光伏組件關(guān)鍵焊接技術(shù)研究

高志方

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

光伏組件關(guān)鍵焊接技術(shù)研究

高志方

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

紅外焊接是光伏組件生產(chǎn)中的關(guān)鍵工藝技術(shù)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，為了進(jìn)一步提高焊接效率，引入了一種多段式加熱方法提高了焊接起始溫度，縮短了焊接周期，也大幅改善了因溫度急劇提升帶來(lái)的電池片隱裂現(xiàn)象，提高了設(shè)備的性能和生產(chǎn)效率。

紅外焊接；電池組件；PLC控制系統(tǒng)

紅外焊接是光伏電池串聯(lián)焊接設(shè)備一種新型的非接觸式焊接技術(shù)。因具有優(yōu)異的溫控快速響應(yīng)性能和穩(wěn)定性能，以及焊接后電池串產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定可靠、焊接效率高等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)紅外焊接技術(shù)得以飛速發(fā)展并逐漸取代舊式的接觸式焊接方式（如滾輪壓焊接、熱風(fēng)焊接、電磁感應(yīng)焊接等）[1]。

紅外線(xiàn)是一種電滋波，電流在通過(guò)以特殊材料制成的加熱管的加熱絲時(shí)，加熱管會(huì)輻射出一定波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)，紅外線(xiàn)被物體吸收時(shí)物體即被加熱。紅外輻射的熱慣性極小而熱效率很高，利用短波、中波紅外輻射技術(shù)，可以對(duì)工件進(jìn)行高密度、高能量、高強(qiáng)度地加熱，以達(dá)到提高加熱效率、縮短加熱時(shí)間、節(jié)約能源消耗、降低投資額度、減少環(huán)境污染的目的，這就是工業(yè)界所說(shuō)的高紅外輻射加熱技術(shù)[2]。

1 光伏電池組件生產(chǎn)工藝流程

電池片和焊帶通過(guò)焊接機(jī)特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊放、對(duì)位準(zhǔn)確后，再經(jīng)傳送帶傳送至焊接工位。紅外焊頭按照預(yù)設(shè)的工藝參數(shù)執(zhí)行焊接作業(yè)，實(shí)現(xiàn)電池片與焊帶的全自動(dòng)焊接，如此循環(huán)傳送、焊接程序便將電池片串聯(lián)成串。焊接好的電池串再經(jīng)過(guò)串并聯(lián)、組框封裝等工藝，便成為用于光伏電站建設(shè)的電池組件單元[3]。圖1為光伏電池組件生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖。

圖1 光伏電池組件生產(chǎn)工藝流程圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電池片與焊帶的焊接采用紅外加熱管加熱焊接方式，采用全閉環(huán)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)紅外測(cè)溫傳感器的實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)和工藝設(shè)定的溫控參數(shù)，PLC系統(tǒng)經(jīng)由可控硅對(duì)紅外加熱管實(shí)現(xiàn)即時(shí)、準(zhǔn)確的功率輸出控制。充分利用數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)采集單元、雙向可控硅、紅外加熱管以及紅外測(cè)溫傳感器的高速響應(yīng)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速響應(yīng)和焊接溫度穩(wěn)定、準(zhǔn)確的效果[4]。

圖2為紅外焊接加熱器控制原理圖。

紅外線(xiàn)以光的速度傳播，攜帶很高的能量，不同波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)輻射強(qiáng)度也不同，根據(jù)被加熱物體的特性和工藝要求選擇適當(dāng)波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行輻射加熱來(lái)完成焊接工作。

由于短波（波長(zhǎng)0.76～1.6 μm）輻射功率大、穿透力強(qiáng)，輻射主要集中于目標(biāo)并提供高效熱能，可以在幾秒內(nèi)迅速達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷工作強(qiáng)度，所以短波輻射加熱光源非常適合本項(xiàng)目需要快速停止和啟動(dòng)的工藝流程。

圖2 紅外焊接加熱器原理圖

3 控制程序

全自動(dòng)焊接設(shè)備應(yīng)用于光伏電池組件生產(chǎn)中，將光伏電池片焊接成電池串。在工業(yè)化大生產(chǎn)中，設(shè)備的生產(chǎn)效率一直是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)重要參照指標(biāo)。如何能最大可能地壓縮生產(chǎn)時(shí)間，提升整機(jī)效率，一直是我們努力的方向。

經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析工藝和在設(shè)備上反復(fù)操作實(shí)驗(yàn)，通過(guò)焊接時(shí)序的調(diào)整和程序結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用多段式溫度控制實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的提質(zhì)增效。

如表1所示，新式某型焊接機(jī)引入焊接預(yù)處理方法，具體時(shí)序如圖3所示。舊式某型焊接機(jī)由待機(jī)溫度直接加熱至焊接溫度并保持一段時(shí)間，然后逐漸降至待機(jī)溫度，整個(gè)焊接周期為2.2 s。

表1 溫度控制方式對(duì)比

新式某型焊接機(jī)預(yù)先從待機(jī)溫度加熱至預(yù)處理溫度，在焊接程序中由預(yù)熱溫度再加熱至焊接溫度并持續(xù)一段時(shí)間，然后逐漸降至待機(jī)溫度。由于加熱起始溫度的提高，縮短了溫度上升時(shí)間，整個(gè)焊接周期可以縮至為2.0 s。

①電池片傳送周期，在此動(dòng)作過(guò)程的同時(shí)對(duì)電池片進(jìn)行預(yù)熱（預(yù)熱功率輸出參數(shù)⑤），為電池片傳送過(guò)程中的提供了合適的預(yù)熱，提高了焊接時(shí)電池片的起始溫度，從而縮短了焊接周期，同時(shí)也降低了焊接周期內(nèi)因溫度的急劇升溫帶來(lái)的裂片問(wèn)題。

圖3 紅外焊接工藝參數(shù)設(shè)置

④“待機(jī)功率P1”指紅外焊接單元在非焊接周期（即系統(tǒng)待機(jī)周期③）控制加熱管輸出的功率百分比。

⑥“設(shè)定溫度C”是焊接時(shí)對(duì)電池片加熱的目標(biāo)溫度，“焊接基準(zhǔn)功率”指焊接單元在焊接周期②時(shí)進(jìn)行焊接所輸出的基準(zhǔn)功率百分比?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)這兩個(gè)主要參數(shù)和以“上升時(shí)間”、“保持時(shí)間”、“下降時(shí)間”參數(shù)定義的溫度變化曲線(xiàn)要求對(duì)加熱單元實(shí)時(shí)調(diào)整功率補(bǔ)償系數(shù)，進(jìn)而使實(shí)際的溫度變化曲線(xiàn)滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求。

圖4為紅外焊接加熱器控制時(shí)序圖。整個(gè)控制過(guò)程由焊接初始化程序、加熱預(yù)處理控制程序、焊接程序組成，依照設(shè)備的不同運(yùn)行周期調(diào)用相應(yīng)的程序執(zhí)行焊接作業(yè)。

圖4 紅外焊接控制原理原理圖

4 總 結(jié)

綜上，采用多段式加熱的方法提高起始溫度，縮短了升溫時(shí)間，在保證焊接溫度保持時(shí)間不變的情況下，一個(gè)焊接周期縮短了0.2 s。更主要的是焊接時(shí)序的優(yōu)化大幅改善了因溫度急劇提升帶來(lái)的電池片隱裂現(xiàn)象，提高了設(shè)備的性能和生產(chǎn)效率，提高了設(shè)備的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，也為用戶(hù)帶來(lái)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的提升。

[1] 朱鵬凱.多晶硅電池焊接技術(shù)的研究及發(fā)展方向[J].消費(fèi)電子，2013，(10)：34.

[2] 褚治德，汪健生，孟憲玲.紅外加熱輻射的基本理論與實(shí)踐研究[A].第十三屆全國(guó)紅外加熱暨紅外醫(yī)學(xué)發(fā)展研討會(huì)[C].宜昌：中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)紅外與光電器件專(zhuān)業(yè)委員會(huì)、中國(guó)光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)紅外分會(huì)、中國(guó)電子學(xué)會(huì)量子電子學(xué)與光電子學(xué)分會(huì)，2011.

[3] 尹堯.太陽(yáng)能電池組件生產(chǎn)廠(chǎng)房的工藝設(shè)計(jì)[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2014，(15)：64.

[4] 麻勝南.晶體硅太陽(yáng)能電池片自動(dòng)焊接關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].廊坊：河北工業(yè)大學(xué)，2013.

Research on Key Welding Technology of PV Module

GAO Zhifang

(The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China)

Infrared welding is the key technology in the production of PV modules.In order to further improve the welding efficiency，a multi-stage welding method is introduced to improve the welding initiation temperature in this paper.Use this method，the welding cycle is shorten，and the cracking of the battery chip caused is improved by the sharp increase of the temperature and improve the performance and production efficiency of the equipment.Equipment market competitiveness.

Infrared welding；Battery module；PLC control system

TG44

A

1004-4507(2017)03-0016-03

高志方（1972-），女，畢業(yè)于太原科技大學(xué)，工程師，主要從事電子專(zhuān)用設(shè)備技術(shù)研究工作。

2017-03-16