CN113953759A - 一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法 - Google Patents

一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法 Download PDF

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Abstract

一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法，具体包括以下步骤：选取阳极钢爪和圆钢，将切除腐蚀段的阳极钢爪切除端和圆钢分别进行粗加工处理且二者待焊端面加工坡口，并且清洗处理后冷干；将阳极钢爪切除端和圆钢的待焊端面在细腰形感应线圈中进行对接接头装配，且铺设去膜剂和熔化温度径向渐变复合钎料，装配得到钎焊接头装配体；对钎焊接头装配体未倒角的对接面进行感应加热，使熔化温度径向渐变复合钎料在整个对接面上同时熔化，润湿填充未倒角对接面间隙，待完全润湿后停止感应加热，实现阳极钢爪切除端和圆钢的待焊端面未倒角对接面的钎焊连接；打磨处理后的坡口，在钎焊接头坡口上堆焊金属层并打磨，使其与阳极钢爪和圆钢平滑过渡。本发明方法修复后的钢爪电阻率显著降低，导电性好，强度大，使用寿命长。

Description

一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法
技术领域
本发明属于铝电解阳极结构焊接修复领域，具体涉及一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法。
背景技术
在现代铝电解工业中，阳极钢爪长期处于350℃～900℃的高温、腐蚀、大电流作业环境中，工作一段时间之后，连接阳极炭块的钢爪头腐蚀变细，导致电阻增大，能耗增加，甚至变细的钢爪头无法承受阳极炭块的重量而断裂甚至导致阳极炭块的脱落。因此，阳极钢爪消耗量大，修复任务较为繁重。
目前，国内电解铝企业对阳极钢爪的修复主要采用手工电弧围焊法，但因焊接工艺的局限性，该方法效率低、焊接接头面积小、强度低、电阻率大、使用寿命短等缺点，严重制约电解铝企业对生产成本的控制。针对阳极钢爪传统围焊法修复的诸多缺陷，近几年一些机构研发了熔铸技术、电渣焊、窄间隙焊，并已经投入使用，这些方法在一定程度上解决了围焊接头电阻率较大的问题，但焊接设备占地面积大、灵活性小、投入成本高。这对上述修复方法存在的问题，现有技术提出了钎焊修复方法，与电弧焊修复相比，钎焊修复不仅具备全截面电弧焊修复的高导电，还且效率更高、设备简单，但阳极钢爪直径较大，感应钎焊修复阳极钢爪时，阳极钢爪全横截面加热温度不均匀，一般为横截面边缘区域温度高，心部温度低，采用一种熔化温度钎料进行钎焊修复时，往往带来（1）因边缘区钎焊温度过高造成钎料烧损、流失现象；（2）或因心部钎焊温度低造成钎料未熔化或呈粘度较大的熔融状态，钎料润湿差，两种现象均造成钎缝缺欠多，降低钎焊修复质量。
发明内容
本发明提供一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法，该方法操作简单，成本低，效率高，可实施性强，修复后的钢爪电阻率显著降低，导电性好，强度大，使用寿命长。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、选取阳极钢爪以及与阳极钢爪直径相同的圆钢，切除阳极钢爪的腐蚀段得阳极钢爪切除端，将阳极钢爪切除端和圆钢分别进行粗加工处理且二者待焊端面加工坡口，再将二者的待焊端面进行清洗处理，冷风吹干后备用，其中圆钢的粗加工处理为对圆钢待焊端面进行表面粗化处理，即采用机加工的方法在圆钢待焊端面加工成锯齿型槽、矩形槽或梯形槽中的一种；
步骤二、将阳极钢爪切除端和圆钢的待焊端面在细腰形感应线圈中进行对接接头装配，在对接面之间铺设去膜剂和熔化温度径向渐变复合钎料，装配得到钎焊接头装配体；
步骤三、对步骤二中的钎焊接头装配体未倒角的对接面进行感应加热，使熔化温度径向渐变复合钎料在整个对接面上同时熔化，润湿填充未倒角对接面间隙，待完全润湿后停止感应加热，实现阳极钢爪切除端和圆钢的待焊端面未倒角对接面的钎焊连接，且在钎焊后的阳极钢爪切除端（1）和圆钢（4）的待焊端面未倒角对接面外围形成坡口，其中熔化温度径向渐变复合钎料的具体方法为：
将片状CuZn基钎料剪切为内圆呈梯形齿的CuZn基钎料圆环，将片状三明治钎料剪切为外圆呈梯形齿的三明治钎料圆片，CuZn基钎料圆环的内圆梯形齿尺寸形状与三明治钎料圆片的外圆梯形齿尺寸形状相匹配，将CuZn基钎料圆环与三明治钎料圆片齿合安装形成熔化温度径向渐变复合钎料；
步骤四、打磨步骤三中钎焊后的阳极钢爪切除端和圆钢的待焊端面未倒角对接面外围形成坡口，在钎焊接头坡口上堆焊金属层，打磨堆焊金属层，使其与阳极钢爪和圆钢平滑过渡，完成该阳极钢爪的修复。
进一步优化，所述步骤一中阳极钢爪的粗加工处理为：将其端面切除并加工成与轴线垂直的平面；圆钢的粗加工处理为：将其两端面加工成与轴线垂直的平面，并对已加工平面的圆钢待焊端面进行表面粗化处理。
进一步优化，所述阳极钢爪切除后剩余长度与圆钢长度之和等于阳极钢爪的设计长度，且圆钢的化学成分和力学性能与阳极钢爪相同或相近。
进一步优化，所述步骤一中阳极钢爪和圆钢的清洗处理为：将阳极钢爪和圆钢的待焊面依次进行酸洗、碱洗、蒸馏水冲洗。
进一步优化，所述阳极钢爪切除端和圆钢待焊端面的坡口尺寸相同，均为V型坡口，所述V型坡口角度为45°～60°，加工坡口后阳极钢爪切除端和圆钢待焊端面剩余平面直径均为未加工坡口前平面直径的1/16～1/10。
进一步优化，步骤一中的所述锯齿形槽、所述矩形槽、所述梯形槽槽深均为钎料厚度的0.2～1倍，宽度均为槽深的1.2～3倍，槽距均为槽深的3～5倍。
进一步优化，所述步骤二中去膜剂由硼砂、硼酸和硼酐中的至少一种与碱金属和碱土金属的氟化物及氯化物混合而成，去膜剂的状态为膏状或粉末状。
进一步优化，所述步骤二中细腰形感应线圈为两端内腔直径大、中间内腔直径小的感应线圈，细腰形感应线圈两端内腔直径为阳极钢爪原直径的1.05～1.2倍，细腰形感应线圈中间内腔直径为加工坡口后阳极钢爪切除端1剩余平面直径的1.1～1.25倍。
进一步优化，所述步骤三中复合钎料熔化润湿填充对接面间隙过程中，往复旋转圆钢后，对阳极钢爪和圆钢对接面施加一定预紧力，待钎缝冷却后，卸载预紧力。
进一步优化，所述步骤三中复合钎料熔化润湿填充对接面间隙过程中，对阳极钢爪和圆钢施加超声振动或机械振动中的一种。
本发明的有益效果为：
（1）、对阳极钢爪切除端面和圆钢的待焊端面加工V型坡口，本发明采用细腰形感应线圈进行感应钎焊，增加细腰形感应线圈细腰处横截面上感应磁场的磁通密度及其均匀性，从而提高装配在阳极钢爪切除端面和圆钢的待焊端面之间的熔化温度渐变复合钎料加热的均匀性，确保复合钎料全截面同步熔化；
（2）、对钎焊后的V型坡口进行电弧堆焊，由于电弧堆焊层强度高，可以补充钎焊接头强度的不足，提高修复烧损阳极钢爪的强度；
（3）、三明治钎料的结构形式是CuZn基钎料/CuP钎料/CuZn基钎料，CuP钎料熔化温度低于CuZn基钎料熔化温度，因此，三明治钎料整体熔化温度低于CuZn基钎料。将梯形齿内圆CuZn基钎料圆环与梯形齿外圆三明治钎料圆片齿合安装，形成由外向内熔化温度径向逐渐降低的复合钎料，从而克服了感应钎焊时边缘温度高、中间温度低的问题，确保全截面复合钎料的同步熔化；
本发明克服了传统围焊法、熔铸技术、电弧堆焊法，及同熔化温度钎料钎焊修复等修复方法存在的弊端，利用熔化温度径向梯度渐变复合钎料对阳极钢爪进行钎焊修复，并结合电弧堆焊，实现了阳极钢爪与圆钢的全截面冶金结合，钎缝间隙小、钎缝缺欠少，极大地降低了阳极钢爪的电阻率，提高其导电性，同时降低成本，钎焊后，在钎缝表面堆焊金属层，能够保证阳极钢爪的强度和抗腐蚀性。
附图说明
图1为采用本发明感应钎焊接头装配体结构剖面示意图；
图2为本发明的熔化温度径向渐变复合钎料结构示意图；
图3为内圆呈梯形齿的CuZn基钎料圆环结构示意图；
图4为外圆呈梯形齿的三明治钎料圆片结构示意图；
图5为圆棒待焊面加工为锯齿形槽结构示意图；
图6为圆棒待焊面加工为矩形槽结构示意图；
图7为圆棒待焊面加工为梯形槽结构示意图；
图8为感应钎焊+电弧堆焊修复后阳极钢爪剖面示意图；
图9 为对接面上的坡口结构示意图
图10 为阳极钢爪进行纵向切片检查示意图
图中：1、阳极钢爪切除端，2、熔化温度径向渐变复合钎料，21、CuZn基钎料圆环，22、三明治钎料圆片，3、细腰形感应线圈，4、圆钢，5、钎缝，6、堆焊金属层，7、坡口。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、选取阳极钢爪以及与阳极钢爪直径相同的圆钢4，切除阳极钢爪的腐蚀段得阳极钢爪切除端1，并加工成与轴线垂直的平面，将圆钢4的两端面加工成与轴线垂直的平面，阳极钢爪切除后剩余长度与圆钢4长度之和等于阳极钢爪的设计长度，且圆钢4的化学成分和力学性能与阳极钢爪相同或相近，并且采用机加工的方法对已加工平面的圆钢4的待焊端面加工锯齿型槽、矩形槽或梯形槽中的一种，所述锯齿形槽、所述矩形槽、所述梯形槽槽深均为钎料厚度的0.2～1倍，宽度均为槽深的1.2～3倍，槽距均为槽深的3～5倍，在已加工成平面后的阳极钢爪和圆钢4的待焊端面中至少一面加工为坡口7，阳极钢爪切除端1和圆钢4待焊端面加工坡口7尺寸相同，均为V型坡口，所述V型坡口角度为45°～60°，加工坡口后阳极钢爪切除端1和圆钢4待焊端面剩余平面直径均为未加工坡口7前平面直径的1/16～1/10，再将二者的待焊端面依次进行酸洗、碱洗、蒸馏水冲洗，冷风吹干后备用；
步骤二、将阳极钢爪切除端1和圆钢4的待焊端面在两端内腔直径大、中间内腔直径小细腰形感应线圈3中进行对接接头装配，其中细腰形感应线圈3两端内腔直径为阳极钢爪原直径的1.05～1.2倍，细腰形感应线圈3中间内腔直径为加工坡口7后阳极钢爪切除端1剩余平面直径的1.1～1.25倍，在对接面之间铺设去膜剂和熔化温度径向渐变复合钎料2，装配得到钎焊接头装配体；
步骤三、对钎焊接头装配体未倒角的对接面进行感应加热，使熔化温度径向渐变复合钎料2在整个对接面上同时熔化，润湿填充未倒角对接面间隙，且在钎焊后的阳极钢爪切除端1和圆钢4的待焊端面未倒角对接面外围形成坡口7，其中熔化温度径向渐变复合钎料的具体方法为：
将片状CuZn基钎料剪切为内圆呈梯形齿的CuZn基钎料圆环21，将片状三明治钎料剪切为外圆呈梯形齿的三明治钎料圆片22，将内圆呈梯形齿的CuZn基钎料圆环21与三明治钎料圆片22组合形成熔化温度径向渐变复合钎料2；其中CuZn基钎料圆环21的外圆直径与所述加工坡口7后阳极钢爪切除面剩余平面直径相同，CuZn基钎料圆环21的内圆梯形齿形状，尺寸与三明治钎料圆片外圆梯形齿形状、尺寸匹配，三明治钎料与CuZn基钎料厚度相同，所述三明治钎料外层为CuZn基钎料，内层为CuP钎料，三明治钎料的结构形式是CuZn基钎料-CuP钎料-CuZn基钎料，CuP钎料层厚度为三明治钎料厚度的1/2～2/3，三明治钎料圆片22的直径为加工坡口7后阳极钢爪切除端1剩余平面直径的1/3～3/4，CuZn基钎料圆环21与三明治钎料圆片22组合后交叉区域宽度为加工坡口7后阳极钢爪切除端1剩余平面直径的1/4～2/3；
步骤四、打磨步骤三中处理后的对接面，在钎焊接头外围堆焊金属层6，打磨堆焊金属层6，使其与阳极钢爪和圆钢平滑过渡，完成该阳极钢爪的修复。
在本发明中，复合钎料熔化润湿填充对接面间隙过程中，往复旋转圆钢4后，对阳极钢爪和圆钢4对接面施加一定预紧力，待钎缝5冷却后，卸载预紧力，对阳极钢爪和圆钢4施加超声振动或机械振动中的一种。
对采用本发明方法修复的阳极钢爪进行纵向切片检查，如附图10所示，阳极钢爪和圆钢之间完全实现冶金结合，内部无任何气孔、裂纹或夹杂等缺陷。
对采用本发明方法修复的阳极钢爪以及现有新钢爪分别进行取样，测试其压降，实验数据如表1所示，可以看出，采用本发明方法修复后的阳极钢爪电压降仅相差0.03mV，远远小于其他报道的围焊法（0.7〜0.8mV）、熔铸技术（0.4〜0.6mV）、堆焊法（0.2〜0.3mV）和同熔化温度钎料钎焊修复（0.19〜0.25mV）的电压降。
表1 阳极钢爪电压降
Figure DEST_PATH_IMAGE001
以上显示和描述了本发明的主要特征、使用方法、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一、选取阳极钢爪以及与阳极钢爪直径相同的圆钢（4），切除阳极钢爪的腐蚀段得阳极钢爪切除端（1），将阳极钢爪切除端（1）和圆钢（4）分别进行粗加工处理且二者待焊端面加工坡口（7），再将二者的待焊端面进行清洗处理，冷风吹干后备用，其中圆钢（4）的粗加工处理为对圆钢（4）待焊端面进行表面粗化处理，即采用机加工的方法在圆钢待焊端面加工成锯齿型槽、矩形槽或梯形槽中的一种；
步骤二、将阳极钢爪切除端（1）和圆钢（4）的待焊端面在细腰形感应线圈（3）中进行对接接头装配，在对接面之间铺设去膜剂和熔化温度径向渐变复合钎料（2），装配得到钎焊接头装配体；
步骤三、对步骤二中的钎焊接头装配体未倒角的对接面进行感应加热，使熔化温度径向渐变复合钎料（2）在整个对接面上同时熔化，润湿填充未倒角对接面间隙，待完全润湿后停止感应加热，实现阳极钢爪切除端（1）和圆钢（4）的待焊端面未倒角对接面的钎焊连接，且在钎焊后的阳极钢爪切除端（1）和圆钢（4）的待焊端面未倒角对接面外围形成坡口（7），其中熔化温度径向渐变复合钎料（2）的具体方法为：
将片状CuZn基钎料剪切为内圆呈梯形齿的CuZn基钎料圆环（21），将片状三明治钎料剪切为外圆呈梯形齿的三明治钎料圆片（22），CuZn基钎料圆环（21）的内圆梯形齿尺寸形状与三明治钎料圆片（22）的外圆梯形齿尺寸形状相匹配，将CuZn基钎料圆环（21）与三明治钎料圆片（22）齿合安装形成熔化温度径向渐变复合钎料（2）；
步骤四、打磨步骤三中钎焊后的阳极钢爪切除端（1）和圆钢（4）的待焊端面未倒角对接面外围形成坡口（7），在钎焊接头坡口（7）上堆焊金属层（6），打磨堆焊金属层（6），使其与阳极钢爪和圆钢平滑过渡，完成该阳极钢爪的修复。
2.根据权利要求1所述一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法，其特征在于，所述步骤一中阳极钢爪的粗加工处理为：将其端面切除并加工成与轴线垂直的平面；圆钢（4）的粗加工处理为：将其两端面加工成与轴线垂直的平面，并对已加工平面的圆钢（4）待焊端面进行表面粗化处理。
3.根据权利要求2所述一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法，其特征在于，所述阳极钢爪切除后剩余长度与圆钢（4）长度之和等于阳极钢爪的设计长度，且圆钢（4）的化学成分和力学性能与阳极钢爪相同或相近。
4.根据权利要求1所述一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法，其特征在于，所述步骤一中阳极钢爪和圆钢（4）的清洗处理为：将阳极钢爪和圆钢（4）的待焊面依次进行酸洗、碱洗、蒸馏水冲洗。
5.根据权利要求2所述一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法，其特征在于，所述阳极钢爪切除端（1）和圆钢（4）待焊端面的坡口（7）尺寸相同，均为V型坡口，所述V型坡口角度为45°～60°，加工坡口（7）后阳极钢爪切除端（1）和圆钢（4）待焊端面剩余平面直径均为未加工坡口（7）前平面直径的1/16～1/10。
6.根据权利要求1所述一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法，其特征在于，步骤一中的所述锯齿形槽、所述矩形槽、所述梯形槽槽深均为钎料厚度的0.2～1倍，宽度均为槽深的1.2～3倍，槽距均为槽深的3～5倍。
7.根据权利要求1所述一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法，其特征在于，所述步骤二中去膜剂由硼砂、硼酸和硼酐中的至少一种与碱金属和碱土金属的氟化物及氯化物混合而成，去膜剂的状态为膏状或粉末状。
8.根据权利要求1所述一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法，其特征在于，所述步骤二中细腰形感应线圈（3）为两端内腔直径大、中间内腔直径小的感应线圈，细腰形感应线圈（3）两端内腔直径为阳极钢爪原直径的1.05～1.2倍，细腰形感应线圈（3）中间内腔直径为加工坡口（7）后阳极钢爪切除端（1）剩余平面直径的1.1～1.25倍。
9.根据权利要求1所述一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法，其特征在于，所述步骤三中复合钎料熔化润湿填充对接面间隙过程中，往复旋转圆钢（4）后，对阳极钢爪和圆钢（4）对接面施加一定预紧力，待钎缝（5）冷却后，卸载预紧力。
10.根据权利要求1所述一种感应钎焊/电弧堆焊复合修复烧损阳极钢爪的方法，其特征在于，所述步骤三中复合钎料熔化润湿填充对接面间隙过程中，对阳极钢爪和圆钢（4）施加超声振动或机械振动中的一种。
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CN117102607A (zh) * 2023-10-25 2023-11-24 江苏旭凯自动化设备有限公司 一种保护器发热丝焊接方法及其焊接设备

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