CN103080384B - 具有摩擦搅拌焊接接头的电化学阳极及制备该阳极的方法 - Google Patents

Abstract

采用摩擦搅拌焊接(FSW)接头形成的电化学阳极。FSW接头可在母线和阳极板之间或者铅封壳和阳极板之间形成。FSW接头也可以包括角焊焊接接头和对焊接头。FSW接头也可以用于密封电化学阳极末端来防止腐蚀。

Description

具有摩擦搅拌焊接接头的电化学阳极及制备该阳极的方法

发明人

T.W.埃里斯，M.布尔，E.琼斯

技术领域

大体上，本发明涉及电化学过程特别是在采矿业中使用的铅阳极，更特别涉及使用摩擦搅拌焊制备上述阳极的方法。

背景技术

根据传统实践，在采矿业中使用的铅阳极中的接头(joint)采用传统铅焊方法(例如吹管焊接)形成，在该方法中铅被手工熔化形成焊缝或接头。然而，伴随着传统铅焊方法存在一系列缺点，将在下文中被讨论。

传统铅焊方法给工人带来了高度危险性。首先，产生焊缝的过程中产生的热量可导致工人受到伤害。其次，铅熔化过程中，周围环境的铅水平可上升至毒性的程度。如果被吸入，可导致铅中毒-最古老的职业危害之一。结果是，多种身体机能受到影响，伴随着大量器官恶化，包括心脏，骨，肠，肾脏，以及生殖和神经系统。

传统铅焊方法经常制造出具有有缺陷焊缝的阳极，其反复地导致产品不合格。通过培训和采用特别有经验的工人，有缺陷焊缝的可能性会降低，但不会被消除，因为尽管采用有经验的工人，不完全焊缝还会发生。在这些不完全焊缝中，接头视觉上看起来没问题。然而，产生来形成焊缝的两块熔融区域(melt pool)并没有熔合，从而极大地降低了材料在用于电流传输和蠕变(即变形)抗性的阳极接头中的可用性。

即使当制备出具有无缺陷接头的阳极时，传统铅焊方法在围绕阳极接头区域的基底金属结构(base metal structure)中，产生了不合需要的热影响区域。在该热影响区域，阳极中材料的晶粒结构通过用于产生接头的热量而改变。这被改变的晶粒结构可以进一步带来抗腐蚀性的降低和抗蠕变性的下降。

并且，铅和铜(用来制备阳极)不会天然地焊接在一起。正因为这样，很多技术(如钎焊(soldering))在传统铅焊方法中被采用，以将铅和铜连接起来，从而制备阳极。因此，除了前述缺点，由于在将铅和铜连接起来中涉及的更多的制造时间和材料，传统的阳极制备过程更加昂贵。

从而，由于传统用于制备阳极的铅焊技术充斥着问题，各公司必须为了安全，工人培训，质量控制测试和制造花费昂贵的资源。至今，传统的铅焊技术已经无法足够解决阳极工业中的这些问题。

上述观点来看，在阳极制备技术中存在着大幅降低或消除现有技术缺陷的需求。

发明内容

根据本发明，传统用来制备阳极的铅焊技术的缺点通过提供具有使用摩擦搅拌焊(有时称FSW)产生的接头的电化学阳极而避免或减少。本发明的实施方式提供包括母线(bus bar)及与其电耦连的阳极板的电化学阳极。摩擦搅拌焊接接头被用来构造电化学阳极。

由于在摩擦搅拌焊中没有熔化的铅材料，暴露在铅蒸气中的工人和释放到环境中的铅蒸气都被降低或消除。通过使用摩擦搅拌焊制备阳极，工人的安全性可以进一步被提高，因为这一过程不涉及使用热量或要求工人们经受其制备过程中靠近焊接的伤害危险。并且，由于摩擦搅拌焊可是自动的，其降低了阳极中缺陷接头形成的可能性，从而消除了人工过程偶然引起的的可变性。另外，摩擦搅拌焊制备了更加均一焊透厚度的焊接(uniform throughthickness weld)，且没有由于熔融区域没完全并接带来的缺陷。摩擦搅拌焊也使得热影响区域更小且阳极材料晶粒结构的严重改变更少。

使用本发明也使得更好的质量控制。已显示，摩擦搅拌焊过程的质量和可靠性，使得质量控制测试的需要大幅度降低或消除。采用本发明的额外一个好处是，非破坏性评估技术如超声波焊缝检查可在铅连接中被使用，这些评估技术在传统铅焊方法中不可使用。

由于摩擦搅拌焊产生了更少缺陷的阳极，降低劳动需求，且降低暴露于危险材料的可能性，将降低阳极制备的成本，增强工人的安全性，减少用户的抱怨。

附图说明

图1-4，6A,和6B是根据本发明示例性实施方式采用摩擦搅拌焊构造的阳极的剖面图；

图5显示根据本发明示例性实施方式已采用摩擦搅拌焊密封的阳极的末端；

图7为一图表，其详述了根据本发明示例性实施方式的阳极制备中采用的工艺参数和负荷

发明详述

本发明的说明性实施方式和方法如下文所述，因为它们可能在采用摩擦搅拌焊(″FSW″)制备的阳极或制备上述阳极的方法中使用。为了清楚起见，不是实际实施的所有特征都在本说明书中描述。当然应理解随实际实施方式的发展，必须做出大量具体的实施决定以实现开发者们的特殊目的，比如顺应系统相关和商用相关的约束，这些约束在实施中彼此不同。并且可以理解的是，对于受益于本发明的本领域技术人员，这些发展的努力可能是复杂且耗时的，但仍然是常规的任务。考虑到下面的描述和附图，本发明各种实施方式和相关方法的进一步方面和优点将变得清楚。

图1显示了本发明中电化学阳极的示例性实施方式。阳极10包含具有槽14的铜母线12。虽然被描述为铜母线，请注意，受益于本发明的本领域技术人员意识到其它材料可以被使用，例如镀铜钢，钢，铝或钛。铅阳极板16被插入母线槽14中。示例性阳极也可以是在美国专利No.5,172,850和6,131,798中所披露的，其每个以其整体在此引入作为参考(然而如将要描述的，通过使用本发明，减轻了钎焊接头的需要)

进一步参照图1，铅阳极板16紧密配合母线槽14。然而，不像现有技术方法中将板和母线使用常规燃烧技术彼此固定，本发明的铜母线12和铅阳极板16采用摩擦搅拌焊接合。根据摩擦搅拌焊方法，待接合的表面用更硬材料的旋转探针摩擦。摩擦结果是，产生的热量使得这些表面部分塑化。这些塑化表面冷却后凝固在一起，从而产生结点或接头。一般来说，当探针沿接头移动时，其与待接合的两个表面保持紧密接触。以这种方式可以得到更均匀的接头。那些受益于本发明的本领域技术人员意识到，使用本发明可以实施多种摩擦搅拌焊方法。

进一步参照图1的示例性实施方式，阳极10沿区域18进行摩擦搅拌焊接。摩擦搅拌焊探针(未示出)被用来形成铜母线12的更低边缘与铅阳极板16之间的接头。在该示例性实施方式中，FSW探针(未示出)焊透母线12，且达到母线槽14中保持的铅阳极板16。这样，铅阳极板16与铜母线16在母线槽14中被连结起来。如图所示，母线12在区域18两侧都被摩擦搅拌焊接。然而，那些受益于本发明的本领域技术人员意识到这些以及随后的实施方式可以仅在一边焊接，这使得时效性增加。如现有技术所知，阳极10被焊接后，其可被铅覆盖。

图2显示根据本发明的阳极10的另一个示例性实施方式。铅阳极板16被插入铜母线12的槽14中，如之前关于图1所述。然而，在该示例性实施方式中，为了防止电池中使用的电化学溶液导致的阳极10腐蚀，阳极10被铅封壳(lead encapsulation)20所覆盖，所述电池往往是以酸(例如H₂SO₄)为基础的。此后，阳极10沿区域22进行摩擦搅拌焊接，其将铅封壳20与铅阳极板16接合起来。

图3显示根据本发明的阳极10的另一个示例性实施方式，其中摩擦搅拌焊接接头被用来产生阳极板16的向后折叠或包覆的延伸部形成的接头。在此，铅阳极板16包覆围绕铜母线12，且在铜母线12下与自身接触，从而使得封装铜母线12。铅板16的向后折叠(backfolding)消除了二次操作(即铸造或电镀以产生铅封壳)的必要性，并且仅需要一次焊接。此后，阳极10沿区域24进行摩擦搅拌焊接，从而使得铅阳极板16与其自身连结。

图4显示根据本发明的阳极10的另一个示例性实施方式，在此，阳极板16同样被插入母线12的槽14中。然而，摩擦搅拌焊接的角焊缝在区域26中使用，在该区域母线12的较低端与阳极板16相接。由于它们的低腐蚀性，填充材料如铅(Pb)或铅-锑(Sb)合金(1重量%-11重量%)可被加入角焊缝中。角焊缝密封了母线12与板16之间的接合处，以防止线/片(bar/blade)接触区域的溶液迁移和腐蚀。

图5显示了根据本发明的另一个示例性实施方式，即阳极10的末端可如何被密封以防腐蚀。如果腐蚀被允许发生，母线铅接头的机械和电不连续性可能限制阳极10的性能。在这一实施方式中，如关于图2所述，铜母线12被铅封壳20密封起来。在铜母线12与铅封壳20相接的接头处(区域28)，摩擦搅拌角接焊被用来封闭母线12，从而防止在铅封壳20下的腐蚀。阳极板16(未示出)然后被摩擦搅拌焊接到铅封壳20上，例如采用下面所述的对焊。

图6A和6B显示根据本发明的示例性实施方式的对焊的阳极。图6A中，铅围绕铜母线12被铸造。铅阳极板16在区域30采用摩擦搅拌对焊连接到母线12的底部。如图所示，仅接头的一侧被焊接，使得更具时效性。然而，图6B显示相同的实施方式，除了接头在区域32的两侧都被摩擦搅拌对焊。

实施例

图7为一图表，其提供了根据本发明示例性实施方式的具有良好视觉外观的摩擦搅拌焊接的工艺参数和负荷。测试是在11毫米(0.43英寸)厚的铅板上进行，以确定制造摩擦搅拌焊接操作中的工艺负荷(process load)以及主要机械工具的要求。感兴趣的工艺负荷包括法向负荷(z-负荷)，面内负荷(x，y)和主轴扭矩(spindle torque)。所用的铅板包括一定量的10 4″宽的板和4 6″宽的板。

用来焊接铅板的夹紧装置(fixturing)不是特制的，而是使用钢砧上的简单指形压板。搭接面和相邻区域在紧接焊接之前使用溶剂擦拭进行脱脂。总共进行17项焊接。在17项焊接中，12项使用堆焊构型(bead on plate configuration)制备，剩余的使用对接构型制备，以检验在任一构型中的的工艺负荷。基于一定的焊接生产率，目标速度被确定为每分钟20英寸(ipm)。这个速度是基于在一个小时内进行10次焊接，共1.5米(59英寸)焊接长度；且用于安装和焊接准备的时间约30分钟。这样的循环时间将允许每6分钟完成一项焊接(包括安装)。

结果如图7的图表中所示。在两种构型中这些示例性焊接的法向负荷(z-力)都低于1200lbs，且平面负荷(x和y)低于250lbs。通常主轴扭矩反馈太小而不能量化。图7是每项焊接的工艺负荷，工艺参数以及一般观察值的表。可以看到，例如，有着良好视觉外观的焊接可以20ipm以及低于1000lbs的法向力制备。

此外，进行金属学研究以比较摩擦搅拌连接焊接与常规焊接。摩擦搅拌焊接被发现为全厚度(即，深度穿过焊缝(穿过阳极板/母线接头的厚度))且具有与没有完全穿过的常规样品相比更小的晶粒结构。这样，使用本发明方法制备的晶粒结构非常精细，从而制备出有着优越的机械性能和抗腐蚀性的阳极。

因此，完成的工作显示在矿业的阳极制备过程中摩擦搅拌焊怎样能被用来代替传统的铅焊。这种使用将导致工人和环境安全、产品质量的改善以及阳极成本的降低。

本发明的实施方式提供一种电化学阳极，包括：母线；与母线电耦连的阳极板；用来连接电化学阳极的第一摩擦搅拌焊接接头。另一实施方式中，该第一摩擦搅拌焊接接头沿着电化学阳极延伸，第一摩擦搅拌焊接接头穿过电化学阳极第一侧的母线和阳极板，该电化学阳极进一步包括沿着电化学阳极延伸的第二摩擦搅拌焊接接头，第二摩擦搅拌焊接接头穿过电化学阳极第二侧的母线和阳极板。

在另一个示例性实施方式中，电化学阳极进一步包括围绕母线延伸且接触阳极板一部分的铅封壳，沿着电化学阳极延伸且穿过电化学阳极第一侧的铅封壳和阳极板的第一摩擦搅拌焊接接头，以及沿着电化学阳极延伸的第二摩擦搅拌焊接接头，该第二摩擦搅拌焊接接头穿过电化学阳极第二侧的铅封壳和阳极板。在另一实施方式中，阳极板围绕母线包裹使得阳极板的顶端接触位于母线下方的阳极板的一部分，其中第一摩擦搅拌焊接接头穿过阳极板的该顶端和该部分。

在另一个示例性实施方式中，第一摩擦搅拌焊接接头是穿过电化学阳极第一侧的阳极板和母线的角焊接头，该电化学阳极进一步包括穿过电化学阳极第二侧的阳极板和母线的第二摩擦搅拌焊接接头，该第二摩擦搅拌焊接接头也是角焊接头。在另一实施方式中，电化学阳极进一步包括围绕母线的铅封壳，其中电化学阳极的每一端都采用沿着母线和铅封壳接触的区域的摩擦搅拌焊接接头来密封。在另一实施方式中，第一摩擦搅拌焊接接头是连接母线和阳极板的对焊接头。在另一实施方式中，第一摩擦搅拌焊接接头是穿过电化学阳极第一侧的阳极板和母线的对焊接头，该电化学阳极进一步包括穿过电化学阳极第二侧的阳极板和母线的第二摩擦搅拌焊接接头，该第二摩擦搅拌焊接接头也是对焊接头。

本发明的示例性方法提供制备电化学阳极的方法，该方法包括下列步骤：(a)提供阳极板；(b)将该阳极板与母线电耦连；以及(c)采用第一摩擦搅拌焊接接头形成电化学阳极。在另一方法中，步骤(c)进一步包括下列步骤：形成沿着电化学阳极的第一摩擦搅拌焊接接头，该第一摩擦搅拌焊接接头穿过电化学阳极第一侧的母线和阳极板；以及形成沿着电化学阳极的第二摩擦搅拌焊接接头，该第二摩擦搅拌焊接接头穿过电化学阳极第二侧的母线和阳极板。

在另一示例性方法中，该方法进一步包括下列步骤：提供围绕母线且接触阳极板一部分的铅封壳；形成沿着电化学阳极的第一摩擦搅拌焊接接头，其中第一摩擦搅拌焊接接头穿过电化学阳极第一侧的铅封壳和阳极板；以及形成沿着电化学阳极的第二摩擦搅拌焊接接头，其中第二摩擦搅拌焊接接头穿过电化学阳极第二侧的铅封壳和阳极板。在另一方法中，步骤(b)包括以下步骤：使得阳极板包覆围绕母线，使得阳极板顶端接触位于母线下方的阳极板的一部分，其中第一摩擦搅拌焊接接头穿过阳极板的该顶端和该部分。

在另一示例性方法中，步骤(c)进一步包括下列步骤：形成第一摩擦搅拌焊接接头，其为角焊焊接接头，其穿过电化学阳极第一侧的阳极板和母线；以及形成第二摩擦搅拌焊接接头，其为角焊焊接接头，其穿过电化学阳极第二侧的阳极板和母线。在另一方法中，该方法进一步包括下列步骤：采用铅将母线封装；以及使用沿着母线和铅封壳接触的区域的摩擦搅拌焊接接头封闭阳极板的每一端。在另一方法中，第一摩擦搅拌焊接接头是将母线和阳极板连接的对焊接头。在另一示例性实施方式中，该方法进一步包括以下步骤：形成第一摩擦搅拌焊接接头，其为对焊接头，其穿过电化学阳极第一侧的阳极板和母线；以及形成第二摩擦搅拌焊接接头，其为对焊接头，其穿过电化学阳极第二侧的阳极板和母线。

虽然本发明容许进行各种改进和改变为替代形式，但是具体实施方式已经通过例子的形式在附图中示出以及在此被详细描述。然而，应该明了，本发明不打算被局限于被披露的特定方式。例如，受益于本发明的那些本领域技术人员认识到，具有其他结构的阳极可根据本发明形成，其中摩擦搅拌焊用来代替铅焊过程而将铅阳极连接到相邻表面。这样，本发明覆盖了落入附加权利要求限定的本发明实质和范围中的所有改进、等同物和替代形式。

Claims (26)

1.电化学阳极，其包括：

母线；

与该母线电耦连的铅阳极板；以及

第一摩擦搅拌焊接接头，其将阳极板连接到母线上，使得阳极板与母线电耦连。

2.如权利要求1所述的电化学阳极，其中该第一摩擦搅拌焊接接头沿电化学阳极延伸，该第一摩擦搅拌焊接接头穿过电化学阳极第一侧的母线和阳极板，该电化学阳极进一步包括沿电化学阳极延伸的第二摩擦搅拌焊接接头，该第二摩擦搅拌焊接接头穿过电化学阳极第二侧的母线和阳极板。

3.如权利要求1所述的电化学阳极，该电化学阳极进一步包括：

围绕母线延伸且接触阳极板的一部分的铅封壳，所述第一摩擦搅拌焊接接头沿着电化学阳极延伸且穿过电化学阳极第一侧的铅封壳和阳极板，以及

沿着电化学阳极延伸的第二摩擦搅拌焊接接头，该第二摩擦搅拌焊接接头穿过电化学阳极第二侧的铅封壳和阳极板。

4.如权利要求1所述的电化学阳极，其中阳极板包覆围绕母线使得阳极板的顶端接触位于母线下方的阳极板的一部分，其中第一摩擦搅拌焊接接头穿过阳极板该顶端和该部分。

5.如权利要求1所述的电化学阳极，其中第一摩擦搅拌焊接接头是穿过电化学阳极第一侧的阳极板和母线的角焊焊接接头，该电化学阳极进一步包括穿过电化学阳极第二侧的阳极板和母线的第二摩擦搅拌焊接接头，该第二摩擦搅拌焊接接头也是角焊焊接接头。

6.如权利要求1所述的电化学阳极，该电化学阳极进一步包括围绕母线的铅封壳，其中电化学阳极的每一端都采用沿着母线和铅封壳接触的区域定位的摩擦搅拌焊接接头来密封。

7.如权利要求1所述的电化学阳极，其中第一摩擦搅拌焊接接头是连接母线和阳极板的对焊接头。

8.如权利要求1所述的电化学阳极，其中第一摩擦搅拌焊接接头是穿过电化学阳极第一侧的阳极板和母线的对焊接头，该电化学阳极进一步包括穿过电化学阳极第二侧的阳极板和母线的第二摩擦搅拌焊接接头，该第二摩擦搅拌焊接接头也是对焊接头。

9.如权利要求1所述的电化学阳极，其中所述阳极板直接被摩擦搅拌焊接到铜母线上。

10.如权利要求1所述的电化学阳极，其中所述阳极板被摩擦搅拌焊接到封装铜母线的铅封壳上。

11.如权利要求1所述的电化学阳极，其中所述阳极板包覆围绕铜母线，该包覆铜母线的阳极板被摩擦搅拌焊接到其自身，从而封装铜母线。

12.如权利要求1所述的电化学阳极，其进一步包含加入到阳极板与铜母线之间的摩擦搅拌焊接的角焊缝接头中的填充材料，且该填充材料包含铅或铅锑合金。

13.如权利要求1所述的电化学阳极，其中所述阳极板采用一个或多个摩擦搅拌对接焊缝连接到铜母线上。

14.制备电化学阳极的方法，该方法包括下列步骤：

(a)提供铅阳极板；以及

(b)形成将阳极板连接到母线的第一摩擦搅拌焊接接头，使得阳极板与母线电耦连。

15.如权利要求14所述的制备电化学阳极的方法，其中步骤(b)进一步包括下列步骤：

形成沿着电化学阳极的第一摩擦搅拌焊接接头，该第一摩擦搅拌焊接接头穿过电化学阳极第一侧的母线和阳极板；以及

形成沿着电化学阳极的第二摩擦搅拌焊接接头，该第二摩擦搅拌焊接接头穿过电化学阳极第二侧的母线和阳极板。

16.如权利要求14所述的制备电化学阳极的方法，该方法进一步包括下列步骤：

提供围绕母线延伸且接触阳极板一部分的铅封壳;

形成沿着电化学阳极的第一摩擦搅拌焊接接头，其中第一摩擦搅拌焊接接头穿过电化学阳极第一侧的铅封壳和阳极板；以及

形成沿着电化学阳极的第二摩擦搅拌焊接接头，其中第二摩擦搅拌焊接接头穿过电化学阳极第二侧的铅封壳和阳极板。

17.如权利要求14所述的制备电化学阳极的方法，其中步骤(b)包括以下步骤：使得阳极板包覆围绕母线，以使得阳极板顶端接触位于母线下方的阳极板的一部分，其中第一摩擦搅拌焊接接头穿过阳极板的该顶端和该部分。

18.如权利要求14所述的制备电化学阳极的方法，其中步骤(b)进一步包括以下步骤：

形成第一摩擦搅拌焊接接头，其为角焊焊接接头，该接头穿过电化学阳极第一侧的阳极板和母线；以及

形成第二摩擦搅拌焊接接头，其为角焊焊接接头，该接头穿过电化学阳极第二侧的阳极板和母线。

19.如权利要求14所述的制备电化学阳极的方法，该方法进一步包括以下步骤：

采用铅将母线封装；以及

使用沿着母线和铅封壳接触区域的摩擦搅拌焊接接头密封阳极板的每一端。

20.如权利要求14所述的制备电化学阳极的方法，其中第一摩擦搅拌焊接接头是将母线和阳极板连接的对焊接头。

21.如权利要求14所述的制备电化学阳极的方法，该方法进一步包括以下步骤：

形成第一摩擦搅拌焊接接头，其为对焊接头，该接头穿过电化学阳极第一侧的阳极板和母线；以及

形成第二摩擦搅拌焊接接头，其为对焊接头，该接头穿过电化学阳极第二侧的阳极板和母线。

22.如权利要求14所述的制备电化学阳极的方法，其中所述阳极板直接被摩擦搅拌焊接到铜母线上。

23.如权利要求14所述的制备电化学阳极的方法，其中所述阳极板被摩擦搅拌焊接到封装铜母线的铅封壳上。

24.如权利要求14所述的制备电化学阳极的方法，其中所述阳极板包覆围绕铜母线，该包覆铜母线的阳极板被摩擦搅拌焊接到其自身，从而封装铜母线。

25.如权利要求14所述的制备电化学阳极的方法，其进一步包含加入到阳极板与铜母线之间的摩擦搅拌焊接的角焊缝接头中的填充材料，且该填充材料包含铅或铅锑合金。

26.如权利要求14所述的制备电化学阳极的方法，其中所述阳极板采用一个或多个摩擦搅拌对接焊缝连接到铜母线上。