全截面焊接技术在阴极钢棒焊接中的应用

介绍了全截面焊接技术及装置在铝电解槽阴极钢棒焊接中的应用。与传统焊接工艺焊接效果对比，该技术能够实现阴极钢棒的全截面焊接，有效提高焊接阴极钢棒的焊接质量和焊接效率、降低焊口压降。生产实践表明，相对传统工艺，该工艺能够将工期缩短４０ｈ左右，上槽后压降降低１５ｍＶ左右。

随着电解槽的大型化，电流强度也越来越大，电解槽周围磁场强度增大，导致传统阴极钢棒“钢连片”式焊接质量难以保障，有效导电面积小、焊接强度低、焊口压降高，容易造成电解槽事故，增加电解铝生产成本。由于传统焊接是人工焊接，劳动强度大、磁场下施工困难，焊接效率低，造成电解槽大修周期较长，降低了电解铝产量。面对日趋严峻的市场竞争，提高焊接效率、改善焊接质量、降低焊口压降，实现节能减耗一直是电解铝企业的重要课题。目前，有人提出采用磁场屏蔽，利用磁场补偿或者电流短路方式，消除磁场影响，再进行人工焊接，这种方式避免了磁场的影响，在一定程度上能够为人工焊接带来较好的施工环境，但人工焊接弊端仍然存在，难以从根源上解决导电面积小、焊口压降高的问题。铝热剂焊接电解槽阴极钢棒，利用铝粉和氧化铁粉的铝热反应，产生熔融铁水流入两钢棒直接进行填充，该方式替代钢连片焊接，焊接质量有所提升，但根据实际应用反馈，铝热剂焊接方式成本较高、准备工作耗时长，熔融铁水瞬间流入造成焊缝内部杂质和气体难以排出，内部容易出现气孔和夹杂，且安全性差，在铝热剂点燃瞬间迸溅严重，存在较大安全隐患。

全截面焊接技术是采用高度自动化机械设备，替代人工焊接。该项技术及设备从源头上避免了人为因素影响，焊接过程无需人工干预；且全截面焊接取代钢连片，充分保障了导电面积及焊口压降。

１全截面焊接技术介绍

１．１焊接原理

全截面焊接是利用焊材在两端母材组成焊缝内起弧、熔化形成熔池，利用电流通过熔池产生的电阻热作为热源将两端母材各熔化一部分，同焊材形成的熔池一起自下而上逐步冷却，最终实现两母材之间的全截面结合。

１．２工艺参数

采用全截面焊接工艺及设备，焊缝宽度２０～３０ｍｍ即可，焊缝底部焊接有厚度１０～１６ｍｍ的起弧板，初始电压控制在４０～４５Ｖ，确保充足的焊接热量将底部起弧板熔化。熔池逐渐形成，熔池热量逐渐富集后，可逐渐降低电压，充分利用熔池余热进行焊接，进而节省能量，当焊接高度达到要求，停止焊接即可。

１．３工艺特点

全截面焊接工艺较传统人工焊接钢连片方式有如下优点：

１）减少焊工需求

全截面焊接设备自动化程度高，普通工人经培训后即可完成操作；

２）焊接质量稳定

机械化设备，自动焊接，焊接过程无需人工干预，不受磁场影响；

３）质量可靠

母材间形成的熔池温度可调节，最高可达１７５０℃，完全可以将两端母材熔合，达到冶金级结合；

４）焊接效率高

自动化焊接，９５ｍｍ×１８０ｍｍ钢棒焊接时间≤２０ｍｉｎ，且劳动强度低；

５）安全性能好

高温、高强度作业均由设备自动完成，减少人员安全隐患；

６）节能减耗

取缔钢连片和人工焊接，减少人为因素影响，充分保障有效接触面，焊口压降低，电流分布更均匀，有利于降低能耗。

２焊接质量测试与分析

２．１切片质量对比

为了对比并验证焊接质量，分别取传统钢连片槽内焊接样及全截面焊接样进行切片，如图１所示。可以看出，按传统工艺焊接，钢连片“叠焊”，存在较多夹杂、漏焊、有效导电面积小，而采用全截面焊接工艺后，两端母材经由焊缝形成了一个新整体，充分保障了有效面导电面积，焊接质量明显提高。

２．２焊口强度检测

电解槽启动过程中及启动后，槽内温度升高，阴极钢棒承受应力增大，如果焊接部位强度不够，连接处会开焊、断裂，影响导电，严重时会导致直接断开、造成事故。为确保全截面焊接强度足够，依据ＧＢ／Ｔ２２８．１－２０１０和ＧＢ／Ｔ２３２－２０１０，取焊样分别检测试样的拉伸、弯曲性能，结果如表１所示。由表１检测结果可得，采用全截面焊接工艺焊接的抗拉强度与母材相当，甚至优于母材，弯曲性能达到合格标准，能够保证电解槽启动后正常运行。

３生产实践应用分析

该焊接工艺及设备已经在电解铝行业内广泛推广应用，本文结合山东某铝厂２４０ｋＡ电解槽实际应用过程中的监测，分别对焊接压降和施工周期、人工投入等做进一步分析。

３．１焊接压降分析

阴极钢棒除要求具有一定的强度外，其焊接位置压降直接影响电解槽整体运行及电解铝的生产成本，焊口压降也是衡量焊接质量好坏的重要指标。结合山东某电解铝企业现场施工情况，分别采用两种焊接工艺各焊接一台电解槽，在常温下，用相同设备，设置相同检测条件，对焊接完成的阴极钢棒逐个进行压降检测，人工堆焊与大截面焊接冷态压降对比所得数据曲线如图２所示。由图２可以看出，采用传统钢连片焊接焊口冷态压降整体波动较大，平均压降１ｍＶ；全截面焊接工艺相较传统钢连片焊接工艺，质量相对稳定，且平均压降只有０．４３ｍＶ，相对降低５７％，效果显著。

３．２经济效益分析

该铝厂采用人工堆焊工艺，焊接完成一台电解槽需高水平焊工８人，作业时间６３ｈ。采用全截面焊接工艺及设备，仅需２名焊工，４名普通工人，即可完成施工所有作业，耗时１７ｈ。由此可知：

１）采用全截面焊接设备进行焊接，有效导电面积达到１００％；焊接质量强度≥３８０ＭＰａ，可节省１／４的人工成本投入。

２）采用全截面焊接工艺及设备后，由于施工更加简单，每台电解槽相比传统钢连片焊接方式要节约工时４０ｈ，可增加产能３ｔ／ｄ。３）每台电解槽阴极钢焊口压降平均可降低一半，根据某铝厂反馈约合１５ｍＶ，故吨铝电耗降低４５ｋＷｈ，以电价０．３元／ｋＷｈ、系列产能６０００ｔ／ａ计，每年节省电费８．１万元。４结论生产实践表明，采用全截面焊接设备进行焊接，有效导电面积达到１００％；焊接质量强度≥３８０ＭＰａ，相对传统工艺，可节省１／４的人工成本投入，工期缩短４０ｈ左右，上槽后压降降低１５ｍＶ左右。