光伏太阳能铝合金型材的生产工艺控制.doc

上海禹轩泵阀有限公司专业生产安全阀、蝶阀、球阀、闸阀、截止阀、防盗阀、衬氟阀等
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。①
    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②，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、JISH4100、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≥15μm，颜色一致，亮度好。
    F、表面A、B、C面要求不允许划伤、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

    2、化学成分的确定
    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、GB5237-2008，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
/㎜
拉伸试验
硬度试验
抗拉强度（Rm）N/mm2
规定非比例伸长应力（Rp0.2）N/mm2
伸长率(A50mm)%
试样厚度
/㎜
维氏硬度
HV
韦纸硬度
HW
不大于
6060
T5
≤3.2
160
120
8
3
58
8
T66
≤3
215
160
6
3
78
12
6063
T5
所有
160
110
8
0.8
58
8
T6
所有
205
180
8
10
73
11
T66
≤10
245
200
6
91
14
6063A
T5
≤10
200
160
5
10
69
10
＞10
190
150
5
T6
≤10
230
190
5
10
78
12
＞10
220
180
4
6R63
T5③
≤3
220
180
8
3
78
12

    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）%
序号
牌号
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Ti
RE
Zn
其它
Al
备注
单个
合计
1
6060
0.30-0.6
0.1-0.3
0.10
0.10
0.36-0.6
0.05
0.1
－
0.15
0.05
0.15
余量
－
2
6063
0.20-0.6
0.35
0.10
0.10
0.45-0.9
0.10
0.1
－
0.10
0.05
0.15
余量
LD30
3
6063A
0.30-0.6
0.15-0.35
0.10
0.15
0.60-0.9
0.05
0.1
－
0.15
0.05
0.15
余量
－
4
6R63
0.30-0.7
0.20
0.10
0.15
0.50-0.7
0.25
0.1
0.10-0.25
0.03
0.05
0.15
余量
④
    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
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Ti
Zn
其它
Al
单个
合计
6063A
0.40-0.45
≤0.25
≤0.08
≤0.08
0.62-0.65
≤0.05
≤0.05
≤0.05
0.05
0.15
余量
    按表3内挖标准生产出来的型材、韦氏硬度达到12HW-14HW，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≤0.25%，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
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Ti
Zn
其它
Al
单个
合计
6060
0.38-0.40
≤0.20
0．08-0．10
≤0。10
0.46-0.50
≤0.05
≤0.05
≤0.03
0.05
0.15
余量
    按照表4内挖标准生产的型材韦氏硬度都在10HW—12HW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0.18%～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⑤。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
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Ti
Zn
RE
其它
Al
单个
合计
6R63
0.40-0.42
≤0.20
≤0.10
0．10-0．12
0.60-
0.65
0．10-
0．15
≤0.05
≤0.03
0.18-
0.20
0.05
0.15
余量
    按表5化学成分内控标准，铸锭的晶粒度达到一级，挤压型材的韦氏硬度达到14HW以上，挤压成品率达到84%以上，氧化成品率达到98%以上，退货率控制在1%之内。
    3、熔铸工序生产工艺要求
    铝锭投炉前必须对炉底进行彻底清理，对于长时间没有清炉（原则上超过15～20炉必须清炉）的炉顶炉壁必须清理干净，严防炉渣因高温熔解在铝液内，生成Si2Fe、Si3Fe5等针状形物资。尽量不要添加外购不明废料，以本厂产生的几何废料为主，阳极氧化废料的添加量不要超过废料投入量的5%，熔炼温度760℃±10℃，两次以上排气精炼，静置时间不得超过30min，合金元素添加顺序：Si、Cu、Mg最后稀土细化剂，铸造温度（盘内）690℃－710℃，冷却水压力不得低于0.8Pma铸锭晶粒度要求一级，铸锭表面质量必须符合《YS417变形铝及铝合金铸锭及其加工产品缺陷》的标准。
    4、挤压工序操作工艺要点
    挤压生产光伏太阳能铝合金型材，是整个生产工序中最简单的一环，主要控制三温，速度及模具的设计、维护这三个方面，下面从模具、挤压工艺两个方面进行论述。
    （1）模具要求
    A、足够的空刀位≥2.5㎜，保证空刀位不粘铝。
    B、表面硬度必须达到HV≥1000，表面光洁度良好。
    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3㎜～8㎜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450℃～460℃。可先将铝棒加温到500℃～520℃，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450℃～480℃，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380℃～400℃，目前挤压机出厂时，挤压机生产厂家都将盛锭筒的温度锁定最高温度400℃。
    D、挤压速度视出材表面质量而定。一般情况下8m/min～18m/min出料口在线淬火温度520±5℃,6060合金在线淬火温度515±5℃,冷却速度4℃/S(风量660m3/h全压，风压850Pa)。
    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2㎝左右的距离，避免相互擦伤。有条件的厂家应逐层用瓦檩纸隔开，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⑥。从图中可以得出以下几点结论。
    ①经175℃、8h热处理后，铝合金型材的抗拉强度较高（最高达到14H以上）。
    ②经200℃、2h，180℃、4h，时效温度较高时，有助于强度峰值的回升，但在随后的保温过程中呈下降趋势。
    ③经170℃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+人工时效，力学性能比T6略高）的要求，某公司决定彩175℃、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
TY001
6060
T66
炉内上、中、下各三框
每框10支，共30支
11-12
合格
6063
同上
同上
11-12
合格
6R63
同上
每框15支，共45支
14-16
合格
TY002
6060
T66
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
TY003
6060
T66
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

  图2：时效制度对硬度的影响
    6、表面处理工序工艺控制
    ①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。其喷砂工艺要求如下：
    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
    ②阳极氧化及封孔质量标准
    A、阳极氧化膜≥15?m，部分客户要求≥20?m
    B、封孔质量：无硝酸预浸的磷铬酸法＜20mg/d㎡（GB/T8753.1，国家标准＜30mg/d㎡）
    硝酸预浸的磷铬酸法＜20mg/d㎡（EN12371—7，欧盟标准＜30mg/d㎡）
    C、抗热裂性温度：AA15级≤70℃，AA20级≤64℃
    ③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
序号
溶液组成
含量g/L
温度℃
时间min
1
H3PO4
30
50～60
5～6
H2SO4
7
表面活性剂
5
2
游离H2SO4
180～200
常温
3～5
Al+
＜20
水洗PH值
6～9
    B、碱蚀工艺⑦
    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℃
时间min
游离NaOH
45～60
50～60
2～5
Al+
5～70
光亮碱蚀添加剂
按NaOH的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——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/L～100g/L；温度：常温；游离酸：180g/L～200g/L；时间：2～5min；铝离子:＜20 g/L。
    中和工序工艺管理要点如下:
    a、定期测定槽液硝酸浓度、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1/4～1/3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时清除，脱落在槽液中的铝件应及时捞起。
    E、硝酸阳极氧化工艺见表9
表9  某公司硫酸直流阳极氧化工艺条件
槽液工艺组成
一般使用条件
最佳使用条件
20～25μm
游离硫酸(g/L)
150～220
160～180
150～160
铝离子(g/L)
2～20
8～18
5～15
温度(℃)
15～22
18～20
17～19
电流密度(A/dm2)
1.0～1.4
1.3～1.4
1.5～1.6
时间/min
按膜厚确定
一般25～30
55～65
    F、中温封孔
    光伏太阳能铝合金型材因其氧化膜厚度最低AA15级，还应具备抗热裂性，故选择中温封孔工艺。
    某公司中温封孔工艺如下：
    中温封孔剂：5 g/L；温度：40℃～60℃；PH值：5.8±0.2；时间：1mm/1min，温度越高，时间越短，封孔质量越好。
    采用上述工艺对型材封孔处理后，失重试验在16～18mg/dm2之间，优于国家标准。
    J、热水洗及烘干
    中温封孔完毕后，经过二道水洗，进入去高温离子水浸泡100min～15min，水洗85℃～95℃，PH值5～7，为后工序覆膜打下基础。高温浸泡后沥干水珠，然后烘干，烘干炉温度不要超过40℃，若无烘干炉，将型材平放于平板车上一头朝上，自然风干，待低的一头型材边上有水珠时，可用电热风机吹干即可进入包装工序。
    7、包装及质量检测
    进入包装工序的器材，要逐支进行检查，凡不符合质量标准的必须全部挑出，不得包装入库，检查完毕的型材先挑几支进行覆膜试验。薄膜覆在光伏太阳能型材上以不粘胶，不脱落为合格，试验合格，方可转入指覆膜阶段，覆膜在型材上要求无气泡、无绉、正中不偏。失重试验，抗热裂性试验，必须定期进行。凡遇粘膜现象，必须全面重点检查封孔质量，喷砂质量，抗热裂性。
    8、结论
    某公司从二○一○年五月份开始生产光伏太阳能铝型材，从开始的综合成品率35～40%，通过不断摸索，并按上述工艺生产，综合成品率提高到84%～86%。
【参考文献】
    ①《2010～2015年中国太阳能光伏发电产业投资分析及前景预报告》中投顾问新能源、行业首席研究员  姜谦
    ②《我国再生铝产业发展现状及前景展望》中国有色金属工业协会再生金属分会会长  王恭敏
    ③、④《太阳能光伏电池用铝合金型材》行业标准  预审稿
    ⑤2006《工业铝型材技术专集》P141、《新型Al-Ti-B-稀土(RE)晶粒细化剂》,作者:蒋建军
    ⑥2006《铸造技术》27-04,《提高Al-Mg-Si系合金强度的途径分析》,作者:张建新、高爱华、曹新鑫.
    ⑦朱祖芳,《铝合金阳极氧化与表面处理技术》化学工业出版社,2010年第2版,P33。
    ⑧朱祖芳《铝合金阳极氧化与表面处理技术》,化学工业出版社,2010年第2版,P42。

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