CN114029620A - 超薄金属材料焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超薄金属材料焊接工艺，包括以下步骤：S01对待焊的材料表面进行激光表面处理，在表面形成微纳尺度的金属凸起或颗粒；S02采用焊接工艺对激光处理后的材料进行焊接，在低焊接热输入下实现超薄金属材料的高性能连接。与现有技术相比，本发明可在低焊接热输入下，实现界面的可靠连接，从而避免焊接热造成的材料损伤。

Description

超薄金属材料焊接工艺

技术领域

本发明属于太阳能电池连接技术领域，涉及一种用于降低超薄金属材料焊接临界热输入的激光表面处理方法。

背景技术

与传统供能器件相比，太阳能电池具有诸多独特优势：可持续、无污染、无噪声、重量轻、可弯折(柔性太阳能电池)、稳定可靠，在建筑、交通、通讯、海洋、气象、航天等领域有着广泛应用。太阳能电池组件通常由几十片至数百片的电池片通过串并联构成，具体来说，电池片之间通常由高导电材料金属制成的互连片相连形成电流通路，因此，互连片与电池片、互连片与互连片之间的连接质量直接作用于电池的可靠性。

一般来说，互连片为微米级厚的金属箔(如银箔)；电池片的电极表面为高导电材料镀层(如银、金、铜)，下方为半导体层，衬底为玻璃或高分子材料。对于互连片焊接来说，高的焊接热输入极易造成箔片焊穿，造成强度与导电性的大幅下降；而对于电池片焊接来说，高的焊接温度极易损害半导体层以及高分子衬底，这会造成电池的导电性下降甚至失效。

因此，解决以上问题，减少焊接过程对焊件的影响，对于太阳电池的制造具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供超薄金属材料焊接工艺。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：超薄金属材料焊接工艺，包括以下步骤：

S01对待焊的材料表面进行激光表面处理，在表面形成微纳尺度的金属凸起或颗粒；

S02采用焊接工艺对激光处理后的材料进行焊接，材料表面的微纳尺度的金属凸起或颗粒可在低于材料熔点的温度下发生熔化，在焊接过程中，处于连接界面的微纳金属凸起或颗粒发生熔化和凝固，获得界面的冶金连接，进而在低焊接热输入下实现超薄金属材料的高性能连接。

进一步地，所述的待焊的材料为厚度为1～500μm的超薄金属材料或具有同等厚度金属镀层的材料，待焊的材料包括太阳能电池的互连片与电池片、互连片与互连片之间的连接。

进一步地，所述的激光表面处理是采用超快激光在待焊的材料表面进行处理。

进一步地，所述的超快激光为飞秒激光或皮秒激光。

进一步地，所述的激光表面处理的轨迹采用平行线排布或交叉的平行线排布形式，相邻平行线间隔为0.5～50μm。

进一步地，所述的激光表面处理步骤为，首先采用酒精或其他清洁剂对于材料待处理表面进行清洁，除去表面污染物，将清洁后的材料固定于工作台面上，确保样品待加工表面平整无翘曲，采用超快激光对材料待加工区域进行表面处理，激光功率设置为10～30mW，波长为450～550nm，脉宽为260～300fs，脉冲频率为0.5～3MHz，激光扫描速度为5～15mm/s。

进一步地，激光表面处理后在材料表面形成微纳尺度的金属凸起或颗粒的大小为10nm～1μm，密度为每平方微米10～5000个。

进一步地，所述的焊接工艺为电阻焊或热压焊。

进一步地，一次焊接的材料层数为2层以上。

进一步地，所述的焊接工艺的临界热输入一般为常规未经激光表面处理的焊接临界热输入的20％-50％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过在材料表面形成微纳结构，使得连接界面在低于材料熔点的温度下发生熔化，可以在较低热输入下实现超薄金属材料的可靠连接；同时通过使用超快激光进行焊前预处理，可以实现对超薄金属材料表面的改性，同时热输入少，对于基材的影响很小，从而避免焊接热造成的材料损伤。

2.本发明仅仅通过在常规焊接工艺之前增加超快激光预处理便能实现降低超薄金属材料焊接临界热输入的有益效果，且焊接界面牢固可靠，易于在生产中进行应用。

附图说明

图1为本发明激光表面处理与焊接过程的工艺简图；

图2为银互连片激光表面处理示意图；

图3a为银互连片表面在激光处理前的微观形貌；

图3b为银互连片表面在激光处理后的微观形貌；

图4a为银互联片平行间隙电阻点焊工艺示意；

图4b为图4a的A部放大图；

图5为银互联片焊后样品外观；

图6为不同材料表面状态下的银互连片点焊接头拉剪强度；

图7a为无激光表面处理的不同材料表面状态下的银互连片点焊接头拉剪断裂模式；

图7b为单面激光表面处理的不同材料表面状态下的银互连片点焊接头拉剪断裂模式；

图7c为双面激光表面处理的不同材料表面状态下的银互连片点焊接头拉剪断裂模式；

图7d为界面断裂和母材断裂的实物状态图；

图8为不同材料表面状态下的银互连片点焊接头界面处截面显微形貌。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明提供了一种超薄金属材料焊接工艺，包括以下步骤：

S01、将待焊的材料(超薄金属片1)置于超快激光扫描头2下方的工作台面上，激光束3按照平行线排布或交叉的平行线排布形式的扫描轨迹4对材料表面进行激光表面处理，在表面形成微纳尺度的金属凸起或颗粒；

S02、将两片激光表面处理后的超薄金属片5置于焊机工作台上，采用电阻点焊或热压焊对激光处理后的材料进行焊接。在电阻点焊过程中，电阻点焊机焊头6驱动焊接电极7对材料表面施加压力，待压力稳定后加载焊接电流，电极端头与材料受压区域在电流作用下产生焦耳热，从而实现焊接。与之相类似，在热压焊过程中，热压焊焊机焊头8驱动热压焊咀9对材料表面施加压力，待压力稳定后加载焊接电流，焊咀端头在电流作用下产生焦耳热，从而实现焊接。材料表面的微纳尺度的金属凸起或颗粒可在低于材料熔点的温度下发生熔化，在电阻点焊或热压焊过程中，处于连接界面的微纳金属凸起或颗粒发生熔化和凝固，获得界面的冶金连接，进而在低焊接热输入下实现超薄金属材料的高性能连接。

其中待焊的材料为太阳能电池的互连片或电池片；

采用的设备均为市售产品。

下面通过具体实例进行说明。

实施例1：

一、焊接材料及设备

1)待焊的材料为20μm厚的银互连片；

2)激光设备使用了市售的飞秒激光器(如可选用通快公司TruMicro 5000系列型号的飞秒激光器)；

3)焊接设备使用了平行间隙电阻点焊机(为市售产品，如可选用AVIO公司MCW-750的电阻点焊机)。

二、激光表面处理工艺

首先，采用酒精对于银互连片待处理表面进行擦拭清洁，去除表面污染物，然后将其固定于工作台面，确保平整无翘曲。本实施例采用的激光表面处理工艺流程参见图1。其中，飞秒激光的功率设置为20mW，波长为515nm，脉宽为280fs，脉冲频率为1MHz，扫描速度为10mm/s，扫描路径采用等距平行线排布方式，平行线间距为5μm，10μm。图2为处理示意图，其中待焊的材料：银互连片10和银互连片11，其表面激光处理区即待焊接面12，激光束3的扫描轨迹4为等距平行线排布方式，平行线间距H为5～10μm。

银互连片表面在激光处理前后的微观形貌如图3a-3b所示，可以看出，经激光表面处理后，在银互连片表面形成微纳尺度的金属凸起或颗粒。

三、焊接工艺

本实施例采用的焊接工艺为平行间隙电阻点焊，参见图4a，将2片激光处理后的材料(银互连片10和银互连片11)组装成搭接接头进行焊接，激光处理的材料表面需相互接触，电阻点焊机焊头6驱动焊接电极7下压至材料待焊区，预压一段时间以稳定焊接压力，之后加载恒压焊接电流实施焊接，焊接电流产生的焊接热形成焊点13，其位于两片材料接触面。如图4b所示，电阻点焊机的焊接电极7下方，银互连片10和银互连片11之间的微纳尺度的金属凸起或颗粒可在低于材料熔点的温度下发生熔化，形成的熔化层14将银互连片10和银互连片11界面连接。对比不同焊接电压(0.4V，0.6V，0.8V，1.0V)对于接头强度的影响，焊接时间固定为30ms，电极焊前预压时间固定为50ms，焊后保持时间固定为50ms，焊接电极压力固定为10N。

银互联片焊后样品外观如图5所示。

四、焊接接头力学性能

图6对比了不同焊接电压下未经激光表面处理和经过激光表面处理的焊接接头拉剪强度。拉剪测试前将图4中所示的银互连片11的4个焊爪分割开，以便于对于每个焊点分别进行拉剪测试。对于无激光表面处理的接头，随着焊接电压的增大，焊点的强度逐渐升高，这主要是由于焊接电压增大促使焊接热输入增加，这有利于界面处的原子互扩散行为，有利于界面处实际连接面积的增大。对于激光处理后的接头，焊接电压增加引发的焊接热的增加同样有利于接头强度的增加，但在相同的焊接电压下，即相同的热输入下，激光表面处理后的接头强度显著高于无激光表面处理的接头，这也意味着在相对低的焊接热输入下，对材料进行焊前激光表面处理可获得强度较高的接头。例如，0.4V焊接电压下的有激光表面处理接头拉剪峰值载荷约为4.2N，甚至略高于0.8V焊接电压下的无激光表面处理的接头拉剪峰值载荷(4.0N)。

图7统计了无激光表面处理和有激光表面处理下焊接接头的拉剪断裂模式，断裂模式可分为：1)界面断裂，即断裂发生在连接界面处，这表明界面连接强度减弱；2)母材断裂，即断裂发生在焊点附件的母材处，这表明界面连接强度较高。图7a为无激光表面处理的不同材料表面状态下的银互连片点焊接头拉剪断裂模式；图7b为单面激光表面处理的不同材料表面状态下的银互连片点焊接头拉剪断裂模式；图7c为双面激光表面处理的不同材料表面状态下的银互连片点焊接头拉剪断裂模式；图7d为界面断裂和母材断裂的实物状态图，通过图7a-7c的柱状图可以看出，对于无激光表面处理的接头，其断裂模式在低焊接电压下(0.4～0.6V)断裂模式均为界面断裂，电压升高至0.8V及以上时，部分接头开始出现母材断裂；对于有激光表面处理的接头，其仅在0.4V电压下出现少量界面断裂，焊接电压达到0.6V及以上时，断裂均发生在母材处，这表明焊前的激光表面处理可以现在增强界面强度，即可实现在较低热输入下的界面可靠连接。

五、焊接接头界面形貌

图8为三种材料表面状态下(无激光表面处理、单面激光表面处理、双面激光表面处理)的银互连片点焊接头界面，所采用的焊接电压均为0.6V。对于无激光表面处理的界面来说，界面存在大量的间隙，即未连接区域；焊前对材料进行单面激光表面处理后(即对一侧材料表面进行处理)，界面的连接区域大幅提升，但仍存在少量间隙，同时激光表面处理形成的凹槽处存在少量未连接，但由于其宽度仅为约1μm，其对界面整体强度的影响较为微弱；而对于焊前采用双面激光表面处理的样品，其界面的间隙消除，仅在凹槽位置存在少量未连接，这对于界面整体强度的影响同样较为微弱。总体来说，激光表面处理有利于消除界面间隙，提升界面实际连接面积，这使得接头可以在低热输入条件下获得较高的连接强度。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超薄金属材料焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S01对待焊的材料表面进行激光表面处理，在表面形成微纳尺度的金属凸起或颗粒；

S02采用焊接工艺对激光处理后的材料进行焊接，在低焊接热输入下实现超薄金属材料的高性能连接。

2.根据权利要求1所述的一种超薄金属材料焊接工艺，其特征在于，所述的待焊的材料为厚度为1～500μm的超薄金属材料或具有同等厚度金属镀层的材料。

3.根据权利要求1所述的一种超薄金属材料焊接工艺，其特征在于，所述的激光表面处理是采用超快激光在待焊的材料表面进行处理。

4.根据权利要求3所述的超薄金属材料焊接工艺，其特征在于，所述的超快激光为飞秒激光或皮秒激光。

5.根据权利要求1或3所述的超薄金属材料焊接工艺，其特征在于，所述的激光表面处理的轨迹采用平行线排布或交叉的平行线排布形式，相邻平行线间隔为0.5～50μm。

6.根据权利要求1或3所述的超薄金属材料焊接工艺，其特征在于，首先对材料待处理表面进行清洁，除去表面污染物，将清洁后的材料固定于工作台面上，确保样品待加工表面平整无翘曲，采用超快激光对材料待加工区域进行表面处理，激光功率为10～30mW，激光波长为450～550nm，激光脉宽为260～300fs，激光脉冲频率为0.5～3MHz，激光扫描速度不低于5mm/s。

7.根据权利要求1所述的超薄金属材料焊接工艺，其特征在于，激光表面处理后在材料表面形成微纳尺度的金属凸起或颗粒的大小为10nm～1μm，密度为每平方微米10～5000个。

8.根据权利要求1所述的超薄金属材料焊接工艺，其特征在于，所述的焊接工艺为电阻焊或热压焊。

9.根据权利要求1所述的超薄金属材料焊接工艺，其特征在于，一次焊接的材料层数为2层以上。

10.根据权利要求1所述的超薄金属材料焊接工艺，其特征在于，所述的焊接工艺的临界热输入一般为常规未经激光表面处理的焊接临界热输入的20％-50％。

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