太陽能電池板支架6005鋁合金腐蝕失效分析

摘要： 為研究太陽能電池板支撐部件局部腐蝕失效的原因，對6005鋁合金支架腐蝕位置的宏微觀形貌、基體材料和元素組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)進行能量色散光譜分析，并結(jié)合材料生產(chǎn)工藝的過程及運行環(huán)境，分析腐蝕產(chǎn)生原因。結(jié)果表明：加工過程中的金屬擠壓成型加工液未清洗干凈，造成成型加工液中氯化物的殘留，是導(dǎo)致太陽能電池板支架在使用過程腐蝕失效的重要原因。

關(guān)鍵詞： 6005鋁合金； 太陽能電池板支架； 金屬擠壓成型加工液； 腐蝕

中圖分類號： TK 51文獻標(biāo)志碼： A ""文章編號： 1000-5013（2025）02-0142-05

Corrosion Failure Analysis of 6005 Aluminium Alloy for Solar Panel Mounting Brackets

CHEN Shouhong1， SU Zhiqin2， FAN Yuantao2，3，

HUANG Shengui2，3， JIANG Feng1，3， HUANG Jinyi4

（1. College of Mechanical Engineering and Automation， Huaqiao University， Xiamen 361021， China；

2. Institute of Manufacturing Engineering， Huaqiao University， Xiamen 361021， China；

3. Nan′an HQU Institute of Stone Industry Innovations Technology， Nan′an 362261， China；

4. Goomax Metal Limited Company， Nan′an 362303， China）

Abstract： To study the causes of localized corrosion failure in solar panel support components，" the macro- and micro-morphologies， matrix material properties， elemental compositions and mass fractions at the corrosion sites of a 6005 aluminium alloy brackets were analyzed using energy dispersive spectroscopy. In addition， the corrosion mechanisms were evaluated considering the products' manufacturing processes and operating environment. The results indicate that the inadequate cleaning of metal extrusion moulding processing fluid lead to chloride residue in the moulding process fluid，" which was an important cause of corrosion and failure of the solar panel bracket during service.

Keywords： 6005 aluminium alloy； solar panel bracket； metal extrusion moulding processing fluid； corrosion

近幾年，隨著“雙碳”戰(zhàn)略的不斷推進，光伏行業(yè)作為綠色能源的重要一部分，在西部地區(qū)有著十分廣泛的應(yīng)用［1］。但是西北部地區(qū)晝夜溫差大、西南部地區(qū)酸雨現(xiàn)象嚴(yán)重，都對光伏設(shè)備的使用壽命造成顯著的影響，其中，受到影響最大的是光伏支架的使用壽命。光伏支架作為太陽能電池板的支撐部件，其可靠性也關(guān)系著供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，若鋁合金表面出現(xiàn)腐蝕情況卻未及時發(fā)現(xiàn)，造成腐蝕面積的擴大，則會導(dǎo)致鋁合金材料強度降低［2］、支架穩(wěn)定性變?nèi)?，進而影響光伏電站的穩(wěn)定運行，產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患［3］。6005鋁合金由于其密度低、耐腐蝕性強、力學(xué)性能優(yōu)異、可加工性能好等顯著優(yōu)勢，在光伏行業(yè)中常被用于太陽能電池板邊框和支架的制造［4］。因此，對6005鋁合金腐蝕失效案例進行相應(yīng)的檢測及分析并提出對應(yīng)的解決措施，對于光伏電站的穩(wěn)定運行，減小安全隱患，有著重要意義。

基于此，本文對6005鋁合金支架腐蝕位置的宏微觀形貌、基體材料和元素組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)進行能量色散光譜（EDS）分析，并結(jié)合材料生產(chǎn)工藝的過程及運行環(huán)境，分析腐蝕產(chǎn)生原因。

1 檢驗結(jié)果與分析

1.1 宏觀檢測

某廠家在檢查安裝檢修太陽能電池板支架時，發(fā)現(xiàn)在太陽能電池板邊框及安裝支架上，固定部位的接口邊緣處有部分腐蝕情況（圖1）。為避免安全隱患，對該固定部分受腐蝕部件進行拆解更換。受腐蝕的太陽能電池板支架部件使用6005鋁合金擠壓成型，其鋁合金腐蝕宏觀形貌，如圖2所示。由圖2可以看出，鋁合金支架無明顯形變，表面無涂層及噴漆處理，在側(cè)表面位置有較多明顯的腐蝕痕跡。通過對部件腐蝕區(qū)域產(chǎn)生的位置進行觀察，可以看到腐蝕區(qū)域主要集中在材料側(cè)面、固定區(qū)域上部及邊角位置，由多個灰黑色的斑點連接而形成。

使用VHX-1000型電子顯微鏡對腐蝕部件進行檢查，腐蝕區(qū)域放大宏觀形貌，如圖3所示。由圖3可知：在鋁合金表面，無明顯凹坑及裂紋，腐蝕產(chǎn)物為灰黑色，呈圓形、片狀覆蓋于鋁合金支架基體之上。

1.2 基材分析

對未腐蝕的鋁合金工件截面進行元素成分檢測，檢測結(jié)果如表1所示。表1中：w為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在基材成分中可以看出，該基材中主要含有Si、Mg、Cr、Fe、Mn等元素。根據(jù)鋁合金的GB/T 3190-2020標(biāo)準(zhǔn)要求［5］，該鋁合金太陽能支架緊固件的化學(xué)成分，符合牌照為6005鋁合金的技術(shù)要求。

1.3 腐蝕產(chǎn)物分析

使JSM-IT500型用掃描電鏡對該樣品進行檢測，鋁合金支撐架腐蝕區(qū)域微觀形貌，如圖4所示。由圖4可知：在腐蝕區(qū)域中，腐蝕產(chǎn)物呈現(xiàn)出堆疊的狀態(tài)，部分腐蝕區(qū)域呈現(xiàn)出類似“蜂窩狀”的形貌，并在腐蝕面積較大的區(qū)域，可以觀察到有龜裂的痕跡。

對腐蝕區(qū)域進行能量色散光譜檢測，元素能譜分析結(jié)果如圖5所示。圖5中：I為信號強度；E為能量。由圖5可知：相較于未腐蝕區(qū)域，腐蝕區(qū)域中O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到41.70%，而Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)則降低至42.18%，并且在檢測中還發(fā)現(xiàn)少量的Na、S、Cl等元素。這可能是由于在日常使用中，鋁合金支架表面接觸了含有S、Cl的物質(zhì)，導(dǎo)致鋁合金表面長期處于酸性環(huán)境中，表面致密的氧化膜失效，加速了鋁合金支架的腐蝕速度。

為了更好地判斷腐蝕區(qū)域中不同元素的分布情況，對腐蝕區(qū)域的元素分布進行分析，結(jié)果如圖6所示。對比圖6（c）、（f）可知：O、Al兩種元素呈現(xiàn)出“互補式”的分布，在氧化物與鋁合金基體之間，有著較為明顯的“分界線”，在腐蝕區(qū)域“外圍”Al元素分布較多，而在腐蝕的“中心”區(qū)域，則檢測出大量的O元素。這可能是由于在腐蝕過程中，鋁合金工件表面是由“點”到“面”逐步氧化擴散，最終氧化物質(zhì)會將鋁合金基體完全覆蓋。

由圖6（d）、（g）、（i）可知：Na、S、Cl三種元素在鋁合金表面有著較廣泛的分布。從分布情況可以看出，在鋁合金表面，Na元素大多存在于未氧化的區(qū)域，已發(fā)生氧化區(qū)域分布較少；而S、Cl兩種元素則幾乎布滿檢測區(qū)域。這也進一步說明，在腐蝕發(fā)生過程中，含有S、Cl的物質(zhì)廣泛粘附于鋁合金表面，使得鋁合金表面長期處于酸性環(huán)境中，這也是鋁合金支架產(chǎn)生腐蝕最主要的原因。

利用紅外光譜法對切削液進行檢測，發(fā)現(xiàn)其主要成分為礦油、丙烯二甘醇醚、硼酸一乙醇胺、三乙醇胺、油酸、水、聚氧乙烯醚、石油磺酸鈉、氯化聚烯烴，所含金屬及鹵族元素為Na、S、Cl。根據(jù)腐蝕區(qū)域的元素成分的分布，并結(jié)合鋁合金擠壓成型工藝進行分析。該腐蝕物可能是在生產(chǎn)過程中，金屬擠壓成型加工液未清洗干凈殘留所導(dǎo)致。由于有機氯化物的存在，當(dāng)太陽能電池板在日常使用中處于降水或空氣潮濕的環(huán)境時，將導(dǎo)致殘留在鋁合金表面的氯離子與鋁合金基材表面發(fā)生腐蝕，如圖7所示。

在鋁合金支架使用過程中，如有加工液殘留在工件表面，其與空氣中的H2O、O2、CO2在鋁合金支架表面形成了一層電解質(zhì)水膜，其中充滿了Cl-等自由離子，從而造成電化學(xué)腐蝕。如果有酸雨的加入，電解質(zhì)水膜內(nèi)還會加入SO42-、NO3-、F-等自由離子。電解質(zhì)水膜是陰極，而鋁合金材料是陽極，在電化學(xué)作用下，陽極發(fā)生溶解，而作為陰極的電解質(zhì)水膜層會不斷補充，造成鋁合金陽極的不斷溶解。其反應(yīng)式為

O2+2H2O+4e-→4OH-，

（1）

Al→Al3++3e-，

（2）

Al3++3OH-→Al（OH）3。

（3）

2 腐蝕及失效成因分析

綜合對鋁合金支架及緊固件腐蝕區(qū)域成分分析，該材料發(fā)生腐蝕失效是由于在鋁合金擠壓成型過程中，使用含Cl-的擠壓成型加工液，并且在加工后的清洗中未將擠壓成型液清洗干凈，導(dǎo)致氯化物的殘留，加劇了材料表面發(fā)生氧化腐蝕，產(chǎn)生含鋁氧化物，導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降，進而造成材料在使用中發(fā)生腐蝕失效。

1） 環(huán)境方面，太陽能電池板安裝位置多位于戶外，安裝環(huán)境變化大，條件較為惡劣。發(fā)生腐蝕的部位為鋁合金支架的外表面，當(dāng)外界降水時，外表面與環(huán)境接觸面積大，加上含氯化物擠壓成型液的殘留，使其表面處于極端pH值環(huán)境中，導(dǎo)致氯離子與鋁合金表面的基材發(fā)生腐蝕［6-7］。同時，鋁合金內(nèi)部及表面含有S、Na、Mg等元素，容易在鋁合金支架上形成電偶腐蝕，加速鋁合金支架的腐蝕，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致支架斷裂失效［8-9］。

2） 工藝方面，金屬擠壓成型加工液的選用也是鋁合金腐蝕的重要因素［10-11］。在金屬擠壓成型加工液中，含有大量的氯離子，會對鋁合金零件的加工產(chǎn)生較高的腐蝕作用。若金屬擠壓成型加工液長時間不更換，則容易發(fā)生加工液的劣化，造成微生物劇增，進而導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕速率升高［12］，最終使得鋁合金支架在加工過程后，更容易發(fā)生腐蝕失效。

3） 受力方面，太陽能電池板支架常安裝于屋面或地處寬闊的區(qū)域，尤其在屋面太陽能電池板應(yīng)用時，風(fēng)載荷對于其受力有著較大的影響［13-14］。太陽能電池板支架作為關(guān)鍵的支撐部件，在受到風(fēng)吹動時，會受到吸力作用產(chǎn)生振動，加劇鋁合金支架的晃動，造成腐蝕區(qū)域斷裂裂紋的加劇，進而造成支架的斷裂失效。

3 結(jié)論

對6005鋁合金支架腐蝕位置的宏微觀形貌、基體材料和元素組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)進行EDS分析，并結(jié)合材料生產(chǎn)工藝的過程及運行環(huán)境，得出導(dǎo)致太陽能電池板支架在使用過程中腐蝕失效的重要原因有以下3點。

1） 金屬擠壓成型加工液的殘留。由于加工液在表面的殘留，使氯化物附著于鋁合金支架表面，在使用環(huán)境中產(chǎn)生極端pH值環(huán)境，導(dǎo)致氧化膜遭到破壞，進而造成鋁合金支架材料力學(xué)性能下降。

2） 金屬擠壓成型加工液的長時間反復(fù)使用。由于加工液的反復(fù)使用，使加工液中微生物增加，從而導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕，進而加快材料腐蝕的速率。

3） 自然條件較為惡劣。在光伏太陽能支架使用過程中，由于太陽能電池板安裝大多位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，自然環(huán)境較為惡劣，加劇了材料破壞的速度。

綜合以上分析結(jié)論，提出以下保護建議：在生產(chǎn)加工過程中，使用含氯化物較少的擠壓成型加工液；監(jiān)測清洗液中有機氯成分的殘留含量，當(dāng)超過閾值時更換清洗液。在安裝使用時，增加對鋁合金支架材料表面的防腐蝕措施，如增加金屬鍍層、使用涂漆隔絕水汽、利用陽極氧化等材料保護技術(shù)，以延長鋁合金支架的使用年限。

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（責(zé)任編輯：" 黃曉楠 "英文審校： 吳躍勤）

收稿日期： 2024-10-24

通信作者： 姜峰（1981-），男，教授，博士，主要從事精密超精密加工技術(shù)的研究。E-mail：jiangfeng@hqu.edu.cn。

基金項目： 國家自然科學(xué)基金資助項目（52275428）

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