磁場(chǎng)環(huán)境下鋁母線修復(fù)技術(shù)與實(shí)踐

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(jì)中，鋁母線不但被認(rèn)為是疏通電流的“導(dǎo)線”，同時(shí)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(jì)，鋁母線將整流后的直流電輸送至電解槽上，流經(jīng)陽(yáng)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(gè)系列成為一個(gè)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(yáng)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(yáng)極母線與陰極母線的橋梁，各種母線將鋁電解槽一個(gè)一個(gè)地串聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)系列。

隨著電解槽的設(shè)計(jì)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(jì)變得更為復(fù)雜，整個(gè)電解車間里充斥著強(qiáng)大的電磁場(chǎng)。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(shí)會(huì)熔斷母線，直接影響導(dǎo)電與正常電解生產(chǎn)。對(duì)于母線出現(xiàn)的這些損傷，必須現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行修復(fù)。然而采用傳統(tǒng)的停電方式對(duì)沖毀母線修復(fù)施工，不僅影響正常的鋁電解生產(chǎn)，又會(huì)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(shí)，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(méi)有塑性狀態(tài)，加熱后會(huì)由固體狀態(tài)立刻變成液體狀態(tài)，所以焊接時(shí)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(chǎng)對(duì)焊接的影響

1.1 磁場(chǎng)對(duì)焊接電弧的影響

鋁電解槽的磁場(chǎng)與通過(guò)整個(gè)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(lái)看，鋁電解車間內(nèi)的磁場(chǎng)是復(fù)雜多變的，隨著電流的波動(dòng)時(shí)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(chǎng)作用下做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，電弧的導(dǎo)電性遭到破壞。在無(wú)外磁場(chǎng)作用下，正常焊接電弧在電場(chǎng)和熱場(chǎng)的影響下，形貌狀態(tài)呈圓錐狀；而有外磁場(chǎng)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(chǎng)對(duì)電弧形態(tài)的影響

龍瓊等學(xué)者[4]在研究外加磁場(chǎng)與無(wú)磁場(chǎng)下焊接的特點(diǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)外加磁場(chǎng)為交變橫向磁場(chǎng)時(shí)，電弧會(huì)隨磁場(chǎng)方向的周期性變化而產(chǎn)生擺動(dòng)。常云龍等學(xué)者[5]采用小孔探針?lè)ê透咚贁z影法對(duì)不同頻率尖角磁場(chǎng)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(chǎng)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(duì)稱分布。隨著磁場(chǎng)頻率的增加，電弧邊緣電弧壓力出現(xiàn)小幅度波動(dòng)，電弧中心壓力值最大，電弧邊緣壓力較小。

1.2 磁場(chǎng)對(duì)焊接熔池的影響

由于磁場(chǎng)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(dòng)速度加快，致使熔池側(cè)偏不對(duì)稱。在磁場(chǎng)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(dòng)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(dòng)，由于熔池兩端存在溫差，前端液態(tài)金屬溫度高，在流動(dòng)過(guò)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(duì)稱。

黃武東等學(xué)者[6]采用高速攝影對(duì)比研究外加縱向磁場(chǎng)對(duì)5083鋁合金P-GMAW過(guò)程中熔池行為的影響。發(fā)現(xiàn)無(wú)外加縱向磁場(chǎng)時(shí)，熔滴則無(wú)明顯的縮頸。外加縱向磁場(chǎng)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(chǎng)不會(huì)改變?nèi)鄣芜^(guò)渡的對(duì)稱性，但是會(huì)使熔池受到外加電磁力的作用，影響熔池流動(dòng)的對(duì)稱性，從而使焊縫偏移。在薄壁零件堆焊研究過(guò)程中，劉海華等學(xué)者[7]發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度過(guò)大將嚴(yán)重影響電弧形態(tài)及熔滴過(guò)渡，造成電弧和熔滴偏轉(zhuǎn)加劇，焊接過(guò)程穩(wěn)定性變差。

外加磁場(chǎng)干擾了等離子體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，致使熔滴大小、運(yùn)動(dòng)速度、方向發(fā)生變化產(chǎn)生飛濺，焊接熔池不對(duì)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(dòng)嚴(yán)重時(shí)甚至熄弧等，焊縫成形困難，最終整個(gè)焊接過(guò)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(cuò)位等缺陷。

1.3 磁場(chǎng)對(duì)焊縫組織及力學(xué)性能的影響

劉政軍等學(xué)者[8]分別對(duì)鎂合金母材、無(wú)磁場(chǎng)的焊接接頭、有磁場(chǎng)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(chǎng)可以明顯的改善焊接接頭的疲勞性能，無(wú)磁場(chǎng)狀態(tài)下焊接接頭的疲勞壽命為11 412次。而有磁場(chǎng)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(duì)焊縫性能的影響，外加磁場(chǎng)可以改變?nèi)鄢亓鲃?dòng)，抑制駝峰、咬邊等缺陷，消除殘余應(yīng)力，通過(guò)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(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著磁場(chǎng)電流的增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增大。此時(shí)，在電磁阻尼作用下熔池的運(yùn)動(dòng)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(wèn)題

2.1 采用電弧焊修復(fù)母線

為了避免強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)修復(fù)作業(yè)的干擾，傳統(tǒng)方式是消除帶電磁場(chǎng)，將整個(gè)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(chǎng)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(huì)受到焊機(jī)型號(hào)、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(chǎng)矢量方向的關(guān)系等影響，磁場(chǎng)環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，并沒(méi)有統(tǒng)一的磁場(chǎng)極限值，磁場(chǎng)分布和強(qiáng)度時(shí)刻在發(fā)生變化，而一旦磁場(chǎng)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(guò)模擬計(jì)算研究了傳統(tǒng)母線設(shè)計(jì)的鋁電解槽外部空間磁場(chǎng)分布，如圖2所示，距離電解槽和母線較近的區(qū)域，磁場(chǎng)強(qiáng)度和梯度較大，反之亦然。

圖2 電解車間7 m平面磁場(chǎng)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(chǎng)調(diào)整線圈電流及通電方向，達(dá)到減弱磁場(chǎng)的目的，使焊接過(guò)程正常進(jìn)行，保證焊接質(zhì)量。

許國(guó)友[13]把屏蔽消磁場(chǎng)裝置夾在短路口立柱母線上及選用專門設(shè)計(jì)的消磁導(dǎo)線，根據(jù)磁場(chǎng)的方向，把消磁導(dǎo)線在特制屏蔽消磁場(chǎng)裝置上纏繞合適的圈數(shù)，抵消部分磁場(chǎng)，進(jìn)一步降低車間磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)軌跡，從而使管口的磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)減弱或消失。

陳橋等學(xué)者[15]利用磁場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，設(shè)計(jì)了一套以鐵鎳合金作為材質(zhì)的磁場(chǎng)屏蔽裝置。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，將行程控制開(kāi)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(chǎng)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(wèn)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(jiǎn)單磁場(chǎng)環(huán)境，究其原因主要是鋁電解槽實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，槽內(nèi)的導(dǎo)體在有電流流經(jīng)時(shí)，其本身及周圍均產(chǎn)生了磁場(chǎng)，而在電解槽內(nèi)的任意一點(diǎn)，磁場(chǎng)都是三維立體的，磁場(chǎng)情況是錯(cuò)綜復(fù)雜無(wú)規(guī)律的，由于生產(chǎn)條件、電流分布等變化，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與方向也時(shí)刻在發(fā)生變化。目前，大型預(yù)焙電解槽中磁場(chǎng)強(qiáng)度密度大，磁場(chǎng)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(shí)，很難屏蔽垂直于焊縫方向的磁場(chǎng)分量。另外，母線沖毀情況是各異的，通用的防磁手段無(wú)疑會(huì)帶來(lái)成本的增加，且無(wú)法滿足各修復(fù)需求，因而無(wú)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(chǎng)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(dòng)不穩(wěn)，焊接熔池內(nèi)的熔料飛濺四射，既浪費(fèi)焊材又無(wú)法實(shí)現(xiàn)缺口處的堆積成形與正常的焊接作業(yè)。整個(gè)修復(fù)過(guò)程需要多次短時(shí)停電或者較長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)停電，帶來(lái)的后果對(duì)鋁企業(yè)而言是嚴(yán)重的，這種影響包括長(zhǎng)時(shí)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(jì)為24組陽(yáng)極，進(jìn)電端設(shè)計(jì)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(jì)12組，分別為A1～A12和B1～B12。車間內(nèi)2205號(hào)電解槽槽周母線沖毀情況嚴(yán)重，因鋼棒漏爐導(dǎo)致3號(hào)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(chǎng)沖毀情況，采用不停電磁場(chǎng)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(shì)是免受磁場(chǎng)的干擾，再者這種方法無(wú)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(duì)鋁母線的修復(fù)，如圖4所示。

圖4 方案設(shè)計(jì)

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(jì)，也是焊接修復(fù)質(zhì)量的保障。所謂的清理是由操作者對(duì)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(chǎng)作業(yè)時(shí)必須判斷母線帶電情況，絕不能隨意切開(kāi)，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(shí)切口垂直。打磨時(shí)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?jiān)?、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(chǎng)實(shí)測(cè)缺口尺寸，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)母線斷口形狀及周圍的操作空間設(shè)計(jì)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(jì)母線下料的具體尺寸。根據(jù)方案中焊口形態(tài)設(shè)計(jì)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(guò)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(duì)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(cè)溫槍觀測(cè)溫度情況。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到工藝要求時(shí)，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(duì)準(zhǔn)焊口中心。點(diǎn)燃焊劑，待焊接過(guò)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(shuō)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(yǔ)

應(yīng)用不停電磁場(chǎng)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(guò)對(duì)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(shuō)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(chǎng)磁場(chǎng)環(huán)境下對(duì)沖毀母線在線修復(fù)的技術(shù)難題。同時(shí)也為整個(gè)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。