王志彬,贺 虎,陈萌炯,黄三玻,王训春
(上海空间电源研究所,上海 200245)
空间级太阳电池阵是由多个太阳电池单体通过互连片连接组成的,互连片的连接性能决定了太阳电池电路的输出性能[1]161-188。随着航天事业的快速发展,飞行器对能源的需求越来越大,寿命也越来越长;而环境条件越来越恶劣,特别是原子氧环境对互连片的侵蚀严重[2],传统的银质互连片已经不能满足使用需求。为解决太阳电池电路的原子氧环境寿命问题,研制了新型钼镀银、可伐镀银的互连片[3-5]。
焊接质量直接决定了太阳电池电路的输出性能,因此焊接技术成为电池电路的一大技术难题。由于互连片厚度通常小于0.05 mm,其焊接技术属于微连接技术,焊接影响因素多;只有掌握影响焊接的因素和规律,才能提高太阳电池焊接的合格率 和可靠性。本文对影响焊接质量的因素进行分析,旨在摸索出太阳电池电路微连接技术参数。
太阳电池阵由多个太阳电池单体串并联组成,电池间通过互连片以焊接方式连接起来,典型焊接界面如图1所示。可以看出,互连片与太阳电池焊接界面为银和银焊接,是比较易焊接的接触界面。
图1 互连片与太阳电池焊接界面 Fig.1 Welding interface between interconnector and solar cell
根据太阳电池阵焊接部位和焊接结构,焊接可分为压焊和钎焊。钎焊属于手工焊接,焊接质量和焊接速度相对较差,不利于工程化批量生产。压焊可以采用自动焊接设备实现,是目前航天器太阳电池阵焊接采用的主要方式之一。太阳电池与互连片的焊接属于压焊中的点焊工艺,采用的设备是平行间隙电阻焊接系统。
平行间隙电阻焊的焊接设备及焊接原理如图2所示[6]。根据焊接原理和焊接过程,影响焊接质量的因素主要有被焊材料、焊接表面状态以及焊接参数(焊接电流、焊接压力以及焊接时间)等。
图2 平行间隙电阻焊接设备及原理 Fig.2 Equipment and principle of parallel gap resistance welding
互连片材料种类决定了焊接难易及空间环境适应性。不同金属可以形成合金,也可能不能固熔。常用互连片材料特性如表1所示[1]251-256。
表1 常用互连片材料特性 Table1 Commonly used material properties of interconnector
由表1可以看出,钼与可伐互连片均具有良好的耐原子氧性能,钼还具有较高的导热性和拉伸强度,同时无铁磁性,无疑是互连片长寿命设计的可选材料。为提高钼的可焊性,在其表面镀一层金属银,焊接界面如图1所示。由于金属银具有高导热率和低电阻率,应采用更严格的规范进行焊接。根据太阳电池阵用焊接设备性能及传统工艺经验,选择焊接电流为150 A,焊接时间为80 ms。
表面粗糙度主要影响焊接时的接触电阻[7]随互连片表面粗糙度增大,接触电阻增大,有利于焊接初期的生热,能提高焊接强度。但当互连片表面粗糙度过大时,反而造成焊接界面结合不致密,焊接强度降低。焊接电流为150 A、焊接时间80 ms时,互连片粗糙度与焊接强度的关系如图3所示。通过工艺试验发现,表面粗糙度小于150 µm 有利于焊接,实际工程中将钼镀银互连片表面粗糙度控制在100~180 µm 左右。
图3 粗糙度与焊接强度关系 Fig.3 Relationship between roughness and welding strength
电阻焊接的原理是利用焦耳热进行焊接,点焊时产生的热量Q=Ⅰ2Rt,焊接电流、焊接时间及接触电阻对焊接性能均有影响。其中接触电阻与材料种类、表面状态及焊接压力有关,因此对于确定的钼镀银互连片材料,焊接压力是焊接过程的关键参数。焊接压力主要是通过接触面积和接触电阻来影响电阻点焊过程。其他条件不变的情况下,加大焊接压力会使焊盘接触面积增大,接触电阻和电流密度减小,导致熔核减小;而减小压力,会使接触电 阻增大,温度急剧上升,导致喷溅而无法形成焊核。通过工艺参数摸索,焊接电流为150 A、焊接时间为80 ms 时,焊接压力对焊接强度的影响如图4所示。经焊接工艺试验,确定焊接压力应控制在 30 MPa 左右。焊点压痕如图5所示,焊点边缘规则,焊核饱满。
图4 焊接压力与焊接强度关系 Fig.4 Relationship between the electrode pressure and the welding strength
图5 焊点压痕检测 Fig.5 The dent of the welding spot
理论上,点焊接头的强度决定于熔核的几何尺寸及其内外质量。一般要求熔核直径随着焊接材料厚度的增大而增大,《焊接工程师手册》[8]中对 点焊熔核质量的一般要求为
其中:dn为熔核直径;δ为焊件最薄厚度。
钼镀银互连片厚度为30 µm 左右,根据式(1)计算可得点焊熔核直径应≥27 µm。对太阳电池与钼镀银互连片焊点进行无损检测,得到焊点焊核如图6所示,其焊接截面如图7所示。可以看出,最小焊核直径约为190 µm,远超焊接质量要求。
图6 焊点焊核检测 Fig.6 Testing of the spot welding nucleus
图7 焊接焊点截面检测 Fig.7 Testing of the solder joint section
通过大量焊接工艺试验摸索出钼镀银互连片焊接参数,并在试验前后对太阳电池电性能进行测试,具体试验参数与结果如表2所示。可以看出,通过控制焊接过程中焊接电流、焊接压力及焊接时间,可实现钼镀银互连片与太阳电池的良好焊接,焊接前后太阳电池电性能几乎无衰降,满足电性能输出要求;焊接强度大于0.83 N/mm2,满足太阳电池焊接强度指标要求[9]。
表2 钼镀银互连片与太阳电池焊接结果 Table2 Welding results of silver-plated molybdenum connected with solar cell
通过对太阳电池电路焊接工艺过程分析及试验摸索,初步掌握了新型耐原子氧钼镀银互连片的焊接工艺参数,焊接点的焊接强度达到指标要求,为太阳电池阵长寿命设计积累了数据。后续为推进 工程应用,还需开展空间原子氧环境试验及焊接可靠性试验。
(References)
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