昌振利

(新疆眾和股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830013)

0 前言

母線是構(gòu)成鋁電解槽結(jié)構(gòu)的重要部件之一。在大型鋁電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，鋁母線不但被認(rèn)為是疏通電流的“導(dǎo)線”，同時承載著匯流輸出、電能供應(yīng)的關(guān)鍵作用。系列鋁電解槽采用串聯(lián)方式設(shè)計，鋁母線將整流后的直流電輸送至電解槽上，流經(jīng)陽極、熔鹽層到達(dá)陰極，經(jīng)大母線回到整流器的負(fù)極，使整個系列成為一個封閉的串聯(lián)線路。在電解槽內(nèi)母線分類較多，有分布在上部結(jié)構(gòu)的陽極母線，分布在槽殼底部與四周的陰極母線，用于槽之間、廠房之間的聯(lián)絡(luò)母線，還有立柱母線和軟帶母線等。聯(lián)絡(luò)母線、立柱母線和軟母線是連接陽極母線與陰極母線的橋梁，各種母線將鋁電解槽一個一個地串聯(lián)起來，構(gòu)成一個系列。

隨著電解槽的設(shè)計與應(yīng)用趨向大容量與大型化，鋁電解槽用電量亦隨之攀增，鋁母線布局設(shè)計變得更為復(fù)雜，整個電解車間里充斥著強(qiáng)大的電磁場。在鋁電解車間內(nèi)，母線經(jīng)常因短路口放電[1]、絕緣板擊穿[2]、漏槽[3]等事故，造成母線表面產(chǎn)生大面積的燒損，漏出的高溫電解質(zhì)、鋁液直接沖刷母線，造成母線接觸不良，嚴(yán)重時會熔斷母線，直接影響導(dǎo)電與正常電解生產(chǎn)。對于母線出現(xiàn)的這些損傷，必須現(xiàn)場進(jìn)行修復(fù)。然而采用傳統(tǒng)的停電方式對沖毀母線修復(fù)施工，不僅影響正常的鋁電解生產(chǎn)，又會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。再者而言，有色金屬的電弧焊一般是比較困難的，而鋁的電弧焊更加困難，其原因是多方面的：首先，純鋁的熔點(diǎn)很低，只有660 ℃左右，但在焊接時，鋁在空氣中很容易被氧化，而生成物氧化鋁不僅具有很高的熔點(diǎn)，高達(dá)2 050 ℃，而且氧化鋁的比重比純鋁大，熔渣不容易浮起。再者，鋁的導(dǎo)熱系數(shù)大，熱量傳導(dǎo)很快，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明焊接鋁的熱效率低。另外，鋁沒有塑性狀態(tài)，加熱后會由固體狀態(tài)立刻變成液體狀態(tài)，所以焊接時容易流溢，較難控制。以上種種原因都制約著鋁的焊接。

1 磁場對焊接的影響

1.1 磁場對焊接電弧的影響

鋁電解槽的磁場與通過整個槽內(nèi)部及外部的電流息息相關(guān)。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，鋁電解車間內(nèi)的磁場是復(fù)雜多變的，隨著電流的波動時刻發(fā)生著變化，電解槽各部分的電流比較復(fù)雜。電弧中帶電體在磁場作用下做不規(guī)則運(yùn)動，電弧的導(dǎo)電性遭到破壞。在無外磁場作用下，正常焊接電弧在電場和熱場的影響下，形貌狀態(tài)呈圓錐狀；而有外磁場作用下，電弧形態(tài)發(fā)生變化，不再呈現(xiàn)圓錐狀，如圖1所示。

圖1 磁場對電弧形態(tài)的影響

龍瓊等學(xué)者[4]在研究外加磁場與無磁場下焊接的特點(diǎn)時，發(fā)現(xiàn)外加磁場為交變橫向磁場時，電弧會隨磁場方向的周期性變化而產(chǎn)生擺動。常云龍等學(xué)者[5]采用小孔探針法和高速攝影法對不同頻率尖角磁場作用下的 TIG電弧壓力與電弧形態(tài)進(jìn)行了研究，研究表明：電弧形態(tài)隨著磁場頻率的增加而發(fā)生旋轉(zhuǎn)收縮現(xiàn)象。電弧壓力整體呈正態(tài)分布，電弧壓力隨頻率的改變呈單峰對稱分布。隨著磁場頻率的增加，電弧邊緣電弧壓力出現(xiàn)小幅度波動，電弧中心壓力值最大，電弧邊緣壓力較小。

1.2 磁場對焊接熔池的影響

由于磁場力的影響，電弧受到洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，焊接熔池運(yùn)動速度加快，致使熔池側(cè)偏不對稱。在磁場中，由于焊接電弧旋轉(zhuǎn)擴(kuò)張，溫度分布改變，使焊縫熔寬增加，熔深減小。在洛倫茲力的作用下，熔池中的液態(tài)金屬繞焊接電弧中心軸旋轉(zhuǎn)。在離心力的驅(qū)動下，熔池中的液態(tài)金屬受到?jīng)_擊，熔池前端的液態(tài)金屬沿另一側(cè)向前端流動，由于熔池兩端存在溫差，前端液態(tài)金屬溫度高，在流動過程中兩側(cè)熔合比不一致，一側(cè)大一側(cè)小，造成焊接熔池不對稱。

黃武東等學(xué)者[6]采用高速攝影對比研究外加縱向磁場對5083鋁合金P-GMAW過程中熔池行為的影響。發(fā)現(xiàn)無外加縱向磁場時，熔滴則無明顯的縮頸。外加縱向磁場后，熔滴受到的切向力使熔滴旋轉(zhuǎn)，加大熔滴頸縮程度。外加縱向磁場不會改變?nèi)鄣芜^渡的對稱性，但是會使熔池受到外加電磁力的作用，影響熔池流動的對稱性，從而使焊縫偏移。在薄壁零件堆焊研究過程中，劉海華等學(xué)者[7]發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度過大將嚴(yán)重影響電弧形態(tài)及熔滴過渡，造成電弧和熔滴偏轉(zhuǎn)加劇，焊接過程穩(wěn)定性變差。

外加磁場干擾了等離子體的運(yùn)動狀態(tài)，致使熔滴大小、運(yùn)動速度、方向發(fā)生變化產(chǎn)生飛濺，焊接熔池不對稱，電弧導(dǎo)電性被破壞，焊縫熔深變小與熔寬變大，電弧狀態(tài)失穩(wěn)發(fā)生劇烈擺動嚴(yán)重時甚至熄弧等，焊縫成形困難，最終整個焊接過程是非連續(xù)的。焊后結(jié)果表明，焊縫中有明顯的氣孔、未熔合、夾渣、未焊透及焊錯位等缺陷。

1.3 磁場對焊縫組織及力學(xué)性能的影響

劉政軍等學(xué)者[8]分別對鎂合金母材、無磁場的焊接接頭、有磁場作用下的焊接接頭進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：外加磁場可以明顯的改善焊接接頭的疲勞性能，無磁場狀態(tài)下焊接接頭的疲勞壽命為11 412次。而有磁場狀態(tài)下焊接接頭的疲勞壽命為12 027次，達(dá)到母材的90%。孫雅杰等學(xué)者[9]分析了磁控電弧焊接技術(shù)對焊縫性能的影響，外加磁場可以改變?nèi)鄢亓鲃?，抑制駝峰、咬邊等缺陷，消除殘余?yīng)力，通過電磁攪拌作用細(xì)化晶粒，減少焊接缺陷，提高焊接質(zhì)量，優(yōu)化表面成形，提高其力學(xué)性能。

蘇允海等學(xué)者[10]在研究AZ91鎂合金焊縫組織性能時發(fā)現(xiàn)，隨著磁場電流的增加，磁場強(qiáng)度也隨之增大。此時，在電磁阻尼作用下熔池的運(yùn)動方式發(fā)生改變，使得焊縫的組織變得粗大，從而降低了焊縫的力學(xué)性能。

2 傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)及存在問題

2.1 采用電弧焊修復(fù)母線

為了避免強(qiáng)磁場對修復(fù)作業(yè)的干擾，傳統(tǒng)方式是消除帶電磁場，將整個電解車間停電后，再進(jìn)行母線焊接修復(fù)作業(yè)。

傅樅春等學(xué)者[11]發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)磁場環(huán)境下進(jìn)行焊接作業(yè)，宜采用焊條電弧焊代替CO2氣體保護(hù)焊，并在焊接中靈活調(diào)整焊接方向和焊槍與焊件之間的夾角，縮短電弧，減小磁偏吹現(xiàn)象，抑制高溫鐵液飛濺。

2.2 采用抗磁干擾防磁圈

磁環(huán)境下的鋁母線焊接，會受到焊機(jī)型號、焊接工藝參數(shù)(如焊接電流、電弧電壓的調(diào)整)、焊工水平高低、甚至焊縫方向與磁場矢量方向的關(guān)系等影響，磁場環(huán)境錯綜復(fù)雜，并沒有統(tǒng)一的磁場極限值，磁場分布和強(qiáng)度時刻在發(fā)生變化，而一旦磁場超限就不能進(jìn)行有效的金屬鋁焊接。

張含博等學(xué)者[12]通過模擬計算研究了傳統(tǒng)母線設(shè)計的鋁電解槽外部空間磁場分布，如圖2所示，距離電解槽和母線較近的區(qū)域，磁場強(qiáng)度和梯度較大，反之亦然。

圖2 電解車間7 m平面磁場分布圖[12]

傅樅春等學(xué)者[11]分析可利用輔助鋼板密封屏蔽，結(jié)合采用繞組線圈疊加消磁，并根據(jù)外部磁場調(diào)整線圈電流及通電方向，達(dá)到減弱磁場的目的，使焊接過程正常進(jìn)行，保證焊接質(zhì)量。

許國友[13]把屏蔽消磁場裝置夾在短路口立柱母線上及選用專門設(shè)計的消磁導(dǎo)線，根據(jù)磁場的方向，把消磁導(dǎo)線在特制屏蔽消磁場裝置上纏繞合適的圈數(shù)，抵消部分磁場，進(jìn)一步降低車間磁場對焊接的影響。最后再用直流氬弧電焊機(jī)進(jìn)行修復(fù)施焊。

劉少柱等學(xué)者[14]采用磁鐵吸附在管壁上，改變磁鐵放置的距離、位置的方法，嘗試能否改變管口的磁場軌跡，從而使管口的磁場消失。實(shí)踐證明：在管道上改變磁鐵放置的位置和距離可以改變管口磁場分布與磁感應(yīng)線軌跡，使分布在管口的磁力發(fā)生改變，從而使管口的磁場減弱或消失。

陳橋等學(xué)者[15]利用磁場測試結(jié)果，設(shè)計了一套以鐵鎳合金作為材質(zhì)的磁場屏蔽裝置。通過現(xiàn)場測試，將行程控制開關(guān)放入屏蔽裝置內(nèi)，并安裝在氣缸指定位置上，可以有效地屏蔽打殼氣缸周圍的磁場干擾，達(dá)到了可控行程氣缸正常運(yùn)行的要求。

2.3 現(xiàn)有技術(shù)存在的問題

消磁技術(shù)[16]或磁屏蔽技術(shù)[17]應(yīng)用工況范圍較為有限，一般只適用于簡單磁場環(huán)境，究其原因主要是鋁電解槽實(shí)際運(yùn)行過程中，槽內(nèi)的導(dǎo)體在有電流流經(jīng)時，其本身及周圍均產(chǎn)生了磁場，而在電解槽內(nèi)的任意一點(diǎn)，磁場都是三維立體的，磁場情況是錯綜復(fù)雜無規(guī)律的，由于生產(chǎn)條件、電流分布等變化，磁場的強(qiáng)弱與方向也時刻在發(fā)生變化。目前，大型預(yù)焙電解槽中磁場強(qiáng)度密度大，磁場方向分布復(fù)雜而又分散，采用常規(guī)技術(shù)手段如“蔽、防、導(dǎo)、疏、擾”很難實(shí)現(xiàn)防磁或消磁目標(biāo)。特別是修復(fù)工況位置、空間復(fù)雜、施工條件苛刻時，很難屏蔽垂直于焊縫方向的磁場分量。另外，母線沖毀情況是各異的，通用的防磁手段無疑會帶來成本的增加，且無法滿足各修復(fù)需求，因而無法在實(shí)際生產(chǎn)中批量化使用。

采用電弧焊修復(fù)母線，由于在大型電解槽強(qiáng)磁場環(huán)境下，沖毀母線所處的空間位置，造成焊接作業(yè)受限，鋁焊機(jī)或焊接設(shè)備運(yùn)行不暢或紊亂，送絲機(jī)電磁閥失靈，輸出的電流與電壓波動不穩(wěn)，焊接熔池內(nèi)的熔料飛濺四射，既浪費(fèi)焊材又無法實(shí)現(xiàn)缺口處的堆積成形與正常的焊接作業(yè)。整個修復(fù)過程需要多次短時停電或者較長時間連續(xù)停電，帶來的后果對鋁企業(yè)而言是嚴(yán)重的，這種影響包括長時間停電造成槽內(nèi)鋁水溫度下降與凝固，電解鋁產(chǎn)量的損失及重大經(jīng)濟(jì)損失，能耗的大幅攀升等。

3 修復(fù)技術(shù)實(shí)踐方案

3.1 修復(fù)工況描述

某鋁廠400 kA系列鋁電解槽，電解槽設(shè)計為24組陽極，進(jìn)電端設(shè)計有6根立柱母線與電解槽水平母線連接。進(jìn)電端與出電端均設(shè)計12組，分別為A1～A12和B1～B12。車間內(nèi)2205號電解槽槽周母線沖毀情況嚴(yán)重，因鋼棒漏爐導(dǎo)致3號立柱出電側(cè)回流母線發(fā)生沖毀，外側(cè)60 mm×460 mm母線，沖毀80%。內(nèi)側(cè)40 mm×460 mm，中部60%沖毀，如圖3所示。

圖3 母線沖毀情況

3.2 修復(fù)方案選用

根據(jù)現(xiàn)場沖毀情況，采用不停電磁場環(huán)境下母線修復(fù)熱熔焊接的施工方法。這種方法屬于非帶電修復(fù)焊接，最大的優(yōu)勢是免受磁場的干擾，再者這種方法無須外加電源，主要利用焊劑的燃燒特性、化學(xué)反應(yīng)釋放的能量及熔融態(tài)反應(yīng)物作為熱源與焊縫填充材料，從而填滿型腔以實(shí)現(xiàn)對鋁母線的修復(fù)，如圖4所示。

圖4 方案設(shè)計

3.3 修復(fù)實(shí)踐

焊前清理是首要步驟，不僅利于具體修復(fù)方案設(shè)計，也是焊接修復(fù)質(zhì)量的保障。所謂的清理是由操作者對損毀部分進(jìn)行檢查，并剔除流渣等異物。值得注意的是：現(xiàn)場作業(yè)時必須判斷母線帶電情況，絕不能隨意切開，以免造成安全事故。損壞部分處進(jìn)行切割、打磨，切口處盡量保持平整、必要時切口垂直。打磨時可以使用風(fēng)鏟、電磨、鋼絲砂輪、角向磨光機(jī)等工具，打磨要求斷面90%以上顯露出金屬鋁的顏色。打磨后應(yīng)當(dāng)進(jìn)行斷口檢查，是否存在坑洞、殘渣、廢鋁等灰雜物，清理干凈后在進(jìn)行焊后表面鑿毛處理。其次，現(xiàn)場實(shí)測缺口尺寸，根據(jù)現(xiàn)場母線斷口形狀及周圍的操作空間設(shè)計熱熔焊接施工方案及所需焊接模具等其它相關(guān)工具。依據(jù)缺口尺寸判定是否需要預(yù)制母線，并設(shè)計母線下料的具體尺寸。根據(jù)方案中焊口形態(tài)設(shè)計并加工所用模具，確定焊口焊劑用量、焊接次數(shù)，并制作相應(yīng)規(guī)格的夾具或頂絲、支架及焊口模具支架等。在具體實(shí)施過程中，確定好焊口位置與型腔空間，并用母線支架作為支撐結(jié)構(gòu)。放上焊口底板，將帶有頂絲的胎具牢牢將母線與模具固定，不留間隙，以免發(fā)生側(cè)漏或產(chǎn)生焊接變形。周邊縫隙用石棉繩、石英砂、耐火泥漿封堵嚴(yán)實(shí)。

焊接前需對鋁母線待焊接斷面進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度與焊接質(zhì)量息息相關(guān)，需保證焊口加熱至400 ℃左右，并用測溫槍觀測溫度情況。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到工藝要求時，操作人員需將裝好焊劑的坩堝放置在焊接口上方，澆鑄口對準(zhǔn)焊口中心。點(diǎn)燃焊劑，待焊接過程結(jié)束，脫模并清理打磨焊口，保持焊口平整光潔。

從焊接效果圖(圖5)可以發(fā)現(xiàn)：修復(fù)接頭外形完整，完全填充了母線沖毀缺口區(qū)域，略加打磨之后即刻呈現(xiàn)出典型的鋁金屬光澤。從焊縫四周查看，并未發(fā)現(xiàn)氣孔、焊渣、裂紋等缺陷，在焊縫和母材的結(jié)合部位存在著熔合線，說明已經(jīng)形成冶金結(jié)合。

圖5 修復(fù)后效果及切片效果圖

4 結(jié)束語

應(yīng)用不停電磁場環(huán)境下母線修復(fù)熱熔焊接的施工方法,規(guī)避了電解槽系列停電、強(qiáng)磁干擾下的母線焊接，通過對修復(fù)后的母線觀察，從焊縫四周并未發(fā)現(xiàn)氣孔、焊渣、裂紋等缺陷，在焊縫和母材的結(jié)合部位存在著熔合線，說明已經(jīng)形成冶金結(jié)合。采用該方案能夠解決鋁電解行業(yè)電解系列不停電、在電解現(xiàn)場磁場環(huán)境下對沖毀母線在線修復(fù)的技術(shù)難題。同時也為整個電解鋁行業(yè)在節(jié)能減排方面、生產(chǎn)運(yùn)行降成本方面做出探索與嘗試。