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论文金刚石线锯质量检验

摘要:介绍了一种金刚石线锯质量检验方法。该方法以显微图像分析为基础,采用数学三维建模方法,对线锯表面磨粒出刃高度、磨粒出刃率、磨粒面积比、线锯丝径、线锯包络丝径、磨粒堆积直径等参数进行量化分析。选择了共五个线锯样品,进行了对比分析。结果表明,分析结果能很好地反映产品质量的变化,对于线锯产品质量检验与控制,具有非常有效的指导作用。

      电镀金刚石线锯是以电镀金属为结合剂,通过电沉积把金刚石磨料固结在芯线上而制成的一种线状切割工具,广泛用于太阳能硅片、LED、半导体、宝石、光学玻璃等贵重材料以及精密器件的切割,具有切割效率高,精度高、环保节能等显著优点。金刚石线锯产品制造技术日趋成熟,很多文献资料都对金刚石线锯的制造工艺进行了研究和介绍,但检测技术相对落后。目前对于金刚石线锯产品质量的检测,只能依靠千分尺来检测外径,借助于实体显微镜目力观察线锯的镀层以及电镀金刚石磨粒的分布情况,不能进行定量检验分析。

      本文介绍的金刚石线锯表面形貌的量化分析方法,以显微图像分析为基础,采用数学三维建模方法,对线锯表面磨粒出刃高度、磨粒出刃率、磨粒面积比、线锯丝径、线锯包络丝径、磨粒堆积大小等参数进行了量化分析。该方法采用先进的计算机图像处理技术,如图1所示,对采集的线锯图像信息进行自动分析,效率高、快捷方便。

金刚石线锯质量检验

      1 术语定义及物理意义

      线锯裸线:指未进行电镀之前的线锯基体金属丝,简称裸线,如图2-2所示。

      裸线丝径:指在进行电镀前,线锯基体金属丝丝径。如图2-7所示。

      线锯丝径:线锯产品不包含出刃磨粒且带有镀层的金属丝丝径,如图2-6所示。

      包络丝径:指线锯产品包络最高出刃磨粒的直径,如图2-5所示。

      出刃高度:指线锯产品磨粒出露最高点至线锯丝径表面的距离。如图2-4所示。

      出刃率:指线锯产品每毫米长度内,圆周所有的出刃磨粒数量总和,单位是个/mm。

      磨粒面积比:在单位长度内,指线锯产品出刃磨粒覆盖丝径表面的面积,与同一长度内丝径表面积之比。

      堆积直径:线锯表面磨粒粘连在一起所覆盖面积的等圆直径。这一指标反映了磨粒在线锯表面的分散性,如图2-8所示。

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      2 样品及分析仪器选择

      本文选择目前应用较多的70或80线作为样品,进行试验分析。本文所选线锯主要用于光伏行业太阳能单晶硅片的切割,选择  了五个不同厂家生产的线锯进行对比分析。为了不影响任何企业的商业信誉,便于客观公正地进行分析,本文隐去产品的生  产厂家,以编号代替。分析仪器选用科波尔KBXJ-Ⅰ型金刚石线锯分析仪,如图1所示。

      3 线锯分析和使用结果

      3.1线锯分析结果

      图3是线锯产品的表面形貌显微图像,其分析结果如表1所示。

金刚石线锯质量检验

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      分析结果表明4#-80线锯包络丝径98.4μm为最大,2#稍大为94.4μm,其它3个样品基本一致为92.0μm左右,包络丝径的均方差基本一致,也就是说包络丝径的均匀性,5个产品基本是一致的。

      磨粒的出刃高度2#最高为8.3μm,4#最低为5.7μm,其它三个样品为6.7μm左右,基本一致。磨粒出刃率,五个样品之间差别较大,最大的5#为198.2个/mm,最小的是1#为70.6个/mm。线锯丝径除了4#比较大之外,其它4个样品都在78个/mm左右。磨粒面积比与出刃率是相关的,一般情况下,出刃率越高,磨粒面积比越大,但如果磨粒在表面分散性不好也会出现例外,如3#与5#所示。堆积直径5#样品最小,说明5#样品表面磨粒分散性最好。

      图4是5个样品的出刃高度分布图,从图4可见:5个样品表面磨粒出刃高度都还比较集中,但3#和4#样品分布图右下角18μm处有一个小鼓包,说明线锯表面有比较大的镍瘤,这种镍瘤的存在有可能造成切片产生线痕甚至出现划伤现象。

金刚石线锯质量检验

      表面亮度相对偏差,5个样品之间有较大差别,这种差别对产品质量影响如何,后文将对其进行分析讨论。

      3.2 线锯使用效果

      表2是5个线锯样品的使用情况。表征使用效果的参数包括:切割效率、线锯耐用度、切缝大小、切割缺陷四项内容。

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      4 结果分析

      4.1切割效率分析

      5#和3#产品出刃率高,出刃高度适中,同一时刻切割刃多,切割效率高,同时消耗的切割功率也大。再者,5#比3#产品堆积直径小,镀层表面亮度均差小,参见表1,说明磨粒分散性好,镀层密实,磨粒结合牢固。因此推断如果切割机的功率足够大,5#产品应该是使用效率最好的。

      4#产品出刃高度最低,堆积直径较大,表面亮度差最大,说明磨粒分散性不好,镀层密实度小,磨粒结合牢固度可能偏小,因此切割效率应该最低。使用结果表明5#产品每刀耗时1小时45分钟,耗时最短;4#产品每刀耗时2小时44分,耗时最长。

      2#的出刃率比3#的出刃率低的多,但切割效率与3#相同,并不比3#低。这主要是2#产品出刃高度8.3大于3#的6.7,堆积直径小,表面亮度差小,镀层比较密实,磨粒把持牢固,弥补了出刃率低的不足,所以切割效率并不比3#低,而且线锯耐用度还高于3#。所以说,磨粒的有效出刃高度、磨粒的分散性、以及镀层对磨粒的把持牢固度是影响切割效率和耐用度的重要因素。

      4.2线锯耐用度分析

      5#、3#产品出刃率高,磨粒面积比大,应该耐用度最高,其它依次应该是4#、2#、1#。但使用效果和分析推断有一些差距。实际耐用度5#最高,2#次之,其它依次为3#和2#(并列)、1#、4#。4#产品耐用度最差,主要是因为4#表面亮度平均偏差最大,说明镀层不密实,磨粒结合不牢,导致磨粒过早脱落,致使耐用度大幅下降,如表2所示。

3#与5#产品出刃率基本一样,但耐用度和切割效率都远低于5#产品。这主要是因为3#堆积直径大,磨粒分散性差,表面亮度偏差大,镀层疏松所导致。因此分析数据和使用效果表明线锯磨粒分散性、表面亮度偏差的大小对线锯耐用度和切割效率有较大的影响。

      4.3切缝分析

      1#到5#线锯产品的包络外径最大与最小之间相差6.6μm,但是使用结果表明,在切割过程中,形成的切缝是一样大的,切缝缝宽都是0.289mm,如表2所示。也就是说,线锯的包络外径偏差稍大一些对切缝的影响不大,因此对于用户没有必要过高的追求线锯外径(线锯包络丝经)偏差大小。对于70线客户经常要求生产方将线锯外径偏差控制在±2μm,使用结果证明这种要求过高了,没有必要。对于70线而言,线锯外径(包络丝经)±5μm足以满足要求了。实际切割结果(切缝缝宽都是0.289mm)证明,切割过程中,切割机的机械振动幅度已远远大于线锯外径的变化,所以,在切割机振动幅度没有减小的情况下,盲目过高的要求减小线锯外径和外径偏差时没有必要的。

      4.4切割缺陷分析

      在切割过程中,线锯的弯曲程度通常情况下不超过5mm,也就是线弓比小于5mm,但1#产品切割过程中出现线弓比大于5mm的现象。产生线弓比大的原因,主要是1#线锯出刃率低,实际切割速度滞后进刀速度,导致线弓比加大。

硅片TTV偏大,也就是切割好的硅片一边薄一点,一边厚一点。2#和4#产品都出现TTV偏大的现象,可能主要是由于2#和4#产品有一些虚高的出刃磨粒,如图5所示,这些虚高的出刃磨粒,在刚开始时导致切缝加宽,随着切割时间的延长,虚高磨粒脱落,切缝趋于稳定,切缝的细微变化自然引起切片厚度的变化。因此推断,TTV偏大可能是由虚高磨粒造成的。

      4#产品切割线痕明显,主要是由于线锯表面有磨粒堆积现象,个别磨粒出刃稍高,见图5分布图,导致切割过程产生线痕,如果堆积严重,出刃磨粒过高还可能导致硅片划伤现象出现。要避免出刃过高,首先选用的磨料不应由大颗粒,其次是电镀过程中,应尽可能地避免磨粒堆积现象的产生。

      5#产品在切割割过程中,可能是由于5#磨粒出刃率高,切割锋利度高,线锯瞬间的波动导致硅片产生所谓的“刀纹”。

使用效果表明,线锯磨粒出刃率、出刃高度、堆积直径大小、镀层密实度是影响切割效率和耐用度的主要因素,对于70或80线出刃高度平均值不应小于6.0μm,否则将会严重影响切割效率,出刃率太低也会影响切割效率,还会导致线弓比加大,出刃率的高低应根据切割机的功率而定。根据使用结果推断,对于70/80线锯出刃高度在6.0至8.5μm之间比较合适,出刃率应分为≤100,≤150,≤200,≤250,≤300等几个档次比较合适。其次,要保证镀层密实,磨粒把持牢固,减少虚高磨粒。

      5 结论

      (1)线锯磨粒出刃高度、出刃率、磨粒分散性、镀层密实度,是影响线锯切割效率和耐用度的重要因素。表面亮度偏差小,磨粒清晰可见,说明线锯镀层密实,磨粒粘接牢固,否则说明镀层疏松,磨粒粘接不牢,将会严重降低线锯的切割效率和耐用度。

      (2)对于70/80电镀金刚石线锯,磨粒出刃高度应控制在6.0-8.5μm为宜;磨粒有效出刃率应根据客户切割机具体参数而定;出刃磨粒不宜出现较大堆积现象,磨粒堆积形成镍瘤,在切割过程中会产生线痕或划痕;应尽量减少线锯表面虚高或虚镀的磨粒,虚高磨粒有可能导致TTV加大。

      (3)对于70/80的线锯而言,使用结果表明,线锯外径(包络丝经)偏差控制在±3μm为宜。


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领域:超硬制品

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