接觸式串焊機虛焊的成因、判別及調整方法

■ 劉建達宋志成 高鵬

中電投西安太陽能電力有限公司

接觸式串焊機虛焊的成因、判別及調整方法

■ 劉建達*宋志成 高鵬

中電投西安太陽能電力有限公司

介紹了接觸式串焊機的焊接特點，說明了導致虛焊的多種原因及對應的判別方法，并給出了虛焊的調整方法。

光伏組件；接觸式串焊機；虛焊

0　引言

目前，自動串焊機已成為光伏行業組件生產線的標配，相對傳統的人工單焊和串焊工序，自動串焊機具有占地少、節省人員、質量穩定等優點。串焊機因焊接方式的不同可分為紅外串焊機、接觸式串焊機、激光串焊機、電磁串焊機等。

在國產串焊機尚未起步的年代，TT紅外串焊機與SOMONT接觸式串焊機占據了國內自動串焊機市場的絕大部分份額。而后在組件自動線國產化的趨勢下，因接觸式焊接技術較難以仿制、SOMONT串焊機對維護人員水平要求較高、國外服務實時性差等多種原因，接觸式串焊機逐漸淡出主流市場，紅外串焊機成為目前市場的主流。

盡管如此，SOMONT串焊機仍不失為一臺優秀的串焊機。但相比主流的紅外串焊機，接觸式串焊機焊接單元為純機械結構，且結構復雜，串焊機上常見的露白、虛焊等不良現象的調節難度更大，步驟更為繁瑣。筆者根據多年的串焊機調試經驗，以調試最為復雜的SOMONT串焊機為例，在本文中對接觸式串焊機出現虛焊現象的成因、判別和調整方法進行了詳細的說明。

1　接觸式焊接的工作原理

接觸式焊接與手工焊接方式十分接近，都是用焊頭接觸焊帶，利用熱傳導使焊帶的錫層熔化，完成與電池片正面主柵線的焊接。不同于手工焊接正、背面分開焊接的方式，串焊機里正面、背面焊接是同時完成的，電池片正面焊頭熱量傳導至背面，使本已預熱在較高溫度下的背面焊帶錫層熔化，從而完成焊接。

2　焊接單元結構和焊接過程說明

接觸式串焊機有多排焊頭，每排內包含十幾個焊頭，焊頭的排數與電池片主柵線數量相同。因接觸式焊接的加熱面積和熱容量不如紅外式焊接，為保證熱傳導速率、減少損失熱量，在焊接前極少有貫穿全程的焊帶固定裝置，僅在焊接完成的末尾，為避免焊帶在錫凝固前翹起，會有冷卻壓塊壓住電池片上的焊帶，直至錫層由液態變為固態。焊頭和冷卻壓塊行程均由氣缸控制，焊頭下壓的時間稱為焊接時間，冷卻壓塊下壓的時間稱為冷卻時間。

圖1　焊接單元局部圖(此為焊接狀態)

3　造成虛焊的原因

3.1材料對虛焊的影響

1)焊帶。串焊機對焊帶最主要的要求為不出現扭擰。焊帶扭擰現象多出現于焊帶廠生產時的收卷和運輸過程中，表現為整卷焊帶邊緣處向下凹，這部分焊帶排布至電池片上時與電池片呈一定角度，導致焊頭下壓時無法克服其扭力而產生虛焊。

圖2　因邊緣處下凹而出現扭擰的焊帶

2)電池片。電池片的問題歸根結底是漿料的問題。電池片正背面往往采用不同型號甚至不同品牌的漿料，由于成分 (主要是銀)的含量不同，電池片正面和背面的最佳焊接溫度、焊接強度、工藝窗口均存在差別。有些漿料在溫度高的情況下在焊接前就被氧化，從而導致虛焊。此現象多出現于電池片背電極，因含銀量較少，且背面漿料門檻低，各廠家質量良莠不齊。

3)助焊劑。接觸式串焊機對助焊劑的要求比紅外式串焊機高很多。以筆者所用的SOMONT串焊機為例，廠家推薦的助焊劑只有Kester 952S一種，這款產品是主要用于半導體行業的助焊劑，其價格比國內主流助焊劑高近50%。

國產助焊劑雖可以使用，但問題較多，主要影響其在接觸式串焊機上應用的因素是焊接后的殘留量較大。因為在接觸式焊接過程中，助焊劑殘留物會附著在焊頭上，堆積過多會嚴重影響熱傳導效率，導致虛焊產生。

3.2工藝參數對虛焊的影響

1)焊接時間。焊接時間在一定程度上決定涂錫層能否充分熔化從而得到最佳的流動性，使錫流動到兩個焊頭中間。焊接時間越長則涂錫層流動越充分，越不容易出現虛焊，但會造成過焊、電池片翹曲度大等問題。焊接時間因材料不同而在700～1200 ms之間浮動。根據筆者經驗，此焊接時間可按以下方法確定；當焊頭壓在電池片上，肉眼觀察到焊錫熔化流動后再持續0.5 s，在此時間基礎上再進行微調。

判斷因焊接時間不足而產生虛焊的方法非常簡單：剝離電池片上的焊帶后觀察電池片主柵線，若主柵線上的焊點斷斷續續且呈點狀分布，位置與焊頭位置相符，焊點處強度也足夠，則證明焊接時間不足。

2)正面焊接溫度(焊頭溫度)。正面焊接溫度直接決定正面主柵的焊接質量。焊接溫度過低，不能使錫層充分熔化，會產生虛焊；焊接溫度過高，則可能造成過焊。

常用的60Sn-40Pb成分的錫層，熔化溫度在180～190 ℃之間，串焊機的設置溫度要比其約高55 ℃，即235～245 ℃。

如果電池片正面和主柵線完全未焊住，或呈點狀分布但強度不足，則可判斷為是正面焊接溫度不足而產生的虛焊。

3)背面焊接溫度(底部加熱板溫度)。背面焊接溫度直接決定背面焊接質量，起主要作用的是焊頭正下方加熱區的溫度，其余加熱區僅作為預熱，對背面焊接質量影響不大(主要是調節電池片翹曲度)。由于背面焊接是依靠正面焊頭熱量傳導至背面使焊帶錫層熔化，背面焊接溫度的設置值要小于錫層的熔化溫度，一般設置在170 ～175 ℃，這樣可使正背面焊帶錫層熔化基本同步，保證正背面同時焊上。

背面虛焊多數表現為大部分或全部未焊上，很少出現點狀虛焊。

3.3機械裝置對虛焊的影響

1)焊頭。接觸式焊接方式中，焊頭對電池片的壓力非常小，因此，焊頭的水平是保證不產生虛焊的重要條件。

如果出現焊帶長度方向上一端虛焊且錫未熔化的情況，則需要調整焊頭的水平。調整方法廠家會培訓，因操作復雜且對其他串焊機借鑒價值不大，本文不再贅述。

2)冷卻壓塊。冷卻壓塊的水平和焊頭的水平同等重要，不保持水平都會導致焊帶一側虛焊，但壓塊不水平導致的虛焊更加隱蔽，且并非100%出現。冷卻壓塊不水平導致的虛焊接表現為：焊帶表面與正常焊接效果基本相同，焊帶揭開后可見電池片柵線部分位置缺錫或拉力值極低。

3)各焊接單元同步性。焊接單元通過氣缸控制焊頭和壓塊，從而進行下壓和提升的動作，如果各焊接單元氣缸的下壓和提升動作不一致，將會導致電池片各柵線的焊接時間或冷卻時間不一致，從而出現虛焊。

4　發生虛焊時的調整方法

4.1準備工作

排除原材料質量問題和串焊機機械裝置問題。

4.2正面虛焊調整方法

因電池片兩面的焊帶錫層相同，且正面溫度比背面溫度高，因此一旦正面出現虛焊，背面幾乎100%也出現虛焊。

虛焊出現后調節的方法有兩種：提高正面焊接溫度或增加焊接時間；前者影響焊帶錫層的熔化時間，后者影響錫在主柵線上的擴散程度，二者相輔相成。

圖3為在不考慮背面焊接質量并維持背面焊接溫度不變(175℃)的情況下，達到合格焊接強度時，最低焊接時間和正面焊接溫度的對應圖。由圖3可知，236 ℃與238 ℃對應的焊接時間相差較大，此時影響焊接強度的主要因素為錫的熔化時間；238～242 ℃之間近似為線性，此時增大溫度可有效縮短焊接時間，表明溫度已足夠使錫層熔化并在一段時間后具有足夠的流動性，以達到需要的焊接強度；當溫度從242 ℃變化至244 ℃時，增大溫度對縮短焊接時間的影響開始變??；而從244 ℃變化至246 ℃時，焊接時間縮短很少，此時錫熔化后的擴散時間成為影響焊接時間的主要因素。

圖3　正面焊接溫度與焊接時間對應圖

此實驗是未考慮其他因素的極限實驗。在生產中，還要綜合考慮背面焊接質量、產能、翹曲度等其他指標，實際可選擇的參數范圍僅為240～244 ℃區間。

4.3背面虛焊調整方法

背面焊接質量同時受正面焊接溫度、背面焊接溫度、焊接時間三者影響。調節方法一般為：先按本文“正面虛焊調整方法”確定滿足正面焊接強度的溫度范圍與對應的焊接時間范圍；調試背面焊接效果時，固定一個較高的焊接溫度，調整焊接溫度和背面焊接時間(焊接時間只能增加)，做出與圖3類似的“背面焊接溫度-焊接時間”曲線圖，將此圖與圖3進行綜合分析，找出可能合適的參數再繼續進行細化實驗，或在新的正面焊接溫度下重復進行以上調試過程。

5　其他與虛焊相關的經驗

5.1溫度相關

串焊機剛開機開始加熱或調整溫度后，溫度在經過數個波峰和波谷后才趨于穩定，所以判斷溫度是否穩定不能以溫度顯示面板的數字為準，而是以溫度曲線穩定為準(一般串焊機軟件會自帶溫度曲線顯示功能)，否則會因溫度過高或過低而導致虛焊。

出于對熱傳導速率的考慮，背面焊接溫度與前一個預熱區的溫度差值不能超過70 ℃，否則電池片背面無法在焊接動作開始前達到預設溫度。

5.2中間停機處理

計劃內停機(如生產維護)時，要先將串焊機內的電池片排空，否則處于預熱區內的電池片會被持續加熱，出現柵線氧化和電池翹曲現象，進而產生虛焊。

如果停機超過20 min，恢復生產時須使用串焊機系統軟件中的“棄焊帶”功能，棄用已涂助焊劑的焊帶，否則焊帶表層的助焊劑會出現粉化現象，導致焊接效果極大幅下降。

5.3焊帶相關

1)焊帶銅基材厚度不同，其導熱速率也不同。銅基材厚度不同的焊帶若要得到相同的焊接效果，其焊接溫度需要進行相應的調整，調整幅度一般不超過±5 ℃。

2)涂錫層厚度越厚，其流動性越好，更加容易焊接。

3)含鉛的焊帶更容易焊接，不含鉛的焊帶焊接溫度一般比含鉛的焊帶高40～50 ℃。

2015-09-02

劉建達(1986—)，男，本科、工程師，主要從事光伏組件工藝及研發。ljdanb@163.com