CN109940272A - 太阳能电池汇流条激光焊接装备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池汇流条激光焊接装备，包含：激光器，输出激光光束，提供汇流条焊带焊接能量；光束聚焦***，将激光束聚焦至焊接区域；预压机构，在需要焊接的区域附近施加预压力；Z轴向运动单元，用于激光束的聚焦和离焦控制；一维电控运动平台，驱动焊接头沿汇流条方向移动，实现整条焊带的焊接。实现热导式焊接或穿透式焊接，采用连续激光器对焊带进行加热，当加热温度高于锡熔点时，焊带的表层锡层受热热熔实现锡层间互连，即热导式焊接；采用脉冲激光聚焦在焊带上，作用区形成极强激光能量密度，表层的锡和内部铜气化，在汇流条焊带内部形成空腔致使内部铜材料之间紧密咬合，两层焊带的铜层直接熔接形成极高的焊接强度，即穿透式焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池汇流条激光焊接装备，属于激光加工技术领域。
背景技术
目前，随着全球技术和经济的迅猛发展，日益需要更多更清洁的能源来满足需求。太阳能资源在发电时没有二氧化碳排出并且环境负担小，因此许多国家和地区都在大力发展太阳能(例如光伏)电池作为能源。
单片太阳能电池作用有限，太阳能电池组件成为更好的选择。太阳能电池组件要实现发电的功能要将单片太阳能电池连接起来使其成为一个整体。目前，在太阳能电池组件封装工艺中均采用汇流条作为连接汇流目的。
汇流条焊带是一种涂锡铜带。当前汇流条焊接的主要方法是通过电烙铁焊接。在太阳能电池完成串焊后需要用汇流条将多串电池连接，汇流条将电池片串联起来，电流通过汇流条流经后面的接线盒，再分正负极引出线，最终形成更高功率的太阳能电池组件。常规的焊接方法是通过人工或者设备自动使用电烙铁将每串电池的端引线与汇流条热熔焊接。首先，焊接前需要对需要焊接的焊带预热到一定的温度；其次，需要在焊接的焊带之间填充焊锡丝或者锡膏等助焊剂；再次，控制电烙铁的电流和焊头温度保证焊接效果；最后将电烙铁以一定的压力作用于需要焊接的焊带位置并保持一定的时间，保证焊接强度。该焊接方法焊接工序复杂、有助焊剂等耗材费用、电烙铁长时间焊接端头有材料残留和氧化问题容易导致焊接不良等劣势，越来越不适合太阳能电池组件智能化、高效率、高品质制造的发展需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种太阳能电池汇流条激光焊接装备。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
太阳能电池汇流条激光焊接装备，特点是：包含：
激光器，输出激光光束，提供汇流条焊带焊接能量；
光束聚焦***，将激光束聚焦至焊接区域；
预压机构，在需要焊接的区域附近施加预压力；
Z轴向运动单元，用于激光束的聚焦和离焦控制；
一维电控运动平台，驱动焊接头沿汇流条方向移动，实现整条焊带的焊接。
进一步地，上述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其中，激光器的输出光路上布置光束聚焦***，光束聚焦***包含沿光路设置的扩束镜、反射镜以及激光焊接头，扩束镜扩束后的激光光束经反射镜进入激光焊接头，激光焊接头将激光束聚焦至焊接样品上。
进一步地，上述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其中，所述激光焊接头包括聚焦镜以及置于其上同轴用于监控激光焊接区域温度的温度反馈***，聚焦镜焦距5mm～10000mm，聚焦镜将激光光束形成汇聚光束聚焦于焊接样品，温度反馈***接受焊接过程中热辐射反射光，热辐射反射光通过聚焦镜并透过反射镜传输至温度反馈***，温度反馈***采集焊接热辐射光束转化为温度信息，并对焊接区域的温度进行标定。
进一步地，上述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其中，所述激光焊接头安装于第一Z轴向运动单元上，可上下平移用以调节激光焊接头焦点和激光焊接光斑尺寸。
进一步地，上述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其中，所述第一Z轴向运动单元安装于一维电控运动平台上。
进一步地，上述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其中，还包含用于检测焊带位置的视觉影像***，视觉影像***安装于第二Z轴向运动单元上，可上下移动调节视觉影像焦点，识别焊接样品的位置信息。
进一步地，上述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其中，所述第二Z轴向运动单元安装于一维电控运动平台上。
进一步地，上述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其中，所述视觉影像***包含相机以及连接其上的影像镜头和照明光源。
进一步地，上述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其中，所述预压机构包含L型立架、导向板以及导向杆，L型立架的侧面竖立安装一导向板，导向板上沿竖向开设有导向槽，L型立架的横板上设有轴向孔，导向杆置于轴向孔中，可沿其上下滑动，导向杆的上端部安装一导向块，导向块配合于导向板的导向槽中，可沿导向槽上下滑动，导向杆的下段套置一弹簧，导向杆的下端部安装一压轮座，弹簧的上端与L型立架的横板下底面相抵接，弹簧的下端与压轮座相抵接，压轮座上安装有压轮。
进一步地，上述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其中，所述激光焊接头为扫描振镜、固定式焊接头或摆动式焊接头。
进一步地，上述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其中，所述激光器为连续激光器或脉冲激光器，连续激光器对焊带加热使焊带的表层锡层受热热熔实现锡层间互连，为热导式焊接；脉冲激光聚焦在焊带上，在作用区形成将强的激光能量密度将材料气化，在材料内部形成空腔致使材料之间紧密咬合，两层焊带的铜层熔接形成极高的焊接强度，为穿透式焊接。
进一步地，上述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其中，所述连续激光器为波长400nm～3000nm或9000nm～11000nm、平均功率大于10W的气体激光器、半导体激光器或光纤激光器。
进一步地，上述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其中，所述脉冲激光器为中心波长400nm～3000nm或9000nm～11000nm、平均功率大于10W、重复频率1Hz～10MHz、功率大于10W、脉冲持续时间10fs～10ms的脉冲激光器。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
①本发明采用激光进行汇流条焊接，实现热导式焊接或穿透式焊接，采用连续激光器对焊带进行加热，当加热温度高于锡熔点232℃时，使焊带的表层锡层受热热熔实现锡层间的互连，即热导式焊接；采用脉冲激光聚焦在焊带上，在作用区形成极强的激光能量密度，将表层的锡和内部的铜直接气化，在汇流条焊带内部形成空腔致使内部铜材料之间紧密咬合，两层焊带的铜层直接熔接形成极高的焊接强度，即穿透式焊接；
②本发明利用激光焊接太阳能电池组件的汇流条，焊接工序简单，不需要预热；焊接成本低，不需要助焊剂等耗材；焊接品质高，非接触性焊接，焊接强度高，焊斑小，可实现无痕焊接；
③焊接稳定性好，激光器加热效率高，过程控制更精准。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1：本发明的结构示意图；
图2：预压机构的结构示意图；
图3：热导式焊接的工艺示意图；
图4：穿透式焊接的工艺示意图；
图5：定点式焊接的示意图；
图6：一字型式焊接的示意图；
图7：8字形式焊接的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本发明太阳能电池汇流条激光焊接装备，主要包含：
激光器10，输出激光光束，提供汇流条焊带焊接能量，实现热熔焊接或穿透式焊接；
光束聚焦***，将激光束聚焦至焊接区域；
预压机构50，在需要焊接的区域附近施加预压力，保证两层焊带之间充分接触；
Z轴向运动(上下运动)单元，用于激光束的聚焦和离焦控制；
一维电控运动平台70，驱动焊接头沿汇流条方向移动，实现整条焊带的焊接；
温度反馈***32，对激光焊接区域温度进行同步监控，监控激光焊接质量；
视觉影像***40，对焊带位置进行预先检测，根据焊带位置调整焊接轨迹，精确控制焊接位置；
控制***90，对激光开关光与一维电控平台的同步控制，可实现对激光器参数(如激光功率等)调节，可实现运动平台参数(如运动速度等)调节，可采集温度反馈***的数据对焊接效果进行监控。
激光器10的输出光路上布置光束聚焦***，光束聚焦***包含沿光路设置的扩束镜20、反射镜101以及激光焊接头30，激光器10输出的激光束经过扩束镜20，对激光光束直径进行扩束控制，扩束镜20扩束后的激光光束经反射镜101进入激光焊接头30，激光焊接头30将激光束聚焦至焊接样品60上。
激光焊接头30包括聚焦镜31以及置于其上同轴的用于监控激光焊接区域温度的温度反馈***32，聚焦镜31焦距5mm～10000mm，聚焦镜31将激光光束形成汇聚光束聚焦于焊接样品60，温度反馈***32接受焊接过程中热辐射反射光，热辐射反射光通过聚焦镜31并透过反射镜101传输至温度反馈***32，温度反馈***32采集焊接热辐射光束转化为温度信息，并对焊接区域的温度进行标定。激光焊接头30安装于第一Z轴向运动单元81上，可上下平移用以调节激光焊接头焦点和激光焊接光斑尺寸。第一Z轴向运动单元81安装于一维电控运动平台70上。
用于检测焊带位置的视觉影像***40安装于第二Z轴向运动单元82上，可上下移动调节视觉影像焦点，识别焊接样品60的位置信息。第二Z轴向运动单元82安装于一维电控运动平台70上。视觉影像***40包含相机41以及连接其上的影像镜头42和照明光源43。视觉影像***40可对汇流条焊带的位置进行预先测定，并将位置信息采集到控制***90中，通过控制***对焊接位置进行修正，提升焊接位置的精准性。
一维电控运动平台70可以带动激光焊接头30、视觉影像***40共同移动，焊接样品60固定在平整的焊接板上，汇流条焊带61和互联条焊带62保持相互重叠状态。
控制***90，与激光器10互连控制激光器的开关、激光器的功率等参数设置，与温度反馈***32互连采集焊接区当前的温度，进而可根据焊接材料的物理特性判断焊接效果，与视觉影像***40互连采集焊接样品的位置信息，与一维电控运动平台70互连，控制一维电控运动平台70的运动起始和停止、运动速度等参数的设置。具体焊接应用时，首先视觉影像***40采集焊接样品60的位置信息并将位置信息传输给控制***90，根据采集的焊接样品60的位置信息确定激光焊接轨迹，进而由控制***90向激光器10和一维电控运动平台70分别发送激光器开关指令和运动平台的起始、停止指令，实施激光焊接，在激光焊接过程中温度反馈***32实时采集焊接区域温度，采集温度与焊接材料的熔点比较判断焊接效果。
如图2所示，预压机构50包含L型立架56、导向板51以及导向杆53，L型立架56的侧面竖立安装一导向板51，导向板51上沿竖向开设有导向槽，L型立架56的横板上设有轴向孔，导向杆53置于轴向孔中，可沿其上下滑动，导向杆53的上端部安装一导向块52，导向块52配合于导向板51的导向槽中，可沿导向槽上下滑动，导向杆53的下段套置一弹簧54，导向杆53的下端部安装一压轮座，弹簧54的上端与L型立架56的横板下底面相抵接，弹簧54的下端与压轮座相抵接，压轮座上安装有压轮55。由一气缸与L型立架56驱动连接，驱动其上下运动，当驱动其向下预压时，导向杆53上的弹簧54受压缩，预压下压位移越大，预压力越大。预压时，压轮座上的压轮55与焊带接触，激光焊接时压轮55沿焊带方向滚动接触，保证焊接效果，并且压轮55在焊接行进方向保持位于激光焊接头的前方。
预压机构50在焊接前在焊接位置附近给焊接样品60表面施加垂直方向的预压力，保证焊接样品的焊接位置紧密贴合，并且焊接过程中保持预压状态预压机构50与焊接样品60的按压位置与焊接区域的间距可调，预压机构50给焊接样品60表面施加垂直方向的预压力可调。焊接时，焊接预压机构50可以随一维电控运动平台70与焊接样品表面预压滑动。
预压机构50可以受控升降，保证激光焊接区域附近有沿焊带表面垂直方向的预压力，保证焊接区域焊带之间精密贴合，可以是单点预压或多点预压，与焊带之间的预压力可调，可以与焊带保持相对位置不变的固定结构，也可以在焊带表面滑动的移动结构。
激光焊接头30可采用扫描振镜、固定式焊接头或摆动式焊接头。在激光焊接时可以是固定的光斑焊接，也可以是以移动的轨迹进行摆动焊接。
激光器10为连续激光器或脉冲激光器，如图3所示，采用连续激光器对焊带加热使焊带的表层锡层受热热熔实现锡层间互连，连续激光器进行热导式焊接实现焊带表面锡层热熔连接，即热导式焊接。
采用脉冲激光器进行穿透式焊接，如图4所示，脉冲激光聚焦在焊带上，在作用区形成将强的激光能量密度将材料气化，激光直接将焊带的表面锡层和内部铜层气化，在材料内部形成空腔致使材料之间紧密咬合，两层焊带的铜层熔接形成极高的焊接强度，即穿透式焊接，达到高强度焊接。
连续激光器为波长400nm～3000nm或9000nm～11000nm、平均功率大于10W的气体激光器、半导体激光器或光纤激光器。
脉冲激光器为中心波长400nm～3000nm或9000nm～11000nm、平均功率大于10W、重复频率1Hz～10MHz、功率大于10W、脉冲持续时间10fs～10ms的脉冲激光器。
控制***90包含运动控制器、图像采集卡和工业电脑，其中运动控制器可采用PLCTF5271-0080或运动控制板卡GT-400-SG，运动控制器分别与激光器和一维电控运动平台控制连接，图像采集卡连接视觉影像***，运动控制器、图像采集卡和温度反馈***连接至工业电脑。
具体焊接可以是定点式焊接，如图5；也可以是激光束摆动式焊接，摆动方式可以是一字型式焊接如图6，或8字形式焊接如图7，或其它方式。
综上所述，本发明采用激光进行汇流条焊接，实现热导式焊接或穿透式焊接，热导式焊接是采用连续激光器对焊带进行加热，当加热温度高于锡熔点232℃时，使焊带的表层锡层受热热熔实现锡层间的互连；穿透式焊接是采用脉冲激光聚焦在焊带上，在作用区形成极强的激光能量密度，将表层的锡和内部的铜直接气化，在汇流条焊带内部形成空腔致使内部铜材料之间紧密咬合，两层焊带的铜层直接熔接形成极高的焊接强度。
本发明利用激光焊接太阳能电池组件的汇流条，焊接工序简单，不需要预热；焊接成本低，不需要助焊剂等耗材；焊接品质高，非接触性焊接，焊接强度高，焊斑小，可实现无痕焊接；焊接稳定性好，激光器加热效率高，过程控制更精准。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (13)
1.太阳能电池汇流条激光焊接装备，其特征在于：包含：
激光器，输出激光光束，提供汇流条焊带焊接能量；
光束聚焦***，将激光束聚焦至焊接区域；
预压机构，在需要焊接的区域附近施加预压力；
Z轴向运动单元，用于激光束的聚焦和离焦控制；
一维电控运动平台，驱动焊接头沿汇流条方向移动，实现整条焊带的焊接。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其特征在于：所述激光器的输出光路上布置光束聚焦***，光束聚焦***包含沿光路设置的扩束镜、反射镜以及激光焊接头，扩束镜扩束后的激光光束经反射镜进入激光焊接头，激光焊接头将激光束聚焦至焊接样品上。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其特征在于：所述激光焊接头包括聚焦镜以及置于其上同轴的用于监控激光焊接区域温度的温度反馈***，聚焦镜焦距5mm～10000mm，聚焦镜将激光光束形成汇聚光束聚焦于焊接样品，温度反馈***接受焊接过程中热辐射反射光，热辐射反射光通过聚焦镜并透过反射镜传输至温度反馈***，温度反馈***采集焊接热辐射光束转化为温度信息，对焊接区域的温度进行标定。
4.根据权利要求2或3所述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其特征在于：所述激光焊接头安装于第一Z轴向运动单元上，可上下平移用以调节激光焊接头焦点和激光焊接光斑尺寸。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其特征在于：所述第一Z轴向运动单元安装于一维电控运动平台上。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其特征在于：还包含用于检测焊带位置的视觉影像***，视觉影像***安装于第二Z轴向运动单元上，可上下移动调节视觉影像焦点，识别焊接样品的位置信息。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其特征在于：所述第二Z轴向运动单元安装于一维电控运动平台上。
8.根据权利要求6所述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其特征在于：所述视觉影像***包含相机以及连接其上的影像镜头和照明光源。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其特征在于：所述预压机构包含L型立架、导向板以及导向杆，L型立架的侧面竖立安装一导向板，导向板上沿竖向开设有导向槽，L型立架的横板上设有轴向孔，导向杆置于轴向孔中，可沿其上下滑动，导向杆的上端部安装一导向块，导向块配合于导向板的导向槽中，可沿导向槽上下滑动，导向杆的下段套置一弹簧，导向杆的下端部安装一压轮座，弹簧的上端与L型立架的横板下底面相抵接，弹簧的下端与压轮座相抵接，压轮座上安装有压轮。
10.根据权利要求2所述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其特征在于：所述激光焊接头为扫描振镜、固定式焊接头或摆动式焊接头。
11.根据权利要求1所述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其特征在于：所述激光器为连续激光器或脉冲激光器，连续激光器对焊带加热使焊带的表层锡层受热热熔实现锡层间互连，即热导式焊接；脉冲激光聚焦在焊带上，在作用区形成将强的激光能量密度将材料气化，在材料内部形成空腔致使材料之间紧密咬合，两层焊带的铜层熔接形成极高的焊接强度，即穿透式焊接。
12.根据权利要求11所述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其特征在于：所述连续激光器为波长400nm～3000nm或9000nm～11000nm、平均功率大于10W的气体激光器、半导体激光器或光纤激光器。
13.根据权利要求11所述的太阳能电池汇流条激光焊接装备，其特征在于：所述脉冲激光器为中心波长400nm～3000nm或9000nm～11000nm、平均功率大于10W、重复频率1Hz～10MHz、功率大于10W、脉冲持续时间10fs～10ms的脉冲激光器。
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