串焊机：光伏产业高效生产的核心装备与技术演进​

在全球能源结构向清洁能源转型的浪潮中，光伏产业凭借其可再生、无污染的优势，已成为新能源领域的重要支柱。而在光伏组件的生产流程中，串焊机作为实现电池片精准连接的核心设备，直接决定了光伏组件的发电效率、可靠性与制造成本。随着光伏技术向高功率、薄片化、大尺寸方向快速迭代，串焊机也经历了从半自动到全自动、从单一功能到智能化集成的技术革新，成为推动光伏产业规模化、高效化发展的关键力量。本文将从串焊机的工作原理、技术发展历程、核心技术特点、性能影响因素、应用场景及未来趋势等方面，全面剖析这一光伏制造领域的 “关键装备”。​

一、串焊机的工作原理与核心功能​

串焊机的本质是通过焊接工艺将离散的光伏电池片串联成电池串，为后续光伏组件的层压、封装等工序奠定基础。其核心工作逻辑围绕 “精准定位 – 焊接连接 – 质量检测” 三大环节展开，不同技术路线的串焊机在具体实现方式上存在差异，但整体流程具有高度一致性。​

从工作流程来看，串焊机首先通过上料机构将堆叠的光伏电池片逐一输送至定位平台。此时，机器视觉系统会对电池片的位置、尺寸、隐裂情况进行快速扫描，通过算法调整吸盘或机械臂的位置，确保电池片在焊接台上的定位精度控制在 ±0.1mm 以内 —— 这一精度要求直接影响后续焊接的一致性，若定位偏差过大，可能导致焊带与电池片主栅线错位，进而降低组件的导电效率。​

在焊接环节，目前主流的串焊机主要采用红外焊接与激光焊接两种技术路线。红外焊接通过红外加热管产生的高温（通常在 250-350℃）加热焊带，使焊带表面的焊锡层融化并与电池片的主栅线形成冶金结合；激光焊接则利用高能量密度的激光束（波长多为 1064nm 或 532nm）聚焦于焊带与电池片的接触点，瞬间融化金属并形成焊点，具有加热速度快、热影响区小的优势。两种焊接方式各有侧重：红外焊接适用于常规尺寸电池片（如 166mm、182mm），成本较低且工艺成熟；激光焊接则更适合薄片化电池片（厚度低于 160μm）和大尺寸电池片（如 210mm），能减少电池片因热应力导致的隐裂风险。​

焊接完成后，串焊机的质检模块会对电池串进行二次检测，包括焊点外观（是否存在虚焊、漏焊、焊瘤）、电池串长度（偏差需控制在 ±0.5mm）、电池片完整性（是否出现隐裂或破碎）。部分高端串焊机还集成了 EL（电致发光）检测功能，通过给电池串施加正向偏压，利用红外相机捕捉电池片的发光图像，精准识别内部隐裂、黑心片等肉眼难以察觉的缺陷，确保每一条电池串都符合质量标准。​

二、串焊机的技术发展历程：从半自动到智能化​

光伏产业的快速发展推动了串焊机技术的迭代升级，回顾其发展历程，可大致分为三个阶段，每个阶段的技术特点都与当时的光伏电池技术和市场需求高度匹配。​

（一）第一阶段：半自动串焊机（2000-2010 年）​

2000 年前后，光伏产业处于起步阶段，电池片尺寸较小（多为 125mm×125mm），生产规模有限，对串焊机的效率要求较低。这一时期的串焊机以半自动为主，核心工序依赖人工辅助：人工将电池片放置在定位台上，机器完成焊带铺设与焊接，焊接后再由人工将电池串取下并整理。半自动串焊机的焊接速度较慢，单台设备每小时仅能完成 20-30 条电池串（每条含 10-12 片电池片），且焊接质量受人工操作影响较大，虚焊、漏焊等问题频发。此外，设备的兼容性较差，更换电池片型号时需要手动调整定位夹具，耗时较长（通常需要 1-2 小时）。​

这一阶段的串焊机技术虽然简陋，但为光伏产业的初步规模化生产提供了基础，也为后续全自动设备的研发积累了经验。当时的主流厂商多为国内小型设备企业，技术主要依赖进口模仿，核心部件（如红外加热管、机器视觉相机）多从德国、日本进口。​

（二）第二阶段：全自动串焊机（2010-2018 年）​

2010 年后，全球光伏市场需求爆发，中国成为全球最大的光伏生产国，电池片尺寸逐步扩大至 156mm×156mm，对生产效率和一致性的要求显著提升，全自动串焊机应运而生。全自动串焊机实现了 “上料 – 定位 – 焊接 – 质检 – 下料” 全流程自动化，无需人工干预，焊接速度大幅提升至每小时 80-120 条电池串，部分高端设备可达 150 条 / 小时。​

在技术创新方面，全自动串焊机的突破主要体现在三个方面：一是机器视觉系统的升级，采用高分辨率工业相机（像素从 130 万提升至 500 万）和高速图像处理算法，定位精度从 ±0.3mm 提升至 ±0.1mm，同时实现了对电池片隐裂、缺角等缺陷的初步检测；二是焊接工艺的优化，红外焊接的加热方式从 “整体加热” 升级为 “分区加热”，可根据焊带不同位置的温度需求调整加热功率，减少电池片热损伤；三是设备兼容性提升，通过电动调节定位夹具和软件参数设置，更换电池片型号的时间缩短至 30 分钟以内，满足了多品种生产的需求。​

这一阶段，国内设备厂商开始崛起，如先导智能、迈为股份等企业通过自主研发，突破了核心算法和机械结构设计技术，逐步替代进口设备（如德国 Schmid、日本 NPC），市场份额从不足 10% 提升至 70% 以上。全自动串焊机的普及，使得光伏组件的生产效率提升了 3-5 倍，制造成本降低了 20%-30%，为光伏产业的 “平价上网” 奠定了设备基础。​

（三）第三阶段：智能化串焊机（2018 年至今）​

2018 年后，光伏技术进入 “高功率时代”，电池片尺寸向 182mm、210mm 大尺寸演进，厚度从 200μm 降至 160μm 以下，同时 TOPCon、HJT 等新型高效电池技术逐步量产，对串焊机的精度、效率、兼容性提出了更高要求，智能化串焊机成为行业主流。​

智能化串焊机的核心技术突破体现在四个维度：一是 “激光 + 红外” 双焊接系统，可根据电池片类型（常规 PERC 电池或新型高效电池）自动切换焊接方式，例如对 HJT 电池采用激光焊接以减少热影响，对 PERC 电池采用红外焊接以控制成本；二是 AI 视觉检测，通过深度学习算法训练模型，不仅能识别电池片的表面缺陷，还能预测焊点的可靠性（如通过焊点形状判断焊锡层融化是否充分），检测准确率从 95% 提升至 99.5%；三是数字孪生技术，在虚拟环境中构建串焊机的数字模型，实时模拟设备运行状态，提前预警机械部件的磨损（如吸盘老化、导轨偏差），将设备故障率降低 30% 以上；四是柔性生产，通过模块化设计，单台设备可兼容 166mm、182mm、210mm 等多种尺寸电池片，更换型号的时间缩短至 10 分钟以内，同时支持 “12 片串”“14 片串” 等不同规格电池串的生产，满足组件厂商的定制化需求。​

目前，智能化串焊机的最高焊接速度已达到每小时 200 条电池串，定位精度控制在 ±0.05mm，隐裂率低于 0.1%，核心指标已达到国际领先水平。国内厂商如迈为股份、捷佳伟创等，其智能化串焊机的市场份额已超过 80%，并出口至东南亚、欧洲等地区，成为全球光伏设备领域的重要参与者。​

三、串焊机的核心部件与性能影响因素​

串焊机的性能优劣取决于核心部件的质量和系统集成能力，了解其核心部件的功能的性能影响因素，对光伏组件厂商选择设备、优化生产具有重要意义。​

（一）核心部件及其功能​

1. 机器视觉系统：由工业相机、镜头、光源和图像处理单元组成，是串焊机的 “眼睛”。工业相机负责捕捉电池片和焊带的图像，镜头决定成像分辨率（通常选用 8mm 或 12mm 焦距镜头），光源采用高亮度 LED 条形光源（波长为白色或蓝色，减少反光干扰），图像处理单元通过算法完成定位、缺陷检测等任务。目前主流的机器视觉系统采用 “双相机 + 多光源” 设计，可同时拍摄电池片的正面和侧面，确保定位精度和缺陷检测的全面性。​

2. 焊接系统：红外焊接系统的核心部件是红外加热管（材质多为石英玻璃，发热体为钨丝）和温度控制系统，需精准控制加热温度（误差 ±5℃）和加热时间（通常为 0.5-1 秒）；激光焊接系统的核心部件是激光器（多为光纤激光器，功率 50-100W）和扫描振镜，需控制激光聚焦光斑大小（直径 50-100μm）和扫描速度（100-200mm/s），确保焊点大小均匀。​

3. 机械传动系统：包括导轨、丝杠、伺服电机和吸盘，是串焊机的 “手脚”。导轨和丝杠决定运动精度（采用滚珠导轨和滚珠丝杠，重复定位精度 ±0.01mm），伺服电机控制运动速度和位置（选用功率 100-200W 的伺服电机，响应时间≤0.1 秒），吸盘负责抓取电池片（采用硅胶材质，避免划伤电池片表面，真空度控制在 – 80kPa 至 – 90kPa，确保抓取稳定）。​

4. 控制系统：由 PLC（可编程逻辑控制器）、触摸屏和软件组成，是串焊机的 “大脑”。PLC 负责控制各部件的协同工作（如上料、定位、焊接的时序），触摸屏用于人机交互（设置参数、查看生产数据），软件则集成了定位算法、焊接参数优化算法、质检算法等核心逻辑。目前高端串焊机的控制系统采用工业级计算机（IPC）替代传统 PLC，运算速度提升 5 倍以上，支持多任务并行处理。​

5. 质检系统：除了机器视觉检测外，部分串焊机还集成了拉力测试模块和 EL 检测模块。拉力测试模块通过机械装置对电池串施加一定的拉力（通常为 5-10N），检测焊点的抗拉强度（合格标准为焊点不脱落、焊带断裂位置不在焊点处）；EL 检测模块由红外相机、暗箱和电源组成，通过 EL 图像识别电池片内部隐裂、栅线断裂等缺陷，是确保组件长期可靠性的关键。​

（二）性能影响因素​

1. 电池片特性：电池片的尺寸、厚度、主栅线数量直接影响串焊机的焊接参数。例如，大尺寸电池片（210mm）需要更长的焊接时间和更大的定位范围，薄片化电池片（<160μm）需要更低的焊接温度以避免热裂，多主栅电池片（如 12 栅、16 栅）需要更高的定位精度以确保焊带与栅线对齐。​

2. 焊带特性：焊带的材质（通常为镀锡铜带）、直径（或厚度）、表面镀锡层厚度会影响焊接质量。例如，直径较粗的焊带需要更高的加热温度以确保融化充分，镀锡层厚度不足则可能导致焊点虚焊，影响导电性能。​

3. 环境因素：生产车间的温度、湿度、粉尘浓度会对串焊机的性能产生影响。温度过高（>30℃）会导致红外加热管散热不良，温度控制精度下降；湿度过高（>60% RH）会导致电池片表面受潮，影响焊接导电性；粉尘浓度过高则会污染机器视觉镜头，导致定位偏差。​

4. 设备维护：串焊机的定期维护是确保性能稳定的关键。例如，机器视觉镜头需要每周清洁一次，避免粉尘积累；导轨和丝杠需要每月添加润滑油，防止磨损；吸盘需要每季度更换一次，避免老化导致抓取不稳。若维护不及时，可能导致设备故障率上升，焊接质量下降。​

四、串焊机的应用场景与行业价值​

串焊机作为光伏组件生产的核心装备，其应用场景覆盖了光伏产业链的中游制造环节，同时在不同类型的光伏组件生产中展现出差异化的适配能力，为光伏产业的规模化、高效化发展提供了重要支撑。​

（一）应用场景​

1. 常规光伏组件生产：常规光伏组件（如 PERC 组件）是目前市场的主流产品，其生产流程中，串焊机主要用于将 PERC 电池片串联成电池串，再与玻璃、EVA 胶膜、背板等材料进行层压封装。由于 PERC 电池技术成熟，对串焊机的兼容性要求较低，目前市场上的全自动串焊机和智能化串焊机均可满足生产需求，单条生产线通常配置 2-4 台串焊机，可实现每小时 1000-2000 片电池片的焊接，对应组件产能约 1.2-2.4GW / 年。​

2. 高效光伏组件生产：随着 TOPCon、HJT 等新型高效电池技术的量产，高效光伏组件（如 N 型组件）的市场份额逐步提升。这类组件对串焊机的焊接精度和热影响控制要求更高，通常需要采用激光焊接技术。例如，HJT 电池的 PN 结位于表面，对温度敏感，激光焊接的热影响区小（<0.1mm），可有效避免 PN 结损伤，确保组件的转换效率；TOPCon 电池的背面钝化层较薄，激光焊接可减少焊带与电池片的接触电阻，提升导电效率。目前，针对高效组件的串焊机已实现量产，如迈为股份的 HJT 专用串焊机，焊接速度可达 180 条 / 小时，隐裂率低于 0.05%，可满足 N 型组件的大规模生产需求。​

3. 特殊光伏组件生产：除了常规和高效组件外，串焊机还可用于特殊光伏组件的生产，如柔性光伏组件、双面光伏组件、BIPV（光伏建筑一体化）组件等。柔性组件采用柔性基板（如聚酰亚胺薄膜），电池片厚度更薄（<100μm），串焊机需采用更轻柔的抓取方式（如真空吸盘的吸力降低至 – 50kPa）和更低的焊接温度（激光功率降至 30-50W）；双面组件需要同时焊接电池片的正面和背面，串焊机需配置双焊接系统（正面红外焊接，背面激光焊接）；BIPV 组件的尺寸和形状多样（如弧形、异形），串焊机需具备定制化的定位和焊接功能，通过软件调整焊接路径，满足不同形状组件的生产需求。​

（二）行业价值​

1. 提升生产效率，降低制造成本：串焊机的技术升级直接推动了光伏组件生产效率的提升。从半自动设备到智能化设备，单台串焊机的焊接速度提升了 10 倍以上，单条组件生产线的人力需求从 10-15 人降至 2-3 人，人力成本降低 70% 以上。同时，焊接质量的提升减少了电池串的返工率（从 5% 降至 0.5% 以下），进一步降低了生产成本，为光伏组件的 “平价上网” 提供了关键支撑。​

2. 推动光伏技术迭代：串焊机的技术进步与光伏电池技术的迭代相辅相成。例如，大尺寸电池片的量产需要串焊机提升定位范围和焊接长度，薄片化电池片的应用需要串焊机减少热应力，新型高效电池的推广需要串焊机优化焊接工艺。串焊机通过不断适配新的电池技术，加速了光伏组件向更高效率、更低成本的方向发展。例如，激光焊接技术的普及，使得 HJT 组件的转换效率提升了 0.5-1 个百分点，推动了 N 型组件的市场化进程。​

3. 提升光伏组件可靠性：光伏组件的使用寿命通常要求达到 25-30 年，而电池串的焊接质量是影响组件长期可靠性的关键因素。串焊机通过精准控制焊接温度、压力和时间，确保焊点的冶金结合强度，减少了焊点在长期使用过程中的老化和失效风险。同时，串焊机集成的质检系统（如 EL 检测、拉力测试），可有效筛选出不合格的电池串，避免了缺陷组件流入市场，提升了光伏电站的发电稳定性和使用寿命。​

五、串焊机行业的挑战与未来趋势​

尽管串焊机技术已取得显著进步，但在光伏产业快速发展的背景下，行业仍面临诸多挑战，同时也呈现出明确的未来发展趋势。

（一）面临的挑战​

1. 技术适配性挑战：光伏电池技术的迭代速度不断加快，从 PERC 到 TOPCon、HJT，再到未来的钙钛矿电池，电池的结构、材质和性能不断变化，对串焊机的技术适配性提出了更高要求。例如，钙钛矿电池的稳定性较差，对焊接温度和压力的敏感度更高，目前的串焊机难以满足其焊接需求 —— 钙钛矿电池的活性层在 80℃以上就可能出现分解，而现有红外焊接温度普遍在 250℃以上，激光焊接虽热影响区小，但局部温度仍可能超过 100℃，需研发全新的低温焊接技术；叠层电池（如 PERC/HJT 叠层）的结构复杂，上下层电池片的电极位置存在偏差，需要串焊机实现多片电池的精准叠合与焊接，现有设备的定位精度（±0.05mm）虽已较高，但叠层电池对定位偏差的容忍度更低（需控制在 ±0.03mm 以内），精度仍需进一步提升。​

2. 成本控制挑战：随着光伏产业的竞争加剧，组件厂商对设备成本的敏感度显著提高。目前，一台智能化串焊机的价格约为 300-500 万元，单条组件生产线的设备投入（含串焊机、层压机、排版机等）超过 2000 万元，对中小型组件厂商形成较大资金压力。同时，智能化串焊机的核心部件（如光纤激光器、高分辨率工业相机）仍部分依赖进口，进口部件占设备成本的 30%-40%，导致设备价格难以进一步降低。此外，设备的运维成本也较高 —— 激光焊接系统的激光器寿命约为 1 万小时，更换一次需投入 20-30 万元；机器视觉系统的镜头和相机需定期校准，每年校准费用约 5-10 万元，这些成本均需通过技术创新逐步优化。​

3. 全球化竞争与标准缺失挑战：随着中国串焊机厂商向全球市场拓展，面临着来自德国、日本等传统设备强国的竞争压力。例如，德国 Schmid 推出的新一代串焊机集成了更先进的数字孪生技术，可实现设备全生命周期的数字化管理；日本 NPC 的串焊机在精密机械传动方面具有优势，运动精度可达 ±0.02mm。同时，全球串焊机行业尚未形成统一的技术标准，不同厂商的设备在接口协议、参数设置、质检标准等方面存在差异，导致组件厂商更换设备时需进行大量的适配改造，增加了生产风险和成本。例如，A 厂商的串焊机采用自有通信协议，与 B 厂商的 MES（生产执行系统）无法直接对接，需额外开发接口软件，耗时 1-2 个月，影响生产线的正常运行。​

（二）未来发展趋势​

面对上述挑战，结合光伏产业的技术方向和市场需求，串焊机行业将呈现以下四大发展趋势：​

1. 低温焊接技术成为研发重点：为适配钙钛矿、叠层等新型电池技术，低温焊接技术将成为串焊机的核心研发方向。目前，行业已开始探索两种技术路径：一是 “超声焊接技术”，利用超声波的高频振动（频率 20-40kHz）使焊带与电池片的接触界面产生塑性变形和局部升温，在 80-120℃的低温下实现固态焊接，避免高温对电池片的损伤，该技术已在实验室阶段实现钙钛矿电池的有效焊接，焊点强度可达 5N 以上；二是 “低温焊带技术”，研发熔点低于 100℃的新型焊带（如铋基无铅焊带），配合改进的红外加热系统，实现低温焊接，目前该焊带的导电性能已接近传统镀锡铜带，有望在 2-3 年内实现量产应用。​

2. 核心部件国产化加速，成本持续下降：随着中国高端制造业的发展，串焊机核心部件的国产化进程将进一步加快。例如，国内厂商已研发出功率 50-100W 的光纤激光器，性能达到进口产品的 90% 以上，价格仅为进口产品的 60%-70%；高分辨率工业相机（500 万像素以上）的国产化率已从 2018 年的 10% 提升至 2023 年的 40%，预计 2025 年将超过 60%。核心部件国产化将使串焊机的设备成本降低 20%-30%，同时缩短交货周期（从进口设备的 3-6 个月缩短至国产设备的 1-2 个月），提升设备的性价比。此外，设备厂商还将通过模块化设计减少零部件种类，降低生产和运维成本 —— 例如，将焊接系统、定位系统、质检系统设计为标准化模块，更换故障模块仅需 1-2 小时，大幅缩短停机时间。​

3. 智能化与绿色化深度融合：未来的串焊机将在智能化基础上进一步融入绿色化理念，实现 “高效生产 + 低碳环保” 的双重目标。在智能化方面，设备将集成更先进的 AI 算法，实现 “预测性维护 + 自适应调整”—— 通过分析设备运行数据（如电流、温度、振动），提前预测部件的故障风险，准确率提升至 95% 以上；根据电池片的实时特性（如厚度偏差、表面平整度）自动调整焊接参数（如激光功率、加热时间），确保焊接质量的一致性。在绿色化方面，设备将采用更节能的部件和工艺 —— 例如，研发能耗低于 10kW 的激光焊接系统（现有系统能耗约 15-20kW），降低设备运行能耗；采用无铅焊带和环保型润滑油，减少重金属和有害气体的排放；设备报废后，核心部件（如电机、相机）可回收利用率提升至 80% 以上，符合全球低碳发展趋势。​

4. 全球化布局与标准统一推进：中国串焊机厂商将进一步加强全球化布局，通过在东南亚、欧洲设立生产基地和研发中心，贴近当地市场需求，降低物流成本和贸易壁垒。例如，迈为股份已在越南设立组装工厂，生产的串焊机可快速供应东南亚的组件厂商，交货周期缩短至 1 个月以内；捷佳伟创在德国设立研发中心，专注于适应欧洲市场的高效串焊机研发，满足当地对组件效率的高要求。同时，行业协会和龙头企业将推动全球串焊机技术标准的统一 —— 例如，中国光伏行业协会（CPIA）已联合德国光伏工业协会（BIPV）、日本光伏能源协会（JPEA）开展串焊机标准制定工作，计划在 2025 年前发布涵盖设备接口、参数定义、质检方法等方面的统一标准，解决不同厂商设备的兼容性问题，降低组件厂商的设备更换成本和生产风险。​

六、结语​

作为光伏组件生产的 “核心装备”，串焊机的技术演进始终与光伏产业的发展同频共振 —— 从半自动到全自动，再到智能化，串焊机不仅推动了光伏组件生产效率的提升和制造成本的降低，更成为光伏技术迭代的 “助推器”。面对新型电池技术的挑战和全球化竞争的压力，串焊机行业需以技术创新为核心，加快低温焊接、核心部件国产化、智能化绿色化融合等方向的研发，同时推动全球技术标准的统一，为光伏产业实现 “平价上网” 和 “双碳目标” 提供更有力的设备支撑。​

未来，随着光伏产业在全球能源转型中发挥更大作用，串焊机将不再仅仅是 “生产工具”，更将成为 “智能生产系统” 的重要组成部分，通过与物联网、大数据、人工智能等技术的深度融合，实现光伏组件从设计、生产到运维的全生命周期智能化管理，为全球清洁能源事业的发展注入新的动力。​