激光刻痕工艺对取向硅钢铁损降幅影响规律研究.pdf

2023年6 月8第5卷第3 期电工钢ELECTRICAL STEELJun.2023Vol.5No.3激光刻痕工艺对取向硅钢铁损降幅影响规律研究王晓达1，贾志伟，张海利，游清雷1，蒋奇武1（1.鞍钢股份有限公司，辽宁鞍山1 1 40 0 9；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山1 1 40 0 9）摘要：以0.2 7 mm规格高磁感取向硅钢为研究对象，研究了激光刻痕功率、刻痕频率、刻痕速度及刻痕间距等参数对取向硅钢铁损降幅及磁畴结构的影响。结果表明，不同工艺刻线形貌及磁畴结构存在差异性，其中低刻痕功率、高刻痕频率和刻痕速度下，刻线呈现浅轻形貌，磁畴呈不均匀散乱分布。该牌号优化刻痕工艺参数为：刻痕功率3 0%、刻痕频率50 kHz、刻痕速度50 0 mm/s、刻痕间距5mm，磁畴细化效果好，相应铁损降幅达9.47%。此外，在激光刻痕参数交互作用下，铁损降幅随激光能量密度增大而显著增加，但激光能量过大会加剧破坏取向硅钢应力涂层，不利于磁畴细化和提高铁损降幅。关键词：取向硅钢；激光刻痕；磁畴细化；铁损降幅中图分类号：TG142.77文献标志码：A文章编号：2 0 9 6-7 1 0 1(2 0 2 3)0 3-0 0 0 8-0 7Study on core loss reducing rate of grain oriented silicon steel by laser scribingWANG Xiaoda,JIA Zhiwei?,ZHANG Haili?,YOU Qinglei,JIANG Qiwu(1.Angang Steel Co.,Ltd.,Anshan 114009,China;2.Iron&.Steel ResearchInstitutes of AnSteel Group Corporation,Anshan 114009,China)Abstract:Based on research of o.27 mm gauge high magnetic induction grain oriented silicon steel,the influence of the laser scribing power,scribing frequency,scribing speed and scribing spacing onthe core loss reduction and magnetic domain structure of grain oriented silicon steel were studied inthis paper.It was showed that there were differences in the morphology and domain structure of thescribing lines in different processes.The scribing lines showed light morphology and the magneticdomains were inhomogeneous and scattered at low power,high frequency and high speed.Theresults showed that the maximum iron loss reducing rate reached 9.47%under the parameters of 30%scribing power,50 kHz scribing frequency,500 mm/s scribing speed and 5 mm scribing space.Besides that,under the interaction of laser scribing parameters,the iron loss reducing rate increasedsignificantly with the increase of laser energy density,and the damage to the stress coating of grainoriented silicon steel aggravated with the increasing of energy density,which was not conducive tothe magnetic domain refinement and the increase of iron loss reduction.Key words:grain oriented silicon steel;laser scribing;domain refinement;core loss reducing rate取向硅钢是电力、电子工业不可缺少的重要金属功能材料，主要作为变压器铁心的制造材料，其制造技术和质量对能耗产生直接影响1-2 。近年来，大量学者开展了通过细化磁畴的方法降低铁损的研究工作，并衍生出机械刻痕法、激光刻痕法、应力涂层法等细化磁畴方法3-41。取向硅钢激光刻痕技术克服了机械刻痕法效率低、应力涂层法磁畴细化效果不佳等缺点，以降低铁损效果明显、加工速度快和稳定性高等优点获得广泛应用5-7 。影响取向硅钢刻痕效果的因素诸多,除原料初始组织性能等材料因素外,刻痕工艺参数对铁损降幅具有较大影响，需结合刻痕工艺参数对铁损降幅的交互作用8 ，以保障最佳铁损降幅。基于此，本文以鞍钢0.2 7 mm规格高磁感取向硅钢为研究对象，研究了不同激光刻痕工艺参数下磁畴细化及铁损降幅的变化规律，从而为激光刻痕工艺设计优化提供依据。第一作者：王晓达（1 9 8 2 一）,女，硕士，工程师通信作者：贾志伟（1 9 8 2 一），男，硕士，高级工程师；E-mail:jzw_;收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 3第3 期王晓达，等：激光刻痕工艺对取向硅钢铁损降幅影响规律研究920 mm图1 样品原始二次再结晶组织表1 实验室激光刻痕工艺参数细化和铁损变化情况。1实验材料与方法选取0.2 7 mm规格高磁感取向硅钢3 0 mmX300mm去应力退火（8 40 X24h)样品，原始二次再结晶组织(晶粒尺寸1 5mm）如图1 所示。利用DPL-500半导体激光刻痕机进行表1 所示方案（各工艺选取2 片样品）的刻痕实验。采用MPG100交直流磁性能测量仪检测刻痕前后样品磁性能，并通过SUPRATM55SAPPHIRE场发射扫描电镜和BM-DV90型磁畴检测设备，分别观测刻痕效果、磁畴形貌，研究不同工艺下的磁畴工艺方案功率（1 50 W占比）/%13023033041554063073083093010302试验结果及分析2.1基于取向硅钢铁损模型的理论最佳畴宽取向硅钢铁损由磁滞损耗、涡流损耗和反常损耗组成，根据各组成部分计算公式，得出铁损理论模型为9：P.=+72.f2+0.542元dfBzLDp式中，为畴壁能;C1为弹性常数；入1 0 0 为磁致伸缩系数;D为取向硅钢基体密度;为电导率；f、Bm为正弦磁感的频率和峰值磁感；L为磁畴宽度；d为样品厚度。依据最小极值原理，P对L求偏导：令aP./aL=0得出最佳磁畴宽度：266由磁畴宽度L。与晶粒尺寸l关系可以得出9：频率/kHz50505050503545605050寸与铁损之间的关系，如图2 所示。由此可知：实验钢最佳晶粒尺寸和畴宽理论计算值分别为5.48mm,0.173mm。考虑到减小刻痕线间距可使单个晶粒内刻线数量增多等因素，以略低于最佳晶粒尺寸的5mm刻线间距可获得最佳磁畴细化效(1)果。1.201.151.101.051.000.950.900.850.800.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.34(2)图2 磁畴宽度、晶粒尺寸与铁损之间关系扫描速度/(mm?s-1)5005005005005005005005002008001.992C入2。L2依据式（1）式3，得到实验钢畴宽、晶粒尺铁损晶粒尺寸1210864磁畴宽度/mm刻痕间距/mm45655555552220181614(3)102.2刻痕工艺对铁损降幅影响2.2.1刻痕间距影响图3 为工艺方案1、2、3 不同刻痕间距对铁损降幅的影响。由此可知：刻痕间距5mm时,获得的平均铁损降幅最高（9.47%），6 mm刻痕间距的平均铁损降幅次之（8.3 2%)，4mm刻痕间距的铁损降幅最低（3.7 2%）。究其原因，在于激光刻痕所形成的残余应力区域，不会贯穿整个取向1098%/?7654323.5图3不同刻痕间距对铁损降幅的影响电工钢硅钢厚度方向；刻痕间距过小导致应力区重合并相互影响，或间距过大导致应力区缩小，均不利于磁畴细化和铁损降低。对图4所示的不同刻痕间距下的磁畴结构的分析发现：刻痕间距由图4(a)所示的4mm增大至图4(c)所示的6 mm时,磁畴宽度变化相对较小,约为0.3 3 mm。相比之下,刻痕间距4mm和6 mm对应的磁畴分布不均且部分区域相对散乱；而图4(b)所示的刻痕间距5mm对应的磁畴分布均匀，相应铁损降幅最高，这与前述理论计算结果基本吻合。图5为2#刻痕工艺下刻线形貌及能谱检测结果。结果表明,其刻线宽度约为6 0 m且呈连续规则分布，蚀点应力区域重叠效应产生的弱化效应较低。同时，刻线内部存在少量由铁基体和Mg2SiO4组成的孔洞，则说明激光能量已造成涂4.04.5刻痕间距/mm第5卷5.05.56.0层烧损和铁基体及玻璃膜裸露，其产生的较大残余热应力有利于细化磁畴。5mm(a)4mm图4不同激光刻痕间距对磁畴结构的影响5mm(b)5mm1005mm(c)6mm带图10.10.180.0国08060A/sds40错图313.50.00.01002050 um图52#刻痕工艺对应刻线形貌及能谱检测结果2.2.2刻痕功率影响图6 为工艺方案2、4、5的激光刻痕功率对铁损降幅的影响。分析发现：1 5%较低刻痕功率下，激光在钢板表面形成的刻线较浅，刻线残余应力区影响较小，相应铁损平均降幅较低国（7.8 9%）。刻痕功率达3 0%时，激光作用能量升高，使钢板表面层烧损程度加剧，相应刻线位置产生的残余应力产生较强影响，使得平均铁损降幅达到9.47%。刻痕功率提高至40%后，铁损降幅降低至7.0 3%。第3 期10.09.59.08.58.07.57.06.56.05.55.015图6 刻痕功率对铁损降幅的影响图7(a)所示1 5%刻痕功率下，磁畴宽度约为0.45mm，分布漫散且杂乱不均，相应细化效果较差。图7(b)所示3 0%刻痕功率对应的磁畴分布均匀，细化效果明显，其畴宽为0.3 3 mm，相王晓达，等：激光刻痕工艺对取向硅钢铁损降幅影响规律研究202530刻痕功率/%11应铁损降幅最高。刻痕功率提高至40%，如图7(c)所示，磁畴分布均匀，但畴宽约为0.56 mm，相应铁损降幅有所下降。图8(a)所示1 5%刻痕功率下，刻线为直径35m的浅轻状斑痕。刻痕功率提高至3 0%后，形成了图8(b)所示的呈连续分布、宽度约为60m的刻线，其内部存在表层烧蚀形成的黑色孔洞。图8 c)所示40%刻痕功率下，刻线宽度3540则增加至7 5m,其内部孔洞数量相对增多。可见，激光刻痕功率升高，使光斑作用区域温度升高，刻线宽度随之增加，从而促进磁畴细化。当刻痕功率达到一定程度后，钢板表面层损伤程度加剧，会因破坏钢板内部应力层，抵消磁畴细化效果。5mm(a)15%图7 不同激光刻痕功率对磁畴结构的影响电子图像45电子图像75mm(b)30%5mm(c)40%电子图像250um2.2.3刻痕频率影响图9 为不同刻痕频率对铁损降幅的影响。可以看出，在工艺方案2、6、7、8 下，刻痕频率由3 5kHz升高至50 kHz,激光在钢板表面照射能量减小，使得形成蚀点变小的同时，蚀点间距缩小，使刻线影响区逐渐增大，相应平均铁损降幅由刻痕频率3 5kHz时的7.9 8%增加到50 kHz时的9.47%；刻痕频率继续提高至6 0 kHz，造成蚀点继续变小，同时蚀点间距过小导致的刻线影响区域发生重叠，反而不利于磁畴细化，平均铁损降幅降低至 6.54%。50um(a)15%图8 不同刻痕功率下的刻线形貌10.09.59.08.5%/8.07.57.06.56.05.55.035图9不同刻痕频率对铁损降幅的影响50m(b)30%40刻痕频率/%(c)40%4550556012图1 0 为不同激光刻痕频率下的磁畴结构。结果表明，刻痕频率升高，导致磁畴细化效果恶化，相应磁畴宽度增加且分布杂乱不均。相比之下，图1 0(a)所示刻痕频率3 5kHz的畴宽较宽(0.8 3 mm)且相对均匀;图1 0(b)、图1 0(c)所示刻痕频率45kHz、50 k H z 的畴宽较小（分别为0.55mm和0.3 3 mm），且分布均匀；而图1 0(d)所示刻痕频率6 0 kHz的刻痕频率磁畴较宽电工钢(0.83mm)，且分布相对杂乱、铁损降幅最低。这是由于，在较高照射能量下，钢板表面层发生完全烧损，形成较深刻线；但3 5kHz刻痕条件在形成蚀点间距较大的同时，会减小残余应力影响区域，相应磁畴细化效果并不理想。反之，60kHz高频刻痕条件下，则会因蚀点间距过小，导致残余应力影响区域重叠和刻线深度不足，而弱化磁畴细化。第5卷5mm(a)35 kHz图1 1 为不同刻痕频率下的刻线形貌。在3 5kHz刻痕频率下，如图1 1(a)所示,形成了宽度约为8 5m的连续刻线，并且较高的激光能量作用使刻线内部形成了大量蚀点。刻痕频率升高至4550 k H z 后，刻痕能量降低，使之形成了如图11(b)和图1 1(c)所示的刻线形貌，刻线宽度减小电子图像1 95mm5mm(b)45 kHz图1 0 不同刻痕频率下磁畴结构至6 0 7 0 m，其内部蚀点密度及尺寸较3 5kHz均有所降低。刻痕频率达到6 0 kHz后，如图1 1(d)所示,形成的刻线宽度不均匀（6 0 m左右)，其内部蚀点尺寸增加，且密度略有减小。究其原因，为高频刻痕条件下，光源照射能量降低，导致钢板表面层烧损，未能完全贯穿应力层所致。电子图像3 4电子图像75mm(c)50 kHz(d)60 kHz电子图像3 150um(a)35 kHz2.2.4刻痕速度影响图1 2 为不同刻痕速度对铁损降幅的影响。可以看出：在工艺方案2、9、1 0 的不同刻痕扫描速度下，2 0 0 mm/s刻痕速度下的平均铁损降幅为7.66%，50 0 m m/s 刻痕速度的铁损降幅为9.47%,800mm/s刻痕速度下平均铁损降幅则为8.9 5%。说明刻痕速度不同，通过改变激光在钢板表面的作用时间及其产生的热应力实现的细化磁畴效果不同；低刻痕速度下表面层过度烧蚀和高刻痕速下表面层烧蚀不足，均会弱化残余应力对磁畴的细化效果，进而造成铁损降幅升高。50um50um(b)45 kHz(c)50 kHz图1 1 不同刻痕频率下刻线形貌10.09.59.08.5%8.07.57.06.56.05.55.0200300400500600700刻痕速度/(mmsl)图1 2不同刻痕速度对铁损降幅的影响50um(d)60 kHz800第3 期因此，在其他工艺因素确定的情况下，应采用合理的刻痕速度控制刻线应力影响区域，以保证磁畴细化效果。图1 3 为不同刻痕速度下的磁畴形貌。结果表明，图1 3(a)所示2 0 0 mm/s刻痕速度下的磁畴分布均匀且畴宽较大(0.6 3 mm);图1 3(b)所示500mm/s刻痕速度下，对应磁畴细化效果最佳，王晓达，等：激光刻痕工艺对取向硅钢铁损降幅影响规律研究对散乱，畴宽约为0.50 mm。其原因在于刻痕功率和频率相同条件下，高速刻痕形成的浅轻刻线导致的应力区缩小或低速刻痕形成的刻线过深导致的应力区重叠，均不利于磁畴细化。:13其磁畴分布均匀且畴宽较小(0.3 3 mm）；图1 3（c)所示8 0 0 mm/s刻痕速度下，对应磁畴分布则相5mm(a)200 mm/s图1 3 不同激光刻痕速度对磁畴结构的影响图1 4(a)所示2 0 0 mm/s刻痕速度下,刻线宽度约为7 5m,其内部蚀坑密度及尺寸相对较大。图1 4(b)所示50 0 mm/s刻痕速度下，刻线宽度约为6 0 m，内部蚀坑密度和尺寸减小。图1 4(c)所电子图像1 35mm(b)500 mm/s示8 0 0 mm/s刻痕速度下，刻线宽度约为50 m，内部蚀点尺寸不均且数量减少，说明其激光作用时间过短，导致钢板表面层烧蚀不完全，未能形成有效刻线。电子图像75mm(c)800 mm/s电子图像1 050m(a)200 mm/s3结 论1)基于取向硅钢铁损模型,计算0.2 7 mm规格取向硅钢实验钢的最佳理论畴宽和刻痕间距分别为0.1 7 3 mm和5mm,与实验结果相吻合；2)确定优化激光刻痕工艺参数为：刻痕功率30%,刻痕频率50 kHz,刻痕速度50 0 mm/s,刻痕间距5mm，相应铁损降幅达9.47%；3)在激光刻痕参数交互作用下，铁损降幅呈非线性变化，并且随着刻痕间距、刻痕功率、刻痕频率和刻痕速度的升高，铁损降幅均呈现先增大后降低的变化规律；4)不同刻痕工艺形成的刻线形貌及磁畴结构存在差异性,其中低刻痕功率、高刻痕频率和刻痕50m(b)500 mm/s图1 4不同扫描速度下的刻线微观形貌速度下的刻线呈现浅轻形貌，磁畴呈不均匀、散乱分布,畴宽增加。参考文献1李海蛟，杨平，蒋奇武.取向硅钢激光刻痕工艺参数优化及相关原理分析LJ.金属功能材料，2 0 1 5，2 2（1)：1 1-1 6.2林杨富尧，古凌云，马光.激光刻痕对取向硅钢铁损和磁畴的影响规律研究.功能材料，2 0 1 6，47（2）：6 0-6 5.3柳勇.取向硅钢激光刻痕关键技术研究D.武汉：华中科技大学，2 0 1 1.4简欣，徐让书，邵长浩.激光与金属材料相互作用的热效应分析J.沈阳航空航天大学学报，2 0 1 43 1(1)：3 3-3 6.5董丹阳，张滨，陈岁元，等.扫描速度对硅钢表面激光熔覆层组织和硬度的影响J.东北大学学报，2 0 0 8，2 9（6）：8 49-852.6朱业超，王良芳，乔学亮.表面处理细化取向硅钢磁畴的方法与机理J.钢铁研究，2 0 0 6，3 4（6）：50-54.50um(c)800 mm/s147方建成，王续跃，苑鸿，等.激光照射对不同厚度硅钢片铁损的影响J.钢铁，1 9 9 9,3 4（1)：6 2-6 4.8李劲东.硅钢片降低铁损的激光加工研究D.北京：清华大电工钢学，1 9 9 2.9秦利波.激光刻痕降低取向硅钢铁损技术研究D.沈阳：东北大学，2 0 1 1.第5卷电工钢杂志征订启事电工钢杂志，双月刊，全年期刊定价1 2 0 元/份（含邮寄费）。为方便读者订阅，需要征订的读者，可以通过以下两种方式进行订阅：1)全国非邮发报刊联合征订服务部订阅，本刊将根据联合征订服务部提供的地址，在每期期刊发行后，及时给订户寄发刊物。期刊征订费用可以通过邮局汇款和银行汇款两种方式，具体如下：邮局汇款：邮编：3 0 0 3 8 1地址：天津市南开区卫津南路李七庄邮局9 8 0 1 信箱收款：天津市河西区联合征订服务部汇款完毕后请务必与联合征订部联系，以便确认业务、办理发票、寄刊等工作。联合征订服务部联系方式：通信地址：天津市南开区卫津南路李七庄邮局9 8 0 1 信箱电话：[phone],2 3 9 6 2 47 9传真：[phone]E-mail:LHZD2002 或 WMSLHZD.com2)全国各地邮局订阅，邮发代号：3 8 一3 7 6。如有其他问题，请及时与本刊编辑部联系。联系电话：[phone]E-mail:联系人：江勇李朝前特此通知！银行汇款：户名：天津市河西区联合征订服务部开户行：工商银行天津市尖山支行帐号：0 3 0 2 0 6 0 50 9 1 0 46 1 9 6 0 3邮编：3 0 0 3 8 1电工钢编辑部