CN104972220B

CN104972220B - 一种铝电解槽阴极软母带与铝母线的原位不停电焊接方法

Info

Publication number: CN104972220B
Application number: CN201510453431.8A
Authority: CN
Inventors: 张国栋; 杨辉; 王麒瑜; 王帅; 张雅芝; 张晖; 邱智华; 李莉
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2035-07-29
Also published as: CN104972220A

Abstract

本发明涉及电解铝行业，具体涉及一种铝电解槽阴极软母带与铝母线的原位不停电焊接方法。本发明包括以下步骤：1、原位打磨；2、原位固定；3、原位熔化；4、焊前处理；5、预热；6、放热焊接；7、焊后处理。本发明用放热焊接直接完成了软母带与铝母线之间的原位连接，规避了软母带片状结构无法在磁场内直接焊接的缺陷，提高了铝电解企业经济效益，解决了铝电解企业对软母线进行修复的技术难题。该作业可在系列电解槽不停电的状态下完成，对系列电解槽生产没有任何影响的前提下，达到修复目的，且适合各种槽型中的软母带与铝母线的焊接，通用性好，且方法操作简单，焊接修复效率高。

Description

一种铝电解槽阴极软母带与铝母线的原位不停电焊接方法

技术领域

本发明属于电解铝行业，涉及一种铝电解槽阴极软母带与铝母线的原位不停电焊接方法。

背景技术

近年来，我国铝工业发展迅速，电解铝产量雄踞世界首位，铝电解技术在许多方面达到或接近世界先进水平。在电解铝生产中，为了提高铝的产量，铝电解槽的电流强度呈现上升的趋势，这也意味着电解槽处于更强的磁场中。在电解铝过程中，直流电通过阴极钢棒进入母线系统，铝母线和软母带在强电流的传输过程中起着至关重要的作用。但在生产过程中，由于电解槽漏槽或者其他原因容易导致铝母线和软母带损坏，尤其是软母带与铝母线连接处被冲断。

故需要对损坏的铝母线和软母带及时进行焊接修复，以免影响正常的生产，而磁场的存在对焊接的实施产生了很大的负面影响，导致整个焊接过程困难、焊缝成型质量差，甚至有可能使焊接过程无法实施。在选择焊接方法上，理论上可以采取抗磁能力强或者不受磁场影响的焊接方法。从目前的研究和应用现状看，常规的焊接方法很难解决电解槽附近强磁场的干扰问题。如果采取停电措施，对电解槽产生将带来不可估量的损失，能否在不停电的情况下采取不受磁场影响的焊接技术成为一个迫切需要解决的技术难关。

为此，大量企业、高校的研究人员投入该领域的研究中，并取得一系列研究成果。如发明名称为“一种抗磁干扰电弧焊接装置”，申请号为200820077927.5的专利公开的技术于2008年底在190KA电解槽的阳极平衡母线上进行了成功的焊接试验。在2009年的继续研究开发试验中，采用了立体组合屏蔽、电磁屏蔽保护、安全操作保护进行了调整实验，于2009年10月进行了不停电焊接试验获得成功。发明名称为“电解槽铝母线带电焊接方法”，专利号为200810153133的专利公开了电解槽铝母线不停电焊接方法，在爆炸焊接块的前方放置一不锈钢屏蔽环，然后进行常规的连接钢板堆焊焊接，割除爆炸焊接块和阴极铝软带，最后用连接钢板将阴极钢棒和新的爆炸焊接块用焊接的方法连接起来；并将新的阴极铝软带焊接在爆炸焊接块上。上述专利均存在以下缺点，要根据母线不同的焊接部位，设计制作不同的电磁屏蔽装置，电解槽不同、焊接部位不同，屏蔽装置也就不同，通用性不好；且在电解槽软母线焊接部位、空间狭小无法进行电磁屏蔽的部位应用该技术，存在不确定性。发明名称为“一种铝母材的熔铸焊接方法”，申请号为200510003327.5的专利公开了一种铝母材的熔铸焊接方法，对铝母材待焊表面进行清污、除油、去除氧化膜处理，在待焊母材表面涂抹助焊剂，根据接头的形状和要求，用耐火阻燃材料在焊接接头位置做成熔铸腔，对铝母材进行预热，铝母材温度达到100-200℃后，用熔炼设备加热熔化按一定比例配制好的铝和铝合金，将熔融的铝合金液浇铸到熔腔内，利用熔融金属的高温熔化母材金属，同时填充焊缝，实现焊接。发明名称为“水平敷设大截面铝母线焊接施工方法”，申请号为201110096687.X的专利公开了一种水平大截面铝母线焊接施工方法，将需要焊接的铝母线组对固定后放置于一个带有加热器的焊接熔池结晶槽内，采用半自动熔化极MIG 双脉冲氩弧焊焊接的同时将铝条做为焊接材料直接插入熔池焊接，焊接开始前，对母线焊接部位两端进行预热，预热温度为150~250℃，焊接过程中始终保持铝母线焊接部位温度在150~250℃范围内。以上两种技术均可实现大面积铝母线修复焊接，但无法实现铝电解软母线的焊接修复。发明名称为“铝电解槽通流体不停电焊接控制系统”，申请号为201110440726.3的专利公开了一种铝电解槽通流体不停电焊接控制系统。该技术存在以下缺点，使用热电传感器与过程监控单元分流装置，设备自身价值较高；操作过程复杂，需要较多的人工和设备；对系列电流进行分流，必然存在电解槽系列安全风险；且无法实现铝电解软母带与铝母线的焊接修复。

以上各种方法虽可不同程度的实现铝母线的焊接修复，但均无法应用于铝电解软母带与铝母线之间的焊接修复。为此，部分企业采用放热焊接方法对铝电解软母带与铝母线之间的焊接进行尝试性研究。软母带与铝母线之间直接进行放热焊接时，软母带间隙会成为焊接热量散失以及金属熔液流失的主要部位，故无法实现有效连接。因此，一般采用添加预制铝块的方法。如专利“一种铝电解槽阴极软母线系列不停电焊接方法”（申请号：201210299900.1）；专利“一种电解槽铝母线和软带带电放热焊方法”（申请号：201210462757.3）；专利“一种铝电解槽用阴极软带和大母线的二次自蔓延焊接方法”（申请号：201310208334.3）。该三个专利技术均存在如下缺点：①需要将软母带从原位置拆除移到磁场外，破坏了原软母带与阴极钢棒的有效连接，并在之后的修复过程中大大增加了工序；②需在磁场外，采用原焊接方法将软母带与预制铝块焊合，过分依赖于预制铝块；③将焊合后的软母带移到磁场内的工作位置，再采用放热焊接方法将预制铝块与铝母线焊接，由于铝母材与预制铝块的待焊合表面较为平整，放热焊后界面结合较弱，容易存在较多的未熔合缺陷；④整个修复过程中，部分工序需在磁场外进行，工序较为复杂，费力耗时。

基于上述各专利缺陷，发明人欲提供一种基于放热焊接且无需预制铝块的阴极软母带与铝母线的原位不停电焊接方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于放热焊接的阴极软母带与铝母线的原位不停电焊接方法。

为达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种铝电解槽阴极软母带与铝母线的原位不停电焊接方法，具体包括以下步骤：

原位打磨：从软母带和铝母线连接一端进行打磨，打磨长度15~25mm，除去该部分表面氧化膜，软母带其他部位保留氧化膜；

原位固定：将软母带打磨段夹在两块固定板之间，端面朝上，并用夹具夹紧；

原位熔化：使用焊接设备对软母带端面进行熔焊，熔焊方向沿着软母带间隙，熔融铝液在重力及毛细作用下沿着软母带间隙向下流动，充斥打磨段，待熔融铝液冷却凝固后在软母带一端得到12~20mm厚的软母带块体；

焊前定位：将软母带块体靠近铝母线待焊部位，之间留15~30mm间隙，安装封装模具，并用密封材料密封封装模具与软母带块体、铝母线之间的缝隙，防止金属液外溢；

对待焊铝母线、软母带块体及封装模具进行焊前预热；

（6）原位放热焊接：将装料模具下方小孔用挡片封住，称取适量铝基自蔓延焊粉，装入装料模具中，并在其表面撒上引火粉，插入引线，点燃引线引发放热反应；待装料模具底部的挡片熔化后，高温金属液由装料模具底部小孔流入到封装模具中；

（7）焊后处理：待金属液冷却后，拆卸下封装模具，清理焊渣，再根据平整度要求对焊接接头进行打磨处理即可。

步骤（1）中只对软母带预和铝母线连接一端进行15~25mm深度的打磨，其余部分保留氧化膜。主要是因为该氧化膜主要成分为三氧化二铝，其熔点约2030℃，熔融铝液不能将其熔掉，即可确保除打磨段外的软母带之间不会粘合，从而保证软母带的柔性。

步骤（2）所述的固定板为石墨板。

步骤（4）所述的密封材料为火泥。

步骤（5）所述的预热设备为氧乙炔等无需用电的气焊设备。步骤（5）中所述焊接预热具体工艺为：避免预热火焰直接冲击软母带块体和铝母线的待焊面。软母带块体预热温度100~150℃，铝母线预热温度300~350℃。

步骤（6）中所述挡片为铝箔。

所述的铝基自蔓延焊粉组分按质量百分比可以为：氧化铜17~19%，五氧化二钒12~14%，二氧化锡13~15%，硫酸盐1~2%，硼粉3~4%，氟化钙2.5~3%，其余为铝粉。

本发明用放热焊接直接完成了软母带与铝母线之间的连接，规避了软母带片状结构无法直接使用放热焊接的缺陷，提高铝电解企业经济效益，解决了铝电解企业对软母线进行修复的技术难题。该作业可在系列电解槽不停电的状态下完成，对系列电解槽生产没有任何影响的前提下，达到修复目的。

本发明一种铝电解槽阴极软母带与铝母线的不停电原位焊接方法与现有软母带焊接方法相比，具有如下突出的有益效果：

1、无需将软母带从原位置拆除后移到磁场外，不会破坏软母带与阴极钢棒的原有效连接，相比于现有软母带焊接方法，大大减少了工序；

2、无需在磁场外采用原焊接方法将软母带与预制铝块焊合，不依赖于预制铝块；

3、由于经原位熔化后得到的软母带块体端面呈典型的焊缝凹凸状，在放热焊接的过程中有利于软母带块体与焊缝金属的结合；

4、适合各种槽型中的软母带与铝母线的焊接，通用性好，且方法操作简单，焊接修复效率高。

附图说明

图1为初始软母带与铝母线正常工作时连接示意图。

图2为熔化软母带打磨段端面前示意图。

图3为熔化软母带打磨段端面后示意图。

图4为熔化软母带打磨段端面后端面图。

图5为模具与铝母线、软母带装配示意图。

图6为放热焊接后软母带与铝母线连接示意图。

其中，1—铝母线；2—原有色金属连接部位；3—软母带；4—固定板；5—夹具；6—软母带块体；7—放热焊接接头；8—端面熔焊后焊缝；9—铝基自蔓延放热焊粉；10—装料模具；11—挡片；12—封装模具。

具体实施方式

实施例一：

1）原位打磨：从软母带预和铝母线连接一端进行打磨，打磨长度15mm，除去该部分表面氧化膜，软母带其他部位保留氧化膜。

2）原位固定：软母带端面朝上，将打磨段夹在两块固定板之间，并用夹具夹紧。

3）原位熔化：使用焊接设备对软母带端面进行熔焊。熔焊方向沿着软母带间隙。熔融铝液在重力及毛细作用下沿着软母带间隙向下流动，充斥打磨段，待熔融铝液冷却凝固后即可在软母带一端得到12mm厚的软母带块体。

4）原位焊前处理：将软母带块体靠近铝母线待焊部位，之间留15mm间隙。安装封装模具，并用密封材料密封模具与软母带块体、铝母线之间的缝隙，防止金属液外溢。对待焊铝母线、软母带及封装模具进行焊前预热，避免预热火焰直接冲击软母带块体和铝母线的待焊面。软母带块体预热温度100℃，铝母线预热温度300℃。将装料模具下方小孔用挡片封住，并放置在待焊部位之上。根据待焊间隙大小，按照43（Al粉）:19（CuO）:14（V2O5）:15（SnO2）:2（CaSO₄）:4（B粉）:3（CaF₂）的质量比配制1kg焊粉，装入装料模具中，并在其表面撒上引火粉，插入引线。

5）原位放热焊接：点燃引线，引发放热反应。待装料模具底部的挡片熔化后，高温金属液由装料模具底部小孔流入到封装模具中。

6）原位焊后处理：待金属液冷却后，拆卸下封装模具，清理焊渣，再根据平整度要求对焊接接头进行打磨处理即可。

实施例二：

1）原位打磨：从软母带预和铝母线连接一端进行打磨，打磨长度18mm，除去该部分表面氧化膜，软母带其他部位保留氧化膜。

3）原位熔化：使用焊接设备对软母带端面进行熔焊。熔焊方向沿着软母带间隙。熔融铝液在重力及毛细作用下沿着软母带间隙向下流动，充斥打磨段，待熔融铝液冷却凝固后即可在软母带一端得到15mm厚的软母带块体。

4）原位焊前处理：将软母带块体靠近铝母线待焊部位，之间留20mm间隙。安装封装模具，并用密封材料密封模具与软母带块体、铝母线之间的缝隙，防止金属液外溢。对待焊铝母线、软母带及封装模具进行焊前预热，避免预热火焰直接冲击软母带块体和铝母线的待焊面。软母带块体预热温度120℃，铝母线预热温度320℃。将装料模具下方小孔用挡片封住，并放置在待焊部位之上。根据待焊间隙大小，按照43（Al粉）:19（CuO）:14（V2O5）:15（SnO2）:2（CaSO₄）:4（B粉）:3（CaF₂）的质量比配制1.35kg焊粉，装入装料模具中，并在其表面撒上引火粉，插入引线。

实施例三：

1）原位打磨：从软母带预和铝母线连接一端进行打磨，打磨长度22mm，除去该部分表面氧化膜，软母带其他部位保留氧化膜。

3）原位熔化：使用焊接设备对软母带端面进行熔焊。熔焊方向沿着软母带间隙。熔融铝液在重力及毛细作用下沿着软母带间隙向下流动，充斥打磨段，待熔融铝液冷却凝固后即可在软母带一端得到20mm厚的软母带块体。

4）原位焊前处理：将软母带块体靠近铝母线待焊部位，之间留25mm间隙。安装封装模具，并用密封材料密封模具与软母带块体、铝母线之间的缝隙，防止金属液外溢。对待焊铝母线、软母带及封装模具进行焊前预热，避免预热火焰直接冲击软母带块体和铝母线的待焊面。软母带块体预热温度130℃，铝母线预热温度330℃。将装料模具下方小孔用挡片封住，并放置在待焊部位之上。根据待焊间隙大小，按照103（Al粉）:34（CuO）:24（V2O5）:26（SnO2）:2（CaSO₄）:6（B粉）:5（CaF₂）的质量比配制1.7kg焊粉，装入装料模具中，并在其表面撒上引火粉，插入引线。

实施例四：

1）原位打磨：从软母带预和铝母线连接一端进行打磨，打磨长度25mm，除去该部分表面氧化膜，软母带其他部位保留氧化膜。

4）原位焊前处理：将软母带块体靠近铝母线待焊部位，之间留30mm间隙。安装封装模具，并用密封材料密封模具与软母带块体、铝母线之间的缝隙，防止金属液外溢。对待焊铝母线、软母带及封装模具进行焊前预热，避免预热火焰直接冲击软母带块体和铝母线的待焊面。软母带块体预热温度150℃，铝母线预热温度350℃。将装料模具下方小孔用挡片封住，并放置在待焊部位之上。根据待焊间隙大小，按照103（Al粉）:34（CuO）:24（V2O5）:26（SnO2）:2（CaSO₄）:6（B粉）:5（CaF₂）的质量比配制2kg焊粉，装入装料模具中，并在其表面撒上引火粉，插入引线。

Claims

1.一种铝电解槽阴极软母带与铝母线的原位不停电焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)原位打磨：从软母带和铝母线连接一端对软母带进行打磨，打磨长度15~25mm，除去该部分表面氧化膜，软母带其他部位保留氧化膜；

(2)原位固定：将软母带打磨段夹在两块固定板之间，端面朝上，并用夹具夹紧；

(3)原位熔化：使用焊接设备对软母带端面进行熔焊，熔焊方向沿着软母带间隙，熔融铝液在重力及毛细作用下沿着软母带间隙向下流动，充斥打磨段，待熔融铝液冷却凝固后在软母带一端得到12~20mm厚的软母带块体；

(4)焊前定位：将软母带块体靠近铝母线待焊部位，之间留15~30mm间隙，安装封装模具，并用密封材料密封封装模具与软母带块体、铝母线之间的缝隙，防止金属液外溢；

(5)对待焊铝母线、软母带块体及封装模具进行焊前预热；

2.根据权利要求1所述的原位不停电焊接方法，其特征在于，步骤（2）所述的固定板为石墨板。

3.根据权利要求1所述的的原位不停电焊接方法，其特征在于，步骤（4）所述的密封材料为火泥。

4.根据权利要求1所述的原位不停电焊接方法，其特征在于，步骤（5）中的预热设备为无需用电的气焊设备。

5.根据权利要求1所述的原位不停电焊接方法，其特征在于，步骤（5）中避免预热火焰直接冲击软母带块体和铝母线的待焊面。

6.根据权利要求1所述的原位不停电焊接方法，其特征在于，步骤（5）中软母带块体预热温度100~150℃，铝母线预热温度300~350℃。

7.根据权利要求1所述的原位不停电焊接方法，其特征在于，步骤（6）中所述挡片为铝箔。

8.根据权利要求1所述的原位不停电焊接方法，其特征在于，所述的铝基自蔓延焊粉组分按质量百分比为：氧化铜17~19%，五氧化二钒12~14%，二氧化锡13~15%，硫酸盐1~2%，硼粉3~4%，氟化钙2.5~3%，其余为铝粉。