■ 劉建達(dá)宋志成 高鵬

中電投西安太陽能電力有限公司

接觸式串焊機(jī)虛焊的成因、判別及調(diào)整方法

■ 劉建達(dá)*宋志成 高鵬

中電投西安太陽能電力有限公司

介紹了接觸式串焊機(jī)的焊接特點(diǎn)，說明了導(dǎo)致虛焊的多種原因及對(duì)應(yīng)的判別方法，并給出了虛焊的調(diào)整方法。

光伏組件；接觸式串焊機(jī)；虛焊

0　引言

目前，自動(dòng)串焊機(jī)已成為光伏行業(yè)組件生產(chǎn)線的標(biāo)配，相對(duì)傳統(tǒng)的人工單焊和串焊工序，自動(dòng)串焊機(jī)具有占地少、節(jié)省人員、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。串焊機(jī)因焊接方式的不同可分為紅外串焊機(jī)、接觸式串焊機(jī)、激光串焊機(jī)、電磁串焊機(jī)等。

在國產(chǎn)串焊機(jī)尚未起步的年代，TT紅外串焊機(jī)與SOMONT接觸式串焊機(jī)占據(jù)了國內(nèi)自動(dòng)串焊機(jī)市場(chǎng)的絕大部分份額。而后在組件自動(dòng)線國產(chǎn)化的趨勢(shì)下，因接觸式焊接技術(shù)較難以仿制、SOMONT串焊機(jī)對(duì)維護(hù)人員水平要求較高、國外服務(wù)實(shí)時(shí)性差等多種原因，接觸式串焊機(jī)逐漸淡出主流市場(chǎng)，紅外串焊機(jī)成為目前市場(chǎng)的主流。

盡管如此，SOMONT串焊機(jī)仍不失為一臺(tái)優(yōu)秀的串焊機(jī)。但相比主流的紅外串焊機(jī)，接觸式串焊機(jī)焊接單元為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，串焊機(jī)上常見的露白、虛焊等不良現(xiàn)象的調(diào)節(jié)難度更大，步驟更為繁瑣。筆者根據(jù)多年的串焊機(jī)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，以調(diào)試最為復(fù)雜的SOMONT串焊機(jī)為例，在本文中對(duì)接觸式串焊機(jī)出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象的成因、判別和調(diào)整方法進(jìn)行了詳細(xì)的說明。

1　接觸式焊接的工作原理

接觸式焊接與手工焊接方式十分接近，都是用焊頭接觸焊帶，利用熱傳導(dǎo)使焊帶的錫層熔化，完成與電池片正面主柵線的焊接。不同于手工焊接正、背面分開焊接的方式，串焊機(jī)里正面、背面焊接是同時(shí)完成的，電池片正面焊頭熱量傳導(dǎo)至背面，使本已預(yù)熱在較高溫度下的背面焊帶錫層熔化，從而完成焊接。

2　焊接單元結(jié)構(gòu)和焊接過程說明

接觸式串焊機(jī)有多排焊頭，每排內(nèi)包含十幾個(gè)焊頭，焊頭的排數(shù)與電池片主柵線數(shù)量相同。因接觸式焊接的加熱面積和熱容量不如紅外式焊接，為保證熱傳導(dǎo)速率、減少損失熱量，在焊接前極少有貫穿全程的焊帶固定裝置，僅在焊接完成的末尾，為避免焊帶在錫凝固前翹起，會(huì)有冷卻壓塊壓住電池片上的焊帶，直至錫層由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。焊頭和冷卻壓塊行程均由氣缸控制，焊頭下壓的時(shí)間稱為焊接時(shí)間，冷卻壓塊下壓的時(shí)間稱為冷卻時(shí)間。

圖1　焊接單元局部圖(此為焊接狀態(tài))

3　造成虛焊的原因

3.1材料對(duì)虛焊的影響

1)焊帶。串焊機(jī)對(duì)焊帶最主要的要求為不出現(xiàn)扭擰。焊帶扭擰現(xiàn)象多出現(xiàn)于焊帶廠生產(chǎn)時(shí)的收卷和運(yùn)輸過程中，表現(xiàn)為整卷焊帶邊緣處向下凹，這部分焊帶排布至電池片上時(shí)與電池片呈一定角度，導(dǎo)致焊頭下壓時(shí)無法克服其扭力而產(chǎn)生虛焊。

圖2　因邊緣處下凹而出現(xiàn)扭擰的焊帶

2)電池片。電池片的問題歸根結(jié)底是漿料的問題。電池片正背面往往采用不同型號(hào)甚至不同品牌的漿料，由于成分 (主要是銀)的含量不同，電池片正面和背面的最佳焊接溫度、焊接強(qiáng)度、工藝窗口均存在差別。有些漿料在溫度高的情況下在焊接前就被氧化，從而導(dǎo)致虛焊。此現(xiàn)象多出現(xiàn)于電池片背電極，因含銀量較少，且背面漿料門檻低，各廠家質(zhì)量良莠不齊。

3)助焊劑。接觸式串焊機(jī)對(duì)助焊劑的要求比紅外式串焊機(jī)高很多。以筆者所用的SOMONT串焊機(jī)為例，廠家推薦的助焊劑只有Kester 952S一種，這款產(chǎn)品是主要用于半導(dǎo)體行業(yè)的助焊劑，其價(jià)格比國內(nèi)主流助焊劑高近50%。

國產(chǎn)助焊劑雖可以使用，但問題較多，主要影響其在接觸式串焊機(jī)上應(yīng)用的因素是焊接后的殘留量較大。因?yàn)樵诮佑|式焊接過程中，助焊劑殘留物會(huì)附著在焊頭上，堆積過多會(huì)嚴(yán)重影響熱傳導(dǎo)效率，導(dǎo)致虛焊產(chǎn)生。

3.2工藝參數(shù)對(duì)虛焊的影響

1)焊接時(shí)間。焊接時(shí)間在一定程度上決定涂錫層能否充分熔化從而得到最佳的流動(dòng)性，使錫流動(dòng)到兩個(gè)焊頭中間。焊接時(shí)間越長則涂錫層流動(dòng)越充分，越不容易出現(xiàn)虛焊，但會(huì)造成過焊、電池片翹曲度大等問題。焊接時(shí)間因材料不同而在700～1200 ms之間浮動(dòng)。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，此焊接時(shí)間可按以下方法確定；當(dāng)焊頭壓在電池片上，肉眼觀察到焊錫熔化流動(dòng)后再持續(xù)0.5 s，在此時(shí)間基礎(chǔ)上再進(jìn)行微調(diào)。

判斷因焊接時(shí)間不足而產(chǎn)生虛焊的方法非常簡(jiǎn)單：剝離電池片上的焊帶后觀察電池片主柵線，若主柵線上的焊點(diǎn)斷斷續(xù)續(xù)且呈點(diǎn)狀分布，位置與焊頭位置相符，焊點(diǎn)處強(qiáng)度也足夠，則證明焊接時(shí)間不足。

2)正面焊接溫度(焊頭溫度)。正面焊接溫度直接決定正面主柵的焊接質(zhì)量。焊接溫度過低，不能使錫層充分熔化，會(huì)產(chǎn)生虛焊；焊接溫度過高，則可能造成過焊。

常用的60Sn-40Pb成分的錫層，熔化溫度在180～190 ℃之間，串焊機(jī)的設(shè)置溫度要比其約高55 ℃，即235～245 ℃。

如果電池片正面和主柵線完全未焊住，或呈點(diǎn)狀分布但強(qiáng)度不足，則可判斷為是正面焊接溫度不足而產(chǎn)生的虛焊。

3)背面焊接溫度(底部加熱板溫度)。背面焊接溫度直接決定背面焊接質(zhì)量，起主要作用的是焊頭正下方加熱區(qū)的溫度，其余加熱區(qū)僅作為預(yù)熱，對(duì)背面焊接質(zhì)量影響不大(主要是調(diào)節(jié)電池片翹曲度)。由于背面焊接是依靠正面焊頭熱量傳導(dǎo)至背面使焊帶錫層熔化，背面焊接溫度的設(shè)置值要小于錫層的熔化溫度，一般設(shè)置在170 ～175 ℃，這樣可使正背面焊帶錫層熔化基本同步，保證正背面同時(shí)焊上。

背面虛焊多數(shù)表現(xiàn)為大部分或全部未焊上，很少出現(xiàn)點(diǎn)狀虛焊。

3.3機(jī)械裝置對(duì)虛焊的影響

1)焊頭。接觸式焊接方式中，焊頭對(duì)電池片的壓力非常小，因此，焊頭的水平是保證不產(chǎn)生虛焊的重要條件。

如果出現(xiàn)焊帶長度方向上一端虛焊且錫未熔化的情況，則需要調(diào)整焊頭的水平。調(diào)整方法廠家會(huì)培訓(xùn)，因操作復(fù)雜且對(duì)其他串焊機(jī)借鑒價(jià)值不大，本文不再贅述。

2)冷卻壓塊。冷卻壓塊的水平和焊頭的水平同等重要，不保持水平都會(huì)導(dǎo)致焊帶一側(cè)虛焊，但壓塊不水平導(dǎo)致的虛焊更加隱蔽，且并非100%出現(xiàn)。冷卻壓塊不水平導(dǎo)致的虛焊接表現(xiàn)為：焊帶表面與正常焊接效果基本相同，焊帶揭開后可見電池片柵線部分位置缺錫或拉力值極低。

3)各焊接單元同步性。焊接單元通過氣缸控制焊頭和壓塊，從而進(jìn)行下壓和提升的動(dòng)作，如果各焊接單元?dú)飧椎南聣汉吞嵘齽?dòng)作不一致，將會(huì)導(dǎo)致電池片各柵線的焊接時(shí)間或冷卻時(shí)間不一致，從而出現(xiàn)虛焊。

4　發(fā)生虛焊時(shí)的調(diào)整方法

4.1準(zhǔn)備工作

排除原材料質(zhì)量問題和串焊機(jī)機(jī)械裝置問題。

4.2正面虛焊調(diào)整方法

因電池片兩面的焊帶錫層相同，且正面溫度比背面溫度高，因此一旦正面出現(xiàn)虛焊，背面幾乎100%也出現(xiàn)虛焊。

虛焊出現(xiàn)后調(diào)節(jié)的方法有兩種：提高正面焊接溫度或增加焊接時(shí)間；前者影響焊帶錫層的熔化時(shí)間，后者影響錫在主柵線上的擴(kuò)散程度，二者相輔相成。

圖3為在不考慮背面焊接質(zhì)量并維持背面焊接溫度不變(175℃)的情況下，達(dá)到合格焊接強(qiáng)度時(shí)，最低焊接時(shí)間和正面焊接溫度的對(duì)應(yīng)圖。由圖3可知，236 ℃與238 ℃對(duì)應(yīng)的焊接時(shí)間相差較大，此時(shí)影響焊接強(qiáng)度的主要因素為錫的熔化時(shí)間；238～242 ℃之間近似為線性，此時(shí)增大溫度可有效縮短焊接時(shí)間，表明溫度已足夠使錫層熔化并在一段時(shí)間后具有足夠的流動(dòng)性，以達(dá)到需要的焊接強(qiáng)度；當(dāng)溫度從242 ℃變化至244 ℃時(shí)，增大溫度對(duì)縮短焊接時(shí)間的影響開始變小；而從244 ℃變化至246 ℃時(shí)，焊接時(shí)間縮短很少，此時(shí)錫熔化后的擴(kuò)散時(shí)間成為影響焊接時(shí)間的主要因素。

圖3　正面焊接溫度與焊接時(shí)間對(duì)應(yīng)圖

此實(shí)驗(yàn)是未考慮其他因素的極限實(shí)驗(yàn)。在生產(chǎn)中，還要綜合考慮背面焊接質(zhì)量、產(chǎn)能、翹曲度等其他指標(biāo)，實(shí)際可選擇的參數(shù)范圍僅為240～244 ℃區(qū)間。

4.3背面虛焊調(diào)整方法

背面焊接質(zhì)量同時(shí)受正面焊接溫度、背面焊接溫度、焊接時(shí)間三者影響。調(diào)節(jié)方法一般為：先按本文“正面虛焊調(diào)整方法”確定滿足正面焊接強(qiáng)度的溫度范圍與對(duì)應(yīng)的焊接時(shí)間范圍；調(diào)試背面焊接效果時(shí)，固定一個(gè)較高的焊接溫度，調(diào)整焊接溫度和背面焊接時(shí)間(焊接時(shí)間只能增加)，做出與圖3類似的“背面焊接溫度-焊接時(shí)間”曲線圖，將此圖與圖3進(jìn)行綜合分析，找出可能合適的參數(shù)再繼續(xù)進(jìn)行細(xì)化實(shí)驗(yàn)，或在新的正面焊接溫度下重復(fù)進(jìn)行以上調(diào)試過程。

5　其他與虛焊相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)

5.1溫度相關(guān)

串焊機(jī)剛開機(jī)開始加熱或調(diào)整溫度后，溫度在經(jīng)過數(shù)個(gè)波峰和波谷后才趨于穩(wěn)定，所以判斷溫度是否穩(wěn)定不能以溫度顯示面板的數(shù)字為準(zhǔn)，而是以溫度曲線穩(wěn)定為準(zhǔn)(一般串焊機(jī)軟件會(huì)自帶溫度曲線顯示功能)，否則會(huì)因溫度過高或過低而導(dǎo)致虛焊。

出于對(duì)熱傳導(dǎo)速率的考慮，背面焊接溫度與前一個(gè)預(yù)熱區(qū)的溫度差值不能超過70 ℃，否則電池片背面無法在焊接動(dòng)作開始前達(dá)到預(yù)設(shè)溫度。

5.2中間停機(jī)處理

計(jì)劃內(nèi)停機(jī)(如生產(chǎn)維護(hù))時(shí)，要先將串焊機(jī)內(nèi)的電池片排空，否則處于預(yù)熱區(qū)內(nèi)的電池片會(huì)被持續(xù)加熱，出現(xiàn)柵線氧化和電池翹曲現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生虛焊。

如果停機(jī)超過20 min，恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)須使用串焊機(jī)系統(tǒng)軟件中的“棄焊帶”功能，棄用已涂助焊劑的焊帶，否則焊帶表層的助焊劑會(huì)出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接效果極大幅下降。

5.3焊帶相關(guān)

1)焊帶銅基材厚度不同，其導(dǎo)熱速率也不同。銅基材厚度不同的焊帶若要得到相同的焊接效果，其焊接溫度需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，調(diào)整幅度一般不超過±5 ℃。

2)涂錫層厚度越厚，其流動(dòng)性越好，更加容易焊接。

3)含鉛的焊帶更容易焊接，不含鉛的焊帶焊接溫度一般比含鉛的焊帶高40～50 ℃。

2015-09-02

劉建達(dá)(1986—)，男，本科、工程師，主要從事光伏組件工藝及研發(fā)。ljdanb@163.com