CN103260812A - 通过适配激光束功率、焦点直径和进给的激光束切割电工钢带材的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用电工钢带材制的工件借助激光束的激光切割方法，其中，激光束在面朝激光束的工件表面上沿轮廓线移动，并与此同时产生切割缝隙，本方法规定，激光束功率、激光束焦点直径和进给选择为，在激光束作用区内造成蒸发的电工钢带材压力膨胀，从而从切割缝隙抛出至少60％被激光束熔化的电工钢带材。本发明还涉及一种用电工钢带材制的电工钢片工件，其中，用电工钢带材制的工件借助按照权利要求之一所述的方法至少部分切割。

Description

通过适配激光束功率、焦点直径和进给的激光束切割电工钢带材的方法

本发明涉及分别按照独立权利要求所述特征的一种激光切割电工钢带材的方法以及一种电工钢片磁性构件。

一种基于其典型的磁性特别重要的钢材是电工钢片或硅钢片，它作为软磁性材料可以在外部磁场内特别简单地磁化和消磁，以及使用在发电、输电和配电的电磁系统中和使用在利用电能的电动机中。在多阶段制造过程中，电工钢片通常尤其用刀具进行冲裁和切割加工，以及分层、堆叠并固定成电磁构件。在这里，磁性，例如比反复磁化损耗，以及磁导率，并因此还有构件的能效，决定性地受加工，尤其受电工钢片切割和冲裁的影响。

原则上对于电工钢片区别非晶粒定向与晶粒定向，例如在ISSN175-2006Stahl-Informations-Zentrum的说明书(Merkblatt)401中详细说明的那样。非晶粒定向的电工钢片有粒度在20μm与200μm之间的多晶组织，在理想的情况下晶粒没有优先方向各向同性地排列在表面((100))平面内，当然，在实际的非晶粒定向的电工钢片中存在小量各向异性的晶粒定向，通常例如在纵向与横向之间有最大20％的损耗差。非晶粒定向的电工钢片经常在热轧带材酸洗以及为了调整为期望的例如在0.20mm与1.00mm之间的最终厚度冷轧后最终退火，此时形成有期望磁性的材料组织。

晶粒定向的电工钢片制成一种晶粒统一定向的材料，它们在磁场内造成严格的各向异性状态。通常试图达到一种晶质结构，其中立方体棱沿轧制方向定向以及表面对角线横向于轧制方向定向。晶粒定向的电工钢片中晶粒的尺寸通常为多个毫米至厘米。为了降低反复磁化损耗，对于晶粒定向的电工钢片类型，已知例如借助激光处理实施所谓Domain精制。

不仅对于非晶粒定向最终退火的电工钢片而且对于晶粒定向的电工钢片，在由电工钢片通过分离技术制造构件，尤其定子或转子构件，例如薄片时，应当注意，由于通过分离技术在被分离材料的边缘区内形成的材料变化，尤其塑性变形，以不希望的方式影响磁性。采用机械分离技术时，尤其要考虑到在切割区内材料变形以及使用于分离的刀具磨损，而在采用激光技术的情况下，应考虑热量流入区对材料磁性的负面作用，尤其与高的铁损以及有所谓剩磁降低的磁滞回线倾翻相关联。在这方面起重要作用的尤其是通过分离技术诱发的组织改变，如在分离的，例如切割或冲裁的材料内，缺陷密度增大。

已知金属工件的激光切割技术。例如由DE102004039916A1已知一种在金属工件内制造窄槽的方法，按此方法高能射束贯入工件内并在那里造成熔体，它在外部粘附力的支持下从槽抛出。在这里作为粘附力使用作用在熔体上的劳伦兹力。在这方面带来问题的根源在于，随着由高能射束制成的槽的尺寸越来越小，从制成的槽除去熔体已经可能带来困难。此时在比较有利的情况下影响所述方法的加工速度，然而在不利的情况下甚至降低质量。为了解决所述疑难问题，例如由GB1088510还已知，采取下述措施支持从制成的槽抛出熔体，亦即在工件下方设置一种容易蒸发的物质。若高能射束贯穿工件并命中所述物质，则该物质蒸发。于是由此产生的蒸汽压力从槽向上抛出熔体。

此外在EP1614499A1中已经建议，在蒸发技术中使用脉冲式激光，它有大于108W/cm²很高的激光强度，用于切割硅晶片，其中，要切割的半导体材料直接蒸发。作为替代方法，激光切割设想用较低的激光强度和较长的脉冲持续时间，此时熔化的材料借助高压喷气从切割缝隙吹出。此外在EP1614499A1中还建议了一种激光切割法，其中激光束有这样的强度和脉冲持续时间，亦即使熔化的半导体材料至少一部分蒸发，并在熔体上施加力，由此从切割缝隙去除熔体。

本发明的目的是，改进电工钢带材的激光切割方法，使得可以避免或减少例如在冲裁时产生的导致铁损的材料变化。

此目的通过独立权利要求所述特征达到。

按本发明借助激光束激光切割电工钢带材的方法，激光束在电工钢带材面朝激光束的表面上沿轮廓线移动，并与此同时造成切割缝隙，其中规定，激光束功率、激光束焦点直径和进给选择为，在激光束作用区内造成蒸发材料的压力膨胀，从而从切割缝隙抛出至少60％被激光束熔化的材料。

在按本发明选择激光束功率、激光束焦点直径和进给，使从切割缝隙抛出至少60％被激光束熔化的材料时，令人惊奇地减少或有利地影响电工钢带材切口边缘的组织改变，从而与熔化切割电工钢带材相比降低反复磁化损耗，在熔化切割电工钢带材时抛出切割气的熔体。发明人的电子显微术测试得知，在激光束高的进给速度时在切割缝隙的切割面上可形成非晶形结构。与传统的激光切割法相比，采用按本发明的方法铁损的减少量可达到20％与30％之间。

此外，本发明使得有可能快速加工重量百分比大于4％的Al/Si高含量的电工钢片，传统的机械分离技术不能使用于这种电工钢片，因为这种高合金的电工钢片由于形成有序相，所以高脆性和几乎不允许机械加工。所述方法还可以通过使用比工件材料能更容易蒸发的固体或流体辅助材料的辅助层进一步设计为，将辅助层设置在面朝激光束的部分表面上，在所述的部分表面中造成切割缝隙并将激光束功率、激光束焦点直径和切割进给选择为，在激光束的作用区内，在蒸发阶段中造成辅助材料压力膨胀，从而从切割缝隙抛出优选地至少60％熔体。作为辅助材料可以采用锌料或铝硅化合物。

方法的一种实施形式其特征在于，借助沿轮廓线至少移动两次，形成一个由熔化的电工钢带材组成的层，它在切割缝隙的至少其中一个切割面的至少60％区域内有厚度至少在1μm与20μm之间，以及有至少15％非晶形结构的体积份额。在沿轮廓线至少移动两次时实现金属熔体的层状沉积，金属熔体基于快速冷却，在切割缝隙的至少一个切割面上凝固为有非晶形结构的层。在这方面业已证明，若至少切割缝隙的切割面之一至少60％施加有起先熔化的电工钢带材组成的层，其中非晶形结构的体积份额为至少15％，则显著减少铁损。所述体积份额优选地也可以至少为20％、30％、40％、50％、60％、70％或80％。

例如，在沿轮廓线移动一次时可实现在切割缝隙内材料去除在20μm与80μm之间。

本发明另一种实施形式其特征在于，借助激光切割进行电工钢带材的切除，目的是沿轮廓线的至少部分长度完全分离电工钢带材，从而可以低铁损地制成彼此完全分离的分段电工钢片构件。例如可以切割成电变压器铁芯。

本发明一种恰当的实施形式其特征在于，电工钢带材的至少部分区在切割缝隙产生前经受用机械刀具的成形，从而按本发明的激光切割可以在功能上最佳地集成在工件整个加工过程中，其中例如可实现在激光切割前将电工钢片分成宽带、开槽带或护板。

本发明另一种实施形式其特征在于，使用一种最终退火的非晶粒定向电工钢带材，其中尤其可以基本上保持电工钢片在最终退火后达到的板材组织。

本发明另一种实施形式其特征在于，使用一种最终退火的晶粒定向电工钢带材，其中尤其可以保持电工钢片在激光切割前退火处理后达到的晶粒定向。

本发明另一种实施形式其特征在于，射束功率调整为大于1500瓦，优选地在2000W与30000W之间，焦点直径调整为在100μm与600μm之间，以及激光束的进给速度调整为大于500m/min，优选地在800m/min与1500m/min之间，由此可达到熔体完全抛出的激光切割。可以使用脉冲或连续工作的激光束。

本发明另一种实施形式其特征在于，焦点直径与电工钢带材厚度之比调整为在2与10之间，由此保证蒸发的电工材料以这种方式压力膨胀，亦即能从切割缝隙抛出大份额熔化的电工钢带材。不言而喻的是，从很小的焦点直径起，蒸发的表面层不再能膨胀或扩展到切割缝隙内，这是因为，形成切割缝隙宽度与薄片厚度不利的比例关系。在激光焦点直径为500μm以及薄片厚度为1000μm时得到的焦点直径与薄片厚度之比为2，而在激光焦点直径为100μm以及薄片厚度相同时得到的焦点直径与薄片厚度之比为10。实施按本发明的方法优选地采用焦点直径/电工钢带材厚度之比不大于5。

此外所述目的通过一种电工钢片构件-工件或导磁场的构件达到，其特征在于，用电工钢片制的工件或构件借助按照上述权利要求之一所述的激光切制方法至少部分切割。这种工件或构件有利地有低的铁损。

按本发明另一项设计规定，所述构件设计为电动机或发电机的转子或定子薄片。优选地，所述薄片可以使用于转动频率为200Hz至1000Hz的电机。此外，磁性构件可以设计为变压器铁芯元件。

电工钢片可例如用铁合金制成。

由下面必要时参见附图详细说明至少一种实施例的说明中，得出其他优点、特征和详情。说明和/或图示的特征，它们本身或任意合理的组合，均构成本发明的技术主题，如果必要也可以独立于权利要求，以及尤其附加地还可以是一项或多项独立发明的技术主题。相同、类似和/或功能相同的部分采用同样的附图标记。

其中：

图1表示在激光切割时工件边缘表面的原理图；

图2示意表示作为蒸发材料或作为熔体存在的电工钢带材随激光切割时激光束进给速度的相对量关系；

图3表示在1T与1000Hz时不同切割方法电工钢片磁滞测量曲线；以及

图4表示不同切割方法电工钢片随频率的损耗功率测量曲线。

图1表示用电工钢带材制的工件借助激光束3激光切割的原理图。用3a标示的箭头应表示激光束3的强度。

激光切割借助未详细表示的产生激光束的装置、操作装置和控制器进行，它们设计用于实施下面将更详细说明的方法。产生激光束的装置优选地涉及二极管抽运的单模光纤激光(Single-Mode-Faser-laser)，它例如有10kW激光功率以及可以用高的进给速度移动。在这里激光束的波长可例如约为λ=1070nm或1030nm。优选地，激光束强度围绕中心区高斯状分布。当然也可以有利地使用多模(Multi-Mode)激光源，它在移动的同时例如有30kW激光功率。操作装置可以包括扫描器和适用的高动力学驱动器。

在按本发明的方法中，激光束3在工件1的部分表面1a内造成缝隙4。电工钢带材的蒸发等温线5在空间上相对于工件1的熔体边界6错开表示。当激光切割时，蒸发材料的等压线7膨胀或扩展到缝隙4内，其中可看到所述等压线的一个分量8，它相应于沿与激光束3入射方向相反的方向的压力膨胀。在激光束速度足够的情况下，在熔体前面的熔化材料向下推进，如箭头1c所示。在这里，熔化的材料向缝隙4下面推进，在那里转向并向上以及基本上逆激光束的进给方向3c向后抛出。当超出激光束进给的极限速度时，液柱1d向上从缝隙4抛出。

图2表示激光切割时熔化的与蒸发的材料量之间的与过程相关的关系，其中表示激光切割的工件熔化的材料量随标绘在横坐标上的激光束进给速度的关系曲线10，以及激光切割的工件蒸发的材料量随标绘在横坐标上的激光束进给速度的关系曲线12。可以看出，随着速度的增大，熔化的材料份额10下降，而与此同时蒸发的材料份额12上升。在速度足够高时，处于激光束作用区内的材料其主要的份额以蒸发态存在。

按本发明的方法允许降低用电工钢带材制的工件的铁损，如在下面的电工钢片磁性构件中磁滞损耗的例子中可看到的那样。

图3表示用

公司的非晶粒定向电工钢带材NO20制造的变压器构件在感应电压的频率为1000Hz时磁滞的变化曲线。变压器构件涉及外径4cm、内径3cm和厚度0.2mm的薄片状变压器环形铁芯，它们彼此迭层，成为堆叠高度为5mm的叠片铁芯。所述环形铁芯分别卷绕有60圈的感应线圈和180圈的磁场励磁线圈。图3中横坐标表示外磁场H按单位A/m的值，以及纵坐标表示磁极化J按单位特斯拉的值。曲线20表示用锋利的未磨损刀具冲裁的薄片的磁滞，而曲线22和24表示用传统的CO2激光和低速切割的薄片的磁滞。曲线26表示用按本发明的方法切割的薄片的磁滞。可以看出，采用按本发明的方法达到的磁滞比采用传统的CO2激光22和24达到的磁滞明显更有利，也就是说，显示出更低的反复磁化损耗。按本发明的激光切割方法可以实现如用锋利的未磨损刀具冲裁出的那样类似的有利的磁滞。

图4评估图3中表示的结果。对于相同的电工钢片，表示在不同切割方法时与频率有关的按W/kg的比损耗功率P。在这里用20标示的曲线表示在锋利的刀具时的损耗功率P，用22、24标示的曲线表示用传统的CO2激光切割时的损耗功率P，以及用26标示的曲线表示在采用按本发明的方法时的损耗功率P。可以看出，在采用按本发明的方法切割的薄片中的损耗功率，远低于采用传统的方法切割的薄片中的损耗功率，以及仅明显高于在采用锋利的刀具切割时造成的损耗功率。

Claims (12)

1.一种用电工钢带材制的工件借助激光束的激光切割方法，其中，激光束在面朝激光束的工件表面上沿轮廓线移动，并与此同时造成切割缝隙，其特征为：激光束功率、激光束焦点直径和进给选择为，在激光束作用区内造成蒸发的电工钢带材压力膨胀，从而从所述切割缝隙抛出至少60％被激光束熔化的电工钢带材。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征为，借助沿轮廓线至少移动两次，形成一个由熔化的电工钢带材组成的层，它在切割缝隙的至少其中一个切割面的至少60％区域内有厚度至少在1μm与20μm之间，以及有至少15％非晶形结构的体积份额。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为，借助激光切割进行电工钢带材的切除，目的是沿轮廓线的至少部分长度完全分离电工钢带材。

4.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征为，电工钢带材的至少部分区在切割缝隙产生前经受用机械刀具的成形。

5.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征为，使用一种最终退火的非晶粒定向电工钢带材。

6.按照上述权利要求1至4之一所述的方法，其特征为，使用一种晶粒定向电工钢带材。

7.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征为，射束功率调整为大于1500瓦，优选地在2000W与30000W之间，焦点直径调整为在100μm与600μm之间，以及激光束的进给速度调整为大于500m/min，优选地在800m/min与1500m/min之间。

8.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征为，焦点直径与电工钢带材厚度之比调整为在2与10之间。

9.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征为，使用厚度在20μm与1000μm之间的电工钢带材，此时，在沿轮廓线移动一次时实现在切割缝隙内材料去除在20μm与80μm之间。

10.一种用电工钢带材制的电工钢片工件，其特征为：用电工钢带材制的工件借助按照上述权利要求之一所述的方法至少部分切割。

11.按照权利要求10所述的电工钢片工件，其特征为，所述工件设计为电动机或发电机的转子或定子薄片。

12.按照权利要求10所述的电工钢片工件，其特征为，所述工件设计为变压器铁芯元件。

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