光伏太阳能铝合金型材的生产工艺控制

1、光伏太阳能铝合金型材的生产工艺控制【摘要】光伏太阳能铝合金型材作为边框对电阳能电池板起支撑作用，对力学性能、几何尺寸、表面质量、腐蚀性能有极其严格的质量要求。本文从合金成分、挤压工艺、表面处理、包装各环节进行全面的生产工艺技术介绍。重点着重于现场生产指导，对理论原理不作表述。【关键词】光伏太阳能铝型材合金成分、力学性能、几何尺寸、挤压工艺、氧化膜、封孔质量、覆盖膜质量检测。一、光伏太阳能铝合金型材的发展前景当电子、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行阳光计划”开发太阳能资源,寻求经济发展的新动力。中国对光伏太阳能电池的研究起步于

2、1958年，目前，中国已成为全球主要的光付太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池/模组产量为1188MW,2008年的产量继续提高达到2000MW,2009年中国太阳能电池/模组制造商的产量较2008年倍增，达到8000MW,2010年世界光伏太阳能电池/模组的产量将达到15000MW,其中80%的产量由中国制造。光伏太阳能铝合金型材主要用在光伏太阳能电池板上作为其他边框并起受力支撑作用。光伏电阳能发电作为可再生、环保能源，在国际市场和国内政策的推动下，正迎来了发展高峰期，中国已成为世界第一大太阳电池/模组生产国。而铝合金边框型材，更是占据世界第一供应大国的地位，欧美、日本等国的光伏太阳能

3、铝合金型材，基本上都是从中国进口。按光伏太阳能电池/模组的生产量推算，2009年一年需用铝合金型材80万吨，2010年的光伏太阳能铝合金型材产量将达到160万吨，其中40%制作成边框直接出口到欧美、日本等国。2010年全国预测铝合金型材出口1700万吨，仅光伏太阳能铝合金型材一项就将占到总数的近1%,市场前景可想而知。二、光伏太阳能铝合金型材的生产工艺及质量要求光伏太阳能铝合金作为光伏太阳能的重要附件因长期暴露在野外，其使用寿命在15年以上，对其表面质量要求严格，特别是耐腐蚀性能的要求更严，型材在组装时，采用全自动机械化，所以对几何尺寸的要求特别严。目前客户一般采用GB5237、JISH410

4、0、EN755.2、ENI2020。2、JISH8602等标准执行。我国2008年由江阴东华铝材科技有限公司作为主要起草单位，起草的铝合金光伏太阳能型材国家标准已进入审订阶段，虽然没有颁布实施，但我个人认为，有一些条款,不妨用来指导我们的生产还是有一定的意义的，本文在下面有些引用，请读者谅解。1、质量要求及型材形状(1)客户质量要求A、几何尺寸严格按图纸要求，未注尺寸按国家标准GB523或GB/T6892超高精级标准验收。B、表面光滑不得有模具纹和焊合线、黑线、白线。C、韦氏硬度10HW以上，部分客户要求14HW以上。D、表面喷砂氧化，氧化膜15nh颜色一致，亮度好。F、表面A、B、C面要求不

5、允许划伤、磕碰。E、贴膜要求尽量减少气泡，贴膜不准偏，不粘膜不脱落。(2)型材形状，见图1铝合金太阳能型材作为光伏太阳能电池板的边框，起支撑电池板的作用，力学性能要求比一般的建筑铝合金型材、装饰用铝合金型材、工业铝合金型材的力学性能要求更严。GB/T6892-2000、GB52372008对6063合金、6060合金的力学性能规定见表1。表1型材的室温纵向力学性能合金状态供应状态壁厚Zmm拉伸试验硬度试验抗拉强度(R)N/mm2规定非比例伸应力(RP。2)N/mrm伸长率(A50mm%试样厚度3/mm维氏硬度HV韦纸硬度HW不大于6060T53,216012083588T663P2151601

6、61378126063T5所有P16011080o8588T6所有2051808107311T6610245200691146063AT510r190150151T610r220180146R63T53220180837812按照表1所列标准的力学性能指标，6060T66、6063T66、6063AT6、6R63T5几个合金牌号都可满足韦氏硬度10HW、14HW的要求。化学成分国家标准见表2。表2铝及铝合金的化学成分国家标准（质量分数）%序口勺牌号SiFeCuMnMgCrTiREZn其它Al备注单个合计160600.3000.10.30o0.10.3600o0.一0o0000余-,6_10I0

7、,6051I150515里260630o0o350.10o0.4500o0.一0.1000.1余LD320-0.6010,91010055里0360630.30-0.0.150。0o0.10o0o0.0o0000余A635105600.9051一150515里-46R630.30-0.0.200.100o150o500O70.20o10.10-0.20o030.00.1余75555里某公司最先生产铝合金光伏太阳能型材时，一味强调型材的力学性能，化学万分选择6063合金，内挖标准如表3表3某公司化学成分内控标准（质量分数）牌号SiFeCuMnMgCrTiZn其它Al单个合计60630o0,20.

8、00o0.62-0。0o0.00.00o0.1余A400.455808650555055里按表3内挖标准生产出来的型材、韦氏硬度达到12HW14HW,但难挤压，成品率低，阳极氧化后因黑线报废型材达20%左右,总成品率不到50%,显然是不满足生产需要。为了提高成品率，提高单位产量，只有通过改善铸锭的晶粒组织，添加稀土元素、调整合金元素Si、Mg、Cu含量），以及选择合理的时效制度四种途径来解决即要达到客户要求的力学性能，又便于挤压，氧化生产。对于6063合金，合理调整Si、Mg元素的质量比例有助于提高材料的综合性能，Si元素适当过剩对晶粒细化，改善合金强度有益。实践证明：6063合金要想兼顾表面

9、质量、力学性能、挤压性能、合金中降低Fe的含量，减少合金中含Fe相AlgFe2Si2、Al2Fe3Si提高挤压材表面质量。为使合金易于挤压同等水平的情况下，降低Mg的含量，比降低Si的含量更有效，为保证型材的力学性能，使合金的Si过剩00.25，形成较多的单晶Si,强度要大于强化相Mg2Si的硬度.合金中Mg含量过高，挤压表面麻面、白点较多，不利于挤压，Si含量过高，型材表面易不规则地出现拖伤，并且一旦模具设计有一丁点缺陷，就容易产生黑线.由于光伏太阳能铝合金型材的表面质量要求较严，为了减轻表面处理工序的压力，同时也为了保证型材的力学性能，在调整合金元素时，适当提高Cu元素的下限也是必要的。下

10、面是某公司通过反复摸索，较为成熟的生产光伏太阳能铝合金型材的化学成分内挖标准。表4某公司化学成分内控标准（质量分数）%牌号SiFeCuMnMgCrTiZn其它Al单个合计6060038000.20.08-0.100o0.460。0o0o0.00o00余04001050050530515里按照表4内挖标准生产的型材韦氏硬度都在10HW12HW之间，符合客户的一般力学性能要求，且易挤压，黑线明显减少，阳极氧化后表面颜色光亮，成品率高，综合成品率达到84%以上.对于客户（例：日本客户）的特殊力学性能要求，韦氏硬度要求14HW以上的铝合金光伏太阳能型材，对合金元素的调整就要重新考虑了。前面已经讲到添加

11、稀土元素，改善铸态组织也能提高力学性能。在Al-Mg-Si系合金中加入适当稀土（在0018%0。26%范围内最佳），经过细化处理后的铸锭，晶粒细化均匀，铸态组织得到明显改善，加工性能提高，挤压力降低，挤压速度提高。力学性能可以提高6%左右，而且有较强的耐腐蚀性能，使铝合金型材更加经久耐用。下面是某公司为生产高强度光伏太阳能铝合金型材的化学成分内控标准.（质量分数）。表5某公司化学成分内控标准（质量分数）牌号SiFeCuMnMgCrTiZnRE其它Al单合个计6R60.400。000.10.10-0.1200600.10-0.02.fjnm,保证空刀位不粘铝。B、表面硬度必须达到HV1000表面

12、光洁度良好。C、模具工作带加工最好慢走丝，精度要求高，工作带不能过长，长度控制在3nlm8nlm之间，且必须保证园弧过渡，尽量减少工作带长度落差。D、工作带严禁有缺口，哪怕是一个微丝也不行。E、工作带抛光要亮，最后一道抛光要用1000目的金相砂纸，保证工作带起镜面。F、模具氮化间隔应低于普通型材的生产支数.(2)挤压工艺控制A、铝棒上机温度450c460c.可先将铝棒加温到500c520C,然后从加温炉内取出降温，挤压棒温尽量不要过高，避免黑线、拖伤麻面现象发生。B、模具温度450c480C,必须保证在模具加温炉内加温2h以上，但超过8h必须将模具取出。C、盛锭筒温度380c400C,目前挤压

13、机出厂时，挤压机生产厂家都将盛锭筒的温度锁定最高温度400CoD、挤压速度视出材表面质量而定。一般情况下8m/min18m/min出料口在线淬火温度520i5C,6060合金在线淬火温度515i5C,冷却速度4C/S（风量660m3/h全压，风压850Paj）。E、尾部操作员工注意在移动型材过程中擦伤、划伤、碰伤型材。型材装框不得重叠对合，支与支之间必须保持2cm左右的距离，避免相互擦伤。有条件的厂家应逐层用瓦楝纸隔开，然后再上下对应摆放垫条.5、时效工艺选择铝合金型材的时效硬化是一个相当复杂的过程，它与合金元素的组成，挤压生产工艺的执行及时效工艺的选择都有很大的关系.目前确凿学者认为：时效硬

14、化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果。铝合金型材在淬火固浴时，合金中形成了空位，由于冷却快，这些空位来不及移出，便被固定在晶体内，这些过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起。由于过饱和固溶体处于不稳定状态，必然向平衡态转变，空位的存在，加速了溶质原子的扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚。对于化学万分相同，淬火工艺相同的铝合金型材，选择不同的时效工艺制度，其抗拉强度是有差别的。图2是时效工艺制度与抗拉强度的关系曲线。从图中可以得出以下几点结论。经175C、8h热处理后，铝合金型材的抗拉强度较高（最高达到14H以上）经200C、2h,180C、4h,时效温度较高时，有助于强度峰值的回升，但在随后

15、的保温过程中呈下降趋势.经170c较低温度时效时，需要16h才能达到强度的峰值，最终趋于平稳。前面已经分析过时效原理及时效工艺的利弊。下面从时效制度的作用机理来选择时效工艺制度。第一，在时效温度较高时，由于原子扩散容易，组织的固溶处理较快，所以达到峰值的时间较短，但在后续热处理中，随着时间的延续，合金组织软化，出现过时效”现象，因此，强度指标呈下降趋势。第二，在时效温度较低时，由于原子扩散能力的限制，固液处理速度缓慢，虽然随着保温时间的延长，材料强度指标有回升趋势，但终因温度影响，未能达到理想的处理效果.针对光伏太阳能铝合金型材，合金牌号：6060、6063、6R63供应状态T66（水冷淬火+

16、人工时效，力学性能比T6略高）的要求，某公司决定彩175C、8h的时效工艺制度。经现场多批次抽查，硬度全部合格，表6是现场抽查结果。表5生产现场型材硬度检测情况（韦氏硬度HW）型材型号合金牌号供应状态抽样位置抽样支数硬度结果TY0016060T66炉内上、中、下各三框每框10支，共30支1112合格6063同上同上1112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1113合格6063同上同上11-12合格6R63I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

17、合格6R63I同上同上1416合格200“0246s1012141618时间小图2时效制度祥抗泣强度的妻响一图2:时效制度对硬度的影响6、表面处理工序工艺控制喷砂工艺要求光伏太阳能铝合金型材表面哑光效果，纯化学处理方法难以获得稳定的砂面效果，加之铝耗过大，成本高，转向采用先机械喷砂，然后再化学处理的方法来获得理想的哑光表面。具喷砂工艺要求如下：A、喷砂操作工开机前要准备干净手套，白洁布及砂纸做好补救准备。B、喷砂速度根据喷砂机的性能及挤压材的表面质量而定，一般以80目至100目的砂为主，型材经喷砂后应保证无明显挤压纹和可触摸到的线条。C、操作工随时观察型材表面的砂面效果，有没有漏喷的现象，喷口

18、有没有堵塞的情况发生。D、特别注意因喷砂机力度不匀而造成型才的阴阳面及二支型材之间的色差。E、喷砂上下料要轻拿轻放，注意料与料之间或设备造成擦划伤。F、逐支全检发现擦划伤及时用白洁布、砂纸进行补救。7、阳极氧化工序工艺参数确定（1）工序的确定光伏太阳能铝合金型材阳极氧化及封孔工艺流程：脱脂-碱蚀-中和-阳极氧化-中温封孔-高温-水洗-烘干阳极氧化及封孔质量标准A、阳极氧化膜15?崎B分客户要求20?mB、封孔质量：无硝酸预浸的磷铭酸法20mg/dnf（GB/T8753。1,国家标准30mg/dm2）硝酸预浸的磷铭酸法20mg/dm2（EN12371-7,欧盟标准30mg/dm2）C、抗热裂性温

19、度：AA15级070,AA20级064工艺制订A、脱脂脱脂（又称除油）是铝型材表面处理的第一道工序，尤其是光伏太阳能清除铝材表面的油脂和灰尘及未处理掉的砂粒等，使后道碱洗比较均匀，以提高阳极氧化膜的质量。表7是某公司酸性溶液脱脂工艺。表7某公司2组典型的酸性溶液脱脂工艺厅P溶液组成含量g/L温度C时间min1HPO301506056HSO7表面活性剂52游离HSO1802001常温3-5Al+20水洗PH值69B、碱蚀工艺在整个化学预处理过程中，碱蚀是一道非常重要的工序，它对铝材的表面质量起着至关重要的作用。影响铝材碱蚀速度和砂面效果的工艺因素主要有游离氢氧化钠浓度和溶液的铝离子含量，槽液温度

20、及处理时间等。实际生产过程中槽液维护相当重要，铝离子在开槽初期一步到位，平时基本上可保持铝离子浓度动态平衡（即反应生成的铝与带出槽液中的铝相等量），保持溶液组份平衡，每天应至少化验一次，及时补加组份，避免组份含量波动，以保证型材质量的稳定。表8是某公司较为成熟的槽液工艺组份。表8某公司碱蚀工艺条件溶液组成含量g/L温度C时间min游离NaOH456050-6025Al+570光亮碱蚀添加剂按NaOH勺1/5添加C、中和（除灰）工艺中和又称除灰或出光。铝材经过碱蚀后，表面往往会附着一层灰褐色或灰黑色的挂灰，挂灰的具体成分因铝合金材质不同而异，主要由不溶于碱蚀槽液的铜、铁、硅等金属间化合物及其碱蚀

21、产物组成.除灰的目的就是要除净这层不溶解在碱液的挂灰，以防止后道阳极氧化槽液的污染，使阳极氧化后获得外表干净的阳极氧化膜.中和工艺，有的厂家采用硫酸法，有的厂家采用硝酸法，传统的硝酸中和工艺采用10%25%的硝酸溶液，在常温下浸渍1-3min,光伏太阳能铝合金型材因表面质量要求严，色调必须一致，而且后工序报废量的一个重要原因一一黑线。为了减少报废，增加表面质量的稳定性，将硝酸浓度提高，可减轻后工序的压力（此观点目前存在争议）。某公司中和工艺如下：硝酸：80g/L100g/L;温度：常温；游离酸：180g/L200g/L;时间：25min;铝离子：20g/L0中和工序工艺管理要点如下：a、定期测

22、定槽液硝酸浓度、游离酸控制在工艺要求范围内。b、中和前一道水洗必须干部，防止铝材表面(特别是型腔内)残留碱液，否则会污染中和槽液，也会使铝材阳极氧化出现质量问题.c、用定时器控制好中和操作时间，太短，除灰不干净，太长，铝材表面会发白”,发糊”和随后阳极氧化膜出现不透明现象。d、中和后要进行二次水洗，严防硝酸过多带入阳极氧化槽内。D、阳极氧化工艺光伏太阳能铝合金型材膜厚要求AA15级或AA20级，并且对氧化膜的耐热裂性也有规定，故对槽液维护，工艺参数的要求与较严，具体的槽液维护和工艺条件如下：a、防止前道中和(也称出光)槽液带入氧化槽，因为如果将中和槽内的硝酸带入氧化槽，就会造成氧化不成膜或仅成几个微米薄膜的现象。b、对槽液应每班生产前进行分析，一般只分析游离硫酸和铝离子含量。槽液在使用过程中，游离硫酸浓度会逐渐下降，而铝离子含量上升，当游离硫酸浓度降到规定浓度下限，铝离子含量尚未升到上限时，只需计量添加硫酸。但当铝离子含量超过规定上限时，应排放部分1/41/3槽液。然后再计量添加硫酸和去离子水。c、槽液液面上的漂浮物和油污应及