1 前言

1.1 太陽(yáng)能光伏電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況

太陽(yáng)能作為一種清潔的可再生能源，是未來(lái)低碳社會(huì)的理想能源之一，當(dāng)下正越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。

我國(guó)也正在大力推進(jìn)光伏新能源產(chǎn)業(yè)，2009年我國(guó)光伏電池總產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的36%，主要集中在晶體硅電池領(lǐng)域。2009年11月，溫家寶總理向首都科技界發(fā)展講話，強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)發(fā)展新能源等五大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。2009年來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)入政策頒布密集期：國(guó)務(wù)院《電子信息產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃（2009-2011年）》將光伏產(chǎn)業(yè)列為調(diào)整振興重點(diǎn)；財(cái)政部發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用的實(shí)施意見》、《太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》；財(cái)政部、科技部、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于實(shí)施金太陽(yáng)示范工程的通知》?！缎略串a(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃》也將于近期出臺(tái)。這一系列的政策措施給中國(guó)未來(lái)的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)提供了一個(gè)廣闊的發(fā)展空間。

圖1 2010-2012 年中國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量預(yù)測(cè)

1.2 太陽(yáng)能光伏電池產(chǎn)業(yè)鏈

光伏電池鋁型材主要用在太陽(yáng)能光伏電池板上，作為其邊框并起受力支撐作用，產(chǎn)品主要為鋁合金邊框和支架材料，如圖2、3所示。

圖2 太陽(yáng)能電池板的結(jié)構(gòu)與組成

圖3 部分太陽(yáng)能電池板鋁型材邊框用產(chǎn)品

1.3 太陽(yáng)能光伏電池邊框的鋁型材生產(chǎn)的技術(shù)狀況

目前國(guó)內(nèi)外光伏太陽(yáng)能邊框型材雖然只有陽(yáng)極氧化、著色及電泳二種表面處理方式，但其比建筑鋁合金型材和一般工業(yè)用鋁合金型材具有更高的質(zhì)量要求，具有高尺寸精度、高力學(xué)性能、高耐蝕、高耐磨、高耐侯性以及外觀品質(zhì)等特殊質(zhì)量要求，

中國(guó)大陸鋁材制造業(yè)經(jīng)過近20年發(fā)展，已成為全世界鋁材生產(chǎn)供應(yīng)大國(guó)，但對(duì)太陽(yáng)能電池配套用鋁型材這一高端產(chǎn)品開發(fā)上才剛剛起步，零缺陷產(chǎn)品外觀，對(duì)絕大多數(shù)鋁業(yè)來(lái)構(gòu)成的開發(fā)壁壘，部分已開發(fā)并產(chǎn)業(yè)化單位，后工序表面處理合格率只有70%～75%。本公司在產(chǎn)品開發(fā)后的產(chǎn)業(yè)化過程中進(jìn)行了設(shè)備、技術(shù)、工藝創(chuàng)新，使后工序產(chǎn)品合格率達(dá)高居同行業(yè)榜首，達(dá)95%，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量與效益的雙豐收。

2 高品質(zhì)光伏型材規(guī)模化生產(chǎn)中的配套技術(shù)

2.1多重凈化技術(shù)及鋁棒的均勻化處理保障了鋁棒的質(zhì)量：

采用的凈化技術(shù)設(shè)施：熔劑覆蓋保護(hù)法、鋁液臺(tái)包內(nèi)的熔體凈化(爐前凈化)、固體熔劑凈化法+惰性氣體吸附法、爐外在線精煉法（旋轉(zhuǎn)噴吹凈化法）、陶瓷過濾板過濾法。

在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，1980年開始對(duì)6063合金擠壓型材的鑄錠進(jìn)行均勻化處理，現(xiàn)在已經(jīng)普及，但我國(guó)經(jīng)過均勻化處理的還不到鑄錠總量的18％。多數(shù)擠壓廠為了節(jié)省成本，取消了這一步熱處理，從而造成我國(guó)大部分高級(jí)鋁型材市場(chǎng)被國(guó)外產(chǎn)品所占領(lǐng)，只有少數(shù)較大的企業(yè)對(duì)其鑄錠進(jìn)行均勻化處理。

為配套此項(xiàng)目， 制訂嚴(yán)格的均勻化工藝及均勻化質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，從而使鋁材質(zhì)量的突出問題---均勻性(一致性)和穩(wěn)定性得以提高。

2.2模具：配套硬、軟件設(shè)施對(duì)質(zhì)量的保證：

2.2.1 基于遺傳算法的擠壓模CAE系統(tǒng)引進(jìn)與應(yīng)用，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)實(shí)際擠壓過程中可能出現(xiàn)的缺陷，在擠壓之前修改模具結(jié)構(gòu)、調(diào)整工藝參數(shù)，提高試模通過率，實(shí)現(xiàn)“零試模”。

2.2.2 項(xiàng)目配套了5座氣體氮化爐，該技術(shù)大大提高了模具工作帶耐磨性提高、摩擦系數(shù)降低，使模具壽命延長(zhǎng)。

2.2.3 項(xiàng)目配套了30座電磁加熱式模具快速加熱爐，其較行業(yè)普通加熱爐的優(yōu)點(diǎn)如下：

1) 使模具加熱到400～450℃由普通爐的2.5～4小時(shí)縮短到只需30～40分鐘。

2) 模具裝卸機(jī)械化。輸入編好的程序后，即可機(jī)械化裝爐、加熱到既定溫度、自動(dòng)選擇所需的模具并運(yùn)送到擠壓機(jī)旁。

3) 加熱更加均勻。熱風(fēng)均勻地進(jìn)入每個(gè)模具所在的加熱腔(板座)，消除了未熱透的冷點(diǎn)，確保了所有模具都得到均勻的加熱。

4) 由于裝卸模具的門很?。疅釟馔庖萘可?，既節(jié)約了能源，又改善了工作環(huán)境。

2-4.項(xiàng)目配套的Romidot以色列勒米特型材斷面尺寸測(cè)量系統(tǒng)（斷面掃描儀及軟件系統(tǒng)）。鋁型材斷面全尺寸自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(斷面掃描儀)是基于軟件和二維光電掃描測(cè)量設(shè)備的集成系統(tǒng)，ROMIDOT儀器是基于線性CCD掃描技術(shù)進(jìn)行擠出型材斷面尺寸檢測(cè)的自動(dòng)化檢測(cè)儀器，解決了傳統(tǒng)工具對(duì)復(fù)雜尺寸不能檢測(cè)、檢測(cè)精度低和檢測(cè)效率低的不足。主要用于鋁型材生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制和靜態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)還用于研發(fā)部門的新產(chǎn)品開發(fā)和擠出模具的磨損監(jiān)測(cè)。

2.3 擠壓工序

2. 3.1 設(shè)備技術(shù)改造

2.3.1.1鋁棒加熱爐

鋁棒加熱爐是整條鋁型材生產(chǎn)線上的能耗大戶之一，因此降低其能耗的意義重大。鋁棒加熱是型材擠壓的基礎(chǔ)，提高鋁棒加熱質(zhì)量、加熱速度對(duì)保證擠壓制品的質(zhì)量意義十分重大。降低能耗，提高成品率，對(duì)降低成本的作用非常顯著，對(duì)加強(qiáng)一次能源利用率，緩解目前我國(guó)電能緊張的現(xiàn)狀有十分重要的意義。

項(xiàng)目在鋁棒加熱爐上進(jìn)行了如下優(yōu)化：

1) 長(zhǎng)棒加熱方式取代傳統(tǒng)的短棒加熱方式，擠壓前依據(jù)所需的長(zhǎng)度進(jìn)行切取，從而使工藝廢料降低。

2) 優(yōu)化加熱爐的設(shè)計(jì)（包括爐內(nèi)凈長(zhǎng)、煙氣加熱噴管技術(shù)規(guī)格、鋁棒輸送輥間距，尺寸及線速度的確定）、加熱爐的熱源設(shè)計(jì)、熱工參數(shù)優(yōu)化。

此鋁棒加熱爐加熱的鋁棒表面質(zhì)量好，適用于高精度鋁材的加工．預(yù)加熱時(shí)間短，僅為30min～40min；熱效率提高；鋁棒前后溫差由原來(lái)的25℃降為5℃。

2.3.1.2 每臺(tái)擠壓機(jī)增設(shè)紅外溫度溫控儀。

實(shí)現(xiàn)型材出口溫度的在線監(jiān)控，使出口溫度嚴(yán)格控制在520～540℃，從而保證充分固溶。

2.3.1.3 改造風(fēng)冷淬火設(shè)備。

增加風(fēng)冷風(fēng)量；對(duì)T66狀態(tài)要求，采用水霧淬火與風(fēng)冷淬火相結(jié)合。通過這些措施，提高了降溫速度，使決定合金力學(xué)性能的強(qiáng)化相得到保留。

2.3.2  時(shí)效工藝優(yōu)化

鋁合金型材的時(shí)效硬化是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，它與合金元素的組成，擠壓生產(chǎn)工藝的執(zhí)行及時(shí)效工藝的選擇都有很大的關(guān)系。目前學(xué)者認(rèn)為：時(shí)效硬化的溶質(zhì)原子偏聚形成硬化區(qū)的結(jié)果。

鋁合金型材在淬火固溶時(shí)，合金中形成了空位，由于冷卻快，這些空位來(lái)不及移出，便被“固定”在晶體內(nèi)，這些在過飽和固溶體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必然向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變，空位的存在，加速了溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速度，因而加速了溶質(zhì)原子的偏聚。

對(duì)于化學(xué)成分相同，擠壓工藝相同的鋁合金型材，選擇不同的時(shí)效工藝制度，其抗拉強(qiáng)度是有差別的。根據(jù)時(shí)效工藝制度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系曲線，從中可以得出結(jié)論。

1) 經(jīng)175℃、8h熱處理后，鋁合金型材的抗拉強(qiáng)度較高（最高達(dá)到14H以上）。

2) 經(jīng)200℃、2h，180℃、4h，時(shí)效溫度較高時(shí)，有助于強(qiáng)度峰值的回升，但在隨后的保溫過程中呈下降趨勢(shì)。

3) 經(jīng)170℃較低溫度時(shí)效時(shí)，需要16h才能達(dá)到強(qiáng)度的峰值，最終趨于平穩(wěn)。

以上是時(shí)效原理及時(shí)效工藝的利弊。下面從時(shí)效制度的作用機(jī)理來(lái)選擇時(shí)效工藝制度。

第一、在時(shí)效溫度較高時(shí)，由于原子擴(kuò)散容易，組織的固溶處理較快，所以達(dá)到峰值的時(shí)候較短，但在后續(xù)熱處理中，隨著時(shí)間的延續(xù)，合金組織軟化，出現(xiàn)“過時(shí)效”現(xiàn)象，因此，強(qiáng)度指標(biāo)呈下降趨勢(shì)。

第二，在時(shí)效爐溫度較低時(shí)，由于原子能力擴(kuò)散能力限制，固液處理緩慢，雖然隨著保溫時(shí)間的加長(zhǎng)，材料強(qiáng)度指標(biāo)有回升趨勢(shì)，但終因溫度影響，為能達(dá)到理想的處理效果。

針對(duì)光伏太陽(yáng)能鋁合金型材，合金牌號(hào)：6060供應(yīng)狀態(tài)T66（水冷淬火+人工時(shí)效，力學(xué)性能比T6略高）的要去，決定采用175℃、8h的時(shí)效工藝制度。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多批次抽查，硬度全部合格。

2.4 采用不對(duì)稱波電解著色技術(shù)

光伏型材市場(chǎng)需求只有白色和黑色兩種。其中黑色包括“氧化黑色”、“有光電泳黑色”，“透明消光黑色”。由于黑色產(chǎn)品光伏市場(chǎng)需求旺盛，但普通的錫-鎳鹽著黑色著色時(shí)間長(zhǎng)（氧化膜厚度為15～25um時(shí)著色時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20～30min），不僅對(duì)陽(yáng)極氧化膜的性能有所損傷，而且工序處理能力低，不能滿足大批量集中處理的需求，生產(chǎn)效率及交貨的及時(shí)性受到制約。不對(duì)稱波電解著色技術(shù)改造項(xiàng)目正是基于改善普通錫-鎳鹽著色工藝的不足及填補(bǔ)工業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用處于空白狀態(tài)而進(jìn)行的改造項(xiàng)目。

不對(duì)波電解著色系統(tǒng)，是可調(diào)不對(duì)稱波形電源輸出系統(tǒng)，對(duì)著色電源整流系統(tǒng)增加一個(gè)同步變壓器，利用控制可控硅的導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)交流輸出波形的正半周與負(fù)半周大小不同，產(chǎn)生不對(duì)稱的著色波形輸出，并保證正負(fù)電壓差在0.5-2V可調(diào)，保證著色效率的同時(shí)兼顧色彩的表現(xiàn)。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：A.該著色方法可在10分鐘內(nèi)著出真黑色，提高了生產(chǎn)效率60%以上，解決行業(yè)生產(chǎn)中對(duì)深色系著色效率低的問題。B.實(shí)行此項(xiàng)目可豐富公司的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高公司產(chǎn)品附加值與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.5 透明消光電泳型材生產(chǎn)線技術(shù)

透明消光電泳生產(chǎn)工藝環(huán)保，產(chǎn)品具有超強(qiáng)的耐候性能和優(yōu)越的抗酸堿性能，克服了透明有光電泳遮蓋能力差的缺點(diǎn)，具備防止光污染的特質(zhì)，是鋁合金型材加工技術(shù)的新方向。

由于產(chǎn)品質(zhì)量性能卓越，外觀視覺效果柔和，質(zhì)感細(xì)膩，色澤莊重典雅，更加符合國(guó)際尖端潮流的審美觀點(diǎn)，產(chǎn)品具有巨大的市場(chǎng)竟?fàn)幜?，市?chǎng)前景廣闊。

采用關(guān)西涂料的黑色消光電泳產(chǎn)品完全達(dá)到光伏型材的質(zhì)量要求，這不僅拓寬了光伏型材產(chǎn)品種類，同時(shí)表面處理合格率達(dá)99%，大大高于有光電泳料。

2.5.1 技術(shù)特點(diǎn)：

以調(diào)整電泳槽液成份及相關(guān)工藝為主，以調(diào)整陽(yáng)極氧化電解著色膜光澤度為輔，形成獨(dú)特的光澤度控制技術(shù)。Gs(60)可低至5～25GU，且可按要求調(diào)節(jié)

免干電泳技術(shù)：本項(xiàng)目研究開發(fā)出免干電泳技術(shù)，避免工件入槽前需保證完全干燥無(wú)水這一普通消光電泳的苛刻要求，實(shí)現(xiàn)可掛水入槽的方式，從而極大地提高生產(chǎn)效率。

可將固化前的干燥與固化工序融合，縮短干燥時(shí)間，采用兩段控溫方式在固化爐內(nèi)干燥與固化既節(jié)約空間，又大大提高規(guī)?；a(chǎn)業(yè)水平的改進(jìn)。

2.5.2 產(chǎn)品性能指標(biāo)：

產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到日本標(biāo)準(zhǔn)JIS H8602-1992《鋁合金型材陽(yáng)極氧化電泳復(fù)合膜》的要求。

鉛筆硬度達(dá)到5H以上

附著力達(dá)到100/100

CASS試驗(yàn)（48h）達(dá)到10級(jí) 

耐堿性和耐鹽酸性均達(dá)到10級(jí)

2.6 中溫封孔

光伏太陽(yáng)能鋁合金封孔型材因其氧化膜最低厚度≥15um，還應(yīng)具備抗熱裂性，故選擇中溫封孔工藝。

太陽(yáng)能鋁型材不同于普通的建筑鋁型材，一個(gè)附加的產(chǎn)品要求是每根型材都需要貼復(fù)合膜保護(hù)，并且要求所貼復(fù)合膜既粘合牢固，又要求待復(fù)合膜撕開后太陽(yáng)能鋁型材表面不存在粘膠現(xiàn)象。對(duì)采用中溫封孔工藝的廠家時(shí)常是一個(gè)頭痛的問題。封孔需要“陳化”，現(xiàn)行的中溫封孔工藝使得廠家不得不采取延長(zhǎng)貼膜前的停放時(shí)間來(lái)緩解粘膠問題，這需要車間有足夠的空間與周轉(zhuǎn)車輛。對(duì)電解黑色氧化料脫膠現(xiàn)象更嚴(yán)重。因此開發(fā)新型的中溫封孔才能從根本上解決問題。

通過大量的配方實(shí)驗(yàn)研究，開發(fā)出中溫封孔抑灰劑產(chǎn)品，從而放寬了中溫封孔上限溫度，以強(qiáng)化水合封孔功能來(lái)縮短“陳化”時(shí)間，新型中溫封孔工藝克服了貼膜脫膠缺陷，使得陽(yáng)極氧化產(chǎn)品下排后就能及時(shí)貼膜包裝、而不會(huì)產(chǎn)生脫膠現(xiàn)象。

A．新型中溫封孔工藝

溫度：50℃～60℃

PH值：5.7±0.2

時(shí)間：1mm/min,溫度越高，時(shí)間越短，封孔質(zhì)量越好。

中溫封孔完畢后，經(jīng)過二道水洗，吊入高溫去離子水槽浸泡10～15min,去離子水溫度75℃，PH值5～7，為后工序覆膜打下基礎(chǔ)。

B.新型中溫封孔的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1 * GB3 ①能適應(yīng)增強(qiáng)封孔效果的高溫度要求而無(wú)掛灰；

2 * GB3 ②由于封孔后無(wú)需“陳化”而封孔質(zhì)量檢測(cè)合格，失重試驗(yàn)在10～18mg/dm2,,優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3 * GB3 ③不僅滿足了即時(shí)包裝貼膜的需要，而且增強(qiáng)了產(chǎn)品的抗腐蝕性、耐候性。

2.7 T66供應(yīng)狀態(tài)的工藝技術(shù)的開發(fā)

6063與6060合金目前國(guó)應(yīng)用的供應(yīng)狀態(tài)只有T5與T6，而太陽(yáng)能電池框架用鋁型材要求力學(xué)性能更高，部分產(chǎn)品要求T66供應(yīng)狀態(tài)。

而在國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，T66供應(yīng)狀態(tài)雖力學(xué)性能要求明確，但處理過程沒有明確說(shuō)明。T66供應(yīng)狀態(tài)的工藝控制，國(guó)外企業(yè)將作為企業(yè)的技術(shù)秘密，國(guó)內(nèi)企業(yè)較少采取，工藝控制技術(shù)不成熟。

本公司通過特殊工藝的控制以得到比T6狀態(tài)具有更高力學(xué)性能水平6XXX系合金的T66供應(yīng)狀態(tài)。

2.8 “零缺陷產(chǎn)品外觀” 實(shí)現(xiàn)的具體措施

在生產(chǎn)的各工序環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)備、制造工藝的技術(shù)改造，同時(shí)在生產(chǎn)流程及產(chǎn)品質(zhì)量上推行精益化生產(chǎn)管理，使外觀缺降率由15%降至3%。具體措施和技術(shù)方案為：

控制工序	主要外觀缺陷類別	措施	技術(shù)方案
模具	色帶、焊合線、條紋	1．優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2．工作帶的拋光與氮化	1．基于遺傳算法的擠壓模CAE系統(tǒng)的應(yīng)用。 2．氣體氮化技術(shù)對(duì)模具工作帶進(jìn)行氮化。
鑄棒質(zhì)量與擠壓工藝	夾渣、毛刺	熔鑄過程中鋁溶體的凈化。 擠壓工藝	鑄造過程中運(yùn)用在線除氣裝置。 增加鋁棒壓余厚度（規(guī)范見附表）。 規(guī)范盛錠筒的清缸次數(shù)為每10支棒清一次。 4．規(guī)范鋁棒加熱爐溫度設(shè)定
擠壓車間氧化車間與中轉(zhuǎn)運(yùn)輸	擦、碰傷	1．精益化生產(chǎn)管理。 2．工裝設(shè)備改善。	1．完成全自動(dòng)低壓路軌運(yùn)輸車技術(shù)改造。 2．立式氧化自動(dòng)上排裝置。 3．下排分料與升降裝置。
表面處理	塵點(diǎn)、顆粒	以立式掛料使型材的表面處于垂立狀態(tài)。	投資立式氧化線用于太陽(yáng)能電池邊框用鋁型材的生產(chǎn)。

3 總結(jié)

我國(guó)以及全世界太陽(yáng)能光伏電池的快速發(fā)展帶來(lái)對(duì)高性能鋁型材邊框的巨大需求，太陽(yáng)能電池邊框用鋁型材的高尺寸精度、高力學(xué)性能、高耐蝕、高耐磨、高耐侯性以及外觀品質(zhì)等質(zhì)量要求，對(duì)我國(guó)鋁型材制造業(yè)目前來(lái)說(shuō)形成技術(shù)障礙，成品率低下是產(chǎn)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)的瓶頸，通過介紹高品質(zhì)光伏型材規(guī)?；a(chǎn)中的配套技術(shù)，為太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵配套材料的國(guó)產(chǎn)化、突破該領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸提供借鑒。太陽(yáng)能光伏電池發(fā)展極其迅速，對(duì)邊框用鋁型材的需求量每年增長(zhǎng)極快，只有解決產(chǎn)品質(zhì)量難以保證、成品率低下的產(chǎn)業(yè)瓶頸，才能實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵配套材料的國(guó)產(chǎn)化。