CN108406027A - 电解铝阳极钢-铝熔钎焊焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电解铝阳极钢‑铝熔钎焊焊接方法，旨在解决电解铝生产过程中钢‑铝焊接效果差、效率低、可操作性不强等问题。本发明在去除表面氧化层的焊接工件上均匀涂覆一层厚度为100～150μm的助焊剂，采用铝质焊接工件熔化焊、钢质焊接工件钎焊的方法，对铝质、钢质焊接工件分别进行预热处理，并采用铝基实芯焊丝或铝基药芯焊丝将钢‑铝异种金属进行焊接。本发明成本低廉，可操作性强，焊接成分均匀，经各性能测试结果表明，本发明焊接后的焊接接头其抗拉强度可以达到150～180Mpa，剪切强度可以达到130～160Mpa，导电性能明显优于传统的爆炸焊焊接方式，经济效益显著，具备批量应用的条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢-铝异种金属焊接方法，具体涉及的是主要应用于电解铝生产中阳极铝导杆和横梁的电解铝阳极钢-铝熔钎焊焊接方法。
背景技术
阳极钢爪是电解铝生产过程使用较多的设备配件，阳极钢爪与铝导杆及阳极炭块构成阳极组装块，是电解槽与阳极母线之间的连接组件，在铝电解过程中承载着大容量的电流。
目前，电解铝生产中阳极铝导杆和横梁之间的焊接方式主要是采用焊接爆炸焊块的形式进行过渡连接的。然而，现有的钢-铝焊存接在以下缺陷：①在电解工况条件下，由于电解分布不均或新启动电解槽时容易导致爆炸焊片的焊接面温度升至350℃，造成爆炸焊开裂；②在阳极导电装置中，爆炸焊片的上部铝平面部分与铝导杆的下端平面采用铝-铝环形焊缝连接，下部钢平面部分与钢爪的上平面采用钢-钢环形焊缝连接；这两种环形焊缝的断面尺寸都小于铝导杆基本断面和钢爪横梁基本截面积，增加了压降；③电解工况条件恶劣，爆炸焊片更换频繁，提高了制造及检修成本；增加了阳极压降，提高了制作及检修成本；④钢爪横梁导电性能差，铸钢的导电率只有铝的1/3；⑤铝导杆与钢-铝爆炸片的铝端的连接，目前采用熔化焊，使用工况环境恶劣，高温、腐蚀环境，反复使用，更换周转频繁，工人劳动强度大，工作条件恶劣，工艺装配环节多。
中国专利文献CN106270890A公开了一种钢铝熔钎焊方法：首先对铝材表面进行渗铬，然后以铝基焊料为填充材料，采用钎焊工艺将带渗铬层的铝材与钢材进行连接；该方法适用的焊接对象为普通使用场景下的钢质、铝质焊接工件，其焊接质量要求较为宽松，焊接后的钢铝接头主要功能在于固定连接，并不需要具有其它特殊的要求，比如较好的导电性。因此，该方法并不能满足电解铝行业中对钢-铝异种金属焊接质量的要求，尤其是电解铝过程中阳极钢爪的铝导杆与横梁之间钢-铝焊接。
除此之外，虽然有个别的方法可以实现钢铝焊接，但是往往由于成本较高，可操作性不强，焊接工件必须要满足特定的形状要求等原因，造成焊接成本高，焊接效率低，实际生产中也很难具备批量推广应用条件。
因此，在电解铝行业中急需一种节能降耗、经济、环保、高效的焊接方法，提高阳极钢爪横梁与铝导杆的焊接接头的导电性能和质量。
发明内容
本发明为了解决电解铝生产过程中钢-铝异种金属直接焊接可操作性差、焊接效率低、质量及导电性能差的问题，提供一种电解铝阳极钢-铝熔钎焊焊接方法，该方法不仅操作简单、成本低廉，还能够有效地保证焊缝均匀、焊接接头力学性能优良、导电性能良好，尤其适用于使用环境更为苛刻的电解铝生产中阳极的铝导杆与横梁的焊接。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
钢铝的直接焊接时，由于焊接工件母材在物理性能上存在巨大的差异，从而造成钢-铝异种金属直接焊接困难，且铁在铝上几乎是不固溶的。因此，普通的熔化焊焊接工艺很容易生成过量的FeAl 、FeAl3 、Fe2Al5等脆性的金属间化合物。发明人经过长期、大量的实践研究发现，适量的金属间化合物有利于提高焊接接头的力学性能；但是，当金属间化合物的厚度超过20um，随着金属间化合物厚度的增加，焊接接头的力学性能及电学性能会急剧降低；因此，如何控制金属间化合物的生成厚度是确保铝电解槽阳极钢铝焊接质量优良的关键。
有鉴于此，设计一种电解铝阳极钢-铝熔钎焊焊接方法，主要包括以下步骤，
（1）去除焊接工件表面的氧化层，至焊接工件表面露出金属光泽；
（2）在经上步处理后的焊接工件表面均匀地涂覆一层助焊剂，然后将焊接工件的铝材部位预热至50～300℃，将焊接工件的钢材部位预热至50～350℃；
（3）借助铝基实芯焊丝或铝基药芯焊丝，采用熔钎焊工艺将所述焊接工件进行焊接。
优选的，所述焊接工件为电解铝过程中的阳极铝导杆以及钢质横梁。
优选的，在步骤（2）中，所述助焊剂的涂覆厚度为50～200μm。
优选的，在步骤（3）中，所述焊接工件其铝材部分采用熔化焊，所述焊接工件其钢材部分采用钎焊。
优选的，在步骤（2）中，所述助焊剂的组成（以质量百分比计）为：钎剂45%、硼5～7%、镍10～15%、铝18～23%、镁3～5%、硅2～4%、铜10～15%。
优选的，在步骤（2）中，以重量百分比计，所述助焊剂的组成为：钎剂70%，硼0.5～1%、镍5～8%、铝10～15%、镁3～5%、硅1～3%、铜3～5%。
优选的，在步骤（3）中，所述焊丝为各组分质量百分比如下的铝基实芯焊丝：铝95～97%，以及微量元素混合物3～5%，所述微量元素混合物由重量份如下的各元素组成：铁0.3～0.5份、铜0.7～-1.0份、铬0.6～0.9份、镍0.5～0.8份、钛0.7～1.0份；
或为各组分质量百分比如下的铝基药芯焊丝：组分A 90～95%，余量为组分B，所述组分A的组成元素中各重量百分比为：铝35～60%、硅20～45%、镍5～20%，所述组分B中组成元素的重量百分比为铬25～37%、钛10～23%、锡10～20%、锰20～35%。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
1.本发明采用阳极钢-铝直接焊接的方法（铝材部分采用熔化焊，钢材部分采用钎焊），可以将阳极导杆和钢爪横梁在无需爆炸焊块过渡连接的情况下进行焊接，改变异种金属传统的焊接思维和方法，焊接过程省去了爆炸焊块，且无需打坡口，使得焊缝处能够实现全截面焊透，从而大大降低了焊缝处的电阻和压降（压降至少降低15mV），避免焊件工作过程中产生黑电压，提高了焊接效率。
2.本发明能够在电解工况条件及其恶劣的情况下（高温、腐蚀环境）采用非传统的焊接方法实现电解铝生产中阳极钢-铝的连接，明显降低了工人的劳动强度和难度，且增加了工人工作环境的安全性，提高了工作效率。经现场使用检测，在钢-铝连接处的压降与传统方式相比至少降低18mv，明显提高了焊件的导电性能。
3.本发明克服了异种金属间传统的焊接方法，采用异种金属直接焊接的方法，可操作性强，且创造性的设计了焊接工艺以及焊接剂配方，助焊剂各成分混合均匀，助焊剂的涂覆厚度控制合理，且省去了焊接过程中的爆炸焊块，有效的控制了产生于焊接接头处FeAl、FeAl3、Fe2Al5等脆性的金属间化合物的数量。且，经性能检测结果显示后，本发明焊接接头的抗拉强度可以达到150～180Mpa，剪切强度可以达到130～160Mpa，较之传统的焊接方式，焊接接头处的力学性能得到明显的提高。
4.节能降耗：采用普通的400KA电解槽时，每台电解槽每生产1吨铝可以节约电45KWh以上（根据经验数据，压降每降低1mv，每生产一吨铝可以节省3度电），对于电解铝企业的节能降耗意义重大。而且，本发明无需爆炸焊块，也不需要打坡口，明显讲了焊接成本，且焊接过程中无有害气体及污染气体产生，经济环保。
具体实施方式
下面结合具体实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的仪器设备（如焊接设备等）如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的材料如无特别说明，均为市售常规工业材料；所涉及的性能测试方法、去氧化方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例1
本实施例以电解铝生产中阳极的铝导杆与横梁的焊接为例，详细的说明本发明提供的适用于电解铝阳极钢-铝的焊接方法，主要包括以下步骤，
第一步：防止焊接头处形成夹渣、气孔、未熔合等缺陷，焊接前首先对铝导杆、横梁的表面进行处理，清除氧化层。
第二步：由于钢铝焊接时铁在铝上几乎是不固溶的，因此，普通的熔化焊焊接技术很容易生成过量的FeAl、FeAl3、Fe2Al5等脆性的金属间化合物，适量的金属间化合物有利于提高焊接接头的力学性能，但是金属间化合物的厚度超过20μm后，随着金属间化合物厚度的增加，焊接接头的力学性能会急剧降低。因此，控制金属间化合物的厚度是提高钢铝焊接效果的最大障碍。
因此，在上步处理后的铝导杆、横梁的表面均匀涂覆一层厚度为120μm的助焊剂，其组成（质量百分比）为：钎剂45%、硼5%、镍12%、铝18%、镁5%、硅3%、铜12%；然后将铝导杆表面预热至120℃，将横梁表面预热至125℃。
制备所述助焊剂时，将所述原料按照事先设计的配比进行称重，然后在装有易挥发溶剂的容器内混合，搅拌均匀即可。由于采用的是易挥发溶剂，制备而成的助焊剂中无溶剂残留，有利于提高异种金属焊接过程中的融合度，减少化合物的生成，增强焊接强度。
第三步：采用铝基实芯焊丝，采用熔钎焊的焊接工艺将铝导杆与横梁进行焊接。在焊接时，铝导杆一侧采用熔化焊，横梁一侧采用钎焊工艺。
本实施例中所用焊丝，由以下重量百分比的元素组成：铝95%，微量元素混合物5%，该混合物中各元素的重量份为铁0.4份、铜0.7份、铬0.6份、镍0.7份、钛1.0份。
实施例2至5
本系列实施例采用电解铝生产中阳极的铝导杆与横梁进行连接，具体焊接方法与实施例1的不同之处仅在于助焊剂及焊丝中各组分含量，如下表1所示。
。
实施例6
同样以电解铝生产中阳极铝导杆与横梁之间钢-铝异种金属的连接为例，详细描述本发明技术方案的内容：电解铝阳极钢-铝焊接方法，主要包括以下步骤，
（1）防止焊接头处形成夹渣、气孔、未熔合等缺陷，焊接前首先对铝导杆、横梁进行表面去氧化处理，至焊接工件表面露出金属光泽为宜。
（2）由于钢铝焊接时铁在铝上几乎是不固溶的，因此，普通的熔化焊焊接技术很容易生成过量的FeAl、FeAl3、Fe2Al5等脆性的金属间化合物，适量的金属间化合物有利于提高焊接接头的力学性能，但是金属间化合物的厚度超过20μm后，随着金属间化合物厚度的增加，焊接接头的力学性能会急剧降低。因此，控制金属间化合物的厚度是提高钢铝焊接效果的最大障碍。
因此，本发明中在焊接工件的表面均匀涂覆一层厚度为130μm的助焊剂，然后将铝导杆表面预热至150℃，将横梁表面预热至200℃，一方面可以防止在焊接的高温下产生过量的金属间化合物，造成焊缝脆性断裂，另一方面可以去除焊接过程中的氧化膜，有效的隔绝空气，提高焊接接头的力学性能和焊接质量。
本实施例中，助焊剂的组成（质量百分比）为：钎剂70%、硼1%、镍6%、铝12%、镁4%、硅2%、铜5%。将各原料按照配比称重后，放入盛有易挥发性溶剂的容器内混合搅拌，均匀即可。助焊剂有助于减少焊缝处化合物以及焊渣的生成，对于提高焊接接头处的导电性能和焊接强度有很大的帮助。
（3）采用铝基药芯焊丝，采用熔钎焊的焊接工艺将铝导杆与横梁进行连接。焊接时，铝导杆一侧采用熔化焊，横梁一侧采用钎焊。
其中，所用焊丝由以下重量百分比的元素组成：91%组分A和9%组分B。其中，组分A中各元素的重量百分比为：铝40%、硅45%、镍15%；组分B中组成元素的重量百分比为铬28%、钛23%、锡20%、锰29%。
实施例7至10
所采用的电解铝阳极钢铝焊接方法，与实施例6的不同之处仅在于所用助焊剂及焊丝中各组分配比不同，铝基药芯焊丝由重量百分比为94%的组分A及6%的组分B组成，具体参见下表2。
。
实施例11 性能测试
（1）电学性能测试
将本发明实施例1-10焊接后的工件应用于河南省郑州市某电解铝企业，以400KA电解槽为例，本试验共设为试验组和对照组两个组别，其中试验组为本发明实施例1-10（下表中依次标号为1-10）中的焊接件，对照组为采用传统方式焊接的3组电解铝生产用阳极铝导杆与钢横梁异种金属焊接的焊接件，根据本领域常规方法现场测试焊接接头处的压降，每个测试重复三次，具体测试结果见下表3。
。
分析表3可知，相比对照组，在误差允许的范围内本发明实施例1-10中焊接件的焊接接头处压降均明显降低，至少降低15mV，且焊接头压降一致性较好，说明本发明能够明显降低焊接接头处压降，提高焊件的导电性能，而这种降低焊接头处压降事件的发生并非偶然因素导致。对照组的测试结果表明传统方式焊接后的接头处的电阻较大，导电性能差，而且采用传统方式完成焊接后的焊接头的电阻波动性较大，不能满足电解铝行业对阳极钢爪电化学性能的要求。
（2）力学性能测试
同样采用本领域常规测试方法，检测本发明实施例中各焊件接头的力学性能，结果显示本发明焊接接头的抗拉强度在150～180Mpa的范围内，剪切强度均可以达到130～160Mpa，相比传统的焊接方法得到的电解铝用阳极钢爪（抗拉强度为85～112Mpa，剪切强度为73～106Mpa），本发明焊接接头的力学指标有明显的提高。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。
Claims (7)
1.一种电解铝阳极钢-铝熔钎焊焊接方法，其特征在于，包括以下步骤，
（1）去除焊接工件表面的氧化层，至焊接工件表面露出金属光泽；
（2）在经上步处理后的焊接工件表面均匀地涂覆一层助焊剂，然后将焊接工件的铝材部位预热至50～300℃，将焊接工件的钢材部位预热至50～350℃；
（3）借助铝基实芯焊丝或铝基药芯焊丝，采用熔钎焊工艺将所述焊接工件进行焊接。
2.根据权利要求1所述的电解铝阳极钢-铝熔钎焊焊接方法，其特征在于，所述焊接工件为电解铝过程中的阳极铝导杆以及钢质横梁。
3.根据权利要求1所述的电解铝阳极钢-铝熔钎焊焊接方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述助焊剂的涂覆厚度为50～200μm。
4.根据权利要求1所述的电解铝阳极钢-铝熔钎焊焊接方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述焊接工件其铝材部分采用熔化焊，所述焊接工件其钢材部分采用钎焊。
5.根据权利要求1所述的电解铝阳极钢-铝熔钎焊焊接方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述助焊剂的组成（以质量百分比计）为：钎剂45%、硼5～7%、镍10～15%、铝18～23%、镁3～5%、硅2～4%、铜10～15%。
6.根据权利要求1所述的电解铝阳极钢-铝熔钎焊焊接方法，其特征在于，在步骤（2）中，以重量百分比计，所述助焊剂的组成为：钎剂70%，硼0.5～1%、镍5～8%、铝10～15%、镁3～5%、硅1～3%、铜3～5%。
7.根据权利要求1所述的电解铝阳极钢-铝熔钎焊焊接方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述焊丝为各组分质量百分比如下的铝基实芯焊丝：铝95～97%，以及微量元素混合物3～5%，所述微量元素混合物由重量份如下的各元素组成：铁0.3～0.5份、铜0.7～1.0份、铬0.6～0.9份、镍0.5～0.8份、钛0.7～1.0份；
或为各组分质量百分比如下的铝基药芯焊丝：组分A 90～95%，余量为组分B，所述组分A由重量百分比如下的各元素组成：铝35～60%、硅20～45%、镍5～20%，所述组分B中组成元素的重量百分比为铬25～37%、钛10～23%、锡10～20%、锰20～35%。
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