激光刻痕工藝對取向硅鋼鐵損降幅影響規(guī)律研究

王曉達(dá)　游清雷　蔣奇武　賈志偉　張海利

關(guān)鍵詞：中厚板；母板橫移臺架；故障率；改進(jìn)措施

0 引言

取向硅鋼是電力、電子工業(yè)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(shù)和質(zhì)量對能耗產(chǎn)生直接影響。近年來，大量學(xué)者開展了通過細(xì)化磁疇的方法降低鐵損的研究工作，并衍生出機(jī)械刻痕法、激光刻痕法、應(yīng)力涂層法等細(xì)化磁疇方法。取向硅鋼激光刻痕技術(shù)克服了機(jī)械刻痕法效率低、應(yīng)力涂層法磁疇細(xì)化效果不佳等缺點(diǎn)，以降低鐵損效果明顯、加工速度快和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛應(yīng)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(shù)對鐵損降幅具有較大影響，需結(jié)合刻痕工藝參數(shù)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(guī)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(shù)下磁疇細(xì)化及鐵損降幅的變化規(guī)律，從而為激光刻痕工藝設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

選取0.27 mm規(guī)格高磁感取向硅鋼30 mm×300 mm去應(yīng)力退火（840 ℃×24 h）樣品，原始二次再結(jié)晶組織（晶粒尺寸15 mm）如圖1所示。利用DPL-500半導(dǎo)體激光刻痕機(jī)進(jìn)行表1所示方案（各工藝選取2片樣品）的刻痕實(shí)驗(yàn)。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(fā)射掃描電鏡和BM-DV 90型磁疇檢測設(shè)備，分別觀測刻痕效果、磁疇形貌，研究不同工藝下的磁疇細(xì)化和鐵損變化情況。

2 試驗(yàn)結(jié)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(yīng)力區(qū)域，不會貫穿整個取向硅鋼厚度方向；刻痕間距過小導(dǎo)致應(yīng)力區(qū)重合并相互影響，或間距過大導(dǎo)致應(yīng)力區(qū)縮小，均不利于磁疇細(xì)化和鐵損降低。

對圖4所示的不同刻痕間距下的磁疇結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)：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(yīng)的磁疇分布不均且部分區(qū)域相對散亂；而圖4（b）所示的刻痕間距5 mm對應(yīng)的磁疇分布均勻，相應(yīng)鐵損降幅最高，這與前述理論計算結(jié)果基本吻合。

圖5為2#刻痕工藝下刻線形貌及能譜檢測結(jié)果。結(jié)果表明，其刻線寬度約為60 μm且呈連續(xù)規(guī)則分布，蝕點(diǎn)應(yīng)力區(qū)域重疊效應(yīng)產(chǎn)生的弱化效應(yīng)較低。同時，刻線內(nèi)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(chǎn)生的較大殘余熱應(yīng)力有利于細(xì)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(fā)現(xiàn)：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(yīng)力區(qū)影響較小，相應(yīng)鐵損平均降幅較低（7.89 %）。刻痕功率達(dá)30 %時，激光作用能量升高，使鋼板表面層燒損程度加劇，相應(yīng)刻線位置產(chǎn)生的殘余應(yīng)力產(chǎn)生較強(qiáng)影響，使得平均鐵損降幅達(dá)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(yīng)細(xì)化效果較差。圖7（b）所示30 %刻痕功率對應(yīng)的磁疇分布均勻，細(xì)化效果明顯，其疇寬為0.33 mm， 相應(yīng)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(yīng)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(xù)分布、寬度約為60 μm的刻線，其內(nèi)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(nèi)部孔洞數(shù)量相對增多。可見，激光刻痕功率升高，使光斑作用區(qū)域溫度升高，刻線寬度隨之增加，從而促進(jìn)磁疇細(xì)化。當(dāng)刻痕功率達(dá)到一定程度后，鋼板表面層損傷程度加劇，會因破壞鋼板內(nèi)部應(yīng)力層，抵消磁疇細(xì)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(diǎn)變小的同時，蝕點(diǎn)間距縮小，使刻線影響區(qū)逐漸增大，相應(yīng)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(xù)提高至60 kHz， 造成蝕點(diǎn)繼續(xù)變小，同時蝕點(diǎn)間距過小導(dǎo)致的刻線影響區(qū)域發(fā)生重疊，反而不利于磁疇細(xì)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(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，刻痕頻率升高，導(dǎo)致磁疇細(xì)化效果惡化，相應(yīng)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(fā)生完全燒損，形成較深刻線；但35 kHz刻痕條件在形成蝕點(diǎn)間距較大的同時，會減小殘余應(yīng)力影響區(qū)域，相應(yīng)磁疇細(xì)化效果并不理想。反之，60 kHz高頻刻痕條件下，則會因蝕點(diǎn)間距過小，導(dǎo)致殘余應(yīng)力影響區(qū)域重疊和刻線深度不足，而弱化磁疇細(xì)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(xù)刻線，并且較高的激光能量作用使刻線內(nèi)部形成了大量蝕點(diǎn)。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(nèi)部蝕點(diǎn)密度及尺寸較35 kHz均有所降低。刻痕頻率達(dá)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(nèi)部蝕點(diǎn)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(dǎo)致鋼板表面層燒損，未能完全貫穿應(yīng)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(chǎn)生的熱應(yīng)力實(shí)現(xiàn)的細(xì)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(yīng)力對磁疇的細(xì)化效果，進(jìn)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(yīng)采用合理的刻痕速度控制刻線應(yīng)力影響區(qū)域，以保證磁疇細(xì)化效果。

圖13為不同刻痕速度下的磁疇形貌。結(jié)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(yīng)磁疇細(xì)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(yīng)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(dǎo)致的應(yīng)力區(qū)縮小或低速刻痕形成的刻線過深導(dǎo)致的應(yīng)力區(qū)重疊，均不利于磁疇細(xì)化。

圖14（a）所示200 mm/s刻痕速度下，刻線寬度約為75 μm， 其內(nèi)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(nèi)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(nèi)部蝕點(diǎn)尺寸不均且數(shù)量減少，說明其激光作用時間過短，導(dǎo)致鋼板表面層燒蝕不完全，未能形成有效刻線。

3 結(jié) 論

1）基于取向硅鋼鐵損模型，計算0.27 mm規(guī)格取向硅鋼實(shí)驗(yàn)鋼的最佳理論疇寬和刻痕間距分別為0.173 mm和5 mm， 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合；

2）確定優(yōu)化激光刻痕工藝參數(shù)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(yīng)鐵損降幅達(dá)9.47 %；

3）在激光刻痕參數(shù)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(xiàn)先增大后降低的變化規(guī)律；

4）不同刻痕工藝形成的刻線形貌及磁疇結(jié)構(gòu)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(xiàn)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