CN116921837A - 无需铝钢爆炸焊块的铝电解用阳极导电装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无需铝钢爆炸焊块的铝电解用阳极导电装置的制造方法，包括以下步骤：采用冷喷涂的方式在阳极钢爪的连接部表面制备铝基涂层；采用自蔓延焊粉填充阳极导杆的连接端与铝基涂层的间隙，引燃自蔓延焊粉形成自蔓延焊接层，实现阳极导杆与阳极钢爪的连接。本发明提供的制造方法，采用冷喷涂和自蔓延焊接技术相结合，实现铝‑钢异种材料的连接。与传统采用铝钢爆炸焊块的连接方式相比，本发明提供的制造方法设计新颖独特，焊口减为两个，铝基涂层和自蔓延焊接层均具有较高强度，整体结构结实可靠，满足了阳极导电装置现场服役的要求，能够降低阳极导电装置的生产、维修及使用成本，具有广阔的推广及应用前景。
Description
技术领域
本发明属于有色金属冶金技术领域，具体涉及一种无需铝钢爆炸焊块的铝电解用阳极导电装置及其制造方法。
背景技术
电解铝工业中，阳极导电装置是由阳极铝导杆和阳极钢爪构成。作为铝电解槽导电回路的组成部分，阳极导杆和阳极钢爪的连接方式在铝电解生产过程中起着十分重要的作用。铝-钢异种材料的焊接接头容易产生脆性金属间化合物，大大降低了接头的连接强度，缩短了阳极钢爪的使用寿命，增加了企业的生产成本。现有技术是将铝-钢爆炸焊接块与铝导杆和阳极钢爪沿着接触区域的外围进行焊接，有效地避免在铝-钢焊接过程中产生脆性金属间化合物。然而，铝导杆与爆炸焊块环焊缝部位会出现偶发性焊缝开裂，造成通电截面降低，局部电流密度增大，开裂处的温度急剧升高，极易造成钢爪、阳极炭块掉进电解槽内，导致槽压升高，给电解槽运行带来隐患。
专利CN109518229A发明了一种通过摩擦焊连接阳极导杆和钢爪的方法，虽然使用寿命得到较大提高，但通过摩擦焊获得的铝-钢连接接头在维修或更换过程中，会因摩擦而导致阳极导杆缩短，不利于阳极导杆的回收再利用，同时摩擦焊设备昂贵，企业生产成本过高，难以在工业中推广。专利CN110257860A公开了一种复合成型的阳极导电装置及其制造方法，其特征在于由四块复合部件连接构成矩形框，矩形框外侧为铝基板材，内侧为钢基板材，通过同种材料焊接实现钢爪和导杆的连接，此种方式虽然改善了结合面硬而脆的问题，但焊缝截面在阳极钢爪和碳块的大重力作用下产生内力矩，极易从焊缝根部撕裂发生掉爪事故。同时此种方法将复合部件由传统的平方变为竖放，在铝侧焊接时因约束过小，在实际生产过程中会因铝的高膨胀系数在大的焊接热输入下产生翘曲趋势，在铝板和钢板接合面出产生热应力，从而降低复合部件的强度。采用内侧为钢的方式在焊接钢板和阳极钢爪时，会因窄而深的坡口导致施工困难，难以提高工厂的生产效率。专利CN115048741A公开了一种节能型铝电解用阳极导电装置及其制造方法，该方法通过轴孔过盈配合的方式实现阳极导杆和钢爪的连接，有效避免了铝-钢焊接过程中产生的脆性相，不仅提高了接头的连接强度，同时降低了铝-钢异种材料连接处的压降。但是过盈配合的方式对轴孔的加工精度要求极高，装配时的环境也要保持在-60℃以下，一定程度上增加了企业的生产成本。
基于此，在无需使用铝钢爆炸焊块的前提下，提供一种实现阳极导杆与阳极钢爪之间高强度连接的制造方法，以降低阳极导电装置的生产、维修及使用成本，对于电解铝工业的发展具有重要的意义，也是亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种无需铝钢爆炸焊块的铝电解用阳极导电装置的制造方法。
本发明的目的之二在于提供一种连接强度高、使用效果好的铝电解用阳极导电装置。
本发明实现目的之一采用的技术方案是：提供一种无需铝钢爆炸焊块的铝电解用阳极导电装置的制造方法，包括以下步骤：
采用冷喷涂的方式在阳极钢爪的连接部表面制备铝基涂层；采用自蔓延焊粉填充阳极导杆的连接端与铝基涂层的间隙，引燃自蔓延焊粉形成自蔓延焊接层，实现阳极导杆与阳极钢爪的连接。
在本发明中，采用冷喷涂与自蔓延焊接技术相结合的方式，在阳极钢爪和铝导杆之间形成铝基涂层和自蔓延焊层，实现了铝(阳极导杆)-钢(钢爪)异种材料的连接。与传统的采用铝钢爆炸焊块的连接方式形成的三个焊口相比，本发明提供的制造方法设计新颖独特，将焊口数减为两个，结构结实可靠，提高了接头强度和接头的导电面积，工艺流程简单，适合多种工况下的应用。其中，在钢爪表面采用冷喷涂的方式制备铝基涂层，硬度低的铝基粉末在高速撞击钢基体的一瞬间，发生绝热剪切现象，粉末塑性变形产生大量的热，此时涂层存在局部过热而熔化，从而产生冶金结合；同时，粉末撞击钢爪表面发生剧烈的塑性变形，彼此之间紧密接触形成机械互锁，先沉积的铝基涂层在源源不断的高速粉末冲击下进一步夯实，从而形成孔隙率低、结合牢固的铝基涂层，钢铝冷喷涂涂层的结合强度甚至能达到95MPa左右。进一步的，采用自蔓延焊接的方式连接铝基冷喷涂涂层和阳极铝导杆，铝铝同种材料焊接接头的力学性能和导电性能远远高于铝钢异种焊接接头。相较于常规的激光焊、MIG焊、手工电弧焊等方式，自蔓延全断面焊接形式明显提高了阳极导杆和钢爪的有效接触面积，在结合强度增大的同时，降低了接头处的电阻，提高接头的导电能力。
进一步的，在制备铝基涂层之前，对所述阳极钢爪的连接部表面进行预处理。所述预处理包括：喷丸、激光清洗、机械抛光等方法中的一种或多种的组合。
在本发明中，阳极钢爪的连接部可以是直接设置于阳极钢爪的上表面的区域或凸起结构，也可以是开设于阳极钢爪的上表面的用于容纳阳极导杆连接端的凹槽。
当所述阳极钢爪的连接部设置于阳极钢爪的上表面时，采用冷喷涂的方式将铝基涂层制备在阳极钢爪的连接部的上表面，再将自蔓延焊粉填充在阳极导杆下表面和铝基涂层中间，实现阳极钢爪与阳极导杆之间的连接。优选地，将石墨模具套设于阳极导杆及阳极钢爪待连接部的外侧，并使阳极导杆与阳极钢爪之间留有间隙，自蔓延焊粉在石墨模具的辅助作用下，填充所述间隙。这种加工方法的优势在于无需改变现有钢爪的结构，无需重新开模生产，能够与目前工厂中常见的钢爪结构兼容，降低制造成本。
当所述阳极钢爪的连接部为开设在阳极钢爪的上表面用于容纳阳极导杆的连接端的凹槽时，所述铝基涂层喷涂于所述凹槽的内表面，并采用自蔓延焊粉对阳极导杆的连接端与铝基涂层之间的间隙进行填充。与常规的钢爪结构相比，带有凹槽的阳极钢爪能够增大阳极导杆与钢爪之间的接触面积，同时大幅度限制了阳极导杆在高温下膨胀引起的横向位移，从而显著提高接头的抗剪切强度，延长阳极导电装置的使用寿命，能够更好的适用具有较高要求的工况。优选地，所述凹槽的深度为10～20cm。
进一步的，所述冷喷涂中，气体的预热温度为400～600℃，气体压力为0.6～3.5MPa，喷嘴距离工件表面5～30mm；喷涂速度1～20mm/s。加速气体选自空气、氦气、氩气、氮气中的一种；相对于空气，惰性气体携带喷涂粉末的能力更优，且喷出的粉末速度更高。优选地，粉末在基体表面沉积时的温度为140～160℃。
在本发明中，采用冷喷涂技术制备铝基涂层作为过渡层。相对于其他焊接方式，具有以下优势：其一，冷喷涂的能量来自压缩气体和加热单元，无须熔化金属粒子，降低了涂层的热应力、热变形，涂层厚度可达数毫米或更多，足够的涂层厚度能够避免后续的自蔓延焊接操作时被烧穿；其二，冷喷涂涂层性能良好，冷喷涂涂层的气孔率很低，基材与涂层的热负荷小，材料氧化少，结晶化较为均匀，形成的涂层含氧量低，且更致密；其三，涂层制备过程安全可靠，无污染排放，低压冷喷涂的压缩气体压力在10atm以下，噪声较小(低于60dB)，没有高温、火焰、辐射、化学废料、危险气体，可操作性强，安全性高，喷涂定向性好。
进一步的，所述铝基涂层的原料按照重量百分数计包括：Al粉50wt.％～100wt.％，Zn粉0～30wt.％，Cu粉0～35wt.％。
本发明的铝基涂层可以采用纯铝粉的形式，也可以添加一定比例的Zn粉和/或Cu粉。其中，向Al基体中加入适量的Zn粉，可以提高冷喷涂涂层的耐腐蚀性；加入Cu粉，既能改善连接处的导电性，又能提高涂层的硬度，由于Cu的硬度比Al和Zn的都高，冷喷涂过程中具有更高的冲击速度，对已沉积的涂层具有夯实作用，促进得涂层与基体的结合更为紧密。
进一步的，优选地，所述铝基涂层的厚度为5～30mm。
进一步的，所述自蔓延焊粉的成分按重量百分数计，包括：Al粉25wt.％～50wt.％，Zn粉5wt.％～15wt.％，CuO2粉20wt.％～35wt.％，SnO2粉5wt.％～9wt.％，CaSO4粉9wt.％～16wt.％，CaF2粉4.5wt.％～8.5wt.％，Er2O3粉0.3wt.％～1.5wt.％，各成分总量为100wt.％。
本发明提供的自蔓延焊粉，采用Al-CaSO4、Al-Cu2O和Al-SnO2自蔓延复合体系。其中，考虑到Cu2O极强的氧化性，Al-Cu2O自蔓延体系反应过程剧烈，焊接温度很高，会导致母材熔化过度，因此引入Al-SnO2自蔓延体系调控焊接稳定性，同时利用CaSO4造渣性好的优点排出低熔点金属，提高焊缝的力学性能。通过加入一定比例的Zn粉，用于改善填充金属的合金体系，提高焊缝金属的性能，同时改善焊接时液态金属的润湿性和流动性，提高焊接质量。此外，本发明向自蔓延焊粉中添加少量的Er2O3会在焊缝中形成单质Er、氧化铝和Al3Er，在金属液冷却过程中成为形核中心而细化晶粒，进一步提高焊缝的强度和韧性。
优选地，将自蔓延焊粉的原料放入烘干机中，在50～200℃下烘干0.5～4h，随后按比例混合均匀获得自蔓延焊粉。
优选地，所述自蔓延焊接层的厚度为10～50mm。
本发明实现目的之二采用的技术方案是：提供一种铝电解用阳极导电装置，由根据本发明目的之一所述的制造方法制得；所述阳极导电装置包括：阳极导杆、自蔓延焊接层、铝基涂层和阳极钢爪。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的一种无需铝钢爆炸焊块的铝电解用阳极导电装置的制造方法，采用冷喷涂和自蔓延焊接技术相结合，在阳极钢爪和铝导杆之间形成铝基涂层和自蔓延焊层，实现了铝(阳极导杆)-钢(钢爪)异种材料的连接。与传统的采用铝钢爆炸焊块的连接方式形成的3个焊口相比，本发明提供的制造方法设计新颖独特，将焊口数减为两个，结构结实可靠，工艺流程简单，适合多种工况下的应用。
(2)本发明制得的铝电解用阳极导电装置，借助于铝基涂层和自蔓延焊接层，将铝导杆与钢爪之间的异种材料连接转变为同种材料连接，大幅度提高了接头强度和接头的导电面积。本发明制得的铝电解用阳极导电装置中，冷喷涂形成的铝基涂层的界面强度为60～100MPa，自蔓延焊接层的强度为90～120MPa，均能达到铸铝母材的强度，满足了阳极导电装置现场服役的要求。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种阳极导电装置的结构示意图；
图2为本发明实施例2提供的一种阳极导电装置的结构示意图；
图3为本发明实施例1采用冷喷涂形成的Al-Zn涂层截面组织形貌图；
图4为本发明实施例2采用冷喷涂形成的Al-Zn-Cu涂层截面组织形貌图；
其中，1-阳极导杆；2-自蔓延焊接层；3-铝基涂层；4-阳极钢爪；5-石墨模具。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明各实施例中冷喷涂形成的铝基涂层的成分及参数如下表1所示。
表1
本发明各实施例涉及的自蔓延焊粉的成分(wt.％)如下表2所示。
表2
| Al粉 | Zn粉 | CuO2 | SnO2 | CaSO4 | CaF2 | Er2O3粉 | |
| 实施例1 | 35 | 10 | 30 | 6 | 13 | 5 | 1 |
| 实施例2 | 45 | 8 | 20 | 6 | 14 | 6.2 | 0.8 |
| 实施例3 | 28 | 12 | 25 | 9 | 16 | 8.5 | 1.5 |
| 实施例4 | 25 | 15 | 35 | 8 | 12 | 4.5 | 0.5 |
| 实施例5 | 50 | 5 | 25 | 5 | 9 | 5.7 | 0.3 |
实施例1
本实施例提供了一种无需铝钢爆炸焊块的铝电解用阳极导电装置及其制造方法，所述阳极导电装置的结构如图1所示，其包括阳极导杆1、自蔓延焊接层2、铝基涂层3和阳极钢爪4。其中，阳极钢爪为传统钢爪结构，钢爪的上表面设有用于与阳极导杆的连接端进行连接的凸台结构。
本实施例中，阳极导电装置的制造方法包括以下步骤：
步骤1：使用角磨机对阳极钢爪表面进行打磨；
步骤2：在传统钢爪的上表面制备冷喷涂Al-Zn涂层(Al粉70wt.％，Zn粉30wt.％)，预热温度为500℃，气体压力为0.8MPa，喷嘴距离工件表面10mm，喷涂速度为4mm/s，采用空气作为加速气体；
步骤3：采用夹持工具将阳极导杆1和钢爪4固定，中间填充自蔓延焊粉(Al粉35wt.％，Zn粉10wt.％，CuO2粉30wt.％，SnO2粉6wt.％，CaSO4粉13wt.％，CaF2粉5wt.％，Er2O3粉1wt.％)，焊粉四周套石墨模具5；
步骤4：点燃引火粉，自蔓延焊粉熔化，待金属液完全冷却后，拆掉石墨模具，除去焊缝表面的熔渣，阳极导杆和钢爪连接完成，自蔓延层的厚度为10mm。
本实施例制得的阳极导电装置，采用冷喷涂和自蔓延焊接技术实现阳极导杆和钢爪的连接，图3为Al-Zn涂层的微观组织形貌，其中黑色区域为铝富集区，白色区域是锌富集区，涂层组织致密，孔隙率很低。
通过工业实际工况下测试，该阳极导电装置中，钢爪与阳极导杆之间的整体结合强度为93Mpa，高于铸铝的抗拉强度(约80MPa)，满足现场服役要求。
实施例2
本实施例提供了一种无需铝钢爆炸焊块的铝电解用阳极导电装置及其制造方法，所述阳极导电装置的结构如图2所示，其包括阳极导杆1、自蔓延焊接层2、铝基涂层3和阳极钢爪4。其中，阳极钢爪的上表面开设有下陷的用于容纳阳极导杆连接端的凹槽结构。
本实施例中，阳极导电装置的制造方法包括以下步骤：
步骤1：制备带凹槽钢爪模具，浇筑成型获得带凹槽的阳极钢爪，凹槽的直径为180mm，深度为10cm；
步骤2：对钢爪孔内壁进行喷丸处理；
步骤3：在钢爪上孔的内壁制备冷喷涂Al-Zn-Cu涂层(Al粉52.5wt.％，Zn粉22.5wt.％，Cu粉25wt.％)，预热温度为500℃，气体压力为0.8MPa，喷嘴距离工件表面10mm，喷涂速度为4mm/s，采用空气作为加速气体；
步骤4：采用夹持工具将阳极导杆1和钢爪4固定，在孔的内壁与阳极导杆的间隙填充自蔓延焊粉(Al粉45wt.％，Zn粉8wt.％，CuO2粉20wt.％，SnO2粉6wt.％，CaSO4粉14wt.％，CaF2粉6.2wt.％，Er2O3粉0.8wt.％)；
步骤5：点燃引火粉，自蔓延焊粉熔化，待金属液完全冷却后，除去焊缝表面的熔渣，阳极导杆和钢爪连接完成，自蔓延层的厚度为12mm。
图4为本实施例制得的Al-Zn-Cu涂层的微观组织形貌，其中黑色区域为铝富集区，白色区域是锌富集区，浅灰色区域为铜富集区，涂层组织致密，孔隙率很低。
通过工业实际工况下测试，该阳极导电装置中，钢爪与阳极导杆之间的整体结合强度为98Mpa，满足现场服役要求。
实施例3
本实施例提供的阳极导电装置的结构如图1所示。阳极导电装置的制造方法包括以下步骤：
步骤1：使用角磨机对阳极钢爪表面进行打磨；
步骤2：在传统钢爪的上表面制备冷喷涂Al-Cu涂层(Al粉80wt.％，Cu粉20wt.％)，预热温度为500℃，气体压力为1MPa，喷嘴距离工件表面10mm，喷涂速度为4mm/s，采用空气作为加速气体；
步骤3：采用夹持工具将阳极导杆1和钢爪4固定，中间填充自蔓延焊粉(Al粉28wt.％，Zn粉12wt.％，CuO2粉25wt.％，SnO2粉9wt.％，CaSO4粉16wt.％，CaF2粉8.5wt.％，Er2O3粉1.5wt.％)，焊粉四周套石墨模具5；
步骤4：点燃引火粉，自蔓延焊粉熔化，待金属液完全冷却后，拆掉石墨模具，除去焊缝表面的熔渣，阳极导杆和钢爪连接完成，自蔓延层的厚度为20mm。
通过工业实际工况下测试，该阳极导电装置中，钢爪与阳极导杆之间的整体结合强度为93Mpa，满足现场服役要求。
实施例4
本实施例提供的阳极导电装置的结构如图2所示。本实施例中，阳极导电装置的制造方法包括以下步骤：
步骤1：制备带凹槽钢爪模具，浇筑成型获得带凹槽的阳极钢爪，凹槽的直径为180mm，深度为10cm；
步骤2：对钢爪孔内壁进行喷丸处理；
步骤3：在钢爪上孔的内壁制备冷喷涂Al-Zn-Cu涂层(Al粉90wt.％，Zn粉5wt.％，Cu粉5wt.％)，预热温度为500℃，气体压力为1MPa，喷嘴距离工件表面10mm，喷涂速度为5mm/s，采用氦气作为加速气体；
步骤4：采用夹持工具将阳极导杆1和钢爪4固定，在孔的内壁与阳极导杆的间隙填充自蔓延焊粉(Al粉25wt.％，Zn粉15wt.％，CuO2粉35wt.％，SnO2粉8wt.％，CaSO4粉12wt.％，CaF2粉4.5wt.％，Er2O3粉0.5wt.％；
步骤5：点燃引火粉，自蔓延焊粉熔化，待金属液完全冷却后，除去焊缝表面的熔渣，阳极导杆和钢爪连接完成，自蔓延层的厚度为30mm。
通过工业实际工况下测试，该阳极导电装置中，钢爪与阳极导杆之间的整体结合强度为88Mpa，满足现场服役要求。
实施例5
本实施例提供的阳极导电装置的结构如图1所示。阳极导电装置的制造方法包括以下步骤：
步骤1：使用角磨机对阳极钢爪表面进行打磨；
步骤2：在传统钢爪的上表面制备冷喷涂Al涂层(Al粉100wt.％)，预热温度为500℃，气体压力为1MPa，喷嘴距离工件表面10mm，喷涂速度为6mm/s，采用空气作为加速气体；
步骤3：采用夹持工具将阳极导杆1和钢爪4固定，中间填充自蔓延焊粉(Al粉50wt.％，Zn粉5wt.％，CuO2粉25wt.％，SnO2粉5wt.％，CaSO4粉9wt.％，CaF2粉5.7wt.％，Er2O3粉0.3wt.％)，焊粉四周套石墨模具5；
步骤4：点燃引火粉，自蔓延焊粉熔化，待金属液完全冷却后，拆掉石墨模具，除去焊缝表面的熔渣，阳极导杆和钢爪连接完成，自蔓延层的厚度为50mm。
通过工业实际工况下测试，该阳极导电装置中，钢爪与阳极导杆之间的整体结合强度为90Mpa，满足现场服役要求。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种无需铝钢爆炸焊块的铝电解用阳极导电装置的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用冷喷涂的方式在阳极钢爪的连接部表面制备铝基涂层；采用自蔓延焊粉填充阳极导杆的连接端与铝基涂层的间隙，引燃自蔓延焊粉形成自蔓延焊接层，实现阳极导杆与阳极钢爪的连接。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在制备铝基涂层之前，对所述阳极钢爪的连接部表面进行预处理。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述阳极钢爪的连接部为设置于阳极钢爪的上表面的凸台。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述阳极钢爪的连接部为凹槽；所述凹槽开设于阳极钢爪的上表面，用于容纳阳极导杆的连接端。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述冷喷涂中，气体的预热温度为400～600℃，气体压力为0.6～3.5MPa，喷嘴距离工件表面距离为5～30mm，喷涂速度为1～20mm/s。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述铝基涂层的成分按重量百分数计包括：Al粉50wt.％～100wt.％，Zn粉0～30wt.％，Cu粉0～35wt.％。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述铝基涂层的厚度为5～30mm。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述自蔓延焊粉的成分按重量百分数计，包括：Al粉25wt.％～50wt.％，Zn粉5wt.％～15wt.％，CuO2粉20wt.％～35wt.％，SnO2粉5wt.％～9wt.％，CaSO4粉9wt.％～16wt.％，CaF2粉4.5wt.％～8.5wt.％，Er2O3粉0.3wt.％～1.5wt.％，各成分总量为100wt.％。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述自蔓延焊接层的厚度为10～50mm。
10.一种铝电解用阳极导电装置，由根据权利要求1-9中任一项所述的制造方法制得；其特征在于，所述阳极导电装置包括：阳极导杆(1)、自蔓延焊接层(2)、铝基涂层(3)和阳极钢爪(4)。
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