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(yáng)電池陣制造的可靠性很大程度上決定了航天活動(dòng)的成敗和航天器的壽命。目前，太陽(yáng)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(dòng)強(qiáng)度大（一片普通尺寸太陽(yáng)電池陣就有上千個(gè)焊點(diǎn)）、焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定、缺乏焊后檢驗(yàn)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(dòng)化操作，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣的高效自動(dòng)化組裝和焊接，將大大提高太陽(yáng)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(yáng)電池陣的制造效率[1]。

1 系統(tǒng)原理

太陽(yáng)電池陣槍式微型電阻焊接系統(tǒng)原理如圖1所示，焊接過(guò)程不需要添加釬料，通以瞬時(shí)電流將導(dǎo)線或元器件管腳（銅）通過(guò)箔片（銀）連接在一起。銅和銀可形成共晶，對(duì)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(shí)滿(mǎn)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(dòng)電阻點(diǎn)焊取代手工錫鉛釬焊能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)電池陣的高效、可靠、精密焊接生產(chǎn)。焊接過(guò)程中，在電極壓力下，焊件發(fā)生塑性變形，從而導(dǎo)致兩個(gè)潔凈金屬面之間緊密接觸并熔化，形成熔核，實(shí)現(xiàn)在較低溫度下的良好連接且不會(huì)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(mǎn)足真空環(huán)境的高溫要求。同時(shí)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(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要用于太陽(yáng)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(dòng)平臺(tái)、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(dòng)平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)焊接頭在X、Y向的移動(dòng)和定位；電阻點(diǎn)焊組合主要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊頭的Z向移動(dòng)和電阻點(diǎn)焊的具體過(guò)程；氣體保護(hù)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的氬氣保護(hù)；控制系統(tǒng)用于控制焊接的具體過(guò)程和焊接參數(shù)的采集。四個(gè)系統(tǒng)的連接關(guān)系為：電阻點(diǎn)焊組合安裝在X/Y移動(dòng)平臺(tái)上；氣動(dòng)系統(tǒng)分布在X/Y移動(dòng)平臺(tái)、電阻點(diǎn)焊組合和控制系統(tǒng)中；控制系統(tǒng)通過(guò)伺服部分控制點(diǎn)焊頭X、Y、Z向移動(dòng)，通過(guò)串口控制焊接電源的操作和采集點(diǎn)焊過(guò)程參數(shù)，通過(guò)PLC的IO口控制氣體保護(hù)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)。

2.2 X/Y移動(dòng)平臺(tái)

移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)成如圖3所示的立式X/Y移動(dòng)平臺(tái)，平臺(tái)的工作面與水平面垂直，長(zhǎng)梁為X坐標(biāo)方向，短梁為Y坐標(biāo)方向，點(diǎn)焊頭運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閆坐標(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(gè)型材導(dǎo)軌，系統(tǒng)的兩個(gè)Y向橫梁上沿著Y坐標(biāo)軸各布置1個(gè)型材導(dǎo)軌。

圖3 槍式微型電阻焊接系統(tǒng)X/Y移動(dòng)平臺(tái)

為了解決X/Y移動(dòng)平臺(tái)X坐標(biāo)軸的導(dǎo)軌同步問(wèn)題，型材導(dǎo)軌采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙導(dǎo)軌方式，通過(guò)花鍵將雙導(dǎo)軌的傳動(dòng)同步起來(lái)。由于兩根型材導(dǎo)軌的距離過(guò)大，系統(tǒng)采用連軸器進(jìn)行過(guò)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(jì)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(chǔ)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(duì)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(guò)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(huì)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(guò)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(guò)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(guò)減壓閥和電磁閥調(diào)節(jié)氬氣的吹氣壓力和通斷時(shí)序，從而滿(mǎn)足焊接過(guò)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(gè)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(jì)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(dòng)器、攝像頭、各種執(zhí)行器、傳感器和電源組成，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)命令的輸入、各種動(dòng)作信號(hào)的產(chǎn)生和各種傳感信號(hào)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(tái)運(yùn)動(dòng)部分采用PLC+交流伺服控制形式，通過(guò)使用高速的串行通訊方式，對(duì)X、Y軸的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)高速和高精度控制，從而定位電阻點(diǎn)焊頭。通過(guò)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(gè)點(diǎn)焊接過(guò)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(jué)監(jiān)控，可實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接情況，焊接過(guò)程中的焊接時(shí)間、焊接電流、觸發(fā)時(shí)間、焊接壓力等參數(shù)均可在上位計(jì)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?jì)算機(jī)，上位計(jì)算機(jī)將接收到的每個(gè)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(kāi)關(guān)，可以檢測(cè)X、Y的行程；設(shè)置有一定的閾值，使控制量不會(huì)超出該閾值，設(shè)備設(shè)有聲光報(bào)警裝置，參數(shù)一旦處于危險(xiǎn)域，設(shè)備報(bào)警。

4 焊接應(yīng)用分析

4.1 焊接工藝研究

對(duì)導(dǎo)線/元器件管腳與銀箔進(jìn)行焊接，經(jīng)過(guò)大量焊接試驗(yàn)并對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)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(mǎn)足質(zhì)量要求的合格焊點(diǎn)：焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度能滿(mǎn)足30 N的設(shè)計(jì)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(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量及其穩(wěn)定性有重要影響。針對(duì)不同的焊件表面狀況，適當(dāng)增加焊接壓力會(huì)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(shí)，焊接壓力的增加對(duì)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(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度的影響規(guī)律

（2）電極間隙（見(jiàn)圖1）會(huì)直接影響到電流密度，從而影響焊點(diǎn)質(zhì)量。經(jīng)驗(yàn)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(duì)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(duì)焊接窗口和焊點(diǎn)質(zhì)量影響很大，試驗(yàn)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(kāi)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(shí)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(shí)定位難度加大，易焊偏[6]。

4.2 焊接效果

通過(guò)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(shí)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(guò)程中，可利用焊接電源的參數(shù)反饋監(jiān)測(cè)功能來(lái)監(jiān)測(cè)焊接過(guò)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(guò)監(jiān)測(cè)電流反饋值的變化是否處于正常的波動(dòng)范圍來(lái)判斷焊接過(guò)程是否處于正?？煽氐臓顟B(tài)[7]。

為了更準(zhǔn)確地評(píng)估焊點(diǎn)質(zhì)量，對(duì)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(wú)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(yáng)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(wú)毛刺；無(wú)濺射物附著；焊點(diǎn)金相組織熔合良好，且無(wú)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(yàn)驗(yàn)證和客戶(hù)體驗(yàn)，設(shè)備從結(jié)構(gòu)、電氣、人機(jī)界面等各個(gè)方面為焊接提供了強(qiáng)有力的保障，能完全滿(mǎn)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(shí)保證整個(gè)焊接系統(tǒng)的有序運(yùn)行。對(duì)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣的高效自動(dòng)化組裝和焊接，提高太陽(yáng)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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