СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ РЕЖУЩЕЙ ПРОВОЛОКИ
METHOD AND APPARATUS FOR DYNAMIC TESTS OF CUTTING WIRE

Область техники
Изобретение относится к способу и оборудованию для динамических испытаний режущей проволоки на разрыв при условиях, максимально приближенных к условиям использования режущей проволоки по назначению. Данное устройство может быть использовано как у производителя проволоки (метизные и проволочные производства), так и у пользователей режущей проволоки, например, на предприятиях по резке сапфировых и кремниевых кристаллов.
Высокопрочная и ультравысокопрочная стальная режущая проволока, используемая для резки кристаллов, подвергается экстремальным механическим нагрузкам за счет натяжения (до 4500 МПа) и термическим нагрузкам за счет разогрева в месте реза кристалла. Различные скрытые микродефекты и неоднородные микровключения в проволоке способствуют ее обрыву в процессе резки. В случае обрыва проволоки, в подавляющем большинстве случаев, разрезаемый кристалл (например, стандартный монокристалл кремния псевдоквадратной формы, 156×156 мм и длинной от 300 до 500 мм стоимостью до 50,000 долларов США) приходится выбрасывать, поскольку при замене проволоки в кристалле образуется запил, наличие которого недопустимо в пластинах, идущих на производство панелей солнечных батарей. Трудности тестирования режущей проволоки усугубляются тем, что для одновременного реза одного кристалла на пластины на режущих станах используется не менее 300 км проволоки без обрывов и сварных швов.
Для оценки качества проволоки применяют различного типа установки (разрывные машины), электромеханические и гидравлические. Недостатком известных способов и устройств является их непригодность к тестированию проволоки по всей ее длине без нарушения ее целостности.
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому техническому результату являются способ и устройство для испытания проволоки в заданном диапазоне натяжения проволоки (ГОСТ 10446-80).
Известный способ и устройство предполагает испытание образцов заданной длины, отрезаемых от катушки с проволокой, что не позволяет судить о качестве проволоки по всей ее длине. Возможность использования стана для резки кристаллов в качестве испытательного стенда образцов проволоки не приемлема в виду высокой стоимости стана (средняя стоимость стана в базовой комплектации составляет около 1,000,000 долларов США).
Сущность изобретения
Техническим результатом изобретения является создание дешевых устройства (стенда) и способа динамических испытаний режущей проволоки по назначению на предмет выявления скрытых дефектов в испытываемых образцах.
Использование такого стенда позволяет, при минимальной стоимости испытаний, выявить скрытые дефекты в отобранных образцах и, таким образом, выбраковывать некондиционные партии режущей проволоки. Это позволяет уменьшить количество брака при резке дорогостоящих кристаллов, максимизируя выход годной продукции, и снизить себестоимость процесса производства дорогостоящих кремниевых и сапфировых пластин за счет снижения брака вследствие обрывов проволоки в процессе резки.
Указанный технический результат достигается тем, что способ динамических испытаний режущей проволоки включает ее растяжение в испытательной установке, при этом растяжение проводят путем протягивания проволоки через зону температурного нагрева с заданными значениями температуры и усилия натяжения. Это позволяет максимально приблизить условия испытаний к реальным условиям использования проволоки при резке кристаллов.
Целесообразно, чтобы диапазон температур составлял 50÷300°С, а диапазон усилия натяжения составлял 1000÷4500 МПа.
Целесообразно, чтобы натяжение проволоки осуществлялось при ее перемотке, а заданное значение температуры обеспечивалось нагревателем.
Целесообразно, чтобы усилие натяжения проволоки контролировалось балериной и регулировалось либо разностью скоростей вращения подающего и принимающего приводов, либо тормозной системой подающего привода.
Целесообразно, чтобы скорость подачи проволоки, проходящей через стенд, регулировалась тормозной системой подающего привода.
Целесообразно, чтобы нагревательный элемент был контактным (электрический) или бесконтактным (индукционный).
Целесообразно, чтобы стенд имел возможность реверсивной подачи проволоки, в случае необходимости проведения повторных испытаний.
Целесообразно, чтобы нагревательный элемент создавал условия изотермического разогрева в зоне нагрева проволоки.
На стенде проволока испытывается путем создания контролируемых и регулируемых динамических и термических нагрузок на испытываемые образцы в пределах от 50% до 120% от номинальных нагрузок, которые может испытывать проволока при резке кристаллов. Стенд собран из простых узлов, не содержащих прецизионных и дорогостоящих компонентов, которые легко заменяются в процессе износа или выхода из строя. Стенд содержит подающий и принимающий привода с валами, на которых жестко закрепляются подающая катушка с тестируемой проволокой и принимающая катушка, на которую наматывается проволока после испытаний, систему направляющих роликов, траверсы для намотки и смотки проволоки, валы с пазами для проволоки, нагревающий элемент, инфракрасный термодатчик, контролирующий температуру нагрева проволоки и балерины, контролирующие натяжение проволоки.
Нагревающий элемент обеспечивает разогрев проволоки до заданной температуры, имитируя разогрев проволоки при контактной резке кристаллов в месте реза.
Натяжение проволоки задается балериной (со стороны подающего привода) и поддерживается автоматически либо за счет тормозной системы подающего привода, либо за счет разности скоростей вращения между подающим и принимающим приводом.
Целесообразно, чтобы валы с пазами были съемными и заменяемыми под все используемые диаметры режущей проволоки (от 0,080 до 0,160 мм с шагом в 0,010 мм).
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения.
Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Перечень фигур и чертежей
На фигуре 1 представлен один из возможных вариантов структурной схемы стенда для динамического тестирования режущей проволоки. В данном исполнении стенд позволяет проверять режущую проволоку любого из распространенных диаметров (80-160 мкм) с заданными температурой нагрева и натяжением (как постоянными так и переменными).
Для описания работы испытательного стенда введены следующие обозначения:
1 - проволока (направление перемещения изделия - по стрелке);
2 - подающий привод с катушкой;
3 - принимающий привод с катушкой;
4 - траверса;
5 - направляющий ролик;
6 - регулятор натяжения (балерина);
7 - вал с пазами;
8 - нагревательный элемент;
9 - температурный ИК датчик;
10 - счетчик метража.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Данная установка работает следующим образом. Катушка с тестируемой проволокой (1) жестко закрепляется на валу подающего привода (2). Далее, по направляющим (5), проволока вручную пропускается через балерины (6), валы (7), систему нагрева (8) и закрепляется на катушке, жестко установленной на валу принимающего привода (3).
Перемотка проволоки осуществляется за счет вращения приводов независимыми электромоторами. Натяжение проволоки задается балериной (6) (со стороны подающего привода) и поддерживается автоматически либо за счет тормозной системы подающего привода (1), либо за счет разности скоростей вращения между подающим (1) и принимающим приводом (3).
Для режущей проволоки натяжение проволоки может задаваться в пределах 1000-4500 МПа. Температура нагрева проволоки в пределах 50-300°С, имитирующая разогрев проволоки во время резки кристаллов, задается компьютером в соответствии с рабочей программой, температура проволоки на выходе из зоны нагрева контролируется ИК датчиком (9). Прошедшая тестовые испытания проволока наматывается через траверсу (4) на принимающую катушку. В случае необходимости повторных испытаний образца проволоки, система может быть включена в реверсивном направлении. В этом случае, принимающий привод становится подающим, а подающий - принимающим. В случае обрыва проволоки предусмотрен аварийный останов установки.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленная установка для динамических испытаний режущей проволоки может быть реализована на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. она соответствует критерию «промышленная применимость».