高志方

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

光伏組件關鍵焊接技術研究

高志方

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

紅外焊接是光伏組件生產中的關鍵工藝技術，在保證產品質量的前提下，為了進一步提高焊接效率，引入了一種多段式加熱方法提高了焊接起始溫度，縮短了焊接周期，也大幅改善了因溫度急劇提升帶來的電池片隱裂現象，提高了設備的性能和生產效率。

紅外焊接；電池組件；PLC控制系統

紅外焊接是光伏電池串聯焊接設備一種新型的非接觸式焊接技術。因具有優(yōu)異的溫控快速響應性能和穩(wěn)定性能，以及焊接后電池串產品的質量穩(wěn)定可靠、焊接效率高等優(yōu)勢，近年來紅外焊接技術得以飛速發(fā)展并逐漸取代舊式的接觸式焊接方式（如滾輪壓焊接、熱風焊接、電磁感應焊接等）[1]。

紅外線是一種電滋波，電流在通過以特殊材料制成的加熱管的加熱絲時，加熱管會輻射出一定波長的紅外線，紅外線被物體吸收時物體即被加熱。紅外輻射的熱慣性極小而熱效率很高，利用短波、中波紅外輻射技術，可以對工件進行高密度、高能量、高強度地加熱，以達到提高加熱效率、縮短加熱時間、節(jié)約能源消耗、降低投資額度、減少環(huán)境污染的目的，這就是工業(yè)界所說的高紅外輻射加熱技術[2]。

1 光伏電池組件生產工藝流程

電池片和焊帶通過焊接機特定的機械結構進行疊放、對位準確后，再經傳送帶傳送至焊接工位。紅外焊頭按照預設的工藝參數執(zhí)行焊接作業(yè)，實現電池片與焊帶的全自動焊接，如此循環(huán)傳送、焊接程序便將電池片串聯成串。焊接好的電池串再經過串并聯、組框封裝等工藝，便成為用于光伏電站建設的電池組件單元[3]。圖1為光伏電池組件生產工藝流程簡圖。

圖1 光伏電池組件生產工藝流程圖

2 控制系統硬件設計

電池片與焊帶的焊接采用紅外加熱管加熱焊接方式，采用全閉環(huán)的控制系統設計。根據紅外測溫傳感器的實時反饋數據和工藝設定的溫控參數，PLC系統經由可控硅對紅外加熱管實現即時、準確的功率輸出控制。充分利用數據輸出和數據采集單元、雙向可控硅、紅外加熱管以及紅外測溫傳感器的高速響應特點，實現系統的快速響應和焊接溫度穩(wěn)定、準確的效果[4]。

圖2為紅外焊接加熱器控制原理圖。

紅外線以光的速度傳播，攜帶很高的能量，不同波長的紅外線輻射強度也不同，根據被加熱物體的特性和工藝要求選擇適當波長的紅外線對焊點進行輻射加熱來完成焊接工作。

由于短波（波長0.76～1.6 μm）輻射功率大、穿透力強，輻射主要集中于目標并提供高效熱能，可以在幾秒內迅速達到滿負荷工作強度，所以短波輻射加熱光源非常適合本項目需要快速停止和啟動的工藝流程。

圖2 紅外焊接加熱器原理圖

3 控制程序

全自動焊接設備應用于光伏電池組件生產中，將光伏電池片焊接成電池串。在工業(yè)化大生產中，設備的生產效率一直是市場競爭的一個重要參照指標。如何能最大可能地壓縮生產時間，提升整機效率，一直是我們努力的方向。

經過認真分析工藝和在設備上反復操作實驗，通過焊接時序的調整和程序結構優(yōu)化，采用多段式溫度控制實現產品的提質增效。

如表1所示，新式某型焊接機引入焊接預處理方法，具體時序如圖3所示。舊式某型焊接機由待機溫度直接加熱至焊接溫度并保持一段時間，然后逐漸降至待機溫度，整個焊接周期為2.2 s。

表1 溫度控制方式對比

新式某型焊接機預先從待機溫度加熱至預處理溫度，在焊接程序中由預熱溫度再加熱至焊接溫度并持續(xù)一段時間，然后逐漸降至待機溫度。由于加熱起始溫度的提高，縮短了溫度上升時間，整個焊接周期可以縮至為2.0 s。

①電池片傳送周期，在此動作過程的同時對電池片進行預熱（預熱功率輸出參數⑤），為電池片傳送過程中的提供了合適的預熱，提高了焊接時電池片的起始溫度，從而縮短了焊接周期，同時也降低了焊接周期內因溫度的急劇升溫帶來的裂片問題。

圖3 紅外焊接工藝參數設置

④“待機功率P1”指紅外焊接單元在非焊接周期（即系統待機周期③）控制加熱管輸出的功率百分比。

⑥“設定溫度C”是焊接時對電池片加熱的目標溫度，“焊接基準功率”指焊接單元在焊接周期②時進行焊接所輸出的基準功率百分比。控制系統根據這兩個主要參數和以“上升時間”、“保持時間”、“下降時間”參數定義的溫度變化曲線要求對加熱單元實時調整功率補償系數，進而使實際的溫度變化曲線滿足生產工藝要求。

圖4為紅外焊接加熱器控制時序圖。整個控制過程由焊接初始化程序、加熱預處理控制程序、焊接程序組成，依照設備的不同運行周期調用相應的程序執(zhí)行焊接作業(yè)。

圖4 紅外焊接控制原理原理圖

4 總 結

綜上，采用多段式加熱的方法提高起始溫度，縮短了升溫時間，在保證焊接溫度保持時間不變的情況下，一個焊接周期縮短了0.2 s。更主要的是焊接時序的優(yōu)化大幅改善了因溫度急劇提升帶來的電池片隱裂現象，提高了設備的性能和生產效率，提高了設備的市場競爭力，也為用戶帶來質量和經濟效益的提升。

[1] 朱鵬凱.多晶硅電池焊接技術的研究及發(fā)展方向[J].消費電子，2013，(10)：34.

[2] 褚治德，汪健生，孟憲玲.紅外加熱輻射的基本理論與實踐研究[A].第十三屆全國紅外加熱暨紅外醫(yī)學發(fā)展研討會[C].宜昌：中國光學學會紅外與光電器件專業(yè)委員會、中國光學光電子行業(yè)協會紅外分會、中國電子學會量子電子學與光電子學分會，2011.

[3] 尹堯.太陽能電池組件生產廠房的工藝設計[J].建筑工程技術與設計，2014，(15)：64.

[4] 麻勝南.晶體硅太陽能電池片自動焊接關鍵技術的研究[D].廊坊：河北工業(yè)大學，2013.

Research on Key Welding Technology of PV Module

GAO Zhifang

(The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China)

Infrared welding is the key technology in the production of PV modules.In order to further improve the welding efficiency，a multi-stage welding method is introduced to improve the welding initiation temperature in this paper.Use this method，the welding cycle is shorten，and the cracking of the battery chip caused is improved by the sharp increase of the temperature and improve the performance and production efficiency of the equipment.Equipment market competitiveness.

Infrared welding；Battery module；PLC control system

TG44

A

1004-4507(2017)03-0016-03

高志方（1972-），女，畢業(yè)于太原科技大學，工程師，主要從事電子專用設備技術研究工作。

2017-03-16