激光劃線在電工鋼表面的應用

北京星和眾工是國內最早開發生產建材彩塗板成套設備的企業之一，也是國內最大的建材彩塗板設備生產企業，一百條以上的高端彩塗板成套生產設備由本公司生產。產品包括鋼板彩塗設備、鋁板彩塗設備、鋁板氧化設備、板材鍍鋅設備等，具備金屬建材板成套生產設備的工程總承包能力和資質。其中「熱軋板彩塗成型連續生產設備」獲得科技部國家重點新產品證書，公司的這些產品有力的推動了金屬建材、複合建材在我國建築業的發展和應用。

——北京星和眾工設備技術有限公司

介紹了對取向硅鋼的磁疇進行細化以提高磁性能的激光劃線技術。此技術以工業化應用為背景，選用高功率連續波激光器。為滿足工業化應用需求，尤其是很高的鋼帶運行速度，開發了一種基於掃描振鏡技術的激光束傳導系統。

1 引言

取向硅鋼是一種軟磁材料，被用於配電網及變壓器等有低鐵損、高磁導率要求的應用。硅鋼的生產工藝複雜，以實現被稱為高斯織構的能夠在在單一方向提供優秀磁性能的晶粒組織的特殊排列。主要是因為節能需求的推動，在過去若干年裡取向硅鋼的生產工藝不斷進步。為了提高取向硅鋼的磁性能，硅鋼片被製造得越來越薄，並且採用晶粒排列及磁疇細化等技術改善高斯織構。

磁疇細化是一種能夠降低鐵損的附加處理技術，被應用於軋制工序之後。通過機械刻痕、等離子照射、火花燒蝕和激光劃線等手段，向取向硅鋼材料中導入機械應力或熱應力，以實現磁疇的細化。目前，由於非接觸式加工、靈活和高動態的光束移動、易於集成到現有流水生產線中等優點，激光劃線技術的應用最為普遍。

本文將介紹一種使用連續波激光在連續運行的取向硅鋼材料上劃線作業的激光劃線系統。另外，還將本著降低鐵損的目標，在工業化應用下，對不同類型的高功率連續波激光與硅鋼材料的作用機理進行討論。

2 方法和系統

連續波或脈衝波的激光源都可以被用於取向硅鋼的激光磁疇細化（英文縮寫：LMDR）。此應用的目標是為了降低鐵損，同時不破壞材料的絕緣層。當選用連續波激光時，激光的光斑將沿著與軋制方向垂直的方向以恆定的速度在鋼帶的表面上移動。激光能量將被取向硅鋼材料吸收，從而發生受區域與時間約束的熱處理工藝。在鋼帶上以相等的線間距進行激光劃線所產生的熱應力可以細化磁疇。

把這項技術轉化到生產是一個很大的挑戰，不但要適應現場的環境條件，還要滿足生產效率的要求。生產效率與鋼帶運行速度、鋼帶寬度和激光劃線的間距有關。為了滿足生產效率的要求，激光的光斑必須在鋼帶表面以非常快的速度移動。從原理上來說，採用特殊設計的多面稜鏡技術或者掃描振鏡技術可以實現這一目標。在很高的光斑移動速度下，為了提高激光在材料表面作用的時間，激光的光斑被整形為橢圓的形狀。橢圓的半短軸與軋制方向一致，半長軸與激光劃線的方向一致（參照圖1）。

lasertronic SAO x.x/6D 是一個專門為連續材料加工設計的激光束導向光學系統，採用振鏡掃描技術，可以實現高動態的激光束導向（參照圖 2）。系統包括 2 個光路，以實現較高的產能。每一個光路包括三個用於激光束轉向的振鏡，以及實現特定激光光斑形狀的光學器件。隨著兩個振鏡（x.1 或 x.2）的運動，激光束會在鋼帶表面划出等距離的線條，振鏡 x.0 則用來將激光束在振鏡 x.1 和振鏡 x.2 之間進行切換。每一次激光劃線的起始點都在鋼帶的同一個側邊。隨著振鏡x.1 和振鏡x.2 的交替工作，每一條激光劃線都能覆蓋鋼帶的全幅寬度。

作為 LMDR 系統控制中心，lasertronic SAO x.x/6D 能夠監控鋼帶的速度，並據此來控制振鏡的掃描速度並保證恆定的工藝條件。因此，可以不受鋼帶速度影響而獨立設定所有的工藝參數（例如劃線的間距、激光的功率和激光光斑的移動速度等）。系統控制的靈活性與振鏡掃描技術的靈活性相結合，允許用戶在鋼帶運行過程中在線調節工藝參數。根據不同的材料批次和用戶需求，鋼帶的寬度、激光光斑的移動速度、激光的功率等工藝參數都可以在線進行設置。以1500 mm 的鋼帶寬度為例，最大鋼帶運行速度、劃線間距和光斑移動速度之間的關係圖如圖 3。

圖 3 在 1500mm 的鋼帶寬度時，鋼帶速度、劃線間距、不同掃描速度和(a)2 台或(b)4 台激光器的性能圖

由圖 3 可見，為了提高生產效率，應當選擇最高可達 300 m/s 的光斑移動速度。另外，還可以通過增加激光源的數量來提高鋼帶運行速度和生產效率。採用這一方法，可以通過把激光源的數量加倍而實現最大鋼帶運行速度的加倍。

根據用戶的需求，以 lasertronic SAO x.x/6D 為控制中心的 LMDR 可以選配二氧化碳激光器或者光纖激光器。在不考慮磁疇細化工藝的情況下，兩種不同激光源的定性對比如表1。

3 處理結果

激光劃線處理的目標是最大程度地降低鐵損，同時取向硅鋼材料的絕緣層不會技術性地被破壞。高功率連續波的二氧化碳激光與光纖激光的對比圖，顯示了兩種激光都可以實現超過10 %的鐵損改善，這取決於所選用的加工參數和原材料本身的性能。兩種激光最大的區別，在於因其波長不相同而被材料絕緣層吸收的特性不相同。大部分的二氧化碳激光輻射都會被材料塗層吸收，而光纖激光輻射卻幾乎全部會透過材料塗層。對有塗層和無塗層取向硅鋼材料樣品的全部反射激光的光譜測量（圖4），以及使用不同激光源所做的測試都可支持這一論斷。塗層對光纖激光輻射的這種吸收特性，使得在獲得充分鐵損改善的前提下，能夠採用光纖激光在材料表面實現目視不可見的激光劃痕。在特定場合下，光纖激光為激光劃線處理提供了一種無塗層破壞的新工藝選擇。

4 結論

激光劃線是一種能夠在軋制工序後提高取向硅鋼磁性能的常見成功技術。在工業應用中，需要有專業的光學系統設計，以實現高速度的激光材料加工，並且滿足鋼鐵廠的生產環境以及7 天 24 小時的連續生產。lasertronic SAO x.x/6D 激光束導向系統，採用高動態的掃描振鏡技術，可以實現 300 m/s 的激光光斑移動速度。系統控制的靈活性與振鏡掃描技術的靈活性相結合，允許用戶在鋼帶運行過程中在線對各工藝參數獨立進行調節，以適應不同批次的加工材料。用戶可以根據自身需求選擇不同的激光源。與二氧化碳激光相比，光纖激光能夠在材料表面塗層幾乎無損傷的情況下實現合適的鐵損降低結果。根據用戶需求，有二氧化碳激光和光纖激光兩種不同的激光技術可供選用。

來源：《第十一屆中國鋼鐵年會論文集》 Rauscher P.等

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