鋁電解槽陰極軟帶母線不停電修復技術的研究與應用

（黃河鑫業有限公司，青海 西寧 811601）

大型預焙陽極電解槽由于原始設計中母線和電解槽殼之間的距離比較近，當電解槽發生側部漏爐時，鋁液從陰極鋼棒窗口流出，可能沖損槽周圍母線、陰極軟母線。沖損的母線一般在系列停電時采用氬弧焊的方式進行補焊修復，為修復一臺電解槽，整個系列電解槽停止生產，對鋁電解企業生產造成不利影響。近幾年，部分鋁電解企業研究并采用“放熱焊焊接方法或澆鑄方法”修復母線，來避免系列停電，但由于軟母線是片狀的鋁板組成，不能形成焊接熔池，無法直接用放熱焊和澆鑄的方法進行系列不停電修復，沖損的軟母線在強磁場下也無法用有色焊進行焊接，操作空間又受到限制，成為鋁電解企業在實際生產中的一個難題。

某企業企與某校雙方組成聯合攻關小組，經過反復的技術論證，并結合前期科研成果，認為系列不停電焊接技術是實現電解槽陰極、陰極軟帶修復的合適工藝。這項技術不需要任何外加電源和熱源，采用金屬氧化物、鋁粉、造渣劑、稀釋劑、合金劑及其它添加劑等組成的藥粉，在自然過程中發生還原反應，放出大量的熱，產生高溫液態金屬，從而實現強磁場下鋁母線修復的一種新技術。

1 焊接結構設計

1.1 設計原則

母線沖損斷裂后修復時在電解系列不停電情況下，焊接技術需要滿足以下幾個基本原則：①不受磁場的影響；②不需要停電或者降電流；③現場工況能夠實現焊接；④焊接接頭強度滿足服役要求；⑤接頭壓降顯著降低；⑥焊接效率較高；⑦焊接質量穩定；⑧焊接不影響周圍結構；⑨導電面積滿足服役要求。

1.2 焊接結構

基于以上原則，確定了陰極軟母帶焊接方案，如圖1所示，其中斜線部分為焊縫金屬。

圖1 鋁軟帶和大母線的焊接結構

2 技術方案

2.1 焊接修復前準備工作

（1）按原設計圖紙軟母帶尺寸長度減少100mm制做軟母帶組；

（2）把制做好的軟母帶組與爆炸片在電解廠房外焊接好，在焊接好的軟母帶組別一端焊接80mm×140×140鋁板（從廢鋁導桿上截?。?/p>

（3）把焊接好的軟母帶組按原設計焊接到陰極鋼棒上，軟母帶組與母線相聯結位置空出20mm的間隙；

（4）把沖毀處軟母帶清理干凈，軟母帶與母線對應位置清理干凈去氧化層；

（5）設計制做固定模具專用夾具。

2.2 焊接作業方法

（1）在焊接好的軟母帶組鋁塊與母線模具（模具為石墨板材質）左、右、下，使用專用夾具固定模具；

（2）在過渡塊和要焊接在一起的槽周母線之間進行間隙的調整，過渡塊和槽周母線形成空腔，準備盛接熔融金屬（如圖2所示）；

（3）使用專用支架固定帶模具軟母帶與槽周母線結合緊固，所有縫隙用高溫耐火泥、石棉繩密封（要求用手電筒檢查不透光）；

（4）將計算好劑量的放熱焊藥劑倒入坩堝，坩堝下方有眼，并用金屬堵塞，將坩堝眼位對正在空腔上方，或設置導流槽，使坩堝內液體能夠準確進入空腔，并將進入空腔的路徑和空腔用耐熱材料進行密封（要求用手電筒檢查不透光）；

（5）去掉坩堝，用氧炔焰對空腔周圍的母線、過渡塊、支護模具、導流槽等進行加熱，到一定溫度；

（6）在石墨坩堝內按技術要求裝填焊劑，焊劑的劑量根據計算裝填；

（7）將石墨坩堝放置與修復位置；

（8）用高溫火焰（氧炔焰）點燃焊劑；

（9）焊接完成后，拆除模具檢查焊接質量，對毛刺進行修磨；

（10）測量修復點壓降并與相鄰位置，其他電解槽同樣位置軟母帶測量數值對比。

圖2 焊接作業方法

3 焊接材料

由于鋁軟帶和大母線焊接時大母線一側放熱較快，因此需要提高焊粉的熱量。同上面的分析一樣，相對于常規的鋁母線自熔焊粉而言，鋁軟帶/鋁母線自熔焊粉添加了硫酸鈣作為放熱成分：Al+CaSO4=Al2O3+CaS+Q。氧化鋁和硫化鈣均為熔渣，該反應熱量可溶解過剩的鋁，因此焊肉金屬導電性和強度得到大幅度提高。鋁軟帶/鋁母線自熔焊粉的造渣成分仍然采用鹽—氧化物型熔渣，主要包括MnO、CaO、SiO2、CaF2（俗名螢石，學名氟化鈣）、Na3AlF6（俗名冰晶石，學名氟鋁酸鈉）、Na3SiF6（氟硅酸鈉）等作為造渣成分，與CaS和Al2O3一起構成焊接熔渣。微量元素的合金成分主要發揮提高導電性、潤濕性和力學性能的作用，包括少量的Cu、Fe、Mn和稀土等元素。

根據自熔焊接的焊接冶金原理和焊接工藝，強磁場內鋁母線自熔焊接所用的焊接材料主要由三部分組成：①放熱體系；②合金成分；③造渣成分。

放熱體系“還原劑+氧化物/硫酸鹽”構成自熔焊粉的基本組成。對于鋁母線而言，鋁的熱導率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多，鋁的熱導率則是奧氏體不銹鋼的十幾倍。在焊接過程中，大量的熱量能被迅速傳導到基體金屬內部，因而焊接鋁及鋁合金時，能量除消耗于熔化金屬熔池外，還要有更多的熱量無謂消耗于金屬其他部位，這種無用能量的消耗要比鋼的焊接更為顯著；而且鋁在空氣中焊接時極易氧化，生成的氧化鋁熔點很高，不易去除。因此為了獲得高質量的焊接接頭，應當盡量采用能量集中、功率大的能源，在合金液熔化和破壞鋁表面氧化鋁的同時，實現合金液和鋁母線的接觸熔化和液相混合。所以，在放熱體系選擇方面，一個重要的因素是化學反應要放出比較高的熱量，這就需要詳細考量這些反應的物理化學特性和反應熱力學。依據“還原劑+氧化物/硫酸鹽”放熱體系的放熱能力，不同的“金屬氧化物/硫酸鹽+鋁（粉）→氧化鋁+金屬+熱能”反應體系放熱能力差別很大。一般來說，放熱系數高于1.5KJ/g的體系被認為具有較高的放熱能力，可以用來熔化反應混合物中的過量鋁，得到具有足夠溫度的合金液熔化母材并形成焊縫。顯然，僅僅從焊接熱源角度來說，各種硫酸鹽、銅的氧化物、鐵的氧化物、錳的氧化物、錫的氧化物、鋅的氧化物與還原劑鋁發生氧化還原反應時能夠放出足夠多的熱量，可以用來作為自熔焊劑的基本組成部分。

液態焊縫金屬與母材的潤濕性是保證焊接質量的重要因素。因此，在自熔焊粉中需要加入一定量的與鋁基體潤濕較好的化學成分。從各種金屬液與鋁的潤濕性角度進行分析，鋅鋁合金在274～279℃范圍內存在共析相變反應，具有最好的潤濕性；錫、銀與鋁的潤濕性一般；銅、鐵、錳等與鋁的潤濕性較差。盡管鋅與鋁的潤濕最好，但是鋅的沸點只有906℃，在自熔反應過程中迅速被蒸發，所以鋅不宜以片狀或者大顆粒形式加入。此外，鋁母線的主要作用是承載大電流，焊接接頭的導電性需要保證，所以在自熔焊粉中需要加入含有電阻率較低、導電性良好的合金成分，就電流承載能力而言，銀＞銅＞鋁＞錫＞鋅＞錳＞鐵，所以從導電性角度希望焊縫中含有盡可能多的銀、銅、鋁、錫。此外，在自熔焊粉加入銀、鎳、鉻、鎢、鐵等，可以發揮合金化、改善焊縫金屬綜合力學性能的作用。在自熔焊粉中加入硅，焊接時轉變為SiO2，可以擴大焊縫金屬的固液轉變溫度范圍，改善液態金屬的流動和潤濕性能，有利于良好的熔合。在自熔焊粉中加入少量的稀土，能夠起到凈化焊縫金屬，細化晶粒，改善焊縫金屬顯微組織的作用。

在自熔焊接過程中，Al轉變為Al2O3。大部分Al2O3浮在熔化金屬的表面，少部分因來不及上浮，就殘留在焊縫金屬中，以夾渣的形式存在。為了消除夾渣缺陷，提高保護能力，需要在自熔焊粉中加入造渣成分，與Al2O3結合為焊接熔渣。本項目研究中采用鹽—氧化物型熔渣，即在自熔焊劑中加入CaO、CaF2（俗名螢石，學名氟化鈣）、Na3AlF6（俗名冰晶石，學名氟鋁酸鈉）、Na3SiF6（氟硅酸鈉）等作為造渣成分，與Al2O3和SiO2一起構成焊接熔渣，發揮良好的焊接冶金保護效果。

根據以上分析，鋁母線自熔焊接所用焊粉主要成分包括：①過量鋁粉，既是還原劑，又是合金劑，即焊縫金屬的組成成分；硫酸鹽和氧化物，主要為硫酸鈣、氧化銅、氧化亞銅、氧化亞錫，和鋁粉一起構成放熱體系；②合金成分，主要包括各種合金如銅、錫、鋅、銀、鎳、錳，以及硅與稀土元素；③造渣成分，主要為各種氧化物和氟化物等鹵化物。采用機械混合方法，將市購各種原料進行混合，即可得到成品自熔鋁焊粉。

在焊接時，首先在磁場外對小軟帶端部焊接一塊硬鋁塊進行固化處理，將軟/硬焊接轉變為硬/硬焊接，然后采用新型自熔焊粉進行強磁場下不停電焊接。

4 焊接模具

4.1 模具材料的選擇

自熔焊接模具，可分為石墨模具、粘土模具和金屬模具三大類。和前面的項目研究一樣，本項目研究采用石墨作為主要的模具材料，主要基于以下原因：

（1）公司有著豐富的石墨塊資源，綜合應用成本較低；

（2）石墨耐熱沖擊性能強，對于急冷急熱的自熔焊接過程，不易破裂；

（3）石墨耐火度高，能夠適應自熔焊接自熔焊反應的高溫；

（4）石墨坩堝所能承受的熱沖擊強度極高，所以任何熱加工工藝都可以放心進行；

（5）石墨的抗粘連性：石墨有不易與熔融金屬粘連的特性，熔體的浸透和粘附少；

（6）石墨具有良好的脫渣性：焊接后便于脫掉渣殼，以供下次繼續使用；

（7）石墨的耐酸性：石墨材料在耐酸化指標方面表現卓越，大大地延長石墨坩堝的使用壽命；

（8）金屬污染非常少：因為沒有混入污染熔體的不純物。

4.2 模具結構

自熔焊接模具的設計需要保證熔化的金屬可以在腔體內自由流動，并且可以很容易將模具與焊接好的連接點分離，使得模具壽命提高。首先根據焊口的位置和間隙，確定焊接模具的外形、結構、尺寸；其次設計和優化鋁熱反應金屬液流出孔的位置、直徑；最后確定自熔塞的材料、長度，使金屬液達到預定溫度時，自熔塞自動熔化、通過液體，避免夾渣與人工搗開，不但提高焊接質量，而且安全性好。

本研究所采用的焊接模具包括上模和下模兩部分，其中，上模為固定于坡口上部的用石墨作成的帶下流導孔的坩堝，坐于上板上面；底部采用凹狀鋁片或錫片作為自熔塞；下模由分別貼附于待焊坡口左右兩側的兩塊石墨板組成，與上板一起形成密封并帶放氣孔的焊接型腔，外部采用鋼質卡具卡緊?？ň哂梢粋€U型支架和支架兩側的可伸縮的絲杠組成。整個模具設計獨特，做工精細，具有高性能和高壽命的特點，平均可焊接50個坡口。

經過反復焊接試驗，設計并研制了現場工況下陰極軟帶焊接專用模具，用來放置軟帶端頭的開槽石墨塊。如圖3所示，具有以下優點：

（1）增加了導電面積；

（2）便于裝拆；

（3）堵漏效果較好；

（4）有效防止母線沖毀。

4.3 模具使用要求

影響焊接效果的重要因素是濕氣或水氣，因此如何防止或驅除模具表面的水氣，是焊接時必須采取的重要步驟。另一影響焊接效果的因素是模具清潔程度，如果模具內遺留的殘渣不完全清除，將造成焊點表面不平滑、不光亮。具體要求如下：

（1）每次開始焊接前用加熱工具（如氧乙炔焰、烘干箱、噴燈）烘烤模具，驅除水氣；久未使用的模具內含有水分，尤其是前次使用完后仍留有殘渣的模具，水分更多；

（2）使用軟毛刷或其他軟性物品清潔模具；

（3）檢查模具接觸面的密合度，防止焊接操作時金屬液從縫隙處滲漏出來；

（4）對于石墨模具而言，較脆弱，無法承受拋甩與強力沖擊；

（5）焊接后需要采用專用工具清除模具表面的渣殼，不可將超出模具所示尺寸的物體強行放入模具，或使用金屬物質、堅硬的工具等來清除焊渣，避免損壞模具；

（6）石墨模具如按上述步驟保養，使用壽命可達100次以上。

圖3 軟帶焊接用的模具

5 試驗過程

根據企校雙方技術方案論證會上所確定的工藝方案，在實驗室進行軟母線和大母線1:1模擬試樣的自熔焊接，并進行焊接接頭組織、成分、微結構、力學性能、電學性能測試，反復試驗以獲得最佳焊接工藝，并制定標準焊接操作流程，為現場焊接積累實驗數據和提供依據。

5.1 焊前處理

焊接前，機械清除焊縫附近的氧化皮和油污，以降低焊縫氣孔產生的傾向和提高力學性能等。應該清理掉母材附近的易燃物體，防止焊接過程中出現易燃物體被引燃。

焊接坡口兩側應保持在一個水平面上，以有利于后續工序時焊接模具的平穩、準確放置。

5.2 焊接預熱

焊接前可采用氧一乙炔焰預熱，也可用電爐、履帶式加熱器、噴燈等加熱，預熱溫度應達到100-300℃。焊接預熱可以促進焊合，減小變形、減少氣孔等缺陷。

5.3 焊接工藝

在實際生產中，陰極小軟帶有時會從陰極母線脫落。本項目進行了陰極小軟帶和陰極母線的自熔焊接模擬實驗。其相關試驗參數如下：

（1）在焊前準備工作過程中，母材和坩堝預熱溫度皆為250℃；

（2）坩堝底部澆口處的自熔塞為0.2mm厚的鋁片，

（3）坩堝材料為石墨，其壁厚為1cm。

焊接效果如圖4所示，從圖中可以看到焊接接頭完整，熔合良好，用大錘無法敲開。

小軟帶復合焊接試樣拋光后用質量分數為15%的NaOH（分析純）水溶液進行腐蝕，用OLYMPUS-PMG3型金相顯微鏡進行組織觀察，金相組織如圖4所示。

圖4 小軟帶自熔焊接效果與顯微組織

觀察圖4可得，焊縫金屬與母材實現了完好的分子結合，母材、熔合線、焊縫清晰可見，充分證明焊接的成功；但未見未融合、裂紋等大缺陷；母材晶粒很細，焊縫因反應所得鑄造組織而晶粒較為粗大，且為典型的包晶組織，熔合區晶粒大小介于兩者之間但更接近母材。

鋁母線焊接接頭的拉伸試驗結果如表1所示，全部斷裂于熔合線部位，平均抗拉強度為104MPa，高于國標里面鑄鋁抗拉強度的設計值（86MPa），能夠滿足現場使用要求。

表1 自熔焊焊縫拉伸試驗

采用電導率測試儀測量出來的純鋁、三個純焊縫金屬（未和母材混合）、焊縫金屬、熔合區、鋁母線的導電率如圖5所示，依次為35、28.0、29.1、26.08、30.51、27.22和33.79（%IACS），各部位導電性均高于鋁母線的80%以上，焊縫部位導電率更是達到鋁母線導電率的90%，滿足生產現場負載大電流的實際需要。

6 鋁軟母帶焊接實踐應用

根據鋁母線尺寸、工人操作難度、模具安裝空間等現場焊接環境，我們對鋁軟帶和母線之間的連接采用的是二次自熔焊接方法。

圖5 小軟帶自熔焊接導電率

6.1 焊前準備工作

材料和工具準備：焊粉、引火粉適量、鋁軟帶、鋁板（35×190×220）、鋁焊劑砂輪機一臺、電子秤一臺、乙炔槍若干把（配備相應乙炔和氧氣）模具、夾具、石墨板、石棉繩、石棉布、泥巴、坩堝、測溫儀等。

鋁軟帶和大母線焊縫尺寸為:長120mm×寬30mm×高220mm。經計算所需焊粉的質量為6100g。采用桶形坩堝，坩堝壁厚為15mm左右，底部開有澆口，澆口為長方形，尺寸：長80mm×寬20mm。

現場焊接之前，首先利用手工焊將軟帶的一端焊接在厚度為35mm的鋁板上部，另一端焊接在鋼鋁爆炸塊中間部位。

因為氧化鋁熔點非常高（2050℃），當待焊接面上有氧化鋁的存在的時候，會導致焊縫和母材無法焊合，同時焊接面上存在的其他一些粉塵、油污等也會影響焊接熔合，所以在焊接之前要利用砂輪機打磨母線和鋁板的焊接面,以去掉氧化皮、灰塵、油污等。

清理完焊接表面之后，在鋁板和母線的待焊接面上涂上鋁焊劑，主要作用是在焊接過程中除去新生的氧化膜。然后把焊接有軟帶的鋁板放在模具中，如圖6所示。

下一步進行現場安裝。將模具安裝在大母線上。由于焊接位置懸空，所以利用鋼筋制成支架托住模具底部，利用夾具將模具緊緊地夾在母線上。由于母線和模具表面不平整，在接觸的貼合部位會出現縫隙。因此采用石棉布作為襯墊。石棉布柔軟并且能耐高溫，可以通過變形來填充空隙，對于某些石棉布無法放置的地方采用堵漏泥來堵漏。圖6是模具安裝并進行堵漏之后的圖片。

圖6 軟帶裝模、現場安裝模具

圖7 母材預熱

在焊接之前需要做好預熱工作，預熱工作一方面可以除去母材、模具、石棉布、泥巴中的水分，另一方面可以為自熔焊接提供一定的熱量貯備。在焊接現場采用氧乙炔進行預熱，如圖7所示，母材和模具需要加熱到250℃左右，而坩堝只需稍微預熱，除去水分即可。

6.2 焊接工藝

預熱達到既定溫度時，迅速在焊縫坡口中放滿鋁焊粉（約1030g），如圖8所示，在焊粉上面均勻地撒上引火粉，點燃后，焊縫中的焊粉完全反應，這就是第一次自熔焊反應。

在第一次反應結束后，迅速將坩堝放置在焊縫上方，坩堝澆口與焊縫平行，位于正中間，坩堝底部放置一片2mm的鋁片作為自熔塞，自熔塞要完全覆蓋住澆口，防止焊粉下流，然后把剩余的焊粉倒入坩堝中，在焊縫表面均勻撒一層引火粉，并且在坩堝上放置石墨板，防止焊接過程中的劇烈噴濺。石墨板不能完全蓋嚴，要留一個點火位置，如圖9所示。然后點燃引火粉，讓坩堝中的焊粉完全反應。需要強調的是，兩步焊接間隔時間要盡可能短，操作要迅速，第一次焊接結束到第二次焊接開始，以不超過10秒為宜。

圖8 一次反應裝粉

圖9 二次反應照片

6.3 焊后處理

圖10 拆模之后照片

在二次反應結束之后，讓焊縫自然冷卻一段時間，等坩堝溫度降低到150℃左右的時候，取下坩堝和模具，將焊縫周圍的焊渣及堵漏泥清除，就可以看到新鮮的焊肉，如圖10所示。可以發現該接頭外形完整，完全填充了母線和軟帶接頭之間的區域，經過稍微打磨之后即刻呈現出典型的鋁合金光澤。從焊縫四周巡查，沒有發現較大的氣孔、焊渣和裂紋，在焊縫和母材的結合部位存在著熔合線，說明已經形成冶金結合。

焊接完成之后，清理坩堝和模具，對大的殘渣用小錘輕輕敲掉，小的顆粒與粉塵用柔軟的刷子清理掉。妥善處理和保存坩堝，以便于重復使用。

6.4 焊接效果測試結果

陰極軟母帶自熔焊接接頭壓降與基建時氬弧焊接接頭壓降測試對比數據如表2。

表2 陰極軟母帶自熔焊接接頭壓降數據測試結果對比分析

經過計算，小軟帶不停電自熔焊接接頭的平均壓降為4.68mv；基建時氬弧焊接接頭的平均壓降為4.31mv。顯然，不停電情況下鋁軟帶自熔焊接接頭和基建無電情況下鋁軟帶手工焊接接頭壓降相當。

7 結論

（1）系列不停電焊接陰極軟母線技術創造性的提出了適合于鋁軟帶和大母線現場焊接的自熔焊接工藝方法，具有對母材加熱充分，抑制焊接面氧化，熔合質量較高等優點。

（2）焊接接頭強度測試結果表明：鋁軟帶接頭的強拉強度為104MPa，高于鑄鋁平均抗拉強度的設計值，能夠滿足長期服役使用要求。

（3）現場試驗結果表明：陰極軟帶焊接接頭壓降平均值為4.66mv，與手工焊接壓降相當。

（4）對損壞的母線和軟母帶在線不停電進行修復，該技術具備很高的通用性，適合所有型號的鋁電解槽使用，可供國內所有電解鋁企業使用，也可供其他金屬電解工業中類似的場合使用，具備很好推廣價值。

（5）后期展望：一是建立標準操作規程，便于工人施工與技術推廣；二是進一步擴大現場試驗規模，推進工業化應用。