王曉達　游清雷　蔣奇武　賈志偉　張海利

關鍵詞：中厚板；母板橫移臺架；故障率；改進措施

0 引言

取向硅鋼是電力、電子工業不可缺少的重要金屬功能材料，主要作為變壓器鐵心的制造材料，其制造技術和質量對能耗產生直接影響。近年來，大量學者開展了通過細化磁疇的方法降低鐵損的研究工作，并衍生出機械刻痕法、激光刻痕法、應力涂層法等細化磁疇方法。取向硅鋼激光刻痕技術克服了機械刻痕法效率低、應力涂層法磁疇細化效果不佳等缺點，以降低鐵損效果明顯、加工速度快和穩定性高等優點獲得廣泛應用。影響取向硅鋼刻痕效果的因素諸多，除原料初始組織性能等材料因素外，刻痕工藝參數對鐵損降幅具有較大影響，需結合刻痕工藝參數對鐵損降幅的交互作用，以保障最佳鐵損降幅。基于此，本文以鞍鋼0.27 mm規格高磁感取向硅鋼為研究對象，研究了不同激光刻痕工藝參數下磁疇細化及鐵損降幅的變化規律，從而為激光刻痕工藝設計優化提供依據。

1 實驗材料與方法

選取0.27 mm規格高磁感取向硅鋼30 mm×300 mm去應力退火（840 ℃×24 h）樣品，原始二次再結晶組織（晶粒尺寸15 mm）如圖1所示。利用DPL-500半導體激光刻痕機進行表1所示方案（各工藝選取2片樣品）的刻痕實驗。采用MPG100交直流磁性能測量儀檢測刻痕前后樣品磁性能，并通過SUPRATM55 SAPPHIRE場發射掃描電鏡和BM-DV 90型磁疇檢測設備，分別觀測刻痕效果、磁疇形貌，研究不同工藝下的磁疇細化和鐵損變化情況。

2 試驗結果及分析

2.1 基于取向硅鋼鐵損模型的理論最佳疇寬

2.2 刻痕工藝對鐵損降幅影響

2.2.1 刻痕間距影響

圖3為工藝方案1、2、3不同刻痕間距對鐵損降幅的影響。由此可知：刻痕間距5 mm時，獲得的平均鐵損降幅最高（9.47 %），6mm刻痕間距的平均鐵損降幅次之（8.32 %），4 mm刻痕間距的鐵損降幅最低（3.72 %）。究其原因，在于激光刻痕所形成的殘余應力區域，不會貫穿整個取向硅鋼厚度方向；刻痕間距過小導致應力區重合并相互影響，或間距過大導致應力區縮小，均不利于磁疇細化和鐵損降低。

對圖4所示的不同刻痕間距下的磁疇結構的分析發現：刻痕間距由圖4（a）所示的4 mm增大至圖4（c）所示的6 mm時，磁疇寬度變化相對較小，約為0.33 mm。相比之下，刻痕間距4 mm和6 mm對應的磁疇分布不均且部分區域相對散亂；而圖4（b）所示的刻痕間距5 mm對應的磁疇分布均勻，相應鐵損降幅最高，這與前述理論計算結果基本吻合。

圖5為2#刻痕工藝下刻線形貌及能譜檢測結果。結果表明，其刻線寬度約為60 μm且呈連續規則分布，蝕點應力區域重疊效應產生的弱化效應較低。同時，刻線內部存在少量由鐵基體和Mg2SiO4組成的孔洞，則說明激光能量已造成涂層燒損和鐵基體及玻璃膜裸露，其產生的較大殘余熱應力有利于細化磁疇。

2.2.2 刻痕功率影響

圖6為工藝方案2、4、5的激光刻痕功率對鐵損降幅的影響。分析發現：15 %較低刻痕功率下，激光在鋼板表面形成的刻線較淺，刻線殘余應力區影響較小，相應鐵損平均降幅較低（7.89 %）。刻痕功率達30 %時，激光作用能量升高，使鋼板表面層燒損程度加劇，相應刻線位置產生的殘余應力產生較強影響，使得平均鐵損降幅達到9.47 %。刻痕功率提高至40 %后，鐵損降幅降低至7.03 %。

圖7（a）所示15 %刻痕功率下，磁疇寬度約為0.45 mm， 分布漫散且雜亂不均，相應細化效果較差。圖7（b）所示30 %刻痕功率對應的磁疇分布均勻，細化效果明顯，其疇寬為0.33 mm， 相應鐵損降幅最高。刻痕功率提高至40 %，如圖7（c）所示，磁疇分布均勻，但疇寬約為0.56 mm， 相應鐵損降幅有所下降。

圖8（a）所示15 %刻痕功率下，刻線為直徑35 μm的淺輕狀斑痕。刻痕功率提高至30 %后，形成了圖8（b）所示的呈連續分布、寬度約為60 μm的刻線，其內部存在表層燒蝕形成的黑色孔洞。圖8（c）所示40 %刻痕功率下，刻線寬度則增加至75 μm， 其內部孔洞數量相對增多。可見，激光刻痕功率升高，使光斑作用區域溫度升高，刻線寬度隨之增加，從而促進磁疇細化。當刻痕功率達到一定程度后，鋼板表面層損傷程度加劇，會因破壞鋼板內部應力層，抵消磁疇細化效果。

2.2.3 刻痕頻率影響

圖9為不同刻痕頻率對鐵損降幅的影響。可以看出，在工藝方案2、6、7、8下，刻痕頻率由35 kHz升高至50 kHz， 激光在鋼板表面照射能量減小，使得形成蝕點變小的同時，蝕點間距縮小，使刻線影響區逐漸增大，相應平均鐵損降幅由刻痕頻率35 kHz時的7.98 %增加到50 kHz時的9.47 %；刻痕頻率繼續提高至60 kHz， 造成蝕點繼續變小，同時蝕點間距過小導致的刻線影響區域發生重疊，反而不利于磁疇細化，平均鐵損降幅降低至6.54 %。

圖10為不同激光刻痕頻率下的磁疇結構。結果表明，刻痕頻率升高，導致磁疇細化效果惡化，相應磁疇寬度增加且分布雜亂不均。相比之下，圖10（a）所示刻痕頻率35 kHz的疇寬較寬（0.83 mm）且相對均勻；圖10（b）、圖10（c）所示刻痕頻率45 kHz、50 kHz的疇寬較小（分別為0.55 mm和0.33 mm），且分布均勻；而圖10（d）所示刻痕頻率60 kHz的刻痕頻率磁疇較寬（0.83 mm），且分布相對雜亂、鐵損降幅最低。這是由于，在較高照射能量下，鋼板表面層發生完全燒損，形成較深刻線；但35 kHz刻痕條件在形成蝕點間距較大的同時，會減小殘余應力影響區域，相應磁疇細化效果并不理想。反之，60 kHz高頻刻痕條件下，則會因蝕點間距過小，導致殘余應力影響區域重疊和刻線深度不足，而弱化磁疇細化。

圖11為不同刻痕頻率下的刻線形貌。在35 kHz刻痕頻率下，如圖11（a）所示，形成了寬度約為85 μm的連續刻線，并且較高的激光能量作用使刻線內部形成了大量蝕點。刻痕頻率升高至45～50 kHz后，刻痕能量降低，使之形成了如圖11（b）和圖11（c）所示的刻線形貌，刻線寬度減小至60～70 μm， 其內部蝕點密度及尺寸較35 kHz均有所降低。刻痕頻率達到60 kHz后，如圖11（d）所示，形成的刻線寬度不均勻（60 μm左右），其內部蝕點尺寸增加，且密度略有減小。究其原因，為高頻刻痕條件下，光源照射能量降低，導致鋼板表面層燒損，未能完全貫穿應力層所致。

2.2.4 刻痕速度影響

圖12為不同刻痕速度對鐵損降幅的影響。可以看出：在工藝方案2、9、10的不同刻痕掃描速度下， 200 mm/s刻痕速度下的平均鐵損降幅為7.66 %，500 mm/s刻痕速度的鐵損降幅為9.47 %，800 mm/s刻痕速度下平均鐵損降幅則為8.95 %。說明刻痕速度不同，通過改變激光在鋼板表面的作用時間及其產生的熱應力實現的細化磁疇效果不同；低刻痕速度下表面層過度燒蝕和高刻痕速下表面層燒蝕不足，均會弱化殘余應力對磁疇的細化效果，進而造成鐵損降幅升高。因此，在其他工藝因素確定的情況下，應采用合理的刻痕速度控制刻線應力影響區域，以保證磁疇細化效果。

圖13為不同刻痕速度下的磁疇形貌。結果表明，圖13（a）所示200 mm/s刻痕速度下的磁疇分布均勻且疇寬較大（0.63 mm）；圖13（b）所示500 mm/s刻痕速度下，對應磁疇細化效果最佳，其磁疇分布均勻且疇寬較小（0.33 mm）；圖13（c）所示800 mm/s刻痕速度下，對應磁疇分布則相對散亂，疇寬約為0.50 mm。

其原因在于刻痕功率和頻率相同條件下，高速刻痕形成的淺輕刻線導致的應力區縮小或低速刻痕形成的刻線過深導致的應力區重疊，均不利于磁疇細化。

圖14（a）所示200 mm/s刻痕速度下，刻線寬度約為75 μm， 其內部蝕坑密度及尺寸相對較大。圖14（b）所示500 mm/s刻痕速度下，刻線寬度約為60 μm， 內部蝕坑密度和尺寸減小。圖14（c）所示800 mm/s刻痕速度下，刻線寬度約為50 μm， 內部蝕點尺寸不均且數量減少，說明其激光作用時間過短，導致鋼板表面層燒蝕不完全，未能形成有效刻線。

3 結 論

1）基于取向硅鋼鐵損模型，計算0.27 mm規格取向硅鋼實驗鋼的最佳理論疇寬和刻痕間距分別為0.173 mm和5 mm， 與實驗結果相吻合；

2）確定優化激光刻痕工藝參數為：刻痕功率30 %，刻痕頻率50 kHz， 刻痕速度500 mm/s， 刻痕間距5 mm， 相應鐵損降幅達9.47 %；

3）在激光刻痕參數交互作用下，鐵損降幅呈非線性變化，并且隨著刻痕間距、刻痕功率、刻痕頻率和刻痕速度的升高，鐵損降幅均呈現先增大后降低的變化規律；

4）不同刻痕工藝形成的刻線形貌及磁疇結構存在差異性，其中低刻痕功率、高刻痕頻率和刻痕速度下的刻線呈現淺輕形貌，磁疇呈不均勻、散亂分布，疇寬增加。

本文摘自《電工鋼》2023年第3期