阳极导杆铝焊存在问题及替代新技术浅析.doc

阳极导杆铝焊存在问题及替代新技术浅析(评职称论文)贵州分公司碳素厂导杆车间覃建必阳极导杆铝缝焊接存在问题和替代新技术浅析中国铝业贵州分公司碳素厂 覃建必摘要 本文粗略分析了阳极导杆各部分的连接情况，并认为阳极导杆中的铝铝焊缝是最薄弱的连接部分；阐述了加强该连接部分对于电解电流效率的意义；认为加强该连接部分的最终途径是提高铝铝焊缝的焊接质量；分析了铝及铝合金焊接过程中的特点，并进一步分析了阳极导杆铝缝熔化极氩弧焊（MIG）过程中容易出现的缺陷；根据缺陷的形成机理和原因提出了防止缺陷产生的措施，交待了措施实施后的效果；指出要消除人、材料、气候因素对焊接质量的影响，最好的途径就是实现机械、自动焊接采用摩擦焊；介绍了摩擦焊的焊接原理和特点，并从相位控制、钢铝摩擦焊的材料焊接性、焊接接头强度、电机主轴功率和压力是否足够、投入是否经济等方面对实施摩擦焊的可能性进行了探讨。关键词 阳极导杆 铝铝焊接 MIG 焊接缺陷 摩擦焊一、前言就国内目前采用预焙阳极的大多数电解铝厂家来说，阳极导杆中铸钢爪架和铝棒的连接多采用钢铝复合片连接过渡的方式。如图一所示，铸钢爪架1和钢铝复合片2中的钢片通过焊缝（黑色焊）连接。焊缝的强度基本上接近母材强度；铝棒3和钢铝复合片2中的铝片则通过铝铝焊接连接。其焊接坡口和焊缝截面如图二所示： 图一、阳极导杆连接示意图图二、焊接坡口示意图由于铝铝焊缝在工作中不仅承担导电作用，还要承载1040的重量（其中钢爪架210、D型碳块830），因此对其强度和导电能力要求较高。而铝铝焊缝与母材或钢铝复合片的接头相比，强度要低得多，（仅能达到母材强度下限的85%），加之有效连接面积较少，因此，图一所示的焊缝无论强度还是导电能力都成为整个阳极导杆最薄弱的部分。如果焊缝强度低，导杆运输过程或在电解槽中受热、受外力作用造成铝焊缝脱落、开裂，由此带来的是阳极块报废、导杆返回修理、生产效率降低；如果是焊缝导电能力低，会造成电解电流效率的降低。以贵州分公司3个系列约540台槽投产的量计算，平均每天挂极通电的导杆在1万3千套左右。试想每套导杆的导电能力在原有基础上增加1%的话，将对电解的电流效率促进很大。无论是提高焊缝的导电性还是提高焊缝强度，最终都要落实到改善和提高铝焊缝的焊接质量上。因此，研究如何提高导杆铝铝焊接质量的意义重大。 图一二、铝和铝合金的焊接特点和阳极导杆焊接现状分析和对策1、铝及铝合金的焊接时主要有以下这些困难：、铝的强氧化能力铝和氧的亲合力很强，在空气中容易与氧生成一层致密的氧化薄膜(熔点约2050)，焊接时如未能将其清除，氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合，易造成夹渣；氧化铝薄易吸附水份，焊接时会促使焊缝生成气孔，这些缺陷都会降低焊缝强度； (2)、铝的热导率大(约为钢的2倍)因为铝的热导率大、金属传热快，焊接中大量的热能被迅速传导到基体金属内部，焊接时若要达到与钢相同的焊速，则焊接热输入要比焊钢时大24倍。为获得高质量的焊接接头，必须采用能量集中、功率大的焊接热源；(3)、线膨胀系数大铝的线膨胀系数约为钢的2倍，凝固时体积收缩率达6.56.6，因此易产生变形；另外在焊缝金属形成晶间裂纹和热影响区形成液化裂纹的倾向较大； (4)、易出现气孔气孔的产生往往是由于环境中的水分产生的。因为铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及析出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。特别是阴雨天气空气湿度大、气候返潮时焊接材料和母材表面氧化膜（AL2O3）更容易聚集水分，这时焊接产生气孔的机率更大。因此，铝及铝合金的焊接对环境的湿度和空气、焊接材料中的水分较为敏感。 (5)、焊接接头的强度较低。一是由于焊接热的影响，焊接接头中的热影响区会出现软化，即强度降低；二是由于铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒；三是合金元素（如镁、锌等）易蒸发、烧损，改变了焊缝金属的化学成分，使焊缝性能下降。铝合金焊接的这些特点，要求我们在焊接前必须认真对待这些问题，才能制定出合适的焊接工艺和选用正确的焊接方法、焊接设备及材料。2. 阳极导杆铝缝焊接现状 （1）焊接方法焊件的用途和工作环境，决定了铝焊的焊接方法。目前阳极导杆铝铝焊缝采用的焊接方法为应用最广泛的熔化极氩弧焊，即MIG焊。该焊接方式的特点是以焊丝为电极，电弧功率大，热量集中，焊接速度快，热影响区小，生产效率比其它常用的焊接方式高23倍可获得表面光滑、质量优良的焊缝。 （2）焊接规范及设备 焊件母材的材质为2号纯铝，铝焊丝为2.4的SAL2焊丝。焊接规范为： I=300340A，U=2730V之间。为维持近24万吨/每年的电解铝生产所用的2.2万套阳极导杆的平衡，每年约需要消耗近12 吨铝焊丝。焊接设备方面，从2000年开始，逆变式弧焊电源特别是日本产的OTC逆变氩弧焊机作为一种高性能的焊机，陆续取代了以前的硅整流氩弧焊电源。 （3）阳极导杆铝缝焊接易出现的问题及对策阳极导杆铝铝焊接方式属从日本引进的前八万配套技术之一，在国外已应用多年，属于成熟技术。在贵州分公司也应用了近20年。目前国内电解铝企业多采用这种铝铝氩弧焊连接方式。铝的熔化极氩弧焊作为铝焊的一种，必然有铝焊过程中的常见缺陷，缺陷主要表现在焊缝气孔、焊缝夹渣、未熔合、未焊透以及打底焊开裂等。本文结合笔者多年实践并查阅有关资料，就上述缺陷的产生和防止提出一些看法：（一）产生缺陷的原因1）、焊缝气孔产生的主要原因前面提到过，气孔的产生往往是由于环境中的水分产生的。特别是阴雨天气空气湿度大、气候返潮时焊接材料和母材表面（AL2O3）氧化膜更容易聚集水分，这时焊接产生气孔的机率更大。其次，焊工操作不当、气体保护效果差、反复在同一部位引弧也会导致气孔的产生。2）焊缝夹渣、未熔合产生的原因铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高(熔点约2050)、非常稳定，不易去除。铝的熔点仅为650，熔池温度无法将氧化铝熔化，因而其阻碍母材的熔化和熔合；又因为氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合缺陷，从而破坏金属的连续性和均匀性，降低焊缝金属的机械性能和耐蚀性。因此，氧化膜的存在是夹渣、未熔合产生的主要原因。另外，热输入不足可能导致未熔合；电流过大、焊接速度过快也会产生夹渣。3）打底焊道开裂的原因铝及铝合金焊缝中的裂纹是在焊缝金属结晶过程产生的，裂纹将会使焊缝强度降低。裂纹产生的原因有焊缝的宽深比过大、焊缝的末端弧坑冷却快、操作不当等。另外，在阳极导杆焊接中，因为铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍，铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大。因此，铝导杆焊接熔池凝固时容易产生较高的内应力和热裂纹，是导致打底焊道开裂的原因之一。4）导杆近坡口面未焊透的主要原因、如图三a)所示，由于两焊件的厚度相差较大，如果在焊接参数相同的情况下，不采取相应措施，极易在此处出现未焊透缺陷；焊接过程中又不能很好地分配电弧热，容易造成铝导杆坡口面熔合不透。、铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因此导致焊接熔池未能获得足够的焊接线能量而在厚板一侧而产生未焊透。（二）防止缺陷的措施（1）、焊接前应采用机械清理法严格进行焊口及附近50范围内的表面清理，直到露出金属光泽、清除其表面氧化膜，以消除因氧化膜形成的夹渣、未熔合缺陷。（2）、电源极性采用直流反极性接法，即利用质量大的正离子冲击阴极使氧化膜破碎、产生“阴极清理”的效果，去除氧化膜；（3）、保持焊接材料如焊丝、钢铝复合片及铝棒的干燥，避免吸附水分。阴雨天气或返潮季节尽量避免焊接作业，如必须作业时，要先用干净的破布擦拭，并用热风机干燥；（4）、铝的线膨胀系数大，焊件有产生较大的热应力、变形及裂纹的倾向。因此在焊接过程除了选用合理的焊接工装、在焊接前先进行严格的对称点焊、合理的焊接顺序和适应母材的填充材料外（导杆焊接选用的是化学成分和铝导杆的成分大致接近的SAL-2型焊丝），还需采取合理的焊接工艺措施：采用焊接电流超过230A（射流过渡临界点）大规范；采用四步操作方式焊接（即大的起弧电流、正常的焊接电流、小的收弧电流、最后熄弧）、加强气体保护效果、选择合适的焊缝熔宽深比、正确的操作手法等；(5)、 对于铝导杆近坡口面未焊透的缺陷，主要是因为两工件厚薄相差较大，电弧供给热量不均衡造成。如示意图三b)所示，钢铝复合片2中的铝层厚10，而铝棒的全长（厚）2278，厚薄的比例极大，加之铝 图三、两工件厚薄差示意图的热导率大(约为钢的2倍)，焊接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，为了获得高质量的焊接接头，采取以下几点具体措施：1）应当尽量采用能量集中、功率大的能源。因此，在阳极导杆铝缝的焊接中我们采用I=300340A，U=2730V的MIG强规范，并取尽量用上限。在进行打底焊时为保证打底焊道的充分熔合，打底电流必须加大；同时，焊枪作一定角度的摆动，并在轻微地纵向摆动，加深熔池、减少气体、增加热量的比例分配。2）从示意图三a)的左图知道，当厚板和薄板对焊，在运条时需要摆动焊条以便将电弧热均匀地加热焊口部分的母材金属并使其和填充焊口的金属熔合形成熔池。由于厚板与薄板相比更容易散热，因此，摆弧时电弧在厚板一侧多作停留，而在薄板一侧少停留。这时候需要适当降低焊速，增加电弧在此处的停留时间，待熔池尺寸与其它部位相等，熔融金属成“渗入”状态时再前移，为焊缝接头创造条件。3）改进焊枪喷嘴和坡口尺寸正如前面所述，采取适当的运条方法，按比例两工件的厚薄比按分配电弧热源。前提是要增大焊枪可达性。即使焊枪能够在坡口内可以作小角度摆弧。而从实际的焊接坡口尺寸和焊枪喷嘴实际尺寸看，喷嘴尺寸大于焊角，焊枪无法摆弧，如图四所示：右边角度喷嘴端面距坡口根部29，超过了的熔化焊正常电弧焊丝外伸长的距离，因此焊接电弧基本上不能将该部分熔化焊透。图四、改进前的焊枪摆动效果因此，经过反复试验和比较，对焊接坡口和喷嘴壁厚作了改进，将焊接坡口尺寸由原来的20X45改为20X55，如图五所示 图五、坡口改进示意图喷嘴壁厚改进如如图六所示图六、喷嘴改进示意图改进后焊枪的摆动效果如图七所示： 图七、改进后焊枪的摆动效果图从图中可知，改进后，缩小了焊丝外伸长距离、焊枪可达性更好，更易于摆动焊枪、搅拌熔池和控制电弧热源的分配。（三）、实践结果及遗留问题采取上述措施后，铝导杆的焊接缺陷得到有效的控制，收到了较好的效果。特别焊接坡口及喷嘴改进后，焊接坡口面未焊透的情况有很大的改观。 但作为铝的MIG焊来说，保护气体氩气的纯度、焊丝的品质、气候条件、电流、电压的调整以及操作手法、人员责任心等都是影响焊接质量的因素。要想完全消除这些因素，最好的途径是采用自动化、机械化的焊接方式，其中摩擦焊理想的替代方案。三、以摩擦焊替代铝焊连接前景浅析：对于钢铝复合片的过渡连接方式，在很多领域特别是航天领域已越来越多被钢铝摩擦焊接头所代替。摩擦焊是利用焊件接触端面相对旋转运动相互摩擦产生的热，使摩擦端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压力焊方法。摩擦焊技术在我国的研究和发展已近40年，广泛应用在电力、汽车、石油钻探等多部门。实践证明，摩擦焊是一项经济效益显著的焊接方法。 图八、摩擦焊原理图图八是摩擦焊的基本形式，两个端面的金属工件焊接前，工件1（铝棒）夹持在可以旋转的夹头3上，工件2（爪架）夹持在能够向前移动加压夹头4上。焊接开始时，工件1首先高速旋转，然后工件2向工件1移动、接触，并施加足够大的摩擦压力，这时开始了摩擦加热过程，摩擦表面消耗的机械能直接转换成热能。当通过设定时间的摩擦，或达到规定的摩擦变形量，即摩擦面达到预定的焊接温度后，立即停止工件1的转动，同时工件2向前快速移动，对接头实施较大的顶锻压力，保持一段时间后松开夹头。此时焊接结束，全部焊接过程最多只需40s的时间，效率非常高。因此。摩擦焊具有以下特点：1）、焊接接头质量好,接头性能稳定，废品率仅为闪光焊的1%；2）、适于焊接异种钢和异种金属，如钢铝；3）、焊接尺寸精度高，焊接生产率高，是闪光焊的45倍；4）、与闪光焊相比，省电达7080%左右；5）、焊接变形量少，接头不需要特殊清理；不需填充材料和保护气体，加工成本显著降低；6）、摩擦焊机容易机械化、自动化、操作简单、易掌握；7）、工作场地卫生，没有火花、弧光及有毒有害气体。从以上介绍，可知摩擦焊是擦焊是一项经济效益显著的焊接方法。应用在钢爪架和铝棒的焊接上是否可行？以下就几个方面进行分析：1)、由于钢爪架和铝棒要求有一定的安装相位，即铝棒吊装孔中心线必须垂直于爪架横梁板长度方向的中心轴线。用现在的变频技术和相位控制技术可以很好实现旋转工件停止时的相位控制，早在上世纪80年代，我国就有相位摩擦焊机投入使用。因此，在相位控制上可行；2）、关于材料的摩擦焊可焊性和接头质量上，从金属材料普通摩擦焊可焊性表中可知：普钢和铝的摩擦焊接头质量好，接头强度接近铝材强度，可达90%。，而铝铝MIG焊的对接接头最大强度仅为母材强度下限的80%左右。就钢爪架和铝棒来说，摩擦焊缝的有效面积较MIG焊增加70%。因此，摩擦焊后的焊缝承载能力和导电面积将大大增加。3）、大截面的摩擦