СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Основные условные обозначения и сокращения ......................................................... 5

Введение ........................................................................................................................... 6

Глава 1. Анизотропные электротехнические стали и пути снижения в них

удельных магнитных потерь ........................................................................................ 10

1.1. Анизотропные электротехнические стали в производстве

трансформаторов ........................................................................................................... 10

1.2. Методы снижения удельных магнитных потерь в электротехнической

стали созданием искусственных линий дробления доменов ................................... 15

1.3. Преимущества и недостатки лазеров, которые могут быть использованы,

для обработки трансформаторной стали .................................................................... 22

1.4. Задачи исследования .............................................................................................. 29

Глава 2. Материалы, методики и оборудование, используемые для

исследований ................................................................................................................. 31

2.1. Трансформаторные стали ...................................................................................... 31

2.2. Экспериментальный стенд для обработки анизотропной

электротехнической стали лазерным излучением. .................................................... 34

2.3. Лазерные источники, использованные в работе ................................................. 36

2.4. Оборудование для исследования реакции покрытия и поверхности металла

стали на локальную лазерную обработку ................................................................... 41

2.5. Оборудование и методики измерения магнитных характеристик .................... 44

2.6. Методика экспресс-оценки изменения магнитных характеристик

трансформаторной стали после лазерной обработки ................................................ 49

2.7. Методика измерения электросопротивления изоляционного покрытия

трансформаторной стали после лазерной обработки ................................................ 51

2.8. Оборудование и методики исследования структуры материала

трансформаторной стали, обработанной лазерным излучением ............................. 53

3

Стр.

Выводы по Главе 2 ........................................................................................................ 56

Глава 3. Физические особенности формирования линий дробления доменов на

поверхности трансформаторной стали лазерным излучением ................................. 57

3.1. Особенности лазерного излучения, формирующего структурные барьеры в

трансформаторных сталях ............................................................................................ 58

3.2. Исследование влияния термодеформационного состояния анизотропной

электротехнической стали на магнитные свойства после воздействием

лазерного излучения ..................................................................................................... 69

3.3. Исследование распределения намагниченности анизотропной

электротехнической стали после лазерной обработки .............................................. 74

Выводы по Главе 3 ........................................................................................................ 83

Глава 4. Исследование влияния на магнитные свойства анизотропной

электротехнической стали параметров режимов обработки её поверхности

излучением твердотельных лазеров ............................................................................ 85

4.1. Влияния параметров импульсного излучения твердотельного лазера с

модулированной добротностью ................................................................................... 87

4.2. Влияние параметров излучения непрерывного волоконного лазера .............. 100

4.3. Влияние параметров диодного лазера ............................................................... 105

Выводы по Главе 4 ...................................................................................................... 110

Глава 5. Разработка и создание опытной установки для промышленной

обработки анизотропной электротехнической стали .............................................. 112

5.1. Конструктивная схема участка лазерной обработки анизотропной

электротехнической стали .......................................................................................... 112

5.2. Характеристики лазерно-оптического модуля. ................................................. 116

5.3. Оптическая система модуля ................................................................................ 118

5.4. Система фиксации плоскости обработки ленты ............................................... 121

5.5. Система управления лазерным модулем ........................................................... 122

4

Стр.

5.6. Опытная апробация участка лазерной обработки ............................................ 123

Выводы по Главе 5 ...................................................................................................... 126

Общие выводы по работе ........................................................................................... 127

Список литературы ..................................................................................................... 129

5

Основные условные обозначения и сокращения

ЭАС – электротехническая анизотропная сталь;

ЛЛО – локальная лазерная обработка;

НЛМК – Новолипецкий металлургический комбинат;

ЛТК – лазерный технологический комплекс;

ПТС – производство трансформаторной стали.

6

Введение

Интенсивное развитие энергетических систем в электроэнергетике с

повышенными требованиями по энергосбережению, влечёт за собой потребность

производства энергосберегающих трансформаторов.

Обострение конкуренции на рынке анизотропной электротехнической стали

(трансформаторной стали) диктует необходимость её производства с низкими

удельными потерями P1,7/50 ≤ 1,0 Вт/кг, высоким уровнем магнитной индукции

В800 ≥1,91 Тл и высоким уровнем качества поверхности и электросопротивления

электроизоляционного покрытия.

Данный вид стали является одним из наиболее высокотехнологичных и

дорогостоящих, поскольку требует значительных производственных затрат.

Отношение затрат на переработку к стоимости исходного сырья, энергетических

и вспомогательных материалов для трансформаторной стали с гарантированными

потерями в пределах 1,00-1,2 Вт/кг составляет 65-80%, в то время как для

автолиста и высокопрочных сварных труб этот показатель составляет 20-40%, для

плоского проката из нержавеющих и мартенситостареющих сталей – 35-50%.

Повышение магнитной проницаемости и снижение удельных магнитных потерь

связано с материальными затратами на создание чистых ферросплавов,

прецизионного легирования, обеспечение режимов горячей и холодной прокатки

листа, термической обработки, нанесения вспомогательного и окончательного

покрытий, а также внедрение новых технологических переделов.

Существуют альтернативные методы улучшения магнитных характеристик

анизотропной электротехнической стали, таких как ударная обработка и

воздействие концентрированными источниками энергии. Однако до настоящего

времени не предложено комплекса современного оборудования и не проводились

глубокие исследования технологии снижения удельных магнитных потерь

анизотропной электротехнической стали локальной лазерной обработкой без

разрушения электроизоляционного покрытия. Такая технология позволяет

производить обработку на уже готовом материале при размотке и

7

транспортировке полосы в линии непрерывного технологического комплекса. На

основании вышесказанного тема работы является весьма актуальной.

Целью работы является разработка технологии и оборудования на основе

современных лазеров для снижения удельных магнитных потерь анизотропной

электротехнической стали локальной лазерной обработкой без разрушения

электроизоляционного покрытия.

Основными задачами исследования являются следующие:

1. Разработать оборудование и методики для исследования влияния

лазерного излучения на листовую трансформаторную сталь.

2. Исследовать взаимодействие лазерного излучения с материалом

электроизоляционного покрытия.

3. Разработать и исследовать приёмы для снижения удельных магнитных

потерь трансформаторной стали путём создания линий дробления доменов

воздействием лазерного излучения.

4. Исследовать влияние параметров режимов лазерного излучения на

магнитные свойства готовой трансформаторной стали.

5. Разработать технологию обработки поверхности трансформаторной

стали лазерным излучением без разрушения электроизоляционного

покрытия.

6. Разработать проект и изготовить опытно-промышленный комплекс

для обработки трансформаторной стали.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Экспериментально и теоретически установлено, что применение

технологии локального воздействия излучения твердотельных лазеров с длиной

волны 900 - 1070 нм и погонной энергии развёртки от 0,018 до 0,022 Дж/см2

позволяет создавать линии дробления доменов на поверхности трансформаторной

стали с сохранением целостности электроизоляционного покрытия. При этом

8

снижение удельных магнитных потерь ΔР1,7/50 достигается в диапазоне от 8,0 до

15,0%.

2.Теоретически и экспериментально доказано, что эти линии возникают при

нагреве тонколистовой анизотропной электротехнической стали лазерным

излучением до температур от 250 до 300С, что не приводит к изменению

микроструктуры стали. При этом возникают внутренние остаточные напряжения

в местах лазерного воздействия, которые и являются причиной дробления

магнитных доменов, что приводит к снижению удельных магнитных потерь.

3. Показано, что создание в стальной полосе, за счёт её натяжения в процессе

лазерной обработки, растягивающих напряжений на уровне от 6,0 до 18,0 Н/мм2,

способствует дополнительному снижению удельных магнитных потерь ΔР1,7/50 от

40 до 60 %.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработана технология обработки трансформаторной стали излучением

волоконного и диодного лазеров без разрушения электроизоляционного

покрытия.

2. Разработаны оптимальные режимы лазерной обработки трансформаторной

стали излучением твердотельного лазера с модулированной добротностью, а

также волоконного и диодного лазеров, позволяющие снизить удельные потери

ΔР1,7/50 в трансформаторной стали до 15,0%.

3. Создан опытно-промышленный технологический комплекс для обработки

трансформаторной стали излучением волоконного лазера, встроенный в линию

непрерывного агрегата на действующем производстве.

Методы исследования. Поставленные задачи решались с использованием

теоретических и экспериментальных методов исследований. Расчеты тепловых

полей проводили с использованием программы ANSYS. Для измерения

магнитных характеристик стали после лазерной обработки разработана методика

с применением прибора MPG 100D фирмы BROCKHAUS MESSTECHNIK,

9

Германия. Создана методика экспресс-оценки изменения магнитных

характеристик в процессе лазерной обработки с использованием порошкового

способа визуализации картины доменной структуры на приборе «Domen Viewer».

Для оценки оптических характеристик электроизоляционного покрытия

применяли спектрофотометр LAMBDA 950 (Perker Elmer (США).

Достоверность работы обеспечена корректным использованием общих

положений фундаментальных наук (уравнения баланса энергии, теплопереноса,

массопереноса и т.д.), проверена по известным критериям изучаемых процессов и

подтверждена экспериментальными данными.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на научных

семинарах кафедры Лазерных технологий в машиностроении, Москва, 2014, 2015,

2016, 16 международная конференция «Лазерные и лучевые технологии», Санкт-

Петербург, 2016; Отраслевой конференция «Лазерные технологии и методики в

промышленности». Санкт - Петербург, 2016; Научно-практическая конференция

«Лазерные технологии обработки материалов в промышленности», Москва, 2017.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 научных

работах, 3 из которых входят в перечень ВАК РФ общим объемом 1,9 п.л. и в 1

патенте на изобретение №2405841.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из основных условных

обозначений и сокращений, введения, пяти глав, общих выводов по работе и

списка литературы из 79 наименований. Диссертация изложена на 135 страницах

машинописного текста, содержит 47 рисунков и 20 таблиц.

10

Глава 1. Анизотропные электротехнические стали и пути снижения в

них удельных магнитных потерь

1.1. Анизотропные электротехнические стали в производстве

трансформаторов

Для производства магнитопроводов трансформаторов необходим

специальный материал с высокой магнитной проницаемостью и коэрцитивной

силой, имеющий малые удельные потери в переменных магнитных полях.

Подобным, наиболее распространенным материалом является электротехническая

анизотропная сталь, так же называемая трансформаторной. Эти стали были

созданы ещё в начале 20 века и достаточно хорошо изучены [1,2].

Сталь применяется при производстве различного рода трансформаторов и

обладает особыми свойствами – низкими удельными магнитными потерями, что и

делает ее незаменимой при изготовлении магнитных сердечников. Это

достигается благодаря особому химическому составу (содержанию кремния в

среднем 3 %), малой толщине проката и специальной ориентировке

кристаллической решетки данного вида стали (текстурой).

Химический состав анизотропной электротехнической стали зависит от

качества шихтовых материалов. Скорость кристаллизации слитков влияет на

дефектную структуру кристаллической решётки. При стандартном содержании

примесей: 0,025-0,040% C; <0,01% S; 0,1-0,3% Mn; <0,012% P – альфа + гамма

область расширена и в гамма-фазу превращается лишь незначительная часть

кристаллов, при температурах выше 800 ºС.

Самым вредным по влиянию на магнитные свойства является углерод – он

увеличивает потери на гистерезис. Его примеси затрудняют образование

требуемой текстуры рекристаллизации анизотропной стали. Переход углерода из

цементита в графит улучшает магнитные свойства готовой стали.

11

Азот оказывает влияние на магнитные свойства стали. Содержание серы

влияет на размер зерна, а в сумме с азотом они увеличивают потери при

перемагничивании, которые в свою очередь снижает фосфор, увеличивая при

этом электросопротивление [3].

Необходимую текстуру в готовой трансформаторной стали создают в

процессе её производства добавлением в сплав большого числа легирующих

элементов – кремния, алюминия, серы, марганца, азота и других элементов в

узких пределах. Присутствие кремния в стали улучшает ее состав, поскольку

кремний связывает часть растворённых в металле газов и в первую очередь

кислород. Легирование кремнием оказывает благоприятное действие на

магнитные свойства стали, в частности снижение магнитострикции. В

присутствии кремния сталь приобретает более крупнозернистую структуру. Это

приводит к увеличению магнитной проницаемости стали, снижению

коэрцитивной силы и потерь при перемагничивании. Одним из путей уменьшения

потерь на вихревые токи в листах низкоуглеродистой стали является повышение

ее удельного электрического сопротивления. При легировании такой стали

кремнием последний образует с железом твердый раствор и повышает

сопротивление стали в 2-6 раз. Вместе с тем кремний неблагоприятно влияет на

механические свойства стали, повышая ее твердость и хрупкость. При

содержании кремния свыше 5% снижается индукция материала, затрудняется

прокатка и штамповка стали [4].

Элементарная кристаллическая ячейка электротехнической стали при

комнатной температуре представляет собой – объёмно- центрированный куб

(альфа-решётка). Постоянная альфа решётки зависит от содержания кремния.

Повышение содержания кремния в электротехнической стали ведёт к

уменьшению значения плотности [5].Характерной особенностью анизотропной

электротехнической стали является её крупнозернистость. В зависимости от

величины зёрен магнитная проницаемость и потери на вихревые токи –

увеличиваются, потери на гистерезис и коэрцитивная сила уменьшаются, при

увеличении величины зерна, что существенно влияет на магнитные свойства

12

стали. Анизотропная электротехническая сталь характеризуется наличием

ребровой текстуры (текстуры Госса) [6].

Кристаллографическая текстура – влияние кристаллографической

ориентации зёрен относительно плотности листа и направления прокатки

магнитного материала – обусловлено наличием магнитной кристаллографической

анизотропии. Особенности кристаллографических свойств дислокаций и

процессов рекристаллизации в материале используются для получения

кристаллографически текстурированной электротехнической стали. Например,

процесс рекристаллизации не наступает при длительном отжиге при температуре

600ºС, хотя плотность дислокаций снижается. Ориентацию осей <110> зёрен

вдоль направления прокатки обеспечивает отжиг при 900ºС, вызывая

рекристаллизацию. Совершенство кристаллографической текстуры при этом

составляет 80%, что является достаточным для большого количества

магнитопроводов. Более высокое совершенство до 90% позволяет получить отжиг

при температуре 1150-1200 ºС, рафинируя материал и снижая коэрцитивную силу

[6].

Магнитные потери в направлении прокатки у этой стали значительно

меньше, чем поперек направления, а магнитная индукция выше, что обеспечивает

малые потери электроэнергии, низкий нагрев и высокую экономичность

трансформаторов. Анизотропия свойств холоднокатаной текстурованной стали

определяет конструкцию трансформаторов, в которых магнитный поток в металле

должен совпадать с направлением прокатки, что обеспечивает наименьшие

потери в сердечнике. Поэтому наиболее широко холоднокатаная анизотропная

электротехническая сталь применяется при производстве силовых

трансформаторов. Наряду с высокими магнитными свойствами, при соблюдении

технологии производства, она имеет высокое качество поверхности и хорошую

обрабатываемость [7].

Кремнистые стали изготавливают двумя способами: горячей и холодной

прокаткой. По уровню магнитных свойств, геометрической точности листа и

качеству отделки холоднокатаные стали существенно превосходят горячекатаные

13

и постепенно вытесняют последние. Сталь маркируется четырьмя цифрами:

первая означает структурное состояние и вид прокатки (1 – горячекатаная

изотропная, 2 – холоднокатаная изотропная, 3 – холоднокатаная анизотропная с

ребровой текстурой); вторая – примерное содержание кремния; третья – основные

нормируемые характеристики [0 – удельные потери при магнитной индукции 1,7

Тл и частоте 50 Гц (Р1,7/50), 1 – при индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (Р1,5/50), 2 –

при индукции 1 Тл и частоте 400 Гц (Р1/400), 6 – магнитная индукция в слабых

магнитных полях при напряженности поля 0,4 А/м (В04), 7 – магнитная индукция

в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м (В100) [8].

Кроме легирования необходимо соблюдать особый режим нагрева слябов в

узким температурным интервалом и регламентированную степень обжатия на

стане горячей прокатки. После этого применяют специальные режимы

обезуглероживающего, рекристаллизационного, высокотемпературного отжигов

и т.д. Выполнение всех вышеуказанных технологических условий возможно

только на специализированном оборудовании, что ограничивает число

производителей данной стали. Марка трансформаторной стали, определяемая, в

первую очередь, величиной магнитных потерь, вместе с прочими параметрами,

такими как толщина, качество покрытия и др., существенно влияет на цену

данной продукции.

Этот вид стали является одним из наиболее высокотехнологичных и

дорогостоящих, поскольку требует значительных производственных затрат.

Отношение затрат на переработку к стоимости исходного сырья, энергетических

и вспомогательных материалов для трансформаторной стали с гарантированными

потерями в пределах 1,00-1,2 Вт/кг составляет 65-80%, в то время как для

автолиста и высокопрочных сварных труб этот показатель составляет 20-40%, для

плоского проката из нержавеющих и мартенситостареющих сталей – 35-50% [9].

При изготовлении трансформаторов существенное значение имеет не только

состав и структура материала, но и качество поверхности листа. Не допускаются

грубые и средние поверхностные дефекты, окалина, царапины и прочие. Качество

трансформаторов во многом зависит от технологии их изготовления.

14

Возможность отжига магнитопровода после штамповки листа и сборки, а так же

снижение толщины электроизоляционного покрытия положительно сказываются

на технологии изготовления. Термостойкость электроизоляционного покрытия

позволяет отжигать магнитопровод для снятия наклепа после штамповки и

улучшения электротехнических свойств на 5-10%. Магнитоактивность

электроизоляционного покрытия позволяет зафиксировать напряженное

состояние стальной основы за счет разницы коэффициентов термического

расширения и также улучшить электротехнические характеристики готовой

стали.

В настоящее время данная сталь выпускается в объёме более 2,2 млн. тонн в

год 13 крупнейшими мировыми металлургическими холдингами на 17

предприятиях по пяти различным технологиям. Электротехническая сталь

выпускается в виде отдельных листов, рулонов или ленты и предназначается для

изготовления магнитопроводов. Для уменьшения потерь на вихревые токи и

исключения межслойного короткого замыкания пластин, на полосу

электротехнической стали наносят электроизоляционное покрытие после

высокотемпературной обработки. С помощью покрытых полиуретановых

роликов наносится алюмофосфатное покрытие с последующей сушкой в

проходной печи с защитной безокислительной атмосферой [10]. Важнейшим

эффектом, достигаемом на данном этапе технологического процесса, является

фиксация растягивающих напряжений в стали за счет разницы коэффициентов

термического расширения, керамического покрытия и стальной матрицы.

Растягивающие напряжения в готовой стали обеспечивают улучшение магнитных

характеристик.

Окончательно изготовленная сталь покрывается специальным

электроизоляционным покрытием, целостность которого является необходимым

условием надёжной работы трансформатора.

Интенсивное развитие энергетических систем в электроэнергетике с

повышенными требованиями по энергосбережению, влечёт за собой создание

инновационных способов повышения потребительских свойств ЭАС для

15

обеспечения возможности производства энергосберегающих трансформаторов.

Обострение конкуренции на рынке трансформаторной стали и

трансформаторного оборудования, диктует необходимость производства стали с

низкими удельными потерями (P1,7/50 ≤ 1,0 Вт/кг), высоким уровнем магнитной

индукции (В800 ≥1,91 Тл), высоким уровнем качества поверхности и

электросопротивления электроизоляционного покрытия. Однако достижение этих

показателей только изменением химического состава и технологии производства

весьма дорогостоящий процесс, требующий существенного перевооружения

целых цехов и участков, поэтому появляется ряд способов повышения

электротехнических характеристик на стандартных, относительно недорогих

марках сталей путём их обработки после практически окончательного

изготовления.

1.2. Методы снижения удельных магнитных потерь в

электротехнической стали созданием искусственных линий дробления

доменов

С начала 80-х годов XX века начали создаваться альтернативные способы

снижения удельных магнитных потерь в трансформаторных сталях, не

требующих изменения химических составов и технологии изготовления,

существенно снижало стоимость производства [11,12].

Авторами работы [12] удельные магнитные потери снижались путём

создания линий дробления доменов «скрайбирования», то есть удалением части

материала с поверхности листа, за счёт перемещения перпендикулярно

направлению прокатки твердосплавного инструмента (иглы, резцы), как показано

на Рис.1.1.

16

Рис.1.1.

Схема процесса создания линий дробления доменов скрайбированием

В этом случае происходит внесение напряжённого состояния, приводящего к

изменению доменной структуры с образованием 180-градусных замыкающих

доменов. Однако, как показала практика, этот способ трудно реализуем в

промышленных условиях, а так же, при этом разрушалось электроизоляционное

покрытие и его надо было снова наносить после обработки.

В работе [13] описывается метод уменьшения домена для снижения потерь

трансформаторной стали с высокой проницаемостью с помощью сборных

блоков крупных шаров с малым трением. Данные блоки перемещались поперёк

направления прокатки с целью создания напряжённого состояния в местах

воздействия. Приложение соответствующей нагрузки к блокам шариков

диаметром до 39,7 мм позволило снизить потери на величину до 9,6%, при

расстоянии между линиями напряжения 7,5-10 мм. Это достигалось без

разрушения изоляции. В усовершенствованном варианте рассматриваемой

технологии использовались шарики сравнительно большего диаметра: 20-40 мм.

Типичное устройство шариковых блоков, показанное на Рис.1.2,

представляет собой большой стальной шар (12-40 мм), окружённый

многочисленными меньшими шариками в обойме.

17

Рис. 1.2.

Схема устройства сборных блоков крупных шаров с малым трением для

снижения потерь трансформаторной стали

Для шариковых блоков создавалась нагрузка с помощью пружины,

различные уровни нагрузки достигались посредством применения шайб-

прокладок. Для отработки и оптимизации процесса, несколько шариковых

блоков были размещены на шлифованной плите, прикреплённой к

передвигающему блоку с приводным ремнём.

Влияние изменения технологических параметров, таких как: диаметра

шарика, приложенная нагрузка и интервалы полос напряжения на магнитные

свойства было оценено при использовании образцов размером 610×220×0,27 мм

из рулона электротехнической стали с ориентированным зерном с высокой

магнитной проницаемостью и образцов из рулонов разных производств. В

частности, были рассмотрены наборы шариковых блоков с диаметром шарика

12,7-39,7 мм, значения прикладываемой нагрузки 2-7 кг и изменения интервала

между полосами напряжения 3-10 мм.

В результате применения этого оборудования вихретоковая составляющая

удельных магнитных потерь на перемагничивание уменьшалась. Расстояние

между следами воздействия составляло от 2 до 10 мм.

18

Потери для полосы толщиной 0,27 мм снижались приблизительно на 5-9%

без значительного ущерба для проницаемости. Установлено, что чем тоньше

лист ориентированной стали, тем он чувствительней к измельчению домена.

Метод шариковых блоков особенно приемлем для сталей толщиной менее 0,23

мм. Данные технологические приёмы широкого применения не получили,

поскольку имеют низкую технологичность при массовом производстве стали из-

за износа инструмента, воздействия на электроизоляционное покрытие и малой

производительности.

Японская металлургическая компания Kawasaki Steel еще в 1998 г.

представила новые марки трансформаторной стали, со сниженным уровнем

удельных магнитных потерь, полученных с применением технологии

локального травления канавок и последующей прокатки и термообработки [14].

Но такой метод является также очень затратным из-за длительности процессов и

дополнительных энергозатратных технологических переделов.

С развитием техники и технологии наибольшее распространение получили

способы локального теплового воздействия, обладающие большей

эффективностью и технологичностью. Для этой цели применяют плазменную

струю, остросфокусированное лазерного излучение и ионно-лучевую обработку

[11,15,16]. Данные способы снижения удельных магнитных потерь в готовой

трансформаторной стали позволяют создавать в поверхностном слое листа

различного рода структурные барьеры. Эти барьеры приводят к искажению

магнитной текстуры в локальных участках поверхности металла и образованию

сложной структуры областей (доменов) спонтанного намагничивания. При

локальном лазерном нагреве в поверхностных слоях материала создаются

термические напряжения, изменяющие характер доменной структуры в зонах,

прилегающих к лазерной дорожке.

Способ, предложенный Институтом физики металлов УрО РАН [11]

включает высокотемпературный отжиг, выдержку, охлаждение до комнатной

температуры, ионно-лучевую обработку (ИЛО), а именно бомбардировку

ускоренными ионами инертных газов, и термомагнитную обработку в

19

знакопеременном магнитном поле, при этом облучение могут проводить ионами

аргона Ar+ с энергией пучка ионов 20-50 кэВ оптимальной для каждого материала

дозой, в частности для поликристаллических и аморфных сплавов на основе

кремнистого железа – 1015-1016 ион/см2, на основе никеля – 1016 ион/см

2

соответственно, а термомагнитную обработку различных магнитомягких сплавов

в знакопеременном магнитном поле проводят в диапазоне частот от 50 Гц

(массивные поликристаллы, например Fe-Si) до 10-80 кГц (тонкие ленты

аморфных сплавов, например, на основе Fe-Si-B). Изобретение обеспечивает

улучшение магнитных характеристик магнитомягких материалов за счет

предварительной ионной обработки материала, обеспечивающей повышение его

чувствительности к наведению одноосной магнитной анизотропии при

термомагнитной обработке.

Фирма «KAWASAKI» применяла также локальную плазменную обработку с

микролегированием локальных областей поверхности [18].

Наиболее перспективным способом создания линий дробления доменов

оказалась локальная лазерная обработка, впервые предложенная для этих целей

в 1974 г. в Институте физики металлов УрО АН СССР [19]. В первых работах по

использованию лазерного излучения для снижения удельных магнитных потерь

измельчение доменов осуществлялось за счет получения в стали кристаллитов

определённых форм и размеров[15]. Сталь подвергали ЛЛО после холодной

прокатки. Области термического воздействия имели форму узких полос поперёк

направлению прокатки, отстоящих друг от друга на расстоянии 2-3 мм. В них

протекала первичная рекристаллизация и при последующей обработке

создавались структурные барьеры, препятствующие свободному росту зерен при

вторичной рекристаллизации [20]. На месте областей термического воздействия

лазерного излучения формировались границы крупных зерен вторичной

рекристаллизации. Метод позволял снижать удельные магнитные потери на 6-

12% в зависимости от остроты кристаллической текстуры (110)[001]. Другой

метод заключался в ЛЛО готовой крупнозернистой стали. В областях ЛО, также

нанесённых перпендикулярно направлению прокатки и отстоящих друг от друга

20

на 3-10 мм, при последующем отжиге развивались процессы полигонизации, в

результате которых формировалась характерная микроструктура с большой

плотностью малоугловых границ [21, 22]. Данный метод, как и описанный выше,

приводил к термически устойчивому эффекту снижения удельных магнитных

потерь.

За рубежом первая работа по применению ЛЛО относится к 1978 г. [23]. На

заключительном этапе обработки стали после нанесения электроизоляционного

покрытия проводили локальный лазерный нагрев с невысокой плотностью

мощности лазерного излучения. Полученные упругие напряжения в зонах

термического воздействия обеспечивали измельчение основных магнитных

доменов. Снижение потерь характеризуется термической неустойчивостью (при

нагреве упругие напряжения релаксируют).

В этих работах применяли твердотельные лазеры с ламповой накачкой,

преимущественно в импульсном режиме, что не давало осуществлять процесс с

высокой производительностью или приводило к разрушению покрытия. Также,

при импульсной обработке возникают высокие локальные напряжения в зоне

обработки, что приводит к значительному снижению магнитной индукции.

В работе [22] приводится описание применённого на тот момент одного из

самых перспективных бесконтактных методов уменьшения потерь на

перемагничивание анизотропной электротехнической стали – методе лазерной

обработки поверхности излучением непрерывного СО2-лазера. Обработке

подвергались листы трансформаторной стали путём нанесения дорожек в

направлении, перпендикулярном направлению прокатки.

Доменную структуру наблюдали на полированной поверхности образцов

методом магнитной металлографии. Магнитные свойства измеряли на

однополосочном аппарате. Снижение магнитных потерь зависели от параметров

лазерной обработки. Показано, что наибольшее влияние на доменную структуру

и магнитные свойства стали оказывает изменение скорости движения луча по

поверхности материала. Увеличение скорости обработки до 1-10 м/с позволило

получить Р1,7/50 = 0,060,10 Вт/кг.

21

В работе [22] показано, что основным параметром при лазерной обработке

трансформаторной стали является мощность лазерного излучения. С

увеличением скорости движения луча по поверхности материала и уменьшением

остроты фокусировки луча мощность лазерного излучения, необходимая для

изменения доменной структуры, должна возрастать. При обработке со

скоростью движения луча 0,1 м/с мощность излучения составляла 5-10 Вт.

Увеличение скорости до 1-10 м/с потребовало увеличения мощности излучения

до 50-300 Вт. Возможность снижения магнитных потерь показана в широком

интервале изменения мощности.

На основании проведённых исследований авторы работы [26, 27]

предположили, что основной вклад замыкающих доменов в облегчение процесса

перемагничивания состоит в том, что в переменном магнитном поле они играют

роль зародышей перемагничивания. Оптимальными, с точки зрения уменьшения

магнитных потерь, являются такие параметры лазерной обработки, которые

позволяют создать в материале множество зародышей перемагничивания, внося

при этом незначительные искажения в доменную структуру.

В проведённой авторами работе отмечается, что при лазерной обработке не

происходит разрушение электроизоляционного покрытия и оплавление

поверхности материала.

Проведённый анализ литературных источников показывает, что метод

лазерной обработки поверхности трансформаторной стали, является вполне

эффективным для повышения магнитной индукции и снижения удельных

магнитных потерь анизотропной электротехнической стали без разрушения

электроизоляционного покрытия. Однако лазеры, с помощью которых может

быть осуществлён этот процесс весьма разнообразны и необходимо учитывать

многие их особенности, преимущества и недостатки, прежде чем создавать

оборудование, которое может быть эффективно использовано в

производственных условиях.

22

1.3. Преимущества и недостатки лазеров, которые могут быть

использованы, для обработки трансформаторной стали

Применение лазерного излучения для обработки трансформаторной стали с

электроизоляционным покрытием, связано с комплексом его уникальных свойств,

таких как высокая интенсивность и монохроматичность, возможность достижения

высоких значений мощности и плотности потока энергии. Лазерное излучение

создаёт бесконтактный тепловой источник нагрева, достигающий плотности

мощности до 1х106 Вт/см².

в некоторых случаях делают его наиболее удобным

технологического процесса [30].

Особенностью лазерного излучения является возможность доставки его к

месту обработки с помощью зеркальных оптических систем или оптического

волокна, что позволяет изготавливать удобные для технологического применения

установки.

На первых этапах развития лазерных технологий наибольшее

распространение имели газовые лазеры, в которых в качестве активной среды

используются диоксид углерода СО2. Газоразрядные СО2-лазеры являются

наиболее ярким представителем семейства так называемых молекулярных

лазеров, инверсная заселенность в которых создается между колебательными

уровнями молекул. Эти лазеры способны развивать среднюю мощность от

нескольких сотен ватт до десятков киловатт в непрерывном и импульсно –

периодическом режимах генерации излучения с длиной волны λ = 10,6 мкм. В

этих лазерах достигается достаточно высокий КПД преобразования

электрической энергии в энергию излучения (10…20 % и более). Эффективная

работа СО2-лазера требует трехкомпонентной лазерной смеси. Накачка СО2-

лазера осуществляется газовым разрядом непосредственно при столкновениях

молекул СО2 с электронами и колебательно возбужденными молекулами N2.

Быстрые электроны, сталкиваясь с молекулами СО2 и N2 возбуждают их

колебательные степени свободы. Отвод теплоты от рабочей смеси СО2-лазера

может осуществляться либо за счет теплопроводности к охлаждаемой стенке

23

разрядной трубки, либо путем замены нагретой порции газа новой. В

соответствии с этим по способу охлаждения рабочей смеси все газоразрядные

СО2-лазеры можно разделить на лазеры с диффузионным и конвективным

охлаждением [30].

СО2-лазер с диффузионным охлаждением рабочей смеси состоит из

охлаждаемой водой разрядной трубки, внутри которой с помощью системы

электродов создается газоразрядная плазма [30]. По торцам разрядной трубки

размещаются зеркала резонатора: глухое зеркало и полупрозрачное (или с

отверстием) зеркало. Стабильность усилительных свойств среды в течение

длительного времени поддерживается путем слабой прокачки лазерной смеси или

размещением внутри отпаянного лазера регенерирующего элемента. В

диффузионных лазерах используется, как правило, смесь СО2:N2: Не в

соотношениях приблизительно 1:1:3 или 1:1:6 при полном давлении до 20...40

торр. Основным недостатком этих лазеров является сравнительно большая общая

апертура пучка, представляющего собой набор параллельных пучков от каждой

трубки, при относительно высокой расходимости излучения, определяющейся

диаметром одиночной трубки. Это создает трудности для систем

транспортировки излучения и препятствует острой фокусировке луча. Уровень

плотности мощности этих лазеров не превышает ~105 Вт/см

2.

Быстропроточные газоразрядные СО2 лазеры с конвективным охлаждением

могут генерировать лазерное излучение мощностью свыше от 1 до 50 кВт. В

газоразрядном технологическом лазере активный элемент представляет собой

газоразрядную камеру с рабочим газом (рабочей смесью). Для обеспечения

постоянства состава и давления рабочего газа технологический лазер этого класса

должен иметь систему газообеспечения. Стабильность свойств активной среды в

условиях замкнутого газодинамического цикла поддерживается непрерывным

обновлением смеси.

Прокачка рабочей среды в таких лазерах осуществляется, как правило, по

замкнутому газодинамическому тракту специальными вентиляционными

24

системами, что существенно увеличивает габариты лазеров и их работа

сопровождается значительным шумом.

Трудности применения СО2

лазеров в производственных условия

обусловлено следующем: 1- необходимостью использования расходуемых газов

трёх видов; 2- значительными габаритами лазерных установок; 3-

необходимостью передачи излучения к месту обработки зеркальными системами,

что создаёт существенные потери излучения; 4- необходимостью поддержания

требуемой юстировки в резонаторе и передающей системе; 5- необходимостью

поддержания в цеховых помещениях требований по запылённости, вибрациям и

температурного режима, что трудно обеспечить на металлургическом

производстве.

Более технологичными, с точки зрения применения для обработки

трансформаторной стали являются твердотельные лазеры [30]. В этих типах

лазеров активным элементом являются кристаллы, легированные

редкоземельными элементами. Накачка таких лазеров осуществляется различного

рода осветителями. Твердотельные лазеры для технологических целей излучают в

диапазоне от 1,06 до 1,08 мкм. Излучение с такими длинами волн может

передаваться по гибким световодам, что существенно расширяет возможности

применяемых для обработки установок.

В зависимости от материала активного элемента и источника оптической

накачки различат следующие твердотельные лазеры. Большие технологические

возможностями имеют твердотельные лазеры с активным элементом в виде

стержня из иттрий – алюминиевого граната с добавкой неодима и накачкой

газоразрядными лампами. Эти лазеры могут генерировать излучение не только в

импульсно – периодическом режиме, но и в непрерывном режиме на длине волны

излучения λ = 1,06 мкм. Следует отметить, что средняя мощность излучения

твердотельных лазеров достигает в настоящее время 10 кВт, однако при этом они

имеют крайне низкий КПД преобразования электрической энергии в энергию

излучения, составляющий 2-5%. Также недостатком этих лазеров является малое

25

время работы освещающих электроразрядных ламп, которое составляет максимум

1000 часов.

В настоящее время появились принципиально новые конструкции

твердотельных лазеров, расширяющие возможно их использования для

обработки трансформаторной стали. Наибольшее практическое применение

нашли дисковые, волоконные и диодные лазеры, которые имеют КПД уже на

уровне 30-35%. Указанные типы лазерных источников широко использующихся в

индустриальных применениях [31].

Дисковые лазеры являются аналогом стержневого твердотельного лазера,

только вместо стержня в нём используется кристалл в форме тонкого диска,

выполненный из алюмоиттриевого граната, легированного иттербием. Накачка

осуществляется диодами. Диаметр активной области варьируется от 1 мм для

лазеров с низкой выходной мощностью до 10 мм для лазеров с выходной

мощностью в десятки киловатт. Толщина активной среды меняется обычно от

100мкм до 200 мкм.

Дисковые лазеры обладает следующими уникальными свойствами:

1. благодаря практическому отсутствия эффекта образования тепловой линзы

(функция распределения температуры имеет плоский профиль) вдоль оси

распространения теплового потока дисковый лазер обеспечивает высокую яркость

излучения;

2. из-за большого диаметра пятна накачки на площади активной среды

получается низкая плотность тепловой мощности;

3. так как к диодам накачки предъявляют низкие требования по яркости, это

позволяет добиваться с высокой эффективности преобразования электрической

энергии в энергию света – особенно в широком диапазоне средних мощностей

(КПД 30-35%);

4. выходная мощность дискового лазера может быть увеличена просто путём

увеличения площади активной области на диске – масштабированием площади

поперечного сечения пучка (максимальная мощность до 15 кВт);

26

5. дисковые лазеры оптимально подходят для преобразования частоты и могут

работать в импульсном режиме.

Принцип работы волоконного лазера основан на пропускании света

фотодиода по волокну большой протяженности [32]. Накачка в таких лазерах

осуществляется светодиодами с одномодовым излучением и усиление света

происходит за счет многократного переотражения его в волокне большой длины

(около 50 м). В качестве волокна использовался кварц, активированный

добавками редкоземельных элементов. КПД таких лазеров достигает 35%. Лазеры

не требуют юстировки и практически не нуждаются в обслуживании.

Для увеличения мощности волоконных лазеров используют многомодовую

активированную накачку и резонатор, представляющий из себя зеркала на торцах

волокна длиной до 100 м, скрученного в бухту. Для мощных лазеров используется

трехслойное стеклянное волокно, активированное редкоземельными элементами.

Волоконный лазер, способный использоваться для технологических целей

должен иметь мощность от 100 Вт до 3-5 кВт. Такие лазеры создаются путем

многокаскадного усиления в волокнах и путем набора мощности излучения от

нескольких лазеров с меньшей мощностью.

Для получения мощностей до 30 кВт создаются блочные системы, в которых

излучение отдельных одномодовых волоконных лазеров мощностью 100 Вт

собирается в одно волокно.

Преимущества волоконных лазеров состоят в следующем:

1. Полное отсутствие малоресурсных элементов.

Pесурс диодов накачки в настоящее время составляет не менее 100000 часов.

2. В лазере нет локальных энергетически высоконагруженных мест.

Некритичность к качеству охлаждения.

3. Низковольтная конструкция, в лазере нет напряжений более 24 В.

4. Нет оптического тракта передачи излучения к рабочей головке,

излучение передается по оптическому кабелю длиной от 10 до 200 м.

5. Высокий КПД – 30-35%, что более чем в 2 раза выше КПД СО2-

систем и в 7-10 раз выше КПД твердотельных лазеров.

27

6. Очень высокое качество излучения. Для многомодовых мощных

моделей лучшее или сравнимое с качеством лучших СО2-систем, для

одномодовых качество излучения еще на порядок выше.

7. Компактность лазера. В сравнении с СО2-лазерами при одинаковой

мощности объем корпуса волоконного лазера в три раза меньше.

8. Длина волны излучения 1.07 мкм близка к волне излучения для

фокусировки может быть использована классическая стеклянная и кварцевая

оптика.

За последние 10 лет получили развитие диодные лазеры для

технологического применения [32]. Рост рынка диодных лазеров, каждый год

составляет ~10-15%, что позволяет сделать выводы о том, что в ближайшем

будущем они будут основой рынка лазерной техники.

Принцип построения диодных лазеров состоит в том, что лазерные диоды со

сравнительно небольшой мощностью 40-60 Вт собираются в охлаждаемые водой

пакеты, так называемые решетки, их мощность достигает от 0,5 до 4 кВт.

Излучение от отдельных лазерных диодов по оптоволокну поступает в

фокусирующую систему. Выходящий луч имеет прямоугольную форму

площадью около 1мм2. Максимально достижимые плотности мощности в фокусе

105 – 210

5 Вт/см

2. Длина волны генерации зависит от используемого материала

диода и лежит в пределах 400-2200 нм. Для технологических целей применяют

лазерные диоды с длиной волны 807-940 нм.

По сравнению с СО2- и твердотельными Nd:YAG – лазерами они имеют ряд

преимуществ:

1. Высокий КПД 30-40%, на порядок выше, чем у СО2-лазеров.

2. Малые габаритные размеры и вес. Диодный лазер мощностью 4 кВт –

габариты лазерной головки 300300300 мм, вес – 7кг; СО2-лазер мощностью 4

кВт – габариты лазерной головки 20001000800 мм, вес – около

500 кг.

28

3. Длина волны – 0,8 мкм приводит к возможности использования гибких

световодов, повышенный в 5-6 раз по сравнению с СО2-лазерами коэффициент

поглощения излучения на обрабатываемом материале, возможности

использования дешевой стеклянной оптики.

4. Отсутствие расхода газов (СО2, гелий, азот).

5. Высокий ресурс работы – 100000 час.

Несмотря на сравнительно малую плотность мощности в пятне нагрева

диодные лазеры позволяют получить достаточно высокую производительность.

Преимущества диодных лазеров в промышленном применении заключаются

в высокой однородности результатов процесса, возможности его оптимизации,

адаптации геометрии лазерного пятна к топологии обрабатываемой поверхности

изделия, удобстве автоматизации процесса и высокой воспроизводимости

параметров. Также немаловажно отметить малые габариты диодных лазерных

модулей, что открывает возможности для интеграции систем локальной лазерной

обработки в уже существующие линии производства ЭАС. Эти достоинства,

несомненно, открывают новые технологические возможности ЛЛО

применительно к условиям производства трансформаторов.

Таким образом, на основании обзора литературных источников можно

сделать следующие выводы. Для повышения магнитной индукции и снижения

удельных магнитных потерь анизотропной электротехнической стали без

разрушения электроизоляционного покрытия, наиболее перспективным с

технологической и экономической точки зрения, является применение локальной

лазерной обработки поверхности. Для этой цели могут быть использованы

несколько типов технологических лазеров, среди которых в наибольшей степени,

как показывают сравнительные характеристики, пригодны твердотельные. На

современном этапе развития лазерной техники самыми перспективными,

надёжными и эффективными являются два типа твердотельных лазеров – это

волоконные и диодные. Эти лазеры получили уже достаточно широкое

распространение в промышленности, доступны для закупки и легко встраиваются

в технологические комплексы.

29

В литературе практически отсутствуют научно обоснованные сведения о

применении подобных лазеров в металлургическом производстве для обработки

трансформаторной стали. Однако технические характеристики этих лазеров

указывают на то, что они вполне могли бы решить задачу воздействия на

материал стали с целью повышения магнитной индукции и снижения удельных

магнитных потерь без разрушения электроизоляционного покрытия. На

основании этого постановка работы по исследованию влияния параметров

лазерного излучения волоконных и диодных лазеров на структуру и свойства

трансформаторной стали является весьма актуальной. Кроме того, необходимо

рассмотреть возможность создания технологии и оборудования для обработки с

применением этих типов лазеров.

На основании вышесказанного можно сформулировать цель и задачи работы.

Цель работы – разработка технологии и оборудования на основе

современных лазеров для снижения удельных магнитных потерь анизотропной

электротехнической стали локальной лазерной обработкой без разрушения

электроизоляционного покрытия.

1.4. Задачи исследования

1.Подобрать оборудование и разработать методики для исследования

влияния лазерного излучения на листовую трансформаторную сталь.

2.Исследовать взаимодействие лазерного излучения с материалом

электроизоляционного покрытия.

3.Разработать и исследовать методы снижения удельных магнитных потерь

трансформаторной стали путём создания линий дробления доменов воздействием

лазерного излучения.

4.Исследовать влияние параметров лазерного излучения на структуру

трансформаторной стали.

5.Разработать технологию обработки поверхности трансформаторной стали

лазерным излучением без разрушения электроизоляционного покрытия.

30

6.Разработать проект и изготовить опытно-промышленный комплекс для

обработки трансформаторной стали.

31

Глава 2. Материалы, методики и оборудование, используемые для

исследований

2.1. Трансформаторные стали

Для исследования были выбраны анизотропные электротехнические стали

производства Ново липецкого металлургического комбината (НЛМК). Марки

выпускаемых сталей представлены в Таблице 1.

Таблица 1.

Марки анизотропных электротехнических сталей, выпускаемых НЛМК [66]

Марка ЭАС

Номинальная

толщина,

мм

Удельные магнитные потери,

Вт/кг, не более

Магнитная поляризация,

Тл, не менее

Р1,5/50 Р1,7/50 В800 В2500

NV23S-095L

0,23

0,95 1,84

NV23P-095 0,95 1,88

NV23S-100L - 1,00 1,84 -

NV23S-110 0,73 1,10 1,85 -

NV23S-120 0,77 1,20 1,83 -

NV23S-127 0,80 1,27 1,82 -

NV27P-100

0,27

- 1,00 1,88 -

NV27S-100L - 1,00 1,84 -

NV27S-105L - 1,05 1,84

NV27S-110 0,75 1,10 1,86 -

NV27S-120 0,8 1,20 1,84 -

NV27S-130 0,85 1,30 1,83

NV27S-140 0,89 1,40 1,82 -

NV30P-105

0,30

- 1,05 1,88 -

NV30S-110L - 1,10 1,84 -

NV30S-120 0,80 1,20 1,86

NV30S-130

0,85 1,30 1,84 -

NV30S-140 0,89 1,40 1,78 -

32

Таблица 1. (продолжение)

Марка ЭАС

Номинальная

толщина,

мм

Удельные магнитные

потери, Вт/кг, не более

Магнитная поляризация,

Тл, не менее

Р1,5/50 Р1,7/50 В800 В2500

0,90 1,20 1,86

NV35S-130 0,95 1,30 1,83 -

NV35S-145 1,00 1,45 1,81 -

NV35S-150 0,50

1,50 - - 1,88

NV35S-200 2,00 - - 1,85

Химический состав у всех этих сталей одинаковый и представлен в

Таблице 2.

Таблица 2.

Химический состав анизотропных электротехнических сталей

Марка стали

(толщина, мм)

Массовая доля элементов в литой стали, %

С Si Mn Al Cu N

«S+N»

(0,23; 0,27;

0,30)

0,030-

0,038 3,05-3,25 0,28-0,38

0,014-

0,019 0,50-0,60

0,010-

0,013

«О»

(0,30; 0,35;

0,50)

0,030-

0,040 3,00-3,25 0,18-0,38

0,014-

0,019 0,45-0,60

0,009-

0,013

«Р»

(0,35; 0,50;

0,30)

0,028-

0,045 3,00-3,25 0,18-0,38

0,013-

0,020 0,45-0,60

0,008-

0,013

Стали отличаются только технологией прокатки и толщиной, что приводит к

различным электротехническим свойствам, как показано в Таблице 1.

Поскольку эффект снижения удельных магнитных потерь максимален на

высших марках электротехнических анизотропных сталей, для исследований

были выбраны марки NV27S-110 и NV30S-120. Эти стали имеют крупнозернистое

строение и покрыты электроизоляционным покрытием. Технология получения

данных сталей состоит в следующем.

После выплавки в конвертере, с помощью сталь-ковша, происходит разливка

стали на установке прерывной разливки в водохлаждаемом кристаллизаторе.

33

После затвердевания слиток посредством кислородной резки разрезается на

мерные слябы. Для экономии электроэнергии в предписанный технологической

инструкцией период, слябы поступают на нагрев в методические печи, после чего

проходят горячую прокатку. Для удаления окалины горячекатаный подкат

проходит операцию кислотного травления. Затем следует процесс первой

холодной прокатки. Для рекристаллизации нагартованной структуры рулоны поле

первой холодной прокатки поступают в проходную печь обезуглероживания в

защитной безкислородной атмосфере. Далее проводится вторая холодная

прокатка уже в конечную толщину – 0,15- 0,23-0,27-0,30 мм. С целью

предотвращения свариваемости витков рулонов перед отжигом в водородной

среде в колпаковых печах, на сталь наносится окись магния. В течение

длительного отжига, который может длиться до 24 суток, формируется требуемая

магнитная текстура стали и крупное зерно. Следующей технологической

операцией является выпрямляющий отжиг в проходных печах агрегатов

непрерывного отжига. Перед агрегатами установлена система смыва остатков

окиси магния и узел нанесения электроизоляционного покрытия. В этих же

агрегатах производится и сушка нанесенного электроизоляционного покрытия на

предварительно растянутой полосе. На выходе из агрегата установлены системы

непрерывного измерения магнитных характеристик. Далее производится смотка в

рулоны массой до 5 тонн и сталь отправляется на агрегаты резки готовой

продукции, где после аттестации рулоны могут укрупняться посредством сварки

встык и формируются по марочному составу в зависимости от результатов

аттестационных магнитных измерений.

Электроизоляционный материал представляет собой раствор органических и

неорганических соединений на основе силикатов. Для обеспечения необходимой

адгезии к металлу, применяемая при высокотемпературном отжиге окись магния

диффундирует в поверхность металла и служит, за счет своей пористой,

поверхности грунтовым слоем. Толщина нанесенного электроизоляционного

покрытия составляет от 30 до 50 мкм с каждой стороны полосы. Химический

состав электроизоляционного покрытия представлен в Таблице 3.

34

Таблица 3.

Химический состав электроизоляционного покрытия

№

п/п Тип лака Основа

Коэф.

сопротивления,

Ом*см2

Плотность,

кг/м3

Концентрация

H2O, %

1 Voltatex E 1153A органика > 20 1050 10

2 Voltatex E 1190

GREEN

органика,

фосфаты 1-15 1150 5

3 Foskon 301 органика/

неорганика >5 1150 5-10

Из данных сталей изготавливались образцы в виде пластин размером

30х305мм и толщиной 0,27 мм и 0,3 мм, которые обрабатывали лазерным

излучением с целью снижения удельных магнитных потерь.

2.2. Экспериментальный стенд для обработки анизотропной

электротехнической стали лазерным излучением.

Для проведения исследований по воздействию лазерного излучения

твердотельных лазеров на поверхность исследуемых сталей был спроектирован и

изготовлен экспериментальный стенд, показанный на Рис. 2.1. На данном стенде

можно получать нагрев лазерным излучением в виде линии.

Рис. 2.1.

Экспериментальный стенд для обработки трансформаторной стали

излучением волоконного лазера

35

Технические требования к стенду:

- ширина зоны обработки – 500 мм;

- использование излучения большой мощности – 3.5 кВт;

- скорость развертки – 100 м/с;

- ширина линии обработки – 300 мкм и менее;

- длина линии 250-300 мм;

- перпендикулярность направлению линии прокатки или настройка на

угол 0°-20° к поперечной оси;

- непрерывность линии обработки;

- сохранение идентичности параметров обработки по всей длине линии

сканирования;

-высокая производительность: обработка ленты, движущейся со скоростью

50м/мин

Лазерное излучение от лазера направляется на специальный зеркальный

барабан, состоящий из 20 зеркал и разворачивающий луч в линию. Перемещая

образец, получают линии на его поверхности. Частота нанесения линий

регулируется частотой включения и выключения лазера.

На данном стенде можно было получать нагрев лазерным излучением в

виде линии, с использованием специального развёртывающего устройства.

Стенд предусматривает использование в качестве источника нагрева

твердотельных волоконных и стержневых лазеров.

Для исследований с применением диодного лазера, был изготовлен

специальный стенд, показанный на Рис. 2.2.

36

Рис. 2.2.

Экспериментальный стенд для проведения экспериментов с диодным

лазером:1 – диодный лазерный модуль, 2 – фокусирующая оптика, 3 – источник

питания лазерного модуля, 4 – система охлаждения, 5 – автоматизированный

однокоординатный стол, 6 – персональный компьютер, 7 – образец стали

Стенд был собран на базе диодного лазерного модуля прямого действия,

двухкоординатной системы его позиционирования и автоматизированной

однокоординатной системы перемещения обрабатываемого образца. Диодный

лазерный модуль прямого действия был закреплен в двухкоординатной системе

позиционирования, с возможностью юстировки по углу и положению

относительно образца, а обрабатываемый образец стали перемещался на

автоматизированном однокоординатном столике, который в свою очередь был

установлен на оптический стол с виброопорами.

2.3. Лазерные источники, использованные в работе

Как было показано в Главе 1, для формирования линий дробления доменов

в трансформаторной стали, может использоваться лазерное излучение. Однако это

излучение может создаваться различными типами лазеров, характеристики

которых указаны в Таблице 4.

37

Таблица 4.

Сравнительные характеристики лазеров для обработки

Параметр СО2

YAG-Nd с

ламповой

накачкой

Диодные

лазеры

Волоконные

лазеры

Выходная

мощность, кВт 1…30 1…5 1…4 1…30

Длина волны,

мкм 10,6 1,064 0,8…0,9 1,07

BPP, мм х мрад 3…6 22 > 200 1,3…14

КПД, % 8…10 2…3 25…30 20…25

Дальность

доставки

излучения

волокном

отсутствует 20…40 10…50 10..300

Занимаемая

площадь, кв.м 10…20 11 4 0,5

Стоимость

монтажа, отн.ед. 1 1 0,2 < 0,05

Стоимость

эксплуатации,

отн.ед.

0,5 1 0,2 0,13

Стоимость

обслуживания,

отн.ед.

1…1,5 1 4…10 0,1

Периодичность

замены ламп или

лазерных диодов,

час.

- 300…500 2000…5000 > 50 000

Из Таблицы 4 видно, что по совокупности всех характеристик непрерывные

волоконные и диодные лазеры превосходит газовые и лазеры на кристаллах с

ламповой накачкой. Преимущества этих лазеров были рассмотрены в Главе 1.

В связи с этим в экспериментальном стенде были применены волоконный и

диодный лазеры.

38

В качестве источника лазерного излучения использовался современный

волоконный лазер ЛС-4-к, внешний вид которого показан на Рис. 2.3. Лазер имеет

высокое качество излучения, высокий КПД, а также возможность доставки

излучения по гибкому оптическому световоду на большие расстояния без потери

качества.

Рис. 2.3.

Внешний вид волоконного лазера ЛС-4-к

Данный лазер имеет открытую систему управления, что позволяет без

особых проблем встраивать его в производственные линии, а также создавать

технологические комплексы на его основе. Оптические характеристики лазера

приведены в Таблице 5.

Таблица 5.

Оптические характеристики волоконного лазера ЛС-4-К

Режим работы Непрерывный, с возможностью

модуляции

Поляризация Случайная

Выходная мощность, Вт 4000

Длина волны излучения, нм 1070

Частота модуляции выходной мощности,

кГц 5

Качество выходного пучка, мм*мрад 4,5

39

В качестве другого источника лазерного излучения использовали диодный

лазерный модуль прямого действия FL002084-3 компании FocusLight мощностью

300 Вт с непрерывным режимом генерации и длинной волны 940 нм, показанный

на Рис. 2.4.

Рис.2.4.

Диодный лазерный модуль FL002084-3

Использование в данной конструкции лазера трех линеек многомодовых

лазерных диодов (по 100 Вт в линейке) в совокупности с коллимирующей

микрооптикой и цилиндрической линзой с фокусным расстоянием

f =25 мм, даёт возможность получить развёрнутое в линию пятно размером

12000x160 мкм с равномерным распределением излучения по всему сечению, как

показано на Рис. 2.5.

Рис. 2.5.

Развёртка оптической системы излучения диодного лазера

40

Пятном линейной формы можно было обрабатывать образцы без

оптической развёртки.

Для измерения мощности лазерных источников был использован приемник

излучения – головка для измерения мощности Ophir 10A (Ophir (США), внешний

вид представлен на Рис. 2.6, а основные его технические характеристики в

Таблице 6.

Рис. 2.6.

Внешний вид головки для измерения мощности Ophir 10A

Таблица 6.

Основные технические характеристики головки для измерения мощности Ophir

10A

Наименование параметра Значение

Диаметр апертуры 16 мм

Спектральный диапазон от 0,19 до 20,00 мкм

Диапазон измерения мощности от 10 мВт до 10 Вт

Диапазон измерения энергии от 6 мДж до 2 Дж

Максимальная энергия импульса 2 Дж

Максимальная средняя плотность

мощности

28 кВт/см2

Максимальная средняя мощность 10 Вт

41

2.4. Оборудование для исследования реакции покрытия и поверхности

металла стали на локальную лазерную обработку

Для оценки оптических характеристик электроизоляционного покрытия и

грунтового слоя на предмет получения порога их разрушения и прозрачности для

длины волны технологического лазера была использована методика с

применением спектрофотометра LAMBDA 950 (Perker Elmer (США). Внешний

вид спектрофотометра показан на Рис. 2.7.

Рис. 2.7.

Внешний вид спектрофотометра LAMBDA 950

Спектрофотометр Lambda 950 содержит отражающую оптическую систему

с двойным монохроматором, основные внутренние элементы прибора

представлены на Рис. 2.8.

Рис. 2.8.

Оптическая система спектрофотометра Lambda 950

42

1 – источники излучения;2 – монохроматоры с двойной голографической

решеткой; 3 – лучевая маска, позволяет регулировать высоту пучка в

соответствии с размерами образца; 4 – деполяризатор луча;5 – прерыватель,

обеспечивает переключение между опорным и измеряемым пучком; 6 –

аттенюатор, для точного измерения высокопоглощающих образцов; 7 – отсек для

разных типов образцов; 8 – высокочувствительный фотоумножитель и детектор

PbS; 9 – сменная приставка для измерения спектральной характеристики

отражения либо пропускания

Оптические компоненты прибора покрыты кварцем, что увеличивает их

долговечность. В каждом монохроматоре используется голографическая решётка

для УФ и видимого диапазонов и ближнего ИК – диапазона.

В Таблице 7 представлены основные технические характеристики

спектрофотометр LAMBDA 950.

Таблица 7.

Основные технические характеристики спектрофотометр LAMBDA 950

Наименование Значение

Общие характеристики Двойной луч, двойной

монохроматор

Оптическая система Полностью отражающая

оптическая голографическая

решётка монохроматора с

1440 линий/мм в диапазоне

до 240 нм и 360 линий/мм в

диапазоне до 1100 нм

Диапазон длин волн от 175 нм до 3300 нм

Разрешение для УФ и видимого диапазонов ≤0,05 нм

Разрешение для ближнего ИК- диапазона ≤0,20 нм

Датчик Высокоэнергетический

фотоумножитель R6872 для

всего УФ и видимого

диапазонов.

43

Таблица 7.(продолжение)

Наименование Значение

Источник излучения Вольфрамовый галогенный и

дейтериевый

Точность выставки длины волны

для УФ и видимого диапазонов

для ближнего ИК-диапазона

± 0,08 нм

± 0,30 нм

Воспроизводимость длины волны

УФ и видимый диапазоны (дейтеривая лампа)

ближний ИК-диапазон (дейтеривая лампа)

Стандартное отклонение для 10 измерений в УФ и

видимом диапазонах

Стандартное отклонение для 10 измерений в

ближнем ИК-диапазоне

≤0,020 нм

≤0,080 нм

≤0,005 нм

≤0,020 нм

Полоса пропускания

в УФ и видимом диапазонах

в ближнем ИК-диапазоне

от 0,05 до 5,00 нм с шагом

0,01 нм

от 0,20 до 20,00 нм с шагом

0,04 нм

Для измерения спектральной характеристики отражения использовали

сменную приставку, внешний вид и оптическая схема которой представлены на

Рис. 2.9 и Рис. 2.10 соответственно.

Рис. 2.9.

Внешний вид приставки для измерения спектральной характеристики

отражения

44

Рис. 2.10.

Оптическая схема измерения спектральной характеристики отражения:

1 – отклоняющие зеркала; 2 – система переотражения; 3 – измерительная головка

2.5. Оборудование и методики измерения магнитных характеристик

В действующих стандартах на холоднокатаные анизотропные (ГОСТ

21427.1-83) нормируются удельные магнитные потери при частоте тока 50 Гц и

магнитной индукции В=1,0; 1,5 и 1,7 Тл (P1,0/50, Р1,5/50 и P1,7/50 Вт/кг соответственно

(последняя характеристика только для анизотропной стали) и по величине

магнитной индукции при напряженности магнитного поля Н= 100; 1000, 2500 А/м

B100, B1000, B2500 Тл соответственно (первая характеристика только для

анизотропной стали). Для изотропной стали гарантируется однородность

магнитных свойств в плоскости листа – установлена максимальная допустимая

разность магнитной индукции B2500 Тл при измерении в продольном и

поперечном направлениях.

Стандартные методики определения магнитных и электрических свойств

трансформаторных сталей описаны в соответствующих ГОСТах.

ГОСТ 12119.0-98 Сталь электротехническая. Методы определения

1 2

3

45

магнитных и электрических свойств. Общие требования

ГОСТ 12119.1-98 Сталь электротехническая. Методы определения

магнитных и электрических свойств. Методы измерения магнитной индукции и

коэрцитивной силы в аппарате Эпштейна и на кольцевых образцах в постоянном

магнитном поле

ГОСТ 12119.2-98 Сталь электротехническая. Методы определения

магнитных и электрических свойств. Метод измерения магнитной индукции в

пермеаметре

ГОСТ 12119.3-98 Сталь электротехническая. Методы определения

магнитных и электрических свойств. Метод измерения коэрцитивной силы в

разомкнутой магнитной цепи

ГОСТ 12119.4-98 Сталь электротехническая. Методы определения

магнитных и электрических свойств. Метод измерения удельных магнитных

потерь и действующего значения напряженности магнитного поля

ГОСТ 12119.5-98 Сталь электротехническая. Методы определения

магнитных и электрических свойств. Метод измерения амплитуд магнитной

индукции и напряженности магнитного поля

ГОСТ 12119.6-98 Сталь электротехническая. Методы определения

магнитных и электрических свойств. Метод измерения относительной магнитной

проницаемости и удельных магнитных потерь мостом переменного тока

ГОСТ 12119.7-98 Сталь электротехническая. Методы определения

магнитных и электрических свойств. Метод измерения удельного электрического

сопротивления мостом постоянного тока

ГОСТ 12119.8-98 Сталь электротехническая. Методы определения

магнитных и электрических свойств. Метод измерения коэффициента

сопротивления изоляционного покрытия

Магнитные измерения образцов до и после лазерной обработки проводились

на установке измерения магнитных характеристик MPG 100D фирмы

BROCKHAUS MESSTECHNIK, Германия с использованием измерительного

датчика для образцов шириной 30 мм.

46

Установка для магнитных измерений МРG 100 D предназначена для

автоматического измерения магнитных характеристик образцов из анизотропной

электротехнической стали по методике ГОСТ 12119.4, ГОСТ 12119.5 в аппарате

Эпштейна. Внешний вид установки показан на Рис. 2.11.

а

б в г

Рис. 2.11.

Установка для магнитных измерений МРG 100 D: а – внешний вид установки; б –

датчик пробы Эпштейна; в – однополосочный датчик; г – цельнолистовой датчик

Принцип действия установки основан на создании заданного значения

амплитуды напряженности магнитного поля в первичной обмотке аппарата

47

Эпштейна, листового и однополосочного аппаратов, внутри которых помещены

образцы, и измерении амплитуды магнитной индукции на вторичной обмотке

аппарата Эпштейна, листового и однополосочного аппаратов. Процесс измерения

полностью автоматизирован.

Вывод результатов измерений осуществляется: в числовом и графическом

виде на экран монитора; в виде файла; на бумажном носителе в виде графиков,

таблиц, протоколов, статистических данных.

Управление работой установки производится оператором с общего пульта

управления и клавиатуры и манипулятора компьютера.

Основные технические характеристики установки представлены в Таблице 8.

Таблица 8.

Основные технические характеристики установки МРG 100 D для магнитных

измерений стали

Наименование характеристики Ед.

изм.

Значение

характеристики

1 2 3

Диапазон задаваемых значений частот

перемагничивания

Гц от 20 до 100

Диапазон задаваемых значений амплитуды

напряженности магнитного поля А/м от 1 до 5000

Диапазон измерений амплитуды магнитной индукции Тл от 0,03 до 2,0

Относительная погрешность измерения амплитуды

магнитной индукции при заданном значении Нm для

доверительной вероятности 0,95; не более:

- в аппарате Эпштейна

- в листовом и однополосочном аппаратах

%

%

± 1,5

± 3,0

Диапазон измерений удельных магнитных потерь Вт/кг от 0,4 до 20

48

Таблица 8. (продолжение)

1 2 3

Относительная погрешность измерения удельных

магнитных потерь при заданном значении Вm для

доверительной вероятности 0,95; не более:

- в аппарате Эпштейна

- в листовом и однополосочном аппаратах

%

%

± 2,5

± 5,0

Коэффициент формы кривой напряжения - от 1,10 до 1,12

Параметры электрического питания:

- напряжение питающей сети

- частота питающей сети

В

Гц

от 360 до 400

от 49,5 до 50,5

Условия эксплуатации:

- температура окружающего воздуха

- относительная влажность воздуха (при t=25ºС),

не более

0C

%

от плюс 15 до

плюс 25

80

Размеры листовых образцов:

- длина

- ширина

-толщина

мм

мм

мм

до 600

до 500

от 0,15 до 1,0

Установка оснащена специальным программным обеспечением, работающим

в среде Windows.

Методика измерений заключается в следующем. Измеряемые образцы в

количестве 28 штук укладываются попеременно с нахлестом. Предварительно

производится взвешивание всей пробы Эпштейна в стопке из 28 шт. на

поверенных электронных весах с точностью до 0,01 г. Пробоподготовка

предусматривает отбор листовой пробы размером во всю ширину листа на длину

300 мм с необходимым запасом для рубки на гильотинных ножницах. После резки

и маркировки с учётом исходного местоположения образцов производится отжиг

49

образцов в проходной печи в среде азота для снятия напряжений после вырубки

при температуре 850 С. Используется для аттестационных испытаний.

Цельнолистовой датчик применяется для измерения образцов размером

500х500 мм, или 500х600 мм. Пробоподготовка обязательно учитывает

направление прокатки, а образец помещается в датчик строго поперек данного

направления. Отжиг после пробоподготовки на гильотинных ножницах не

проводится в связи с незначительным наклепом относительно площади образца.

Однополосочный датчик позволяет измерить один образец размером

300х35 мм из пробы Эпштейна. Предварительно образец взвешивается на

электронных весах с точностью 0,01 г. Используется для оперативного измерения

магнитных характеристик при опытных работах по отработке новых

технологических режимов производства, в том числе и лазерной обработки.

Во всех процессах измерения после закладки образцов включается

напряжение для намагничивания магнитоизмерительных катушек, встроенных в

датчики, и после намагничивания снимаются показания магнитных потерь, в Вт,

которые пересчитываются с учётом веса образца при разных значениях частоты и

магнитной индукции, измерения в Тл.

Чем ниже значение удельных магнитных потерь и выше магнитная индукция,

тем лучшими магнитными характеристиками обладает измеряемый материал.

2.6. Методика экспресс-оценки изменения магнитных характеристик

трансформаторной стали после лазерной обработки

Для оперативности проведения измерений в процессе создания барьеров

лазерным излучением на трансформаторной стали была разработана методика

экспресс-оценки изменения магнитных характеристик без создания специальных

образцов и проведения магнитных измерений.

Методика основана на оценке картины доменной структуры. Учитывается

характер изменения очертаний границ ДС.

Принцип визуализации доменной структуры основан на использовании

взвеси магнитоактивных частиц в растворе под действием магнитного поля.

50

Для наблюдения за изменением доменной структуры применяли

визуализатор доменной структуры «Domen Viewer». Прибор представляет собой

тороид диаметром 250 мм, в корпусе которого размещена магнитная катушка. С

одной стороны тороид закрыт прозрачным окном, а с другой стороны гибкой

мембраной. В полость между мембраной, стеклом и образующей тороида через

отверстие залит раствор магнитоактивных частиц. Питание к прибору подаётся по

кабелю, прикреплённому к корпусу тороида.

Поскольку трансформаторная сталь имеет остаточную намагниченность, при

наведении магнитного поля посредством пропускания постоянного тока через

обмотку катушки, частицы порошка концентрируются по границам доменной

структуры. Этот эффект позволяет визуально наблюдать картину доменной

структуры, что позволяет ее анализировать. Внешний вид прибора показан на Рис.

2.12.

Рис. 2.12.

Внешний вид визуализатора доменной структуры «Domen Viewer»:

1 – тороид; 2 – прозрачное стекло; 3 – заглушка для заливки раствора

магнитоактивных частиц; 4 – кабель для подвода напряжения

Наглядные результаты получают на предварительно измеренных образцах с

известными магнитными характеристиками. Таким образом возможно без особой

подготовки поверхности, требующейся, например, при наблюдении посредством

поляризации отраженного света (эффект Керра), визуализировать и наблюдать

картину доменной структуры без специального дополнительного оборудования.

1

2

3

4

51

2.7. Методика измерения электросопротивления изоляционного

покрытия трансформаторной стали после лазерной обработки

Для оценки сохранения целостности изоляционного покрытия

трансформаторной стали после лазерной обработки была разработана

соответствующая методика, основанная на измерении электросопротивления

изоляционного покрытия.

Результаты измерений используются для оценки качества покрытия и

корректировки режимов лазерной обработки.

Для измерений до и после лазерной обработки используют образцы размером

100х200 мм. Измерение электросопротивления покрытия производится со

стороны лазерной обработки.

Измерения электросопротивления проводят следующим образом. На

поверхность образца произвольным образом наносятся капли соляного раствора в

виде пятен диаметром ~ 10мм (Рис. 2.13).

Рис. 2.13.

Схема распределения капель солевого раствора (лужиц) на поверхности листа:

1 – капля солевого раствора; 2 – след лазерной обработки

В качестве соляного раствора используется раствор поваренной соли с

концентрацией 10–15 г/л. Измерение сопротивления проводится с помощью

1 2

52

лабораторного тестера (омметра) таким образом, что один из зондов прикасается

к металлическому торцу карты, другой погружается в лужицу. Количество точек

измерения для пробы до лазерной обработки должно составлять не менее пяти;

для пробы после обработки – не менее 15. Замыкание цепи в этом случае

происходит через участок покрытия, смоченный электропроводящим соляным

раствором, как показано на Рис. 2.14.

Рис. 2.14.

Схема измерения электросопротивления изоляционного покрытия: 1 – омметр;

2,3 – щупы омметра; 4 – капля солевого раствора;

5 – изоляционное покрытие; 6 – лист стали

Данные измерений усредняются. На основании сравнения средних значений

дается оценка состояния покрытия, устанавливается наличие пробоев и степень

разрушения электроизоляционного слоя. Для оценки качества покрытия была

принята следующая классификация его состояния после лазерной обработки для

трех значений отношения исходного электросопротивления R0 к

электросопротивлению RЛО после лазерной обработки:

- +

4 5 2

3

1

6

53

1. R0/RЛО ≥ 2 – покрытие неудовлетворительное (требуется корректировка

режимов лазерной обработки);

2. R0/RЛО ≥ 1,5 – покрытие удовлетворительное (возможна корректировка

режимов);

3. R0/RЛО < 1,5 – покрытие удовлетворительное (корректировка не требуется).

2.8. Оборудование и методики исследования структуры материала

трансформаторной стали, обработанной лазерным излучением

Для проведения металлографических исследований структуры материала

трансформаторной стали, обработанной лазерным излучением, использовали

специальное оборудование и методики.

Шлифы готовили по следующей методике. Для изготовления образцов для

шлифов использовали автоматический отрезной станок фирмы Struers Discotom-6

(Рис. 2.15). Запрессовку осуществляли на автоматическом прессе для горячей

запрессовки Struers CitoPress-20 (Рис. 2.16), а шлифовании и полировку на станке

Struers Tegramin-30 (Рис. 2.17).

Рис. 2.15.

Автоматический отрезной станок фирмы Struers Discotom-6

54

Рис. 2.16.

Автоматический прессе для горячей запрессовки Struers CitoPress-20

Рис. 2.17.

Шлифовально-полировальный станок Struers Tegramin-30

Шлифы после полировки подвергали травлению с помощью реактива

Келлера: 0,5 мл HF(конц.) – 1,5 мл HCl(конц.) – 2,5 мл HNO3(конц.) – 95,5 мл

H2O.

Микроструктуру исследовали на световом микроскопе Olympus GX51,

показанном на Рис. 2.18.

55

Рис. 2.18.

Внешний вид микроскопа Olympus GX51

56

Выводы по Главе 2

1.Выбран состав и марки анизотропной электротехнической стали для проведения

исследований по лазерной обработке. В частности, это марки

NV27S-110 толщиной 0,27 мм и NV30S-120 толщиной 0,30 мм.

2. Разработан экспериментальный стенд для нанесения линий дробления доменов

на сталь излучением твердотельных лазеров.

3. Выбраны модели волоконного и диодного лазеров для обработки

электротехнической стали.

4.Выбрано оборудование и разработана методика измерений магнитных

характеристик стали после лазерной обработки.

5. Выбрано оборудование и разработана методика экспресс-оценки изменения

магнитных характеристик в процессе лазерной обработки с использованием

порошкового способа визуализации картины доменной структуры.

7. Разработана методика измерения электросопротивления изоляционного

покрытия трансформаторной стали после лазерной обработки

8. Выбрано оборудования для металлографических исследований.

57

Глава 3. Физические особенности формирования линий дробления

доменов на поверхности трансформаторной стали лазерным излучением

При производстве современных анизотропных электротехнических сталей на

основе Fe-Si путем прокаток и термообработок повышают степень совершенства

ребровой кристаллографической текстуры (110)[001], увеличивая вдоль оси [001]

ленты магнитную проницаемость и индукцию. Однако при этом вырастают

крупные кристаллы и уменьшаются магнитные поля рассеяния над ними. В

результате формируются магнитные полосовые 180 градусные домены большой

толщины [33], как показано на Рис. 3.1.

Рис. 3.1.

Крупнозернистая структура прокатанной трансформаторной стали с

магнитными полосовыми 180 градусными доменами большой толщины

При перемагничивании материала это приводит к увеличению скорости

смещения доменных границ и, следовательно, к возрастанию магнитных потерь

за счет роста их вихретоковой составляющей Pce до 80% от полных магнитных

58

потерь [34,35]. Ленты аморфных и нанокристаллических сплавов на основе Fe-Si

c продольной одноосной магнитной анизотропией также имеют большие домены

и магнитные потери. В связи с этим возникает первоочередная задача

нахождения и развития эффективных физических методов и технологий,

направленных на уменьшение ширины основных полосовых магнитных доменов

в текстурованных электротехнических материалах, в том числе в широко

используемых железокремнистых сталях с ребровой кристаллографической

текстурой.

Перспективное решение проблемы снижения магнитных потерь в

анизотропных крупнозернистых электротехнических сталях и аморфных

магнитомягких сплавах, как было сказано в Главе 1, заключается в уменьшении

ширины магнитных доменов и изменении их структуры в узких зонах. Такой

метод реализуется путём создания линий дробления доменов на поверхности

стали [37].

Под структурными барьерами в общем случае понимают закономерно

расположенные протяжённые участки, отличающиеся от основного материала

по химическому составу, структуре, текстуре, характеру упруго-напряжённого

состояния плотности структурных дефектов, выделениям второй фазы. В

магнитном отношении на структурных барьерах сосредотачиваются магнитные

заряды, приводящие к появлению замыкающих доменов и ограничивающие

размеры основных доменов [38]. Такие зоны можно создавать путём

воздействия на поверхность трансформаторной стали лазерным излучением.

3.1. Особенности лазерного излучения, формирующего структурные

барьеры в трансформаторных сталях

Энергия лазерного излучения, при взаимодействии с поверхностью

трансформаторной стали, расходуется на несколько процессов, схематично

показанных на Рис. 3.2.

59

Рис. 3.2.

Схема расхода энергии лазерного излучения при взаимодействии с

поверхностью трансформаторной стали

Попадая на поверхность стали с электроизоляционным покрытием лазерное

излучение частично отражается, а частично идёт на образование плазменного

факела:

QЛ 1= QЛ

–( Qф + Qотр) (3.1)

Затем, оставшаяся часть энергии нагревает материал и зону термического

влияния:

QТ + Qзтв = QЛ – QЛ 1 (3.2)

Механизмы взаимодействия лазерного излучения с металлами можно

представить следующим образом. Лазерное излучение является элек-

тромагнитной волной или потоком фотонов, металлы с физической точки зрения

можно представить как жесткий остов ионов, опущенный в электронную

жидкость (газ) свободных электронов, которые движутся хаотически с тепловой

скоростью. При этом свободные электроны в металлах движутся равновероятно

во всех направлениях. При падении лазерного луча на поверхность металла

свободные электроны, движущиеся в данный момент под любым углом, не

равным нулю по отношению к нормали (ось Z), поглощают фотоны и

приобретают избыточную энергию, т.е. на тепловое движение свободного

60

электрона накладывается колебательное движение с частотой, равной частоте

длине волны лазерного излучения. В процессе теплового движения свободные

электроны сталкиваются с ионами решетки и передают им свою избыточную

энергию, полученную при поглощении фотона. Часть этой энергии переходит в

дополнительную энергию решетки и происходит повышение ее температуры.

Другая часть энергии, и причем, большая, переизлучается к поверхности с той же

частотой и фазой. Доля переизлученной энергии зависит от длины волны

лазерного излучения и концентрации свободных электронов, то есть

электропроводности металлов. Чем короче длина волны лазерного излучения и

меньше электропроводность металлов, тем большая доля энергии поглощается и

меньшая доля отражается. Для длин волн, больших 4мкм, коэффициент

отражения R и соответственно коэффициент поглощения А рассчитываются по

формулам Хагена-Рубенса [30].

(3.3)

, (3.4)

где: ν – частота;

λ – длина волны ;

с-скорость света в вакууме;

σ= σMk

σM- электропроводность металла;

к = 1/ 4πε0.

Определение коэффициентов поглощения и отражения необходимо для

выбора более эффективной модели лазера по его оптическим характеристикам

для обработки трансформаторной стали.

Для длины волны λ= 10,6 мкм (СO2 – лазеры) формула 3.3 для

коэффициента поглощения А примет следующий вид:

61

(3.5)

Для определения коэффициента поглощения длин волн меньших 4мкм,

приходится использовать или справочные данные, или измерять их

экспериментально с использованием различных методик в зависимости от

состояния поверхности материала. В случае зеркальной поверхности материала

коэффициент отражения измеряется непосредственно путем определения доли

отраженной мощности лазерного излучения. При высоких уровнях

шероховатости коэффициент отражения измеряется с помощью

фотометрического шара. Значение коэффициента отражения находится из

зависимости:

А = 1 – R (3 .6)

Еще более усложняется задача при определении коэффициента поглощения

сплавов. Для сплавов и сталей коэффициент поглощения определяется

практически всегда экспериментально. В разных литературных источниках

значения коэффициентов поглощения для одного и того же металла могут

несколько отличаться, что может быть связано с различными условиями

измерения, степени чистоты металла и состоянием его поверхности. В целом же

наблюдаются следующие закономерности – это рост коэффициента поглощения с

уменьшением электропроводности и длины волны лазерного излучения. Такие же

закономерности наблюдаются и для сплавов, однако они могут носить более

сложный характер. На коэффициент поглощения оказывают существенное

влияние вид предварительной обработки материала детали, шероховатость

поверхности и наличие различных покрытий на обрабатываемой поверхности.

Эти условия особенно важны для обработки трансформаторной стали, так как она

обычно покрывается электроизоляционным покрытием и имеет очень низкую

шероховатость. Предварительная обработка стали (закалка, ее величина, отпуск,

отжиг) также влияет на величину коэффициента поглощения. В этом случае

62

коэффициент поглощения можно оценить по степени изменения

электропроводности стали после проведения различных видов предварительной

обработки. Увеличение степени шероховатости обрабатываемой поверхности

приводит к возрастанию коэффициента поглощения в том случае, когда высота

неровностей больше длины волны λ лазерного излучения. Поэтому при обработке

лазерным излучением твердотельных лазеров с длиной волны ≤1,06мкм

коэффициент поглощения А будет существенным образом зависеть от вида

предварительной механической обработки, с ростом высоты неровностей

значение А будет повышаться. Это будет связано с тем, что отражение от

зеркальной поверхности будет переходить вначале в зеркально-диффузное, а

затем в чисто диффузное (Рис. 3.3).

а) б)

Рис. 3.3.

Схема процесса взаимодействия лазерного излучения с поверхностью

обрабатываемого материала, а – зеркальное отражение; б – диффузное отражение

В этих случаях лазерный луч вместо одного взаимодействия с

поверхностью, при зеркальном отражении, будет испытывать два и более

взаимодействий с поверхностью при диффузном отражении. Коэффициент

поглощения А при этом можно оценить из выражения:

A = l - ( R 1 R 2 R n ) , (3.7)

где R1, R2, Rn – коэффициенты отражения соответственно при первом, втором

и n-ом взаимодействиях.

Методы предварительной механической обработки поверхности практически

не сказываются на значениях коэффициента поглощения А при лазерной

обработке СО2- лазерами, так как в этом случае длина волны ЛИ (λ=10,6мкм)

63

практически всегда значительно больше высоты неровностей и отражение

становится зеркальным.

Наличие на поверхности окисных и другого вида пленок толщиной,

соизмеримой с половиной длины волны лазерного излучения, приводит к

возрастанию величины коэффициента поглощения А.

На величину коэффициента поглощения при лазерной обработке сильное

влияние оказывает также температура зоны обработки, значение которой зависит

от времени воздействия излучения и вида технологической операции обработки.

С ростом температуры коэффициент поглощения А повышается, так как падает

электропроводность металлов. Изменение значение А от температуры

описывается следующим выражением:

А(Т)=А0+А1Т , (3.8)

где А0 – коэффициент поглощения при комнатной температуре; A1 –

константа; Т - температура поверхности.

Таким образом, шероховатость поверхности, её физическое состояние,

температура и ряд других факторов определяют тип лазера, который лучше

применить для обработки в данных условиях. Нами были выбраны твердотельные

лазеры, а именно волоконные и диодные.

Попадая на поверхность металла, лазерный луч нагревает её. Так как для

нашего случая рассматривается поверхностный мощный быстродвижущейся

источник [40], механизм нагрева металла лазерным излучением представляется

следующим образом.

Лазерное излучение поглощается электронами металла в скин-слое его

поверхности. Глубину скин-слоя для лазерного излучения можно оценить по

формуле:

, (3.9)

где σ – электропроводность обрабатываемого металла;

ω-2πс/λ – циклическая частота лазерного излучения;

с – скорость света в вакууме;

64

λ – длина волны составляет 10-5

– 10-9

м.

Для большинства металлических материалов толщина скин-слоя составляет

несколько микрон. Процесс передачи тепла металлу происходит за счет

столкновений электронов, поглотивших лазерное излучение, с кристаллической

решеткой и другими электронами. Этот процесс развивается на глубине от 0,1 до

1,0 мкм, за промежуток времени примерно равный 10-11

с. То есть эта величина

несоизмерима мала по сравнению с глубиной лазерной обработки и источник

нагрева можно считать чисто поверхностным. Постепенно температура

электронного газа и кристаллической решетки выравниваются и, примерно через

10-9

÷ 10-8

с., можно говорить об общей температуре металла в зоне обработки. То

есть лазерное излучение имеет поверхностный характер поглощения.

Расстояние, на которое может распространяться тепловой фронт за время

воздействия лазерного излучения, приближенно можно определить по формуле:

, (3.10)

где:

t – время воздействия лазерного излучения;

а – здесь температуропроводность материала.

Температуропроводность определяеется по формуле:

а = λT/ сρ, (3.11)

где:

λT – теплопроводность материала;

с – теплоемкость материала;

ρ – плотность материала.

Из этого выражения видно, что глубина прогрева определяется не только

временем воздействия, но и теплофизическими свойствами обрабатываемого

материала.

Скорость распространения теплового фронта можно определить по формуле:

νT = dlT/dt = a/t (3.12)

65

Используя данные выражения можно ориентировочно оценить

эффективность воздействия того или иного источника на обрабатываемую сталь.

Аналитическое описание температурного поля в облучаемой пластине стали

может быть получено с помощью решения одномерной задачи нагрева пластины

толщиной l постоянным тепловым потоком q0 через плоскость z=l по формуле

[ 40 ]:

, (3.13)

где:

q0 – плотность мощности источника;

λ – коэффициенты теплопроводности;

ρ – плотность материала;

с – теплоемкость материала;

z – расстояние распространения температуры;

t – время воздействия источника.

l – толщина пластины.

Температурное распределение по формуле (3.13) есть сумма линейной

функции времени и корректирующего фактора, который является функцией

времени и положения. Расчёт по этому выражению в программе ANSYS позволил

определить температуры поверхности в зависимости от режимов обработки. На

Рис. 3.4 показаны результаты расчетов в графическом виде. Было установлено,

что режимы, обеспечивающие образование линий дробления доменов и не

разрушающие электроизоляционного покрытия, которые будут рассмотрены в

Главе 4, нагревают поверхность не выше 300 0С. Как показали исследования

микроструктуры, при таких температурах не происходит рекристаллизации

обработанной стали и не разрушается покрытие.

66

а

б

в

Рис. 3.4.

Отображение расчёта температуры поверхности в программе ANSYS для

различных режимов нанесения линий дробления доменов излучением

волоконного лазера: а – низкий режим; б – оптимальный режим;

в – режим перегрева

67

После деформирования и термической обработки на трансформаторную

сталь наносится электроизоляционное покрытие. Лазерная обработка, для

создания линий дробления доменов, осуществляется на последней стадии

изготовления трансформаторной стали, то есть по электроизоляционному

покрытию. В связи с этим, необходимо исследовать свойства этого покрытия с

точки зрения поглощения им лазерного излучения. Так как основной задачей

работы является обработка поверхности без разрушения электроизоляционного

покрытия, необходимо исследовать их поглощательные свойства при

воздействии, выбранного нами, лазерного излучения волоконных и диодных

лазеров с длинами волн в диапазоне от 0,8 до 1,07 мкм.

Рассмотрим общие вопросы взаимодействия лазерного излучения с

диэлектриками. В связи с тем, что диэлектрики не имеют свободных электронов

(ширина запрещенной зоны больше 3 эВ), то лазерное излучение может

взаимодействовать только со связанными электронами материала. Это

происходит тогда, когда частота электромагнитной волны лазерного излучения

совпадает или близка к частоте вращения валентных электронов атомов или

молекул диэлектрика, которые определяются по формуле [41]:

νBЭ= ν/2πrA , (3.14)

где:

νBЭ – частота вращения валентных электронов атомов или молекул

диэлектрика;

ν- частота колебаний электромагнитной волны лазерного излучения;

В этом случае происходит поглощение энергии лазерного излучения. При

несовпадении вышеуказанных частот излучение проходит через диэлектрик без

взаимодействия, то есть не поглощается. Коэффициент поглощения А для

диэлектриков в общем случае определяется из выражения:

A=1-(R+τ) , (3.15)

где τ – коэффициент пропускания.

68

Коэффициент отражения R для диэлектриков не высок (0,04-0.1), поэтому

величина коэффициента поглощения А определяется в основном значением

коэффициента пропускания τ, величина которого зависит от типа диэлектрика, его

толщины и длины волна лазерного излучения. В каждом конкретном случае

необходимо проводить измерения коэффициента пропускания различных

материалов при соответствующей длине волны.

Для оценки оптических характеристик электроизоляционного покрытия на

предмет получения порога их разрушения и прозрачности для длин волн,

используемых технологических лазеров, были проведены исследования их

отражательной способности.

Для измерений был использован спектрофотометр LAMBDA 950 (Perker

Elmer (США), конструкция и технические характеристики которого,

представлены в Главе 2. Для измерения спектральной характеристики отражения

использовали сменная приставку, конструкция, принцип действия и

характеристики которой также представлены в Главе 2.

Исследования проводили на образцах из трансформаторной стали размером

305х30х0,27 мм (Рис. 3.5) прошедшей все стадии обработки и покрытых

электроизоляционным покрытием, состав которого представлен в

Главе 2.

Рис. 3.5.

Внешний вид образцов для определения спектральных характеристик

отражения лазерного излучения

69

Полученные спектральные характеристики отражения покрытых образцов

показаны на Рис. 3.6.

Рис. 3.6.

Спектральная характеристика отражения электроизоляционного покрытия

Как видно на спектрограммах, в диапазоне длин волн от 800 до 1070 нм

образцы имели минимальное отражение, не более 2,0%, а при увеличении длины

волны отражение резко увеличивалось.

Это свидетельствует о том, что при использовании волоконных и диодных

лазеров, с длиной волны излучения 970 нм и 1070 нм соответственно,

электроизоляционное покрытие будет максимально пропускать излучение и

соответственно не нагреваться и не разрушаться при создании линий дробления

доменов на поверхности трансформаторной стали.

3.2. Исследование влияния термодеформационного состояния

анизотропной электротехнической стали на магнитные свойства после

воздействием лазерного излучения

При изготовлении трансформаторная сталь возникают различного рода

напряжения, оказывающие существенное влияние на её магнитные свойства.

Основная причина этого явления - высокая чувствительность к напряжениям

магнитной текстуры металла.

Напряжения могут быть термического, химико-термического и

70

механического характера [39]. В результате материал испытывает как упругую,

так и пластическую деформацию.

Необходимо знать методы выявления этих напряжений и величину их

влияния на магнитные свойства.

Вследствие происходящих процессов в материале на последнем этапе

технологического процесса производства электротехнической анизотропной

стали – нанесения электроизоляционного покрытия и выпрямляющего отжига при

температуре 850°С, готовая сталь имеет особое термодерформационное

состояние. Нанесенное покрытие имеет коэффициент термического расширения в

4 раза меньше, чем у стали, что позволяет фиксировать растянутое состояние

стальной основы и благоприятно сказывается на магнитной проницаемости. То

есть деформации, превышающие предел упругости, приводят к остаточным

механическим напряжениям.

Остаточные механические напряжения являются следствием остаточных

деформаций (искажений) кристаллической решётки, возникающих в стали в

результате внешних воздействий: механических, тепловых, электрических,

магнитных. Магнитные свойства наиболее чувствительны к остаточным

механическим напряжениям. Остаточные механические напряжения, приводящие

к необратимым объёмным изменениям из-за пластических деформаций,

сохраняются в стали после снятия нагрузки и способствуют ухудшению

магнитных свойств [42].

Лазерная обработка в результате нагрева локальных зон (линий) приводит к

деформации материала поперёк направления прокатки, в результате чего, после

охлаждения в диапазоне от 20 до 220°С, образуются остаточные напряжения.

Изначально, в исходном материале, деформации, а как следствие, напряжения

распределены по границам образованной зерённой структуры.

Существует несколько методов оценки деформационного состояния

трансформаторной стали после её изготовления и последующей обработки.

Геометрический метод связан с оценкой упругих остаточных напряжений по

стреле изгиба образца.

71

При расчёте напряжений, приводящих к изгибу образца, используют

формулу [39]:

, (3.14)

где:

Е100 – коэффициент упругости металла вдоль направления прокатки;

d – толщина металла;

R – радиус изгиба стрелы.

Если выразить R через стрелу изгиба образца h и хорду длины l то уравнение

примет более удобный для практических расчётов вид:

(3.15)

То есть, для вычисления напряжений необходимо определить только стрелу

изгиба образца.

Для качественной оценки напряжённого состояния стали, после

термического воздействия, нами была разработана методика определения

внутренних напряжений, основанная на сравнении изменения магнитных свойств

материала до термического воздействия и после него.

Для измерений изготавливают образцы, вырезанные из полосы готовой

стали, прошедшей обработку. Образцы имеют размер 150305мм при толщине

листа 0,27 мм. Размер образцов выбирался из следующих соображений. Во

первых, при отжиге в проходной печи образцы не испытывают коробления

поверхности, характерного для листовых образцов 500500мм. Во вторых, в

отличие от стандартных образцов Эпштейна, имеющих размер 30530мм краевой

наклеп при вырезке образцов 150305мм минимален и не превышает 2% в

пересчете на величину удельных потерь перемагничивания.

Перед проведением отжига в проходной печи измеряют магнитные свойства

образцов на магнитоизмерительной установке MPG 100D c использованием

датчика SST 150х300, устройство и характеристики которых рассмотрены в

72

Главе 2. Затем измеренные образцы отжигают в проходной печи для снятия

внутренних напряжений. После отпуска образцов в проходной печи повторно

измеряются магнитные характеристики.

Рассчитываются показатели внутренних напряжений в металле по формулам:

Т1= 1

6∑ |Р𝑖

(отж 1)− 0,98Р𝑖

(исх)|6

𝑖=1 (3.16)

Т2= 1

6∑ (Р𝑖

(отж 1)− 0,98Р𝑖

(исх))6

𝑖=1 , (3.17)

где:

Р𝑖(отж)

– магнитные потери в отожженном образце;

Р𝑖(исх)

- магнитные потери в исходном образце.

Модульная оценка напряжений Т1, рассчитанная по формуле 3.16,

характеризует степень отклонения внутреннего состояния металла от своего

равновесного (ненапряженного) состояния. Показатель Т1 не учитывает знака

внутренних напряжений, обусловленного сжатием или растяжением в образце, и

показывает абсолютную величину напряжений в среднем по ширине полосы.

Относительная оценка внутренних напряжений Т2, рассчитанная по формуле

3.17, отражает потенциальные изменения значений Р1,7/50 которые будут возникать

при отпуске стали. Если Т2 <0, то отпуск стали приводит к снижению удельных

потерь; при Т2 >0 потери могут возрастать. Параметры Т1 и Т2 позволяют, в

частности, судить о степени влияния термического воздействия на магнитные

свойства материала.

Показателем количественной оценки внутринапряженного состояния металла

является обобщающий параметр Т, представляющий собой сумму значений Т1 и

Т2

Т = Т1 + Т2 (3.18)

Используя обобщённый параметр Т была проведена классификация

напряженного состояния готовой трансформаторной стали, используя бальную

систему. Результаты такой классификации представлены в Таблице 9.

73

Таблица 9.

Классификация напряженного состояния готовой трансформаторной стали по

баллам в зависимости от величины обобщенного параметра Т.

Значение

параметра Т, Вт/кг

Балл Состояние внутренних напряжений

0 - 0,010 0 Внутренние напряжения отсутствуют

0,011 - 0,020 1 Внутренние напряжения незначительные

0,021 - 0,040 2 Внутренние напряжения типичные

0,041≤ 3 Внутренние напряжения значительные

Из данных Таблицы 9 видно, что по обобщенному параметру Т можно

качественно классифицировать сталь в процессе изготовления. Данная методика

используется для анализа качества проката, определения неоднородности

характеристик трансформаторной стали по длине (ширине) полосы и решения

различных исследовательских задач.

Эта методика, так же может быть использована для оценки напряжённого

состояния трансформаторной стали после обработки её лазерным излучением.

Однако, она даёт только общую картину возникающих напряжений, не раскрывая

механизма влияния нанесения линий дробления доменов на намагниченность

стали.

Для этих целей необходимо использовать физические методы, к которым

относятся рентгеновский (по искажению кристаллической решётки) и

порошковый метод наблюдения изменения дислокационной и доменной

структуры [45-47].

В дальнейших исследованиях нами был применён порошковый метод

наблюдения изменения доменной структуры под воздействием внутренних

напряжений, создаваемых структурными барьерами, полученными за счёт нагрева

металла лазерным излучением.

74

3.3. Исследование распределения намагниченности анизотропной

электротехнической стали после лазерной обработки

Для оценки влияния внутренних напряжений, создаваемых структурными

барьерами, полученными за счёт нагрева металла лазерным излучением, на

магнитные свойства, нами был применён порошковый метод наблюдения

изменения доменной структуры под воздействием.

Атомы ферромагнетиков обладают магнитным моментом спинового

происхождения. Главная особенность ферромагнетиков — их доменное строение.

Домен — это область, намагниченная до насыщения, то есть такая область,

внутри которой все атомы выстроены параллельно своими магнитными

моментами. Линейные размеры доменов имеют размеры, которые можно видеть в

обычном микроскопе. Домены в ферромагнетике существуют и при наличии, и

при отсутствии поля. Чтобы увидеть домены достаточно на полированную

поверхность ферромагнитного материала нанести коллоидную жидкость с

мельчайшими частицами ферромагнитного вещества типа магнетита. Эти

частички будут концентрироваться вблизи границ доменов, так как вдоль этих

границ существуют сильные магнитные локальные поля, притягивающие

порошинки магнетита. По характерным фигурам судят о распределении доменов

и намагниченности [43]. На этом принципе основан порошковый метод

визуализации направления и размеров доменов. Этот метод является наиболее

простым и наглядным для исследований.

При выборе ферромагнитных образцов, используемых для наблюдения

доменов, следует учитывать два момента. Во-первых, доменная структура может

значительно изменяться в зависимости от формы образца и, в особенности, в

зависимости от кристаллографической ориентации рассматриваемой

плоскости [48]. Если поверхность ферромагнитного кристалла слегка наклонена к

плоскости (100), в которой лежат оси легчайшего намагничивания, то простая

картина порошковых фигур усложняется. В этом случае около полос,

75

разделяющих домены, начинают расти клинообразные отростки (Рис. 3.7), и вся

картина напоминает «елочки» [48].

Рис. 3.7.

Порошковые фигуры, выявляющие вторичную структуру типа «елочек»

Во-вторых, сильное влияние на доменную структуру оказывает деформация

поверхности. Имея в виду первое замечание, для наблюдения четкой доменной

структуры желательно использовать по возможности либо поликристалл с

максимально большими кристаллическими зернами, либо монокристалл. На

отполированных образцах можно наблюдать изображения доменов. Для

наблюдений можно использовать отражательный металлографический

микроскоп.

На основании этого, нами был разработан метод экспресс-оценки изменения

магнитных характеристик электротехнической анизотропной стали после

локальной лазерной обработки без проведения магнитных измерений. Оценка

проводится по картине доменной структуры. Учитывается характер изменения

очертаний границ доменной структуры.

Для исследований применяли визуализатор доменной структуры «Domen

Viewer» , конструкция которого рассмотрена в Главе 2. Методика основана на

оценке картины доменной структуры, создаваемой порошками в магнитоактивной

жидкости под воздействием внешнего магнитного поля.

76

Для исследований использовали пластины размером 305х30мм и толщиной

0,27 мм из крупнозернистой электротехнической стали, которая имеет высокую

степень совершенства ребровой кристаллографической текстуры. Индукция В8

образцов составляла в магнитном поле 800 А/м около 1,92 Т и более. В таком

магнитно-одноосном материале преобладает структура продольных полосовых

180◦ доменов при малой доле замыкающих доменов с поперечной ориентацией

намагниченности.

Лазерную обработку осуществляли излучением диодного лазера. Проводили

нанесение полос поперёк пластины с шагом около 5,0 мм по всей длине пластины,

как показано на Рис. 3.8.

Рис. 3.8.

Измерение расстояния между наносимыми полосами и угла наклона

Расстояния между полосами колебались в диапазоне +/- 0,2 мм, а угол

наклона полос + 12-15 секунд.

Затем пластины помещали под прибор визуализатора доменной структуры

«Domen Viewer» и фотографировали наблюдаемую картину изменения

распределения доменов. Цель исследования - установить типы доменных

структур, получаемые на стали при лазерной обработке, которые вызывают или

не вызывают изменение магнитных свойств за счёт возникновения внутренних

напряжений.

77

Использовали режимы с различными значениями погонной энергии:

Режим 1 - погонная энергия не достаточна для воздействия на структуру и

формирование внутренних напряжений.

Режим 2 - погонная энергия, создающая благоприятное тепловое воздействие

для формирования внутренних напряжений, но не разрушающей

электроизоляционное покрытие.

Режим 3 - погонная энергия создающая максимальные деформации.

Режимы ориентировочно определяли расчётным путём, а затем уточняли

экспериментально. Методика выбора режимов будет подробно рассмотрена в

Главе 4.

В результате проведённых исследований были выявлены следующие виды

доменных структур в зависимости от режимов лазерной обработки.

На Рис. 3.9 показана картина доменной структуры до лазерной обработки.

Рис. 3.9.

Картина доменной структуры без лазерной обработки

На фото отчётливо видны границы зёрен и расположенные в них исходные

магнитные домены.

Картина доменной структуры, полученная после обработки излучением

диодного лазера по режиму №1 показана на Рис. 3.10.

78

Рис. 3.10.

Картина доменной структуры при режиме лазерной обработки №1

На изображении видны следы лазерного воздействия в виде линий

дробления доменов только на отдельных участках образца. Магнитоактивные

частицы под воздействием магнитного поля катушки сконцентрированы в

основном на границах зерен и ограничены исходными магнитными доменами.

Измерения магнитных характеристик – магнитных потерь и магнитной индукции

показали, что изменения магнитных свойств в данном случае не происходит в

виду недостаточности погонной энергии обработки.

Магнитные измерения образцов до и после ЛЛО проводились на установке

измерения магнитных характеристик MPG 100D фирмы BROCKHAUS

MESSTECHNIK, Германия с использованием измерительного датчика для

образцов шириной 30 мм, конструкция прибора и методика измерений

представлены в Главе 2.

Эффект от лазерной обработки (относительные изменения магнитных

характеристик) рассчитывался по выражениям:

∆Р1,7/50=(Р1,7/50исх.-Р1,7/50 ло)/Р1,7/50 исх. ×100% (3.18 )

∆В100=(В100 исх.- В100 ло)/В100 исх. ×100% (3.19)

При увеличении погонной энергии до более высоких значений при режиме

№2 картина расположения доменов качественно изменилась, как показано на Рис.

3.11.

79

Рис. 3.11.

Пример картины доменной структуры на режиме №2

На Рис. 3.11 видно, что наблюдаются следы лазерного воздействия в виде

поперечных дорожек от воздействия лазерного излучения. Эти дорожки являются

структурными барьерами, создаваемыми за счёт внутренних напряжений от

нагрева лазерным излучением. Так же наблюдаются зародыши перемагничивания

(клиновидные и каплевидные домены). Очевидно, что происходит эффективное

дробление доменов и рафинирование доменной структуры. Измерения магнитных

характеристик этих образцов показали, что при образовании линий дробления

доменов удельные магнитные потери (P1,7/50) снижаются на величину около 15 %,

относительно уровня исходных магнитных потерь до лазерной обработки, при

этом магнитная индукция (В100) снижается на величину не более 2%.

Проведённые измерения электропроводности покрытия на этих участках, по

методике указанной в Главе 2, показали, что отношения исходного

электросопротивления R0 к электросопротивлению RЛО после лазерной обработки

составляет R0/RЛО < 1,5 , что по имеющейся классификации, говорит о том, что

покрытие удовлетворительное. Это говорит о том, что параметры режима 2 не

приводят к разрушению электроизоляционного покрытия.

Обработка на режиме №3 также выявила образование линий дробления

доменов , как видно на Рис. 3.12.

80

Рис. 3.12.

Пример картины доменной структуры режима №3

На Рис. 3.12 видно, что следы лазерной обработки имеют более глубокий

характер. При этом частицы магнитоактивной жидкости вытесняются из зоны

обработки. Наблюдается разрушение доменной структуры без образования

динамических зародышей перемагничивания - дополнительных клиновидных

замыкающих доменов.

При измерении магнитных свойств наблюдался максимальный рост

удельных магнитных потерь P1,7/50, который составил более 15% относительно

уровня исходных магнитных потерь до лазерной обработки. Магнитная индукция

(В100) при этом снижается на величину более 2%.

Проведённые измерения электропроводности на этих участках, по методике

указанной в Главе 2, показали, что отношения исходного электросопротивления

R0 к электросопротивлению RЛО после лазерной обработки составляет R0/RЛО ≥ 2 ,

что по имеющейся классификации (см. Главу 2), говорит о том, что покрытие

неудовлетворительное. Кроме того, происходит визуально заметное разрушение

электроизоляционного покрытия в виде трещин и отслоения, как показано на Рис.

3.13.

81

Рис.3.13.

Внешний вид разрушившегося электроизоляционного покрытия

Природа этих разрушений может быть связана с перегревом стали под

покрытием до температур, превышающих тепловую стойкость покрытия, в

результате чего оно вспучивается и отслаивается. При более высоких

температурах покрытие может просто прожигаться, так как оно имеет

температуру плавления около 300 0С. Это говорит о том, что параметры режима 3

приводят к разрушению электроизоляционного покрытия.

Таким образом, проведённые исследования показали следующее. При

использовании лазерного излучения диодного лазера с оптимальной плотностью

мощности можно создать на поверхности трансформаторной стали структурные

барьеры, которые сокращают путь магнитного потока, меняющего свое

направление на противоположное, с частотой 50 Гц. Появляются новые границы

доменной структуры, что позволяет судить о достижении некоторого уровня

снижения удельных магнитных потерь за счет искусственного дробления

магнитных доменов и рафинирования структуры созданием замыкающих

клиновидных, каплевидных и призматических доменов, динамических зародышей

перемагничивания, представленных на Рис. 3.14.

82

Рис. 3.14.

Рафинированная структура с замыкающими доменами (клиновидные,

каплевидные и призматические)

Создание замыкающих доменов, изменение доменной структуры

непосредственно в зоне облучения снижают магнитные потери ∆Р1,7/50.

Замыкающие домены препятствуют движению основных доменных границ

при перемагничивании [49], но практически полностью исчезают под действием

растяжения, создаваемого лазерным облучением в межзонных промежутках [50].

Эти изменения доменной структуры в лентах стали со средним отклонением

намагниченности зерен от поверхности ленты в 2−3º (индукция B800 равна

соответственно 1,96 и 1,92 Tл) приводят к снижению магнитных потерь на

20−30% за счет уменьшения их вихретоковой составляющей [51]. Это снижение

магнитных потерь определяется не только механизмом уменьшения ширины

основных доменов при их дроблении и растяжении в образцах лазерным

воздействием, но также и увеличением при этом числа активных доменных

границ [52].

Использование лазерного излучения диодного лазера с оптимальной

погонной энергией, величина которой будет указана в Главе 4, позволяет

создавать внутренние напряжения, приводящие к формированию линий

дробления доменов без разрушения электроизоляционного покрытия. За счёт

чего можно снизить удельные магнитные потери (P1,7/50) до 14 %, относительно

уровня исходных магнитных потерь до лазерной обработки, при этом магнитная

индукция (В100) снижается не более, чем на 2%.

83

Выводы по Главе 3

1.Доказано, что создание линий дробления доменов , ограничивающих размеры

основных доменов, на которых сосредотачиваются магнитные заряды, возможно

путём воздействия на поверхность трансформаторной стали излучением

твердотельного лазера.

2. На основе исследования отражения лазерного излучения от поверхности стали

и электроизоляционного покрытия, установлено, что для формирования линий

дробления доменов наиболее эффективным является использование лазерного

излучения с длиной волны от 900 до 1070 нм. Таким параметрам, как с

физической, так и с технологической точки зрения, наиболее соответствуют

диодные и волоконные лазеры.

3. На основании расчета температурных полей нагрева поверхности стали до

образования линий дробления доменов показано, что максимальная температура

нагрева должна лежать в диапазоне от 250 до 3000С.

4. Показано, что для качественной оценки влияния температуры нагрева на

образование внутренних остаточных напряжений и перераспределения доменов

наиболее простым и наглядным является порошковый метод.

5. При исследовании порошковым методом линий дробления доменов ,

полученных излучением диодного лазера, на магнитные свойства установлено

следующее. При недостаточном количестве введённой погонной энергии

изменений магнитных свойств в материале не происходит. При оптимальных

режимах обработки наблюдаются поперечные дорожки, являющиеся

структурными барьерами, с наличием дробления доменов и образования их

рафинированной структуры. Удельные магнитные потери при этом снижаются на

15 % , а магнитная индукция снижается на величину не более 2%. В случае

превышения оптимальных значений погонной энергии обработки, происходит

разрушение рафинированной доменной структуры, ухудшению магнитных

характеристик и росту удельных магнитных потерь. При этом, так же разрушается

84

электроизоляционное покрытие.

6. Установлено, что использование лазерного излучения диодного лазера с

оптимальной погонной энергией позволяет создавать внутренние напряжения,

приводящие к формированию линий дробления доменов без разрушения

электроизоляционного покрытия. За счёт чего можно снизить удельные

магнитные потери трансформаторной стали после полного цикла её изготовления.

85

Глава 4. Исследование влияния на магнитные свойства анизотропной

электротехнической стали параметров режимов обработки её поверхности

излучением твердотельных лазеров

Основной целью исследований, проведённых в данной главе, являлся выбор

наиболее технологичных, экономичных и эффективных типов лазеров для

обработки, а так же оптимизации их режимов для достижения следующих

характеристик:

1. Среднее снижение удельных ваттных потерь по Р1,7/50 не менее 10%;

2. Среднее снижение магнитной индукции В100 не более 1,5 %;

3. Сохранение исходного сопротивления электроизоляционного покрытия

после ЛЛО.

Ранее было показано, что в наибольшей степени указанным требованиям

отвечают твердотельные лазеры, излучающие в диапазоне длин волн от 900 до

1070 нм. Из имеющихся современных конструкций технологических лазеров, с

данными диапазонами длин волн, наиболее подходят для нашей технологии

следующие:

1 – лазер на АИГ:Nd с акустооптической модуляцией добротности, длина

волны излучения 1060 мкм;

3 – непрерывный волоконный иттербиевый лазер с длиной волны излучения

1070 мкм;

4 – непрерывный диодный лазер с длиной волны излучения 940 нм.

Нами было исследовано влияние на магнитные свойства анизотропной

электротехнической стали параметров режимов обработки всех указанных типов

лазеров.

Эффект изменения магнитных характеристик до и после лазерной обработки

рассчитывали по выражениям 3.18 и 3.19, приведённым в Главе 3.

86

Независимо от типа лазера, основным обобщающим параметром,

характеризующим тепловое воздействие на материал, является удельная энергия

нагрева, определяемая по формуле

U=Pη/VD, (4.1)

где: P - мощность лазерного излучения,

V - скорость сканирования лазерного пучка,

D - расстояние между полосами обработки,

η - коэффициент поглощения излучения обрабатываемой поверхностью.

Помимо этого, важными параметрами являлись диаметр пятна нагрева и

расстояния между объективом и обрабатываемой поверхностью.

Известно, что при лазерном воздействии на поверхность различных материалов

разрушение её зависит в первую очередь от пиковой плотности мощности

Wпик = 4 Рср/f t dr2, (4.2)

где:

Рср - средняя выходная мощность лазера;

f – частота следования импульсов;

tпик – длительность импульса;

dr – диаметр пятна на поверхности.

Эта характеристика наиболее важна для оценки сохранения целостности

электроизоляционного покрытия. Поэтому, первоначально была

экспериментально определена пиковая мощность, которая разрушает это

покрытие. Установлено, что разрушение покрытия на разных образцах и даже в

разных местах одного и того же образца зачастую происходят при различных

Wпик, что говорит о неоднородности или разнотолщинности покрытия. Были

исследованы разные толщины покрытий от 2,2 до 3,6 мкм. Установлено, что

разрушения покрытия не происходили при диаметре пятна более 300 мкм и

87

пиковой мощности менее 107 Вт/см2. Поэтому дальнейшие исследования

проводили с параметрами, не превышающими эти характеристики.

4.1. Влияния параметров импульсного излучения твердотельного лазера

с модулированной добротностью

Воздействие на трансформаторную сталь импульсного излучения

твердотельного лазера с модулированной добротностью и с применением

акустооптического затвора исследовалось нами на НЛМК совместно с

коллективом профессора, д.т.н СФ ФИАН С.В. Каюкова.

Была проведена оптимизация основных технологических параметров

лазерной обработки, в частности: P - мощности лазерного излучения, dr - диаметр

зоны фокусировки излучения на обрабатываемой поверхности, f - частота

следования импульсов излучения, d - расстояние между пятнами в полосе, D -

расстояние между соседними полосами.

Исследования проводили на образцах из трансформаторной стали, размером

305х30х0,27 мм, прошедшей все стадии обработки, и покрытых

электроизоляционным покрытием, химический состав стали и покрытия

представлены в Главе 2.

Были проведены исследования с целью получения достаточно высокого

эффекта снижения потерь при минимальных меньших уровнях энерговклада. В

Таблице 10 представлены режимы лазерной обработки трех образцов

эпштейновских пластин и результаты измерений P1,7/50 и B100 до и после

обработки. В данном случае обработка проводилась с использованием в

излучателе двухквантронного симметричного резонатора с l1=135 мм и

l2=365 мм.

88

Таблица 10.

Режимы обработки излучением импульсного твердотельного лазера с

двухквантронным симметричным резонатором с l1=135 мм и l2=365 мм.

Образец № 1

Pср,

Вт

fАОЗ,

кГц

U,

Дж/см2 ,

мин-1

2 ,

мрад

D,

мм

d,

мм

d0,

мм

P1,7/50 B100

до /

после ,

%

до /

после ,

%

150 10,1 0,18 190 11 7,3 0,6 0,25 1,06 /

0,96 9,4

1,76 /

1,73 1,7

Образец № 2

Pср,

Вт

fАОЗ,

кГц

U,

Дж/см2 , мин-

1

2 ,

мрад

D,

мм

d,

мм

d0,

мм

P1,7/50 B100

до /

после ,

%

до /

после ,

%

150 18,4 0,15 260..270 11 6,5 0,46 0,2 1,09 /

0,97 11

1,75 /

1,74 0,6

Образец № 3

Pср,

Вт

fАОЗ,

кГц

U,

Дж/см2 , мин-

1

2 ,

мрад

D,

мм

d,

мм

d0,

мм

P1,7/50 B100

до /

после ,

%

до /

после ,

%

55 18,4 0,06 250..260 6 6,5 0,46 0,12 1,08 /

0,976 9,63

1,76 /

1,755 0,28

Как видно из данных Таблицы 10, на первом из образцов получено

снижение магнитных потерь на 9,4%, а индукция упала на 1,7%. На втором

образце относительное уменьшение потерь составило 11,0%, при значительно

меньшем снижении индукции до 0,6%. В последнем случае частота следования

импульсов была повышена с 10,1 кГц до 18,4 кГц. В связи с этим расстояние

между пятнами уменьшилось с 0,6 мм до 0,46 мм, а расстояние между полосами с

7,3 мм до 6,5 мм. Установлено, что вследствие уменьшения пиковой мощности

излучения уменьшился и видимый диаметр пятна фокусировки с 0,25 мм до 0,2

мм. Для выявления главной причины наблюдаемых положительных изменений

был обработан третий образец по режимам второго за исключением того, что

почти вдвое была снижена расходимость излучения с 11 мрад до 6 мрад. В

результате этого видимый диаметр пятна уменьшился до 0,12 мм.

Снижение величины расходимости было достигнуто за счет введения в

89

резонатор диафрагмы диаметром 3 мм, что повлекло за собой снижение средней

мощности с 150 Вт до 55 Вт при токе накачки 30 А. Однако, при этом плотность

мощности в зоне фокусировки практически не изменилась. Как видно из данных

Таблицы 10, относительное уменьшение потерь практически не претерпело

изменений, но эффект снижения индукции заметно уменьшился. Отсюда был

сделан вывод о том, что из соображений минимизации снижения B100

целесообразно уменьшать размер зоны фокусировки излучения при сохранении

пиковой плотности мощности на уровне 50 кВт. Важно отметить, что в первых

двух из приведенных экспериментов комплексный параметр энерговклада

составил 0,18 Дж/см2 и 0,15 Дж/см

2, соответственно, а в последнем - 0,06 Дж/см

2.

Аналогичные тенденции наблюдаются во второй серии экспериментов,

проведенных для другой конфигурации резонатора: l1=200 мм и l2=365 мм,

результаты которых представлены в Таблице 11.

Таблица 11.

Режимы обработки излучением импульсного твердотельного лазера с

двухквантронным симметричным резонатором с l1=200 мм и l2=365 мм.

Образец №1

Pср,

Вт

fАОЗ,

кГц

U,

Дж/см2

,

мин-1

2 ,

мрад

D,

мм

d,

мм

d0,

мм

P1,7/50 B100

до /

после , %

до /

после , %

112 12,4 0,19 160 6 6,2 0,48 0,22 1,10 /

0,97 11,8

1,75 /

1,73 1,14

Образец №2

Pср,

Вт

fАОЗ,

кГц

U,

Дж/см2

, мин-

1

2 ,

мрад

D,

мм

d,

мм

d0,

мм

P1,7/50 B100

до /

после , %

до /

после , %

92 12,4 0,13 160 6 7,1 0,42 0,2 1,10 /

0,98 10,9

1,74 /

1,73 0,57

90

Таблица 11.(продолжение)

Образец № 3

Pср,

Вт

fАОЗ,

кГц

U,

Дж/см2

,

мин-1

2 ,

мрад

D,

мм

d,

мм

d0,

мм

P1,7/50 B100

до /

после , %

до /

после , %

29 12,4 0,04 160 3 7,2 0,44 0,16 1,10 /

0,98 10,9

1,75 /

1,74 0,57

Показательным является второй режим из Таблицы 11, поскольку он

обеспечивает более 10% уменьшение потерь и менее, чем 1% снижение индукции

при токе накачки 28 А и мощности излучения более 90 Вт. Это является важным с

точки зрения увеличения ресурса работы активных элементов, ламп накачки и

других оптических элементов установки. При этом данный режим не является

пограничным, так как дальнейшее уменьшение тока накачки (режим 3 в Таблице

11) не приводит к уменьшению достигаемого эффекта. Производительность

лазерной обработки в режиме 2 составляет более 2 м2/мин. Значение параметра

энерговклада для режима 3 составляет 0,04 Дж/ см2.

Таким образом, приведенные результаты экспериментов показывают, что

применение схем резонатора лазера, обеспечивающих пониженную расходимость

излучения, позволяет в несколько десятков раз снизить параметр энерговклада и

обеспечить при этом значительное снижение термической нагрузки на оптические

элементы при сохранении эффекта лазерной обработки. Для определения

оптимальных значений основных параметров лазерной обработки было проведено

несколько серий экспериментов, в которых изменялся один из параметром при

сохранении остальных параметров неизменными. Эксперименты проводили на

экспериментальном стенде, конструкция которого рассмотрена в Главе 2.

Влияние частоты следования импульсов.

Расстояние d между пятнами в полосе и расстояние D между соседними

полосами можно выразить через параметры обработки следующим образом:

91

, (4.3)

где: F - фокусное расстояние объектива,

- угловая скорость вращения диска сканатора,

0 - угол между смежными зеркалами сканатора,

V – скорость перемещения.

Из уравнений 4.3 видно, что для сохранения постоянного значения d при

изменении f необходимо менять угловую скорость вращения диска сканатора

пропорционально f. При этом, чтобы не изменилось значение D, необходимо

также менять V пропорционально . В соответствии с этими требованиями была

проведена серия экспериментов по определению влияния частоты следования

импульсов излучения на магнитные потери и индукцию. Параметры работы

излучателя соответствовали режиму 2, Таблицы 11. Результаты экспериментов,

проведенных в соответствии с изложенными требованиями, приведены в Таблице

12.

Таблица 12.

Результаты исследования влияния частоты

№ 1 2 3 4 5 6 8 7

1 2 3 4 5 6 7 8 9

F, кГц 8 10 12 16 20 24 26 28

v, м/мин 14,2 16,5 20 25 32 39 42,2 45

, мин-1 94 125 160 210 255 300 332 355

D, мм 6,9 6,8 6,4 6,5 6,6 6,6 6,8 6,5

d, мм 0,40 0,41 0,45 0,42 0,43 0,43 0,42 0,42

D 0, мм 0,3 0,3 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

ΔP, % 11,93 9,17 11,82 11,01 12,39 10 9 8,26

ΔB, % 3,43 2,3 1,72 1,7 1,15 1,14 1,14 0,57

U,

Дж/см2

0,24 0,185 0,15 0,115 0,094 0,08 0,07 0,068

02;

2VD

f

Fd

92

Зависимости относительного уменьшения потерь P (%) = и

снижения индукции B (%) = В100/ В100 от частоты следования импульсов

приведены на Рис.4.2, здесь же показан график изменения параметра

энерговклада U. Каждая точка графиков получена по результатам измерений на

одном образце.

Рис.4.2.

Зависимость снижения P1,7/50 (1) и B100 (3) и энерговклада U(2) от частоты

следования импульсов

Из данных Таблицы 12 и Рис.4.2 видно, что при увеличении частоты

импульсов от 8 кГц эффект уменьшения магнитных потерь сохраняется на уровне

более 10% до частоты 24 кГц. При этом он слабо растет до 20 кГц и затем

монотонно падает до 8% при 28 кГц. Величина B имеет вид монотонно

убывающей функции на всем интервале изменения f. Из приведенных данных

следует, что оптимальным значением частоты импульсов является величина 20

кГц, так как при этом ΔP имеет максимум, а значение B становится близким к

1%. Производительность лазерной обработки при частоте 20 кГц несколько

превышало 3м/мин, параметр энерговклада составлял 0,094 Дж/см2.

Было исследовано влияние на магнитные свойства расстояния между

507,1507,1 PP

1

2

3

93

пятнами в полосе. Как следует из уравнений 4.3, пропорционально изменяя V и ,

можно менять расстояние d, сохраняя все остальные параметры неизменными.

Исходя из этого была проведена серия экспериментов по исследованию влияния

расстояния d между пятнами в полосе на эффект лазерной обработки. За основу

был взят режим 2, Таблицы 11 с внутрирезонаторной диафрагмой диаметром 2,5

мм, при этом средняя мощность излучения составила 32 Вт, расходимость – 3

мрад. Результаты экспериментов представлены в Таблице 13. Зависимости

относительного уменьшения потерь P (%), снижения индукции B (%) и

параметра энерговклада приведены на Рис. 4.3.

Таблица 13.

Результаты исследования расстояний между точками

№ 9 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

, мин-1 61 90 121 152 185 210 242 270 298 329 355

v, м/мин 8,2 11,6 14,9 18,3 22,2 26 29,8 33,3 36,7 40,9 44

D, мм 6,9 7,5 5,9 6 6 6,6 6,4 6,6 6,5 6,6 6,5

d, мм 0,16 0,24 0,34 0,42 0,52 0,56 0,66 0,74 0,8 0,9 0,96

d 0, мм 0,13 0,14 0,14 0,15 0,13 0,14 0,12 0,12 0,13 0,14 0,13

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

P, % 11,01 9 9,62 12,39 10,62 7,27 7,14 8,04 5,41 5,56 3,6

B, % 1,15 0,57 1,14 1,14 0,57 0,57 0,57 0,57 0 0 0,57

U, Дж/см2 0,13 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,03 0,03 0,02 0,02

94

Рис.4.3.

Зависимость снижения P1,7/50 (1) и B100 (в %) (3) и энерговклада U (в

Дж/см2) (2) от расстояния между пятнами в строке

Как видно из данных Рис.4.3 и Таблицы 13, эффект уменьшения потерь при

малых значениях d сохраняется на уровне не менее 10% и становится меньше

этого значения при d больше 0,5 мм. В интервале расстояний от 0,4 мм до 0,5 мм

имеется слабо выраженный максимум ΔP. Величина B медленно уменьшалась

при возрастании d. Функция U(d) являлась монотонно падающей. Для

определения эффекта от наличия линий дробления доменов дополнительно был

проведен эксперимент с обработкой образца в режиме 2 без диафрагмы с 5%

перекрытием пятен.

Проведённые магнитные измерения показали, что P составило 10%, а B

составило 1,15%. Отсюда можно сделать вывод о том, что положительное

воздействие линий дробления доменов, созданных импульсным лазерным

излучением, сохраняется при расстоянии между точками от 0,5 мм до 0,6 мм.

Выбор расстояния между точками в указанном интервале следует делать исходя

1

2

3

95

из критерия минимизации энерговклада. По данным описанных экспериментов

оптимальным следует считать режим с расстоянием между точками от 0,4 мм до

0,5 мм, так как в этом интервале P максимально, а значение B близко к 1%,

параметр энерговклада при этом составляет 0,06 Дж/см2.

Структурные барьеры можно расположить на различных расстояниях друг от

друга, поэтому было исследовано влияние расстояния между ними на магнитные

свойства при всех равных других параметрах. Расстояния между полосами при

сохранении остальных параметров остаются постоянными, поэтому достаточно

менять только скорость перемещения образца. Эксперименты по облучению

образцов проводились в режиме 2, Таблицы 11 с внутрирезонаторной диафрагмой

диаметром 2,5 мм, при этом средняя мощность излучения составила 32 Вт,

расходимость – 3 мрад. Результаты измерений приведены в Таблице 14.

Соответствующие зависимости относительного уменьшения потерь P (%) и

снижения индукции B (%) приведены на Рис.4.4, здесь же построен график

изменения параметра энерговклада U.

Таблица 14.

Результаты исследования расстояния между полосами

№ 23 24 25 26 27 28 29 31 32 33 34

, мин-1 160 160 160 155 165 164 158 160 161 160 160

v,м/мин 13 15 18,5 20 22,5 26 29 35,5 38,2 42,2 45

D, мм 3,6 5 6,25 6,9 7,5 8,45 9,82 11,8 12,5 13,8 14,7

d, мм 0,45 0,44 0,44 0,4 0,44 0,45 0,44 0,44 0,44 0,44 0,44

P, % 9,09 11,5 7,34 7,4 9,09 6,42 5,56 6,36 4,76 5,71 6,60

B, % 1,72 1,15 0,57 0,5 0,57 0,57 0 0,57 0 0 0

U, Дж/см2 0,093 0,067 0,053 0,05 0,043 0,038 0,034 0,028 0,027 0,024 0,023

96

Рис. 4.4.

Зависимость снижения P1,7/50 (1) и B100 (в %) (3) и энерговклада U (в

Дж/см2) (2) от расстояния между строками

Из приведенных данных видно, что потери P более10% могут быть

получены при расстоянии между барьерами менее 6 мм, а максимум наблюдается

при расстоянии 5 мм. Однако, при малых расстояниях между полосами

становится недопустимо большим снижение индукции. Приемлемые значения ΔB

менее 1% имеют место при расстоянии между барьерами более 5 мм. Таким

образом, оптимальным для выбранного режима лазерной обработки следует

считать расстояние между полосами 5 мм. В этом случае ΔB составляет 1%, а

параметр энерговклада 0,07 Дж/см2.

Исследовано влияние диаметра пятна обработки на магнитные

характеристики. Диаметр пятна фокусировки излучения (в фокальной плоскости

объектива) пропорционален расходимости , фокусному расстоянию объектива F

и величине расстройки телескопа, измеренной как расстояние между

фокальными плоскостями обоих компонентов последнего. В случае, если имеется

3

1

2

97

возможность менять расстояние от объектива до облучаемой поверхности, можно

также воспользоваться тем, что диаметр зоны фокусировки пропорционален

расстоянию от поверхности образца до фокальной плоскости. Последний способ

является одним из наиболее удобных в эксперименте, однако конструкция

лабораторной установки не позволяла им воспользоваться. В связи с этим

изменение диаметра пятна фокусировки производилось за счет изменения

расстройки телескопа. На Рис. 4.5 показана зависимость видимого диаметра пятна

от расстройки , отложенной в относительных единицах смещения второго

компонента телескопа.

Рис. 4.5.

Зависимость диаметра пятна от фокусного расстояния, выставленному в

условных делениях по откалиброванному телескопу

Такой вид кривой ds() объясняется тем, что диаметр зоны, внутри которой

интенсивность излучения превышает пороговую для появления видимых следов

воздействия, уменьшается при увеличении диаметра сечения пучка, внутри

которого сосредоточена большая часть мощности, как показано на Рис. 4.6.

видимый диаметр пятна

истинный диаметр пятна

98

Рис. 4.6.

Зависимость видимого диаметра пятна от степени расфокусировки излучения

Предполагая, что распределение интенсивности излучения по углам

описывается гауссовой кривой и нормируя ее площадь на постоянную мощность

излучения P0, для гауссового параметра i-го распределения x0i можно записать

приближенное соотношение:

; ; , (4.4)

где:

P0 - мощность излучения;

xSi - координата пересечения кривой интенсивности излучения с

горизонталью IS пороговой интенсивности появления видимых следов

воздействия;

x0i - Гауссов параметр i-го распределения.

Для проведения экспериментов был выбран режим 1, Таблицы 11 с

внутрирезонаторной диафрагмой диаметром 2,1 мм. В этом случае мощность

излучения составила 24 Вт, расстояние между полосами D и диаметр пятна d

были заданы близкими к оптимальным: D составлял 7 мм, а d был равен 0,44 мм.

000

2PxI ii 22 4

2sioi xC

Cx

SI

PC

02

I01

x

I02

IS

I

xS1 xS2

99

Параметр энерговклада составил 0,03 Дж/см2. В Таблице 15 представлены

результаты измерений, а на Рис.4.7 зависимости ΔP (%) и ΔB (%) от расстройки

телескопа .

Таблица 15.

Результаты исследования влияние диаметра зоны фокусировки

№ 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

t 2,9 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4

D, мм 7 - - 7,7 7,1 7,75 7,75 7,6 7,05 - -

D, мм 0,44 - - 0,44 0,44 0,44 0,44 0,435 0,445 - -

d 0, мм 0,115 - - 0,1 0,115 0,115 0,1 0,08 0,065 - -

P, % 6,42 0 0,88 2,65 4,55 6,25 3,70 1,83 1,80 0,91 0

B, % 0 0 0 0,57 0,57 0,57 0,57 0,57 0 0 0,57

Рис. 4.7.

Зависимость снижения P1,7/50 (1) и B100 в % (2) от фокусного расстояния,

выставленному в условных делениях по откалиброванному телескопу

Из полученных результатов видно, что наибольшая величина ΔP достигается

при наиболее острой фокусировке. Снижение индукции при этом не превышает

1

2

100

1%. При диаметре пятна фокусировки 0,1-0,2 мм параметр энерговклада должен

быть в пределах: U=0,04-0,08 Дж/см2. В качестве оптимальных основных

параметров лазерной обработки трансформаторной стали можно считать

следующие значения: диаметр пятна фокусировки d = 0,4 -0,6 мм, расстояние

между полосами D = 4 – 6 мм, частота следования импульсов излучения f = 10 –

22 кГц.

Таким образом, применение импульсного твердотельного лазера с

кристаллами АИГ с неодимом и ламповой накачкой обеспечивает среднее

снижение удельных ваттных потерь по Р1,7/50 на уровне 10% при среднем

снижение магнитной индукции В100 не более 1%. Однако, из за импульсности

воздействия луча, достаточно сложно обеспечить гарантированную плотность

электроизоляционного покрытия. В целом ряде случаев в процессе подбора

режимов покрытия разрушались. Кроме этого, применение импульсного

твердотельного лазера с кристаллами АИГ с неодимом и ламповой накачкой

связано с ограниченным временем работы ламп (около 1000 часов), что

недопустимо в условиях непрерывного изготовления ленты трансформаторной

стали, а частые остановки стана для замены ламп резко снижают его

производительность.

4.2. Влияние параметров излучения непрерывного волоконного лазера

Как было показано в Главе 1, непрерывные волоконные лазеры превосходят

твердотельные лазеры на кристаллах с ламповой накачкой по многим

технологическим и экономическим характеристикам. На основании этого, в

данной работе было исследовано влияние излучения волоконного лазера, на

магнитные характеристики трансформаторной стали, с цель определения их

оптимальных режимов обработки.

Для исследований использовали экспериментальный стенд, конструкция

которого рассмотрена в Главе 2. В качестве источника лазерного излучения был

101

использован волоконный лазер ЛС-4-К, характеристики которого, также указаны

в Главе 2.

Обработку осуществляли лучом, развёрнутым в длину на 250-300 мм и

шириной 100-300 мкм. От геометрической формы и размеров пятна зависит время

лазерного воздействия, температура разогрева поверхностного слоя и глубина

проникновения тепла в металл. Развёртку осуществляли специальной оптической

системой, представляющей собой набор цилиндрических линз, расположенных

вдоль линии сканирования луча. Такая система фокусировки позволяет применять

волоконные лазеры мощностью свыше 1,0 кВт при отношении Р/V = 0,015-0,050

Дж/мм2 для высокопроизводительной (до 70 м/мин) обработки полосы

трансформаторной стали без оплавления металла или разрушения покрытия.

Излучение на выходе оптоволоконного кабеля проходит коллимирующую

оптику, поступает на вращающиеся со скоростью около 100 об/мин зеркальные

барабаны развертки, фокусируется цилиндрической оптикой и сканируется по

движущейся полосе со скоростью до 50 м/мин поперек направлению прокатки с

шагом 5-7 мм. При этом образуются полосы локального лазерного воздействия.

Путем разворота системы фокусирующих линз вокруг оси распространения луча

след на полосе может быть ориентирован строго перпендикулярно направлению

линии прокатки или настроен на угол от 0°до 20° к поперечной оси.

Расстояние, с которого ведется сканирование, должно быть значительным,

более 1 м, чтобы углы падения излучения на металл были в пределах 90-75

градусов и условия обработки на краях развертки не сильно отличались от

условий обработки центра. При фокусировке с такого расстояния для получения

пятна диаметром 300 мкм на ленте следует иметь на развертывающем устройстве

размер пучка около 40 мм. С учетом того, что при развертке на ±15 градусов

расстояния 1 м имеется значительное смещение перетяжки от плоскости ленты

(на ±15 мм), развертывающее устройство надо бы удалить от ленты еще дальше, а

это приводит к увеличению размера пучка на нем и уменьшает коэффициент

использования мощности лазерного излучения.

102

Выполненные расчеты для скорости развертки 110 м/с и общей мощности

излучения 2,5 кВт показали, что увеличение длины пятна с 3,5 мм до 25 мм при

ширине 100-300 мкм соответствует изменению глубины прогрева металла с 30 до

100 мкм. При этом под глубиной прогрева понимается расстояние от поверхности,

на котором значение температуры снижается в 2 раза.

Например, если рассматривать обработку полосы толщиной 0,27 мм,

сканирующим лучом шириной 130 мкм, мощностью 2,5 кВт при скорости

сканирования 100-120 м/с, то прогрев металла до температуры выше 300 °С

достигается по всему сечению.

Для обработки использовали полосы из трансформаторной стали, размером

305х30х0,27 мм, прошедшие все стадии обработки с электроизоляционным

покрытием, химический состав стали и покрытия представлены в Главе 2.

Значения мощности излучения, удельной энергии, расстояния между зонами

термического воздействия и скорость движения полосы задавались вручную или

рассчитывались с помощью программы управления лазерным модулем. Контроль

указанных параметров производился по показаниям на мониторе лазерного

модуля.

Визуализация распределения на полосе лазерного излучения осуществлялась

с помощью прибора ночного видения. Наличие следов лазерной обработки на

поверхности образцов, расстояние между зонами термического влияния, а также

размер зерна определялись по, указанной в Главе 2, методике, с помощью

прибора визуализации доменной структуры фирмы «Brockhaus», конструкция и

характеристики которого так же представлены в Главе 2.

Параметры режима обработки изменяли в следующих диапазонах: мощность

лазерного излучения Р от 2,0 до 3,5 КВт, скорость вращения зеркальных

барабанов ω от 3500 до 4000 об/мин, фокусное расстояние L в диапазоне от 40 до

60 мм. Применяемые для обработки режимы, показаны в Таблице 16.

103

Таблица 16.

Режимы обработки трансформаторной стали волоконным лазером

Параметр режима

ЛО Обозначение

Единица

измерения

Диапазон

регулирования

1 2 3 4

Скорость движения

полосы V м/мин 10-50

Мощность лазера Р кВт 1,6-2,2

Фокусное

расстояние F Мм -

Шаг сканирования D Мм 3-7

Угловая скорость

вращения

двигателей

зеркальных

барабанов

ω об/мин 3000-3600

Удельная энергия U Дж/см2 0,1-0,40

Отношение

мощности

излучения к

скорости развёртки

пучка

Р/V Дж/см2 0,017÷0,023

Удельное

натяжение полосы Н/мм

2 20-80

Обработку образцов излучением волоконного лазера, проводили в

диапазоне регулирования, указанном в Таблице 16 на оптимальном режиме.

Магнитные измерения образцов до и после лазерной обработки

осуществляли на установке измерения магнитных характеристик MPG с

использованием измерительного датчика для образцов шириной 30 мм. В

результате проведённых измерений и вычислений получаемого эффекта лазерной

обработки, выражаемого снижением удельных магнитных потерь ΔР1,7/50 и

магнитной индукции ΔВ100, с учетом обеспечения сохранности целостности

электроизоляционного покрытия, получены следующие результаты,

представленные в Таблице 17.

104

Таблица 17.

Результаты измерения магнитных характеристик образцов трансформаторной

стали до и после лазерной обработки излучением волоконного лазера

№

До лазерной

обработки

После лазерной

обработки Относительное снижение, %

P1,7/50 B100 P1,7/50 B100 ΔР1,7/50, % ΔВ100,%

1 1,03 1,70 0,88 1,68 14,6 1,2

2 1,05 1,69 0,94 1,67 11,5 1,2

3 1,11 1,45 0,95 1,44 15,0 0,7

4 1,19 1,54 1,01 1,52 15,2 1,3

5 0,98 1,67 0,91 1,66 8.1 0,6

6 1,13 1,69 0,96 1,67 12,6 1,2

Как видно из Таблицы 17 снижение удельных магнитных потерь может быть

получено в диапазоне от 8 до 15 %, при этом магнитная индукция снижается

максимально на 1,2 %.

Результаты исследований показали, что эффект снижения магнитных потерь

∆Р1,7/50 в результате лазерной обработки существенно зависит от исходного

состояния металла и его магнитных характеристик. При одном и том же режиме

обработки на разных партиях металла снижение потерь может отличаться.

Результаты проведённых измерений возможности снижения потерь на различных

партиях металла при обработки излучением волоконного лазера в зависимости от

исходных значений Р1,7/50 показаны на Рис. 4.8.

105

Рис. 4.8.

Снижение магнитных потерь при обработке излучением волоконого лазера в

зависимости от исходных значений Р1,7/50

Анализируя, полученные результаты можно видеть, что чем больше

исходная величина магнитных потерь в стали, тем больший эффект может быть

получен при лазерной обработке.

4.3. Влияние параметров диодного лазера

В настоящее время перспективным, для обработки трансформаторной стали,

является применение диодных технологических лазеров большой мощности (до 4-

5 кВт). В нашей работе был использован современный диодный лазер

FL002084-3, характеристики и описание которого представлены в Главе 2.

Исследования проводили на экспериментальном стенде, описание и состав

оборудования которого представлены в Главе 2. Для обработки применяли

полосы трансформаторной стали, размером 305х30х0,27 мм, прошедшей все

стадии обработки и покрытых электроизоляционным покрытием. Химический

состав стали и покрытия представлены в Главе 2.

Плотность мощности и время воздействия рассчитывались, исходя из порога

разрушения электроизоляционного покрытия и оптимального состояния

106

доменной структуры, фиксируемого посредством визуализатора доменной

структуры, как указано в Главе 3.

Ранее было установлено, что для достижения требуемых магнитных

характеристик при сохранении целостности покрытия необходимо обеспечить

условную плотность мощности U в диапазоне от 1,0 до 2,0 Дж/см2. Диодный лазер

может работать в импульсном режиме с минимальной длиной импульса t равной

1,0 мс и максимальной мощностью P равной 300 Вт. Пятно лазерного луча имеет

прямоугольную форму длиной 10,0 мм и шириной 5,0 мм. Площадь пятна

обработки составляет 0,5 см2. В диапазоне этих параметров можно получить

условную плотность мощности U равную 1,6 Дж/см2 при следующих значениях

времени импульса t и мощности излучения P: 1) при длительности импульса

равном 0,020 с мощность составит 120 Вт; 2) при длительности импульса равном

0,001 с мощность составит 240 Вт.

Обработку проводили отдельными участками, равными пятна излучения 10

мм. Расстояние между полосами составляло 5,0 мм (Рис. 4.9).

Рис. 4.9.

Схема обработки диодным лазером

Для выбора режима обработки было опробовано несколько вариантов

изменения режимов, во всех экспериментах изменяли только параметры

5 мм 10мм

107

длительности и энергии импульса. Параметры режимов представлены в

Таблице 18.

Таблица 18.

Режимы обработки трансформаторной стали диодным лазером

№

Мощность,

Вт

Длитель-

ность

импульса,

мс

Энергия

импульса,

Дж

Скорость

обработки,

м/мин

Размеры

пятна,

мм х мм

Рабочее

расстояние,

Мм

1 300 1 0,3 0,15 12х0,16 25

2 300 2 0,6 0,15 12х0,16 25

3 300 3 0,9 0,15 12х0,16 25

4 300 4 1,2 0,15 12х0,16 25

5 300 5 1,5 0,15 12х0,16 25

6 300 6 1,8 0,15 12х0,16 25

7 300 7 2,1 0,15 12х0,16 25

8 300 8 2,4 0,15 12х0,16 25

9 300 9 2,7 0,15 12х0,16 25

10 300 10 3,0 0,15 12х0,16 25

Магнитные измерения образцов до и после обработки излучением диодного

лазера проводили на установке измерения магнитных характеристик MPG с

использованием измерительного датчика для образцов шириной 30 мм.

Изменение магнитных характеристик на образцах, изготовленных из одной

партии стали, в зависимости от энергии импульса и его длительности показаны на

Рис. 4.10 и Рис. 4.11.

108

Рис. 4.10.

Зависимость относительного изменения удельных магнитных потерь ∆Р1,7/50 от

энергии импульса лазерного излучения диодного лазера

Рис. 4.11.

Зависимости относительных изменений магнитных потерь ∆Р1,7/50 магнитной

индукции ∆В100 от длительности импульса лазерного излучения диодного

лазера

109

Наилучший вариант выбирали по формированию картины доменной

структуры и обеспечению целостности покрытия. В наибольшей степени этим

характеристикам соответствовал режим № 3 из Таблицы 18. На данном режиме

был достигнут эффекта снижения удельных магнитных потерь ∆Р1,7/50 на уровне

10% при увеличении значения магнитной индукции ∆В100 порядка 2%.

На этом же режиме были изготовлены образцы для магнитных измерений.

Образцы отбирались от нескольких партий трансформаторной стали.

Результаты измерений представлены в Таблице 19.

Таблица 19.

Магнитные характеристики образцов до и после лазерной обработки излучением

диодного лазера

№

До лазерной

обработки

После лазерной

обработки ΔР1,7/50 ΔВ100

P1,7/50 B100 B800 P1,7/50 B100 B800 % %

1 1,05 1,68 1,89 0,95 1,67 1,88 10,6 0,15

2 1,04 1,7 1,89 0,96 1,67 1,86 8,7 1,2

3 1,3 1,55 1,83 1,15 1,5 1,79 12,6 1,42

4 1,25 1,57 1,86 1,08 1,55 1,84 14,6 1,3

5 0,97 1,68 1,89 0,9 1,66 1,89 8.3 1,2

6 1,12 1,66 1,88 0,98 1,64 1,88 12,5 1,3

Так же как и в случае применения волоконного лазера, из данных Таблицы

19 видно, что чем больше исходная величина магнитных потерь в стали, тем

больший эффект может быть получен при лазерной обработке. Во всех случаях

снижение ΔР1,7/50 было в пределах от 8,5 до 14.5 %, а среднее снижение ΔВ100 не

более 1,42 %.

Таким образом показано, что применение диодного лазера даёт эффект

снижения магнитных потерь на трансформаторной стали, в такой же степени, что

и применение волоконного лазера.

110

Выводы по Главе 4

1. Установлено, что использование схем резонатора импульсного лазера,

обеспечивающих пониженную расходимость излучения, позволяет в несколько

десятков раз снизить параметр энерговклада и обеспечить при этом значительное

снижение термической нагрузки на оптические элементы при сохранении

эффекта лазерной обработки.

2. При использовании импульсного лазера изменение частоты следования

импульсов от 8 кГц до 24 кГц приводит к снижению магнитных потерь на уровне

от 10% до 13%, при этом значение снижения магнитной индукции составляет не

более 1%.

3. Показано, что при импульсной обработке наилучшие результаты по

снижению магнитных потерь достигаются при перекрытии точек, но для

увеличения производительности допускается расстояние между ними от 0,4 мм до

0,5 мм.

4. Установлено, что расстояние между барьерами влияет на характер

снижения магнитных потерь. Наилучшие результаты по снижению магнитных

потерь достигаются при расстоянии между барьерами равном 5,0 мм. В этом

случае магнитная индукция снижается не более чем на 1,0 %.

5. Показано, что при импульсной обработке максимальная величина

снижения магнитных потерь достигается при наиболее острой фокусировке с

диаметром пятна от 0,4 - 0,6 мм. Снижение индукции при этом не превышает 1%.

6. Установлено, что применение излучения непрерывного волоконного

лазера с длиной волны 1070 нм мощностью до 3,0 кВт на оптимальных режимах

позволяет создавать структурные барьеры на поверхности трансформаторной

стали.

7. Показано, что структурные барьеры, созданные излучением волоконных

лазеров, снижают магнитные потери до 15%, при снижении магнитной индукции

не более чем на 0,4 %.

111

8. Результаты исследований показали, что эффект снижения магнитных

потерь ∆Р1,7/50 в результате лазерной обработки существенно зависит от исходного

состояния металла и его магнитных характеристик. При одном и том же режиме

обработки на разных партиях металла снижение потерь может отличаться на

величину от 40 до 50 %. Чем больше исходная величина магнитных потерь в

стали, тем больший эффект может быть получен при лазерной обработке.

9. Показано, что применение излучения диодного лазера мощностью 300 Вт

и длиной волны 940 нм на оптимальных режимах так же позволяет создавать

структурные барьеры на поверхности трансформаторной стали. Преимущества

применения волоконных лазеров в использовании прямоугольного пятна нагрева

с длиной 10,0 мм и шириной 5,0 мм, что позволяет увеличить производительность

обработки.

10. Применение диодных лазеров на оптимальных режимах для

обработки трансформаторной стали позволяет снижать магнитные потери до

14,5%, при снижении магнитной индукции не более чем на 1,42 %.

112

Глава 5. Разработка и создание опытной установки для промышленной

обработки анизотропной электротехнической стали

5.1. Конструктивная схема участка лазерной обработки анизотропной

электротехнической стали

Для реализации разработанных в настоящей диссертации технологических

процессов и методов лазерной обработки на предприятии ОАО Новолипецкий

металлургический комбинат (НЛМК) при непосредственном участии автора был

сконструирован, изготовлен и введён в эксплуатацию, лазерный технологический

комплекс обработки трансформаторной стали.

В основу технического задания на разработку комплекса были положены

следующие условия:

- ширина зоны обработки до 500 мм;

- скорость развертки луча до 100 м/с;

- ширина линии обработки до 300 мкм;

- перпендикулярность воздействия луча к направлению прокатки;

- обработка осуществляется поперек полосы;

- непрерывность линии обработки;

- сохранение постоянства параметров обработки по всей длине линии

сканирования;

- минимизацию нерабочего времени облучения;

- обработка полосы, движущейся со скоростью 50 м/мин;

- плотность энергии лазерного излучения, выделяемой в виде тепла на

поверхности обрабатываемой ленты - не менее 0,2 Дж/см2.

Лазерной обработке подвергают готовую сталь, выплавленную в электропечи

или конвертере и разлитую в слябы, прошедшую нагрев в методических печах и

горячую прокатку на стане горячей прокатки, травление, одно или двукратную

холодную прокатку, обезуглероживающий отжиг, обезжиривание, нанесение

113

защитного покрытия, высокотемпературный отжиг, нанесение

электроизоляционного покрытия и выпрямляющий отжиг.

Общая схема участка с лазерной обработкой показана на Рис. 5.1.

Рис.5.1.

Схема участка лазерной обработки трансформаторной стали на стане прокатки: 1

– разматыватель; 2 – проводковый стол №1; 3 – натяжная станция №1;4 –

толщиномер; 5 – измеритель магнитных свойств на входе;

6 – лазерный модуль; 7 – измеритель магнитных свойств на выходе; 8 – натяжная

станция №2; 9 – проводковый стол №2; 10 – моталка; 11 – поддерживающие

ролики

Сталь для лазерной обработки в рулонах устанавливается на разматыватель

1. С помощью натяжной станции 3 через проводковый стол 2 полоса подаётся в

измеритель толщины 4 и измеритель входных магнитных свойств стали 5. После

замеров полоса попадает на участок лазерной обработки 6. После лазерной

обработки снова замеряются магнитные свойства. С помощью тянущей станции 8,

проводкового стола 9 полоса сматывается в рулон 10. Лазерная обработка

осуществляется двумя лазерами, каждый из которых проводит обработку

половину полосы, соединяя их в одну линию.

Внешний вид лазерного участка технологического комплекса для обработки

трансформаторной стали в цеху ОАО НЛМК показан на Рис. 5.2.

8 10 5 4

11

1

3 2

7 9 6

114

Рис.5.2.

Внешний вид участка лазерной обработки трансформаторной стали в цеху

НЛМК

Устройство разматывателя ленты и валковое устройство правки выполнено с

использованием традиционных решений и является абсолютно надежным и

понятным в эксплуатации. Рулон укладывается на автоматизированную тележку и

с ее помощью подается на размоточный вал, система имеет всю группу

необходимых датчиков и контроллеров приводов, автоматически обеспечивая

необходимый ритм подачи ленты. Разматывающее устройство рассчитано на

максимальный рулон шириной 1250 мм и весом до 7 тонн, что покрывает всю

гамму предлагаемой рынком электротехнической стали.

Портал сконструирован в виде блочной замкнутой сварной стальной рамы,

обеспечивающей жесткость конструкции. Все узлы и элементы согласованы

между собой в пространственном отношении.

Заданная точность перемещения ленты обеспечивается использованием

прецизионных редукторов и валков.

Рабочая зона представляет собой закрытую камеру, в которую проводится

115

лента через последовательность парных, вращающихся роликов, после чего лента

перематывается в рулон. Все автоматические вспомогательные операции

производятся во время обработки, поэтому не влияют на производительность

оборудования.

Для увеличения процента снижения магнитных потерь нами было

предложено [65] во время обработки лазерным излучением полосу стали в зоне

обработки транспортировать под регулируемым натяжением, создающим

внутреннее напряжение в металле в интервале от 5 до 80 Н/мм2. Приложение

внешних растягивающих усилий приводит к деформационному искажению

кристаллической решетки и увеличению плотности дислокаций в 1,5-3 раза по

сравнению с режимом лазерной обработки без натяжения и к дополнительному

снижению удельных магнитных потерь на 2-3%. Лазерная обработка полосы под

натяжением так же обеспечивает повышенную термоустойчивость эффекта

снижения магнитных потерь.

В Главе 4 было показано, что лазерная обработка должна проводиться при

погонной энергии в диапазоне от 0,015 до 0,050 Дж/мм прямоугольным лучом

длинной 10 мм и шириной 300 мкм.

Исходя из этого, внешняя сила натяжения полосы может быть рассчитана по

формуле

F=kBd/(P/V)1/2

, (5.1)

где :

F –величина внешней приложенной силы натяжения, кН;

В-ширина полосы;

d- толщина полосы;

Р- мощность лазерного излучения;

V- скорость обработки;

k - коэффициент пропорциональности в зависимости от химического состава

и механических свойств обрабатываемой стали составляет от 0,002 до 0,010.

При лазерной обработке полосы с внутренним напряжением в металле,

созданным за счёт натяжения, менее 5 Н/мм2 и погонной энергии менее 0,015

116

Дж/мм не достигается достаточного прогрева металла в зоне обработки или

недостаточно усилия натяжения при обработке для создания условий

пластического течения металла в зоне воздействия излучения, что не позволяет

получить дополнительный эффект снижения удельных потерь по отношению к

лазерной обработке без натяжения полос. Обработка полосы с внутренним

напряжением в металле в интервале более 80 Н/мм2 сопровождается резким

снижением величины магнитной индукции ниже допустимого значения. При

погонной энергии более 0,050 Дж/мм происходит разрушение

электроизоляционного покрытия на поверхности стали, что недопустимо,

поскольку ухудшает товарный внешний вид продукции и может приводить к

снижению величины сопротивления электроизоляционного покрытия. Снижение

отношения длины к ширине прямоугольного сечения луча менее 0,005 при

существующих ограничениях мощности современных оптоволоконных лазеров

приводит к уменьшению плотности лазерного излучения и, как следствие,

недостаточно глубокому прогреву металла в зоне лазерного воздействия,

исключающему возможность использования прикладываемого натяжения с целью

дополнительного снижения удельных магнитных потерь.

5.2. Характеристики лазерно-оптического модуля.

На Рис. 5.3 представлена схема лазерно-оптического модуля для нанесения

на поверхность трансформаторной стали линий дробления доменов , снижающих

магнитные потери.

117

Рис. 5.3.

Схема лазерно-оптического модуля для нанесения на поверхность

трансформаторной стали линий дробления доменов, снижающих магнитные

потери: 1- волоконный лазер ЛС-3,5; 2- оптическое волокно; 3-калиматор; 4-

барабан с зеркалами; 5- отражённый от зеркала луч; 6- прямоугольная

фокусирующая линза; 7- нанесённые структурные барьеры; 8- обрабатываемая

полоса

Обработка лазерным модулем, показанным на Рис. 5.3, осуществляется

следующим образом. Для формирования лазерного излучения используют два

волоконных лазера 1 модели ЛС 3,5. Излучение по оптоволокну 2 передаётся к

охлаждаемому коллиматору 3. Коллиматор, формирует параллельный пучок

диаметром 20 мм, который передаётся на вращающиеся барабаны 4,

предназначенные для развёртки луча в линию. Каждое из устройств развёртки

представляет собой барабан диаметром 283 мм с закрепленными на нем 20-ю

зеркалами размером 40х45 мм, приводимый в движение электромотором через

редуктор. Непосредственно над лентой 7 расположена нижняя линейка

цилиндрических линз 6. Линзы обеспечивают нужную ширину пятна лазерного

излучения на ленте. Перемещая полосу под лучом, получают линии на его

ЛС

3.5

ЛС

3.5

1

3

4

2

5

6

8

7

118

поверхности. Частота нанесения линий регулируется скоростью перемещения

полосы и скоростью вращения барабана.

Лазеры находятся в отапливаемом помещении, все остальное смонтировано

на стойке для монтажа оборудования и располагается у ленты в пределах рабочей

зоны площадью 3x1 м и высотой 1,8 м от уровня прохождения ленты. Для

предотвращения биений ленты в процессе обработки под лентой должен

располагаться поддерживающий ролик.

5.3. Оптическая система модуля

Оптическая система используется для формирования и ориентации лазерного

пятна на поверхности ленты в процессе обработки. Излучение вводится по оси

системы с помощью коллиматора, закрепленного на входе системы. Коллиматор

является выходным звеном волоконного лазера. Выходная световая апертура

коллиматора - 56 мм, диаметр лазерного пучка - 20 мм, расходимость излучения

по полному углу 0,9 мрад (качество пучка R* а =4,5 мм*мрад). Длина волны

излучения волоконного лазера 1060 - 1080 нм.

Набор линз, входящих в оптическую систему, позволяет решать следующие

задачи: 1) сформировать на ленте пятно оптимальной ширины для обработки

ленты; 2) сформировать на ленте пятно требуемой длины в направлении

лазерного сканирования, от длины пятна зависит время лазерного воздействия,

температура разогрева поверхностного слоя металла и глубина проникновения

тепла в металл; 3) сузить размер пятна на зеркалах развертывающего устройства

до 5 мм, что позволяет сократить нерабочее время, соответствующее переходу от

одного зеркала к другому. Коэффициент использования рабочего времени при

развертке составляет 86,9%.

Уменьшение магнитных потерь при лазерной обработке трансформаторной

стали с покрытием, зависят от размеров пятна как в направлении

перпендикулярном к строке, так и вдоль неё, поэтому необходимо рассчитывать

оптимальные параметры оптической системы. Оптическая система предназначена

119

для работы с лазерным излучением с мощностью до 3,5 кВт при условии

штатного режима развертки и воздушного охлаждения линз.

Для фокусировки излучения, выходящего из коллиматора, используется

набор линз. В зависимости от выбранного набора линз можно получить

различную длину пятна лазерного излучения на ленте: в направлении развертки:

3,8 мм, 12,6 мм, 20,7 мм или 30 мм. Во всех случаях при этом размер лазерного

пучка на зеркалах развертки по высоте составляет 5 мм.

С длиной пятна лазерного излучения в направлении развертки связано время

лазерного воздействия на поверхность ленты. Чем больше длина пятна, тем

обеспечивается большее время воздействия и большая глубина прогрева металла.

Минимальная длина пятна, которую можно получить составляет 3,8 мм.

Использование такой длины пятна позволяет резко нагреть поверхностный слой

металла даже при сравнительно небольшой мощности лазерного излучения. При

этом создается значительный градиент температур, но металл прогревается

сравнительно неглубоко. На глубине 32 мкм максимальная температура нагрева

оказывается в 2 раза меньшей температуры нагрева поверхности.

Большая длина пятна от 20,7 мм до 30,0 мм соответствует максимальной

глубине прогрева металла, однако, с меньшей температурой и меньшим

градиентом у поверхности. Глубина, на которой температура нагрева оказывается

в 2 раза ниже поверхностной, достигает 100 мкм. Вместе с тем температура

поверхностного нагрева оказывается в 2,5 раза меньше, чем при пятне диаметром

3,8 мм, составляя от 300 до 600 градусов в зависимости от ширины пятна в

поперечном направлении.

Вариант с длиной пятна 12,7 мм - промежуточный. Глубина прогрева

составляет 60 мкм. Во всех случаях скорость развёртки оставалась одинаковой.

Ширина пятна на ленте создаётся линейкой цилиндрических линз 6. Причем,

чем больше размер пятна на входе этих линз, тем меньший размер получается в

перетяжке при фокусировке излучения этими линзами. Предусмотрена

возможность изменения ширины пятна со значениями 300, 200, 150, 120 мкм.

120

В последнем случае оказывается заметной сферическая аберрация для

нижних линз. Поэтому получить меньшую ширину пятна в данной системе не

удается.

Линейка цилиндрических линз имеет возможность перемешаться по

вертикали на ±10 мм от среднего положения для совмещения перетяжки

лазерного пучка с поверхностью обрабатываемого листа.

Длина перетяжки по ширине пятна составляет 3,0 мм для пятна шириной 300

мкм и 1,0 мм для пятна шириной 150 мкм. Поэтому совмещение перетяжки с

поверхностью ленты должно быть не хуже ±1,0 мм, и в этом случае температура

нагрева поверхности будет меняться в пределах 15%.

Как уже указывалось, развертка осуществляется двумя вращающимися

барабанами с двадцатью плоскими зеркалами. Каждый барабан производит

развертку на половину ширины обрабатываемой ленты плюс запас на случай

ухода ленты в сторону: 500 мм + 50 мм. Центр развертки приходится на

координату 280 мм от центра ленты (см. Рис. 5.2). В эту точку луч попадает

вертикально при ориентации отражающего зеркала барабана под углом 45° к

падающему лучу.

При вращении барабана с зеркалом на 1 ,23° , лазерное пятно выходит на

край рабочей зоны, а при повороте на 7,58° в другую сторону - на центр ленты.

При превышении этих углов лазерный пучок, имеющий на зеркале размер 5,0

мм по высоте, начинает выходить за пределы отражающей поверхности зеркала и

при этом начинает виньетироваться пятно на поверхности ленты. Так как

перетяжка пучка в плоскости расположена между барабаном и нижними линзами,

виньетирование не приходится на рабочую зону, а начинается с периферии пятна.

Это сказывается при использовании пятен большой длины. Тепловая

обработка участка на металле не может считаться законченной пока через этот

участок не пройдет все пятно, а не только его центр. Поэтому сектор полезной

развертки составляет 86,9 % от полного цикла (расстояние между зеркалами

барабана составляет 18°).

121

Для отсечения лазерного излучения, идущего за пределы рабочей зоны,

предусмотрены экраны с рифленой поверхностью, рассеивающие лазерное

излучение.

Для того чтобы линии обработки были строго перпендикулярны ленте, вся

система разворачивается на определенный угол с учетом направления развертки и

направления движения пятна. Однако, если просто развернуть систему, то на тот

же угол развернется и пятно на ленте. При этом оказывается, что начало и конец

пятна (по его длине) проходят через разные точки движущейся ленты и в

результате тепловой след на ленте расширяется. Величину этого расширения

можно назвать сносом пятна относительно ленты. Снос пятна имеет

незначительную величину. Он оказывается существенным, если пятно достаточно

длинное и узкое.

Чтобы ликвидировать снос пятна, его нужно ориентировать, повернув его

на определённый угол относительно направления развертки, и тогда оно окажется

ориентированно в прежнем направлении - перпендикулярно движению ленты.

Расчет показывает - это можно сделать, развернув систему фокусирующих линз

верхнего рельса вокруг оптической оси. Угол разворота для шага развертки 5 мм

составляет 4,6 градуса, то есть в 10,7 раза больше чем угол разворота всей

системы.

5.4. Система фиксации плоскости обработки ленты

В существующей системе протяжки ленты она слабо фиксируется по высоте,

из-за значительного расстояния между подающей и натягивающей системами

роликов.

При перемотке лента может перемещаться по высоте в результате биений,

как упругий элемент. Если лента остановлена для проведения юстировки

системы, она может провиснуть в результате расширения, обусловленного

суточным изменением температуры в помещении. Расчет показывает, что для

ширины пятна 150-200 мкм и вертикальных биениях листа в пределах ±1,0 мм

122

поверхностная температура нагрева стали изменяется в пределах 15%, а при

биениях ±3,0 мм в пределах 50%.

В связи с этим, необходимо фиксировать протягиваемую ленту в зоне

обработки по высоте. Для этого было предложено использовать два

вращающихся, обрезиненных валика, поддерживающих лента снизу (смотри Рис.

5.1 поз.11). Диаметр валиков, ориентировочно составляет 100 мм, а расстояние

между осями вращения валиков 150 мм, при этом зазор между валиками

составляет 50 мм. Валики должны быть подняты на 10 мм вверх относительно

среднего положения ленты без них. Это делается для гарантии полного

прилегания ленты к валикам в процессе работы. Цилиндрическая образующая

валиков имеет прямолинейную поверхность, а их биение при вращении не должно

превышать ±0,3 мм. Под валиками установлен защитный экран, препятствующий

распространению лазерного излучения вниз.

5.5. Система управления лазерным модулем

В состав системы управления входят: датчик положения зеркала, датчик

положения края полосы ленты, измеритель скорости движения ленты,

промышленный компьютер, устройство слежения за поверхностью

электроизоляционного покрытия, контроллер, программа управления.

Работа всего лазерно-оптического модуля задаётся устройством управления,

которое формирует сигналы управления сканирующим устройством,

обрабатывает сигналы датчика положения края полосы в горизонтальной

плоскости и данные измерителя скорости движения ленты. При начале движения

полосы синхронизируется положение зеркала сканера относительно края ленты,

после чего включается излучение лазеров и происходит процесс обработки. В этот

момент устройство управления переводит компьютер контроля целостности

электроизоляционного покрытия в режим контроля обрабатываемой поверхности.

При уменьшении скорости перемотки полосы ниже допустимого значения или

при остановке движения ленты, сигнал с датчика скорости движения ленты

передаётся в устройство управления и излучение должно выключаться. На экране

123

монитора появляется надпись «Нет перемотки». Устройство управления должно

работать по специально разработанной программе.

Положение края полосы ленты фиксируется датчиками марки WT130L-52 и

WSE130L-52. Датчик WT130L-52 представляет собой формирователь линейной

развёртки красного лазера, а второй датчик WSE130L-52 состоит из линейки

приёмников. Данные датчики по своим техническим характеристикам позволяют

следить за краем полосы ленты с точностью 0.5 мм.

Скорость движения ленты контролируется измерителем марки ЛИС-4В,

предназначенным для использования в металлургической промышленности для

автоматизации систем. Диапазон измеряемых скоростей от 0,6 до 600 м/мин,

относительная погрешность измерения скорости ±0,14. Оно монтируется на

монтажной стойке над движущейся поверхностью полосы. С выхода измерителя

скорости информация о скорости перемещения подаётся на устройство

управления для дальнейшей обработки и выдачи соответствующих команд.

Вся работа лазерного модуля управляется с пульта, предназначенного для

подачи и снятия напряжения со всех устройств, выбора режима работы, а также

для задания технологических параметров обработки стали, контроля над

процессом. Вся система управляется компьютером.

5.6. Опытная апробация участка лазерной обработки

Опытная обработка анизотропной электротехнической тонколистовой стали,

по разработанной технологии и на созданном оборудовании, проводилась на ОАО

«НЛМК». Сталь для обработки выплавляли в конвертере и разливали в слябы.

Затем она проходила нагрев в методических печах и горячую прокатку на

непрерывном широкополосном стане горячей прокатки. После этого

осуществляли травление, а затем первую холодную прокатку. Полученная полоса

проходила обезуглероживающий отжиг, вторую холодную прокатку,

обезжиривание, нанесение защитного покрытия, высокотемпературный отжиг,

нанесение электроизоляционного покрытия и выпрямляющий отжиг. Полученные

124

рулоны стали подвергали лазерной обработке. Мощность излучения составляла

2,5 кВт. Луч имел прямоугольное сечение шириной 150 мкм вдоль направления

сканирования и длиной 20 мм в направлении движения полосы. Скорость

движения полосы составляла 50 м/мин. С помощью специального натяжителя в

полосе создавалось напряжение. Свойства тонколистовой анизотропной

электротехнической стали, полученные в результате лазерной обработки по

разработанной технологии показаны в Таблице 20.

Таблица 20.

Влияние натяжения ленты на удельные магнитные потери при лазерной

обработке трансформаторной стали

Способ

обработки

Напряжения в

ленте при

натяжении

σ, Н/мм2

Удельные

магнитные

потери до

обработки

P1,7/50, Вт/кг

Удельные

магнитные потери

после обработки

P1,7/50, Вт/кг

Эффективность

снижения

магнитных потерь

ΔP1,7/50, %

Без натяжения

ленты 0,0 1,03 0,98 5,1

С натяжением

ленты

6,0 0,95 0,85 10,9

18,0 1,05 0,94 10,7

35,0 1,08 0,99 8,4

85,0 1,10 1,03 6,7

Как видно из данных Таблицы 20 магнитные потери в результате лазерной

обработки снижались как при использовании предварительного натяжения, так и

без него. Однако, при создании напряжений на уровне от 6,0 до 18,0 Н/мм2

снижение магнитных потерь было значительно выше. Увеличение натяжения

больше 18 Н/мм2 не увеличивает эффект снижения магнитных потерь, поэтому

применять большие силы натяжения не имеет практического смысла.

Таким образом, в результате проведённой работы было создано специальное

оборудование для лазерной обработки рулонированной тонколистовой

анизотропной электротехнической стали, которое позволяет проводить лазерную

обработку листа с дополнительным его натяжением. Также разработана

технология нанесения линий дробления доменов излучением волоконного лазера,

125

позволяющая снизить магнитные потери в стали и повысить эффективность

работы трансформаторов, изготовленных из неё.

126

Выводы по Главе 5

1. Разработана конструктивная схема участка лазерной обработки

анизотропной электротехнической стали.

2. Разработана и изготовлена оптическая система для формирования

лазерного пятна линейной формы с длиной до 300 мм и шириной до 250 мкм.

3. Установлено, что натяжение полосы в процессе лазерной обработки,

для создания напряжений на уровне от 6,0 до 18,0 Н/мм2, способствует

дополнительному снижению удельных потерь от 40 до 60 %.

4. Спроектирован, изготовлен и опробован в эксплуатации лазерный

технологический комплекс для обработки тонколистовой анизотропной

электротехнической стали при перемотке рулонов в линии агрегата на

действующем производстве.

5. Разработана промышленная технология снижения удельных

магнитных потерь в трансформаторной стали без разрушения

электроизоляционного покрытия.

127

Общие выводы по работе

1. Разработана промышленная технология, подобрано и изготовлено

оборудование на основе современных лазеров для снижения удельных

магнитных потерь анизотропной электротехнической стали локальной лазерной

обработкой без разрушения электроизоляционного покрытия.

2. Спроектирован, изготовлен и опробован в эксплуатации лазерный

технологический комплекс для обработки тонколистовой анизотропной

электротехнической стали при перемотке рулонов в линии агрегата на

действующем производстве.

3. Установлено, что применение излучения непрерывного волоконного лазера с

длиной волны 1070 нм и погонной энергией развёртки от 0,018 до 0,022 Дж/см2

на оптимальных режимах позволяет получать линий дробления доменов на

поверхности трансформаторной стали без разрушения электроизоляционного

покрытия с созданием напряжений от 6,0 до 18,0 Н/мм2. При этом снижение

удельных потерь ΔР1,7/50 достигается в диапазоне от 8,0 до 15,0% при снижении

магнитной индукции ΔВ100 не более чем на 2,0%. Одновременно с этим

удельные магнитные потери снижаются на 40 до 60 %.

4. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что создание

линий дробления доменов приводит к ограничению размеров основных

магнитных доменов. Это достигается воздействием на поверхность

трансформаторной стали излучением волоконного или диодного лазеров с

длиной волны от 900 до 1070 нм.

5. На основании расчета температурных полей нагрева поверхности стали до

образования линий дробления доменов показано, что максимальная

температура нагрева должна лежать в диапазоне от 250 до 300С.

6. Установлено, что основное влияние на изменение магнитных свойств стали

оказывают различного рода напряжения, возникающие при неравномерном

нагреве её поверхности. Эти напряжения формируют линии дробления

128

основных 180 – градусных доменов с образованием замыкающих клиновидных

90-градусных доменов, при этом сокращается путь магнитного потока,

меняющего свое направление на противоположное с частотой переменного

тока, что улучшает электротехнические свойства стали.

7. Экспериментально установлено, что при обработке излучением волоконного

лазера пятно должно иметь линейную форму с длиной от 100 до 250 мм и

шириной от 100 до 150 мкм.

129

Список литературы

1. Электротехническая анизотропная сталь. История развития / Лобанов М. Л. [и

др.] //Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. № 7. С. 25-36.

2. Тагучи С. Современное состояние развития электротехнических сталей // Тэцу

то Хагане. 1976. Т. 62, № 7. С. 905 -915.

3. Казаджан Л.Б. Магнитные свойства электротехнических сталей и сплавов. М.:

Наука и технологии. 2004. 352с.

4. Производство новых видов электротехнических сталей в ОАО «Новолипецкий

металлургический комбинат» / Поляков М.Ю. [и др.] // Производство проката.

2010. №7. С. 19-23.

5. Франценюк И. В., Казаджан В. Б., Барятинский В. П. Достижения в улучшении

качества электротехнических сталей на НЛМК // Сталь. 1994. № 10. С. 35 - 38.

6. Sadayori Т., lida К, Fukuda В. Development of grain- oriented silicon steel sheets

with low iron loss // Kawaski Steel Giho. 1989. V. 21, No. 3. P. 239-244.

7. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и

практические применения. М.: Мир.1987. 159 с.

8.Петрова Л. Г., Потапов М.А., Чудина О. В. Электротехнические материалы

М.: МАДИ, 2008. 198 с.

9.Счастливцева И. К., Губернаторов В. В., Соколов Б. К. и др. О стабилизации

размера зерна матрицы в тонкой ленте трансформаторной стали // Физика

металлов и металловедение. 1967. №5. С. 929 -933.

10. Могутнов Б. М, Емельянов Л. П., Кононов А. А. Физическая химия процессов

обработки электротехнических сталей. М.: Металлургия, 1990. 168 с.

11. Соколов Б.К., Губернаторов В.В., Драгошанский Ю.Н. Влияние ионно-

лучевой обработки на магнитные свойства магнитомягких материалов // Физика

металлов и металловедение, 2000. №. 4. С. 32-42.

12.Русаков Г. M., Редикульцев А. А., Каган И. В.Механизм образования полос

сдвига при холодной деформации технического сплава Fe - 3 % Si.

130

// Физика металлов и металловедение. 2010. Т. 109, №6. С. 701 -707.

13. Katayama M., Okunаva V. Reduction of losses of electrical steel with high

permeability by using prefabricated blocks, large balls.// Journal of engineering physics.

1985. № 235.P. 56-69.

14. Yamaguchi T. Luchi K, Kuroki O. Reducing the level of specific magnetic losses

obtained using the technology of local etching of grooves and subsequent rolling and

heat treatment. //Steel rolling technology. 1989. № 10.P. 45-54.

15. Драгошанский Ю. Н., Соколов Б. К., Пудов В. И. Улучшение магнитных

свойств анизотропных магнитомягких материалов лазерной обработкой и

контроль ее эффективности.// Доклады Академии наук. 2003.Т. 391, №. 1, С. 44-

46.

16. Snell D., Lockhart C. The effect of spark ablation on the power loss of grain

oriented electrical steels. //British Steel Corporation, Techical and Research

Department. 1985. № 5. Р.85-99.

17. Соколов Б.К., Терегулов Н.Г. Актуальные вопросы лазерной обработки сталей

и сплавов. Уфа.:Технология, 1994. 97c.

18. Fukuda В., Irie Т., Shimanaka Н. Local plasma treatment with micro-alloying of

local areas of the steel surface. //Japanese technology magazine.2003.№6.P.46-58.

19. Драгошанский Ю.Н., Зайкова В.А., Хан Е.Б. Оптимизация режимов лазерной

обработки электротехнической стали // Физика металлов и металоведение.1974.

№6. С.24-38.

20. Соколов Б. К., Драгошанский Ю. Н. Структурные барьеры и снижение

магнитных потерь в анизотропных электротехнических сталях. // Физика

металлов 1991. № 1. С. 92 - 102.

21. Пудов В.И., Драгошанский Ю.H. Магнитная доменная структура и

термостабилизация зон лазерного воздействия в магнитомягких материалах.

//Физика твердого тела. 2016. Том 58, №2 С.56-64.

22. Буханова, И. Ф., Дивинский В. В., Журавель В. М. Лазерная обработка

пластин магнитопроводов силовых трансформаторов // Электротехника. 2004. №

1. С. 39-42.

131

23. Iuchi T., Yamaguchi S., Ichiyama T. Laser processing for reducing core loss of

grainoriented silicon steel // Journal Applied Phusics. 1982. V.53, №3.P.32-44.

24. Каюков С. В., Зайчиков Е. Г., Дудоров И. А. Оптимизация режимов лазерной

обработки анизотропной электротехнической стали // Известия Самарского

научного центра РАН. 2003. Т. 5, № 1. С. 66-73.

25. Гиржон В. В. , Смоляков А. В. , Бабич Н. Г. Влияние импульсных лазерных

нагревов на магнитные свойства аморфного сплава Fe76Si13B11 // Физика металлов

и металловедение. 2009. Т. 108, № 2. С. 133-138.

26. Андреев А. О., Бровин М. А., Петровский В. Н. Пространственно-

неоднородное распределение намагниченности в ферромагнитных материалах,

обработанных излучением лазера // Журнал технической физики. 2016. Т. 86,

№ 4. С. 113-118.

30. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы

лазерной обработки. М.: Издательство МГТУ им.Н.Э.Баумана. 2008. 680с.

31.Богданов А.В., Голубенко Ю.В Волоконные технологические лазеры и их

применение. Санкт-Петербург: Лань. 2016.208с.

32.Кристоф У. Диодные лазеры высокой мощности. //ФОТОНИКА. 2016.№3.

С.12-17.

33. Takahashi N., Harase J. Recent development of technology of grain oriented silicon

steel // Procсеs Material Science Forum. 1996. V. 204-206, P. 143- 145.

34. Honda К., Kaya S. On the magnetisation of single crystals of iron // Sciеns Repir

Tohoku Imp. Univ. 1986. V. 15, P. 721 -754.

35. Франценюк И. В., Казаджан В. Б., Барятинский В. П. Достижения в

улучшении качества электротехнических сталей на НЛМК // Сталь. 1994. № 10. С.

35 - 38.

36.Rusakov G. М., Redikultsev A. A., Lobanov М. L. Formation mechanism for

orientation relationship between {110}(001) and {111}(112) grains during twinning in

Fe - 3 % Si alloy // Metallurgical and materials transactions A. 2008. V. 39, № 10. P.

2278 - 2280.

37. Механизм образования полос сдвига при холодной деформации технического

132

сплава Fe - 3 % Si / Г. M. Русаков [и др.] // Физика металлов и металловедение.

2010. Т. 109, №6. С. 701 -707.

38. Ветер В. В. , Жулейкин С. Г. , Игнатенко Л. Н. Градиентные структуры,

возникающие при пластической деформации перлитной стали.// Известия

Российской Академии Наук. Серия физическая. 2003. Т. 67, № 10. С. 1370-1375.

39. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки. М.: Машиностроение.1996.280

с.

40. Андреев А. О. , Блинова Е. Н. , Либман М. А. Влияние циклического

лазерного нагрева на образование дисперсных структур в железо-хром-никелевых

сплавах // Материаловедение. 2016. № 10. С. 37-40.

41. Вейко, В. П. Лазерные технологии. Введение в лазерные технологии. СПб.:

СПбГУ ИТМО, 2009.143 с.

42. Лобанов М. Л. [и др.] Электротехническая анизотропная сталь. История

развития.Ч.2 //Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. № 8.

С. 25-36.

43. Корзухин Г.С., Литвиненко Л.А. О возможности определения магниных

напряжений магнито-порошковым методом // Дефектоскопия.1997.№11. С.40-42

44.Карзухин Г.С., Пужевич Р.Б , Цирлин М.Б. Влияние магнитных напряжений на

магнитные свойства анизотропнойэлектротехнической стали // Физика металлов и

металловедение. 2007.Т.103, №2.С. 147-156.

45. О магнитных способах оценки внутренних напряжений / Ю.А. Мехонцев

//Дефепктоскопия.1986.№2.С.94-95

46. Определение внутренних напряжений в текстуированной электротехнической

стали / Г.С. Карзухин, М.П. Уварова // Электротехнические материалы.1989.№

10.С.7-8.

48. Пространственно-неоднородное распределение намагниченности в

ферромагнитных материалах, обработанных излучением лазера / А. О. Андреев,

М. А. Бровин, В. Н. Петровский // Журнал технической физики. – 2016. Т. 86,

№ 4. С. 113-118.

49. Улучшение магнитных свойств анизотропных магнитомягких материалов

133

лазерной обработкой и контроль ее эффективности / Ю. Н. Драгошанский, Б. К.

Соколов, В. И. Пудов //Доклады Академии наук. 2003. Т. 391, №1. С. 44-46.

50. Лазерная обработка пластин магнитопроводов силовых трансформаторов / Б.

К. Соколов, В. В. Губернаторов, Ю. Н. Драгошанский //Физика металлов и

металловедение. 2000. Т. 89, № 4. С. 32-42.

51. О виде замыкающих доменов внутри кристаллов Fe-Si / Я.С. Шур, Ю.Н.

Драгошанский // Физика металлов и металловедение. 1996. Т.22, №5.С.702-710.

52. Магнитная доменная структура и термостабилизация зон лазерного

воздействия в магнитомягких материалах / В.И. Пудов, Ю.H. Драгошанский //

Физика твердого тела. 2016. Т. 58, № 2. С.43-51.

53. Оптимизация режимов лазерной обработки анизотропной электротехнической

стали / С. В. Каюков, Е. Г. Зайчиков, И. А. Дудоров // Известия Самарского

научного центра РАН. 2003.Т. 5, № 1. С. 66-73.

54. Влияние импульсных лазерных нагревов на магнитные свойства аморфного

сплава 30КСР / В. В. Гиржон, А. В. Смоляков, Н. И. Захаренко // Физика

металлов и металловедение. 2011. Т. 111, № 6. С. 587-591.

55. Комплексная лазерная обработка электротехнической стали / А.Г. Григорьянц,

А.Ю. Шишов, В.А. Фунтиков // Технология Машиностроения. 2015.№ 10. С.12-

15.

56. Влияние лазерной обработки на динамические магнитные свойства аморфной

ленты Fe64CO21B15 / А. Л. Семенов, А. А. Гаврилюк, А. В. Гаврилюк //

Неорганические материалы. 2010. Т. 46, № 6. С. 694-701.

57. Производство новых видов электротехнической сталей. / М .Ю. Поляков, С.В.

Бахтин, А.Ю Шишов // Листопрокатное производство. 2010.№7. С.21-29.

58. Технологии локальной лазерной обработки электротехнической анизотропной

стали диодными лазерами прямого действия / А.Г. Григорьянц, А.Ю. Шишов,

В.А. Фунтиков // Сварочное производство. 2017 . №9.С. 47-53.

59. Магнитоупругие свойства аморфных металлических лент, прошедших

лазерную обработку / А. А. Гаврилюк, А. Л. Семенов, Н. В. Морозова //

Материаловедение. 2011. № 10. С. 19-24.

134

60. Использование фазовых превращений для создания градиентных материалов/

М. П. Галкин, М. А. Либман, Э. И. Эстрин // Материаловедение. 2014. № 3. С. 25-

28.

61. Джумаев П.С. , Емельянова О.В. , Якушин В.Л. Влияние обработки потоками

импульсной плазмы на структурно-фазовое состояние ферритно-мартенситной

стали ЭК-181 // Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57,

№ 12. С. 276-280.

62. Андреев А. О. , Миронов В. Д. , Петровский В. Н. Изменение фазового состава

металлов излучением волоконного лазера для управления их магнитными

характеристиками // Ядерная физика и инжиниринг. 2013. Т. 4, № 5. С. 396-405.

63. Mohanan S., Diebolder R., Hibst R. Effect of pulsed laser irradiation on the

structural and the magnetic properties of NiMn/Co exchange bias system. // Journal of

applied physics. 2008. Vol. 103, № 7. С. 07B502.

64. Влияние циклического лазерного нагрева на образование дисперсных

структур в железо-хром-никелевых сплавах / А. О. Андреев, Е. Н. Блинова,

М. А. Либман // Материаловедение. 2016. № 10. С. 37-40.

65. Способ производства листовой анизотропной электротехнической стали/

Патент № RU 2405841 C1/Ю.И. Ларин, М.Ю. Поляков, В.Н. Поляков, А.Ю.

Шишов, С. А. Крысанов; заявл. 08.03.2009; опубл. 10.12.2010.

66. Электротехническая сталь: [Электронный ресурс] // НЛМК. Каталог

продукции. – URL: http://nlmk.com/upload/iblock/fd6/elektrotekhnika_katalog.pdf

(Дата обращения: 20.03.2018).

67. ГОСТ 12119.0-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных

и электрических свойств. Общие требования. М.: ИПК Издательство стандартов,

1999.83 с.

68. ГОСТ 12119.1-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных

и электрических свойств. Методы измерения магнитной индукции и

коэрцитивной силы в аппарате Эпштейна и на кольцевых образцах в постоянном

магнитном поле. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003

69. ГОСТ 12119.2-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных

135

и электрических свойств. Метод измерения магнитной индукции в пермеаметре.

М.: ИПК Издательство стандартов, 2003

70. ГОСТ 12119.3-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных

и электрических свойств. Метод измерения коэрцитивной силы в разомкнутой

магнитной цепи. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003

71. ГОСТ 12119.4-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных

и электрических свойств. Метод измерения удельных магнитных потерь и

действующего значения напряженности магнитного поля

72. ГОСТ 12119.5-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных

и электрических свойств. Метод измерения амплитуд магнитной индукции и

напряженности магнитного поля. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003

73. ГОСТ 12119.6-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных

и электрических свойств. Метод измерения относительной магнитной

проницаемости и удельных магнитных потерь мостом переменного тока. М.: ИПК

Издательство стандартов, 2003

74. ГОСТ 12119.7-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных

и электрических свойств. Метод измерения удельного электрического

сопротивления мостом постоянного тока. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003

75. ГОСТ 12119.8-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных

и электрических свойств. Метод измерения коэффициента сопротивления

изоляционного покрытия. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003

76. Ольков С.А. Формирование субструктуры при рекристаллизации и разработка

способов улучшения эксплуатационных свойств электротехнической

анизотропной стали: дис. … канд. техн. наук: 05.16.01 – Металловедение и

термическая обработка металлов и сплавов / Ин-т физики металлов УрО РАН.

Екатеринбург, 2013.122 с.

77. Третьяков Р.С. Технологические особенности процесса лазерной

модификации поверхностей с коаксиальной подачей порошковых материалов:

дис. … канд. техн. наук: 05.02.07 – Технология и оборудование механической и

физико-технической обработки / МГТУ им. Н.Э. Баумана. Москва,2014.162 с.

136

78. Лобанов М.Л. Управление структурой и текстурой электротехнической

анизотропной стали с нитридным ингибированием: дис. … доктора техн. наук:

05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов / УГТУ-

УПИ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина. Екатеринбург, 2010.242 с.

79. Сысолятина И.П. Контроль качества электроизоляционных покрытий,

текстуры и величины зерен в процессе производства анизотропной

электротехнической стали: дис. … канд. техн. наук: 05.02.11 – Методы контроля и

диагностика в машиностроении / Ин-т физики металлов УрО РАН. Екатеринбург,

2004.145 с.