喬鳳斌，張 松，趙維剛，蔡智亮

(上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245)

0 前言

太陽電池陣制造的可靠性很大程度上決定了航天活動的成敗和航天器的壽命。目前，太陽電池陣組件的電路連接制造主要采用傳統(tǒng)的錫鉛釬焊工藝，采用手工焊接導(dǎo)線、電池組件和元器件；一方面，焊接勞動強(qiáng)度大（一片普通尺寸太陽電池陣就有上千個焊點(diǎn)）、焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定、缺乏焊后檢驗手段；另一方面，太空溫度變化劇烈，含鉛焊點(diǎn)容易發(fā)生低溫脆化從而導(dǎo)致焊點(diǎn)破壞。

舍棄錫鉛釬料而采用電阻點(diǎn)焊的方法，輔以自動化操作，實現(xiàn)太陽電池陣的高效自動化組裝和焊接，將大大提高太陽電池陣焊點(diǎn)的承載能力、極端溫度下的力學(xué)性能、可靠性、導(dǎo)電性等，并且提高太陽電池陣的制造效率[1]。

1 系統(tǒng)原理

太陽電池陣槍式微型電阻焊接系統(tǒng)原理如圖1所示，焊接過程不需要添加釬料，通以瞬時電流將導(dǎo)線或元器件管腳（銅）通過箔片（銀）連接在一起。銅和銀可形成共晶，對高溫和低溫環(huán)境都具有良好的適應(yīng)性，焊點(diǎn)力學(xué)性能優(yōu)異，同時滿足導(dǎo)電性能要求，是目前取代錫鉛軟釬焊的最佳方法[2]。

圖1 焊接原理示意

用自動電阻點(diǎn)焊取代手工錫鉛釬焊能夠?qū)崿F(xiàn)太陽電池陣的高效、可靠、精密焊接生產(chǎn)。焊接過程中，在電極壓力下，焊件發(fā)生塑性變形，從而導(dǎo)致兩個潔凈金屬面之間緊密接觸并熔化，形成熔核，實現(xiàn)在較低溫度下的良好連接且不會燒穿極薄的基底材料。與軟釬焊相比，接頭處的熔點(diǎn)更高，能夠滿足真空環(huán)境的高溫要求。同時具有較高的塑性、強(qiáng)度和抗疲勞性能。

2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要用于太陽電池陣上導(dǎo)線和二極管、電阻等元件的電阻點(diǎn)焊，設(shè)備可以保證焊接質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。

圖2 槍式微型電阻焊接系統(tǒng)

系統(tǒng)由X/Y移動平臺、電阻點(diǎn)焊套件、氣體保護(hù)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。X/Y移動平臺主要實現(xiàn)焊接頭在X、Y向的移動和定位；電阻點(diǎn)焊組合主要實現(xiàn)點(diǎn)焊頭的Z向移動和電阻點(diǎn)焊的具體過程；氣體保護(hù)系統(tǒng)主要實現(xiàn)焊接過程的氬氣保護(hù)；控制系統(tǒng)用于控制焊接的具體過程和焊接參數(shù)的采集。四個系統(tǒng)的連接關(guān)系為：電阻點(diǎn)焊組合安裝在X/Y移動平臺上；氣動系統(tǒng)分布在X/Y移動平臺、電阻點(diǎn)焊組合和控制系統(tǒng)中；控制系統(tǒng)通過伺服部分控制點(diǎn)焊頭X、Y、Z向移動，通過串口控制焊接電源的操作和采集點(diǎn)焊過程參數(shù)，通過PLC的IO口控制氣體保護(hù)系統(tǒng)的開關(guān)。

2.2 X/Y移動平臺

移動平臺設(shè)計成如圖3所示的立式X/Y移動平臺，平臺的工作面與水平面垂直，長梁為X坐標(biāo)方向，短梁為Y坐標(biāo)方向，點(diǎn)焊頭運(yùn)動方向為Z坐標(biāo)方向。系統(tǒng)X/Y向?qū)к壊捎娩X型材導(dǎo)軌，型材導(dǎo)軌定位精度高，安裝方便。系統(tǒng)的上下橫梁上沿著X坐標(biāo)軸各布置1個型材導(dǎo)軌，系統(tǒng)的兩個Y向橫梁上沿著Y坐標(biāo)軸各布置1個型材導(dǎo)軌。

圖3 槍式微型電阻焊接系統(tǒng)X/Y移動平臺

為了解決X/Y移動平臺X坐標(biāo)軸的導(dǎo)軌同步問題，型材導(dǎo)軌采用單電機(jī)驅(qū)動雙導(dǎo)軌方式，通過花鍵將雙導(dǎo)軌的傳動同步起來。由于兩根型材導(dǎo)軌的距離過大，系統(tǒng)采用連軸器進(jìn)行過渡，如圖4所示。

圖4 雙導(dǎo)軌連軸器連接

2.3 電阻點(diǎn)焊套件

電阻點(diǎn)焊套件包括焊接電源、點(diǎn)焊頭、焊接電極等，根據(jù)設(shè)計需要進(jìn)行設(shè)備和功能的集成。

焊接電源有多種特征，目前常用的焊接電源包括：交流式、靜電儲能式、晶體管式和高頻式，根據(jù)被焊物的材質(zhì)、形狀和使用環(huán)境，對比各種電源的特性可知，晶體管式和高頻式的電流輸出最為平穩(wěn)，焊接過程中飛濺最小。

除電源外，焊接電極材料和結(jié)構(gòu)尺寸也是影響設(shè)備焊接能力及焊點(diǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。常用的電極材料包括：純鉬、純鎢、鎢-銅等，綜合考慮電極的高溫耐磨性、電導(dǎo)率特性以及焊接導(dǎo)線的質(zhì)量可靠性，最終選擇了純鉬電極[3]。

2.4 氣體保護(hù)系統(tǒng)

由于焊接溫度很高，容易造成氧化。電極氧化后會增加接觸電阻，影響焊接電流，從而影響焊接質(zhì)量。為了防止電極和焊件氧化，采用氬氣吹氣保護(hù)和冷卻。

氣體保護(hù)系統(tǒng)的原理示意如圖5所示，主要由電磁閥、減壓閥、氬氣瓶、減壓過濾器、氣路（包括柔性軟管吹氣頭）和控制電路（24 V直流電源、PLC的DO口、繼電器、二極管）組成。減壓閥和減壓過濾器控制氣路的壓力大小，電磁閥控制氣路的通斷。軟管吹氣頭的位置根據(jù)需要而定。通過減壓閥和電磁閥調(diào)節(jié)氬氣的吹氣壓力和通斷時序，從而滿足焊接過程冷卻和保護(hù)的需要。

圖5 氣體保護(hù)系統(tǒng)原理示意

3 控制系統(tǒng)

槍式微型焊接控制系統(tǒng)設(shè)有一個控制柜，如圖6所示，設(shè)備的控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)（上位計算機(jī)）、PLC（包括IO模塊、定位模塊、通訊模塊）、手持操作單元（控制盒）、伺服電機(jī)驅(qū)動器、攝像頭、各種執(zhí)行器、傳感器和電源組成，主要實現(xiàn)系統(tǒng)命令的輸入、各種動作信號的產(chǎn)生和各種傳感信號的采集等功能[4]。

工控機(jī)連接PLC和電阻電焊機(jī)，使系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作。平臺運(yùn)動部分采用PLC+交流伺服控制形式，通過使用高速的串行通訊方式，對X、Y軸的伺服電機(jī)實現(xiàn)高速和高精度控制，從而定位電阻點(diǎn)焊頭。通過串口通訊形式，工控機(jī)控制電阻點(diǎn)焊組合進(jìn)入焊接程序，并能顯示每個點(diǎn)焊接過程中的相關(guān)參數(shù)、記錄并保存在工控機(jī)中。

另外，控制系統(tǒng)設(shè)有機(jī)器視覺監(jiān)控，可實時監(jiān)控焊接情況，焊接過程中的焊接時間、焊接電流、觸發(fā)時間、焊接壓力等參數(shù)均可在上位計算機(jī)的人機(jī)交互界面上顯示，如圖7所示，利用串行通訊將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔挥嬎銠C(jī)，上位計算機(jī)將接收到的每個焊接點(diǎn)的焊接參數(shù)進(jìn)行記錄、顯示，并進(jìn)行保存和打印。

圖7 系統(tǒng)軟件主界面

為防止系統(tǒng)運(yùn)行超出行程而損壞設(shè)備，裝有行程開關(guān)，可以檢測X、Y的行程；設(shè)置有一定的閾值，使控制量不會超出該閾值，設(shè)備設(shè)有聲光報警裝置，參數(shù)一旦處于危險域，設(shè)備報警。

4 焊接應(yīng)用分析

4.1 焊接工藝研究

對導(dǎo)線/元器件管腳與銀箔進(jìn)行焊接，經(jīng)過大量焊接試驗并對焊點(diǎn)進(jìn)行拉伸強(qiáng)度試驗和金相分析可知，在一定點(diǎn)焊工藝參數(shù)范圍內(nèi)，采用純Mo電極焊接導(dǎo)線和銀箔能形成滿足質(zhì)量要求的合格焊點(diǎn)：焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度能滿足30 N的設(shè)計要求，且焊點(diǎn)結(jié)合狀態(tài)良好[5]。具體分析規(guī)律如下：

（1）焊接壓力對焊點(diǎn)質(zhì)量及其穩(wěn)定性有重要影響。針對不同的焊件表面狀況，適當(dāng)增加焊接壓力會提高焊點(diǎn)強(qiáng)度、抑制焊接飛濺、改善焊點(diǎn)質(zhì)量，但當(dāng)壓力大于25 N時，焊接壓力的增加對焊點(diǎn)強(qiáng)度的改善作用不明顯，如圖8所示。

圖8 焊接壓力對焊點(diǎn)強(qiáng)度的影響規(guī)律

（2）電極間隙（見圖1）會直接影響到電流密度，從而影響焊點(diǎn)質(zhì)量。經(jīng)驗證，選取最優(yōu)的電極間隙為0.15 mm（0.1～0.2 mm內(nèi)均正常），如圖9所示。

圖9 電極間隙對焊點(diǎn)強(qiáng)度的影響規(guī)律

（3）電極材料及其結(jié)構(gòu)尺寸對焊接窗口和焊點(diǎn)質(zhì)量影響很大，試驗表明：相同焊接參數(shù)下，采用純鉬電極焊接的焊點(diǎn)質(zhì)量及其耐磨性明顯優(yōu)于純鎢電極和鎢銅電極；若在電極端面開一微槽，在一定焊接參數(shù)范圍內(nèi)能明顯提高焊點(diǎn)強(qiáng)度，但同時電極耐磨性明顯下降，且更易發(fā)生飛濺及電極粘連，形成焊點(diǎn)表面毛刺，銀箔易被焊穿，焊點(diǎn)質(zhì)量一致性顯著降低；若電極端面尺寸太小，則焊接操作時定位難度加大，易焊偏[6]。

4.2 焊接效果

通過精確設(shè)置壓力和反饋功能及工藝參數(shù)優(yōu)化，采用快速精確定位施焊，能實現(xiàn)導(dǎo)線、元器件與銀箔的良好焊接，接頭金相組織優(yōu)良，熔合良好；其中，元器件管腳和銀箔的可焊性佳，焊點(diǎn)質(zhì)量高，其可靠拉伸破壞狀態(tài)為銀箔撕裂，如圖10所示。

圖10 元器件管腳+銀箔點(diǎn)焊接頭及其拉伸破壞狀態(tài)

焊接過程中，可利用焊接電源的參數(shù)反饋監(jiān)測功能來監(jiān)測焊接過程的穩(wěn)定性，從而保證焊點(diǎn)質(zhì)量的一致性。由于有效電流均值與電壓、焊區(qū)有效熱量相關(guān)性最大，可通過監(jiān)測電流反饋值的變化是否處于正常的波動范圍來判斷焊接過程是否處于正?？煽氐臓顟B(tài)[7]。

為了更準(zhǔn)確地評估焊點(diǎn)質(zhì)量，對焊點(diǎn)進(jìn)行宏觀金相分析，導(dǎo)線與銀箔的典型焊點(diǎn)金相圖如圖11所示，焊后導(dǎo)線的鍍銀層、銀箔及部分銅導(dǎo)線基體已經(jīng)熔合成一體。二極管與銀箔的典型焊點(diǎn)金相圖如圖12所示，焊點(diǎn)界面結(jié)合緊密，無局部未焊合或虛焊、微裂紋、孔洞等明顯缺陷，焊點(diǎn)綜合性能佳。

5 結(jié)論

圖11 導(dǎo)線與銀箔焊點(diǎn)金相圖

圖12 二極管與銀箔焊點(diǎn)金相圖

使用所研制的太陽電池陣槍式微型電阻焊接系統(tǒng)，所得焊點(diǎn)強(qiáng)度均達(dá)到要求；且焊點(diǎn)表面清晰光滑、無毛刺；無濺射物附著；焊點(diǎn)金相組織熔合良好，且無大量氣孔或空穴存在，焊點(diǎn)綜合質(zhì)量較高。經(jīng)大量試驗驗證和客戶體驗，設(shè)備從結(jié)構(gòu)、電氣、人機(jī)界面等各個方面為焊接提供了強(qiáng)有力的保障，能完全滿足焊點(diǎn)質(zhì)量指標(biāo)要求并保證焊點(diǎn)質(zhì)量的一致性，同時保證整個焊接系統(tǒng)的有序運(yùn)行。對實現(xiàn)太陽電池陣的高效自動化組裝和焊接，提高太陽電池陣焊點(diǎn)的承載能力、極端溫度下的力學(xué)性能、可靠性、導(dǎo)電性等具有重要意義。

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