光伏太陽能鋁合金型材的生產工藝控制

1、光伏太陽能鋁合金型材的生產工藝控制【摘要】光伏太陽能鋁合金型材作為邊框對電陽能電池板起支撐作用，對力學性能、幾何尺寸、表面質量、腐蝕性能有極其嚴格的質量要求。本文從合金成分、擠壓工藝、表面處理、包裝各環(huán)節(jié)進行全面的生產工藝技術介紹。重點著重于現(xiàn)場生產指導，對理論原理不作表述。【關鍵詞】光伏太陽能鋁型材合金成分、力學性能、幾何尺寸、擠壓工藝、氧化膜、封孔質量、覆蓋膜質量檢測。    一、光伏太陽能鋁合金型材的發(fā)展前景    當電子、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經濟發(fā)展的瓶頸時，越來越多的國家開始實行“陽

2、光計劃”。開發(fā)太陽能資源，尋求經濟發(fā)展的新動力。    中國對光伏太陽能電池的研究起步于1958年，目前，中國已成為全球主要的光付太陽能電池生產國。2007年全國太陽能電池/模組產量為1188MW，2008年的產量繼續(xù)提高，達到2000MW，2009年中國太陽能電池/模組制造商的產量較2008年倍增，達到8000MW，2010年世界光伏太陽能電池/模組的產量將達到15000MW，其中80%的產量由中國制造。    光伏太陽能鋁合金型材主要用在光伏太陽能電池板上作為其他邊框并起受力支撐作用。光伏電陽能發(fā)電作為可再生、環(huán)保能源，在國際市場

3、和國內政策的推動下，正迎來了發(fā)展高峰期，中國已成為世界第一大太陽電池/模組生產國。而鋁合金邊框型材，更是占據世界第一供應大國的地位，歐美、日本等國的光伏太陽能鋁合金型材，基本上都是從中國進口。按光伏太陽能電池/模組的生產量推算，2009年一年需用鋁合金型材80萬噸，2010年的光伏太陽能鋁合金型材產量將達到160萬噸，其中40%制作成邊框直接出口到歐美、日本等國。2010年全國預測鋁合金型材出口1700萬噸，僅光伏太陽能鋁合金型材一項就將占到總數的近1%，市場前景可想而知。    二、光伏太陽能鋁合金型材的生產工藝及質量要求    光

4、伏太陽能鋁合金作為光伏太陽能的重要附件因長期暴露在野外，其使用壽命在15年以上，對其表面質量要求嚴格，特別是耐腐蝕性能的要求更嚴，型材在組裝時，采用全自動機械化，所以對幾何尺寸的要求特別嚴。目前客戶一般采用GB5237、JISH4100、EN755.2、ENI2020.2、JISH8602等標準執(zhí)行。我國2008年由江陰東華鋁材科技有限公司作為主要起草單位，起草的鋁合金光伏太陽能型材國家標準已進入審訂階段，雖然沒有頒布實施，但我個人認為，有一些條款，不妨用來指導我們的生產還是有一定的意義的，本文在下面有些引用，請讀者諒解。    1、質量要求及型材形狀 

5、   （1）客戶質量要求    A、幾何尺寸嚴格按圖紙要求，未注尺寸按國家標準GB523或GB/T6892超高精級標準驗收。    B、表面光滑不得有模具紋和焊合線、黑線、白線。    C、韋氏硬度10HW以上，部分客戶要求14HW以上。    D、表面噴砂氧化，氧化膜15m，顏色一致，亮度好。    F、表面A、B、C面要求不允許劃傷、磕碰。    E、貼膜要求盡量減少氣泡，貼膜不準偏，不粘膜不

6、脫落。（2）型材形狀，見圖1    2、化學成分的確定    鋁合金太陽能型材作為光伏太陽能電池板的邊框，起支撐電池板的作用，力學性能要求比一般的建筑鋁合金型材、裝飾用鋁合金型材、工業(yè)鋁合金型材的力學性能要求更嚴。GB/T6892-2000、GB5237-2008，對6063合金、6060合金的力學性能規(guī)定見表1。表1  型材的室溫縱向力學性能合金狀態(tài)供應狀態(tài)壁厚/拉伸試驗硬度試驗抗拉強度（Rm）N/mm2規(guī)定非比例伸長應力（Rp0.2）N/mm2伸長率(A50mm)%試樣厚度/維氏硬度HV韋紙硬度HW不大于6060T53.

7、216012083588T6632151606378126063T5所有16011080.8588T6所有2051808107311T6610245200691146063AT5102001605106910101901505T61023019051078121022018046R63T53220180837812             按照表1所列標準的力學性能指標，6060T66、6063T66、6063AT6、6R63T5幾個合金牌號都可滿足韋氏硬度10HW、14HW

8、的要求。化學成分國家標準見表2。表2  鋁及鋁合金的化學成分國家標準（質量分數）%序號牌號SiFeCuMnMgCrTiREZn其它Al備注單個合計160600.30-0.60.1-0.30.100.100.36-0.60.050.10.150.050.15余量260630.20-0.60.350.100.100.45-0.90.100.10.100.050.15余量LD3036063A0.30-0.60.15-0.350.100.150.60-0.90.050.10.150.050.15余量46R630.30-0.70.200.100.150.50-0.70.250.10.10-0.

9、250.030.050.15余量    某公司最先生產鋁合金光伏太陽能型材時，一味強調型材的力學性能，化學萬分選擇6063合金，內挖標準如表3表3  某公司化學成分內控標準(質量分數)%牌號SiFeCuMnMgCrTiZn其它Al單個合計6063A0.40-0.450.250.080.080.62-0.650.050.050.050.050.15余量    按表3內挖標準生產出來的型材、韋氏硬度達到12HW-14HW，但難擠壓，成品率低，陽極氧化后因黑線報廢型材達20%左右，總成品率不到50%，顯然是不滿足生產需要。

10、0;   為了提高成品率，提高單位產量，只有通過改善鑄錠的晶粒組織，添加稀土元素、調整合金元素Si、Mg、Cu含量），以及選擇合理的時效制度四種途徑來解決即要達到客戶要求的力學性能，又便于擠壓，氧化生產。    對于6063合金，合理調整Si、Mg元素的質量比例有助于提高材料的綜合性能，Si元素適當過剩對晶粒細化，改善合金強度有益。實踐證明：6063合金要想兼顧表面質量、力學性能、擠壓性能、合金中降低Fe的含量，減少合金中含F(xiàn)e相AlgFe2Si2、Al2Fe3Si提高擠壓材表面質量。為使合金易于擠壓同等水平的情況下，降低Mg的含量，比降低Si

11、的含量更有效，為保證型材的力學性能，使合金的Si過剩0.25%，形成較多的單晶Si，強度要大于強化相Mg2Si的硬度。    合金中Mg含量過高，擠壓表面麻面、白點較多，不利于擠壓，Si含量過高，型材表面易不規(guī)則地出現(xiàn)拖傷，并且一旦模具設計有一丁點缺陷，就容易產生黑線。    由于光伏太陽能鋁合金型材的表面質量要求較嚴，為了減輕表面處理工序的壓力，同時也為了保證型材的力學性能，在調整合金元素時，適當提高Cu元素的下限也是必要的。下面是某公司通過反復摸索，較為成熟的生產光伏太陽能鋁合金型材的化學成分內挖標準。表4  某公司化學

12、成分內控標準（質量分數）%牌號SiFeCuMnMgCrTiZn其它Al單個合計60600.38-0.400.20008-0100。100.46-0.500.050.050.030.050.15余量    按照表4內挖標準生產的型材韋氏硬度都在10HW12HW之間，符合客戶的一般力學性能要求，且易擠壓，黑線明顯減少，陽極氧化后表面顏色光亮，成品率高，綜合成品率達到84%以上。    對于客戶（例：日本客戶）的特殊力學性能要求，韋氏硬度要求14HW以上的鋁合金光伏太陽能型材，對合金元素的調整就要重新考慮了。前面已經講到添加稀土元素，改善鑄

13、態(tài)組織也能提高力學性能。在Al-Mg-Si系合金中加入適當稀土（在0.18%0.26%范圍內最佳），經過細化處理后的鑄錠，晶粒細化均勻，鑄態(tài)組織得到明顯改善，加工性能提高，擠壓力降低，擠壓速度提高。力學性能可以提高6%左右，而且有較強的耐腐蝕性能，使鋁合金型材更加經久耐用。下面是某公司為生產高強度光伏太陽能鋁合金型材的化學成分內控標準。（質量分數）%。表5  某公司化學成分內控標準（質量分數）%牌號SiFeCuMnMgCrTiZnRE其它Al單個合計6R630.40-0.420.200.10010-0120.60-0.65010-0150.050.030.18-0.200.050.1

14、5余量    按表5化學成分內控標準，鑄錠的晶粒度達到一級，擠壓型材的韋氏硬度達到14HW以上，擠壓成品率達到84%以上，氧化成品率達到98%以上，退貨率控制在1%之內。    3、熔鑄工序生產工藝要求    鋁錠投爐前必須對爐底進行徹底清理，對于長時間沒有清爐（原則上超過1520爐必須清爐）的爐頂爐壁必須清理干凈，嚴防爐渣因高溫熔解在鋁液內，生成Si2Fe、Si3Fe5等針狀形物資。盡量不要添加外購不明廢料，以本廠產生的幾何廢料為主，陽極氧化廢料的添加量不要超過廢料投入量的5%，熔煉溫度760±

15、;10，兩次以上排氣精煉，靜置時間不得超過30min，合金元素添加順序：Si、Cu、Mg最后稀土細化劑，鑄造溫度（盤內）690710，冷卻水壓力不得低于0.8Pma鑄錠晶粒度要求一級，鑄錠表面質量必須符合YS417變形鋁及鋁合金鑄錠及其加工產品缺陷的標準。    4、擠壓工序操作工藝要點    擠壓生產光伏太陽能鋁合金型材，是整個生產工序中最簡單的一環(huán)，主要控制三溫，速度及模具的設計、維護這三個方面，下面從模具、擠壓工藝兩個方面進行論述。    （1）模具要求    A、足夠

16、的空刀位2.5，保證空刀位不粘鋁。    B、表面硬度必須達到HV1000，表面光潔度良好。    C、模具工作帶加工最好慢走絲，精度要求高，工作帶不能過長，長度控制在38之間，且必須保證園弧過渡，盡量減少工作帶長度落差。    D、工作帶嚴禁有缺口，哪怕是一個微絲也不行。    E、工作帶拋光要亮，最后一道拋光要用1000目的金相砂紙，保證工作帶起鏡面。    F、模具氮化間隔應低于普通型材的生產支數。    （2

17、）擠壓工藝控制    A、鋁棒上機溫度450460。可先將鋁棒加溫到500520，然后從加溫爐內取出降溫，擠壓棒溫盡量不要過高，避免黑線、拖傷麻面現(xiàn)象發(fā)生。    B、模具溫度450480，必須保證在模具加溫爐內加溫2h以上，但超過8h必須將模具取出。    C、盛錠筒溫度380400，目前擠壓機出廠時，擠壓機生產廠家都將盛錠筒的溫度鎖定最高溫度400。    D、擠壓速度視出材表面質量而定。一般情況下8m/min18m/min出料口在線淬火溫度520±5,6060

18、合金在線淬火溫度515±5,冷卻速度4/S(風量660m3/h全壓，風壓850Pa)。    E、尾部操作員工注意在移動型材過程中擦傷、劃傷、碰傷型材。型材裝框不得重疊對合，支與支之間必須保持2左右的距離，避免相互擦傷。有條件的廠家應逐層用瓦檁紙隔開，然后再上下對應擺放墊條。    5、時效工藝選擇    鋁合金型材的時效硬化是一個相當復雜的過程，它與合金元素的組成，擠壓生產工藝的執(zhí)行及時效工藝的選擇都有很大的關系。目前確鑿學者認為：時效硬化是溶質原子偏聚形成硬化區(qū)的結果。  

19、;  鋁合金型材在淬火固浴時，合金中形成了空位，由于冷卻快，這些空位來不及移出，便被固定在晶體內，這些過飽和固溶體內的空位大多與溶質原子結合在一起。由于過飽和固溶體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必然向平衡態(tài)轉變，空位的存在，加速了溶質原子的擴散速度，因而加速了溶質原子的偏聚。    對于化學萬分相同，淬火工藝相同的鋁合金型材，選擇不同的時效工藝制度，其抗拉強度是有差別的。圖2是時效工藝制度與抗拉強度的關系曲線。從圖中可以得出以下幾點結論。    經175、8h熱處理后，鋁合金型材的抗拉強度較高（最高達到14H以上）。  

20、;  經200、2h，180、4h，時效溫度較高時，有助于強度峰值的回升，但在隨后的保溫過程中呈下降趨勢。    經170較低溫度時效時，需要16h才能達到強度的峰值，最終趨于平穩(wěn)。    前面已經分析過時效原理及時效工藝的利弊。下面從時效制度的作用機理來選擇時效工藝制度。    第一，在時效溫度較高時，由于原子擴散容易，組織的固溶處理較快，所以達到峰值的時間較短，但在后續(xù)熱處理中，隨著時間的延續(xù)，合金組織軟化，出現(xiàn)“過時效”現(xiàn)象，因此，強度指標呈下降趨勢。   

21、第二，在時效溫度較低時，由于原子擴散能力的限制，固液處理速度緩慢，雖然隨著保溫時間的延長，材料強度指標有回升趨勢，但終因溫度影響，未能達到理想的處理效果。    針對光伏太陽能鋁合金型材，合金牌號：6060、6063、6R63供應狀態(tài)T66（水冷淬火+人工時效，力學性能比T6略高）的要求，某公司決定彩175、8h的時效工藝制度。經現(xiàn)場多批次抽查，硬度全部合格，表6是現(xiàn)場抽查結果。表5  生產現(xiàn)場型材硬度檢測情況（韋氏硬度HW）型材型號合金牌號供應狀態(tài)抽樣位置抽樣支數硬度結果TY0016060T66爐內上、中、下各三框每框10支，共30支11-12合格60

22、63同上同上11-12合格6R63同上每框15支，共45支14-16合格TY0026060T66同上每框10支，共30支11-13合格6063同上同上11-12合格6R63同上每框15支，共45支14-15合格TY0036060T66同上每框10支，共30支11-12合格6063同上同上11-12合格6R63同上同上14-16合格    圖2：時效制度對硬度的影響    6、表面處理工序工藝控制    噴砂工藝要求    光伏太陽能鋁合金型材表面啞光效果，純化學處理方法難以獲

23、得穩(wěn)定的砂面效果，加之鋁耗過大，成本高，轉向采用先機械噴砂，然后再化學處理的方法來獲得理想的啞光表面。其噴砂工藝要求如下：    A、噴砂操作工開機前要準備干凈手套，白潔布及砂紙做好補救準備。    B、噴砂速度根據噴砂機的性能及擠壓材的表面質量而定，一般以80目至100目的砂為主，型材經噴砂后應保證無明顯擠壓紋和可觸摸到的線條。    C、操作工隨時觀察型材表面的砂面效果，有沒有漏噴的現(xiàn)象，噴口有沒有堵塞的情況發(fā)生。    D、特別注意因噴砂機力度不勻而造成型才的陰陽面及二

24、支型材之間的色差。    E、噴砂上下料要輕拿輕放，注意料與料之間或設備造成擦劃傷。    F、逐支全檢發(fā)現(xiàn)擦劃傷及時用白潔布、砂紙進行補救。    7、陽極氧化工序工藝參數確定    （1）工序的確定    光伏太陽能鋁合金型材陽極氧化及封孔工藝流程：    脫脂堿蝕中和陽極氧化中溫封孔高溫水洗烘干    陽極氧化及封孔質量標準    A、陽極氧化膜15?

25、m，部分客戶要求20?m    B、封孔質量：無硝酸預浸的磷鉻酸法20mg/d（GB/T8753.1，國家標準30mg/d）    硝酸預浸的磷鉻酸法20mg/d（EN123717，歐盟標準30mg/d）    C、抗熱裂性溫度：AA15級70，AA20級64    工藝制訂    A、脫脂    脫脂（又稱除油）是鋁型材表面處理的第一道工序，尤其是光伏太陽能清除鋁材表面的油脂和灰塵及未處理掉的砂粒等，使后道堿洗比較

26、均勻，以提高陽極氧化膜的質量。表7是某公司酸性溶液脫脂工藝。表7  某公司2組典型的酸性溶液脫脂工藝序號溶液組成含量g/L溫度時間min1H3PO430506056H2SO47表面活性劑52游離H2SO4180200常溫35Al+20水洗PH值69    B、堿蝕工藝    在整個化學預處理過程中，堿蝕是一道非常重要的工序，它對鋁材的表面質量起著至關重要的作用。影響鋁材堿蝕速度和砂面效果的工藝因素主要有游離氫氧化鈉濃度和溶液的鋁離子含量，槽液溫度及處理時間等。實際生產過程中槽液維護相當重要，鋁離子在開槽初期一步到位，平時基本

27、上可保持鋁離子濃度動態(tài)平衡（即反應生成的鋁與帶出槽液中的鋁相等量），保持溶液組份平衡，每天應至少化驗一次，及時補加組份，避免組份含量波動，以保證型材質量的穩(wěn)定。表8是某公司較為成熟的槽液工藝組份。表8  某公司堿蝕工藝條件溶液組成含量g/L溫度時間min游離NaOH4560506025Al+570光亮堿蝕添加劑按NaOH的1/5添加    C、中和（除灰）工藝    中和又稱除灰或出光。鋁材經過堿蝕后，表面往往會附著一層灰褐色或灰黑色的掛灰，掛灰的具體成分因鋁合金材質不同而異，主要由不溶于堿蝕槽液的銅、鐵、硅等金屬間化合物及

28、其堿蝕產物組成。除灰的目的就是要除凈這層不溶解在堿液的掛灰，以防止后道陽極氧化槽液的污染，使陽極氧化后獲得外表干凈的陽極氧化膜。    中和工藝，有的廠家采用硫酸法，有的廠家采用硝酸法，傳統(tǒng)的硝酸中和工藝采用10%25%的硝酸溶液，在常溫下浸漬13min，光伏太陽能鋁合金型材因表面質量要求嚴，色調必須一致，而且后工序報廢量的一個重要原因黑線。為了減少報廢，增加表面質量的穩(wěn)定性，將硝酸濃度提高，可減輕后工序的壓力（此觀點目前存在爭議）。某公司中和工藝如下：    硝酸：80g/L100g/L；溫度：常溫；游離酸：180g/L200g/L

29、；時間：25min；鋁離子:20 g/L。    中和工序工藝管理要點如下:    a、定期測定槽液硝酸濃度、游離酸控制在工藝要求范圍內。    b、中和前一道水洗必須干部，防止鋁材表面（特別是型腔內）殘留堿液，否則會污染中和槽液，也會使鋁材陽極氧化出現(xiàn)質量問題。    c、用定時器控制好中和操作時間，太短，除灰不干凈，太長，鋁材表面會“發(fā)白”，“發(fā)糊”和隨后陽極氧化膜出現(xiàn)不透明現(xiàn)象。    d、中和后要進行二次水洗，嚴防硝酸過多帶入陽極氧化槽內

30、。D、陽極氧化工藝    光伏太陽能鋁合金型材膜厚要求AA15級或AA20級，并且對氧化膜的耐熱裂性也有規(guī)定，故對槽液維護，工藝參數的要求與較嚴，具體的槽液維護和工藝條件如下：    a、防止前道中和（也稱出光）槽液帶入氧化槽，因為如果將中和槽內的硝酸帶入氧化槽，就會造成氧化不成膜或僅成幾個微米薄膜的現(xiàn)象。    b、對槽液應每班生產前進行分析，一般只分析游離硫酸和鋁離子含量。槽液在使用過程中，游離硫酸濃度會逐漸下降，而鋁離子含量上升，當游離硫酸濃度降到規(guī)定濃度下限，鋁離子含量尚未升到上限時，只需計量添加硫酸。但當鋁離子含量超過規(guī)定上限時，應排放部分1/41/3槽液。然后再計量添加硫酸和去離子水。    c、槽液液面上的漂浮物和油污應