Development of a diamond wire welding device

Abstract

O Serramento com Fio Diamantado (DWS) é a tecnologia mais promissora utilizada atualmente para fatiar wafers de silício (Si) para a indústria fotovoltaica. No DWS, o fio diamantado é alimentado de um carretel de fornecimento para um carretel de recolhimento, formando uma rede de múltiplos fios, fatiando o lingote de Si em centenas de wafers pelo movimento reciprocante do fio. O modo de operação reciprocante impossibilita a investigação dos parâmetros do processo e do desgaste da ferramenta. Baseado nisso, no Laboratório de Mecânica de Precisão (LMP) foi desenvolvida uma bancada experimental de serramento que utiliza um único fio diamantado em formato de loop para cortar materiais frágeis. Desta forma, com uma serra de fio de apenas um metro operando em velocidade constante em apenas uma direção, é possível observar o desgaste do fio e investigar melhor o processo. Para a fabricação dos fios diamantados em loop, dispositivos de soldagem por resistência foram inicialmente desenvolvidos, e embora tenham atingido seus objetivos, apresentaram diversos problemas de desempenho. Desta maneira, o objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento de um dispositivo de soldagem de fios diamantados que apresentasse conceitos inovadores, alta eficiência e facilidade de operação. Portanto, o dispositivo de solda foi desenvolvido utilizando uma metodologia de desenvolvimento de produtos industriais (PRODIP). O dispositivo foi fabricado no LMP, testado e utilizado para a concretização de diversos procedimentos de soldagem, fornecendo ao laboratório serras de fio conti´nuas. Também foram realizados experimentos para caracterizar a qualidade das soldas, como exame visual, ensaio de flexão, ensaio de tensão de ruptura, metalografia, microdureza e mediação da excentricidade da junta de solda. Primeiramente foi notado a importância da utilização de uma metodologia sistemática para o desenvolvimento de um produto industrial. Através dos experimentos, foram encontrados os parâmetros de soldagem e tratamento térmico para atingir soldas de alta qualidade. Os perfis de microdureza das juntas de solda foram caracterizados e a zona afetada termicamente foi definida. Nos experimentos de medição da excentricidade foi encontrado que as soldas possuem um desalinhamento médio de apenas 6, 36% do diâmetro do fio, alcançado por fatores construtivos do dispositivo. Assim, o dispositivo de soldagem desenvolvido desempenhou suas funções com sucesso, portanto foi submetido à patente como modelo de utilidade.

Abstract: Diamond Wire Sawing (DWS) is the most promising technology used nowadays to slice silicon (Si) wafers for the electronics and photovoltaic industry. In the DWS, a diamond wire is fed from a supply-spool to a take-up spool, forming a web of multiple strands of wire. The Si ingot is fed against the wire web and sliced into hundreds of wafers by the reciprocating movement of the wire. The reciprocating mode of operation makes it impossible to investigate correlations between input and output parameters of the process, investigations on tool wear are also difficult to perform. Based on the mentioned difficulties found in the reciprocationg DWS, in the Laboratory of Precision Engineering (LMP) an experimental wire saw test rig that uses a single looped diamond wire to cut brittle materials was developed. In this way, with a segment of diamond wire of just over one meter in looped shape, operating at constant speed in only one direction, it is possible to observe the wire wear and investigate the influence of the process parameters on the characteristics of the sawed pieces. For the manufacture of looped diamond wire, a resistance-welding device was initially developed in the laboratory. However, the first developed prototypes, despite having achieved their goals, presented several performance problems. In this way, the proposal of the present work is the development of a diamond wire welding device that presented innovative concepts, high-efficiency and ease of operation. Therefore, initially using an industrial product development methodology (PRODIP), the welding device was designed. Then the device was manufactured in the LMP and was tested and used for the accomplishment of several diamond wire welding procedures, providing the laboratory with endless wire saws. Experiments were also carried out to characterize the weld quality, such as visual examination, bend test, rupture strength test, metallography, microhardness and measurement of weld joint eccentricity. Firstly, it was noted the efficiency and importance of using a systematic methodology for the development of industrial products. Through the experiments, welding and heat treatment parameters were found to reach high-quality welds. The microhardness profiles of the welding joints were characterized and the heated affected zone was defined. Through the eccentricity measurement, it has been found that the welds have an average misalignment of only 6, 36% of the wire diameter, achieved by constructive factors of the device. Thus, the developed welding device reached its target successfully, so it was filed for patent as utility model.