摘要：细线化切割单晶硅片工艺中，导轮及导轮总承的稳定运行对切割硅片表面质量起到很大作用。对比了单晶硅片切割所用导轮及导轮总优缺点，通过分析其张力系统、材质，设计样式及实验验证后，最终确定轻质导轮及导轮总承为细线化切割单晶硅片所用。
关键词 ：单晶硅片；轻质导轮；转动惯量；使用寿命；张力系统
1.引言
随着世界常规能源短缺的日益严重以及生态环境的日趋恶劣，寻求一种新型能源已成为全人类面临的重要问题之一。在各种新能源中，太阳能光伏发电具有无污染、可持续、总量大、分布广 、应用形式多样等优点，受到世界各国的高度重视，最有希望取代传统能源而成为未来能源的首选。其中，光伏发电中硅片的生产成本在整个光伏发电系统建设成本中占有相当重的比例，制约着光伏企业的发展和光伏发电的商业应用步伐。硅片切割是太阳能光伏电池制造工艺中的关键部分，硅片是晶体硅光伏电池技术中最昂贵的部分，所以硅片生产成本是光伏行业的核心指标。
2.轻质导轮及导轮总承在金刚线切片技术最主要的优势
金刚线切单晶硅片切割技术中，以生产量高，硅片直径适用范围广，翘曲值低，表面损伤浅，表面光洁度低等多项优势被广泛应用。随着国内金刚线制造和应用技术的不断成熟，加之市场需求的快速增长不断的刺激金刚线制造技术向细线化、薄片化方向发展。使用金刚线切片技术后，由于刀缝损失的减小，能够带来单位耗硅量的减少，从而较大程度地减少了硅片的硅成本和折旧等，这也是金刚线切片最重要的驱动因素。
随着金刚线细线化发展趋势，金刚线线径越来越细，设备切割张力值相应变小，需对设备张力稳定性提出了更高的要求，经研究发现设备导轮总承转动惯量对金刚线张力稳定性影响成正比，质量大的导轮总承旋转转动惯量大，加减速过程中对设备张力稳定性影响大，金刚线张力值波动大，金刚线磨损相应加大，降低金刚线使用寿命。。
3.轻质导轮及总承与设备匹配性研究
a.PV500HD线切机张力控制系统分析：
PV500HD线切机使用55μm金刚线切割时，钢线张力设定为7.5N，切割过程中发现设备加减速过程中，张力不稳定，从监控画面可以看到金刚线有左右摆动现象。（见图1）
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图1 张力波动
经分析判断出现该现象原因是由于钢线张力值变小，设备加减速
过程中导轮总承转动惯量较大，影响到钢线张力的稳定性。通过监控钢线张力值发现，当钢线张力值设定为7.5N时，切割过程中钢线张力波动范围在8.9N-6.6N之间，波动范围较大。
b.问题解决思路
针对该现象，可通过降低导轮总承质量减小其转动惯量，保证钢线张力在加减速过程中的稳定性。机台原有导轮总承与新设计轻质导轮总承质量对比见图2和图3：
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轻质导轮总承重量相较于原有设备导轮总承轻185.8克，重量减轻38%，轻质导轮转动惯量小，金刚线磨损少。将轻质导轮装在线切机进行切割时，钢线张力较之前稳定，机台加减速过程中钢线张力波动变小，机台排线稳定。
图4为原有设备导轮总承机台张力参数设定界面，下侧钢线张力波动较大，机台加减速过程中张力显示灯为橘黄色。图5为轻质导轮总承机台张力参数设定界面，机台加减速过程中张力显示灯都为绿色张力稳定。
图4 图5
由此可见，机台采用轻质导轮总承对改善机台张力稳定性有一定效果，能够保证设备正常运行，降低断线概率。
c.轻质导轮材质的选择
原有设备设备上使用的导轮材质为聚氨酯材料，随着金刚线细线化的发展，钢线越细此种材质的导轮的使用时长越短，已经不适应细线化的要求。随后考虑内圈为铝合金镂空结构，外圈涂覆特耐塑材质导轮，该导轮质量较原有设备导轮质量降低10%，但使用过程中发现该导轮加工难度大且价格偏高，并不适合产线使用。最后经过测试实验，确认轻质导轮材质全部选用特耐塑材质，该导轮质量较原有设备导轮质量降低11%，且加工容易，价格适中，使用时长满足产线要求。
具体对比数据见表19：
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d.轻质总承结构设计的研究
原有设备总承为压盖式总承，总承质量较重，总承加减速过程中转动惯量较大，对金刚线张力稳定性影响较大，通过多次与制造厂家沟通了解，为保证总承的使用寿命，将压盖取消，导轮安装方式改为螺栓固定方式，具体结构形式对比见下图36和图37：
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e.实验情况
轻质导轮和总承在5#线切机使用前后数据对比，表2为5#线切机使用原机台导轮和总承的导轮更换时间及断线率数据汇总：
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通过轻质导轮和总承使用前后的数据对比发现，当切割张力由9N减小到7.5N后，断线率有所降低；采用新材质的导轮使用时间也由原先的35小时增加到55小时。
通过此次轻质导轮和总承对切割工艺的研究，设计出适用于PV500HD机型高速切割的轻质导轮及导轮总承，该轻质导轮总承更能满足线切机细线化的要求，并研究出轻质导轮及导轮总承高速稳定运行性能指标，轻质导轮使用时长由原先的35小时增加到55小时。
通过自主研发轻质导轮及轻质总承并应用于实际，可大大降低导轮的转动惯量，加减速过程中对设备张力稳定影响小，金刚线张力值波动小，磨损相应变小，提高金刚线使用寿命，降低设备断线率，实用性更强，满足PV500HD线切机细线化切割的要求。
4.结论
本文综合考虑，细线金刚线切割工艺技术研究过程中，充分考虑到设备、辅材及金刚线对切切割工艺的影响，在确定和排除或降低所以异常情况进行不间断测试，最终达到预定目标。
参考文献
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