太陽能電池焊接工藝改進及全自動焊機的介紹

施學斌

(蘇州大學，蘇州 215131)

0 引言

太陽能發電有著眾多的優點：太陽能資源取之不盡，光伏發電無污染，無輻射，無噪聲，綠色環保，無需消耗燃料及資源。在能源日益緊張的趨勢下，在大氣污染越來越嚴重的情況下，使用太陽能等清潔可再生能源，是未來的良好選擇。

1 太陽能電池組件的生產流程

太陽能電池組件（也叫太陽能電池板）是太陽能發電系統中的核心部分，也是太陽能發電系統中最重要的部分。其作用是將太陽能轉化為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。由于單片太陽能電池片在接受陽光照射時，產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、并聯連接和嚴密封裝成組件。

太陽能電池組件常用的生產流程如下：

電池檢測、正面焊接、檢驗、背面串聯焊接、檢驗、排版（玻璃鋪設、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、高壓測試、組件測試、外觀檢驗以及包裝入庫[1]。

2 電池片傳統焊接法及其局限性

在太陽能組件的制造流程中，電池片的正面焊接和背面串聯焊接的質量非常重要。這是因為太陽能光伏組件的設計壽命通常為25年左右，而組件通常都安裝在戶外，每天要承受幾十攝氏度的的溫度變化。由于焊帶基材為純銅，銅的膨脹系數約為硅（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受力。因此不良的焊接會導致組件功率降低，嚴重時導致失效[2]。

在太陽能電池片焊接方面，國內大多數廠家主要是以手工焊接的方式完成的，焊接流程如下：

首先進行正面焊接，將匯流帶焊接到電池正面（負極）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，在一定溫度下實行焊接。

正面焊接完成后，進行背面串接。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應，槽的位置可以準確保證電池片的相對位置。將完成正面焊接的電池片準確放置在模板的凹槽內。操作者使用電烙鐵和焊錫絲將“前面電池片”的正面電極（負極）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極焊接出引線。

采用手工焊接有一定的局限性，容易導致一些焊接不良現象的發生，引起焊接不良的原因主要有下列兩個方面：

1）個人因素的影響

人員的技術水平直接影響到焊接質量。例如，焊臺的溫度和電烙鐵溫度的設置是否準確、助焊劑的涂布情況是否良好。焊接時施力是否合適，施力過大，易造成電池片的破裂。焊接速度是否合適，焊接速度過快，容易出現虛焊，焊接速度過慢，則容易出現過焊。除此之外，人員的注意力，甚至是心理狀況都會影響到焊接效果。

2）工藝的局限性

手工焊接時，電池片正面焊接與背面串接只能分別完成，這樣，電池片會受熱變形兩次。在單片焊接時，因為只有正面的焊帶，焊接后電池片兩面的應力不同導致電池片彎曲變形，串聯焊接電池片同樣會受到彎曲變形，大大增加了電池片隱裂發生的機率。

此外，電池片的焊接溫度一般在350℃左右。焊接時，如果電池片本體的溫度與焊接溫度相差過大，也會增加電池片破裂發生的機率。因而，在焊接前，一般需要對電池片進行預熱，使電池片的溫度與焊接溫度盡可能接近。但由于人工焊接時操作人員需手工接觸電池片，因而預熱的溫度并不能過高，否則人員無法忍受。

圖1 全自動焊機

3 焊接工藝改進及全自動焊接設備的介紹

為了提高焊接質量，必須改進焊接工藝。理想的焊接工藝是將電池片的正面焊接和背面串聯焊接同步進行，從而達到減少熱變形的目的，并且，盡量在焊接前提高電池片的預熱溫度，焊接完成后降低電池片的冷卻速度。要實施這樣的焊接，必須借助于自動化焊接設備。

目前，國內少數太陽能組件生產廠家在部分生產線上引進了國外的全自動焊接設備，這些設備的使用，提高了質量和生產效率。但這類設備技術被別人壟斷，價格昂貴。國內，僅有極少數廠家著手研發相關設備，尚未推廣開來。

因此，開發具有自主知識產權的太陽能電池全自動焊接設備，提高光伏組件的制造質量，成為當務之急。

下面介紹一種自主開發的太陽能電池全自動焊接機。

該焊機主要由下列部分組成：電池片傳輸裝置、電池片搬運機械手、電池片圖像處理系統、焊帶切斷裝置、焊接裝置以及電池串翻轉機構等，如圖1所示。

自動焊接工作流程如下：

1）電池片傳輸及初次預熱

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過初次預熱，初次預熱是采用燈管預熱。

2）電池片圖像檢測

電池片搬運機械手3端部配有橡膠吸盤，利用真空吸緊的原理吸取電池片，將電池片移送至檢測位置，進行CCD圖像檢測[3]。主要檢測電池片是否有缺角、崩邊、隱裂、柵線長度是否符合要求等。將有缺限的電池片拾取至相應的容器內。

3）電池片放置定位

電池片搬運機械手3將經圖象檢測合格的電池片，進行位置檢查并校正后，準確放置到輸送線上。

4）噴涂助焊劑

助焊劑通過噴涂裝置上的噴嘴，準確噴涂至電池片上下兩面的主柵線上。

5）電池片再預熱

電池片在輸送線上再經過第二次、第三次預熱，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，從而降低焊接時破片率的發生。

6）焊帶裁切與鋪設

機械夾爪將焊帶拉直，經焊帶切斷裝置裁切后準確地放置在電池片相應的主柵線上。

7）電池片焊接

電池片焊接有電磁感應焊接和紅外焊接兩種方式，可根據需要進行選擇。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，電磁接頭下降產生磁場并加熱焊帶及電池片正反面主柵線，在電池片正反面同時施焊。

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，焊接溫度可監控并實時調整，從而使溫度保持一個相對比較穩定的數值。

8）焊后緩冷

電池片焊接完成后，輸送到緩降溫區，實行分步冷卻的措施使電池片溫度逐步下降。這是因為焊接完成后，如果冷卻速度過快，就會產生內應力，同樣會增加缺限發生的機率。

9）電池串翻面及移送。

因為本焊機焊接完成后電池片的正面是向上的，因而設計了電池片的翻轉機構。翻轉機構7利用真空吸嘴將焊接后的電池串吸起，翻轉180度。同時，電池串移送機械手8前端移至翻轉后的電池串上方，利用其端部的真空吸嘴吸起電池串，移至電池串檢測臺，進行檢測。檢測合格的電池串再由電池串移送機械手8搬運到排版臺自動排版。不合格的電池串則送至返修料臺進行返修。為減少環境溫度對電池串的影響，擺放電池串的工作臺均為保溫工作臺。

該焊機的主要優點：

采用先進的圖像識別技術，進行電池片的篩選。正面焊接和背面串接同步進行，使電池片在焊接時只受熱一次，減少了焊接缺限的發生。采用了焊前預熱、焊后緩冷的方式，有效避免了因升溫和降溫過快可能帶來的焊接缺限。

實踐證明，該焊機焊接性能良好，破片率小于0. 3% 。

4 結論

對先進生產工藝的需求催生了先進設備，全自動焊機使先進的焊接工藝得以實施，將正面焊接和背面串聯焊接合并成了一道工序，在正面和背面同時施焊，使電池片在焊接時只受熱一次。并且考慮了焊前預熱和焊后緩冷的問題，從而減少了隱裂發生的機率。同時，全自動焊接還具備下列功能：電池片的自動供給、電池片的自動篩選和拾取、焊帶的自動供給和切斷、助焊劑的自動涂抹、自動施焊等。

焊接工藝的改進和全自動焊機的使用不僅確保了焊接質量，而且提高了生產效率，為優質太陽能組件的制造提供了保障。

[1] 馬強.太陽能晶體硅電池組件生產實務[M].北京:機械工業出版社,2013(2).

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

[3] 謝存禧,張鐵.機器人技術及其應用[M].機械工業出版社,2012(1).