太陽(yáng)能電池焊接工藝改進(jìn)及全自動(dòng)焊機(jī)的介紹

施學(xué)斌

(蘇州大學(xué)，蘇州 215131)

0 引言

太陽(yáng)能發(fā)電有著眾多的優(yōu)點(diǎn)：太陽(yáng)能資源取之不盡，光伏發(fā)電無(wú)污染，無(wú)輻射，無(wú)噪聲，綠色環(huán)保，無(wú)需消耗燃料及資源。在能源日益緊張的趨勢(shì)下，在大氣污染越來(lái)越嚴(yán)重的情況下，使用太陽(yáng)能等清潔可再生能源，是未來(lái)的良好選擇。

1 太陽(yáng)能電池組件的生產(chǎn)流程

太陽(yáng)能電池組件（也叫太陽(yáng)能電池板）是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部分。其作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，或推動(dòng)負(fù)載工作。由于單片太陽(yáng)能電池片在接受陽(yáng)光照射時(shí)，產(chǎn)生的電流和電壓都很小，不能滿足使用要求。因此，需要將電池片串、并聯(lián)連接和嚴(yán)密封裝成組件。

太陽(yáng)能電池組件常用的生產(chǎn)流程如下：

電池檢測(cè)、正面焊接、檢驗(yàn)、背面串聯(lián)焊接、檢驗(yàn)、排版（玻璃鋪設(shè)、電池串排版、匯流條焊接）、層壓、去毛邊、裝邊框（涂膠、裝角鍵、沖孔、裝框、擦洗余膠）、焊裝接線盒、高壓測(cè)試、組件測(cè)試、外觀檢驗(yàn)以及包裝入庫(kù)[1]。

2 電池片傳統(tǒng)焊接法及其局限性

在太陽(yáng)能組件的制造流程中，電池片的正面焊接和背面串聯(lián)焊接的質(zhì)量非常重要。這是因?yàn)樘?yáng)能光伏組件的設(shè)計(jì)壽命通常為25年左右，而組件通常都安裝在戶外，每天要承受幾十?dāng)z氏度的的溫度變化。由于焊帶基材為純銅，銅的膨脹系數(shù)約為硅（電池片）的6倍，這種差異就意味著：只要有溫度的變化，焊帶與電池片焊接處就會(huì)受力。因此不良的焊接會(huì)導(dǎo)致組件功率降低，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致失效[2]。

在太陽(yáng)能電池片焊接方面，國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家主要是以手工焊接的方式完成的，焊接流程如下：

首先進(jìn)行正面焊接，將匯流帶焊接到電池正面（負(fù)極）的主柵線上，匯流帶為鍍錫的銅帶。

焊接主要采取手工操作的方式，由工人手持電烙鐵，在一定溫度下實(shí)行焊接。

正面焊接完成后，進(jìn)行背面串接。事先制作專用的模板，在模板上有放置電池片的凹槽，槽的大小和電池片的大小相對(duì)應(yīng)，槽的位置可以準(zhǔn)確保證電池片的相對(duì)位置。將完成正面焊接的電池片準(zhǔn)確放置在模板的凹槽內(nèi)。操作者使用電烙鐵和焊錫絲將“前面電池片”的正面電極（負(fù)極）焊接到“后面電池片”的背面電極（正極）上，這樣依次將電池片串接在一起并在電池串的正負(fù)極焊接出引線。

采用手工焊接有一定的局限性，容易導(dǎo)致一些焊接不良現(xiàn)象的發(fā)生，引起焊接不良的原因主要有下列兩個(gè)方面：

1）個(gè)人因素的影響

人員的技術(shù)水平直接影響到焊接質(zhì)量。例如，焊臺(tái)的溫度和電烙鐵溫度的設(shè)置是否準(zhǔn)確、助焊劑的涂布情況是否良好。焊接時(shí)施力是否合適，施力過(guò)大，易造成電池片的破裂。焊接速度是否合適，焊接速度過(guò)快，容易出現(xiàn)虛焊，焊接速度過(guò)慢，則容易出現(xiàn)過(guò)焊。除此之外，人員的注意力，甚至是心理狀況都會(huì)影響到焊接效果。

2）工藝的局限性

手工焊接時(shí)，電池片正面焊接與背面串接只能分別完成，這樣，電池片會(huì)受熱變形兩次。在單片焊接時(shí)，因?yàn)橹挥姓娴暮笌В附雍箅姵仄瑑擅娴膽?yīng)力不同導(dǎo)致電池片彎曲變形，串聯(lián)焊接電池片同樣會(huì)受到彎曲變形，大大增加了電池片隱裂發(fā)生的機(jī)率。

此外，電池片的焊接溫度一般在350℃左右。焊接時(shí)，如果電池片本體的溫度與焊接溫度相差過(guò)大，也會(huì)增加電池片破裂發(fā)生的機(jī)率。因而，在焊接前，一般需要對(duì)電池片進(jìn)行預(yù)熱，使電池片的溫度與焊接溫度盡可能接近。但由于人工焊接時(shí)操作人員需手工接觸電池片，因而預(yù)熱的溫度并不能過(guò)高，否則人員無(wú)法忍受。

圖1 全自動(dòng)焊機(jī)

3 焊接工藝改進(jìn)及全自動(dòng)焊接設(shè)備的介紹

為了提高焊接質(zhì)量，必須改進(jìn)焊接工藝。理想的焊接工藝是將電池片的正面焊接和背面串聯(lián)焊接同步進(jìn)行，從而達(dá)到減少熱變形的目的，并且，盡量在焊接前提高電池片的預(yù)熱溫度，焊接完成后降低電池片的冷卻速度。要實(shí)施這樣的焊接，必須借助于自動(dòng)化焊接設(shè)備。

目前，國(guó)內(nèi)少數(shù)太陽(yáng)能組件生產(chǎn)廠家在部分生產(chǎn)線上引進(jìn)了國(guó)外的全自動(dòng)焊接設(shè)備，這些設(shè)備的使用，提高了質(zhì)量和生產(chǎn)效率。但這類設(shè)備技術(shù)被別人壟斷，價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)，僅有極少數(shù)廠家著手研發(fā)相關(guān)設(shè)備，尚未推廣開(kāi)來(lái)。

因此，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的太陽(yáng)能電池全自動(dòng)焊接設(shè)備，提高光伏組件的制造質(zhì)量，成為當(dāng)務(wù)之急。

下面介紹一種自主開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能電池全自動(dòng)焊接機(jī)。

該焊機(jī)主要由下列部分組成：電池片傳輸裝置、電池片搬運(yùn)機(jī)械手、電池片圖像處理系統(tǒng)、焊帶切斷裝置、焊接裝置以及電池串翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等，如圖1所示。

自動(dòng)焊接工作流程如下：

1）電池片傳輸及初次預(yù)熱

電池片放置在料盒中，料盒由電池片輸送裝置1傳送，電池片在料盒中己經(jīng)過(guò)初次預(yù)熱，初次預(yù)熱是采用燈管預(yù)熱。

2）電池片圖像檢測(cè)

電池片搬運(yùn)機(jī)械手3端部配有橡膠吸盤(pán)，利用真空吸緊的原理吸取電池片，將電池片移送至檢測(cè)位置，進(jìn)行CCD圖像檢測(cè)[3]。主要檢測(cè)電池片是否有缺角、崩邊、隱裂、柵線長(zhǎng)度是否符合要求等。將有缺限的電池片拾取至相應(yīng)的容器內(nèi)。

3）電池片放置定位

電池片搬運(yùn)機(jī)械手3將經(jīng)圖象檢測(cè)合格的電池片，進(jìn)行位置檢查并校正后，準(zhǔn)確放置到輸送線上。

4）噴涂助焊劑

助焊劑通過(guò)噴涂裝置上的噴嘴，準(zhǔn)確噴涂至電池片上下兩面的主柵線上。

5）電池片再預(yù)熱

電池片在輸送線上再經(jīng)過(guò)第二次、第三次預(yù)熱，目的是提高電池片溫度，減少電池片本體溫度與焊接溫度之間的溫度差，從而降低焊接時(shí)破片率的發(fā)生。

6）焊帶裁切與鋪設(shè)

機(jī)械夾爪將焊帶拉直，經(jīng)焊帶切斷裝置裁切后準(zhǔn)確地放置在電池片相應(yīng)的主柵線上。

7）電池片焊接

電池片焊接有電磁感應(yīng)焊接和紅外焊接兩種方式，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。電磁焊接的方式是：陶瓷壓針利用自身重力將焊帶壓在電池片的主柵線上，電磁接頭下降產(chǎn)生磁場(chǎng)并加熱焊帶及電池片正反面主柵線，在電池片正反面同時(shí)施焊。

紅外焊接是利用紅外燈照射加熱電池片主柵線與焊帶，升溫后在正反面同時(shí)施焊。

上述兩種焊接方式，焊接溫度均由紅外線溫度傳感器感應(yīng)，焊接溫度可監(jiān)控并實(shí)時(shí)調(diào)整，從而使溫度保持一個(gè)相對(duì)比較穩(wěn)定的數(shù)值。

8）焊后緩冷

電池片焊接完成后，輸送到緩降溫區(qū)，實(shí)行分步冷卻的措施使電池片溫度逐步下降。這是因?yàn)楹附油瓿珊?，如果冷卻速度過(guò)快，就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同樣會(huì)增加缺限發(fā)生的機(jī)率。

9）電池串翻面及移送。

因?yàn)楸竞笝C(jī)焊接完成后電池片的正面是向上的，因而設(shè)計(jì)了電池片的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7利用真空吸嘴將焊接后的電池串吸起，翻轉(zhuǎn)180度。同時(shí)，電池串移送機(jī)械手8前端移至翻轉(zhuǎn)后的電池串上方，利用其端部的真空吸嘴吸起電池串，移至電池串檢測(cè)臺(tái)，進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)合格的電池串再由電池串移送機(jī)械手8搬運(yùn)到排版臺(tái)自動(dòng)排版。不合格的電池串則送至返修料臺(tái)進(jìn)行返修。為減少環(huán)境溫度對(duì)電池串的影響，擺放電池串的工作臺(tái)均為保溫工作臺(tái)。

該焊機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)：

采用先進(jìn)的圖像識(shí)別技術(shù)，進(jìn)行電池片的篩選。正面焊接和背面串接同步進(jìn)行，使電池片在焊接時(shí)只受熱一次，減少了焊接缺限的發(fā)生。采用了焊前預(yù)熱、焊后緩冷的方式，有效避免了因升溫和降溫過(guò)快可能帶來(lái)的焊接缺限。

實(shí)踐證明，該焊機(jī)焊接性能良好，破片率小于0. 3% 。

4 結(jié)論

對(duì)先進(jìn)生產(chǎn)工藝的需求催生了先進(jìn)設(shè)備，全自動(dòng)焊機(jī)使先進(jìn)的焊接工藝得以實(shí)施，將正面焊接和背面串聯(lián)焊接合并成了一道工序，在正面和背面同時(shí)施焊，使電池片在焊接時(shí)只受熱一次。并且考慮了焊前預(yù)熱和焊后緩冷的問(wèn)題，從而減少了隱裂發(fā)生的機(jī)率。同時(shí)，全自動(dòng)焊接還具備下列功能：電池片的自動(dòng)供給、電池片的自動(dòng)篩選和拾取、焊帶的自動(dòng)供給和切斷、助焊劑的自動(dòng)涂抹、自動(dòng)施焊等。

焊接工藝的改進(jìn)和全自動(dòng)焊機(jī)的使用不僅確保了焊接質(zhì)量，而且提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)質(zhì)太陽(yáng)能組件的制造提供了保障。

[1] 馬強(qiáng).太陽(yáng)能晶體硅電池組件生產(chǎn)實(shí)務(wù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013(2).

[2] 李鐘實(shí).太陽(yáng)能光伏組件生產(chǎn)制造工程技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2012(1).

[3] 謝存禧,張鐵.機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2012(1).