劉四毛，范振宇

（湖南水口山有色金屬集團(tuán)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(chǎn)效率高、能耗低等特點(diǎn)，在推進(jìn)少人化、無人化、綠色冶煉工業(yè)發(fā)展上優(yōu)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(jīng)過裁剪、折邊、裝配銅棒、沖壓、整形、壓紋、點(diǎn)焊等加工工序。陰極制造機(jī)組是極板生產(chǎn)工藝流程中的關(guān)鍵設(shè)備，國內(nèi)鉛電解大極板生產(chǎn)設(shè)備最初均從國外進(jìn)口，近兩年來逐步國產(chǎn)化。點(diǎn)焊機(jī)作為陰極制造機(jī)組核心部件，是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，其運(yùn)行可靠性對保障整個(gè)電解流水線生產(chǎn)節(jié)拍穩(wěn)定、電解工藝順暢都至關(guān)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(zhì)量大的特點(diǎn)，單極片析出鉛在150kg～200kg范圍內(nèi)，鉛皮在組裝銅棒后，需要對陰極片長短結(jié)合面進(jìn)行點(diǎn)焊加固處理提高焊接強(qiáng)度，才能滿足極板受力和導(dǎo)電性能要求。

鉛具有熔點(diǎn)低、延展性強(qiáng)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(diǎn)焊機(jī)。電容儲能式點(diǎn)焊機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、低成本的特點(diǎn)，設(shè)備由焊機(jī)本體、充電電源與儲能電容器的三個(gè)部分組成，焊機(jī)采用兩套氣缸帶動多點(diǎn)點(diǎn)焊頭，進(jìn)行往復(fù)輪流點(diǎn)焊動作[2]。一套點(diǎn)焊頭帶有1～8個(gè)上電極，一次可以點(diǎn)焊1～8處，兩組可以點(diǎn)焊2～16處。

某年產(chǎn)能10萬噸鉛冶煉廠配置的原裝日本進(jìn)口陰極制造機(jī)組存在點(diǎn)焊不牢固，出現(xiàn)掉級率高的問題，嚴(yán)重制約生產(chǎn)，亟需對陰極生產(chǎn)設(shè)備改進(jìn)、生產(chǎn)工藝優(yōu)化，進(jìn)而提高成套設(shè)備對不同工況的適應(yīng)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(nèi)的鉛皮加工而成，極板尺寸如圖1所示，極板整體規(guī)格為1360＊840mm，長、短面長度分別為1370/160mm，焊點(diǎn)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(diǎn)焊部位和電解過程中液面以下兩層鉛皮間鉛粒結(jié)晶部位粘合力承受[3,4]。

圖1 陰極板剖視圖

該廠投產(chǎn)初期產(chǎn)出析出鉛出現(xiàn)大批量在點(diǎn)焊水平線上下范圍內(nèi)結(jié)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(xiàn)場鉛片掉極現(xiàn)象頗為明顯，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。通過現(xiàn)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(nèi)電解液液面已達(dá)上限，焊點(diǎn)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(dǎo)致承載力面不夠；第二，陰極片制造過程由于點(diǎn)焊頭磨損和積渣，造成點(diǎn)焊不牢固，后期導(dǎo)致陰極片焊點(diǎn)撕裂、松垮，進(jìn)一步造成電場不均勻，偏析后析出結(jié)晶顆粒大且不規(guī)則。因此，解決該問題需要從陰極板機(jī)構(gòu)、點(diǎn)焊機(jī)設(shè)備兩方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

2 鉛陰極板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在保持整個(gè)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(jìn)而減小極板重力對焊點(diǎn)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(jié)晶融合面進(jìn)而增大極板承載能力。如圖2所示極板尺寸改為1370/175mm，焊點(diǎn)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(gè)焊點(diǎn)。增加焊點(diǎn)可以提高整體極板的焊點(diǎn)牢固性，提高承載能力；再者，面雙排點(diǎn)焊可以提高成功焊點(diǎn)的個(gè)數(shù)，穩(wěn)定性更有保障。

圖2 改進(jìn)前后陰極板結(jié)構(gòu)對比

3 焊機(jī)的優(yōu)化

3.1 焊機(jī)本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

該廠使用某進(jìn)口品牌點(diǎn)焊機(jī)參數(shù)見表1所示。該焊機(jī)為電容式儲能點(diǎn)焊機(jī)，兩組點(diǎn)焊機(jī)構(gòu)按水平線左右分布，每組8個(gè)點(diǎn)焊頭，采取左右兩組順序點(diǎn)焊，單塊極板焊接時(shí)間約為9s。該進(jìn)口品牌點(diǎn)焊機(jī)存在的缺陷：一是電控系統(tǒng)采用傳統(tǒng)繼電器結(jié)構(gòu)，時(shí)間控制精度不高；二是氣缸進(jìn)給到位信號是通過機(jī)械限位開關(guān)控制，多次點(diǎn)焊容易發(fā)生疲勞，導(dǎo)致動作不可靠，易出現(xiàn)預(yù)壓壓力過大導(dǎo)致焊穿，或者預(yù)壓不緊密局部過熱導(dǎo)致飛濺或者虛焊；三是在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，點(diǎn)焊機(jī)焊頭部位空間狹小，日常點(diǎn)焊頭清理和更換點(diǎn)焊頭操作很不便；四是點(diǎn)焊機(jī)上電極與點(diǎn)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(jìn)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(jìn)氣缸的負(fù)荷，壓縮空氣壓力要求達(dá)0.6MPa以上才能確保點(diǎn)焊強(qiáng)度。

表1 點(diǎn)焊機(jī)參數(shù)表

針對進(jìn)口點(diǎn)焊機(jī)的這些缺陷，我們對焊機(jī)進(jìn)行國產(chǎn)化改造，改進(jìn)方向是采取增加焊點(diǎn)數(shù)量及改變焊點(diǎn)位置來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊的可靠性。

在陰極板點(diǎn)焊過程，雙排點(diǎn)焊機(jī)要實(shí)現(xiàn)在9s內(nèi)完成32點(diǎn)的點(diǎn)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(gè)焊頭，每組16個(gè)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(gè)，共16個(gè)焊頭，點(diǎn)焊采用上下輪流往復(fù)工作模式；第三種是整體焊接，32個(gè)焊頭上下兩排排列，集成在一個(gè)點(diǎn)焊機(jī)構(gòu)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(diào)整在同一平面難度較大，焊頭維護(hù)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(diǎn)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(hù)困難。第二種所有焊頭在一條直線上，如圖3所示，焊點(diǎn)確保一個(gè)平面上才能保證點(diǎn)焊質(zhì)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(diǎn)焊頭的運(yùn)動，由于上下兩排焊點(diǎn)切換需要較高精度，故選擇三位五通閥驅(qū)動升降氣缸，兩排焊點(diǎn)間距調(diào)整靈活，所以第二種方式為最優(yōu)的選擇。其設(shè)備電源容量是原16焊點(diǎn)的2倍，焊機(jī)機(jī)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 點(diǎn)焊頭排列示意圖

圖4 點(diǎn)焊機(jī)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(diǎn)焊頭的使用壽命和導(dǎo)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(nèi)，電極直徑取6mm。為解決點(diǎn)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(diǎn)焊電流更加集中在點(diǎn)焊頭位置，可減少旁路電流導(dǎo)致能源消耗，同時(shí)整體式加工方便，鉛皮背部能貼合在一個(gè)平面上。

3.2 點(diǎn)焊控制優(yōu)化

點(diǎn)焊機(jī)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(fā)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，儲能電容容量為130000μ F；點(diǎn)焊放電通過放電可控硅元件進(jìn)行控制，工件到位后點(diǎn)焊頭推進(jìn)加壓，通過降壓變壓器降壓后電壓加載在點(diǎn)焊頭與下電極墊塊間的工件兩端，釋放電流，鍛壓延時(shí)后點(diǎn)焊頭復(fù)位，完成點(diǎn)焊動作。整個(gè)點(diǎn)焊機(jī)動作邏輯、信號反饋由PLC控制完成，并通過觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)歸檔等，用戶可以根據(jù)生產(chǎn)需要選擇點(diǎn)焊位置。點(diǎn)焊機(jī)與陰極制造機(jī)組進(jìn)行聯(lián)鎖，機(jī)組檢測工件到位、點(diǎn)焊備妥等信號，點(diǎn)焊機(jī)完成雙排點(diǎn)焊動作后回原位，發(fā)送點(diǎn)焊完成信號給生產(chǎn)線機(jī)組繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)工序。機(jī)組可設(shè)置單機(jī)和聯(lián)鎖兩種模式，滿足機(jī)組單機(jī)調(diào)試與整條生產(chǎn)線生產(chǎn)的要求。

點(diǎn)焊過程分為預(yù)壓、焊接和鍛壓三個(gè)階段。預(yù)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(jìn)行點(diǎn)焊的過程；電阻點(diǎn)焊實(shí)際是電流通過電阻發(fā)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(chǎn)生的熱量，Qm為焊接區(qū)產(chǎn)生的有效熱量；電極及工件產(chǎn)生的熱量最終是散發(fā)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(jì)算，其他參數(shù)基本也是定值，所以熱量為常數(shù)。電流產(chǎn)生足夠熱量后，即可以切斷，所以設(shè)置合適的電容工作電壓可節(jié)約能源和減少點(diǎn)焊節(jié)拍時(shí)間；最后進(jìn)入鍛壓結(jié)晶冷卻階段。

4 結(jié)語

電容儲能式電阻雙排點(diǎn)焊機(jī)在鉛陰極板點(diǎn)焊應(yīng)用效果優(yōu)良，在原來常規(guī)時(shí)間繼電器、接觸器等構(gòu)成的控制電路的基礎(chǔ)上，9s內(nèi)完成16點(diǎn)單排點(diǎn)焊。后期運(yùn)用PLC控制器進(jìn)行自動化控制點(diǎn)焊動作，機(jī)組能在6s內(nèi)完成鉛板32點(diǎn)的焊接動作，系統(tǒng)動作可靠，觸摸屏能監(jiān)控各個(gè)信號運(yùn)行狀態(tài)，使得故障處理簡易；點(diǎn)焊機(jī)本體由固定式改抽屜式可調(diào)整，安裝靈活；機(jī)組整體在時(shí)間參數(shù)、電壓參數(shù)可交互性設(shè)置，具有焊接效率高、能耗小的優(yōu)點(diǎn)。在生產(chǎn)方面，經(jīng)過優(yōu)化后的陰極片，直流電流提高0～4000A，一個(gè)電解周期內(nèi)每片析出鉛產(chǎn)量可提升0～40kg。

雙排點(diǎn)焊機(jī)對大電流電解工藝具有很好的適配性，值得在鉛精煉生產(chǎn)上推廣應(yīng)用。但隨著現(xiàn)在設(shè)備追求緊湊模塊化設(shè)計(jì)要求，電容儲能式電阻焊機(jī)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(jìn)一步改進(jìn)，焊接過程可以與沖壓、壓紋等工序部件集成，進(jìn)而改善設(shè)備的整體配置。