平板太陽能集熱器的技術(shù)研究

在太陽能熱利用行業(yè)的平板太陽能集熱器生產(chǎn)中，究竟是激光焊接技術(shù)發(fā)揮穩(wěn)定，還是超聲波金屬焊接技術(shù)更具備優(yōu)勢(shì)，一直是行業(yè)內(nèi)備受爭(zhēng)議的熱門話題，其受關(guān)注程度不亞于真空管型太陽能熱水器和平板型太陽能熱水器之爭(zhēng)。在長(zhǎng)期工藝技術(shù)較量和產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用對(duì)比過程中，也形成了激光焊接和超聲波金屬焊接的兩大技術(shù)陣營(yíng)以及二者之間的“擂臺(tái)之爭(zhēng)”。

本文試擬將激光焊接與超聲波金屬焊接作一綜合對(duì)比，分析二者的區(qū)別和各自的優(yōu)缺點(diǎn)。首先我們從激光焊接和超聲波金屬焊接兩種焊接方式的工作原理來區(qū)分二者的不同。

激光焊接是利用高能量激光脈沖產(chǎn)生的熱能將金屬材料熔化后產(chǎn)生聯(lián)接。在本質(zhì)上和電弧焊并無區(qū)別，只不過電弧焊用來產(chǎn)生熱能的是電弧而不是激光。代表生產(chǎn)商如深圳聯(lián)贏激光。

超聲波金屬焊接是利用超聲波高頻機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的高密度能量，在工件表面產(chǎn)生塑性變形并在壓力下破壞表面層，使所焊金屬在常溫下產(chǎn)生的物理性連接。超聲波金屬焊接既不向工件輸送電流，也不向工件引入高溫?zé)嵩粗皇窃陟o壓力及彈性振動(dòng)能的共同作用下，將機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)變成工件間摩擦功形變能和隨之而產(chǎn)生的溫升，從而使工件在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)連接。代表生產(chǎn)商如佛山楚鑫機(jī)電。

通過焊接原理比較得知，激光焊接是通過高溫改變物體的物理結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)物體的連接，而超聲波金屬焊接則無需改變物體物理結(jié)構(gòu)直接在固態(tài)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)連接。

那么，這兩種焊接技術(shù)究竟哪一種更具備優(yōu)勢(shì)，更適合在平板太陽能領(lǐng)域應(yīng)用呢？

第一回合：產(chǎn)品美觀度PK

激光焊是利用高能激光將所焊金屬熔化而產(chǎn)生連接，在太陽能吸熱板焊接中采用間隔3-5mm一個(gè)焊點(diǎn)的形式焊接。激光焊在所焊工件上不需要加壓，整體變形小，并且對(duì)吸熱層表面破壞小，而超聲波金屬焊接則會(huì)由于壓力作用使片材表面產(chǎn)生波浪形變形，雖然可以通過表面壓紋避免變形，但還是會(huì)在太陽能吸熱曾表面形成3mm左右的焊痕。因此采用激光焊接的產(chǎn)品外表美觀度會(huì)優(yōu)于超聲波金屬焊接。這一回合比拼，激光焊接勝于超聲波金屬焊接。

第二回合：效果持久性PK

激光焊接焊點(diǎn)強(qiáng)度較差，冷熱交替頻繁或受外力時(shí)，焊點(diǎn)易斷裂。而超聲波金屬焊接是通過垂直加壓使兩被焊物體重疊，經(jīng)超聲波振動(dòng)加壓結(jié)合成固態(tài)連接，結(jié)合時(shí)間短且結(jié)合部分不產(chǎn)生鑄造組織缺陷，因此焊位均勻且穩(wěn)定性強(qiáng)，并且超聲波金屬焊接經(jīng)過九十度垂直彎曲試驗(yàn)仍沒有斷裂現(xiàn)象產(chǎn)生。這一回合比拼，超聲波金屬焊接勝于激光焊接。

第三回合：導(dǎo)熱性能PK

采用激光焊接會(huì)使所焊接物體物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因而影響其導(dǎo)電或者導(dǎo)熱性能，并且激光焊接導(dǎo)致太陽能集熱器金屬片和銅管之間絕對(duì)導(dǎo)熱面積小，影響熱傳導(dǎo)效率。超聲波金屬焊接則不存在這個(gè)問題。超聲焊接可以使材料的溫度效應(yīng)降到最低，從而不使金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此焊接后導(dǎo)電性或?qū)�熱性能極好，電阻系數(shù)極低或近乎零，超聲波金屬焊接已成為導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料焊接的最佳選擇方式，這個(gè)性能在平板太陽能集熱器上應(yīng)用明顯能產(chǎn)生激光焊接所無法達(dá)到的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得超聲波金屬焊接的產(chǎn)品比激光焊接傳導(dǎo)效率要高3%左右(即同等工況下，水溫高3%左右)。這一回合比拼，超聲波金屬焊接明顯勝于激光焊接。

第四回合：能耗PK

太陽能熱水器作為低碳節(jié)能環(huán)保的代表性產(chǎn)品被社會(huì)和消費(fèi)者廣泛認(rèn)可，其生產(chǎn)過程中的能耗指標(biāo)也備受關(guān)注，太陽能集熱器的焊接就是其中之一。從焊接原理對(duì)比分析即可得知，超聲波金屬焊接可以使材料的溫度效應(yīng)降到最低(焊區(qū)的溫度不超過被焊金屬絕對(duì)熔化溫度的50%)，從而不使金屬結(jié)構(gòu)變化，所以它不會(huì)使金屬工件退火、也不需要冷卻水，能耗方面，同種金屬與不同種金屬之間均可以進(jìn)行超聲焊接，與激光焊相比耗費(fèi)能量少得多。這一回合比拼，超聲波金屬焊接勝于激光焊接。

第五回合：成本PK

一是設(shè)備成本：國(guó)際上來說，超聲波焊機(jī)和激光焊機(jī)價(jià)格相當(dāng)，但楚鑫機(jī)電公司經(jīng)過從國(guó)外的技術(shù)引進(jìn)加自主研發(fā)推出了太陽能熱利用行業(yè)首款全自動(dòng)整板超聲波金屬焊機(jī)，徹底打破了我國(guó)超聲波焊接設(shè)備需要依賴國(guó)外進(jìn)口的狀況，使國(guó)內(nèi)超聲波焊機(jī)價(jià)格基本下降一半。超聲波金屬焊機(jī)單臺(tái)設(shè)備采購(gòu)成本比激光焊機(jī)低，二者采購(gòu)比例通常是30萬∶100萬(現(xiàn)在國(guó)內(nèi)激光焊機(jī)的價(jià)格也在迅速下降，約下降至70萬左右)。激光焊機(jī)一般是帶2個(gè)激光焊頭，超聲波機(jī)一般是帶一個(gè)焊頭，對(duì)于相同產(chǎn)能來說，2臺(tái)超聲波焊機(jī)對(duì)比1臺(tái)激光焊機(jī)，超聲波略勝于激光。

二是使用成本：首先激光焊適應(yīng)于厚的材料，如焊鋁，鋁板厚度一般選擇為0.4mm，而超聲波焊適應(yīng)薄的產(chǎn)品，如鋁板，一般選擇0.2-0.3mm即可。從焊接材料來講，超聲波優(yōu)勝。其次是耗件成本，激光焊的消耗件是氙燈及過濾器濾芯等，超聲波的消耗件是焊頭�？傮w來說，激光焊的耗材比超聲波的便宜。因此這一回合比拼，超聲波金屬焊接略勝于激光焊接。

第六回合：效率PK

超聲波金屬焊接焊接速度比激光焊接快：典型的超聲波金屬焊接速度是焊銅8m/min、焊鋁12m/min，但超聲波焊目前選擇的工藝是先滾紋，再焊接，所以單臺(tái)機(jī)器效率就要打?qū)φ邸��?duì)于相同產(chǎn)能來說，2臺(tái)超聲波焊機(jī)對(duì)比1臺(tái)激光焊機(jī)，如此比較，超聲波優(yōu)勝于激光。

經(jīng)過這幾個(gè)反面的對(duì)比較量，我們發(fā)現(xiàn)超聲波金屬焊接在太陽能行業(yè)應(yīng)用中，焊接工藝和綜合性能都要優(yōu)于激光焊接。而且從使用經(jīng)驗(yàn)來看，超聲波金屬焊接作為我國(guó)太陽能領(lǐng)域的以往的主要焊接技術(shù)