摘要：本文主要從砂漿線切割原理、張力控制系統、砂漿性能和回收再利用等方面進行了闡述，指出了研究的不足，以期推進砂漿線切割技術的研究和發展，指導實際生產。

關鍵詞 砂漿 線切割 張力 回收

Mortar Wire-cutting Technology Research

ZhaiDaDong Chen Jie

(TBEA Sunoasis Co., LtD., Xingjiang Urumqi 831100)

Abstract: This article mainly reviews the current mortar wire-cutting technology that appl-icated in PV field in mortar wire-cutting technology principle, Tension control system, Mo-rtar properties and recycling, etc.. we pointed out the deficiency of these research, in ord-er to promote development of the mortar wire-cutting technology，and thus guiding produ-ction.

Keywords mortar；wire-cutting；tension；recycling

引言

目前，太陽能光伏電池的主要材料為硅基材料，硅基光伏電池占世界光伏電池的 85％以上。晶體硅片作為太陽能光伏產業的前端產品，在整個光伏產業鏈占據重要地位。多線切割分為砂漿線切割和金剛石線切割兩種，前者是目前硅片生產的主要方式，其利用碳化硅（SiC）和切削液（PEG）攪拌混合而成的砂漿，在鋼線和硅棒的壓力下，使硅棒表面產生塑性變形和裂紋，形成切割[1]。隨著光伏產業的發展，對硅片質量要求更高，對線切割的研究必將越來越深入。

本文主要從砂漿線切割的模型和原理，張力控制系統類型和發展方向，影響砂漿中性能的因素，及控制措施；砂漿回收再利用等方面進行了闡述，以期推進砂漿線切割技術的深入研究，指導實際生產。

1 切割機理研究

在砂漿線切割硅棒過程中，碳化硅顆粒在硅棒和鋼線之間進行“滾動-壓痕”作用，實現材料的去除[2]。舒繼千等[3]對切割機理進行了詳細闡述，包括單顆粒滾動-壓痕模型、多顆粒壓痕效應模型及彈性-流體效應模型。將瑜等人[4]對單顆粒模型的切割力進行模擬計算，見圖1。由圖得出法向切割力N的計算公式



式中：ε為最大切割深度；a為接觸長度；υ為泊松比；E為楊氏彈性模量；ζ=z/a，ρ=r/a；μ為摩擦系數，其它都是常數。



切向切割力可以通過法相切割力計算到：



式中：β=cos θ無量綱系數。



圖1 單顆粒碳化硅受力示意圖

同時，利用有限元軟件模擬不同切割線速和進給對應力和應變的影響，得出切割進給與切割區最大應力和最大應變均是反比關系；切割線速與切割區最大應力和最大應變均是正比關系。

2張力控制系統研究

目前有重錘張力控制系統（如圖2），彈簧+旋轉編碼器控制系統，汽缸+旋轉編碼器控制系統和伺服力矩控制系統（如圖3）四種，第四種是使用最為廣泛的機電張力控制模式。

張義兵等[5]對伺服電動機張力控制系統進行了研究，并得出其張力計算公式為



F為切割線張力；為軸承摩擦作用力；g為重力加速度；張力擺桿長為L0；角速度為ω；質量為m’；張力擺桿與電動機轉子的等效轉動慣量為I；擺桿重心距張力電動機軸心距離為L；張力電動機施加的轉矩為M。

改進后張力控制系統，張力波動量更小，控制精度更高，斷線故障率更低。

錢宏峰等[6]用有限元對切割區的受力和系統振動進行分析，得出較高的切割效率和切割質量，必須設置較大的初始張力。同時，為了減少對系統固有特性的影響，必須控制好張力的波動量。

目前關于張力控制技術的研究主要是智能技術的應用，多種智能技術的結合使用(如網絡控制和模糊控制結合為模糊網絡控制)在未來將會是一種新的嘗試和突破[7]。



圖2 重錘張力控制系統示意圖



圖3 伺服力矩控制系統

3 砂漿研究

砂漿由碳化硅和切削液攪拌混合而成，其直接影響切割性能和硅片質量。

3.1 切削液（PEG）

線切割用切削液具有重要作用，兼具切削、粘滯、冷卻三大功能，可以有效提高硅片質量和生產效率。因切削液功能受粘度影響，而溫度又直接影響其粘度，因此，通過控制溫度來控制切削液的粘度，而且要適宜[8]。因切削液狀態變化需要時間，所以其升和降溫曲線呈非線性。0-25℃時，粘度隨溫度降低迅速增大；25℃-100℃時，粘度隨溫度升高的變化緩慢，見圖5。

試驗15℃、25℃ 和35℃三種溫度下切割液（砂漿）對切片質量的影響，結果為25℃的TTV，Warp，Bow都較溫度偏高和偏低的切割質量好，其中溫度較高時，TTV與Warp都較溫度低時大，但 Bow較溫度低時好。切割時控制適宜的切削溫度（25℃左右)，可以有效地控制晶片的幾何參數[9]。此外，空間位阻和靜電作用可以提高砂漿懸浮性，減少碳化硅沉淀，提高切割質量[10]。



3.2 碳化硅（SiC）

砂漿線切割中，分散的碳化硅顆粒自由滑動、滾動和沖擊來進行微量切削，如圖6。碳化硅形狀可以近似圓錐、球，若其分布按等高、正態分布或均勻分布時，可推算出切削加工的單位體積為



式中：σs為屈服點(MPa)；A為接觸面積(mm2)；p為接觸壓力(MPa)；L為相對移動距離(mm)；α為頂角(°)。


加工表面粗糙度與最大切削深度αpmax成正比，最大切削深度為



式中：μ為體積率，dg為平均直徑(mm)；G為磨粒率。

由上式可知，影響硅片切割效率的因數很多，而隨著切割時間的增長，磨粒鈍，導致切割效率下降，在生產中要控制好砂漿配比、更換系數和頻次[11]。此外，馮萍等[12]研究表明，砂漿pH對硅片質量影響較大，需要加以控制。

3.3配比、流量和成膜

砂漿的配比是一個很重要的工藝參數，只有達到機器要求的粘度，才能提高切割效率和硅片合格率。MB、HCT和NTC等切割機要求切削液和碳化硅的配比為1:0.92-0.95，密度1.63-1.635kg.L-1即可達到要求。只要將粘度控制200-250Pa.s，即使密度達到1.67kg.L-1左右也不會出現異常。而永安切割機則需要更低的密度和粘度[13]。


砂漿流量對硅片質量影響較大，切割過程中實際值與設定值容易造成偏差。黨蘭煥等[14]研究發現通過調整PID參數，可將流量波動控制在±2L.min-1以內，確保硅片質量，見圖7。

通過高數攝像機拍攝到砂漿成膜和不成膜的兩種狀態，這取決于砂漿噴嘴與線網夾角，而成膜的切割效果明顯優于未成膜[15]。

3.4 砂漿回收和再利用

由于鋼線直徑和硅片厚度很接近，按理論計算會有44％的多晶硅被切磨為高純硅粉進入到切割液，而實際切割過程中會有高達50％～52％的多晶硅以硅粉的形式進入到切割液中而損失[16]。在切割過程中，隨著硅粉和金屬雜質進入砂漿，導致砂漿不能滿足切割要求而成為廢砂漿，為了保證切割質量，必須控制硅粉等雜質。陳志軍等[17]通過模擬計算硅粉含量公式為



式中：C為硅粉含量；ρ為砂漿配置密度；δ為槽距；α為更換系數。

通過公式8可以計算出砂漿中的硅粉含量，并掌握砂漿更換量和更換頻次，保證砂漿切割質量。

廢料砂漿的主要成分為：30％左右的高純硅、35％左右的碳化硅、28％左右的切削液和水、5％左右的鐵氧化物。切割廢料漿的COD(化學需氧量)值超過廢水排放標準，按環保要求是禁止排放的。為了回收廢砂漿中的硅粉、碳化硅和切削液，滿足政策性要求，各切割輔材廠家加大了這方面的投入和研究[18]。

4 結論

綜上所述，對砂漿線切割技術研究還存在以下不足：

(1)目前，主要的研究方向集中在金剛線方面，忽略了砂漿線切割技術的研究，沒有對其理論模型進行深入研究。

(2)在切割工藝與切割力關系研究方面，還沒有給出切割進給、切割線速、張力等工藝參數與切割力的關系式，造成工藝設置有科學理論作指導。

(3)張力控制系統無法對加工區域內進行實時調節，對切割效率和切割質量控制較差。

參考文獻

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