CN102074612A - GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统 - Google Patents

GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统 Download PDF

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蔡诗鸣
徐晓炯
杜春峰
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Abstract

本发明公开一种新能源以及空间物理电源领域-光伏发电系统的GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统，包括焊接平台、氮气接口、焊接电源、移动平台、太阳电池焊接工装、控制部件、真空泵、焊接电极机构和电源稳压器；通过分步的熔焊焊接操作将单结砷化镓太阳电池的正负电极分别同银互连片进行连接，起到电极引出的作用。该系统应用到GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接的焊点具有焊接合格率高、操作便捷、焊点抗拉强度高、耐空间环境能力强的特点。

Description

GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统
技术领域
本发明涉及一种新能源以及空间物理电源领域-光伏发电系统的焊接系统，具体地说，涉及的是一种GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统。
背景技术
GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池是一种可直接将太阳能转化成电能的装置，其主要使用GaAs材料及Ge衬底制作而成。砷化镓太阳电池本身没有正负极引出装置，需要外接银互连片将砷化镓太阳电池的正负极分别引出。银互连片与单结砷化镓太阳电池的连接采用的是电阻焊接工艺。一般卫星的寿命期大于3年，为了保证卫星在轨工作时电能输出的可靠性，需要焊接工艺具有很高的耐空间环境能力。与锡焊焊接方式相比，电阻焊接具有更宽的温度应用范围，是目前各类航天飞行器太阳电池的焊接操作工艺的首选。
鉴于GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池基体材料机械强度差和耐压力、耐热冲击、耐大电流冲击能力差的特点，可将电阻焊接技术成功应用于单结砷化镓太阳电池的批量焊接生产中。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统，应用于单结砷化镓太阳电池与银互连片之间的焊接操作。
为实现以上目的，本发明提供了一种GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统，包括焊接平台、氮气接口、焊接电源、移动平台、太阳电池焊接工装、控制部件、真空泵、焊接电极机构和电源稳压器。其中：太阳电池焊接工装通过固定螺母安装在移动平台的指定位置上；真空泵通过真空管与太阳电池焊接工装连接，放置焊接件之后，通过真空吸附将焊接件固定在太阳电池焊接工装的指定位置上；焊接电极机构上安装焊接电极，焊接电极机构安装在焊接平台上，通过上下移动气缸驱动；上下移动气缸与氮气接口连接，由比例阀控制精确移动位置；电源稳压器与焊接电源相连，市电通过电源稳压器的整流进入焊接电源；焊接电源的电流输出端通过焊接电极机构最终与焊接电极相连，焊接时再通过与焊接件的接触形成焊接电流回路，在焊接件上产生足够热量；控制部件与移动平台及焊接电源相连，通过时序控制，整合移动平台移动及电阻焊接动作的操作衔接；控制器以模拟信号方式反馈焊接过程中产生的实际电流值与实际电压值；操作人员可通过程序操作界面控制移动平台X方向、Y方向移动，焊接电极机构气缸移动距离，焊接波形参数(上升时间、稳定时间、下降时间)设置，完成“焊接”、“定位”等程控操作。
本发明针对单结砷化镓太阳电池的特殊性，焊接过程采用了平行微间隙焊接电极对其进行焊接操作。
本发明中，单结砷化镓太阳电池的电阻焊接是在恒电压的条件下，通过对大电流波形输出的精密控制达到焊接所需的热量，将银互连片与太阳电池主电极熔接为一体。
本发明中，焊接电流波形为双脉冲形式，前脉冲为预热阶段，后脉冲为焊接阶段。
本发明中，焊接电源采用的晶体管式焊接电源，在焊接过程中具有防止飞溅的功能。
本发明中，单结砷化镓太阳电池焊接工装采用铝材料，有利于焊接过程中瞬时大电流通过电池时，积聚于太阳电池体内的热量通过焊接工装快速散发。
本发明中，控制部件有程控功能，能自动完成多点焊接操作。
本发明系统配置了电源稳压器，能在市电网波动的条件下正常进行单结砷化镓太阳电池焊接操作。
本发明具有突出的实质性特点和显著的进步：①大电流波形控制精度高，从而提高了单结砷化镓太阳电池焊接的合格率；②设备适用范围大；③焊点的空间环境适应能力强；④焊接系统适合进行批量生产；⑤焊接过程抗电网波动能力强。由于单结砷化镓太阳电池具有光电转换效率高、抗高能粒子辐照能力强的特点，GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池将在航天飞行器电源系统中扮演重要角色，本发明的电阻焊接系统将在空间用太阳电池板的制作中有着广泛的应用前景。
附图说明
图1为GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统部件图；
图2为太阳电池焊接工装结构图；
图3为GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统程序操作界面图；
图4为GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，以下的描述仅用于理解本发明技术方案之用，不用于限定本发明的范围。
本发明提供了一种GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统，如图1所示，在该实施例中，包括焊接平台1、氮气接口2、焊接电源3、移动平台4、太阳电池焊接工装5、控制部件6、真空泵7(图中未标出)、焊接电极机构8和电源稳压器9。其中：太阳电池焊接工装5通过固定螺母安装在移动平台4的指定位置上；真空泵7通过真空管与太阳电池焊接工装5连接，放置焊接件之后，通过真空吸附将焊接件固定在太阳电池焊接工装5的指定位置上；焊接电极机构8上安装焊接电极18，焊接电极机构8安装在焊接平台1上，通过上下移动气缸驱动；上下移动气缸与氮气接口2连接，由比例阀控制精确移动位置；电源稳压器9与焊接电源3相连，市电通过电源稳压器9的整流进入焊接电源3；焊接电源3的电流输出端通过焊接电极机构8最终与焊接电极相连，焊接时再通过与焊接件的接触形成焊接电流回路，在焊接件上产生足够热量；控制部件6与移动平台4及焊接电源3相连，通过时序控制，整合移动平台4移动及电阻焊接动作的操作衔接；控制器以模拟信号方式反馈焊接过程中产生的实际电流值与实际电压值；操作人员可通过程序操作界面控制移动平台4X方向、Y方向移动，焊接电板机构8气缸移动距离，焊接波形参数(上升时间、稳定时间、下降时间)设置，完成“焊接”、“定位”等程控操作。如图3所示，为GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统程序操作界面图，图中未作说明的“长方形框(框中无字)”是需要输入参数的。长方形框中有字的为按钮。当点击“建议参数”时，操作方式转为“手动”状态，右上界面为无效对话框(无法输入数据，为暗色)。当点击“自动”是，右上界面可以输入数据。当平台移动到接近限位位置时，“位置坐标”方向显示大红色，加以警示。
本实施例中，所述的太阳电池焊接工装5采用铝材料。太阳电池焊接工装5的结构如图2所示，包括底板10，真空面板11，压紧板12，十字槽沉头螺钉13，橡胶垫14，内六角螺栓15。其中真空面板通过内六角螺栓固定在底板上，真空面板和底板之间设置有橡胶垫。压紧板通过十字槽沉头螺钉压在真空面板。底板上还设有O型密封圈以及气管接口，O型密封圈16设置在底板和气管接口17之间。
本实施例中，所述的移动平台4长1200mm，宽400mm，X方向最大移动距离为1000mm，Y方向最大移动距离为150mm。
本实施例中，所述的焊接电极18采用平行间隙电极对，电极底面尺寸为0.2mm×1.0mm，焊接电极对间隙为0.25mm。
本实施例中，所述的焊接电流波形为双脉冲形式，前脉冲为预热阶段，后脉冲为焊接阶段。
本实施例中，所述的焊接电源3为晶体管式焊接电源3。
本实施例中，所述的控制部件6与焊接电源3采用集成结构。
本实施例中，GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统的工作过程，如图3所示，：首先将太阳电池单片焊接工装5安装在移动平台4上，连接真空泵7；依次将待焊接的砷化镓太阳电池与银互连片放入太阳电池单片焊接工装5中的指定位置，砷化镓太阳电池正面朝上；开启真空泵7，固定电池与银互连片的相对位置；操作移动平台4移动，使焊接电极对准太阳电池上的一个焊点位置；设定焊接电源3的恒定电压值及电流期望值；操作焊接电极机构8位置下降，在焊接位置上夹紧银互连片与太阳电池主电极，并保持恒定压力；晶体管式焊接电源3通过焊接电极与银互连片及太阳电池主电极之间形成瞬时大电流回路；银互连片与砷化镓太阳电池在焊接位置上因为大电流产生的热量致使两个器件接触部分发生熔接，完成一个焊点位置的电阻焊接操作；操作移动平台4移动至下一个焊点位置，再次进行焊接；重复以上操作直到完成1片太阳电池上所有焊点的焊接操作。
电阻焊接中所产生的热量计算公式如下：
Q＝I2RT
本实施例中，主要性能指标：
(1)恒定电压值：0.35V；
(2)电流值范围：50A～70A；
(3)焊接压力值范围：5N～7N；
(4)氮气输入压强：0.35MPa；
(5)焊接后单结砷化镓太阳电池FF衰减小于1.5％。
从以上描述可以看出，本发明通过分步的熔焊焊接操作将单结砷化镓太阳电池的正负电极分别同银互连片进行连接，起到电极引出的作用。该系统应用到GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接的焊点具有焊接合格率高、操作便捷、焊点抗拉强度高、耐空间环境能力强的特点。

Claims (8)

1.一种GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统，其特征在于包括焊接平台、氮气接口、焊接电源、移动平台、太阳电池焊接工装、控制部件、真空泵、焊接电极机构和电源稳压器；其中：太阳电池焊接工装通过固定螺母安装在移动平台的指定位置上；真空泵通过真空管与太阳电池焊接工装连接，放置焊接件之后，通过真空吸附将焊接件固定在太阳电池焊接工装的指定位置上；焊接电极机构上安装焊接电极，焊接电极机构安装在焊接平台上，通过上下移动气缸驱动；上下移动气缸与氮气接口连接，由比例阀控制移动位置；电源稳压器与焊接电源相连；焊接电源的电流输出端通过焊接电极机构最终与焊接电极相连；控制部件与移动平台及焊接电源相连。
2.根据权利要求1所述的GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统，其特征在于：所述的焊接电极采用平行间隙电极对。
3.根据权利要求2所述的GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统，其特征在于：所述的焊接电极底面尺寸为0.2mm×1.0mm，焊接电极对间隙为0.25mm。
4.根据权利要求1或2或3所述的GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统，其特征在于：所述的焊接电极的焊接电流波形为双脉冲形式，前脉冲为预热阶段，后脉冲为焊接阶段。
5.根据权利要求1所述的GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统，其特征在于：所述的焊接电源为晶体管式焊接电源。
6.根据权利要求1或5所述的GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统，其特征在于：所述的焊接电源通过电源稳压器接入市电。
7.根据权利要求1所述的GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统，其特征在于：所述的控制部件有程控功能，能自动完成多点焊接操作：它通过时序控制，整合移动平台移动及电阻焊接动作的操作衔接；控制器以模拟信号方式反馈焊接过程中产生的实际电流值与实际电压值：操作人员通过程序操作界面控制移动平台X方向、Y方向移动，焊接电极机构气缸移动距离，焊接波形参数设置，完成“焊接”、“定位”程控操作。
8.根据权利要求1或7所述的GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池电阻焊接系统，其特征在于：所述的移动平台长1200mm，宽400mm，X方向最大移动距离为1000mm，Y方向最大移动距离为150mm。
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