激光刻痕對取向硅鋼鐵損和磁疇的影響規(guī)律研究*

楊富堯，古凌云，馬　光，陳　新，任　宇，薛志勇

(1.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100083； 2.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院電工新材料研究所，北京 100052；

3. 華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，北京 102206)

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激光刻痕對取向硅鋼鐵損和磁疇的影響規(guī)律研究*

楊富堯1，2，古凌云3，馬光2，陳新2，任宇3，薛志勇3

(1.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100083； 2.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院電工新材料研究所，北京 100052；

3. 華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，北京 102206)

摘要：激光刻痕是一種降低取向硅鋼片鐵損的有效方法。選取激光功率、掃描速度、激光頻率、刻痕間距作為工藝變量，對取向硅鋼片進行刻痕實驗，并利用磁性能測試系統(tǒng)和磁疇觀測儀研究了不同工藝參數(shù)對激光刻痕后取向硅鋼鐵損和磁疇的改善效果。結(jié)果表明，取向硅鋼片的平均鐵損降低率隨激光功率和刻痕間距增大而先增大后減小，隨激光頻率和掃描速度增大而減小。經(jīng)不同工藝參數(shù)刻痕后，硅鋼片的磁疇寬度均有所減小，且磁疇寬度的變化規(guī)律與鐵損降低率的變化規(guī)律相吻合。優(yōu)化了取向硅鋼片的激光刻痕工藝參數(shù)，利用此工藝刻痕后，取向硅鋼片的平均鐵損降低率達8%。

關(guān)鍵詞：取向硅鋼；激光刻痕；鐵損；細化磁疇

0引言

取向硅鋼是電力行業(yè)不可或缺的重要軟磁合金，亦是產(chǎn)量最大的金屬功能材料。取向硅鋼主要作為制造各種變壓器、發(fā)電機等的鐵芯材料，將其低鐵損化對節(jié)約能耗極其重要[1-3]。

硅鋼鐵損主要由磁滯損耗、渦流損耗、反常損耗3部分組成[1]。隨著冶金工藝和設(shè)備的日益完善，利用冶金方法降低硅鋼鐵損值的效果越發(fā)不明顯。以細化磁疇為目的的表面處理技術(shù)是降低硅鋼鐵損的另一有效方法，在硅鋼表面進行機械刻痕或激光刻痕，可使硅鋼片中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力或熱效應(yīng)，從而改善其內(nèi)部磁疇結(jié)構(gòu)，達到細化磁疇并降低硅鋼鐵損的目的[4-7]。

激光刻痕法因其具有能量穩(wěn)定、加工速度快、效率高等優(yōu)點，目前作為主要細化磁疇技術(shù)在國內(nèi)外低損耗取向硅鋼研發(fā)及生產(chǎn)中已得到長足發(fā)展和廣泛應(yīng)用。迄今，人們已初步針對激光刻痕技術(shù)中所涉及的刻痕速度、刻痕間距、刻痕方向、激光頻率、刻痕速率以及激光種類等進行了大量研究，但幾乎均局限于對比刻痕工藝參數(shù)與鐵損降低效果之間的關(guān)系分析[8-12]，缺乏從微觀磁疇角度觀察并深入探討工藝參數(shù)對磁疇細化效果如磁疇寬度影響的理論研究。事實上，激光刻痕技術(shù)關(guān)鍵在于在硅鋼表面形成合適尺寸、有效的應(yīng)力-應(yīng)變區(qū)，通過影響磁疇寬度，使硅鋼鐵損性能得到優(yōu)化[13-14]。刻痕間距、刻痕深度與磁疇寬度的對應(yīng)關(guān)系可間接反映激光刻痕處理后形成的應(yīng)力-應(yīng)變區(qū)是否合理，因此，研究不同刻痕工藝下，刻痕形貌與磁疇寬度、鐵損降低效果的對應(yīng)關(guān)系，對優(yōu)化激光工藝參數(shù)具有重要意義。本文采用激光刻痕法進行了高磁感取向硅鋼磁疇細化研究，深入分析了激光刻痕工藝參數(shù)對高磁感取向硅鋼鐵損值、刻痕形貌及磁疇的影響規(guī)律，對開發(fā)新型低損耗取向硅鋼有一定參考價值。

1實驗材料及方法

實驗使用的高磁感取向硅鋼的規(guī)格為0.30 mm×30 mm×300 mm。進行激光刻痕前將取向硅鋼片在800 ℃、真空還原氣氛中進行2 h退火處理。激光刻痕實驗在以355 nm半導(dǎo)體端面泵浦激光設(shè)備為基礎(chǔ)自行研制的激光刻痕設(shè)備上進行。使用磁導(dǎo)計測量刻痕后試樣的鐵損值。為了更加直觀地說明激光刻痕方法對硅鋼片磁疇的細化效果，使用德國Brockhaus公司生產(chǎn)的Domain Viewer DV90型磁疇觀測儀對刻痕前后硅鋼片的磁疇結(jié)構(gòu)進行觀測。同時，使用Olympus公司生產(chǎn)的OLS4100型3D激光測量顯微鏡觀測取向硅鋼片表面上激光刻痕區(qū)域的形貌。

影響刻痕效果最主要的參數(shù)有激光功率、掃描速度、激光頻率、刻痕間距、激光點徑、脈沖能量等[15-16]，本文根據(jù)所使用激光器的具體情況，選擇激光功率、激光頻率、掃描速度、刻痕間距4個參量作為考察對象，研究硅鋼片鐵損、磁疇結(jié)構(gòu)及形貌隨刻痕工藝參數(shù)的變化規(guī)律。實驗具體工藝參數(shù)列于表1中。每個工藝下分別進行5次刻痕實驗，取5次實驗結(jié)果的平均值作為該工藝下硅鋼片的鐵損值。

表1實驗工藝參數(shù)

Table 1 Experimental scheme of laserscribing on the surface of silicon steel sheets

實驗組激光功率/W激光頻率/kHz刻痕間距/mm掃描速度/mm·s-1133055002430550035305500463055005430510064305200743053008430540094305500104305500114405500124605500134805500144303500154304500164305500174306500

2結(jié)果與討論

2.1刻痕工藝參數(shù)對鐵損的影響

2.1.1激光功率

目前，該研究領(lǐng)域國內(nèi)外采用的激光設(shè)備通常為連續(xù)CO2激光器或Nd-Yag激光器，功率一般在50 W以上，最高甚至高達500 W[13]，能耗嚴重，且功率越大，越易破壞硅鋼表面的絕緣涂層，對材料絕緣性能構(gòu)成不利影響，不適合工業(yè)化應(yīng)用。本文采用半導(dǎo)體端面泵浦激光設(shè)備功率在3～6 W，在達到相同鐵損降低效果的同時更加節(jié)能。圖1所示為硅鋼片平均鐵損降低率隨激光功率的變化規(guī)律(激光頻率為30 kHz，掃描速度為500 mm/s，刻痕間距為5 mm)。

圖1　刻痕功率對取向硅鋼鐵損的影響

Fig 1 The average core loss reduction rate as a function of laser power

從圖1可以看出，隨著激光功率增大，鐵損降低率先增大后減小。分析其原因，當(dāng)激光功率較低時，刻痕對硅鋼磁疇的細化作用較小，鐵損降低幅度比較小。隨著功率的增大，刻痕對硅鋼磁疇的細化作用逐漸增大，鐵損降低幅度亦隨之增加。然而，進一步增大激光功率時，由于激光束在硅鋼局部區(qū)域產(chǎn)生過大應(yīng)力和熱影響，使得晶粒中的位錯密度增大，磁滯損耗增大，抵消了一部分因刻痕效應(yīng)降低的鐵損值[9]。

2.1.2刻痕間距

不同的激光源、功率等將對應(yīng)不同的最佳刻痕間距。Huang Yu[16]采用Nd-Yag激光進行刻痕實驗，發(fā)現(xiàn)刻痕間距為3 mm時獲得較大的鐵損降低幅度；S.V.Ponnaluri等[17]則認為準(zhǔn)分子激光的較優(yōu)刻痕間距應(yīng)設(shè)定為4 mm；Krause、李海蛟等[8,12]采用CO2激光，認為最優(yōu)刻痕間距應(yīng)為6 mm。因此，本文選取3～6 mm作為激光刻痕間距參數(shù)變量進行研究。圖2所示為硅鋼片平均鐵損降低率隨刻痕間距的變化規(guī)律(激光功率為4 W，激光頻率為30 kHz，掃描速度為500 mm/s)。隨著刻痕間距的增大，硅鋼的平均鐵損降低率先增大后減小，呈現(xiàn)出類似拋物線的變化趨勢，最優(yōu)刻痕間距為5 mm。其原因可能是刻痕間距較小時，激光刻痕影響區(qū)域會有部分重疊，重復(fù)作用部位內(nèi)應(yīng)力過大，產(chǎn)生位錯較多，影響晶粒取向度，故硅鋼的鐵損降低效果不明顯；隨著刻痕間距的增大，刻痕影響區(qū)域重疊部分減小，硅鋼的鐵損降低率逐漸增大；但當(dāng)刻痕間距過大時，刻痕影響區(qū)域不能完全覆蓋硅鋼表面，導(dǎo)致材料的整體鐵損降低幅度變小[14,18]。

圖2　刻痕間距對取向硅鋼鐵損的影響

Fig 2 The average core loss reduction rate as a function of scribing spacing

2.1.3掃描速度

掃描速率可對硅鋼表面產(chǎn)生的應(yīng)力及位錯構(gòu)成直接影響，是激光刻痕技術(shù)重要工藝參數(shù)之一。圖3為硅鋼片平均鐵損降低率隨掃描速度的變化規(guī)律(激光頻率為30 kHz，激光功率為4 W，刻痕間距為5 mm)。

圖3　激光掃描速度對取向硅鋼鐵損的影響

Fig 3 The average core loss reduction rate as a function of scanning speed

由圖3可知，隨激光掃描速度的增大，刻痕后取向硅鋼的平均鐵損降低率呈現(xiàn)出下降趨勢，即刻痕速度越快，鐵損降低效果越小。Krause[8]認為，采用CO2連續(xù)激光器的最佳激光掃描速度在200 mm/s以下，李海蛟等[12]采用同樣的刻痕間距，發(fā)現(xiàn)在50 W激光功率下，800 m/s的激光速度較200 mm/s的鐵損降低效果更大。由于本文采用的激光功率較小，瞬間在硅鋼表面造成的應(yīng)力-應(yīng)變區(qū)較高功率激光器更小[8,12]，因此，隨著掃描速度增加，激光在硅鋼表面的作用時間變短，相比大功率激光在硅鋼表面產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力及熱效應(yīng)將更小[19]，導(dǎo)致磁疇得不到充分細化，鐵損降低效果變差，故該功率工藝下，掃描速率應(yīng)不大于100 mm/s。

2.1.4激光頻率

圖4所示為硅鋼片平均鐵損降低率隨激光頻率的變化規(guī)律(激光功率為4 W，刻痕間距5 mm，掃描速度500 mm/s)?？梢钥闯觯S激光頻率升高，刻痕后取向硅鋼的平均鐵損降低率大致呈線性下降趨勢，即激光頻率越高，鐵損降低效果越差。文獻[12]指出激光頻率越大，會使刻痕點距逐漸減小，刻痕影響區(qū)變大，鐵損降低效果會更好，這與本文實驗結(jié)論不同。其原因可能在于本文實驗激光功率小，隨著頻率的增大，單次脈沖能量會進一步降低，刻痕時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力與熱效應(yīng)變小，導(dǎo)致磁疇細化作用減弱，使得硅鋼鐵損降低幅度變小。

圖4頻率變化對取向硅鋼鐵損的影響

Fig 4 The average core loss reduction rate as a function of laser frequency

2.2工藝參數(shù)對刻痕深度的影響

刻痕深度主要取決于激光功率、掃描速度和激光頻率，在激光功率、掃描速度和激光頻率不變的情況下，刻痕間距對刻痕深度幾乎沒有影響。圖5所示為經(jīng)不同工藝參數(shù)刻痕后取向硅鋼片刻痕位置的典型微觀形貌。

圖5　不同工藝參數(shù)下取向硅鋼片刻痕位置的微觀形貌

圖5(a)和(b)為不同激光功率條件下刻痕的微觀形貌，對比(a)、(b)可知，激光功率越大，刻痕深度越大(由2.116 μm增加至2.583 μm)，這是由于隨著激光功率的增大，刻痕時沉積到硅鋼表面的能量也增大，導(dǎo)致刻痕深度增加。圖5(c)和(d)為不同激光掃描速度條件下刻痕的微觀形貌，可以看出，刻痕深度隨激光掃描速度增大而減小(由6.294 μm減小至3.655 μm)，即隨著掃描速度增大，激光作用在硅鋼表面的時間變短，刻痕作用變?nèi)酢D5(e)和(f)為不同激光頻率條件下刻痕的微觀形貌，可以看出，不同頻率條件下，頻率越高，刻痕深度越小(分別為2.986和2.768 μm)，這與前述分析的單次脈沖能量有關(guān)，即頻率越高，單次脈沖能量越低，刻痕深度將越小，尤其對于小功率激光而言，頻率因素影響會更加明顯。昝森巍等[20]通過理論計算分析獲悉增加刻痕深度，會使磁疇細化效果顯著增加。然而由2.1.1分析可知，刻痕深度過大，可能使晶粒結(jié)構(gòu)內(nèi)的位錯引起鐵損增加的效果與細化磁疇效果相抵消，降低鐵損降幅。因此，在合理范圍內(nèi)增大激光功率，減小掃描速度及頻率將有助于增強磁疇細化效果。

2.3磁疇結(jié)構(gòu)特征

鐵磁材料冷卻到居里溫度下時，其晶粒內(nèi)部會形成許多小區(qū)域。每個小區(qū)域中的原子磁矩會自發(fā)磁化，沿特定方向排列。這種自發(fā)磁化的小區(qū)域稱為磁疇。圖6所示為未刻痕取向硅鋼片(牌號B30P105)磁疇結(jié)構(gòu)的典型照片。經(jīng)統(tǒng)計，磁疇的平均寬度為0.699 mm。

圖7為經(jīng)不同工藝參數(shù)刻痕后取向硅鋼片磁疇結(jié)構(gòu)的典型照片。圖7(a)和(b)所示分別為功率為3和6 W條件下的典型磁疇結(jié)構(gòu)。經(jīng)統(tǒng)計，激光功率由3 W 增大至6 W時，磁疇寬度分別為0.545，0.273，0.409和0.425 mm，由此可知，激光功率為4 W的時候磁疇最細，磁疇細化程度較高。圖7(c)和(d)所示分別為掃描速度為100和500 mm/s條件下的典型磁疇結(jié)構(gòu)。掃描速度由100 mm/s增大至500 mm/s時，磁疇寬度分別為0.257，0.333，0.373，0.411和0.374 mm，即隨著掃描速度增大，磁疇寬度亦增大。

圖6未刻痕取向硅鋼片磁疇結(jié)構(gòu)

Fig 6 Typical magnetic domain structure of silicon steel before laser scribing

圖7　刻痕后取向硅鋼片的典型磁疇結(jié)構(gòu)

圖7(e)和(f)所示分別為頻率為40和60 kHz條件下的典型磁疇結(jié)構(gòu)。激光頻率由30 kHz增大至80 kHz時，磁疇寬度分別為0.369，0.445，0.484和0.403 mm，可以看出，頻率為30 kHz時取向硅鋼片磁疇細化程度最高。圖7(g)和(h)所示分別為刻痕間距為3和6 mm條件下的典型磁疇結(jié)構(gòu)。刻痕間距由3 mm增大至6 mm時，磁疇寬度分別為0.382，0.364，0.355和0.381 mm。對比同牌號未刻痕取向硅鋼的磁疇寬度，經(jīng)不同刻痕間距刻痕的硅鋼片磁疇均有細化，細化程度相差不大，當(dāng)刻痕間距為5 mm時磁疇寬度最小，鐵損降幅最大。

硅鋼的總鐵損值(PT)由3部分組成：磁滯損耗Ph、渦流損耗Pc、反常損耗Pa[1]。即

(1)

其中，硅鋼的磁滯損耗Ph可以用經(jīng)驗公式表示為[1]

(2)

式中，k和a為常數(shù)，f為頻率，Bm為最大磁感應(yīng)強度。

由Maxwell方程推導(dǎo)出來的硅鋼片經(jīng)典渦流損耗Pc可表達為[1]

(3)

式中，t為板厚，ρ為材料電阻率。

經(jīng)典公式是在假設(shè)材料為磁各向同性和正弦波形的磁通密度沿著板厚方向均勻分布的條件下推導(dǎo)出來的。這與材料實際磁化過程不相符，沒有考慮磁疇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，即忽略了反常損耗Pa。假設(shè)疇壁運動速度相等的情況下，根據(jù)疇壁阻尼運動消耗能量的關(guān)系，可以建立反映180°疇壁運動所引起損耗的特征模型[21]

(4)

式中，η為反常因子；2L為疇壁間距；t為板厚；Pa為反常渦流損耗。

根據(jù)式(3)和(4)，總渦流損耗Pe可以表達為

(5)

在確定的使用頻率(如f=50 Hz)條件下，特定硅鋼片的Bm值為定值，故磁滯損耗Ph可以看作常數(shù)，即硅鋼片的PT主要由Pe決定，而根據(jù)式(5)，Pe∝2L，所以PT∝2L，即磁疇寬度越小，硅鋼片鐵損越低。

從上述磁疇寬度統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，隨激光功率及刻痕間距的增大，磁疇寬度由寬變細，隨后又由細變寬，故硅鋼片的鐵損值先減小后增大，使得其鐵損降低率先增大后減小(如圖1和2所示)。隨著掃描速度和激光頻率的增大，磁疇寬度由細變寬，故硅鋼片的鐵損值增大，使得其鐵損降低率減小(如圖3和4所示)。

2.4刻痕工藝參數(shù)的優(yōu)化

通過上述單因子實驗，綜合所得實驗數(shù)據(jù)，在本文涉及的各參數(shù)取值范圍內(nèi)，優(yōu)選出了最佳刻痕工藝參數(shù)為：激光功率P=4 W，激光頻率f=30 kHz，激光掃描速度v=100 mm/s，激光刻痕間距d=5 mm。利用該優(yōu)化工藝參數(shù)進行了小批量(40片)的取向硅鋼激光刻痕實驗，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，經(jīng)優(yōu)化工藝參數(shù)刻痕后，40片硅鋼片的平均鐵損降低率達到了8%，最高鐵損降幅達12%，與前述試驗對比可知，該優(yōu)化刻痕工藝降損效果最為顯著。

圖8　鐵損降低率和初始鐵損之間的關(guān)系

Fig 8 The relationship between the core loss reduction rate and the initial core loss of silicon steel sheets

此外，從圖8可以看出，取向硅鋼片的初始鐵損值和鐵損降低率之間大致存在如下趨勢：初始鐵損值越高，鐵損降低率也越高。這是因為取向硅鋼的初始鐵損值越高，其內(nèi)部晶?？赡芨鼮榇执?，磁疇較寬，經(jīng)過激光刻痕處理，磁疇更容易細化，故其鐵損降低率也就越大。反之，初始鐵損值越低的取向硅鋼，其內(nèi)部磁疇已經(jīng)較為細小，通過刻痕使磁疇進一步細化的難度較高，故其鐵損降低率相對較低。

3結(jié)論

為研究刻痕對硅鋼片鐵損和磁疇的影響進行了激光刻痕實驗，考察了激光功率、激光頻率、掃描速度、刻痕間距等主要刻痕工藝參數(shù)對硅鋼片鐵損及磁疇的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)硅鋼的平均鐵損降低率隨激光功率和刻痕間距的增加而先增大后減小，隨激光頻率和掃描速度的增大而減小。

(2)改變激光功率、掃描速度及頻率均會對刻痕深度構(gòu)成影響，由于晶粒內(nèi)位錯增加會引起鐵損增加，硅鋼鐵損降幅會隨刻痕深度的增加先增大后減小。

(3)經(jīng)不同工藝參數(shù)刻痕后，硅鋼片的磁疇寬度均有所減小，使硅鋼片的渦流損耗減小，從而降低了硅鋼的鐵損值，且磁疇寬度的變化規(guī)律與鐵損降低率的變化規(guī)律相吻合。

(4)確定了一組優(yōu)化的激光刻痕工藝參數(shù)：功率P=4 W，頻率f=30 kHz，掃描速度v=100 mm/s，刻痕間距d=5 mm。利用該刻痕工藝，取向硅鋼片的平均鐵損降低率達到了8%，最大可達12%。

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Effect of laser scribing on core loss and magnetic domain of grain-oriented silicon steel

YANG Fuyao1,2，GU Lingyun3，MA Guang2， CHEN Xin2，REN Yu3，XUE Zhiyong3

(1. School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China；2. Department of Electrical Engineering New Materials, State Grid Smart Grid Research Institute,Beijing 102211, China；3. School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University, Beijing 102206,China)

Abstract:It is well known that laser magnetic domain refinement (LMDF) is an effective way to reduce the power losses of grain-oriented silicon steel. Although people have done a lot of research on LMDF, the relationship between laser parameters and core loss reduction as well as that between laser parameters and magnetic domain of grain-oriented silicon steel has not been studied in detail yet. The core loss and magnetic domain of grain-oriented silicon steel that refined by different laser parameters are investigated by soft magnetic testing system and domain viewer. The results show that the average core loss reduction rate of grain-oriented silicon steel reaches a maximum value and then decreases while increasing laser power and scribing spacing, and it decreases while increasing laser frequency and scanning speed. After laser scribing processing with different parameters, the width of magnetic domain of silicon steels all narrows down, and the eddy current losses of silicon steel sheet also decrease, leading to the reduction of the core loss of silicon steel sheet. The variation of magnetic domain width is changing consistently according to the change of core loss reduction rate. Furthermore, the optimized parameters of laser scribing were obtained, by which the average core loss of grain-oriented silicon steel can reduce 8%.

Key words:grain-oriented silicon steel; laser scribing; core loss; domain refinement

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.02.032

文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TB275

作者簡介：楊富堯(1986-)，男，黑龍江寶清人，工程師，在讀博士，主要從事電力材料研究。

基金項目：國家電網(wǎng)公司科技資助項目(SGRI-WD-71-13-002，SGRI-WD-71-14-002)

文章編號：1001-9731(2016)02-02160-06

收到初稿日期：2015-04-27 收到修改稿日期：2015-09-30 通訊作者：古凌云，E-mail: cloudgly@126.com