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1 绪论
取向硅钢是一种通过形变和再结晶退火产生晶粒择优取向的硅铁合金，它的硅含量约3％，碳含量很低。产品为冷轧板或带材，公称厚度为0.18、0.23、0.28、0.30和0.35mm。这种软磁材料主要用于制造各种变压器、日光灯镇流器和汽轮发电机定子铁芯[1]。当取向硅钢作为磁介质在交变电流的工作环境下被磁化时，一部分能量会在电磁转换过程中转化为热量损失掉，这部分损失的能量被称为铁损。铁损包括磁滞损耗和涡流损耗，磁滞损耗是指铁磁材料作为磁介质，在一定励磁磁场下产生的固有损耗；涡流损耗是指磁通发生交变时，铁芯产生感应电动势进而产生感应电流，感应电流在铁芯电阻上产生的损耗就是涡流损耗[2]。
由于铁损会造成能源的巨大浪费，为了降低取向硅钢铁损，国内外专家都做了许多研究。就硅钢材质而言，降低取向硅钢铁损的方法包括：增大硅含量，减小板厚和细化硅钢磁畴[3]。增加硅含量能够显著降低取向硅钢的涡流损耗，从而降低总铁芯的损失。目前，已研制出 6.5%的硅钢片。但是随着硅含量的增加，硅钢带的生产难度加大，硅钢片的硬度也随之升高，且容易氧化生锈[4]。减小取向硅钢板厚也能有效的降低铁损，目前采用的冷轧取向硅钢板型越来越薄，已经出现了0.18mm的取向硅钢片，但是要进一步减小板厚，难度将成指数增长。
细化硅钢磁畴是降低铁损的另一有效方法，取向硅钢表面刻痕技术是这种方法的典型代表，它通过在取向硅钢表面刻平行的线的方法，使刻痕上组织产生变形与错位，在非刻痕区域产生残余应力，从而达到细化磁畴和降低铁损的目的。硅钢表面刻痕技术经历了机械刻痕，电腐蚀刻痕和激光刻痕三个阶段[5]。
1924年，Haynes和Wolford最早通过采用机械的方式在取向硅钢表面刻线的方法使铁损降低[6]。在19世纪70年代，Pepperhoff和Fieldler成功的通过机械刻痕方式获得了40%的铁损降低率[7]。但是，机械刻痕的方式效率太低，不适合工业生产，并且它会对硅钢表面涂层造成损害，所以很快被淘汰。
另外一种方法是通过电腐蚀刻痕。Snell和Lockhart使用这种方法得到了15%的铁损降低率[8]，然而这种方式也会破坏硅钢涂层，所以在刻痕以后要进行涂层的再附着处
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理。因此这样方法也没有得到广泛的运用。
随着激光技术的出现与发展，通过激光来对硅钢进行刻痕的方法很快引起了人们的注意。在近30年，这种方法一直是磁畴改善技术研究的主体。并且一些先进的国外企业，已经把激光刻痕技术运用到了实际生产中，例如日本的新日铁公司。
1.2 取向硅钢片激光刻痕技术研究的必要性
我国是继美国后第二大电力能源消费大国，电力能源非常紧缺。与此形成鲜明对比的是，我国能源浪费现象严重，能源生产和使用效率低下。我国每年的能源消费约占世界总量的30%，而我国的GDP仅占世界总量的4%。可见提高能源的生产和使用效率，对于促进我国国民经济持续健康发展和保障国家的能源安全具有重要战略意义。
取向硅钢是一种与能源节约密切相关的重要金属功能材料，他主要用于制造变压器铁芯，是电力、电子和军事工业中不可缺少的重要金属功能材料，其制造技术和产品质量直接影响电能的生产和使用效率。据统计，在输电和配电系统中消耗6％～10％电能，其中约60％消耗在输、配电导线中，约40％消耗在变压器中。变压器总损耗中铁损和铜损各占约50％。在发达国家，由于取向硅钢铁损造成的能量损失约占整个电能损失的4%，这个比例在发展中国家更大[3][9]。
取向硅钢的制造工艺和生产设备复杂，成分控制严格，杂质含量要求低，制造工序长，影响产品性能的因素多，其生产工艺和制造技术往往被认为是衡量一个国家特殊钢制造技术水平的重要标志。冷轧取向硅钢更是被称为“钢材中艺术产品”[10]。
取向硅钢生产效率和质量的提高，离不开高效的制造装备。武汉钢铁公司作为我国目前唯一一家能够生产冷轧取向钢片的企业，生产设备和技术74 年由新日铁引进，经过20 多年的发展和90年代的改扩建，至今已经具备了10 万吨 / 年的取向硅钢生产能力，在产量、品种、质量等方面取得了长足进步。然而，同市场需求与国外先进水平相比还有较大差距，因此，迫切需要新的技术手段和制造装备对取向硅钢片的生产做出革新[11][12]。
激光表面刻痕技术是改善取向硅钢磁畴分布，降低铁损，从而提高取向硅钢质量的有效手段。影响取向硅钢质量的关键因素在于：由于采用冷轧工艺且存在夹杂物，导致硅钢片存在一定的内应力，涡流损耗增加，从而使变压器效率降低，消耗大量电能。这一问题表现在硅钢片磁畴的粗细上。只要细化磁畴、减小内应力，就能降低铁损、提
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高取向硅钢质量。
对取向硅钢表面进行激光刻痕，利用激光局部快速加热和冷却的特点，可促使受热区产生微小塑性变形和高密度位错，减少取向硅钢主畴壁长，可达到细化磁畴，降低铁损的目的[13]。激光刻痕技术比原来的冶金手段具有更高的效率和更好的效果。有专家认为采用冶金学手段改善取向硅钢性能已趋极限，激光刻痕等后处理技术是取向硅钢生产技术的发展方向。
目前，国内外公开文献对取向硅钢激光表面微刻痕的研究仍然停留在实验室的工艺实验研究方面，对生产状态下激光与取向硅钢相互作用的机理研究还很不充分。采用的实验设备均为普通数控工作台，刻痕速度低。国际上仅有的两家成熟应用激光表面微刻痕技术的公司——美国AK公司和日本新日铁公司只对激光表面微刻痕硅钢片产品进行了介绍，对于被视为企业生命的激光表面微刻痕技术与装备，在公开资料上未见任何实际意义上的介绍。既便是一些发达国家，最近的研究也未涉及到取向硅钢激光高速在线微刻痕问题。
本文的研究是我国自主知识产权的面向取向硅钢在线生产的激光高速刻痕系统研制的前期理论研究和技术准备，取得的成果将为企业提供新的取向硅钢片后处理手段和途径，使我国在取向硅钢片领域达到国际先进水平，对我国电工钢产业的技术进步和发展产生积极影响，创造良好的经济效益。其中多项单元技术也是激光高速高精加工的共性问题，其研究成果也将促进相关技术和装备的发展。
同时，本课题是目前激光冶金应用研究的前沿课题，也是国民经济中急需解决的难题之一，同时也涉
及我国的可持续发展战略和目前紧迫的能源安全问题，具有重要的理论意义、实际应用价值和应用前景。连卷背心袋
1.3 取向硅钢激光刻痕技术国内外研究现状及发展趋势
从公开的文献资料看，目前包括国外很多发达国家在内，对取向硅钢激光表面刻痕的研究主要从以下几个方面进行：
1.3.1激光器件方面
在激光器件方面，主要研究连续CO2激光器、Nd：Yag激光器（包括连续、脉冲和调Q等模式）、准分子激光器等对取向硅钢进行刻痕的效果。
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模锻锤国内研究人员主要用连续CO2激光器进行激光表面微刻痕的研究。沈阳化工学院的赵国俭等人，采用连续CO2激光器对Z10型取向硅钢进行激光表面微刻痕。由于当时的技术限制，激光功率仅为90W，刻痕后铁损下降的效果并不显著[14]。祁烁等人使用额定功率为500W的 CO2激光器，光束直径25mm，发散角1.5mrad，对Q133－30牌号的高磁感取向硅钢进行了刻痕实验，铁损下降幅度达11.8％[15]。东北大学的孙凤久等采用连续CO2激光器对厚度为0.23mm的Z102牌号取向硅钢片进行处
理，其铁损下降了23％[16]。
国外该方面的研究开展较早。新日铁公司Luchi等人使用调Q模式的Nd：Yag激光器进行激光表面微刻痕研究，激光束光斑直径0.15mm，激光单脉冲能量3.75mJ，铁损减少了10％[17]。美国的Neisheisel等人，用Nd：Yag激光器对取向硅钢片进行刻痕，分别用连续模式，普通脉冲模式，和调Q模式三种模式，最大的铁损减少量达到10％[18]。美国Satish V Ponnaluri等分别使用了KrF准分子激光器、普通脉冲Nd：Yag激光器和连续CO2激光器，对含硅3％的取向硅钢板进行刻痕，发现采用KrF准分子激光器效果最佳[19]。考虑到准分子激光器成本较高，不适于工业应用。近两年来国外学者对Nd：Yag激光器刻痕的研究较多。韩国Seungjoon Ahn等人选用Nd：Yag激光器，采用调Q模式和普通脉冲模式进行刻痕研究，聚焦镜片焦距10cm，结果表明调Q模式具有更好的刻痕效果[20]。德国B.Weidenfeller等使用Nd：Yag激光器（JK－700 Lunmonics, 平均功率300w）进行了刻痕实验，激光单脉冲能量密度在9.7～11.8kW/cm2之间调节[21]。
1.3.2 刻痕工艺方面
在激光表面微刻痕工艺方面，主要研究刻痕方向、刻痕速度、刻痕间距以及刻痕深度等因素对取向硅钢进行刻痕的效果。
国内对激光表面微刻痕工艺的研究较少。美国Krause等选用功率为32w连续CO2激光器，聚焦光斑直
径0.56mm，刻痕速度在21～169mm/s范围内调节，刻痕间距在3.2～12.7mm间调节，研究发现：刻痕间距由3.2～6mm变化时，铁损下降显著，由6～12.7mm 变化时下降不明显，从而得出6mm是较为理想刻痕间距的结论[22]。Satish V Ponnaluri 等采用4mm刻痕间距，分别进行顺轧制方向和垂直轧制方向刻痕两种实验，结果表明：顺轧制方向刻痕，随着脉冲能量增加，铁损降低，并在某定值位置趋于饱和；垂直于轧制方向进行激光表面微刻痕代替沿着轧制方向激光表面微刻痕，可以大幅度降低铁损[23]。韩国K.S.Ryu等利用Nd：Yag激光对3％的取向硅钢进行刻痕，以比较顺轧制方向视频处理
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