串焊机焊头冷却改造方法研究

刘攀，刘丹，王鑫

（1.山西潞安太阳能科技有限责任公司，山西 长治 046000；2.北京北方车辆集团有限公司，北京 100072）

0 引言

串焊机是制作光伏组件的重要设备，焊头是焊接机的核心部位，其主要功能[1]为：在焊带和电池片栅线周围产生交变的磁场，使处于磁场当中的焊带及电池片栅线产生涡电流，从而使焊带和电池片栅线产生热量，将焊带融化并与电池片栅线上的银浆融合，通过冷却达到将焊带焊接到电池片上的目的[2]。连续生产过程中由于焊头部位散热不良，持续出现由于散热不良导致的焊头变压器、电路板烧坏的现象[3]。在车间未改造前1个月焊头变压器被烧坏20～30块，焊头电路板被烧坏3～4块，导致焊接机设备停机故障，严重影响车间生产效益。本文针对此现象提出有效改进措施，以便为后续发生类似问题提供参考。

1 焊接机工作原理

1.1 设备原理及功能

串焊机设备工作原理[4-5]是利用机械传动机构进行电池片搬送，在加热底板上利用热风管的高温气体对电池片进行焊接。串焊机主要用途是：AB两侧可独立运行，把电池片吹分开，经过检测矫正后，放置于传输带上，然后根据要求，在红外线照射下，用焊带电池片焊接成串，实现从电池片上料到电池串出料的全自动加工。

1.2 设备技术要求

设备要求焊带规格为9栅，焊带直径范围为0.3～0.45 mm（±0.05 mm），随机配ϕ0.35 mm规格；焊丝外观要求：表面无漏铜、锡珠、黑斑、伤痕和超过允许偏差的锡渣等缺陷，涂层同心度一致，表面呈光亮金属色，收卷排线平整均匀。焊接方式为红外线焊接，助焊剂为焊带浸泡式。焊接底板有预热功能，焊接温度可调，上料方式为电池片堆叠式，可暂放3个以上的承载盒。机器人为雅马哈四轴机器人，串焊机自带保养提醒功能，AB侧可独立设定保养周期。焊带供料预留到共12个焊带盘位置，最大焊带盘质量为12 kg/盘，可兼容不同焊带厂家的卷盘装置。焊带用完，串焊机自动结束当前串，并具有提示更换焊带的功能。下料电池片串由输送带送至串焊机尾部。

1.3 电磁焊头功能及原理

串焊机电磁焊头的主要功能为[6-7]：在焊带和电池片栅线周围产生交变的磁场，使处于磁场当中的焊带及电池片栅线产生涡电流，从而使焊带和电池片栅线产生热量，将焊带融化并与电池片栅线上的银浆融合，通过冷却达到将焊带焊接到电池片上的目的。电磁焊头结构如图1所示。

图1 电磁焊头结构图

2 焊头散热不良引发的设备故障

由于焊接机焊头长期工作在交变磁场作用下，涡电流产生的高温极易烧坏焊头变压器、电路板，造成现场设备故障停机，影响车间正常生产。现场焊接机焊头部位散热不足，大量高温堆积后将焊头电路板烧坏，焊接机每块电路板都带有程序，电路板和变压器的购买价格昂贵，且电路板更换后被烧坏的可能性依旧较大。车间现场焊头散热不良引发的设备故障现象如图2和图3所示。

图2 焊头变压器不良对比图

图3 焊头电路板不良对比图

3 焊头冷却改造的技术方案

3.1 单螺纹连接改为双螺纹连接

将焊头变压器连接由单螺纹连接更换为双螺纹连接，如图4所示。双螺纹连接可以增加其接触面积，相当于增大其导电面积，根据电阻公式R=ρL/s，密度ρ和长度L不变的情况下，导电面积s增大后，电阻R减小；根据发热量公式Q=I2RT，电流I和时间T不变的情况下，电阻R减小后，焊头变压器发热量Q减少。方案实施后，焊头变压器散热比此前有所提高，但是仍旧出现焊头变压器、电路板被烧坏的现象。

图4 双螺纹连接图

3.2 增加冷却管

考虑到现有冷却管数量不足，采取增加冷却管的措施，如图5所示。正常运行状态下，冷却管跟随机器不停地往焊头上吹气、持续降低焊头温度，经过实际验证，可有效降低焊头变压器、电路板烧坏比例。

图5 增加冷却管图

3.3 更改冷却方式

水冷是通过冷却液把热量带走，保持了热源接触处的温差，提升了导热效率，而且由于水的比热容高，升温慢，吸热能力强[8]，再加上水是流动的，主动提升了交换速度，所以水冷要比风冷效果好，故将焊头冷却方式改为液体冷却。经过实际验证，焊头散热得到很大提升。焊头冷却方式对比如图6所示。

图6 焊头冷却方式对比图

3.4 增加排烟风机

由于设备高温焊接后产生白色颗粒烟雾，容易附着于焊头部位，影响焊接机焊头温度，间接导致高温烧坏电路板故障。增加焊头处的排烟风机，正常运行状态下风机转动，高温白烟经过风扇吹走，可以有效降低焊头温度，如图7所示。

图7 增加排烟风机图

经过以上技术方案的改进，目前焊接机运行1个月内未出现变压器、电路板被烧坏的现象。

4 改造后故障率和效益分析

4.1 焊头改造后故障率对比分析

如图8所示，通过焊头改造后故障率对比分析可以看出：焊头变压器和焊头电路板烧坏个数明显减少，焊接机焊头故障率呈直线下降趋势。

图8 改造后故障率对比分析图

4.2 焊头改造后的综合效益

1）生产效益。由于电路板价格昂贵，车间检修储存的电路板配件有限，再加上生产过程中的电路板持续性频繁烧坏，造成现场设备停机等待电路板现象。焊接机是制作组件工艺的第一个流程，焊接机出现停机故障后，车间生产数量降低，不能按时完成客户订单要求。

2）经济效益。经过改造后的焊接机不再出现烧坏电路板现象，设备故障率明显降低，购买带程序的每块电路板约需4000～5000 元，购买每块变压器价格需800～1500元，经过设备改造后，平均每月节省2.5 万元的设备零配件费用。焊头改造后经济效益分析如图9所示。

图9 改造后经济效益分析图

5 结语

本文将焊头与变压器连接由单螺纹改为双螺纹连接，在焊头变压器上增加冷却管，在焊头上增加排烟风机，更换焊头冷却方式，通过这些措施降低了焊头变压器、电路板烧坏比例，提高了光伏组件的生产效率和焊接质量。