铝电解槽阴极软带母线不停电修复技术的研究与应用

（黄河鑫业有限公司，青海 西宁 811601）

大型预焙阳极电解槽由于原始设计中母线和电解槽壳之间的距离比较近，当电解槽发生侧部漏炉时，铝液从阴极钢棒窗口流出，可能冲损槽周围母线、阴极软母线。冲损的母线一般在系列停电时采用氩弧焊的方式进行补焊修复，为修复一台电解槽，整个系列电解槽停止生产，对铝电解企业生产造成不利影响。近几年，部分铝电解企业研究并采用“放热焊焊接方法或浇铸方法”修复母线，来避免系列停电，但由于软母线是片状的铝板组成，不能形成焊接熔池，无法直接用放热焊和浇铸的方法进行系列不停电修复，冲损的软母线在强磁场下也无法用有色焊进行焊接，操作空间又受到限制，成为铝电解企业在实际生产中的一个难题。

某企业企与某校双方组成联合攻关小组，经过反复的技术论证，并结合前期科研成果，认为系列不停电焊接技术是实现电解槽阴极、阴极软带修复的合适工艺。这项技术不需要任何外加电源和热源，采用金属氧化物、铝粉、造渣剂、稀释剂、合金剂及其它添加剂等组成的药粉，在自然过程中发生还原反应，放出大量的热，产生高温液态金属，从而实现强磁场下铝母线修复的一种新技术。

1 焊接结构设计

1.1 设计原则

母线冲损断裂后修复时在电解系列不停电情况下，焊接技术需要满足以下几个基本原则：①不受磁场的影响；②不需要停电或者降电流；③现场工况能够实现焊接；④焊接接头强度满足服役要求；⑤接头压降显著降低；⑥焊接效率较高；⑦焊接质量稳定；⑧焊接不影响周围结构；⑨导电面积满足服役要求。

1.2 焊接结构

基于以上原则，确定了阴极软母带焊接方案，如图1所示，其中斜线部分为焊缝金属。

图1 铝软带和大母线的焊接结构

2 技术方案

2.1 焊接修复前准备工作

（1）按原设计图纸软母带尺寸长度减少100mm制做软母带组；

（2）把制做好的软母带组与爆炸片在电解厂房外焊接好，在焊接好的软母带组别一端焊接80mm×140×140铝板（从废铝导杆上截取）；

（3）把焊接好的软母带组按原设计焊接到阴极钢棒上，软母带组与母线相联结位置空出20mm的间隙；

（4）把冲毁处软母带清理干净，软母带与母线对应位置清理干净去氧化层；

（5）设计制做固定模具专用夹具。

2.2 焊接作业方法

（1）在焊接好的软母带组铝块与母线模具（模具为石墨板材质）左、右、下，使用专用夹具固定模具；

（2）在过渡块和要焊接在一起的槽周母线之间进行间隙的调整，过渡块和槽周母线形成空腔，准备盛接熔融金属（如图2所示）；

（3）使用专用支架固定带模具软母带与槽周母线结合紧固，所有缝隙用高温耐火泥、石棉绳密封（要求用手电筒检查不透光）；

（4）将计算好剂量的放热焊药剂倒入坩埚，坩埚下方有眼，并用金属堵塞，将坩埚眼位对正在空腔上方，或设置导流槽，使坩埚内液体能够准确进入空腔，并将进入空腔的路径和空腔用耐热材料进行密封（要求用手电筒检查不透光）；

（5）去掉坩埚，用氧炔焰对空腔周围的母线、过渡块、支护模具、导流槽等进行加热，到一定温度；

（6）在石墨坩埚内按技术要求装填焊剂，焊剂的剂量根据计算装填；

（7）将石墨坩埚放置与修复位置；

（8）用高温火焰（氧炔焰）点燃焊剂；

（9）焊接完成后，拆除模具检查焊接质量，对毛刺进行修磨；

（10）测量修复点压降并与相邻位置，其他电解槽同样位置软母带测量数值对比。

图2 焊接作业方法

3 焊接材料

由于铝软带和大母线焊接时大母线一侧放热较快，因此需要提高焊粉的热量。同上面的分析一样，相对于常规的铝母线自熔焊粉而言，铝软带/铝母线自熔焊粉添加了硫酸钙作为放热成分：Al+CaSO4=Al2O3+CaS+Q。氧化铝和硫化钙均为熔渣，该反应热量可溶解过剩的铝，因此焊肉金属导电性和强度得到大幅度提高。铝软带/铝母线自熔焊粉的造渣成分仍然采用盐—氧化物型熔渣，主要包括MnO、CaO、SiO2、CaF2（俗名萤石，学名氟化钙）、Na3AlF6（俗名冰晶石，学名氟铝酸钠）、Na3SiF6（氟硅酸钠）等作为造渣成分，与CaS和Al2O3一起构成焊接熔渣。微量元素的合金成分主要发挥提高导电性、润湿性和力学性能的作用，包括少量的Cu、Fe、Mn和稀土等元素。

根据自熔焊接的焊接冶金原理和焊接工艺，强磁场内铝母线自熔焊接所用的焊接材料主要由三部分组成：①放热体系；②合金成分；③造渣成分。

放热体系“还原剂+氧化物/硫酸盐”构成自熔焊粉的基本组成。对于铝母线而言，铝的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多，铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著；而且铝在空气中焊接时极易氧化，生成的氧化铝熔点很高，不易去除。因此为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，在合金液熔化和破坏铝表面氧化铝的同时，实现合金液和铝母线的接触熔化和液相混合。所以，在放热体系选择方面，一个重要的因素是化学反应要放出比较高的热量，这就需要详细考量这些反应的物理化学特性和反应热力学。依据“还原剂+氧化物/硫酸盐”放热体系的放热能力，不同的“金属氧化物/硫酸盐+铝（粉）→氧化铝+金属+热能”反应体系放热能力差别很大。一般来说，放热系数高于1.5KJ/g的体系被认为具有较高的放热能力，可以用来熔化反应混合物中的过量铝，得到具有足够温度的合金液熔化母材并形成焊缝。显然，仅仅从焊接热源角度来说，各种硫酸盐、铜的氧化物、铁的氧化物、锰的氧化物、锡的氧化物、锌的氧化物与还原剂铝发生氧化还原反应时能够放出足够多的热量，可以用来作为自熔焊剂的基本组成部分。

液态焊缝金属与母材的润湿性是保证焊接质量的重要因素。因此，在自熔焊粉中需要加入一定量的与铝基体润湿较好的化学成分。从各种金属液与铝的润湿性角度进行分析，锌铝合金在274～279℃范围内存在共析相变反应，具有最好的润湿性；锡、银与铝的润湿性一般；铜、铁、锰等与铝的润湿性较差。尽管锌与铝的润湿最好，但是锌的沸点只有906℃，在自熔反应过程中迅速被蒸发，所以锌不宜以片状或者大颗粒形式加入。此外，铝母线的主要作用是承载大电流，焊接接头的导电性需要保证，所以在自熔焊粉中需要加入含有电阻率较低、导电性良好的合金成分，就电流承载能力而言，银＞铜＞铝＞锡＞锌＞锰＞铁，所以从导电性角度希望焊缝中含有尽可能多的银、铜、铝、锡。此外，在自熔焊粉加入银、镍、铬、钨、铁等，可以发挥合金化、改善焊缝金属综合力学性能的作用。在自熔焊粉中加入硅，焊接时转变为SiO2，可以扩大焊缝金属的固液转变温度范围，改善液态金属的流动和润湿性能，有利于良好的熔合。在自熔焊粉中加入少量的稀土，能够起到净化焊缝金属，细化晶粒，改善焊缝金属显微组织的作用。

在自熔焊接过程中，Al转变为Al2O3。大部分Al2O3浮在熔化金属的表面，少部分因来不及上浮，就残留在焊缝金属中，以夹渣的形式存在。为了消除夹渣缺陷，提高保护能力，需要在自熔焊粉中加入造渣成分，与Al2O3结合为焊接熔渣。本项目研究中采用盐—氧化物型熔渣，即在自熔焊剂中加入CaO、CaF2（俗名萤石，学名氟化钙）、Na3AlF6（俗名冰晶石，学名氟铝酸钠）、Na3SiF6（氟硅酸钠）等作为造渣成分，与Al2O3和SiO2一起构成焊接熔渣，发挥良好的焊接冶金保护效果。

根据以上分析，铝母线自熔焊接所用焊粉主要成分包括：①过量铝粉，既是还原剂，又是合金剂，即焊缝金属的组成成分；硫酸盐和氧化物，主要为硫酸钙、氧化铜、氧化亚铜、氧化亚锡，和铝粉一起构成放热体系；②合金成分，主要包括各种合金如铜、锡、锌、银、镍、锰，以及硅与稀土元素；③造渣成分，主要为各种氧化物和氟化物等卤化物。采用机械混合方法，将市购各种原料进行混合，即可得到成品自熔铝焊粉。

在焊接时，首先在磁场外对小软带端部焊接一块硬铝块进行固化处理，将软/硬焊接转变为硬/硬焊接，然后采用新型自熔焊粉进行强磁场下不停电焊接。

4 焊接模具

4.1 模具材料的选择

自熔焊接模具，可分为石墨模具、粘土模具和金属模具三大类。和前面的项目研究一样，本项目研究采用石墨作为主要的模具材料，主要基于以下原因：

（1）公司有着丰富的石墨块资源，综合应用成本较低；

（2）石墨耐热冲击性能强，对于急冷急热的自熔焊接过程，不易破裂；

（3）石墨耐火度高，能够适应自熔焊接自熔焊反应的高温；

（4）石墨坩埚所能承受的热冲击强度极高，所以任何热加工工艺都可以放心进行；

（5）石墨的抗粘连性：石墨有不易与熔融金属粘连的特性，熔体的浸透和粘附少；

（6）石墨具有良好的脱渣性：焊接后便于脱掉渣壳，以供下次继续使用；

（7）石墨的耐酸性：石墨材料在耐酸化指标方面表现卓越，大大地延长石墨坩埚的使用寿命；

（8）金属污染非常少：因为没有混入污染熔体的不纯物。

4.2 模具结构

自熔焊接模具的设计需要保证熔化的金属可以在腔体内自由流动，并且可以很容易将模具与焊接好的连接点分离，使得模具寿命提高。首先根据焊口的位置和间隙，确定焊接模具的外形、结构、尺寸；其次设计和优化铝热反应金属液流出孔的位置、直径；最后确定自熔塞的材料、长度，使金属液达到预定温度时，自熔塞自动熔化、通过液体，避免夹渣与人工捣开，不但提高焊接质量，而且安全性好。

本研究所采用的焊接模具包括上模和下模两部分，其中，上模为固定于坡口上部的用石墨作成的带下流导孔的坩埚，坐于上板上面；底部采用凹状铝片或锡片作为自熔塞；下模由分别贴附于待焊坡口左右两侧的两块石墨板组成，与上板一起形成密封并带放气孔的焊接型腔，外部采用钢质卡具卡紧。卡具由一个U型支架和支架两侧的可伸缩的丝杠组成。整个模具设计独特，做工精细，具有高性能和高寿命的特点，平均可焊接50个坡口。

经过反复焊接试验，设计并研制了现场工况下阴极软带焊接专用模具，用来放置软带端头的开槽石墨块。如图3所示，具有以下优点：

（1）增加了导电面积；

（2）便于装拆；

（3）堵漏效果较好；

（4）有效防止母线冲毁。

4.3 模具使用要求

影响焊接效果的重要因素是湿气或水气，因此如何防止或驱除模具表面的水气，是焊接时必须采取的重要步骤。另一影响焊接效果的因素是模具清洁程度，如果模具内遗留的残渣不完全清除，将造成焊点表面不平滑、不光亮。具体要求如下：

（1）每次开始焊接前用加热工具（如氧乙炔焰、烘干箱、喷灯）烘烤模具，驱除水气；久未使用的模具内含有水分，尤其是前次使用完后仍留有残渣的模具，水分更多；

（2）使用软毛刷或其他软性物品清洁模具；

（3）检查模具接触面的密合度，防止焊接操作时金属液从缝隙处渗漏出来；

（4）对于石墨模具而言，较脆弱，无法承受抛甩与强力冲击；

（5）焊接后需要采用专用工具清除模具表面的渣壳，不可将超出模具所示尺寸的物体强行放入模具，或使用金属物质、坚硬的工具等来清除焊渣，避免损坏模具；

（6）石墨模具如按上述步骤保养，使用寿命可达100次以上。

图3 软带焊接用的模具

5 试验过程

根据企校双方技术方案论证会上所确定的工艺方案，在实验室进行软母线和大母线1:1模拟试样的自熔焊接，并进行焊接接头组织、成分、微结构、力学性能、电学性能测试，反复试验以获得最佳焊接工艺，并制定标准焊接操作流程，为现场焊接积累实验数据和提供依据。

5.1 焊前处理

焊接前，机械清除焊缝附近的氧化皮和油污，以降低焊缝气孔产生的倾向和提高力学性能等。应该清理掉母材附近的易燃物体，防止焊接过程中出现易燃物体被引燃。

焊接坡口两侧应保持在一个水平面上，以有利于后续工序时焊接模具的平稳、准确放置。

5.2 焊接预热

焊接前可采用氧一乙炔焰预热，也可用电炉、履带式加热器、喷灯等加热，预热温度应达到100-300℃。焊接预热可以促进焊合，减小变形、减少气孔等缺陷。

5.3 焊接工艺

在实际生产中，阴极小软带有时会从阴极母线脱落。本项目进行了阴极小软带和阴极母线的自熔焊接模拟实验。其相关试验参数如下：

（1）在焊前准备工作过程中，母材和坩埚预热温度皆为250℃；

（2）坩埚底部浇口处的自熔塞为0.2mm厚的铝片，

（3）坩埚材料为石墨，其壁厚为1cm。

焊接效果如图4所示，从图中可以看到焊接接头完整，熔合良好，用大锤无法敲开。

小软带复合焊接试样抛光后用质量分数为15%的NaOH（分析纯）水溶液进行腐蚀，用OLYMPUS-PMG3型金相显微镜进行组织观察，金相组织如图4所示。

图4 小软带自熔焊接效果与显微组织

观察图4可得，焊缝金属与母材实现了完好的分子结合，母材、熔合线、焊缝清晰可见，充分证明焊接的成功；但未见未融合、裂纹等大缺陷；母材晶粒很细，焊缝因反应所得铸造组织而晶粒较为粗大，且为典型的包晶组织，熔合区晶粒大小介于两者之间但更接近母材。

铝母线焊接接头的拉伸试验结果如表1所示，全部断裂于熔合线部位，平均抗拉强度为104MPa，高于国标里面铸铝抗拉强度的设计值（86MPa），能够满足现场使用要求。

表1 自熔焊焊缝拉伸试验

采用电导率测试仪测量出来的纯铝、三个纯焊缝金属（未和母材混合）、焊缝金属、熔合区、铝母线的导电率如图5所示，依次为35、28.0、29.1、26.08、30.51、27.22和33.79（%IACS），各部位导电性均高于铝母线的80%以上，焊缝部位导电率更是达到铝母线导电率的90%，满足生产现场负载大电流的实际需要。

6 铝软母带焊接实践应用

根据铝母线尺寸、工人操作难度、模具安装空间等现场焊接环境，我们对铝软带和母线之间的连接采用的是二次自熔焊接方法。

图5 小软带自熔焊接导电率

6.1 焊前准备工作

材料和工具准备：焊粉、引火粉适量、铝软带、铝板（35×190×220）、铝焊剂砂轮机一台、电子秤一台、乙炔枪若干把（配备相应乙炔和氧气）模具、夹具、石墨板、石棉绳、石棉布、泥巴、坩埚、测温仪等。

铝软带和大母线焊缝尺寸为:长120mm×宽30mm×高220mm。经计算所需焊粉的质量为6100g。采用桶形坩埚，坩埚壁厚为15mm左右，底部开有浇口，浇口为长方形，尺寸：长80mm×宽20mm。

现场焊接之前，首先利用手工焊将软带的一端焊接在厚度为35mm的铝板上部，另一端焊接在钢铝爆炸块中间部位。

因为氧化铝熔点非常高（2050℃），当待焊接面上有氧化铝的存在的时候，会导致焊缝和母材无法焊合，同时焊接面上存在的其他一些粉尘、油污等也会影响焊接熔合，所以在焊接之前要利用砂轮机打磨母线和铝板的焊接面,以去掉氧化皮、灰尘、油污等。

清理完焊接表面之后，在铝板和母线的待焊接面上涂上铝焊剂，主要作用是在焊接过程中除去新生的氧化膜。然后把焊接有软带的铝板放在模具中，如图6所示。

下一步进行现场安装。将模具安装在大母线上。由于焊接位置悬空，所以利用钢筋制成支架托住模具底部，利用夹具将模具紧紧地夹在母线上。由于母线和模具表面不平整，在接触的贴合部位会出现缝隙。因此采用石棉布作为衬垫。石棉布柔软并且能耐高温，可以通过变形来填充空隙，对于某些石棉布无法放置的地方采用堵漏泥来堵漏。图6是模具安装并进行堵漏之后的图片。

图6 软带装模、现场安装模具

图7 母材预热

在焊接之前需要做好预热工作，预热工作一方面可以除去母材、模具、石棉布、泥巴中的水分，另一方面可以为自熔焊接提供一定的热量贮备。在焊接现场采用氧乙炔进行预热，如图7所示，母材和模具需要加热到250℃左右，而坩埚只需稍微预热，除去水分即可。

6.2 焊接工艺

预热达到既定温度时，迅速在焊缝坡口中放满铝焊粉（约1030g），如图8所示，在焊粉上面均匀地撒上引火粉，点燃后，焊缝中的焊粉完全反应，这就是第一次自熔焊反应。

在第一次反应结束后，迅速将坩埚放置在焊缝上方，坩埚浇口与焊缝平行，位于正中间，坩埚底部放置一片2mm的铝片作为自熔塞，自熔塞要完全覆盖住浇口，防止焊粉下流，然后把剩余的焊粉倒入坩埚中，在焊缝表面均匀撒一层引火粉，并且在坩埚上放置石墨板，防止焊接过程中的剧烈喷溅。石墨板不能完全盖严，要留一个点火位置，如图9所示。然后点燃引火粉，让坩埚中的焊粉完全反应。需要强调的是，两步焊接间隔时间要尽可能短，操作要迅速，第一次焊接结束到第二次焊接开始，以不超过10秒为宜。

图8 一次反应装粉

图9 二次反应照片

6.3 焊后处理

图10 拆模之后照片

在二次反应结束之后，让焊缝自然冷却一段时间，等坩埚温度降低到150℃左右的时候，取下坩埚和模具，将焊缝周围的焊渣及堵漏泥清除，就可以看到新鲜的焊肉，如图10所示。可以发现该接头外形完整，完全填充了母线和软带接头之间的区域，经过稍微打磨之后即刻呈现出典型的铝合金光泽。从焊缝四周巡查，没有发现较大的气孔、焊渣和裂纹，在焊缝和母材的结合部位存在着熔合线，说明已经形成冶金结合。

焊接完成之后，清理坩埚和模具，对大的残渣用小锤轻轻敲掉，小的颗粒与粉尘用柔软的刷子清理掉。妥善处理和保存坩埚，以便于重复使用。

6.4 焊接效果测试结果

阴极软母带自熔焊接接头压降与基建时氩弧焊接接头压降测试对比数据如表2。

表2 阴极软母带自熔焊接接头压降数据测试结果对比分析

经过计算，小软带不停电自熔焊接接头的平均压降为4.68mv；基建时氩弧焊接接头的平均压降为4.31mv。显然，不停电情况下铝软带自熔焊接接头和基建无电情况下铝软带手工焊接接头压降相当。

7 结论

（1）系列不停电焊接阴极软母线技术创造性的提出了适合于铝软带和大母线现场焊接的自熔焊接工艺方法，具有对母材加热充分，抑制焊接面氧化，熔合质量较高等优点。

（2）焊接接头强度测试结果表明：铝软带接头的强拉强度为104MPa，高于铸铝平均抗拉强度的设计值，能够满足长期服役使用要求。

（3）现场试验结果表明：阴极软带焊接接头压降平均值为4.66mv，与手工焊接压降相当。

（4）对损坏的母线和软母带在线不停电进行修复，该技术具备很高的通用性，适合所有型号的铝电解槽使用，可供国内所有电解铝企业使用，也可供其他金属电解工业中类似的场合使用，具备很好推广价值。

（5）后期展望：一是建立标准操作规程，便于工人施工与技术推广；二是进一步扩大现场试验规模，推进工业化应用。