（黃河鑫業(yè)有限公司，青海 西寧 811601）

大型預(yù)焙陽(yáng)極電解槽由于原始設(shè)計(jì)中母線(xiàn)和電解槽殼之間的距離比較近，當(dāng)電解槽發(fā)生側(cè)部漏爐時(shí)，鋁液從陰極鋼棒窗口流出，可能沖損槽周?chē)妇€(xiàn)、陰極軟母線(xiàn)。沖損的母線(xiàn)一般在系列停電時(shí)采用氬弧焊的方式進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)，為修復(fù)一臺(tái)電解槽，整個(gè)系列電解槽停止生產(chǎn)，對(duì)鋁電解企業(yè)生產(chǎn)造成不利影響。近幾年，部分鋁電解企業(yè)研究并采用“放熱焊焊接方法或澆鑄方法”修復(fù)母線(xiàn)，來(lái)避免系列停電，但由于軟母線(xiàn)是片狀的鋁板組成，不能形成焊接熔池，無(wú)法直接用放熱焊和澆鑄的方法進(jìn)行系列不停電修復(fù)，沖損的軟母線(xiàn)在強(qiáng)磁場(chǎng)下也無(wú)法用有色焊進(jìn)行焊接，操作空間又受到限制，成為鋁電解企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中的一個(gè)難題。

某企業(yè)企與某校雙方組成聯(lián)合攻關(guān)小組，經(jīng)過(guò)反復(fù)的技術(shù)論證，并結(jié)合前期科研成果，認(rèn)為系列不停電焊接技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電解槽陰極、陰極軟帶修復(fù)的合適工藝。這項(xiàng)技術(shù)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(guò)程中發(fā)生還原反應(yīng)，放出大量的熱，產(chǎn)生高溫液態(tài)金屬，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)下鋁母線(xiàn)修復(fù)的一種新技術(shù)。

1 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

母線(xiàn)沖損斷裂后修復(fù)時(shí)在電解系列不停電情況下，焊接技術(shù)需要滿(mǎn)足以下幾個(gè)基本原則：①不受磁場(chǎng)的影響；②不需要停電或者降電流；③現(xiàn)場(chǎng)工況能夠?qū)崿F(xiàn)焊接；④焊接接頭強(qiáng)度滿(mǎn)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(zhì)量穩(wěn)定；⑧焊接不影響周?chē)Y(jié)構(gòu)；⑨導(dǎo)電面積滿(mǎn)足服役要求。

1.2 焊接結(jié)構(gòu)

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(xiàn)部分為焊縫金屬。

圖1 鋁軟帶和大母線(xiàn)的焊接結(jié)構(gòu)

2 技術(shù)方案

2.1 焊接修復(fù)前準(zhǔn)備工作

（1）按原設(shè)計(jì)圖紙軟母帶尺寸長(zhǎng)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(chǎng)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(dǎo)桿上截?。?/p>

（3）把焊接好的軟母帶組按原設(shè)計(jì)焊接到陰極鋼棒上，軟母帶組與母線(xiàn)相聯(lián)結(jié)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(xiàn)對(duì)應(yīng)位置清理干凈去氧化層；

（5）設(shè)計(jì)制做固定模具專(zhuān)用夾具。

2.2 焊接作業(yè)方法

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

（2）在過(guò)渡塊和要焊接在一起的槽周母線(xiàn)之間進(jìn)行間隙的調(diào)整，過(guò)渡塊和槽周母線(xiàn)形成空腔，準(zhǔn)備盛接熔融金屬（如圖2所示）；

（3）使用專(zhuān)用支架固定帶模具軟母帶與槽周母線(xiàn)結(jié)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(jì)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(duì)正在空腔上方，或設(shè)置導(dǎo)流槽，使坩堝內(nèi)液體能夠準(zhǔn)確進(jìn)入空腔，并將進(jìn)入空腔的路徑和空腔用耐熱材料進(jìn)行密封（要求用手電筒檢查不透光）；

（5）去掉坩堝，用氧炔焰對(duì)空腔周?chē)哪妇€(xiàn)、過(guò)渡塊、支護(hù)模具、導(dǎo)流槽等進(jìn)行加熱，到一定溫度；

（6）在石墨坩堝內(nèi)按技術(shù)要求裝填焊劑，焊劑的劑量根據(jù)計(jì)算裝填；

（7）將石墨坩堝放置與修復(fù)位置；

（8）用高溫火焰（氧炔焰）點(diǎn)燃焊劑；

（9）焊接完成后，拆除模具檢查焊接質(zhì)量，對(duì)毛刺進(jìn)行修磨；

（10）測(cè)量修復(fù)點(diǎn)壓降并與相鄰位置，其他電解槽同樣位置軟母帶測(cè)量數(shù)值對(duì)比。

圖2 焊接作業(yè)方法

3 焊接材料

由于鋁軟帶和大母線(xiàn)焊接時(shí)大母線(xiàn)一側(cè)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(duì)于常規(guī)的鋁母線(xiàn)自熔焊粉而言，鋁軟帶/鋁母線(xiàn)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(yīng)熱量可溶解過(guò)剩的鋁，因此焊肉金屬導(dǎo)電性和強(qiáng)度得到大幅度提高。鋁軟帶/鋁母線(xiàn)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(xué)名氟化鈣）、Na3AlF6（俗名冰晶石，學(xué)名氟鋁酸鈉）、Na3SiF6（氟硅酸鈉）等作為造渣成分，與CaS和Al2O3一起構(gòu)成焊接熔渣。微量元素的合金成分主要發(fā)揮提高導(dǎo)電性、潤(rùn)濕性和力學(xué)性能的作用，包括少量的Cu、Fe、Mn和稀土等元素。

根據(jù)自熔焊接的焊接冶金原理和焊接工藝，強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)鋁母線(xiàn)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(gòu)成自熔焊粉的基本組成。對(duì)于鋁母線(xiàn)而言，鋁的熱導(dǎo)率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多，鋁的熱導(dǎo)率則是奧氏體不銹鋼的十幾倍。在焊接過(guò)程中，大量的熱量能被迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，因而焊接鋁及鋁合金時(shí)，能量除消耗于熔化金屬熔池外，還要有更多的熱量無(wú)謂消耗于金屬其他部位，這種無(wú)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(shí)極易氧化，生成的氧化鋁熔點(diǎn)很高，不易去除。因此為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，應(yīng)當(dāng)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(shí)，實(shí)現(xiàn)合金液和鋁母線(xiàn)的接觸熔化和液相混合。所以，在放熱體系選擇方面，一個(gè)重要的因素是化學(xué)反應(yīng)要放出比較高的熱量，這就需要詳細(xì)考量這些反應(yīng)的物理化學(xué)特性和反應(yīng)熱力學(xué)。依據(jù)“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(yīng)體系放熱能力差別很大。一般來(lái)說(shuō)，放熱系數(shù)高于1.5KJ/g的體系被認(rèn)為具有較高的放熱能力，可以用來(lái)熔化反應(yīng)混合物中的過(guò)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(lái)說(shuō)，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(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)能夠放出足夠多的熱量，可以用來(lái)作為自熔焊劑的基本組成部分。

液態(tài)焊縫金屬與母材的潤(rùn)濕性是保證焊接質(zhì)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(rùn)濕較好的化學(xué)成分。從各種金屬液與鋁的潤(rùn)濕性角度進(jìn)行分析，鋅鋁合金在274～279℃范圍內(nèi)存在共析相變反應(yīng)，具有最好的潤(rùn)濕性；錫、銀與鋁的潤(rùn)濕性一般；銅、鐵、錳等與鋁的潤(rùn)濕性較差。盡管鋅與鋁的潤(rùn)濕最好，但是鋅的沸點(diǎn)只有906℃，在自熔反應(yīng)過(guò)程中迅速被蒸發(fā)，所以鋅不宜以片狀或者大顆粒形式加入。此外，鋁母線(xiàn)的主要作用是承載大電流，焊接接頭的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(fā)揮合金化、改善焊縫金屬綜合力學(xué)性能的作用。在自熔焊粉中加入硅，焊接時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)镾iO2，可以擴(kuò)大焊縫金屬的固液轉(zhuǎn)變溫度范圍，改善液態(tài)金屬的流動(dòng)和潤(rùn)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(xì)化晶粒，改善焊縫金屬顯微組織的作用。

在自熔焊接過(guò)程中，Al轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2O3。大部分Al2O3浮在熔化金屬的表面，少部分因來(lái)不及上浮，就殘留在焊縫金屬中，以?shī)A渣的形式存在。為了消除夾渣缺陷，提高保護(hù)能力，需要在自熔焊粉中加入造渣成分，與Al2O3結(jié)合為焊接熔渣。本項(xiàng)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(xué)名氟化鈣）、Na3AlF6（俗名冰晶石，學(xué)名氟鋁酸鈉）、Na3SiF6（氟硅酸鈉）等作為造渣成分，與Al2O3和SiO2一起構(gòu)成焊接熔渣，發(fā)揮良好的焊接冶金保護(hù)效果。

根據(jù)以上分析，鋁母線(xiàn)自熔焊接所用焊粉主要成分包括：①過(guò)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(gòu)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(jī)械混合方法，將市購(gòu)各種原料進(jìn)行混合，即可得到成品自熔鋁焊粉。

在焊接時(shí)，首先在磁場(chǎng)外對(duì)小軟帶端部焊接一塊硬鋁塊進(jìn)行固化處理，將軟/硬焊接轉(zhuǎn)變?yōu)橛?硬焊接，然后采用新型自熔焊粉進(jìn)行強(qiáng)磁場(chǎng)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(lèi)。和前面的項(xiàng)目研究一樣，本項(xiàng)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(yīng)用成本較低；

（2）石墨耐熱沖擊性能強(qiáng)，對(duì)于急冷急熱的自熔焊接過(guò)程，不易破裂；

（3）石墨耐火度高，能夠適應(yīng)自熔焊接自熔焊反應(yīng)的高溫；

（4）石墨坩堝所能承受的熱沖擊強(qiáng)度極高，所以任何熱加工工藝都可以放心進(jìn)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(xù)使用；

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

（8）金屬污染非常少：因?yàn)闆](méi)有混入污染熔體的不純物。

4.2 模具結(jié)構(gòu)

自熔焊接模具的設(shè)計(jì)需要保證熔化的金屬可以在腔體內(nèi)自由流動(dòng)，并且可以很容易將模具與焊接好的連接點(diǎn)分離，使得模具壽命提高。首先根據(jù)焊口的位置和間隙，確定焊接模具的外形、結(jié)構(gòu)、尺寸；其次設(shè)計(jì)和優(yōu)化鋁熱反應(yīng)金屬液流出孔的位置、直徑；最后確定自熔塞的材料、長(zhǎng)度，使金屬液達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，自熔塞自動(dòng)熔化、通過(guò)液體，避免夾渣與人工搗開(kāi)，不但提高焊接質(zhì)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(dǎo)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(cè)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(zhì)卡具卡緊。卡具由一個(gè)U型支架和支架兩側(cè)的可伸縮的絲杠組成。整個(gè)模具設(shè)計(jì)獨(dú)特，做工精細(xì)，具有高性能和高壽命的特點(diǎn)，平均可焊接50個(gè)坡口。

經(jīng)過(guò)反復(fù)焊接試驗(yàn)，設(shè)計(jì)并研制了現(xiàn)場(chǎng)工況下陰極軟帶焊接專(zhuān)用模具，用來(lái)放置軟帶端頭的開(kāi)槽石墨塊。如圖3所示，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）增加了導(dǎo)電面積；

（2）便于裝拆；

（3）堵漏效果較好；

（4）有效防止母線(xiàn)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(qū)除模具表面的水氣，是焊接時(shí)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(nèi)遺留的殘?jiān)煌耆宄?，將造成焊點(diǎn)表面不平滑、不光亮。具體要求如下：

（1）每次開(kāi)始焊接前用加熱工具（如氧乙炔焰、烘干箱、噴燈）烘烤模具，驅(qū)除水氣；久未使用的模具內(nèi)含有水分，尤其是前次使用完后仍留有殘?jiān)哪＞撸指啵?/p>

（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(shí)金屬液從縫隙處滲漏出來(lái)；

（4）對(duì)于石墨模具而言，較脆弱，無(wú)法承受拋甩與強(qiáng)力沖擊；

（5）焊接后需要采用專(zhuān)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(qiáng)行放入模具，或使用金屬物質(zhì)、堅(jiān)硬的工具等來(lái)清除焊渣，避免損壞模具；

（6）石墨模具如按上述步驟保養(yǎng)，使用壽命可達(dá)100次以上。

圖3 軟帶焊接用的模具

5 試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)企校雙方技術(shù)方案論證會(huì)上所確定的工藝方案，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行軟母線(xiàn)和大母線(xiàn)1:1模擬試樣的自熔焊接，并進(jìn)行焊接接頭組織、成分、微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、電學(xué)性能測(cè)試，反復(fù)試驗(yàn)以獲得最佳焊接工藝，并制定標(biāo)準(zhǔn)焊接操作流程，為現(xiàn)場(chǎng)焊接積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和提供依據(jù)。

5.1 焊前處理

焊接前，機(jī)械清除焊縫附近的氧化皮和油污，以降低焊縫氣孔產(chǎn)生的傾向和提高力學(xué)性能等。應(yīng)該清理掉母材附近的易燃物體，防止焊接過(guò)程中出現(xiàn)易燃物體被引燃。

焊接坡口兩側(cè)應(yīng)保持在一個(gè)水平面上，以有利于后續(xù)工序時(shí)焊接模具的平穩(wěn)、準(zhǔn)確放置。

5.2 焊接預(yù)熱

焊接前可采用氧一乙炔焰預(yù)熱，也可用電爐、履帶式加熱器、噴燈等加熱，預(yù)熱溫度應(yīng)達(dá)到100-300℃。焊接預(yù)熱可以促進(jìn)焊合，減小變形、減少氣孔等缺陷。

5.3 焊接工藝

在實(shí)際生產(chǎn)中，陰極小軟帶有時(shí)會(huì)從陰極母線(xiàn)脫落。本項(xiàng)目進(jìn)行了陰極小軟帶和陰極母線(xiàn)的自熔焊接模擬實(shí)驗(yàn)。其相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)如下：

（1）在焊前準(zhǔn)備工作過(guò)程中，母材和坩堝預(yù)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(wú)法敲開(kāi)。

小軟帶復(fù)合焊接試樣拋光后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的NaOH（分析純）水溶液進(jìn)行腐蝕，用OLYMPUS-PMG3型金相顯微鏡進(jìn)行組織觀(guān)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(guān)察圖4可得，焊縫金屬與母材實(shí)現(xiàn)了完好的分子結(jié)合，母材、熔合線(xiàn)、焊縫清晰可見(jiàn)，充分證明焊接的成功；但未見(jiàn)未融合、裂紋等大缺陷；母材晶粒很細(xì)，焊縫因反應(yīng)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(qū)晶粒大小介于兩者之間但更接近母材。

鋁母線(xiàn)焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，全部斷裂于熔合線(xiàn)部位，平均抗拉強(qiáng)度為104MPa，高于國(guó)標(biāo)里面鑄鋁抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值（86MPa），能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

表1 自熔焊焊縫拉伸試驗(yàn)

采用電導(dǎo)率測(cè)試儀測(cè)量出來(lái)的純鋁、三個(gè)純焊縫金屬（未和母材混合）、焊縫金屬、熔合區(qū)、鋁母線(xiàn)的導(dǎo)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(dǎo)電性均高于鋁母線(xiàn)的80%以上，焊縫部位導(dǎo)電率更是達(dá)到鋁母線(xiàn)導(dǎo)電率的90%，滿(mǎn)足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載大電流的實(shí)際需要。

6 鋁軟母帶焊接實(shí)踐應(yīng)用

根據(jù)鋁母線(xiàn)尺寸、工人操作難度、模具安裝空間等現(xiàn)場(chǎng)焊接環(huán)境，我們對(duì)鋁軟帶和母線(xiàn)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(dǎo)電率

6.1 焊前準(zhǔn)備工作

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

鋁軟帶和大母線(xiàn)焊縫尺寸為:長(zhǎng)120mm×寬30mm×高220mm。經(jīng)計(jì)算所需焊粉的質(zhì)量為6100g。采用桶形坩堝，坩堝壁厚為15mm左右，底部開(kāi)有澆口，澆口為長(zhǎng)方形，尺寸：長(zhǎng)80mm×寬20mm。

現(xiàn)場(chǎng)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?yàn)檠趸X熔點(diǎn)非常高（2050℃），當(dāng)待焊接面上有氧化鋁的存在的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致焊縫和母材無(wú)法焊合，同時(shí)焊接面上存在的其他一些粉塵、油污等也會(huì)影響焊接熔合，所以在焊接之前要利用砂輪機(jī)打磨母線(xiàn)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(xiàn)的待焊接面上涂上鋁焊劑，主要作用是在焊接過(guò)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝。將模具安裝在大母線(xiàn)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(xiàn)上。由于母線(xiàn)和模具表面不平整，在接觸的貼合部位會(huì)出現(xiàn)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(guò)變形來(lái)填充空隙，對(duì)于某些石棉布無(wú)法放置的地方采用堵漏泥來(lái)堵漏。圖6是模具安裝并進(jìn)行堵漏之后的圖片。

圖6 軟帶裝模、現(xiàn)場(chǎng)安裝模具

圖7 母材預(yù)熱

在焊接之前需要做好預(yù)熱工作，預(yù)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(xiàn)場(chǎng)采用氧乙炔進(jìn)行預(yù)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(yù)熱，除去水分即可。

6.2 焊接工藝

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

在第一次反應(yīng)結(jié)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(guò)程中的劇烈噴濺。石墨板不能完全蓋嚴(yán)，要留一個(gè)點(diǎn)火位置，如圖9所示。然后點(diǎn)燃引火粉，讓坩堝中的焊粉完全反應(yīng)。需要強(qiáng)調(diào)的是，兩步焊接間隔時(shí)間要盡可能短，操作要迅速，第一次焊接結(jié)束到第二次焊接開(kāi)始，以不超過(guò)10秒為宜。

圖8 一次反應(yīng)裝粉

圖9 二次反應(yīng)照片

6.3 焊后處理

圖10 拆模之后照片

在二次反應(yīng)結(jié)束之后，讓焊縫自然冷卻一段時(shí)間，等坩堝溫度降低到150℃左右的時(shí)候，取下坩堝和模具，將焊縫周?chē)暮冈岸侣┠嗲宄?，就可以看到新鮮的焊肉，如圖10所示?？梢园l(fā)現(xiàn)該接頭外形完整，完全填充了母線(xiàn)和軟帶接頭之間的區(qū)域，經(jīng)過(guò)稍微打磨之后即刻呈現(xiàn)出典型的鋁合金光澤。從焊縫四周巡查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)較大的氣孔、焊渣和裂紋，在焊縫和母材的結(jié)合部位存在著熔合線(xiàn)，說(shuō)明已經(jīng)形成冶金結(jié)合。

焊接完成之后，清理坩堝和模具，對(duì)大的殘?jiān)眯″N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(fù)使用。

6.4 焊接效果測(cè)試結(jié)果

陰極軟母帶自熔焊接接頭壓降與基建時(shí)氬弧焊接接頭壓降測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)如表2。

表2 陰極軟母帶自熔焊接接頭壓降數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算，小軟帶不停電自熔焊接接頭的平均壓降為4.68mv；基建時(shí)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(wú)電情況下鋁軟帶手工焊接接頭壓降相當(dāng)。

7 結(jié)論

（1）系列不停電焊接陰極軟母線(xiàn)技術(shù)創(chuàng)造性的提出了適合于鋁軟帶和大母線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)焊接的自熔焊接工藝方法，具有對(duì)母材加熱充分，抑制焊接面氧化，熔合質(zhì)量較高等優(yōu)點(diǎn)。

（2）焊接接頭強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明：鋁軟帶接頭的強(qiáng)拉強(qiáng)度為104MPa，高于鑄鋁平均抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值，能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)期服役使用要求。

（3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)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(dāng)。

（4）對(duì)損壞的母線(xiàn)和軟母帶在線(xiàn)不停電進(jìn)行修復(fù)，該技術(shù)具備很高的通用性，適合所有型號(hào)的鋁電解槽使用，可供國(guó)內(nèi)所有電解鋁企業(yè)使用，也可供其他金屬電解工業(yè)中類(lèi)似的場(chǎng)合使用，具備很好推廣價(jià)值。

（5）后期展望：一是建立標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程，便于工人施工與技術(shù)推廣；二是進(jìn)一步擴(kuò)大現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)規(guī)模，推進(jìn)工業(yè)化應(yīng)用。