串焊機焊頭冷卻改造方法研究

劉攀，劉丹，王鑫

（1.山西潞安太陽能科技有限責任公司，山西 長治 046000；2.北京北方車輛集團有限公司，北京 100072）

0 引言

串焊機是制作光伏組件的重要設備，焊頭是焊接機的核心部位，其主要功能[1]為：在焊帶和電池片柵線周圍產生交變的磁場，使處于磁場當中的焊帶及電池片柵線產生渦電流，從而使焊帶和電池片柵線產生熱量，將焊帶融化并與電池片柵線上的銀漿融合，通過冷卻達到將焊帶焊接到電池片上的目的[2]。連續生產過程中由于焊頭部位散熱不良，持續出現由于散熱不良導致的焊頭變壓器、電路板燒壞的現象[3]。在車間未改造前1個月焊頭變壓器被燒壞20～30塊，焊頭電路板被燒壞3～4塊，導致焊接機設備停機故障，嚴重影響車間生產效益。本文針對此現象提出有效改進措施，以便為后續發生類似問題提供參考。

1 焊接機工作原理

1.1 設備原理及功能

串焊機設備工作原理[4-5]是利用機械傳動機構進行電池片搬送，在加熱底板上利用熱風管的高溫氣體對電池片進行焊接。串焊機主要用途是：AB兩側可獨立運行，把電池片吹分開，經過檢測矯正后，放置于傳輸帶上，然后根據要求，在紅外線照射下，用焊帶電池片焊接成串，實現從電池片上料到電池串出料的全自動加工。

1.2 設備技術要求

設備要求焊帶規格為9柵，焊帶直徑范圍為0.3～0.45 mm（±0.05 mm），隨機配?0.35 mm規格；焊絲外觀要求：表面無漏銅、錫珠、黑斑、傷痕和超過允許偏差的錫渣等缺陷，涂層同心度一致，表面呈光亮金屬色，收卷排線平整均勻。焊接方式為紅外線焊接，助焊劑為焊帶浸泡式。焊接底板有預熱功能，焊接溫度可調，上料方式為電池片堆疊式，可暫放3個以上的承載盒。機器人為雅馬哈四軸機器人，串焊機自帶保養提醒功能，AB側可獨立設定保養周期。焊帶供料預留到共12個焊帶盤位置，最大焊帶盤質量為12 kg/盤，可兼容不同焊帶廠家的卷盤裝置。焊帶用完，串焊機自動結束當前串，并具有提示更換焊帶的功能。下料電池片串由輸送帶送至串焊機尾部。

1.3 電磁焊頭功能及原理

串焊機電磁焊頭的主要功能為[6-7]：在焊帶和電池片柵線周圍產生交變的磁場，使處于磁場當中的焊帶及電池片柵線產生渦電流，從而使焊帶和電池片柵線產生熱量，將焊帶融化并與電池片柵線上的銀漿融合，通過冷卻達到將焊帶焊接到電池片上的目的。電磁焊頭結構如圖1所示。

圖1 電磁焊頭結構圖

2 焊頭散熱不良引發的設備故障

由于焊接機焊頭長期工作在交變磁場作用下，渦電流產生的高溫極易燒壞焊頭變壓器、電路板，造成現場設備故障停機，影響車間正常生產?，F場焊接機焊頭部位散熱不足，大量高溫堆積后將焊頭電路板燒壞，焊接機每塊電路板都帶有程序，電路板和變壓器的購買價格昂貴，且電路板更換后被燒壞的可能性依舊較大。車間現場焊頭散熱不良引發的設備故障現象如圖2和圖3所示。

圖2 焊頭變壓器不良對比圖

圖3 焊頭電路板不良對比圖

3 焊頭冷卻改造的技術方案

3.1 單螺紋連接改為雙螺紋連接

將焊頭變壓器連接由單螺紋連接更換為雙螺紋連接，如圖4所示。雙螺紋連接可以增加其接觸面積，相當于增大其導電面積，根據電阻公式R=ρL/s，密度ρ和長度L不變的情況下，導電面積s增大后，電阻R減??；根據發熱量公式Q=I2RT，電流I和時間T不變的情況下，電阻R減小后，焊頭變壓器發熱量Q減少。方案實施后，焊頭變壓器散熱比此前有所提高，但是仍舊出現焊頭變壓器、電路板被燒壞的現象。

圖4 雙螺紋連接圖

3.2 增加冷卻管

考慮到現有冷卻管數量不足，采取增加冷卻管的措施，如圖5所示。正常運行狀態下，冷卻管跟隨機器不停地往焊頭上吹氣、持續降低焊頭溫度，經過實際驗證，可有效降低焊頭變壓器、電路板燒壞比例。

圖5 增加冷卻管圖

3.3 更改冷卻方式

水冷是通過冷卻液把熱量帶走，保持了熱源接觸處的溫差，提升了導熱效率，而且由于水的比熱容高，升溫慢，吸熱能力強[8]，再加上水是流動的，主動提升了交換速度，所以水冷要比風冷效果好，故將焊頭冷卻方式改為液體冷卻。經過實際驗證，焊頭散熱得到很大提升。焊頭冷卻方式對比如圖6所示。

圖6 焊頭冷卻方式對比圖

3.4 增加排煙風機

由于設備高溫焊接后產生白色顆粒煙霧，容易附著于焊頭部位，影響焊接機焊頭溫度，間接導致高溫燒壞電路板故障。增加焊頭處的排煙風機，正常運行狀態下風機轉動，高溫白煙經過風扇吹走，可以有效降低焊頭溫度，如圖7所示。

圖7 增加排煙風機圖

經過以上技術方案的改進，目前焊接機運行1個月內未出現變壓器、電路板被燒壞的現象。

4 改造后故障率和效益分析

4.1 焊頭改造后故障率對比分析

如圖8所示，通過焊頭改造后故障率對比分析可以看出：焊頭變壓器和焊頭電路板燒壞個數明顯減少，焊接機焊頭故障率呈直線下降趨勢。

圖8 改造后故障率對比分析圖

4.2 焊頭改造后的綜合效益

1）生產效益。由于電路板價格昂貴，車間檢修儲存的電路板配件有限，再加上生產過程中的電路板持續性頻繁燒壞，造成現場設備停機等待電路板現象。焊接機是制作組件工藝的第一個流程，焊接機出現停機故障后，車間生產數量降低，不能按時完成客戶訂單要求。

2）經濟效益。經過改造后的焊接機不再出現燒壞電路板現象，設備故障率明顯降低，購買帶程序的每塊電路板約需4000～5000 元，購買每塊變壓器價格需800～1500元，經過設備改造后，平均每月節省2.5 萬元的設備零配件費用。焊頭改造后經濟效益分析如圖9所示。

圖9 改造后經濟效益分析圖

5 結語

本文將焊頭與變壓器連接由單螺紋改為雙螺紋連接，在焊頭變壓器上增加冷卻管，在焊頭上增加排煙風機，更換焊頭冷卻方式，通過這些措施降低了焊頭變壓器、電路板燒壞比例，提高了光伏組件的生產效率和焊接質量。