降低硅钢片铁损的激光处理方法及装置

摘要

降低硅钢片铁损的激光处理方法及装置。

说明书

本发明所属技术领域为材料学科，改性处理。

当前世界各主要工业国家硅钢片产量为钢总量的1%左右，它是制造电机、变压器等机电设备的基本材料，硅钢分为非取向硅钢主要用于制造电机和取向硅钢片主要用于制造变压器。变压器因铁损而消耗大量电能，据1981年统计日本此项消耗占总发电量3.6%，而我国1991年统计变压器的铁损高于发达国家，约为年发电量的5%，此项耗电每年就高达335亿Kwh左右。因此如何降低取向硅钢片的铁损，当前引起世界各国专家学者们的注意。在60年代日本采用强化冷轧工艺，抑制剂技术极大地提高了磁感和降低铁损，后来又采用非冶金方法来细化磁畴，降低铁损，直至80年代发展了激光处理技术，开创了细化磁畴，降低铁损的良好途径。1982年和1984年相继发表了关于脉冲激光处理电磁钢片的技术论文和连续激光处理技术的科学论文。两者虽然都实现降低铁损的目的，但前者存在硅钢片表面涂层受损，后者硅钢片出现弯曲变形的问题。

本发明的目的，为了解决现有技术存在的问题，而提出一种降低硅钢片铁损的激光处理方法及其装置。

本发明通过脉冲激光或连续激光处理，结合激光处理中的传热和力学过程分析，确定合适的处理条件和控制性工艺参数的优化范围，并在该装置上实现了这些条件，达到明显降低铁损（降低铁损5%）而又不造成表面涂层破坏和弯曲变形的效果。

为了实现上述目的，本发明所实施的技术内容如下：

激光处理技术是利用激光快速加热和冷却的特点，对取向硅钢片表面作划线状处理，促使加热区产生微小塑性变形和高密度位错，形成亚晶界，减少主畴壁长，同时通过塑性变形产生残余张应力，达到细化磁畴，降低铁损的目的。通过激光处理中传热和力学过程的分析，确定激光处理加热时间优化范围为10^-6-10^-8S。

实现本方法的激光处理装置，它由激光器，控制部份，光路系统和移动平台四部份组成，其中光路系统包括X振境（振镜电机），扫描反射振镜和聚焦透镜，由微机通过振镜控制器（锯齿波发生器）控制X振镜（振镜电机）和扫描反射振镜，以达到所需要的扫描速度，移动平台可根据扫描速度来调整行距。

附图

图1、降低硅钢片铁损的激光处理装置示意图

图2、降低硅钢片铁损激光处理移动平台示意图

降低硅钢片铁损的主要途径是细化磁畴，通常取向硅钢片的磁畴是由180°片状主畴和三角形的封闭畴组成。取向硅钢片的反常涡流损耗占总损耗的50%以上，这是由于磁壁运动引起的正比于磁畴宽度，而影响畴宽的主要因素是晶粒尺寸和受力状态，施加张应力的方法能细化磁畴，降低铁损。激光处理技术就是利用激光快速加热和冷却的特点，对取向硅钢片表面做划线处理，促使加热区产生微小塑性变形和高密度位错，形成亚晶界，减少主畴壁长，同时通过塑性变形产生残余张应力，达到细化磁畴，降低铁损的目的。

对激光处理过程中的传热和力学分析表明，硅钢片表面涂层破坏是因为加热温度过高引起涂层熔化和汽化，弯曲变形是因为加热温度大，造成塑性变形区过大而引起上、下表面都产生塑性变形区，而要降低铁损又必须形成足够的残余张应力，因此温度场是激光处理的主要物理特征，对产生塑性变形，位错，细化磁畴及造成表面涂层的破坏和弯曲变形都起决定性作用。本发明根据激光处理中的传热和力学过程分析确定了合适的激光加热时间，若激光加热时间控制在10^-6-10^-8S之间就可以达到降低铁损5%又不造成硅钢片表面涂层的破坏和弯曲变形的结果。

实现本方法的激光处理装置，它由激光器1，控制部份，光路系统和移动平台2组成（见图1），其中光路系统包括X振镜3，扫描反射振镜4，光学透镜5。脉冲激光器1脉冲能量为0-20mJ，连续激光器1功率为0-50W，微机6通过A/D接口7外触发激光器1，并控制振镜控制器8（锯齿波发生器）给X振镜3（振镜电机）信号，使其固接一起的扫描反射振镜4在X方向转动，再经过光学透镜5聚焦在移动工作台2被处理的硅钢片9上。移动工作台2（见图2），它由电机10带动主动辊11和从动辊12转动，从而使硅钢片9在两辊间沿台面13的Y方向运动，通过控制扫描速度和扫描宽度，并与移动工作台2的移动速度配合达到变化扫描行距的目的。

脉冲激光处理硅钢片，对降低铁损有显著效果，但现有技术的突出不足表面涂层被严重破坏。本发明对激光处理过程传热和力学分析发现，脉宽控制在200-750ns范围内，表面涂层破坏问题可将大大改善，甚至可以完全解决涂层破坏问题。连续激光处理硅钢片，在低扫描速度下，加热时间较长，产生位错的临界热流与造成弯曲变形的临界热流极为相近，因此在低扫描速度下，易造成弯曲破坏，将扫描速度控制在50-500mm/S范围内较为适宜。

实施例1

标准公斤级实验，国际通用标准公斤实验，他具有总体平均效果，排除各种偶然因素和材料的不均匀性的影响，更具有权威性，我们进行6公斤实验，都能在上述条件和参数下，达到降低铁损5%而不引起损坏的结果。

实施例2

试验铁芯（SOP-3000VA型隔离变压器）的处理。

铁芯重36公斤，按上述条件和参数经处理后，空载实验结果铁损下降超过5%而无损坏。

本发明降低硅钢片铁损的激光处理方法及装置，结构简单，方法先进。该装置提供激光处理硅钢片过程所需的合理条件和激光能量，功率，光斑直径，扫描速度，扫描宽度，点距，行距等优化参数。既能达到降低铁损5%而又不引起硅钢片涂层受损和弯曲变形。随着国民经济和机电工业的发展，它将产生显著的社会效益和经济效益。