CN108723534A

CN108723534A - 一种电解铝阴极钢-铝熔钎焊焊接方法

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Publication number: CN108723534A
Application number: CN201810334087.4A
Authority: CN
Inventors: 王旭东; 冯晓强; 白庆国; 曹志伟; 孔威威
Original assignee: ZHENGZHOU JINGWEI TECHNOLOGY INDUSTRY Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Jingwei Technology Industrial Co.,Ltd.
Priority date: 2018-04-14
Filing date: 2018-04-14
Publication date: 2018-11-02
Anticipated expiration: 2038-04-14
Also published as: CN108723534B

Abstract

本发明公开了一种电解铝阴极钢‑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率低、焊接头导电性能差的问题。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80～150μm的助焊药剂，减少焊接头处脆性化合物的生成量，从而提高接头处的力学性能。本发明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后借助焊丝进行焊接。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处压降至少降低25mV，抗拉强度可以达到110～150Mpa，剪切强度可以达到100～140Mpa，导电性能及力学性能明显优于传统的爆炸焊焊接方式，经济效益显著。

Description

一种电解铝阴极钢-铝熔钎焊焊接方法

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阴极钢棒和铝软带间的钢-铝熔钎焊焊接方法。

背景技术

在铝电解生产过程中，无论新建的电解槽还是大修的电解槽，其阴极钢棒都需要与不同材质的工件相焊接。当前，电解铝生产中阴极钢棒和铝软带之间的连接方式主要是采用焊接爆炸焊块的形式进行过渡连接，或者采用爆炸焊块同阴极钢棒进行焊接，再将铝母线和爆炸焊块进行压接等方法。

然而，阴极钢棒和铝软带之间的过渡连接会造成阴极钢棒和铝软带之间形成多道焊缝，从而使得吨铝电耗增加。此外，在焊缝处焊块与两侧的钢棒母材没有完全熔合，加之焊接时工人的焊接水平参差不齐，因此，焊接好的阴极钢棒在实际的使用过程中，在焊缝位置处电阻和压降较大，焊接头导电性能较差，这一方面会造成电解槽电流偏流，影响整台电解槽的稳定性；另一方面又会造成吨铝直流电耗增加，并且对于大修的电解槽，在待焊接的阴极钢棒两侧的电解槽一般都处于工作状态，因此，人工焊接时工作环境恶劣、焊接时周围的环境温度极高、并且还存在安全隐患，在焊接时工人可操作的空间非常有限，对焊接效率和焊接质量都有较大影响。

有鉴于此，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，以提高阴极钢棒与铝软带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阴极钢棒与铝软带间钢-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，提供一种电解铝生产中阴极钢棒和铝软带的钢-铝熔钎焊焊接方法，焊接方法简单、可操作性强、成本低廉，还能够有效地确保焊缝均匀、焊接接头力学性能优良、导电性能好。本方法主要适用于但不局限于电解铝生产中阴极钢-铝异种金属之间的焊接。

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，由于焊接件的母材在物理性能上存在巨大的差异从而造成焊接困难，且铁在铝上几乎是不固溶的。因此，普通的熔化焊焊接技术很容易生成过量的FeAl 、FeAl₃ 、Fe₂Al₅等脆性的金属间化合物，发明人经过长期的研究、大量的实践发现，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会急剧降低。因此，金属间化合物的厚度是确保钢铝高焊接效果的最关键技术手段。

发明人基于此，设计一种电解铝阴极钢棒和铝软带之间钢-铝异种金属熔钎焊焊接方法，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）在经上步处理后的待焊接工件表面均匀地涂覆一层厚度为80～150μm的助焊剂；

（3）采用铝基实芯焊丝或铝基药芯焊丝，待焊接工件的铝材侧采用熔化焊，所述待焊接工件的钢材侧采用钎焊，将待焊工件进行连接。

焊接机头上设有实时监测焊缝温度的温度传感器，并将收集的数据通过与温度传感器电连接的控制系统远程连接，进而控制焊接过程中输入工件的热量。

优选的，所述待焊接工件为电解铝过程中的阴极钢棒和铝软带。

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60%、硼5～7%、镍8～12%、铝10～15%、镁3～5%、硅2～4%、锡1～10%。

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85%，硼0.5～1%、镍3～5%、铝5～8%、镁1～3%、硅1～3%、锡0.5～1.0%。

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%，铁0.5～0.9%、铜0.4～0.8%、铬0.7～1.2、镍0.5～0.8%、钛0.8～1.3%。

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药芯焊丝：组分A90～95%，其余为组分B，所述组分A中组成元素的质量份为：铝19～32份、硅25～46份、镍13～21份，所述组分B中组成元素的质量份为铬8～15份、钛5～8份、锡3～7份、锰9～14份。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

1.本发明另辟蹊径，无需爆炸焊块即可实现电解铝生产中阴极钢棒和铝软带之间异种金属的直接焊接，可操作性强，且有效的避免了由于钢铝过渡连接处压降较高容易出现黑电压情况的发生。与传统焊接方法相比，本发明焊接完成后接头处的压降可降低25mV以上，具有良好的导电性能，能够满足电解铝行业中对于阴极钢爪导电性能的要求。

2.本发明创造性的设计了助焊剂的配方，并通过合理控制助焊剂涂覆的厚度有效的控制产生于焊接接头处FeAl、FeAl₃、Fe₂Al₅等脆性的金属间化合物的数量，提高焊接接头处力学性能。经力学性能检测结果显示，本发明焊接接头的抗拉强度可以达到110～150Mpa，剪切强度可以达到100～140Mpa，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。

3.本发明焊接过程中无污染，且从电耗上计算，对于普通的400KA电解槽来说，每台电解槽每生产1吨铝可以节电75KWh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），节能减排，经济效益显著，具备批量生产应用的条件。

4.本发明可通过远程控制系统及温度传感器，精确的控制焊接过程热量的输入，进一步提高焊接件的质量，又能提高工作效率和焊接过程的安全性，且半自动化设计降低了对焊接工人技术专业强度的要求，扩大了本发明的适用宽度和广度，有利于本发明的推广应用。

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无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料；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阴极钢棒和铝软带之间的焊接为例，详细的说明本发明提供的电解铝阴极钢-铝熔钎焊焊接方法，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，焊接前首先对阴极钢棒和铝软带的表面进行处理，清除氧化层至露出金属光泽，备用。

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，在经上步处理后的阴极钢棒、铝软带的表面均匀涂覆一层厚度为80～150μm的助焊剂，其组成（质量百分比）为：钎剂60%、硼5%、镍8%、铝14%、镁5%、硅3%、锡5%。

第三步：采用铝基实芯焊丝，阴极钢棒采用钎焊工艺、铝软带采用熔化焊的焊接工艺将阴极钢棒与铝软带进行连接。焊接过程中通过温度传感器实时监测焊缝处温度，并将该信号传输至与温度传感器电连接的控制系统，控制系统根据采集的温度信息自行调节焊接过程中输入工件的热量，精确的控制焊接过程中所需热量。

本实施例中所用焊丝，由以下重量百分比的元素组成：96%铝，铁0.6%、铜0.8%、铬0.7%、镍0.8%、钛1.1%。

实施例2至5

本系列实施例以电解铝生产中阴极钢棒和铝软带间的连接为例，具体焊接方法与实施例1的不同之处仅在于助焊剂中各组分含量，如下表1所示。

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实施例6

同样以电解铝生产中阴极钢棒与铝软带间钢-铝异种金属的连接为例，详细描述本发明技术方案的内容：电解铝阴极钢-铝熔钎焊焊接方法，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，焊接前首先对阴极钢棒、铝软带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，本发明中在待阴极钢棒、铝软带的表面均匀涂覆一层厚度为80～150μm的助焊剂，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85%、硼0.5%、镍3%、铝6%、镁3%、硅2%、锡0.5%。

（3）采用铝基药芯焊丝、熔钎焊的焊接工艺将阴极钢棒与铝软带间进行连接。焊接时，铝软带采用熔化焊，阴极钢棒采用钎焊。

其中，所用焊丝由以下重量百分比的元素组成：90%的组分A和10%的组分B。其中，组分A中各组成元素的质量份为铝19份、硅30份、镍15份，组分B中各组成元素的质量份为铬12份、钛5份、锡6份、锰10份。

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各组分配比不同，且所用焊丝由质量百分比为93%的组分A和7%的组分B组成，具体参见下表2。

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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鹤壁市某电解铝企业，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组电解铝用阴极铝导杆与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、电流，每个测试重复三次，具体测试结果见下表3。

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分析表3可知，相比对照组，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25mV，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，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阴极钢爪电化学性能的要求。

（2）力学性能测试

按照常规方法对本发明实施例1-10中各焊接件进行力学性能测试，剪切部位为各焊接件钢铝结合面，每次测试设置6个重复。采用同等条件，测试传统焊接方式焊接完成后焊件（3组）的剪切强度，结果如表4所示。

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从表4可知，本发明焊接完成后焊接接头无论是剪切强度还是抗拉强度均优于通过产酮方式焊接完成的焊接件。

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

1.一种电解铝阴极钢-铝熔钎焊焊接方法，其特征在于，主要包括以下步骤，

（1）去除待焊接工件表面的氧化层，至露出金属光泽；

（3）采用铝基实芯焊丝或铝基药芯焊丝，待焊接工件的铝材侧采用熔化焊，所述待焊接工件的钢材侧采用钎焊，将待焊工件在无需爆炸焊块过渡连接的情况下进行焊接。

2.根据权利要求1所述的电解铝阴极钢-铝熔钎焊焊接方法，其特征在于，所述待焊接工件为电解铝过程中的阴极钢棒和铝软带。

3.根据权利要求1所述的电解铝阴极钢-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60%、硼5～7%、镍8～12%、铝10～15%、镁3～5%、硅2～4%、锡1～10%。

4.根据权利要求1所述的电解铝阴极钢-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85%，硼0.5～1%、镍3～5%、铝5～8%、镁1～3%、硅1～3%、锡0.5～1.0%。

5.根据权利要求1所述的电解铝阴极钢-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%，铁0.5～0.9%、铜0.4～0.8%、铬0.7～1.2、镍0.5～0.8%、钛0.8～1.3%。

6. 根据权利要求1所述的电解铝阴极钢-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药芯焊丝：组分A 90～95%，其余为组分B，所述组分A中组成元素的质量份为：铝19～32份、硅25～46份、镍13～21份，所述组分B中组成元素的质量份为铬8～15份、钛5～8份、锡3～7份、锰9～14份。