摘 要：采用數(shù)值模擬結(jié)合正交試驗(yàn)的方法分析太陽(yáng)電池焊接傳熱過(guò)程，研究不同工藝參數(shù)對(duì)溫度穩(wěn)定性的影響作用。通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法規(guī)劃試驗(yàn)方案，利用CFD傳熱仿真模擬焊接傳熱過(guò)程獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析仿真數(shù)據(jù)得到最優(yōu)工藝參數(shù)組合。結(jié)果表明：中心燈管功率為55 W、預(yù)熱溫度為150 ℃、燈管高度為25 mm、焊接時(shí)間為2.2 s、邊緣燈管功率為70 W、空氣流速為0.6 m/s時(shí)焊接熱場(chǎng)溫度穩(wěn)定性最高，此時(shí)模擬溫度與最佳溫度的差值為3.5 ℃。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)電池；紅外線(xiàn)加熱；數(shù)值模擬；正交試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM914.4 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

硅基太陽(yáng)電池趨向于大而薄的方向發(fā)展，受太陽(yáng)電池材料性質(zhì)所限，降低物料成本的同時(shí)也造成了焊接不良率的升高，因此對(duì)焊接工藝水平提出了較高的要求。

熱場(chǎng)溫度穩(wěn)定性是焊接工藝中的一個(gè)重要指標(biāo)，孫國(guó)輝等［1］通過(guò)模擬焊接過(guò)程證明焊接熱場(chǎng)溫差大時(shí)焊接應(yīng)力大；劉翰林等［2］利用兩變量方法分析層間熱失配效應(yīng)和邊界效應(yīng)減小了太陽(yáng)電池內(nèi)部正應(yīng)力；Timoshenko［3］從理論上研究了層狀材料在熱載荷作用下的變形和應(yīng)力，推導(dǎo)出熱載荷作用下非均質(zhì)材料的變形理論；Hsiao等［4］提出一種平衡接觸的方法來(lái)降低晶體硅太陽(yáng)電池與焊帶互連過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力；賴(lài)啟銘等［5］證明熱風(fēng)焊接過(guò)程中氣流溫度是影響太陽(yáng)電池應(yīng)力一個(gè)重要參數(shù)，氣流溫度越低時(shí)太陽(yáng)電池內(nèi)部殘余應(yīng)力越??；Gabor等［6］證明由于太陽(yáng)電池和焊帶的熱膨脹系數(shù)不同，太陽(yáng)電池受熱過(guò)程中易出現(xiàn)開(kāi)裂或現(xiàn)有裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象?，F(xiàn)有研究多側(cè)重于溫度對(duì)太陽(yáng)電池殘余應(yīng)力的影響，但焊接熱場(chǎng)控制相關(guān)的研究偏少，實(shí)際生產(chǎn)中串焊機(jī)焊接熱場(chǎng)受多種因素制約，控制難度大、調(diào)整速度慢、溫度穩(wěn)定性過(guò)低將導(dǎo)致太陽(yáng)電池出現(xiàn)虛焊、過(guò)焊和開(kāi)裂的現(xiàn)象，因此精準(zhǔn)地控制焊接熱場(chǎng)具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

本研究以實(shí)際焊接溫度與最佳焊接溫度的絕對(duì)差值為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合正交試驗(yàn)的方法探求最優(yōu)工藝參數(shù)組合，以達(dá)到提升溫度穩(wěn)定性的目的。

1 紅外協(xié)風(fēng)焊接物理模型

焊接工藝分為預(yù)熱、焊接、保溫3個(gè)過(guò)程，預(yù)熱是通過(guò)太陽(yáng)電池背面的加熱底板將太陽(yáng)電池加熱到固定溫度；焊接是通過(guò)紅外燈管和熱風(fēng)的協(xié)同作用融化焊錫；保溫是焊接完成后通過(guò)加熱底板的加熱功能使太陽(yáng)電池逐步冷卻。本文主要研究焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)的升溫過(guò)程，原材料采用厚度為150 μm的M10太陽(yáng)電池、直徑為292 μm的無(wú)氧銅焊帶和厚度為30 μm的錫鉛合金涂層，通過(guò)安裝在太陽(yáng)電池上方的紅外燈管提供熱量，在紅外加熱與熱風(fēng)加熱協(xié)同作用下將焊錫融化，焊接原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2 焊接傳熱機(jī)理分析

太陽(yáng)電池焊接是一個(gè)多種傳熱方式耦合的傳熱過(guò)程，耦合作用下太陽(yáng)電池表面的熱流密度可用式（1）表示［7］。

[q=λ（Ts-Tt）/δ+εσ（T4i-T4t）+h（Tt-Tf）] （1）

式中：[q]——熱流密度，W/m2；[λ]——太陽(yáng)電池?zé)釋?dǎo)率，W/（m·K）；[Ts]——加熱底板溫度，K；[Tt]——太陽(yáng)電池溫度，K；[δ]——厚度，m；[ε]——實(shí)際表面發(fā)射率，其數(shù)值處于0～1之間；[σ]——斯提芬波爾赫茲常數(shù)，5.67×10-8 W/（m2·K4）；[Ti]——紅外燈管溫度，K；[h]——對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[Tf]——熱流溫度，K。

紅外燈管以熱輻射的形式傳遞熱量，單位時(shí)間、單位面積、單位立體角內(nèi)物體向固定方向發(fā)出的能量為：

[E=dΦ（θ， β）dAdω] （2）

式中：[E]——輻射功率，W/m22；[Φ]——紅外燈管功率，W；[θ]——緯度角，rad；[β]——經(jīng)度角，rad；[A]——面積，m；[ω]——球面度，sr。

當(dāng)紅外燈管輻射功率固定時(shí)，太陽(yáng)電池不同面積不同角度接收到的熱量不相同，單位時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)電池對(duì)應(yīng)紅外燈管單位面積內(nèi)接收到的能量為：

[Φi，c=（Ei-Ec）AiAccosα1cosα2πr2dAidAc] （3）

式中：[Φi，c]——紅外燈管和太陽(yáng)電池之間的輻射換熱量，J/s；[Ei]——紅外燈管的輻射功率，W/m2；[Ec]——太陽(yáng)電池的輻射功率，W/m2；[Ai]——紅外燈管的輻射微面積，m2；[Ac]——太陽(yáng)電池與紅外燈管固定輻射角度對(duì)應(yīng)的接收微面積，m2；[r]——紅外燈管和太陽(yáng)電池之間的距離，m；[α1]——紅外燈管法線(xiàn)與距離的夾角，（ °）；[α2]——太陽(yáng)電池法線(xiàn)與距離的夾角，（ °）。

熱風(fēng)加熱以及空氣流動(dòng)帶走的熱量屬于對(duì)流換熱，將雷諾準(zhǔn)則和普朗特準(zhǔn)則帶入常壁溫平板局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算公式可得對(duì)流換熱系數(shù)如式（4）所示［8］。

[h=0.332λaxvxυ12μcpλa13] （4）

式中：[λa]——空氣熱導(dǎo)率，W/（m·K）；[v]——流動(dòng)速度，m/s；[x]——長(zhǎng)度，m；[υ]——空氣的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；[μ]——空氣的動(dòng)力黏度，Pa·s；[cp]——比熱容，J/（kg·K）。

分析式（1）～式（4）可知燈管功率、燈管高度、空氣流速、預(yù)熱溫度、焊接時(shí)間是影響加熱效果的5個(gè)重要因素。

3 焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法規(guī)劃試驗(yàn)方案，采用CFD仿真模擬太陽(yáng)電池焊接過(guò)程獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析仿真結(jié)果尋求最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

3.1 仿真模型建立

利用CFD仿真模擬傳熱過(guò)程，流動(dòng)模型選用層流模型，輻射模型選用DO模型［9］，假設(shè)紅外燈管功率無(wú)衰減。焊接裝置左右對(duì)稱(chēng)，僅模擬左側(cè)加熱過(guò)程，本文只研究焊接熱場(chǎng)，為加快仿真速度忽略焊帶，按等比例建立CAD模型并進(jìn)行網(wǎng)格化處理如圖2所示。焊接裝置為實(shí)體域，空氣為流體域，流體域上部壁面為速度入口，下部與環(huán)境接觸的部分為壓力出口，模型最右側(cè)壁面均為對(duì)稱(chēng)面。

實(shí)體部分燈罩、分流板、壓網(wǎng)和機(jī)架的材料為結(jié)構(gòu)鋼，太陽(yáng)電池、紅外燈管、傳送帶、加熱底板的材料分別為單晶硅、石英、特氟龍、銅，流體域材料為空氣，材料參數(shù)如表1所示［10-11］。在實(shí)體部分設(shè)置燈管功率和加熱底板的加熱溫度，

在速度入口壁面定義流體速度，與環(huán)境接觸的實(shí)體域壁面自然對(duì)流系數(shù)［12］為10 W/m2，仿真時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 s，仿真總時(shí)長(zhǎng)即焊接時(shí)間。

仿真結(jié)束后參照?qǐng)D3分別測(cè)量每個(gè)焊點(diǎn)處的溫度記作[Ti，j]（其中[i]為列數(shù)，[j]為行數(shù)），℃，溫度越接近最佳焊接溫度220 ℃焊接效果越好［13-14］，故按式（5）～式（6）計(jì)算實(shí)際焊接溫度與最佳焊接溫度的絕對(duì)差值代表焊接熱場(chǎng)穩(wěn)定性指標(biāo)。

[T=1i×ji=110j=17Ti，j] （5）

[TD=T-220] （6）

式中：[T]——平均溫度，℃；[TD]——溫度絕對(duì)差值，℃。

3.2 試驗(yàn)因素及水平

串焊機(jī)工作過(guò)程中燈管功率通常為約60 W［15］，考慮到太陽(yáng)電池邊緣位置散熱較快，將燈管分成內(nèi)部燈管和邊緣燈管，內(nèi)部5根燈光功率區(qū)間取55～65 W，邊緣單根燈管功率區(qū)間取65～75 W；相關(guān)研究［16］證明紅外加熱的最佳距離為5～35 mm，為避免燈管與壓網(wǎng)干涉，燈管與太陽(yáng)電池距離區(qū)間取15～35 mm；預(yù)熱溫度［14］為約150 ℃，考慮到溫度小范圍波動(dòng)對(duì)加熱效果影響較小，將預(yù)熱溫度區(qū)間設(shè)定為140～160 ℃；焊接時(shí)間與焊接溫度呈正比例關(guān)系，但焊接時(shí)間越長(zhǎng)產(chǎn)能越低，為同時(shí)兼顧兩個(gè)因素焊接時(shí)間范圍取1.8～2.2 s；風(fēng)扇出口處最高風(fēng)速為1.8 m/s，當(dāng)空氣流速較低時(shí)太陽(yáng)電池表面溫度均勻性較差，故取空氣流速范圍為0.6～1.8 m/s，綜上可得試驗(yàn)因素及水平如表2所示。

3.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)因素及水平選取L18（37）正交表規(guī)劃試驗(yàn)方案，為對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，需保證自由度大于零，故將最后一列設(shè)置為不參與計(jì)算的空列。按照正交表中的參數(shù)組合依次開(kāi)展仿真試驗(yàn)，將試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)分別填入優(yōu)化目標(biāo)響應(yīng)列，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及測(cè)試結(jié)果如表3所示，然后對(duì)表3進(jìn)行方差分析和極差分析。

3.4 仿真結(jié)果分析

方差分析和極差分析結(jié)果如表4所示，其中P為顯著性指標(biāo)，因素的P值越小其顯著水平越高，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度越高，各因素對(duì)焊接溫度的影響程度由高到低依次排序?yàn)椋褐行臒艄芄β蔳t;預(yù)熱溫度gt;燈管高度gt;焊接時(shí)間gt;邊緣燈管功率gt;空氣流速。中心燈管功率、預(yù)熱溫度、燈管高度均已達(dá)到顯著水平，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)著重控制；焊接時(shí)間和邊緣燈管功率接近顯著水平，可作為精準(zhǔn)控制溫度的工藝參數(shù)；空氣流速對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響程度較小。本研究中溫度穩(wěn)定性指標(biāo)越小越接近最佳溫度，即同一因素下均值[k]最小的水平為該因素的最佳水平，參照表4對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析可知最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：中心燈管功率為55 W、預(yù)熱溫度為150 ℃、燈管高度為25 mm、焊接時(shí)間為2.2 s、邊緣燈管功率為70 W、空氣流速為0.6 m/s。

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性，以最優(yōu)參數(shù)組合建立仿真模型，按上述步驟重復(fù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，計(jì)算得平均溫度均為223.5 ℃，接近最佳焊接溫度220 ℃。此時(shí)太陽(yáng)電池表面溫度場(chǎng)如圖4所示，經(jīng)測(cè)量可知太陽(yáng)電池上各焊點(diǎn)位置的溫度處于213～229 ℃之間，溫度分布范圍滿(mǎn)足中國(guó)電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 11216—1999《紅外/熱風(fēng)再流焊接技術(shù)要求》中規(guī)定的Sn60Pb40焊接溫度要求。

4 焊接試驗(yàn)

為驗(yàn)證仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度進(jìn)行焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為英利能源發(fā)展（蠡縣）有限公司焊接車(chē)間，串焊機(jī)型號(hào)為奧特維AM050EH多主柵光伏串焊機(jī)，焊帶剝離力測(cè)試設(shè)備為T(mén)H-8210S伺服電腦式太陽(yáng)電池臥式拉力試驗(yàn)機(jī)。

串焊機(jī)焊接裝置、風(fēng)扇調(diào)速器、紅外溫度傳感器如圖5所示，試驗(yàn)前按仿真試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置工藝參數(shù)，在觸控屏上設(shè)置燈管功率、預(yù)熱溫度和焊接時(shí)間，利用焊接裝置上的氣缸調(diào)整紅外燈管高度，通過(guò)風(fēng)扇調(diào)速器控制排風(fēng)扇轉(zhuǎn)速?gòu)亩{(diào)整太陽(yáng)電池上方空氣流速，利用安裝在焊接裝置上方的紅外溫度傳感器檢測(cè)焊接溫度。當(dāng)串焊機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后隨機(jī)抽取一串太陽(yáng)電池測(cè)試平均焊帶剝離力，利用EL測(cè)試設(shè)備統(tǒng)計(jì)同一批次太陽(yáng)電池的焊接合格率。

經(jīng)測(cè)量得焊接溫度為228.3 ℃，平均焊帶剝離力為2.4 N，焊接合格率為99.1%，均滿(mǎn)足本公司焊接工藝工序標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)焊接溫度與仿真溫度相似度可達(dá)97.9%，表明仿真數(shù)據(jù)具有較高的可信度，正交試驗(yàn)的優(yōu)化結(jié)果具有較高的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié) 論

1）從理論層面分析了焊接傳熱機(jī)理，確定了燈管功率、燈管高度、空氣流速、預(yù)熱溫度、焊接時(shí)間是影響焊接溫度穩(wěn)定性的5個(gè)主要因素，為仿真試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

2）建立用于獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)的焊接傳熱仿真模型，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法規(guī)劃了試驗(yàn)方案。分析試驗(yàn)結(jié)果得各參數(shù)對(duì)焊接溫度影響程度由大到小依次排序，以及最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：中心燈管功率55 W，預(yù)熱溫度150 ℃，燈管高度25 mm，焊接時(shí)間2.2 s，邊緣燈管功率70 W，空氣流速0.6 m/s，此組合下焊接溫度模擬值為223.5 ℃，降低了試驗(yàn)成本的同時(shí)提高了試驗(yàn)效率。

3）按照最優(yōu)工藝參數(shù)組合開(kāi)展焊接試驗(yàn)，此時(shí)焊接溫度為228.3 ℃，平均焊帶剝離力為2.4 N，焊接合格率為99.1%，證明了仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的可信度，研究結(jié)果可為串焊機(jī)工藝參數(shù)的調(diào)整提供參考依據(jù)。

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STUDY ON TEMPERATURE STABILITY OF INFRARED SYNERGY

WIND SOLDERING THERMAL FIELD IN SOLAR CELL

Ma Chao1，2，Liu Chao1，2，Zhang Xiangqian1，2，Wang Fan1，2，Yu Bo1-3，Rong Rui4

（1. Yingli Energy Development Co.， Ltd.， Baoding 071000， China；

2. National Key Laboratory of Photovoltaic Materials and Cells， Baoding 071400， China；

3. Yingli Energy （China） Co.， Ltd.， Baoding 071000， China；

4. Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment， North China Electric Power University， Baoding 071003， China）

Abstract：Using numerical simulation combined with orthogonal experiments to analyze the soldering heat transfer process of solar cells， and studying the effect of different process parameters on temperature stability. The orthogonal experiments design method is used to plan the test plan， and the CFD heat transfer simulation is used to simulate the soldering heat transfer process to obtain the test data. The simulation data are analyzed to obtain the optimal process parameter combination. The results show that when the power of the central lamp is 55 W， the preheating temperature is 150 ℃， the lamp height is 25 mm， the soldering time is 2.2 s， the power of the edge lamp is 70 W， the air flow rate is 0.6 m/s， the temperature stability of the soldering thermal field is highest， and the difference between the simulated temperature and the optimal temperature is 3.5 ℃.

Keywords：solar cells； infrared heating； numerical simulation； orthogonal experiment