铝合金棒材的生产方法及其在光伏领域的应用

技术领域

本发明涉及铝合金棒材的生产方法及其在光伏领域的应用，属于光伏领域铝合金棒材生产技术领域。

背景技术

6系铝合金具有密度低、力学性能适用范围广，耐候性、耐蚀性好等诸多优点，其棒材及其对应的加工产品非常适用于光伏领域。

在光伏领域中，例如太阳能光伏电池板的承载架目前通常都是6系铝合金制成，要求必须达到25年以上的使用寿命要求。

但是上述性能要求只能一般地区的户外使用需求，对于一些特殊气候地区，例如太阳能资源丰富的青藏高原地区，其昼夜温差大，尤其是冻土区域，对光伏设备的需求更为迫切。以目前常用的6005型铝合金为例，其在-25℃～20℃的昼夜温差变化下，铝合金的屈服强度会明显下降；发生这种变化主要是因为在铝合金熔炼过程中，结晶不够均匀，晶粒无法进一步细化，导致耐高低温变化的性能有限。例如在高低温循环烘箱内进行高低温循环试验(循环温度-25℃～20℃，循环1000次)，试验前后的6005型铝合金的屈服强度变化，发现屈服强度下降幅度接近50％。

基于此，提出本发明。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了铝合金棒材的生产方法及其在光伏领域的应用，具体技术方案如下：

铝合金棒材的生产方法，包括以下步骤：

步骤1、按照配方称取原料，进行熔炼，扒渣与搅拌，调整成分，得到铝合金熔液；

步骤2、在精炼炉内精炼、除气，得到精炼熔液；

步骤3、精炼熔液经过静置、铸造得到铝合金铸锭，铝合金铸锭经过均匀化退火后，用挤压机对铝合金铸锭进行挤压生成铝合金棒材。

更进一步的改进，所述铝合金棒材的配方，按质量百分比计，包括以下组分：

Cu：0.13～0.39％；Mn：0.12～0.15％；Mg：0.8～1.0％；Zn：0.15～0.2％；Zr：0.05～0.08％；Cr：0.06～0.07％；Ti：0.12％；Si：0.5～0.6％；Fe：≤0.3％；余量为Al。

更进一步的改进，在步骤3中，铸造温度为700～710℃，铸造速度为11～12m/min。

更进一步的改进，在步骤3中，挤压机的出口处的温度控制为535～540℃，挤压后采用在线水雾冷却进行淬火处理。

更进一步的改进，所述精炼炉内设置有石墨搅拌头、与石墨搅拌头同轴连接的空心石墨杆；所述精炼炉内还设置有两根石墨电极组件，所述石墨电极组件包括石墨外管、与石墨外管同轴设置的空心绝缘棒、铜摆锤，所述石墨外管与空心绝缘棒之间通过安装轴承转动连接，所述空心绝缘棒的上端和空心石墨杆内部的通道均连接有氮气源，所述铜摆锤的上端与空心绝缘棒之间固定安装有铜弹簧，所述铜弹簧的上端位于石墨外管的内部，所述铜摆锤位于石墨外管的下方；

两根铜弹簧分别与脉冲电源的两极电连接。

更进一步的改进，所述石墨搅拌头的转速为450～500r/min，所述空心石墨杆向铝合金熔液内吹入的氮气流量为1.1～1.8m

更进一步的改进，所述脉冲电源的输出电流基值为30～35A，峰值为310～380A，脉冲频率为100～120Hz，输出电流波形为锯齿波。

更进一步的改进，所述铜摆锤包括外锤体和嵌入在外锤体和内部的铅锤体。

更进一步的改进，所述石墨外管的下半段内壁设置有镀铜层。

更进一步的改进，铝合金棒材在光伏领域的应用，所述铝合金棒材是采用所述的铝合金棒材的生产方法所生产得到的。

本发明的有益效果：

本发明对现有铝合金配方进行优化设计，通过进一步优化精炼工艺，从而能够进一步细化晶粒，使得晶粒的大小和形状进一步优化，使得冶炼得到的铝合金棒材的机械性能显著提升，尤其是对其耐高低温变化的性能显著提高，使得所述铝合金棒材特别适合在光伏领域的应用，特别适合应用在高海拔地区的光伏产品。

附图说明

图1为本发明所述精炼炉内两根石墨电极组件的分布示意图；

图2为本发明所述石墨电极组件的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

铝合金棒材的生产方法，包括以下步骤：

步骤1、按照以下配方称取原料，进行熔炼，扒渣与搅拌，调整成分，得到铝合金熔液；

所述铝合金棒材的配方，按质量百分比计，包括以下组分：

Cu：0.13～0.39％；Mn：0.12～0.15％；Mg：0.8～1.0％；Zn：0.15～0.2％；Zr：0.05～0.08％；Cr：0.06～0.07％；Ti：0.12％；Si：0.5～0.6％；Fe：≤0.3％；余量为Al。

步骤2、在精炼炉内精炼、除气，得到精炼熔液；

步骤3、精炼熔液经过静置、铸造(铸造温度为700～710℃，铸造速度为11～12m/min)得到铝合金铸锭，铝合金铸锭经过均匀化退火后，用挤压机对铝合金铸锭进行挤压生成铝合金棒材；其中，挤压机的出口处的温度控制为535～540℃，挤压后采用在线水雾冷却进行淬火处理。

如图1、2所示，所述精炼炉10内设置有石墨搅拌头12、与石墨搅拌头12同轴连接的空心石墨杆11；所述精炼炉10内还设置有两根石墨电极组件，所述石墨电极组件包括石墨外管22、与石墨外管22同轴设置的空心绝缘棒21、铜摆锤26，所述石墨外管22与空心绝缘棒21之间通过安装轴承24转动连接，所述空心绝缘棒21的上端和空心石墨杆11内部的通道均连接有氮气源，所述铜摆锤26的上端与空心绝缘棒21之间固定安装有铜弹簧25，所述铜弹簧25的上端位于石墨外管22的内部，所述铜摆锤26位于石墨外管22的下方；

两根铜弹簧25分别与脉冲电源的两极电连接。

所述石墨搅拌头的转速为470r/min，所述空心石墨杆向铝合金熔液内吹入的氮气流量为1.1～1.8m

所述脉冲电源的输出电流基值为33A，峰值为320A，脉冲频率为115Hz，输出电流波形为锯齿波。

首先，由于脉冲电源的输出电流在两根石墨电极组件之间形成巨大的脉冲电流，在两根石墨电极组件之间的空心石墨杆11不断的旋转搅拌，使得两根石墨电极组件之间的铝合金熔液是不均匀状态，不断起伏的电流带来的冲击力，再加上由于初期分布不均匀的铝合金熔液(对应的电阻也是不均匀的)，由此导致铜摆锤26是不断的摆动。摆动的铜摆锤26能够对其附件的铝合金熔液进行类似“搅拌”的作用，从而使得精炼炉10内的铝合金熔液被“小幅度搅拌”均匀，搅拌时间缩短36％以上，相对于“大幅度搅拌”(如加搅拌叶片，虽然搅拌效率提高了，搅拌时间缩短了，但是搅拌幅度太大，导致被扬起的铝合金熔液变多，被氧化的铝合金更多，扒渣量会显著提高)，扒渣量无显著变化。采用热成像可明显观察到铜摆锤26的摆动频率，初期摆动频率为0.37～0.5Hz；后期摆动频率小于0.2Hz。

在后期，结晶均匀，铜摆锤26的摆动幅度明显下降(摆动频率下降超过50％)，即表示精炼接近尾声。

最核心的是，利用脉冲电流通过熔融的铝合金尤其是铝灰渣时，会产生大量的电阻热作为热源，其能够对局部的铝合金熔液进行重新熔炼，其能够改善铝合金的晶粒，提高铸锭的结晶效果。

在本发明中，空心绝缘棒21固定不动，可由氮化硅制成，石墨外管22由安装在其上端的齿轮带动转动，使得石墨外管22与空心绝缘棒21之间会有相对转动，从而有效防止在石墨外管22与空心绝缘棒21之间淤积.

作为对照，如果将脉冲电源替换为恒流电源，电流值为33A，其余不变，初期摆动频率变为0.17Hz。

作为对照，如果第一根石墨电极组件中石墨外管的转向与第二根石墨电极组件中石墨外管的转向相同，其余不变，初期摆动频率变为0.23Hz。

取本实施例所得铝合金棒材，取样，标记为样品1，测试其屈服强度为306MPa；经过1000次高低温循环试验(循环温度-25℃～20℃)后，屈服强度变为228MPa；屈服强度下降幅度为25.5％。

对照例1

本例与实施例1的区别仅在于，在步骤2中，在精炼炉内精炼、除气时，采用旋转除气箱(即只有空心石墨杆11和石墨搅拌头12)，其余与实施例1相同，最终得到的铝合金棒材，取样为样品2；测试其屈服强度为298MPa；经过1000次高低温循环试验(循环温度-25℃～20℃)后，屈服强度变为157MPa；屈服强度下降幅度为47.3％。

得到精炼熔液；

对照例2

本例与实施例1的区别仅在于，所述空心绝缘棒向铝合金熔液内吹入的氮气流量等于空心石墨杆向铝合金熔液内吹入的氮气流量，所述石墨外管的转速等于石墨搅拌头的转速，其余与实施例1相同，最终得到的铝合金棒材，取样为样品3；测试其屈服强度为292MPa；经过1000次高低温循环试验(循环温度-25℃～20℃)后，屈服强度变为163MPa；屈服强度下降幅度为44.2％。

对照例3

本例与实施例1的区别仅在于，所述空心绝缘棒向铝合金熔液内吹入的氮气流量小于空心石墨杆向铝合金熔液内吹入的氮气流量，二者的流量差为0.6～0.7m

对照例4

本例与实施例1的区别仅在于，所述脉冲电源的输出电流波形为矩形波，其余与实施例1相同，最终得到的铝合金棒材，取样为样品5；测试其屈服强度为295MPa；经过1000次高低温循环试验(循环温度-25℃～20℃)后，屈服强度变为203MPa；屈服强度下降幅度为31.2％。

对照例5

本例与实施例1的区别仅在于，所述脉冲电源的输出电流波形为阶梯波，其余与实施例1相同，最终得到的铝合金棒材，取样为样品6；测试其屈服强度为289MPa；经过1000次高低温循环试验(循环温度-25℃～20℃)后，屈服强度变为168MPa；屈服强度下降幅度为41.9％。

对照例6

本例与实施例1的区别仅在于，所述空心绝缘棒不向铝合金熔液内吹入的氮气，其余与实施例1相同，最终得到的铝合金棒材，取样为样品7；测试其屈服强度为294MPa；经过1000次高低温循环试验(循环温度-25℃～20℃)后，屈服强度变为192MPa；屈服强度下降幅度为34.7％。

实施例2

在实施例1中，所述铜摆锤26包括外锤体和嵌入在外锤体和内部的铅锤体。所述外锤体由紫铜制成。

实施例3

在实施例1中，由于铜弹簧25的上下“律动”，可能会导致对石墨外管22的内壁造成磨损，从而导致铝合金中可能会引入新的杂质。因此，所述石墨外管22的下半段内壁设置有镀铜层。镀铜层不易磨损，即使有轻微的铜粉掉到铝合金熔液中，由于本发明所述铝合金的配方中就含有一定量的铜元素，不会影响本发明所述铝合金的配方配比。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。