国家电投集团西安太阳能电力有限公司 ■ 魏亚楠 苗林 李媛媛 张银环 张勤善

0 引言

光伏接线盒的主要作用是将组件产生的电流通过线缆导出，作为光伏组件的重要组成部分，其汇流带与接线端子焊接是否可靠，直接关系着光伏组件电流输出的稳定性与连续性[1]。本文对光伏电站出现的焊点脱落现象进行了分析，确定了影响焊接的主要因素，并通过试验设计(DOE)方法，得出最优的焊接参数。

1 焊点失效的原因

光伏组件在运行一段时间后，由于热应力等原因会导致焊点脱落，使组件功率下降，影响发电量。同时，在脱落的焊点中，部分焊点出现脱开后中间有硅胶残留的现象，如图1所示。

图1 焊点中间夹有硅胶的图片

高温焊接时焊锡与被焊金属之间会快速形成一层薄的类似“锡合金”的化合物。此化合物主要是锡原子与被焊金属原子之间相互结合、渗入、迁移及扩散的结果，并在冷却固化后立即出现一层薄薄的化合物；其在后期会逐渐成长增厚，主要表现为Cu6Sn5和 Cu3Sn两种化合物。其中，Cu3Sn的合金结构强度差，表现为焊点表面多孔、较脆，会影响焊点强度[2]。

表1 Cu6Sn5与Cu3Sn两种金属间化合物的结合层比较

剪下一些因其他原因而报废的光伏组件的焊点处，使用拉力测试仪将焊点拉开后发现，有的焊点拉力偏小、焊点中间有孔洞，表现为虚焊；有的焊点拉开后焊点表面呈现灰色、多孔的现象，焊接处拉力偏小，表现为过焊。

结合以上的失效现象及机理分析后发现，造成组件焊点脱开的主要原因除焊点虚焊之外，过焊也是主要原因之一。部分焊点因为焊接温度过高或焊接时间过长，导致合金层变脆、强度下降。

2 焊接参数优化

2.1 模拟试验

为了对比不同焊接时间及焊接温度对焊接拉力的影响，将接线盒内的金属件取出，模拟焊接制样。图2为模拟焊接后测试的焊接拉力与电阻情况。一组样品在同一焊接温度(420 ℃) 下，逐渐延长焊接时间制样，如图2a所示；一组样品在同一焊接时间 (3 s)下，焊接温度由380 ℃逐渐升温进行焊接，如图2b所示。

图2 不同焊接时间及温度下的焊接拉力与电阻情况

由图2可以看出，不同测试情况下，样品的电阻都相差不大；同一焊接温度下，焊接时间过短或过长时，焊接拉力都表现出下降的趋势；同一焊接时间下，焊接温度过低或过高，焊接拉力也都表现出下降趋势。

分别选取焊接拉力为30.382 N和36.371 N的样品在扫描电镜下观察其剖面结构，如图3所示。可以看出，焊接拉力较低的焊点，在初始时就已表现出裂痕或孔洞。

针对以上现象，有必要对焊接参数进行规范，因此，采用DOE方法来筛选出最优的焊接参数。

图3 不同焊接拉力时的样品剖面图

2.2 DOE方法

2.2.1 试验目的

通过以上分析可知，焊接拉力受焊接温度、焊接时间等因素的影响，通过DOE方法，可以筛选出最优的焊接参数。

2.2.2 试验过程

焊接面积100%接触、穿孔及加锡焊是保证正常焊接的必要条件，这些可通过规范操作来实现，因此本试验中不进行讨论，本试验中的样品全部是在满足以上条件的前提下进行焊接的。

本文主要考虑焊接温度、焊接时间及按压时间对焊接的影响。根据表2中的参数进行DOE建模并进行分析。

表2 焊接参数

根据表2中的参数进行制样，并使用万能材料试验机以反向180°进行焊接拉力测试，测试结果如表3所示。

表3 试验样品焊接拉力测试结果

2.2.3 试验数据分析

1)焊接拉力的方差分析。根据表3中焊接拉力测试的结果，使用Minitab软件对测试结果进行方差分析，如表4所示，以确定试验设计是否有效。

根据DOE方法的判断规则，由表4可以看出，P值均小于0.05，说明模型设计有效，且主效应影响显著。

2)焊接拉力的影响分析。图4为焊接拉力的影响分析图。图中，A为焊接温度，℃；B为焊接时间，s；C为按压时间，s。

图4 焊接拉力的影响分析

表4 焊接拉力的方差分析表

由图4a可以看出，按压时间低于临界点3.18，说明其对焊接拉力的影响不大，其余参数则对焊接拉力有显著影响。

图5 为焊接拉力的主效应与交互作用图。由图5a可以看出，按压时间的回归线较平，则说明影响不显著。

图5 焊接拉力的主效应与交互作用图

3)焊接拉力最优参数选择。图6为焊接拉力的等值线图与曲面图，图7 为焊接拉力参数优化图。

结合图6与图7，并根据DOE分析结果可以看出，焊接温度在430 ℃、焊接时间为2 s、按压时间为2 s时为最优的焊接参数。

图6 焊接拉力的等值线图与曲面图

图7 焊接拉力参数优化图

2.2.4 试验参数的可靠性验证

为了验证试验得出的参数是否可靠，对根据DOE方法制作出的参数焊接样品进行环境试验[3]，测试试验完成后的焊接拉力，并观察合金层结构。具体试验内容及结果如表5所示。

由表5可以看出，经过以上环境试验后，焊点的拉力依然维持在60 N以上；且观察后发现，剖面结构中间的合金层均匀、无空洞。

2.3 小结

综上所述，在保证焊接面积100%达标，焊接时加锡、穿孔的前提下，使用焊接温度为430℃、焊接时间为2 s、按压时间为2 s的焊接参数可保证焊点的长期可靠性。

3 焊点中间夹杂硅胶的原因及影响

3.1 硅胶残留的原因

焊点中间有硅胶，其产生原因主要考虑为在焊点未完全冷却的情况下，未形成牢固的合金层时即灌封硅胶，导致硅胶流入焊点。为此，我们进行了以下模拟试验以进行验证：

表5 环境试验结果汇总

以焊接温度为430 ℃、焊接时间为2 s、按压时间为2 s的参数制样2组，每组4个样品。其中，一组在焊接完成后立即放入1#未固化的硅胶中，另一组在完全冷却后放入2#未固化的硅胶中。完全固化后，将焊点从硅胶中拿出查看，发现1#盒子中有2个样品的焊点中间进入了硅胶，如图8所示。

图8 焊点夹杂硅胶的试验样品图示

3.2 硅胶残留的影响

焊点中间残留硅胶主要有以下两方面的影响：

1)硅胶渗入相当于阻碍了Sn原子与被焊金属原子之间相互结合、渗入、迁移及扩散的通路，使合金层无法形成。

2)硅胶的热膨胀系数约为6×10-4/℃，合金层的热膨胀系数约为1.7×10-5/℃。若焊点中间夹杂硅胶，由于硅胶的热膨胀系数高于合金层，则在温度不断变化时，会导致焊点脱落。

3.3 小结

若在焊点未完全冷却的情况下灌封硅胶，当焊点中间的合金层未完全固化时，焊点中间有进入硅胶的风险。

4 结论

1)焊点的可靠性主要受焊接温度、焊接时间的影响，在保证焊接面积100%达标，焊接时加锡、穿孔的前提下，使用焊接温度为430 ℃、焊接时间为2 s、按压时间为2 s的焊接参数可保证焊点的长期可靠性。

2)在焊点未完全冷却的情况下灌封硅胶，焊点中间有进入硅胶的风险。

5 建议

1)规范焊接操作及焊接参数。建议焊接参数为：焊接温度430 ℃、焊接时间2 s、按压时间2 s。

2)定期对烙铁头温度进行点检控制，以确保温度在要求之内。

3)建议焊点完全冷却后再进行灌封硅胶。员工可以利用冷却的时间对焊点进行一次全面的自检，具体做法为使用镊子挑动焊点进行检查。