向性電磁鋼板面上のピークパワー密度Ｐｐｄを、レーザビームの集光面積Ｓと前記最大値ＰｐとでＰｐｄ＝Ｐｐ／Ｓと定義したとき、
   ピークパワー密度Ｐｐｄが、１×１０²以上、且つ１×１０⁴（Ｗ／ｍｍ²）以下であり、
   前記パワー変調したビームの時間波形において、変調周期Ｔｍと、パワーが最大値Ｐｐの１０％以下の時間幅Ｔｆと、これら変調周期Ｔｍと時間幅Ｔｆの差（Ｔｎ＝Ｔｍ−Ｔｆ）とで、パワー変調デューティＤｐをＤｐ＝Ｔｎ／Ｔｍ×１００（％）と定義したとき、
   パワー変調デューティＤｐが７０％以上、１００％未満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。
2. 前記レーザビームは、半導体レーザ励起ファイバレーザ装置から出射されるビームであることを特徴とする請求項１に記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。

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