接触式串焊机虚焊的成因、判别及调整方法

2016-10-14刘建达宋志成高鹏

太阳能 2016年5期

关键词：压块焊机电池

■ 刘建达宋志成高鹏

中电投西安太阳能电力有限公司

接触式串焊机虚焊的成因、判别及调整方法

■ 刘建达*宋志成高鹏

中电投西安太阳能电力有限公司

介绍了接触式串焊机的焊接特点，说明了导致虚焊的多种原因及对应的判别方法，并给出了虚焊的调整方法。

光伏组件；接触式串焊机；虚焊

0　引言

目前，自动串焊机已成为光伏行业组件生产线的标配，相对传统的人工单焊和串焊工序，自动串焊机具有占地少、节省人员、质量稳定等优点。串焊机因焊接方式的不同可分为红外串焊机、接触式串焊机、激光串焊机、电磁串焊机等。

在国产串焊机尚未起步的年代，TT红外串焊机与SOMONT接触式串焊机占据了国内自动串焊机市场的绝大部分份额。而后在组件自动线国产化的趋势下，因接触式焊接技术较难以仿制、SOMONT串焊机对维护人员水平要求较高、国外服务实时性差等多种原因，接触式串焊机逐渐淡出主流市场，红外串焊机成为目前市场的主流。

尽管如此，SOMONT串焊机仍不失为一台优秀的串焊机。但相比主流的红外串焊机，接触式串焊机焊接单元为纯机械结构，且结构复杂，串焊机上常见的露白、虚焊等不良现象的调节难度更大，步骤更为繁琐。笔者根据多年的串焊机调试经验，以调试最为复杂的SOMONT串焊机为例，在本文中对接触式串焊机出现虚焊现象的成因、判别和调整方法进行了详细的说明。

1　接触式焊接的工作原理

接触式焊接与手工焊接方式十分接近，都是用焊头接触焊带，利用热传导使焊带的锡层熔化，完成与电池片正面主栅线的焊接。不同于手工焊接正、背面分开焊接的方式，串焊机里正面、背面焊接是同时完成的，电池片正面焊头热量传导至背面，使本已预热在较高温度下的背面焊带锡层熔化，从而完成焊接。

2　焊接单元结构和焊接过程说明

接触式串焊机有多排焊头，每排内包含十几个焊头，焊头的排数与电池片主栅线数量相同。因接触式焊接的加热面积和热容量不如红外式焊接，为保证热传导速率、减少损失热量，在焊接前极少有贯穿全程的焊带固定装置，仅在焊接完成的末尾，为避免焊带在锡凝固前翘起，会有冷却压块压住电池片上的焊带，直至锡层由液态变为固态。焊头和冷却压块行程均由气缸控制，焊头下压的时间称为焊接时间，冷却压块下压的时间称为冷却时间。

图1　焊接单元局部图(此为焊接状态)

3　造成虚焊的原因

3.1材料对虚焊的影响

1)焊带。串焊机对焊带最主要的要求为不出现扭拧。焊带扭拧现象多出现于焊带厂生产时的收卷和运输过程中，表现为整卷焊带边缘处向下凹，这部分焊带排布至电池片上时与电池片呈一定角度，导致焊头下压时无法克服其扭力而产生虚焊。

图2　因边缘处下凹而出现扭拧的焊带

2)电池片。电池片的问题归根结底是浆料的问题。电池片正背面往往采用不同型号甚至不同品牌的浆料，由于成分 (主要是银)的含量不同，电池片正面和背面的最佳焊接温度、焊接强度、工艺窗口均存在差别。有些浆料在温度高的情况下在焊接前就被氧化，从而导致虚焊。此现象多出现于电池片背电极，因含银量较少，且背面浆料门槛低，各厂家质量良莠不齐。

3)助焊剂。接触式串焊机对助焊剂的要求比红外式串焊机高很多。以笔者所用的SOMONT串焊机为例，厂家推荐的助焊剂只有Kester 952S一种，这款产品是主要用于半导体行业的助焊剂，其价格比国内主流助焊剂高近50%。

国产助焊剂虽可以使用，但问题较多，主要影响其在接触式串焊机上应用的因素是焊接后的残留量较大。因为在接触式焊接过程中，助焊剂残留物会附着在焊头上，堆积过多会严重影响热传导效率，导致虚焊产生。

3.2工艺参数对虚焊的影响

1)焊接时间。焊接时间在一定程度上决定涂锡层能否充分熔化从而得到最佳的流动性，使锡流动到两个焊头中间。焊接时间越长则涂锡层流动越充分，越不容易出现虚焊，但会造成过焊、电池片翘曲度大等问题。焊接时间因材料不同而在700～1200 ms之间浮动。根据笔者经验，此焊接时间可按以下方法确定；当焊头压在电池片上，肉眼观察到焊锡熔化流动后再持续0.5 s，在此时间基础上再进行微调。

判断因焊接时间不足而产生虚焊的方法非常简单：剥离电池片上的焊带后观察电池片主栅线，若主栅线上的焊点断断续续且呈点状分布，位置与焊头位置相符，焊点处强度也足够，则证明焊接时间不足。

2)正面焊接温度(焊头温度)。正面焊接温度直接决定正面主栅的焊接质量。焊接温度过低，不能使锡层充分熔化，会产生虚焊；焊接温度过高，则可能造成过焊。

常用的60Sn-40Pb成分的锡层，熔化温度在180～190 ℃之间，串焊机的设置温度要比其约高55 ℃，即235～245 ℃。

如果电池片正面和主栅线完全未焊住，或呈点状分布但强度不足，则可判断为是正面焊接温度不足而产生的虚焊。

3)背面焊接温度(底部加热板温度)。背面焊接温度直接决定背面焊接质量，起主要作用的是焊头正下方加热区的温度，其余加热区仅作为预热，对背面焊接质量影响不大(主要是调节电池片翘曲度)。由于背面焊接是依靠正面焊头热量传导至背面使焊带锡层熔化，背面焊接温度的设置值要小于锡层的熔化温度，一般设置在170 ～175 ℃，这样可使正背面焊带锡层熔化基本同步，保证正背面同时焊上。

背面虚焊多数表现为大部分或全部未焊上，很少出现点状虚焊。

3.3机械装置对虚焊的影响

1)焊头。接触式焊接方式中，焊头对电池片的压力非常小，因此，焊头的水平是保证不产生虚焊的重要条件。

如果出现焊带长度方向上一端虚焊且锡未熔化的情况，则需要调整焊头的水平。调整方法厂家会培训，因操作复杂且对其他串焊机借鉴价值不大，本文不再赘述。

2)冷却压块。冷却压块的水平和焊头的水平同等重要，不保持水平都会导致焊带一侧虚焊，但压块不水平导致的虚焊更加隐蔽，且并非100%出现。冷却压块不水平导致的虚焊接表现为：焊带表面与正常焊接效果基本相同，焊带揭开后可见电池片栅线部分位置缺锡或拉力值极低。

3)各焊接单元同步性。焊接单元通过气缸控制焊头和压块，从而进行下压和提升的动作，如果各焊接单元气缸的下压和提升动作不一致，将会导致电池片各栅线的焊接时间或冷却时间不一致，从而出现虚焊。

4　发生虚焊时的调整方法

4.1准备工作

排除原材料质量问题和串焊机机械装置问题。

4.2正面虚焊调整方法

因电池片两面的焊带锡层相同，且正面温度比背面温度高，因此一旦正面出现虚焊，背面几乎100%也出现虚焊。

虚焊出现后调节的方法有两种：提高正面焊接温度或增加焊接时间；前者影响焊带锡层的熔化时间，后者影响锡在主栅线上的扩散程度，二者相辅相成。

图3为在不考虑背面焊接质量并维持背面焊接温度不变(175℃)的情况下，达到合格焊接强度时，最低焊接时间和正面焊接温度的对应图。由图3可知，236 ℃与238 ℃对应的焊接时间相差较大，此时影响焊接强度的主要因素为锡的熔化时间；238～242 ℃之间近似为线性，此时增大温度可有效缩短焊接时间，表明温度已足够使锡层熔化并在一段时间后具有足够的流动性，以达到需要的焊接强度；当温度从242 ℃变化至244 ℃时，增大温度对缩短焊接时间的影响开始变小；而从244 ℃变化至246 ℃时，焊接时间缩短很少，此时锡熔化后的扩散时间成为影响焊接时间的主要因素。

图3　正面焊接温度与焊接时间对应图

此实验是未考虑其他因素的极限实验。在生产中，还要综合考虑背面焊接质量、产能、翘曲度等其他指标，实际可选择的参数范围仅为240～244 ℃区间。

4.3背面虚焊调整方法

背面焊接质量同时受正面焊接温度、背面焊接温度、焊接时间三者影响。调节方法一般为：先按本文“正面虚焊调整方法”确定满足正面焊接强度的温度范围与对应的焊接时间范围；调试背面焊接效果时，固定一个较高的焊接温度，调整焊接温度和背面焊接时间(焊接时间只能增加)，做出与图3类似的“背面焊接温度-焊接时间”曲线图，将此图与图3进行综合分析，找出可能合适的参数再继续进行细化实验，或在新的正面焊接温度下重复进行以上调试过程。