接線盒內(nèi)焊點(diǎn)失效分析及可靠性模擬計(jì)算

國(guó)家電投集團(tuán)西安太陽(yáng)能電力有限公司 ■ 魏亞楠 苗林 李媛媛 張銀環(huán) 張勤善

0 引言

光伏接線盒的主要作用是將組件產(chǎn)生的電流通過線纜導(dǎo)出，作為光伏組件的重要組成部分，其匯流帶與接線端子焊接是否可靠，直接關(guān)系著光伏組件電流輸出的穩(wěn)定性與連續(xù)性[1]。本文對(duì)光伏電站出現(xiàn)的焊點(diǎn)脫落現(xiàn)象進(jìn)行了分析，確定了影響焊接的主要因素，并通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)方法，得出最優(yōu)的焊接參數(shù)。

1 焊點(diǎn)失效的原因

光伏組件在運(yùn)行一段時(shí)間后，由于熱應(yīng)力等原因會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)脫落，使組件功率下降，影響發(fā)電量。同時(shí)，在脫落的焊點(diǎn)中，部分焊點(diǎn)出現(xiàn)脫開后中間有硅膠殘留的現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 焊點(diǎn)中間夾有硅膠的圖片

高溫焊接時(shí)焊錫與被焊金屬之間會(huì)快速形成一層薄的類似“錫合金”的化合物。此化合物主要是錫原子與被焊金屬原子之間相互結(jié)合、滲入、遷移及擴(kuò)散的結(jié)果，并在冷卻固化后立即出現(xiàn)一層薄薄的化合物；其在后期會(huì)逐漸成長(zhǎng)增厚，主要表現(xiàn)為Cu6Sn5和 Cu3Sn兩種化合物。其中，Cu3Sn的合金結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，表現(xiàn)為焊點(diǎn)表面多孔、較脆，會(huì)影響焊點(diǎn)強(qiáng)度[2]。

表1 Cu6Sn5與Cu3Sn兩種金屬間化合物的結(jié)合層比較

剪下一些因其他原因而報(bào)廢的光伏組件的焊點(diǎn)處，使用拉力測(cè)試儀將焊點(diǎn)拉開后發(fā)現(xiàn)，有的焊點(diǎn)拉力偏小、焊點(diǎn)中間有孔洞，表現(xiàn)為虛焊；有的焊點(diǎn)拉開后焊點(diǎn)表面呈現(xiàn)灰色、多孔的現(xiàn)象，焊接處拉力偏小，表現(xiàn)為過焊。

結(jié)合以上的失效現(xiàn)象及機(jī)理分析后發(fā)現(xiàn)，造成組件焊點(diǎn)脫開的主要原因除焊點(diǎn)虛焊之外，過焊也是主要原因之一。部分焊點(diǎn)因?yàn)楹附訙囟冗^高或焊接時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致合金層變脆、強(qiáng)度下降。

2 焊接參數(shù)優(yōu)化

2.1 模擬試驗(yàn)

為了對(duì)比不同焊接時(shí)間及焊接溫度對(duì)焊接拉力的影響，將接線盒內(nèi)的金屬件取出，模擬焊接制樣。圖2為模擬焊接后測(cè)試的焊接拉力與電阻情況。一組樣品在同一焊接溫度(420 ℃) 下，逐漸延長(zhǎng)焊接時(shí)間制樣，如圖2a所示；一組樣品在同一焊接時(shí)間 (3 s)下，焊接溫度由380 ℃逐漸升溫進(jìn)行焊接，如圖2b所示。

圖2 不同焊接時(shí)間及溫度下的焊接拉力與電阻情況

由圖2可以看出，不同測(cè)試情況下，樣品的電阻都相差不大；同一焊接溫度下，焊接時(shí)間過短或過長(zhǎng)時(shí)，焊接拉力都表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)；同一焊接時(shí)間下，焊接溫度過低或過高，焊接拉力也都表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

分別選取焊接拉力為30.382 N和36.371 N的樣品在掃描電鏡下觀察其剖面結(jié)構(gòu)，如圖3所示?？梢钥闯?，焊接拉力較低的焊點(diǎn)，在初始時(shí)就已表現(xiàn)出裂痕或孔洞。

針對(duì)以上現(xiàn)象，有必要對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行規(guī)范，因此，采用DOE方法來篩選出最優(yōu)的焊接參數(shù)。

圖3 不同焊接拉力時(shí)的樣品剖面圖

2.2 DOE方法

2.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過以上分析可知，焊接拉力受焊接溫度、焊接時(shí)間等因素的影響，通過DOE方法，可以篩選出最優(yōu)的焊接參數(shù)。

2.2.2 試驗(yàn)過程

焊接面積100%接觸、穿孔及加錫焊是保證正常焊接的必要條件，這些可通過規(guī)范操作來實(shí)現(xiàn)，因此本試驗(yàn)中不進(jìn)行討論，本試驗(yàn)中的樣品全部是在滿足以上條件的前提下進(jìn)行焊接的。

本文主要考慮焊接溫度、焊接時(shí)間及按壓時(shí)間對(duì)焊接的影響。根據(jù)表2中的參數(shù)進(jìn)行DOE建模并進(jìn)行分析。

表2 焊接參數(shù)

根據(jù)表2中的參數(shù)進(jìn)行制樣，并使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)以反向180°進(jìn)行焊接拉力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)樣品焊接拉力測(cè)試結(jié)果

2.2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1)焊接拉力的方差分析。根據(jù)表3中焊接拉力測(cè)試的結(jié)果，使用Minitab軟件對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表4所示，以確定試驗(yàn)設(shè)計(jì)是否有效。

根據(jù)DOE方法的判斷規(guī)則，由表4可以看出，P值均小于0.05，說明模型設(shè)計(jì)有效，且主效應(yīng)影響顯著。

2)焊接拉力的影響分析。圖4為焊接拉力的影響分析圖。圖中，A為焊接溫度，℃；B為焊接時(shí)間，s；C為按壓時(shí)間，s。

圖4 焊接拉力的影響分析

表4 焊接拉力的方差分析表

由圖4a可以看出，按壓時(shí)間低于臨界點(diǎn)3.18，說明其對(duì)焊接拉力的影響不大，其余參數(shù)則對(duì)焊接拉力有顯著影響。

圖5 為焊接拉力的主效應(yīng)與交互作用圖。由圖5a可以看出，按壓時(shí)間的回歸線較平，則說明影響不顯著。

圖5 焊接拉力的主效應(yīng)與交互作用圖

3)焊接拉力最優(yōu)參數(shù)選擇。圖6為焊接拉力的等值線圖與曲面圖，圖7 為焊接拉力參數(shù)優(yōu)化圖。

結(jié)合圖6與圖7，并根據(jù)DOE分析結(jié)果可以看出，焊接溫度在430 ℃、焊接時(shí)間為2 s、按壓時(shí)間為2 s時(shí)為最優(yōu)的焊接參數(shù)。

圖6 焊接拉力的等值線圖與曲面圖

圖7 焊接拉力參數(shù)優(yōu)化圖

2.2.4 試驗(yàn)參數(shù)的可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證試驗(yàn)得出的參數(shù)是否可靠，對(duì)根據(jù)DOE方法制作出的參數(shù)焊接樣品進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)[3]，測(cè)試試驗(yàn)完成后的焊接拉力，并觀察合金層結(jié)構(gòu)。具體試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果如表5所示。

由表5可以看出，經(jīng)過以上環(huán)境試驗(yàn)后，焊點(diǎn)的拉力依然維持在60 N以上；且觀察后發(fā)現(xiàn)，剖面結(jié)構(gòu)中間的合金層均勻、無空洞。

2.3 小結(jié)

綜上所述，在保證焊接面積100%達(dá)標(biāo)，焊接時(shí)加錫、穿孔的前提下，使用焊接溫度為430℃、焊接時(shí)間為2 s、按壓時(shí)間為2 s的焊接參數(shù)可保證焊點(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性。

3 焊點(diǎn)中間夾雜硅膠的原因及影響

3.1 硅膠殘留的原因

焊點(diǎn)中間有硅膠，其產(chǎn)生原因主要考慮為在焊點(diǎn)未完全冷卻的情況下，未形成牢固的合金層時(shí)即灌封硅膠，導(dǎo)致硅膠流入焊點(diǎn)。為此，我們進(jìn)行了以下模擬試驗(yàn)以進(jìn)行驗(yàn)證：

表5 環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果匯總

以焊接溫度為430 ℃、焊接時(shí)間為2 s、按壓時(shí)間為2 s的參數(shù)制樣2組，每組4個(gè)樣品。其中，一組在焊接完成后立即放入1#未固化的硅膠中，另一組在完全冷卻后放入2#未固化的硅膠中。完全固化后，將焊點(diǎn)從硅膠中拿出查看，發(fā)現(xiàn)1#盒子中有2個(gè)樣品的焊點(diǎn)中間進(jìn)入了硅膠，如圖8所示。

圖8 焊點(diǎn)夾雜硅膠的試驗(yàn)樣品圖示

3.2 硅膠殘留的影響

焊點(diǎn)中間殘留硅膠主要有以下兩方面的影響：

1)硅膠滲入相當(dāng)于阻礙了Sn原子與被焊金屬原子之間相互結(jié)合、滲入、遷移及擴(kuò)散的通路，使合金層無法形成。

2)硅膠的熱膨脹系數(shù)約為6×10-4/℃，合金層的熱膨脹系數(shù)約為1.7×10-5/℃。若焊點(diǎn)中間夾雜硅膠，由于硅膠的熱膨脹系數(shù)高于合金層，則在溫度不斷變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)脫落。

3.3 小結(jié)

若在焊點(diǎn)未完全冷卻的情況下灌封硅膠，當(dāng)焊點(diǎn)中間的合金層未完全固化時(shí)，焊點(diǎn)中間有進(jìn)入硅膠的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

1)焊點(diǎn)的可靠性主要受焊接溫度、焊接時(shí)間的影響，在保證焊接面積100%達(dá)標(biāo)，焊接時(shí)加錫、穿孔的前提下，使用焊接溫度為430 ℃、焊接時(shí)間為2 s、按壓時(shí)間為2 s的焊接參數(shù)可保證焊點(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性。

2)在焊點(diǎn)未完全冷卻的情況下灌封硅膠，焊點(diǎn)中間有進(jìn)入硅膠的風(fēng)險(xiǎn)。

5 建議

1)規(guī)范焊接操作及焊接參數(shù)。建議焊接參數(shù)為：焊接溫度430 ℃、焊接時(shí)間2 s、按壓時(shí)間2 s。

2)定期對(duì)烙鐵頭溫度進(jìn)行點(diǎn)檢控制，以確保溫度在要求之內(nèi)。

3)建議焊點(diǎn)完全冷卻后再進(jìn)行灌封硅膠。員工可以利用冷卻的時(shí)間對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行一次全面的自檢，具體做法為使用鑷子挑動(dòng)焊點(diǎn)進(jìn)行檢查。