CN102152421B - 太阳能硅片线切割钢线的制备装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能硅片线切割钢线的制备装置与方法，包括对拉拔后的钢线外表面进行电镀耐磨层的电镀装置以及设置在电镀装置两端的放线机构和收线机构，电镀装置包括立体旋转电镀机构，立体旋转电镀机构包括立体旋转电镀镍或镍钛电极、为立体旋转电镀镍或镍钛电极提供循环电镀液的电镀液稳定循环系统和电镀电源。本发明在电镀时高悬浮电镀液中的碳化硅微粒或金刚石微粒能均匀地360°地围绕钢线进行沉降电镀于钢线表面，能够确保切割钢线长时间连续电镀且镀层均匀一致，满足切片所需的100-400公里以上的线长要求。

Description

太阳能硅片线切割钢线的制备装置与方法

技术领域

本发明涉及太阳能硅片的切割技术领域，尤其是一种太阳能硅片线切割钢线的制备装置与方法。

背景技术

中国光伏发电产业近五年发展迅猛，太阳能硅片切割设备投入近几年以几十倍的投入运行，其中切割用钢线随切片机台的扩产而大量消耗、年消耗钢线材约5万吨其中需特制钢材来适合线切综合特性。

在太阳能硅片线切割过程中，整个机理是利用碳化硅或金刚石颗粒的坚硬特性和锋利菱角将硅棒截断，切割时砂浆均匀地包覆在高速运动中的钢线表面,均匀平稳的使碳化硅微粒来切割硅棒表面及时带走切割热和破碎颗粒，钢线是切割砂浆的一个载体同时也被高速运动中的碳化硅间接磨损，线径发生变化而影响线切品质。

美国专利4485757曾提出一种用滚压方式制备连续金刚石线的工艺。但此种工艺制备的金刚石涂层厚度及线径不均匀，很难生产出大于120米长的金刚石线，无法切割直径大于6寸的晶体。中国专利03133434.2公开一种采用挤压方法加工金刚石切割线，采用电喷镀法是一种可以提高切割生产效率，但金刚石易脱落，影响产品品质。中国专利200410020618.0公开了一种复合电喷法制备的金刚石切割线。这几类切割线都是在钢线表面加了一层切削层，直接用于太阳能硅片的切割，切割时不再使用常规的切削用碳化硅砂浆，这种钢线表面粗糙，虽减少了碳化硅砂浆的使用量，但钢线只能使用一次，综合成本并没有下降。在使用时还需改进现有的切片机，否则无法使用，增加了设备成本。

随着整个太阳能行业的发展，在太阳能硅片线切割中大量使用线切割钢线，不利于环境控制和造成企业成本的增加，整个行业都在为如何提高钢线表面耐磨性和减少用线量及提高切割效率、降低切割成本而又不改变现有切割设备和工艺寻找新的途径。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决上述存在的缺点与不足，本发明提供一种太阳能硅片线切割钢线的制备装置与方法，生产的钢线表面耐磨性和切削性提高，可直接用于现有的切片机，无需改造现有切片机，用于太阳能硅片生产时减少用线量，提高了钢线的切割效率，降低了切割成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种太阳能硅片线切割钢线的制备装置，包括对拉拔后的钢线外表面进行电镀耐磨层的电镀装置以及设置在电镀装置两端的放线机构和收线机构，所述的电镀装置包括立体旋转电镀机构，所述的立体旋转电镀机构包括立体旋转电镀镍或镍钛电极、为立体旋转电镀镍或镍钛电极提供循环电镀液的电镀液稳定循环系统和电镀电源，所述的立体旋转电镀镍或镍钛电极为空心筒体，所述的立体旋转电镀镍或镍钛电极的内腔具有循环电镀液，所述的循环电镀液中含有碳化硅微粒和/或金刚石微粒。

所述的立体旋转电镀镍或镍钛电极两端分别为进线端和出线端，立体旋转电镀镍或镍钛电极的进线端处设有循环电镀液进口，立体旋转电镀镍或镍钛电极的出线端处的顶部设有循环电镀液回流口，所述的立体旋转电镀镍或镍钛电极上还具有控制立体旋转电镀镍或镍钛电极内循环电镀液中碳化硅微粒和/或金刚石微粒浓度的微粒添加装置，所述的微粒添加装置包括微粒贮存器和实时微粒含量探测控制器，所述的微粒贮存器与立体旋转电镀镍或镍钛电极内腔连通，所述的实时微粒含量探测控制器设置在立体旋转电镀镍或镍钛电极内腔的循环电镀液中并与微粒贮存器控制连接。

为实现循环电镀液的循环工作，所述的电镀液稳定循环系统包括电镀槽、电镀贮液槽和用于将循环电镀液注入立体旋转电镀镍或镍钛电极内腔的循环泵，所述电镀槽与电镀贮液槽之间设有对电镀液进行过滤的微粒过滤器，所述的电镀贮液槽与循环电镀液进口通过循环泵连通，所述的电镀槽与循环电镀液回流口连通。 

为实现对循环电镀液的控制，所述的电镀贮液槽上设有对槽内循环电镀液进行测量的pH计和温度计。

所述的立体旋转电镀镍或镍钛电极的旋转驱动机构为无极调速电机。

所述的放线机构包括放线机和导向轮，所述的放线机与导向轮之间还具有导电轮，所述的电镀电源具有两个互为备用的电镀电源，电镀电源的正极与导电轮电连接，电镀电源的负极与立体旋转电镀镍或镍钛电极电连接。

为控制钢线线速和张力，所述的放线机构的放线机和立体旋转电镀机构之间设置有多头钢线导入装置和独立钢线实时张力补偿器。

优选电镀液，所述的循环电镀液为镍或镍钛复合电镀液。

采用太阳能硅片线切割钢线的制备装置制作太阳能硅片线切割钢线的方法，具有如下步骤：

（a）将钢线从放线机构导入立体旋转电镀镍或镍钛电极内腔并穿出与收线机构连接；

（b）将镍或镍钛复合电镀液从电镀贮液槽注入立体旋转电镀镍或镍钛电极内腔，并从循环电镀液回流口溢出至电镀槽，电镀槽中的循环电镀液通过微粒过滤器滤除杂质后流入电镀贮液槽，形成循环回路；

（c）向立体旋转电镀镍或镍钛电极内腔加入碳化硅微粒和/或金刚石微粒，并通过微粒贮存器和实时微粒含量探测控制器控制电镀液中的微粒浓度，开启立体旋转电镀镍或镍钛电极使之旋转，使碳化硅微粒和/或金刚石微粒混合均匀；

（d）打开电镀电源使导电轮和立体旋转电镀镍或镍钛电极形成电镀回路；

（e）打开放线机构和收线机构带动钢线走线，通过多头钢线导入装置和独立钢线实时张力补偿器控制线速和张力使镀层均匀一致。

进一步的，步骤(b)中电镀贮液槽中的镍或镍钛复合电镀液的pH值为2.3±0.5，温度为65℃±3℃；步骤（c）中碳化硅微粒和/或金刚石微粒的粒径为1-20μm。

本发明的有益效果是，本发明的太阳能硅片线切割钢线的制备装置与方法，使钢线表面电镀碳化硅微粒和/或金刚石微粒，可直接用于现有的切片机组，无需改造切片机，节省太阳能硅片制造商的成本，在电镀时高悬浮电镀液中的碳化硅微粒或金刚石微粒能均匀地360°地围绕钢线进行沉降电镀于钢线表面，能够确保切割钢线长时间连续电镀且镀层均匀一致，满足切片所需的100-400公里以上的线长要求。制成的钢线在使用时不用改变现有切割环境，在切割时碳化硅砂浆直接作用硅棒表面和钢线表面的电镀耐磨层，提高钢线表面耐磨性和减少用线量及提高切割效率、降低切割成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的太阳能硅片线切割钢线的制备装置最佳实施例的结构示意图；

图2是本发明所述的立体旋转电镀镍或镍钛电极的局部剖视图。

图中：1.钢线，21.放线机构，211.放线机，212.导向轮，213.导电轮，22.立体旋转电镀机构，221.立体旋转电镀镍或镍钛电极，222.电镀电源，223.电镀槽，224.电镀贮液槽，225.循环泵，226.微粒过滤器，227.微粒贮存器，228.实时微粒含量探测控制器，23.收线机构，3.pH计，4.温度计，5.无极调速电机。 

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

图1图2是本发明的太阳能硅片线切割钢线的制备装置的最佳实施例，包括对拉拔后的钢线1外表面进行电镀耐磨层的电镀装置以及设置在电镀装置两端的放线机构21和收线机构23，电镀装置包括立体旋转电镀机构22，立体旋转电镀机构22包括立体旋转电镀镍或镍钛电极221、为立体旋转电镀镍或镍钛电极221提供循环电镀液的电镀液稳定循环系统和电镀电源222，立体旋转电镀镍或镍钛电极221为空心筒体，立体旋转电镀镍或镍钛电极221的内腔具有循环电镀液，循环电镀液中含有碳化硅微粒和/或金刚石微粒。

立体旋转电镀镍或镍钛电极221两端分别为进线端和出线端，立体旋转电镀镍或镍钛电极221的进线端处设有循环电镀液进口，立体旋转电镀镍或镍钛电极221的出线端处的顶部设有循环电镀液回流口，立体旋转电镀镍或镍钛电极221上还具有控制立体旋转电镀镍或镍钛电极221内循环电镀液中碳化硅微粒和/或金刚石微粒浓度的微粒添加装置，微粒添加装置包括微粒贮存器227和实时微粒含量探测控制器228，微粒贮存器227与立体旋转电镀镍或镍钛电极221内腔连通，实时微粒含量探测控制器228设置在立体旋转电镀镍或镍钛电极221内腔的循环电镀液中并与微粒贮存器227控制连接。在电镀过程中碳化硅微粒或金刚石微粒随电镀时间的增加含量会不断降低，通过微粒添加装置实现实时加入一定比例的微粒来补偿电镀过程中固体微粒的损耗，自动调节将循环电镀液中的微粒密度稳定在工艺设定控制范围内。采用此工艺可以不停机实时保持高悬浮电镀液品质前后一致性、确保钢线长时间的连续电镀要求。

电镀液稳定循环系统包括电镀槽223、电镀贮液槽224和用于将循环电镀液注入立体旋转电镀镍或镍钛电极221内腔的循环泵225，所述电镀槽223与电镀贮液槽224之间设有对电镀液进行过滤的微粒过滤器226，电镀贮液槽224与循环电镀液进口通过循环泵225连通，电镀槽223与循环电镀液回流口连通。 

电镀贮液槽224上设有对槽内循环电镀液进行测量的pH计3和温度计4。

立体旋转电镀镍或镍钛电极221的旋转驱动机构为无极调速电机5。

放线机构21包括放线机211和导向轮212，放线机211与导向轮212之间还具有导电轮213，电镀电源222具有两个互为备用的电镀电源，电镀电源222的正极与导电轮213电连接，电镀电源222的负极与立体旋转电镀镍或镍钛电极221电连接。电镀电源222的双电源设计的自动供电系统确保切割钢线长时间连续电镀满足切片所需的100-400公里以上的线长要求。

放线机构21的放线机211和立体旋转电镀机构22之间设置有多头钢线导入装置和独立钢线实时张力补偿器。多头钢线导入装置实现钢线1的连续导入，可以长时间连续电镀，换线时不停机，独立钢线实时张力补偿器使钢线1的张力恒定实现产品镀层均匀一致。

优选电镀液，循环电镀液为镍或镍钛复合电镀液。

采用太阳能硅片线切割钢线的制备装置制作太阳能硅片线切割钢线的方法，具有如下步骤：

（a）将钢线1从放线机构21导入立体旋转电镀镍或镍钛电极221内腔并穿出与收线机构23连接；

（b）将镍或镍钛复合电镀液从电镀贮液槽224注入立体旋转电镀镍或镍钛电极221内腔，并从循环电镀液回流口溢出至电镀槽223，电镀槽223中的循环电镀液通过微粒过滤器226滤除杂质后流入电镀贮液槽224，形成循环回路,控制电镀贮液槽224中的镍或镍钛复合电镀液的pH值为2.3±0.5，温度为65℃±3℃；

（c）向立体旋转电镀镍或镍钛电极221内腔加入碳化硅微粒和/或金刚石微粒，并通过微粒贮存器227和实时微粒含量探测控制器228控制电镀液中的微粒浓度，开启立体旋转电镀镍或镍钛电极221使之旋转，使碳化硅微粒和/或金刚石微粒混合均匀,优选碳化硅微粒和/或金刚石微粒的粒径为1-20μm；

（d）打开电镀电源222使导电轮213和立体旋转电镀镍或镍钛电极221形成电镀回路；

（e）打开放线机构21和收线机构23带动钢线1走线，通过多头钢线导入装置和独立钢线实时张力补偿器控制线速和张力使镀层均匀一致。

下面通过在长度为120km线径为110μm的常规钢线表面进行立体旋转电镀98%镍和2%钛含粒径D50=4μm的碳化硅微粒的耐磨层来具体阐述本发明的全部操作过程：当机器开始时，钢线1在实时张力补偿器控制下导入到立体旋转电镀镍或镍钛电极221中。取500kg镍复合电镀液并调节好pH值和温度，将镍复合电镀液注入到电镀贮液槽224中，然后通过循环泵225将电镀贮液槽224中的电镀液注入到立体旋转电镀镍或镍钛电极221内腔中并且开始回流形成循环回路，确保新的镍复合电镀液进入到立体旋转电镀镍或镍钛电极221内腔中，同时在电极内部加入500g粒径D50=4μm的碳化硅微粒。启动放线机构21和收线机构23，开启电镀电源222和立体旋转电镀镍或镍钛电极221，并调节好电镀电流和电级转速，含碳化硅微粒的电镀液随着旋转电极一起围绕钢线1成360°旋转使得碳化硅微粒在电镀电源222的作用下悬浮于电极内壁与钢线1之间，实现连续均匀电镀。选用立体旋转电镀能确保碳化硅微粒或金刚石微粒能均匀地复合在钢线1表面，由实时微粒含量探测控制器228对电镀液内微粒密度实时进行监控，并控制微粒贮存器227内微粒经管道和控制阀实时加入到电镀液中。

另一实施例：

取线径110μm钢线电镀成含95%碳化硅和5%金刚石微粒的耐磨层厚度5μm时，电镀液温度为65℃，线速为0.5米/分钟。可制得线径120μm切割钢线可替代常规120μm钢线而不改变原有线切割机的工艺用GC1500砂浆。每刀钢线使用量减少65%-75%，更适合于多晶硅大载荷切片工艺。

另一实施例：

取线径120μm钢线电镀成含100%碳化硅微粒的耐磨层厚度5μm时，电镀液温度为65℃, 线速为0.8米/分钟。可制得线径为130μm切割钢线可替代常规130μm钢线而不改变原有线切割机的工艺用GC1200砂浆。每刀钢线使用量可减少55% -65%，适合于多晶硅大载荷切片工艺。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种太阳能硅片线切割钢线的制备装置，包括对拉拔后的钢线（1）外表面进行电镀耐磨层的电镀装置以及设置在电镀装置两端的放线机构（21）和收线机构（23），其特征在于：所述的电镀装置包括立体旋转电镀机构（22），所述的立体旋转电镀机构（22）包括立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）、为立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）提供循环电镀液的电镀液稳定循环系统和电镀电源（222），所述的立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）为空心筒体，所述的立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）的内腔具有循环电镀液，所述的循环电镀液中含有碳化硅微粒和/或金刚石微粒，所述的立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）两端分别为进线端和出线端，立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）的进线端处设有循环电镀液进口，立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）的出线端处的顶部设有循环电镀液回流口，所述的立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）上还具有控制立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）内循环电镀液中碳化硅微粒和/或金刚石微粒浓度的微粒添加装置，所述的微粒添加装置包括微粒贮存器（227）和实时微粒含量探测控制器（228），所述的微粒贮存器（227）与立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）内腔连通，所述的实时微粒含量探测控制器（228）设置在立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）内腔的循环电镀液中并与微粒贮存器（227）控制连接，所述的电镀液稳定循环系统包括电镀槽（223）、电镀贮液槽（224）和用于将循环电镀液注入立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）内腔的循环泵（225），所述电镀槽（223）与电镀贮液槽（224）之间设有对电镀液进行过滤的微粒过滤器（226），所述的电镀贮液槽（224）与循环电镀液进口通过循环泵（225）连通，所述的电镀槽（223）与循环电镀液回流口连通，所述的放线机构（21）包括放线机（211）和导向轮（212），所述的放线机（211）与导向轮（212）之间还具有导电轮（213），所述的电镀电源（222）具有两个互为备用的电镀电源，电镀电源（222）的正极与导电轮（213）电连接，电镀电源（222）的负极与立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）电连接，所述的放线机构（21）的放线机（211）和立体旋转电镀机构（22）之间设置有多头钢线导入装置和独立钢线实时张力补偿器。

2.根据权利要求1所述的太阳能硅片线切割钢线的制备装置，其特征在于：所述的电镀贮液槽（224）上设有对槽内循环电镀液进行测量的pH计（3）和温度计（4）。

3.根据权利要求1所述的太阳能硅片线切割钢线的制备装置，其特征在于：所述的立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）的旋转驱动机构为无极调速电机（5）。

4.根据权利要求1所述的太阳能硅片线切割钢线的制备装置，其特征在于：所述的循环电镀液为镍或镍钛复合电镀液。

5.采用如权利要求1~4任一项所述的太阳能硅片线切割钢线的制备装置制作太阳能硅片线切割钢线的方法，其特征在于具有如下步骤：

（a）将钢线（1）从放线机构（21）导入立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）内腔并穿出与收线机构（23）连接；

（b）将镍或镍钛复合电镀液从电镀贮液槽（224）注入立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）内腔，并从循环电镀液回流口溢出至电镀槽（223），电镀槽（223）中的循环电镀液通过微粒过滤器（226）滤除杂质后流入电镀贮液槽（224），形成循环回路；

（c）向立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）内腔加入碳化硅微粒和/或金刚石微粒，并通过微粒贮存器（227）和实时微粒含量探测控制器（228）控制电镀液中的微粒浓度，开启立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）使之旋转，使碳化硅微粒和/或金刚石微粒混合均匀；

（d）打开电镀电源（222）使导电轮（213）和立体旋转电镀镍或镍钛电极（221）形成电镀回路；

（e）打开放线机构（21）和收线机构（23）带动钢线（1）走线，通过多头钢线导入装置和独立钢线实时张力补偿器控制线速和张力使镀层均匀一致。

6.根据权利要求5所述的所述的太阳能硅片线切割钢线的制备装置制作太阳能硅片线切割钢线的方法，其特征在于：步骤（b）中电镀贮液槽（224）中的镍或镍钛复合电镀液的pH值为2.3±0.5，温度为65℃±3℃；步骤（c）中碳化硅微粒和/或金刚石微粒的粒径为1-20μm。

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