一种阳极铝导杆与钢爪直接连接的方法与流程

1.本发明涉及电解铝技术领域，具体涉及一种阳极铝导杆与钢爪直接连接的方法。


背景技术：

2.我国电解铝运行产能3700万吨左右，占比全球56％。电解铝生产也是用能大户，我国电解铝每年用电5015.35亿kw.h，占比全国总能耗约6％，平均电耗13555kw.h/吨铝。在当前，电解铝行业节能降耗减排对于电解铝企业来说是十分迫切的需求。
3.铝导杆和阳极钢爪目前全部是通过爆炸块过渡连接的方式，此种连接方式由于焊缝多、有效焊接面积小等原因导电性能不佳，同时还存在着生产效率低、焊接成本高、接头电阻值高、焊口易开裂等缺点。其中铝-铝焊缝与钢-钢焊缝是通过坡口方式进行焊接，通过四周焊缝位置导电，其导电截面均远小于导杆导电截面，此处压降很大。
4.另外，铝导杆和阳极钢爪采用爆炸块过渡连接还存在以下主要缺点：
5.由于铝钢爆炸焊块在焊接中没有实现电弧冶金结合，因此在使用过程中有时由于电解槽电流分布不均及槽液传热等原因导致其结合面温度偏高，同时其结合面暴露于电解槽粉尘环境中，很容易发生开裂，从而导致阳极掉极事故发生，容易引发生产事故。铝-铝焊缝与钢-钢焊缝的导电截面都是四周焊缝位置导电，其导电截面均小于导杆导电截面，此处压降较大，大约为20-25mv。目前阳极导杆与钢爪连接方式下，过程繁琐、成本较高。按照目前连接方式，需要使用爆炸块，同时需要进行铝-铝焊接、钢-钢焊接，过程繁琐，因此焊接成本高。
6.在如今，节能降耗是很关键的一环。因此怎样降低电解铝过程中电能的损耗就显得至关重要。中国专利cn203696261u公开了一种电解铝钢爪和铝导杆的无过渡连接方法，其方法是做一个内壁含螺纹的钢套，套在铝导杆上，另一头给铝导杆施加一个30mpa的压力。在钢套底部有助热剂，然后从两端通一个很大的电流3.5-4.0ka，使得助热剂产热，让钢套内部产生1200-1300℃的温度，并产生250-350mpa的高压，使得铝和钢剧烈渗透，形成原子健结合，从而实现铝钢高强度的结合。此方法的实施过程极为复杂，对400ka电解槽中170
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200截面的铝导杆，要想得到30mpa的压力，以及3.5-4.0ka的电流，其工装，设备都很难实现，如若实现，其成本很高，可操作性不强。
7.中国专利cn106270890b公开了一种铝钢钎焊方法，首先对铝材表面进行表面洁净化，其次进行渗铬，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；其方法是将渗铬后的钢板与铝合金放入炉中钎焊；可形成抗拉强度182-205mpa的优质接头。此焊接方法需要在炉中钎焊，而对于电解铝行业的铝钢焊接而言：其铝导杆大致分为130
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130
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2538mm；145
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2538mm；220
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180
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2328mm等尺寸，加上钢爪总高可达3米左右；其所需炉子要求较高，设备制造很难实现，成本高昂。
8.中国专利cn108406027a公开了一种电解铝阳极钢-铝熔钎焊焊接方法，此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。此焊接方法需要对阳铝导杆和钢爪进行与预热，而电解铝用阳极铝导杆和钢爪的尺寸较大，其铝导杆大致分为130
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2328mm等尺寸，又铝导杆散热快，因此对铝导杆进行预热极为复杂，耗时耗力，效率低，即使能实现，焊接的稳定性也较差。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种阳极铝导杆与钢爪直接连接的方法，该方法解决了电解铝行业中阳极铝导杆和钢爪焊接过程复杂、需要爆炸焊块过渡、导电性能差的问题，尤其解决了目前爆炸块的获取困难、采购成本增加的问题。
10.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
11.一种阳极铝导杆与钢爪直接连接的方法，该方法包括如下步骤：
12.(1)将钢爪待焊表面进行喷砂处理；
13.(2)对喷砂处理后的钢爪进行表面改性处理，即使用粉末喷涂设备将混合粉末喷涂在钢爪待焊表面，在钢爪待焊表面形成一定厚度的过渡层；
14.(3)熔敷铝合金层：选择铝锌焊丝，将焊丝熔化后熔敷在经步骤(2)改性处理后的钢爪表面，形成铝合金层；
15.(4)采用氩弧焊焊接方法将铝导杆与熔覆有铝合金层的钢爪焊接在一起。
16.上述步骤(1)中采用喷砂处理除去待焊表面锈迹并漏出金属光泽，同时使待焊钢表面粗糙度达到sa3级以上；该过程目的为：一是除去钢表面的氧化物、油污；二是增大铝钢结合面的表面积，以提升整体连接强度。
17.上述步骤(2)中，所述混合粉末的按重量百分比计的组成为：铜30-40％、硅10-30％、氟铝酸铯30-40％、铝基钎焊剂30-40％；其中：铝基钎焊剂组成为：kc为l47-51wt.％、licl为31-35wt.％、zncl3为6-10wt.％、naf为9-11wt.％。
18.上述步骤(2)中，所述过渡层厚度为0.2-0.6mm。
19.步骤(2)表面改性机理：铝和钢的物理化学性质相差较大，通过熔焊的方法难以实现焊接，铝和钢之间极易形成alfe脆性金属化合物；因此本发明依据钎焊原理首先将钢表面喷涂适量的铜、硅、钎剂等改变钢的表面性质，其中cu和si元素都能抑制alfe金属间化合物的形成，cu元素可以置换feal金属间化合物形成al2cu，si元素在扩散过程中可以在结合面处生成al
0.5
fe3si
0.5，
但是cu、si元素过多也会恶化焊接接头的性能，所以要控制cu、si元素的添加量。
20.上述步骤(3)中，所述熔覆过程将焊接热输入控制在200-300j/mm；优选地，采用冷金属过渡焊工艺进行焊丝熔覆，熔覆参数为：焊丝直径为1.2mm/1.0mm；焊接电流为90-95a，电压为9-12.5v，行走速度是4-5mm/s，氩气流量15-20l/min.。
21.上述步骤(3)中，铝锌焊丝强度高，锌还能增加铝在钢表面的润湿性。
22.上述步骤(3)中，熔敷铝合金层厚度为8-12mm。
23.本发明设计原理及有益效果如下：
24.1.节能降耗：本发明通过喷涂含cu、si等元素的过渡层改变钢表面性质，抑制了脆性金属间化合物的产生，实现了铝和钢的直接结合，可以将传统的爆炸块过渡连接阳极导杆和钢爪的方法替代，减少了爆炸块过渡焊接时的2道焊缝可显著降低压降10mv以上，节电
优势明显；以400ka电解槽为例；每生产一吨铝可节约30kwh左右；
25.2.降低生产成本：本发明通过结构设计铝钢直连，省去了爆炸块作为过渡，节省了焊丝焊材人工等，实现了生产环节的降本。相比传统焊接过程简化了焊接过程，操作简便，焊接效率高。
附图说明
26.图1为本发明铝导杆与钢爪直接连接实施例的结构示意图。
27.图2为本发明工艺流程图。
28.图3为实施例1中铝导杆与钢爪的焊接成品。
具体实施方式
29.为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。
30.实施例1：
31.本实施例为阳极铝导杆与钢爪直接连接的方法，流程参考图1-2，共对20组样品进行直接连接，具体过程如下：
32.第一步：将钢爪待焊表面进行喷砂处理：采用yt-420喷砂机对待焊表面进行喷砂处理，将粉尘、锈等杂质清理干净，并使得钢面粗糙度达到sa3级，以增大合金层在钢表面的粘接面积，同时增加后续铝钢结合面的面积，即增加整体的结合强度。
33.第二步：将喷砂处理后的钢爪表面进行喷涂过渡层处理：使用粉末喷涂设备将合金粉末喷涂在钢爪待焊表面，(喷涂过程：将配好的粉末与无水乙醇2:1混合后倒入流化杯中，手持ms-k19喷枪进行喷涂)其中合金粉末组成为(wt.％)：cu 30％、si 10％、氟铝酸铯40％、铝基钎焊剂20％；铝基钎焊剂组份(wt.％)：kcl 47-51％、licl 31-35％、zncl2 36-10％、naf 9-11％，喷涂厚度0.2mm。合金层的主要作用是增加铝在钢表面的润湿性，抑制铝钢结合层脆性金属化合物的生成；
34.第三步：使用的7050铝锌焊丝，采用冷金属过渡焊工艺将焊丝熔敷于改性处理后的钢爪待焊表面，在钢爪上表面形成铝合金层；其中：焊接电流为90a，焊接电压9.5v，焊接速度4mm/s，氩气流量为15l/min；熔覆的铝合金层厚度为8mm。
35.第四步：将铝导杆放置在钢爪待焊表面中心，使用常规氩弧焊机将铝导杆和带有熔覆铝合金层的钢爪焊接在一起，焊接工艺参数为：前6道焊接电流260a，焊接电压25.4v，焊接速度45cm/min；后6道焊接电流240a，焊接电压23.9v，焊接速度40cm/min。焊接后形成铝-铝焊缝，最终得到铝导杆与钢爪的焊接成品，如图3。
36.对铝-铝焊缝进行测试，其抗拉强度平均为102mpa，本实施例20个样品焊接部位压降效果与常规爆炸块过渡连接接头(20个样品)压降效果对比如表1所示。
37.表1本发明直焊连接焊缝与常规爆炸块过渡连接焊缝压降效果对比表
[0038][0039][0040]
本发明针对铝和钢之间易产生脆性金属间化合物的问题，通过在铝和钢之间增加铝合金层过渡，减少金属脆性化合物的生成，同时通过工艺参数的控制，减少形核能量，可以抑制铝钢之间脆性金属间化合物的生成量，进而提高接头的连接强度。

技术特征：
1.一种阳极铝导杆与钢爪直接连接的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)将钢爪待焊表面进行喷砂处理；(2)对喷砂处理后的钢爪进行表面改性处理，即使用粉末喷涂设备将混合粉末喷涂在钢爪待焊表面，在钢爪待焊表面形成一定厚度的过渡层；(3)熔敷铝合金层：选择铝锌焊丝，将焊丝熔化后熔敷在经步骤(2)改性处理后的钢爪表面，形成铝合金层；(4)采用氩弧焊焊接方法将铝导杆与熔覆有铝合金层的钢爪焊接在一起。2.根据权利要求1所述的阳极铝导杆与钢爪直接连接的方法，其特征在于：步骤(1)中采用喷砂处理除去待焊表面锈迹并漏出金属光泽，同时使待焊钢表面粗糙度达到sa3级以上。3.根据权利要求1所述的阳极铝导杆与钢爪直接连接的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述混合粉末的按重量百分比计的组成为：铜30-40％、硅10-30％、氟铝酸铯30-40％、铝基钎焊剂30-40％；其中：铝基钎焊剂组成为：kcl为47-51wt.％、licl为31-35wt.％、zncl2为6-10wt.％、naf为9-11wt.％。4.根据权利要求1或3所述的阳极铝导杆与钢爪直接连接的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述过渡层厚度为0.2-0.6mm。5.根据权利要求1所述的阳极铝导杆与钢爪直接连接的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述熔覆过程将焊接热输入控制在200-300j/mm。6.根据权利要求1或5所述的阳极铝导杆与钢爪直接连接的方法，其特征在于：步骤(3)中，采用冷金属过渡焊工艺进行焊丝熔覆，熔覆参数为：焊丝直径为1.2mm/1.0mm；焊接电流为90-95a，电压为9-12.5v，行走速度是4-5mm/s，氩气流量15-20l/min.。7.根据权利要求1所述的阳极铝导杆与钢爪直接连接的方法，其特征在于：步骤(3)中，熔敷铝合金层厚度为8-12mm。

技术总结
本发明公开了一种阳极铝导杆与钢爪直接连接的方法，属于电解铝技术领域。该方法包括：(1)将钢爪待焊表面进行喷砂处理；(2)将混合粉末喷涂在钢爪待焊表面形成一定厚度的过渡层；(3)熔敷铝合金层：选择铝锌焊丝，将焊丝熔化后熔敷在经步骤(2)改性处理后的钢爪表面，形成铝合金层；(4)采用氩弧焊焊接方法将铝导杆与熔覆有铝钢复合层的钢爪焊接在一起。该方法解决了电解铝行业中阳极铝导杆和钢爪焊接过程复杂、需要爆炸焊块过渡、导电性能差的问题。导电性能差的问题。


技术研发人员：黄家强 赵霞 张林威 陈润冬 郭翔 富晓团
受保护的技术使用者：新疆众和股份有限公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/9/23