Способ и устройство для динамических испытаний режущей проволоки

Авторы патента:

G01N3/18 - при высокой или низкой температуре

Владельцы патента RU 2506558:

Общество с ограниченной ответственностью "АПТ" (RU)

Группа изобретений относится к испытательной технике и может быть использована для динамических испытаний режущей проволоки на разрыв. Согласно изобретению, способ динамических испытаний режущей проволоки включает ее растяжение в испытательной установке, при этом растяжение проводят путем протягивания проволоки через зону температурного нагрева с заданными значениями температуры и усилия натяжения. При этом диапазон задаваемых температур составляет 50÷300°C, а диапазон усилия натяжения составляет 1000÷4500 МПа. Натяжение проволоки осуществляется при ее перемотке, а заданное значение температуры обеспечивается нагревателем. Установка для реализации заявленного способа включает в себя подающий и принимающий регулируемые приводы с катушками, валы с пазами под проволоку, регуляторы натяжения, направляющие валки, нагревательный элемент, регулятор температуры и инфракрасный температурный датчик. При этом усилие натяжения проволоки контролируется балериной и регулируется разностью скоростей вращения подающего и принимающего приводов, а скорость подачи проволоки, проходящей через установку, может регулироваться тормозной системой подающего привода. Технический результат заключается в упрощении конструкции стенда и обеспечении возможности выявления скрытых дефектов в испытываемых образцах режущей проволоки. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Область техники

Изобретение относится к способу и оборудованию для динамических испытаний режущей проволоки на разрыв при условиях, максимально приближенных к условиям использования режущей проволоки по назначению. Данное устройство может быть использовано как у производителя проволоки (метизные и проволочные производства), так и у пользователей режущей проволоки, например, на предприятиях по резке сапфировых и кремниевых кристаллов.

Высокопрочная и ультравысокопрочная стальная режущая проволока, используемая для резки кристаллов, подвергается экстремальным механическим нагрузкам за счет натяжения (до 4500 МПа) и термическим нагрузкам за счет разогрева в месте реза кристалла. Различные скрытые микродефекты и неоднородные микровключения в проволоке способствуют ее обрыву в процессе резки. В случае обрыва проволоки, в подавляющем большинстве случаев, разрезаемый кристалл (например, стандартный монокристалл кремния псевдоквадратной формы, 156×156 мм и длинной от 300 до 500 мм стоимостью до 50,000 долларов США) приходится выбрасывать, поскольку при замене проволоки в кристалле образуется запил, наличие которого недопустимо в пластинах, идущих на производство панелей солнечных батарей. Трудности тестирования режущей проволоки усугубляются тем, что для одновременного реза одного кристалла на пластины на режущих станах используется не менее 300 км проволоки без обрывов и сварных швов.

Для оценки качества проволоки применяют различного типа установки (разрывные машины), электромеханические и гидравлические. Недостатком известных способов и устройств является их непригодность к тестированию проволоки по всей ее длине без нарушения ее целостности.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому техническому результату являются способ и устройство для испытания проволоки в заданном диапазоне натяжения проволоки (ГОСТ 10446-80).

Известный способ и устройство предполагает испытание образцов заданной длины, отрезаемых от катушки с проволокой, что не позволяет судить о качестве проволоки по всей ее длине. Возможность использования стана для резки кристаллов в качестве испытательного стенда образцов проволоки не приемлема в виду высокой стоимости стана (средняя стоимость стана в базовой комплектации составляет около 1,000,000 долларов США).

Сущность изобретения

Техническим результатом изобретения является создание дешевых устройства (стенда) и способа динамических испытаний режущей проволоки по назначению на предмет выявления скрытых дефектов в испытываемых образцах.

Использование такого стенда позволяет, при минимальной стоимости испытаний, выявить скрытые дефекты в отобранных образцах и, таким образом, выбраковывать некондиционные партии режущей проволоки. Это позволяет уменьшить количество брака при резке дорогостоящих кристаллов, максимизируя выход годной продукции, и снизить себестоимость процесса производства дорогостоящих кремниевых и сапфировых пластин за счет снижения брака вследствие обрывов проволоки в процессе резки.

Указанный технический результат достигается тем, что способ динамических испытаний режущей проволоки включает ее растяжение в испытательной установке, при этом растяжение проводят путем протягивания проволоки через зону температурного нагрева с заданными значениями температуры и усилия натяжения. Это позволяет максимально приблизить условия испытаний к реальным условиям использования проволоки при резке кристаллов.

Целесообразно, чтобы диапазон температур составлял 50÷300°С, а диапазон усилия натяжения составлял 1000÷4500 МПа.

Целесообразно, чтобы натяжение проволоки осуществлялось при ее перемотке, а заданное значение температуры обеспечивалось нагревателем.

Целесообразно, чтобы усилие натяжения проволоки контролировалось балериной и регулировалось либо разностью скоростей вращения подающего и принимающего приводов, либо тормозной системой подающего привода.

Целесообразно, чтобы скорость подачи проволоки, проходящей через стенд, регулировалась тормозной системой подающего привода.

Целесообразно, чтобы нагревательный элемент был контактным (электрический) или бесконтактным (индукционный).

Целесообразно, чтобы стенд имел возможность реверсивной подачи проволоки, в случае необходимости проведения повторных испытаний.

Целесообразно, чтобы нагревательный элемент создавал условия изотермического разогрева в зоне нагрева проволоки.

На стенде проволока испытывается путем создания контролируемых и регулируемых динамических и термических нагрузок на испытываемые образцы в пределах от 50% до 120% от номинальных нагрузок, которые может испытывать проволока при резке кристаллов. Стенд собран из простых узлов, не содержащих прецизионных и дорогостоящих компонентов, которые легко заменяются в процессе износа или выхода из строя. Стенд содержит подающий и принимающий привода с валами, на которых жестко закрепляются подающая катушка с тестируемой проволокой и принимающая катушка, на которую наматывается проволока после испытаний, систему направляющих роликов, траверсы для намотки и смотки проволоки, валы с пазами для проволоки, нагревающий элемент, инфракрасный термодатчик, контролирующий температуру нагрева проволоки и балерины, контролирующие натяжение проволоки.

Нагревающий элемент обеспечивает разогрев проволоки до заданной температуры, имитируя разогрев проволоки при контактной резке кристаллов в месте реза.

Натяжение проволоки задается балериной (со стороны подающего привода) и поддерживается автоматически либо за счет тормозной системы подающего привода, либо за счет разности скоростей вращения между подающим и принимающим приводом.

Целесообразно, чтобы валы с пазами были съемными и заменяемыми под все используемые диаметры режущей проволоки (от 0,080 до 0,160 мм с шагом в 0,010 мм).

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения.

Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Перечень фигур и чертежей

На фигуре 1 представлен один из возможных вариантов структурной схемы стенда для динамического тестирования режущей проволоки. В данном исполнении стенд позволяет проверять режущую проволоку любого из распространенных диаметров (80-160 мкм) с заданными температурой нагрева и натяжением (как постоянными так и переменными).

Для описания работы испытательного стенда введены следующие обозначения:

1 - проволока (направление перемещения изделия - по стрелке);

2 - подающий привод с катушкой;

3 - принимающий привод с катушкой;

4 - траверса;

5 - направляющий ролик;

6 - регулятор натяжения (балерина);

7 - вал с пазами;

8 - нагревательный элемент;

9 - температурный ИК датчик;

10 - счетчик метража.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Данная установка работает следующим образом. Катушка с тестируемой проволокой (1) жестко закрепляется на валу подающего привода (2). Далее, по направляющим (5), проволока вручную пропускается через балерины (6), валы (7), систему нагрева (8) и закрепляется на катушке, жестко установленной на валу принимающего привода (3).

Перемотка проволоки осуществляется за счет вращения приводов независимыми электромоторами. Натяжение проволоки задается балериной (6) (со стороны подающего привода) и поддерживается автоматически либо за счет тормозной системы подающего привода (1), либо за счет разности скоростей вращения между подающим (1) и принимающим приводом (3).

Для режущей проволоки натяжение проволоки может задаваться в пределах 1000-4500 МПа. Температура нагрева проволоки в пределах 50-300°С, имитирующая разогрев проволоки во время резки кристаллов, задается компьютером в соответствии с рабочей программой, температура проволоки на выходе из зоны нагрева контролируется ИК датчиком (9). Прошедшая тестовые испытания проволока наматывается через траверсу (4) на принимающую катушку. В случае необходимости повторных испытаний образца проволоки, система может быть включена в реверсивном направлении. В этом случае, принимающий привод становится подающим, а подающий - принимающим. В случае обрыва проволоки предусмотрен аварийный останов установки.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленная установка для динамических испытаний режущей проволоки может быть реализована на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. она соответствует критерию «промышленная применимость».

1. Способ динамических испытаний режущей проволоки путем ее растяжения в испытательной установке, отличающийся тем, что растяжение проводят путем протягивания проволоки через зону температурного нагрева с заданными значениями температуры в диапазоне 50÷300°C и усилия натяжения в диапазоне 1000÷4500 МПа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что натяжение проволоки осуществляют при ее перемотке, а заданное значение температуры обеспечивают нагревателем.

3. Установка для реализации способа по любому из пп.1 и 2 включает в себя подающий и принимающий регулируемые приводы с катушками, валы с пазами под проволоку, регуляторы натяжения, направляющие валки, нагревательный элемент, регулятор температуры и инфракрасный температурный датчик.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что в установке возможна реверсивная перемотка проволоки.

5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что усилие натяжения проволоки контролируется балериной и регулируется разностью скоростей вращения подающего и принимающего приводов.

6. Установка по п.3, отличающаяся тем, что усилие натяжения проволоки контролируется балериной и регулируется тормозной системой подающего привода.

7. Установка по п.3, отличающаяся тем, что нагревательный элемент может быть контактный (электрический), так и бесконтактный (индукционный).

8. Установка по п.3, отличающаяся тем, что скорость подачи проволоки, проходящей через установку, может регулироваться тормозной системой подающего привода.

Использование: для определения склонности материала к образованию трещин при повторном нагревании. Сущность заключается в том, что выполняют измерение длины образца; приложение к образцу первого напряжения для достижения заданного удлинения образца; осуществление заданной термообработки образца; приложение к образцу второго напряжения до его разрушения по меньшей мере на две различные части и определение склонности разрушенного образца к образованию трещин при повторном нагревании.

Способ определения прочности соединения стоматологического восстановительного материала с твердыми тканями зуба и устройство для его реализации // 2489112

Изобретение относится к стоматологическому материаловедению и может быть использовано для определения прочности соединения стоматологических восстановительных материалов (стоматологических реставрационных материалов) с твердыми тканями зуба пациента - дентина и эмали, в т.ч.

Способ определения термомеханических характеристик материалов с памятью формы // 2478928

Изобретение относится к способам определения термомеханических характеристик материалов с памятью формы, температур фазовых превращений, величины эффекта памяти формы и может быть использовано в различных областях техники.

Установка для испытания образца из материала с памятью формы при сложном напряженном состоянии // 2476854

Изобретение относится к области испытаний материалов с памятью формы при циклических, тепловых и механических воздействиях. .

Установка для механических испытаний образцов из делящихся материалов при повышенных температурах // 2400728

Изобретение относится к механическим испытаниям на растяжение материалов, кратковременную ползучесть при растяжении в вакууме при повышенных температурах. .

Устройство для исследования конструкционных материалов на возгорание в среде газообразного окислителя, содержащего частицы различных материалов (варианты) // 2398208

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам исследования образцов конструкционных материалов (КМ) в среде газообразного окислителя при различных давлениях и температурах.

Способ определения податливости стержневых или формовочных смесей // 2398207

Изобретение относится к литейному производству, а именно к способам технологического контроля при определении физико-механических свойств стержневых и формовочных смесей.

Способ определения долговечности конструкционных материалов в условиях воздействия агрессивных факторов и устройство для его осуществления // 2396540

Изобретение относится к методам испытаний конструкционных материалов. .

Термонагружатель к стенду для испытания образцов материалов // 2367926

Изобретение относится к испытательной технике. .

Способ выделения слоя поверхностного старения пластмасс // 2356025

Изобретение относится к области исследования поверхности материалов и может быть использовано для определения границы охрупченного слоя поверхностно стареющих пластмасс.

Устройство для нагружения и испытания образцов в канале ядерного реактора // 2507497

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано для проведения механических испытаний материала, в частности испытаний на растяжение и ползучесть образцов в канале ядерного реактора. Устройство содержит узел фиксации образца, узел создания и регулирования нагрузки, узел контроля за изменением параметров образца. Узел создания и регулирования нагрузки выполнен в виде сильфона, жестко связанного вверху с длинной гибкой трубой, которая связана с внешним источником подачи газа, а дно сильфона герметично закрыто. Узел фиксации образца расположен вне сильфона и состоит из двух частей: верхней и нижней, каждая из которых содержит первый и второй элементы для закрепления образца, жестко связанные с соответствующей тягой. Первый элемент для закрепления образца в верхней его части через первую тягу жестко связан с наружной стороной верха сильфона, а второй элемент для закрепления образца в нижней части через вторую тягу жестко связан с наружной стороной дна сильфона. Узел контроля за изменением параметров образца закреплен на тягах между первым и вторым элементом для закрепления образца. Расстояние между дном сильфона и первым элементом для закрепления образца превышает возможное растяжение образца под максимальной нагрузкой. Технический результат: расширение области испытания образцов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Термонагружатель к стенду для испытания образцов материалов // 2510005

Изобретение относится к средствам испытаний образцов материалов при сложном нагружении и может быть использовано совместно со стендами для исследования энергообмена при деформировании и разрушении твердых тел. Термонагружатель к стенду для испытания образцов материалов содержит платформу, установленные на ней фрикционный элемент, привод вращения фрикционного элемента, опорную площадку из теплопроводного материала, приспособление для предотвращения вращения опорной площадки относительно платформы и приспособление для взаимного поджатия фрикционного элемента и площадки. Опорная площадка выполнена в виде разрезного кольца для размещения в отверстии образца. Разрезанные части кольца последовательно соединены между собой упругими элементами с возможностью радиального перемещения. Фрикционный элемент выполнен в виде конуса, размещенного внутри опорной площадки с возможностью вращения и осевого перемещения. Технический результат - проведение исследования свойств материалов в новых условиях термомеханического нагружения при подводе термической нагрузки к разным частям объема образца через отверстия. 1 ил.

Установка для механических и теплофизических испытаний образца из токопроводящего материала при импульсном нагреве // 2515351

Изобретение относится к механическим и теплофизическим испытаниям и может быть использовано в процессе испытаний токопроводящих материалов. Заявлена установка для механических и теплофизических испытаний образца из токопроводящего материала при импульсном нагреве, содержащая рабочую вакуумную камеру с токоподводами, цанговыми зажимами для крепления образца, регистрирующую аппаратуру, нагружающий элемент, динамометр. Регистрирующая аппаратура состоит из термопар, приваренных непосредственно на рабочей части образца, датчика перемещений индуктивного коаксиального, закрепленного на средней части образца, и динамометра. Нагружающий элемент выполнен в виде тонкостенной трубы, в которой размещена тяга, жестко соединенная через цанговый зажим с образцом. Другой конец образца также через цанговый зажим соединен с динамометром, установленным шарнирно на имеющейся раме. Токоподводы установлены с возможностью нагрева образца и нагружающего элемента. Регистрирующая аппаратура связана с контрольно-измерительной аппаратурой, которая связана с ПЭВМ. Технический результат - повышение информативности данных испытаний. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Термонагружатель к стенду для исследования образцов материалов при энергообмене // 2517743

Изобретение относится к средствам испытаний образцов материалов при сложном нагружении и может быть использовано совместно со стендами для исследования энергообмена при деформировании и разрушении твердых тел. Термонагружатель содержит платформу, установленные на ней фрикционный элемент, привод вращения фрикционного элемента, опорную площадку из теплопроводного материала, установленную без возможности вращения относительно фрикционного элемента. Фрикционный элемент выполнен в виде витой цилиндрической пружины, одним концом соединенной с приводом вращения, опорная площадка выполнена в виде трубы для размещения в отверстии образца. Наружный диаметр пружины превышает внутренний диаметр трубы, а в трубе выполнены прорези в соответствии с зонами прогрева. Технический результат: увеличение объема информации путем обеспечения испытаний при неравномерном подводе термической нагрузки к разным частям объема образца через отверстия. 1 ил.

Установка для испытания материалов на прочность // 2518848

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для испытания образцов материалов на прочность. Сущность: установка содержит основание (1), на котором установлены захваты (2, 3) для образца (4), нагружатель (5), связанный с захватами (2, 3), приспособление для нагрева в виде теплопроводного кольца (6) для закрепления на поверхности образца (4), фрикционный элемент (7), предназначенный для взаимодействия с наружной поверхностью кольца (6), приспособление для поджатия фрикционного элемента (7) к кольцу (6) с упругим элементом (8) и регулятором (9) деформации упругого элемента (8), приспособление для перемещения фрикционного элемента (7) относительно кольца (6) с платформой (10) и приводом (11) вращения с валом (12). Кроме того, установка снабжена дополнительными приспособлениями (13) для нагрева в соответствии с количеством зон термического нагружения и мест их расположения по длине образца (4). При этом каждое приспособление (13) для нагрева снабжено шкивом (14), установленным на валу (12) соответствующего привода (11) вращения. Фрикционные элементы (7) выполнены бесконечными гибкими и охватывают шкивы (14) с обеспечением взаимодействия без проскальзывания и кольца (6, 13) с обеспечением взаимодействия с проскальзыванием. Приводы (11) установлены на платформах (10). Упругие элементы (8) и регуляторы (9) деформации упругих элементов (8) соединяют платформы (10) с основанием (1). Нагружатель (5) выполнен в виде пресса для механического нагружения образца (4). Технический результат - расширение объема получаемой информации. 1 ил.

Термонагружатель к стенду для испытания образцов // 2523076

Изобретение относится к средствам испытаний образцов при сложном нагружении и может быть использовано совместно со стендами для исследования энергообмена при деформировании и разрушении твердых тел. Термонагружатель содержит платформу, установленные на ней фрикционный элемент, опорный элемент из теплопроводного материала, устройство для взаимного перемещения фрикционного и опорного элементов с приводом вращения и приспособление для взаимного поджатия фрикционного и опорного элементов. Термонагружатель дополнительно снабжен шкивом, кинематически связанным с приводом вращения. Фрикционный элемент выполнен виде замкнутого гибкого элемента, охватывающего шкив, опорный элемент выполнен в виде набора трубок, предназначенных для размещения внутри образца вдоль линии термического нагружения. Фрикционный элемент размещен в отверстиях трубок опорного элемента. Технический результат: увеличение объема информации путем обеспечения исследований при подводе термической нагрузки к разным частям объема образца вдоль регулируемой изогнутой линии термического нагружения. 1 ил.

Способ определения критической температуры хрупкости металлов и сплавов // 2530480

Изобретение относится к испытаниям механических свойств металлов и сплавов и может быть использовано для оценки критической температуры хрупкости металла элементов нефтегазового оборудования при эксплуатации в сероводородсодержащих средах, вызывающих охрупчивание металла. Сущность: образцы отбирают из макропробы одного из элементов группы нефтегазового оборудования. Каждый образец подвергают охрупчиванию путем растяжения до одной из остаточной деформации 0, 10, 20, 30, 40%, после чего из каждого образца макропробы вырезают образцы испытаний и измеряют в них твердость при каждой из температур испытаний -60, -40, -20, 0, 10, 20°C, затем для каждой остаточной деформации и каждой температуры испытаний проводят испытания образцов на ударный изгиб. Устанавливают зависимости ударной вязкости от твердости для каждой из температур испытаний. Критическую температуру хрупкости определяют как точку пересечения кривой зависимости ударной вязкости от температуры с нормативным значением ударной вязкости для металла данной группы однотипного нефтегазового оборудования. Зависимости ударной вязкости от твердости описываются формулой KCV=A еB*H, где A и B - экспериментальные коэффициенты для каждого металла и температуры испытаний, H - твердость по Бринелю. Технический результат: повышение точности и надежности результатов, снижение трудоемкости и материалоемкости оценки критической температуры хрупкости металлов и сплавов нефтегазового оборудования при эксплуатации в сероводородсодержащих средах. 3 ил.

Способ определения предела прочности при растяжении диэлектрических материалов при индукционном нагреве // 2538419

Изобретение относится к методам определения механических характеристик диэлектрических материалов с учетом условий их применения. Сущность способа заключается в определении предела прочности при растяжении стандартных образцов при высокоинтенсивном индукционном нагреве промежуточного металлического нагревательного элемента, имеющего тепловой контакт с испытываемым образцом. Способ учитывает специфику применения материалов в изделиях с высокими тепловыми нагрузками и скоростями нагрева. В условиях эксплуатации материала в таких изделиях происходит динамический нагрев при скоростях нагрева 10-100°C/с до температуры начала деструкции при общем времени нагрева от нескольких десятков секунд до нескольких минут. Вследствие этого материал в условиях эксплуатации испытывает тепловые нагрузки меньшей длительности, чем в условиях механических испытаний образцов стандартными методами. При этом время выдержки материала при высокой температуре оказывает существенное влияние на его механические характеристики. Индукционный нагрев позволяет осуществлять быстрый нагрев промежуточного металлического нагревательного элемента с возможностью точного автоматического управления нагревом, что является существенным для реализации динамического нагрева по заданному режиму. Технический результат − уменьшение погрешности определения механических характеристик. 5 ил.

Устройство для формирования и испытания образцов тонких покрытий // 2545082

Изобретение относится к лабораторной испытательной технике, а именно к устройству для формирования и испытания образца тонких покрытий в нагрузочных устройствах, например, для испытания тонких керамических теплозащитных покрытий на механическую прочность растяжением. Устройство представляет собой предназначенный для размещения в нагрузочном устройстве разъемный узел, содержащий две цилиндрические и кольцевую детали, внешняя поверхность которых предназначена для нанесения, по меньшей мере, одного слоя тонкого покрытия и формирования образца. Одна из цилиндрических деталей имеет по оси цилиндрическую полость, а другая ответный цилиндрический выступ, размещаемый через отверстие кольца в полости и соединяющий детали. Внешняя поверхность цилиндрических деталей имеет адгезию, а поверхность кольца - без адгезии с наносимыми на них покрытиями, и служат, соответственно, для формирования образца в виде соединительного слоя и/или безадгезионного тонкого покрытия. Технический результат: повышение достоверности исследования прочностных свойств тонких покрытий путем формирования безадгезионного продольного поверхностного образца на разъемном узле, пригодном для нагружения продольным и температурным нагружениями. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ испытания стойкости оптического кабеля действию замерзающей воды в защитном полимерном трубопроводе // 2557341

Изобретение относится к технике волоконно-оптической связи и может быть использовано для испытания стойкости оптического кабеля (ОК), предназначенного для прокладки в защитном полимерном трубопроводе (ЗПТ), к действию замерзающей воды в ЗПТ. Отличительная особенность заявленного способа испытаний стойкости ОК действию замерзающей воды заключается в том, что для испытаний дополнительно используют демпфирующую полимерную трубку, проложенную в стальной трубе вместе с ЗПТ с образцом OK. ЗПТ и стальная труба заполнены дистиллированной водой. При этом испытаниям подвергается образец ОК в заполненном водой ЗПТ, а нагрузка на ЗПТ при замерзании воды в стальной регулируется за счет изменения избыточного давления в демпфирующей полимерной трубке. Технический результат - возможность моделирования нагрузки на ОК в промерзающем грунте в условиях, близких к условиям прокладки ОК в ЗПТ в различных категориях промерзающего грунта. 1 ил.