阳极钢爪焊接工装及焊接方法与流程

本发明涉及电解铝装备的焊接技术领域，具体涉及一种阳极钢爪焊接工装及焊接方法。

背景技术：

电解铝生产过程中阳极钢爪是必备的组件之一，常用的阳极钢爪主要有两种形式：结构型钢爪和铸造钢爪。对于结构型钢爪制作过程中往往都需要将钢爪头和横梁进行焊接，阳极钢爪在使用过程中会出现不同程度的腐蚀，同一个阳极的部分钢爪头也会出现不同程度的腐蚀变细，继续使用会影响阳极的导电和承重效果，但是整个横梁部分完好，其它钢爪头仍然可以正常使用。目前，大部分电解铝企业往往选择切掉变细的钢爪头，焊接一个新的钢爪头，增加整个阳极钢爪的使用寿命，降低成本。

目前主流的焊接方式主要是人工焊接。在人工焊接时，往往在横梁处打坡口，采用手工电弧焊的方式进行焊接。由于实际操作时人员的焊接水平参差不齐，焊接效果受人员焊接水平的影响较大，焊接完成的焊接接头，有效的焊接面积只能达到母材截面的50%-60%，焊缝处的强度和导电性都受到较大的影响。手工电弧焊焊接的阳极钢爪在使用过程中，在焊缝位置处电阻和压降较大，这一方面会造成阳极电流分布不均，影响整台电解槽的稳定性，另一方面又会造成吨铝电耗增加。当前随着人工焊接成本的不断增加，这种焊接方法存在的问题也亟待解决。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种阳极钢爪焊接工装及焊接方法，以解决阳极钢爪现有焊接技术中焊缝处的强度和导电性低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种阳极钢爪焊接工装，包括至少由两个组合模块构成的模具，所述组合模块用于合模固定钢爪头焊接端，并契合于待焊接横梁或剩余旧爪头且使钢爪头对位于横梁后，以在待焊接接口部位形成一个顶部开口或侧面上部开口的焊缝熔池。

所述模具优选为液冷/空冷模具，其包括对应的上/左液冷/空冷模块和下/右液冷/空冷模块，所述模具中设有用于冷却液/气循环的空腔及液体通道；所述上/左液冷/空冷模块与下/右液冷/空冷模块用于合模固定钢爪头焊接端并靠接对位于待焊接横梁，以形成对应的焊缝熔池。

进一步的，还包括用于放置钢爪头和横梁的支撑件以及用于紧固所述焊缝熔池各构成件的紧固件或束缚带，以形成更稳固的焊缝熔池，以提高焊接质量。

进一步的，还包括设置在模具与待焊接横梁搭接部位的定位挡板，具有定位与防止熔液流出的功能。

优选的，所述模具的材质是铜、石墨或高铝耐火材料。

优选的，所述钢爪头和横梁对位完成后使其位于焊缝熔池中的两焊接端的焊缝宽度d=5-50mm。

进一步的，在形成所述焊缝熔池的各部件的结合部位外侧涂覆有防漏涂层，用以防止熔化的焊接液泄漏。

利用上述焊接模具进行阳极钢爪焊接的方法，包括以下步骤：

（1）将钢爪头和横梁的待焊接面进行表面处理，清除表面渣、氧化层，露出金属光泽；

（2）将钢爪头放置在所述焊接模具的组合模块中，并使其各组合模块合模，使横梁与钢爪头焊接端对位并契合于模具，使待焊接接口部位形成一个顶部开口或侧面上部开口的焊缝熔池，并在形成所述焊缝熔池的各部件的结合部位外侧涂覆用以防止熔化的焊接液泄漏的防漏涂层，随后在焊缝熔池内安装有对应的焊枪；

（3）采用电渣焊进行焊接：在焊枪上安装有对应的液位探针，用以对焊缝熔池中之液面的高度实时监测，焊接过程中焊枪的高度随检测到的焊缝熔池中的液面的上升高度而相应提升，直至焊接过程中产生的热量将焊缝填充金属和两侧母材完全熔合成为一个整体，且可在焊接开始时撒入焊剂防止熔池高温氧化。

在步骤（2）中，所述模具为液冷/空冷模具，其包括对应的上/左液冷/空冷模块和下/右液冷/空冷模块，所述模具中设有用于冷却液/气循环的空腔及液体通道；焊接前先将液冷/空冷模具连通循环冷却液/气源。

进一步的，所述步骤（1）之前，还包括以下步骤：将钢爪头切除，切割一段圆钢作为新的钢爪头，并满足，圆钢长度l=切除的钢爪头长度l-焊缝宽度d。

进一步的，在所述步骤（2）中，循环冷却液/气在所述液冷/空冷模具中的流量根据焊接工件尺寸大小及所需热量通过压力表示数进行对应的调节。

在所述步骤（2）中，横梁、钢爪头、与定位挡板契合模具放置时，允许存在一定间隙d=1-20mm。

所述探针可选钨棒、银铜合金棒中的至少一种，或选择其它类似的能够耐受钢爪头焊接温度的金属棒体。

所述电渣焊可采用熔化极电渣焊和不熔化极电渣焊，包括但不限于熔嘴电渣焊、丝极电渣焊。

优选的，所述焊丝为埋弧焊丝，直径φ=0.8-6.0mm。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

1.本发明不仅适用于结构钢爪的制作生产，同样适用于旧钢爪的修复。

2.本发明焊接完成的焊接接头，可以达到全截面焊接效果，使得接头处的力学性能和导电性能达到母材的同等性能。

3.本发明焊接方法能显著提高阳极钢爪的焊接效率，降低阳极钢爪焊接成本，延长使用寿命，降低电耗，焊接完成的钢爪力学性能以及导电性能均优于手工电弧焊焊接的钢爪结构。

附图说明

图1为阳极钢爪焊接过程中的局部结构示意图。

图2为沿图1中ee剖面线的剖视图。

图中，1为钢爪头；2为上水冷模块；3为横梁；4为水冷焊枪；5为下水冷模块；6为定位挡板；7为焊缝熔池；8为下循环水腔；9为上循环水腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

在以下实施例中所涉及的部件或材料，如无特别说明，均为常规部件或材料；所涉及的加工方法，如无特别说明，均为常规方法。

实施例1：一种阳极钢爪焊接工装，参见图1和图2，包括由上水冷模块2和下水冷模块5构成的水冷模具以及靠接于所述上水冷模块2侧壁的定位挡板（兼具有定位与防止熔液流出的功能）6，所述水冷模具内部设有用于水循环的空腔及水道，包括下循环水腔8和上循环水腔9，水冷模具的材质是铜、石墨或高铝耐火材料；所述上水冷模块2顶部设有开口，上水冷模块2与下水冷模块5用于合模固定钢爪头1焊接端后并与定位挡板6一起靠接于待焊接横梁3且钢爪头1对位于横梁3后，使待焊接接口部位形成一个顶部开口的焊缝熔池7；上述焊接模具开模形状根据钢爪的结构、尺寸配套开制，还包括用于放置钢爪头1和横梁3的支撑件（图中未画出）以及用于紧固焊缝熔池7各构成件的紧固件或束缚带（图中未画出），以形成更稳固的焊缝熔池7，以提高焊接质量，并且在形成焊缝熔池7的各部件的结合部位外侧涂覆有防漏涂层，用以防止熔化的焊接液泄漏；钢爪头1与横梁3对位完成后，其位于焊缝熔池7中的两焊接端的焊缝宽度d=5-50mm。

实施例2：利用实施例1中的焊接模具进行阳极钢爪焊接的方法，采用丝机电渣焊配合上述模具进行钢爪修复，具体步骤如下：

（1）将钢爪头1和横梁3的待焊接面进行表面处理，清除表面渣、氧化层，露出金属光泽；钢爪头1和横梁3的待焊接面是立面，无需打坡口，可以直接进行立缝焊接；

（2）将钢爪头1放置在焊接模具的下水冷模块5上，并使其上水冷模块2与下水冷模块5合模，横梁3与钢爪头1焊接端对位并靠接契合于水冷模具，将定位挡板6靠接于上水冷模块2侧壁和横梁3顶部，待焊接接口部位形成一个顶部开口的焊缝熔池7，并在形成所述焊缝熔池7的各部件的结合部位外侧涂覆用以防止熔化的焊接液泄漏的耐火泥层；随后在对应于焊缝熔池7的位置处安装有的水冷焊枪4，根据工件的实际尺寸不同而采用不同数量的焊枪同时进行焊接；焊接前先将水冷模具连通循环冷却水，循环冷却水在水冷模具中的流量根据焊接工件尺寸大小及所需热量通过压力表示数进行调节，焊接过程中保证水冷模具水循环正常；

（3）采用丝极电渣焊进行焊接：水冷焊枪4的机头部分安装有对应的液位探针，探针可选钨棒、银铜合金棒中的至少一种，或选择其它类似的能够耐钢爪头焊接温度的金属棒体，用以对焊缝熔池7中之液面的高度实时监测，当探针接触熔池液面，产生信号并反馈至系统指令，实现焊接过程中水冷焊枪4的高度随检测到的焊缝熔池7中的液面的上升高度而相应提升，直至焊接过程中产生的热量将焊缝填充金属和两侧母材完全熔合成为一个整体，且在焊接开始时撒入焊剂防止熔池高温氧化；所用的焊丝为埋弧焊丝，焊丝直径φ=0.8-6.0mm，焊接时根据实际需要焊丝可以摆动焊接，也可以不摆动焊接；焊剂在焊接过程中始终在熔池的上面，焊接完成后焊剂自然脱落，实现阳极钢爪的全截面高质量焊接。

实施例3：利用实施例2中的阳极钢爪焊接的方法对旧阳极钢爪进行修复，其步骤与实施例2的不同之处在于，步骤（1）之前，还包括以下步骤：将旧钢爪头切除，切割一段合适的圆钢作为新的钢爪头，并满足，圆钢长度l=切除的钢爪头长度l-焊缝宽度d。

本发明不仅适用于结构钢爪的制作生产，同样适用于旧钢爪的修复。本发明焊接成本低，与传统工艺相比，能够节省开坡口及返修费用投入，且效率高、降低人工成本投入。焊接完成的焊接接头，力学性能优异(抗拉强度≥260mpa)，全截面焊接能保障良好导电性，可以达到母材的同等性能，其使用寿命明显比传统的铸造钢爪和手工电弧焊焊接的钢爪使用寿命长，在其使用过程中压降和电耗也更低，可以产生巨大的经济效益。

上面结合附图和实施例对本发明作了较详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。