УДК 620.179.14
ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРРОЗОНДОВОГО МЕТОДА ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ЛОКАЛЬНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ
Б. К. Соколов, Ю. Я. Реутов, В. И. Пудов, Ю. Н. Драгошанский, В. В. Губернаторов, С. В. Смирнов, А. М. Юдин, Б. П. Яценко
Работа направлена на исследование возможности активного контроля магнитных характеристик в движущейся ленте электротехнической анизотропной стали при ее локальной лазерной обработке.
Одной из основных характеристик, определяющих качество электротехнической анизотропной стали (ЭАС), является уровень магнитных потерь при перемагничивании. В современной ЭАС с острой ребровой текстурой (110) [001] и крупными зернами диаметром 10 мм и более преобладающую долю магнитных потерь (до 85 %) составляют вихретоковые потери. В соответствии с теорией (см., напр., [1]) снижение вихретоковой составляющей потерь реализуется за счет уменьшения скорости перемещения доменных границ, что достигается уменьшением ширины полосовых основных магнитных доменов.
Эффективным способом уменьшения ширины магнитных доменов (их дробления) является создание в крупнозернистой ЭАС так называемых структурных барьеров [2]. В общем случае под структурными барьерами понимают закономерно расположенные протяженные участки, отличающиеся от основного материала химическим и фазовым составом, структурой и субструктурой, текстурованным состоянием, характером упругонапряженного состояния и т. п. На структурных барьерах сосредоточиваются магнитные заряды, приводящие к дроблению основных доменов и появлению зародышей перемагничивания. Одним из наиболее распространенных методов создания структурных барьеров является локальная лазерная обработка (ЛЛО). Следует отметить, что для снижения магнитных потерь в ЭАС этот метод был впервые применен в ИФМ АН СССР в 1974 г. [3].
В настоящее время наиболее широкое практическое использование нашла ЛЛО, создающая структурные барьеры с повышенным уровнем остаточных упругих напряжений. Барьеры получают в виде узких (0,1— 0,3 мм) полос, перпендикулярных направлению [001] и отстоящих друг от друга на расстояния 4—8 мм. ЭАС не имеет фазовых превращений, поэтому уровень возникающих напряжений в основном связан с градиентами объемных изменений, обусловленных высокими температурными градиентами. Остаточные упругие напряжения сжатия в зонах термического влияния ЛЛО приводят к возникновению замыкающих магнитных доменов и дроблению основных полосовых доменов в областях остаточных упругих растягивающих напряжений между следами ЛЛО. Необходимо подчеркнуть, что увеличение областей замыкающей доменной структуры приводит к снижению магнитной индукции в продольном направлении, особенно в слабых и средних магнитных полях, что может неблагоприятно сказаться на эксплуатационных характеристиках ЭАС.
На рис. 1 показана зависимость относительного изменения потерь Р, 7/50 (при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте перемагничивания 50 Гц) и магнитной индукции Бшо (при напряженности постоянного магнитного поля 100 А/м) от плотности энергии при лазерном облучении ленты ЭАС. Видно, что эффекты снижения магнитных потерь и уменьшения магнитной индукции сильно зависят от плотности энергии лазерного облучения. Существует оптимальная плотность энергии, приводящая к
максимальному снижению магнитных потерь и не уменьшающая существенно значение магнитной индукции. Однако в пределах одной промышленной ленты ЭАС в ее разных участках оптимальная плотность энергии облучения и эффект снижения потерь могут различаться. При этом разброс относительного изменения потерь значителен. Это обусловлено тем, что на эффективность обработки помимо мощности ЛЛО и длительности воздействия лазерного облучения влияет структура обрабатываемого материала, состояние поверхности ленты и ее отражающая способность, которые могут различаться от участка к участку. Несмотря на то, что в отдельных участках ленты потери при ЛЛО снижаются более чем на 10 %, общий суммарный эффект снижения потерь обычно не превышает 4—6 %.
Рис. 1. Влияние мощности лазерного облучения на относительные изменения магнитных потерь и магнитной индукции.
Для оптимизации режимов ЛЛО, приводящих к максимальному снижению магнитных потерь в каждом участке ленты ЭАС, необходимо устройство, с помощью которого возможно не только определить эффект лазерной обработки, но и использовать его для быстрой корректировки режима ЛЛО. Обстоятельства усложняются тем, что ЛЛО производится на движущейся ленте шириной до 1 м и толщиной 0,22—0,30 мм, причем скорость движения достигает 1,2 м/с.
Известные средства контроля магнитных свойств в движущейся ленте ЭАС [4] не могут обеспечить решение указанной задачи.
В настоящей работе исследована возможность применения для активного контроля магнитных свойств ЭАС феррозондового измерителя магнитного поля с высокой чувствительностью.
ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТА ЛЛО В ЛЕНТЕ ЭАС
Лента ЭАС высших марок обладает высокой степенью совершенства ребровой кристаллографической текстуры (110)[001]. Векторы самопроизвольной намагниченности в пределах каждого зерна ориентированы вдоль осей наилегчайшего намагничивания [001], лежащих вблизи поверхности ленты. Благодаря острой текстуре направление векторов при переходе от одного зерна к другому меняется незначительно и в области границ зерен поперечное рассеяние магнитного потока мало.
При ЛЛО появляются зоны, в которых происходит нарушение полосовой доменной структуры (структурные барьеры). На рис. 2 видно, что непосредственно в зоне термического воздействия лазера возникает сложная структура дополнительных доменов (лабиринтная структура,
призматические и клиновидные домены замыкания), в которых векторы намагниченности лежат по другим осям легкого намагничивания: [100] и [010], а также другим направлениям с отсутствием полного замыкания магнитного потока в ленте ЭАС. Над зонами ЛЛО создаются магнитные поля рассеяния значительной напряженности, локализованные в непосредственной близости от поверхности ленты (1—2 мм).
Рис. 2. Магнитная структура ленты ЭАС в зоне облучения лазером. х80.
Как было установлено [3], минимальному значению магнитных потерь после ЛЛО соответствует определенное снижение магнитной индукции. Уровень напряженности полей рассеяния над зонами ЛЛО коррелирует с величиной снижения магнитной индукции. Поэтому, определяя уровень напряженности полей рассеяния над зонами лазерного воздействия, можно оценить и величину снижения магнитных потерь при ЛЛО. Важнейшими задачами для осуществления контроля над уровнем напряженности полей рассеяния в участках ЛЛО являлась миниатюризация феррозондового преобразователя и возможность выделения сигнала от зон лазерного воздействия.
ФЕРРОЗОНДОВЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Для проведения исследований был разработан и изготовлен ферро-зондовый прибор, позволяющий измерять параметры полей рассеяния над лентой ЭАС.
Феррозондовый преобразователь параметров магнитного поля в электрический сигнал состоит из двух идентичных между собой ферроэле-ментов. Каждый ферроэлемент представляет собой цилиндрическую катушку внутренним диаметром 0,1 мм и длиной 2,5 мм из 150 витков провода диаметром 0,06 мм (по меди). Внутри катушки находится цилиндрический сердечник диаметром 0,08 мм и длиной 2 мм, изготовленный из отожженного в вакууме пермаллоя 80НХС. Ферроэлементы преобразователя расположены вертикально, перпендикулярно поверхности обследуемой ленты ЭАС на высоте около 1 мм от нее и размещены друг за другом вдоль длины ленты с расстоянием между центрами около 2 мм и соединены так, что измеряют разность полей, действующих вдоль их продольных осей, то есть горизонтальный градиент вертикальной компоненты индукции поля рассеяния областей спонтанной намагниченности полосы трансформаторной стали. Такое соединение ферроэлементов позволяет значительно повысить помехоустойчивость прибора по отношению к магнитным полям посторонних источников. Трехпроводным кабелем феррозондовый преобразователь подсоединен к электронному блоку измерительного прибора.
Электронный блок измерителя собран по схеме феррозондового измерителя типа второй гармоники с автокомпенсацией измеряемого поля. Его блок-схема изображена на рис. 3.
Работает прибор следующим образом. Задающий генератор 1 вырабатывает прямоугольные колебания с частотой следования 200 кГц. Делителем частоты 2 частота этих импульсов делится на два и полученные импульсы с частотой 100 кГц поступают на усилитель мощности 3, где усиливаются и через разделительный трансформатор поступают в обмотки ферроэлементов феррозондового преобразователя 4. Протекая по обмоткам преобразователя 4, переменный ток периодически перемагни-чивает его пермаллоевые сердечники до насыщения с частотой 100 кГц. Если на преобразователь действует неоднородное магнитное поле, то на его обмотках появляется переменное напряжение с частотой 200 кГц, амплитуда которого (в определенных пределах) пропорциональна градиенту напряженности неоднородного магнитного поля, действующего на феррозондовый преобразователь.
Рис. 3. Блок-схема феррозондового измерителя (пояснение в тексте).
Наряду с этим полезным напряжением (напряжением сигнала) на обмотках преобразователя неизбежно присутствуют напряжения с другими частотами, являющиеся помехами. В селективном усилителе 5 напряжение полезного сигнала с частотой 200 кГц усиливается до необходимого уровня, в то время как напряжения помех подвергаются ослаблению. Усиленное переменное напряжение полезного сигнала поступает на двухполупериодный синхронный детектор 6, который совместно с фильтром нижних частот 7 осуществляет фазочувствительное выпрямление полезного сигнала и превращение его в постоянное напряжение. Величина этого напряжения пропорциональна градиенту напряженности магнитного поля, действующего на феррозондовый преобразователь, а знак этого напряжения соответствует полярности градиента. Постоянное напряжение полезного сигнала поступает на вход усилителя постоянного тока 8, ас его выхода, через переключатель пределов 10 постоянный ток поступает в обмотки ферроэлементов феррозондового преобразователя 4. Благодаря глубокой
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.