鉛陰極板點焊工藝的改造實踐

劉四毛，范振宇

（湖南水口山有色金屬集團有限公司，湖南 衡陽 421513）

鉛大極板電解工藝具有自動化程度高、生產效率高、能耗低等特點，在推進少人化、無人化、綠色冶煉工業發展上優勢明顯。鉛電解工藝陰極板為析出鉛熔鑄成鉛皮后加工成始極片，鉛皮需經過裁剪、折邊、裝配銅棒、沖壓、整形、壓紋、點焊等加工工序。陰極制造機組是極板生產工藝流程中的關鍵設備，國內鉛電解大極板生產設備最初均從國外進口，近兩年來逐步國產化。點焊機作為陰極制造機組核心部件，是關鍵中的關鍵，其運行可靠性對保障整個電解流水線生產節拍穩定、電解工藝順暢都至關重要[1]。大極板工藝相對小極板而言具有大電流密度、析出鉛質量大的特點，單極片析出鉛在150kg～200kg范圍內，鉛皮在組裝銅棒后，需要對陰極片長短結合面進行點焊加固處理提高焊接強度，才能滿足極板受力和導電性能要求。

鉛具有熔點低、延展性強的金屬物理特性，目前大部分大極板鉛電解工藝陰極板加工都采用電容儲能式電阻點焊機。電容儲能式點焊機具有結構簡單、低成本的特點，設備由焊機本體、充電電源與儲能電容器的三個部分組成，焊機采用兩套氣缸帶動多點點焊頭，進行往復輪流點焊動作[2]。一套點焊頭帶有1～8個上電極，一次可以點焊1～8處，兩組可以點焊2～16處。

某年產能10萬噸鉛冶煉廠配置的原裝日本進口陰極制造機組存在點焊不牢固，出現掉級率高的問題，嚴重制約生產，亟需對陰極生產設備改進、生產工藝優化，進而提高成套設備對不同工況的適應性，從根源上解決陰極掉極問題。

1 鉛陰板工藝問題

某鉛冶煉廠陰極板是由寬度920±20mm范圍內的鉛皮加工而成，極板尺寸如圖1所示，極板整體規格為1360＊840mm，長、短面長度分別為1370/160mm，焊點在短面下邊緣線以上方42mm左右處，成水平線均勻分布。在鉛皮厚薄不變的情況下，析出鉛重量主要由兩層鉛皮點焊部位和電解過程中液面以下兩層鉛皮間鉛粒結晶部位粘合力承受[3,4]。

圖1 陰極板剖視圖

該廠投產初期產出析出鉛出現大批量在點焊水平線上下范圍內結晶很不理想情況，鉛皮兩面端口未形成良好致密的溶合體，在提高電解電流、電解周期的情況下，陰極板隨著析出鉛重量的增加，現場鉛片掉極現象頗為明顯，嚴重影響生產。通過現場觀察分析，陰極片掉極問題主要有兩方面原因：第一，由于電解槽內電解液液面已達上限，焊點位置在接近電解液液面上下浮動10mm，液面以下接合面積較小，導致承載力面不夠；第二，陰極片制造過程由于點焊頭磨損和積渣，造成點焊不牢固，后期導致陰極片焊點撕裂、松垮，進一步造成電場不均勻，偏析后析出結晶顆粒大且不規則。因此，解決該問題需要從陰極板機構、點焊機設備兩方面進行優化改進。

2 鉛陰極板結構的優化

在保持整個陰極板長度不變的情況下，短邊面的長度增加15mm，一方面可以減小兩面的重力差，進而減小極板重力對焊點形成的剪切力；另一方面，可以增加短面在電解液面以下的接觸面積，增加結晶融合面進而增大極板承載能力。如圖2所示極板尺寸改為1370/175mm，焊點分布變更為雙排，位置為短面下端以上15mm、40mm處兩條成線2＊16陣列分布，共32個焊點。增加焊點可以提高整體極板的焊點牢固性，提高承載能力；再者，面雙排點焊可以提高成功焊點的個數，穩定性更有保障。

圖2 改進前后陰極板結構對比

3 焊機的優化

3.1 焊機本體結構優化

該廠使用某進口品牌點焊機參數見表1所示。該焊機為電容式儲能點焊機，兩組點焊機構按水平線左右分布，每組8個點焊頭，采取左右兩組順序點焊，單塊極板焊接時間約為9s。該進口品牌點焊機存在的缺陷：一是電控系統采用傳統繼電器結構，時間控制精度不高；二是氣缸進給到位信號是通過機械限位開關控制，多次點焊容易發生疲勞，導致動作不可靠，易出現預壓壓力過大導致焊穿，或者預壓不緊密局部過熱導致飛濺或者虛焊；三是在機械結構方面，點焊機焊頭部位空間狹小，日常點焊頭清理和更換點焊頭操作很不便；四是點焊機上電極與點焊變壓器匯流銅排為薄銅片堆疊而成的軟銅排連接，上電極多次進給折疊，軟銅排容易疲勞斷裂，再者軟銅排由于多片銅片堆疊，整體變形彎曲需要增加推進氣缸的負荷，壓縮空氣壓力要求達0.6MPa以上才能確保點焊強度。

表1 點焊機參數表

針對進口點焊機的這些缺陷，我們對焊機進行國產化改造，改進方向是采取增加焊點數量及改變焊點位置來實現點焊的可靠性。

在陰極板點焊過程，雙排點焊機要實現在9s內完成32點的點焊，焊接動作有三種組合方式：第一種是配置左右兩組焊頭，焊頭上下兩排各8個焊頭，每組16個焊頭，排距25mm，兩組焊頭先后分別焊接；第二種是配置兩組焊頭成一排，每組8個，共16個焊頭，點焊采用上下輪流往復工作模式；第三種是整體焊接，32個焊頭上下兩排排列，集成在一個點焊機構上。其中第三種方式對焊接電源容量[5]要求較大，保證兩排焊頭調整在同一平面難度較大，焊頭維護較難；第一種同樣需要滿足上下兩排焊頭在同一平面，才能保證焊點接觸良好，且上下兩排焊頭間距25mm，空間較小，加工難度大，后期維護困難。第二種所有焊頭在一條直線上，如圖3所示，焊點確保一個平面上才能保證點焊質量保持一致，氣缸動作原理如圖4所示，左右氣缸采用兩位五通電磁閥控制點焊頭的運動，由于上下兩排焊點切換需要較高精度，故選擇三位五通閥驅動升降氣缸，兩排焊點間距調整靈活，所以第二種方式為最優的選擇。其設備電源容量是原16焊點的2倍，焊機機構原理如圖3所示。

圖3 點焊頭排列示意圖

圖4 點焊機氣路原理圖

常用的電極頭有尖頭電極、球面電極、錐頭電極、平面電極等，尖頭電極與錐頭電極容易變形，平面電極和球面電極變形小，容易清理，電極材料一般是純銅及銅合金，銅合金常用材料為鉻銅，為保證點焊頭的使用壽命和導電特性，特選擇鉻銅材料制造上電極頭，下電極為純銅材料。電極直徑按照公式，其中δ為板厚，鉛陰極板厚度在1.4mm～1.6mm范圍內，電極直徑取6mm。為解決點焊過程工件分流情況，工件后座采用凸臺整體式下電極，使得點焊電流更加集中在點焊頭位置，可減少旁路電流導致能源消耗，同時整體式加工方便，鉛皮背部能貼合在一個平面上。

3.2 點焊控制優化

點焊機充電電路采用三相半控橋式整流電路，充電電壓通過脈沖觸發系統進行調節，儲能電容容量為130000μ F；點焊放電通過放電可控硅元件進行控制，工件到位后點焊頭推進加壓，通過降壓變壓器降壓后電壓加載在點焊頭與下電極墊塊間的工件兩端，釋放電流，鍛壓延時后點焊頭復位，完成點焊動作。整個點焊機動作邏輯、信號反饋由PLC控制完成，并通過觸摸屏進行參數設置、狀態顯示、數據歸檔等，用戶可以根據生產需要選擇點焊位置。點焊機與陰極制造機組進行聯鎖，機組檢測工件到位、點焊備妥等信號，點焊機完成雙排點焊動作后回原位，發送點焊完成信號給生產線機組繼續進行下一個工序。機組可設置單機和聯鎖兩種模式，滿足機組單機調試與整條生產線生產的要求。

點焊過程分為預壓、焊接和鍛壓三個階段。預壓是通過電極頭施加電極力使得鉛板充分接觸形成通路，保持一定壓力便可以進行點焊的過程；電阻點焊實際是電流通過電阻發熱的過程，其中有用功為形成熔核需要的熱量，熱平衡方程式可以表示為

其中Qe為電極及工件表面產生的熱量，Qm為焊接區產生的有效熱量；電極及工件產生的熱量最終是散發到空氣中，熔核所需要的熱量可表示為,其中V為熔核體積，ρ為密度，ΔT為溫升，c為金屬比熱。要使得金屬熔融，電極頭大小確定情況，熔核體積可計算，其他參數基本也是定值，所以熱量為常數。電流產生足夠熱量后，即可以切斷，所以設置合適的電容工作電壓可節約能源和減少點焊節拍時間；最后進入鍛壓結晶冷卻階段。

4 結語

電容儲能式電阻雙排點焊機在鉛陰極板點焊應用效果優良，在原來常規時間繼電器、接觸器等構成的控制電路的基礎上，9s內完成16點單排點焊。后期運用PLC控制器進行自動化控制點焊動作，機組能在6s內完成鉛板32點的焊接動作，系統動作可靠，觸摸屏能監控各個信號運行狀態，使得故障處理簡易；點焊機本體由固定式改抽屜式可調整，安裝靈活；機組整體在時間參數、電壓參數可交互性設置，具有焊接效率高、能耗小的優點。在生產方面，經過優化后的陰極片，直流電流提高0～4000A，一個電解周期內每片析出鉛產量可提升0～40kg。

雙排點焊機對大電流電解工藝具有很好的適配性，值得在鉛精煉生產上推廣應用。但隨著現在設備追求緊湊模塊化設計要求，電容儲能式電阻焊機電容柜體積龐大，對空間要求較高，后期可考慮采用激光焊接或者超聲波焊接進一步改進，焊接過程可以與沖壓、壓紋等工序部件集成，進而改善設備的整體配置。