一种锌电解阴极导电头铜和铝异质金属复合方法与流程

本发明属于电解锌技术领域，涉及一种锌电解阴极导电头的制作方法，特别涉及一种锌电解阴极导电头铜和铝异质金属复合方法。

背景技术：
目前，通过铜/铝双金属镶嵌铸造或者爆炸焊接方法制作锌电解阴极导电头。存在以下缺陷：1）铜/铝双金属镶嵌铸造的金属界面间是通过预先在铜表面镀锡,形成铜/铝金属间的接合。由于金属锡强度低，界面接合力差，在实际工况条件下,两金属界面易开裂，导致包覆在铝中的金属铜被逐渐腐蚀。2）由于金属锡的导电性差于铜和铝，在大的工作电流传输条件，其电阻率所产生的差异影响明显。3）在酸性气相介质作用下，以硫酸盐为主的盐,极易在铜/铝结合面开裂后的间隙中形成积累，甚至可将铜/铝结合面胀开，导致槽电压和导电触头温度升高，严重影响电流效率。4）由于铜/铝接合面的开裂和渐进腐蚀，其导电性呈逐渐下降趋势。5）影响铜/铝双金属镶嵌铸造质量的因素较多，产品质量的一致性难以控制。6）爆炸焊接方法不仅成本高，而且可实现金属界面冶金结合的比例仅有80～90%。7）与国外电解锌生产中的机械剥锌方法不同,国内大多采用的是人工剥锌。当电解锌皮出现粘板后，因粗放操作，单纯钎焊或爆炸焊接的铜触头在受到较大冲击力时，铜触头易脱落。若铜触头落入电解槽中,将会导致电解液恶化。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种锌电解阴极导电头铜和铝异质金属复合方法，增大了异质金属界面的冶金结合比例，提高金属界面结合力，增强铜/铝过渡层的耐气相腐蚀性，降低接触电阻和直流电单耗。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种锌电解阴极导电头铜和铝异质金属复合方法，具体按以下步骤进行：步骤1：分别取铜块和铝块；清理铜块的焊接面和铝块的焊接面；步骤2：当所用铜块的材质为T2，铝块的材质为L1060时：在清理后铜块的焊接面上和清理后铝块的焊接面上分别涂覆钎剂；在清理后铜块的焊接面上和清理后铝块的焊接面上分别涂覆所用钎料的专用钎剂；在铝块焊接面涂覆的钎剂上铺设第一钎料，铺设第一钎料时，以铝块焊接面的中线为对称轴，将第一钎料对称铺设在铝块的焊接面上，然后，将铜块堆叠在铝块的焊接面上，使铜块焊接面与铝块焊接面上的第一钎料相接触，形成第一坯料；将第一坯料加热至600±5℃，使第一钎料熔化，停止加热，取出，加压，空冷；制得铜和铝异质金属复合的锌电解阴极导电头。当所用铜块的材质为T2，铝块的材质为L6101时：在铝块焊接面铺设第二钎料，铺设第二钎料时，以铝块焊接面的中线为对称轴，将第二钎料对称铺设在铝块的焊接面上，然后，将铜块堆叠在铝块的焊接面上，使铜块焊接面与铝块焊接面上的第二钎料相接触，形成第二坯料；将第二坯料加热至520±5℃，使第二钎料熔化，停止加热，取出，加压，空冷；夹紧钎焊后的工件，使长度较长的两条焊缝中的一条焊缝向上，对该焊缝进行搅拌摩擦焊接，然后，翻转180°，使另一条长度较长的焊缝朝上，对该焊缝进行搅拌摩擦焊接；两次搅拌摩擦焊接的焊缝深度均大于5mm，对该焊缝进行搅拌摩擦焊接；切割去除搅拌摩擦焊的工艺孔，制得铜和铝异质金属复合的锌电解阴极导电头。本发明复合方法采用非真空钎焊技术制作铜/铝复合锌电解阴极导电头，铜/铝异质金属界面间的冶金结合面积可达到95%以上。焊缝饱满、密实，在复杂酸性气相条件下,具有较好的耐腐蚀性，且金属铜的用量少，仅为原用量的1/3；较爆炸焊接方法，经搅拌摩擦焊后，铜/铝异质金属间，无明确的铜/铝过渡界面，进而消除了焊接界面金属硬脆组织的影响，提高了焊缝的韧性，制作成本低，仅为原成本的1/2，制作工况条件好，无任何有害气体或废弃物排放。附图说明图1是现有的双金属铸造导电头配装的电解锌阴极与实施例1制得的导电头配装的电解锌阴极中生产过程在各六槽槽电压平均值曲线对比图。图2现有的双金属铸造导电头配装的电解锌阴极导电触头上端30mm处与实施例1制得的导电头配装的电解锌阴极导电触头上端30mm处在生产过程中温度变化曲线对比图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。目前，锌电解阴极导电头以传统的铜和铝双金属镶嵌铸造方法为主，其存在着界面结合力差，两金属界面易开裂的显著缺陷。实际工况条件下，酸性气相介质易从开裂处进入，金属铜被逐渐腐蚀。随着腐蚀面积的增大，以及复杂酸性气相介质在缝隙处沉积结晶盐的累积，使导电头的导电性呈逐渐下降趋势，且导电头工作温度也会逐渐升高；再由于铜和铝间的金属锡的导电性低于铜和铝，在大的工作电流传输条件下，其电阻率所产生的差异影响明显，同样导致槽电压和导电触头温度升高，进而影响电流效率。影响双金属镶嵌铸造方法生产的导电头质量的因素多、导电头质量问题难以及时发现，使得成品导电头的质量一致性难以控制。为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种锌电解阴极导电头铜和铝异质金属复合方法，能够增加金属界面的冶金结合比例，提高金属界面结合力，降低接触电阻和直流电单耗。该复合方法具体按以下步骤进行：步骤1：分别取铜块和铝块，所取铜块的尺寸和铝块的尺寸均与现有的制备锌电解阴极导电头方法中所需铜块的尺寸和铝块的尺寸相同；所取铜块的材质为T2，所取铝块的材质为L1060或L6101，铜块和铝块均为长方体。步骤2：清理铜块的焊接面和铝块的焊接面；步骤3：当所用铜块的材质为T2，铝块的材质为L1060时：在清理后铜块的焊接面上和清理后铝块的焊接面上分别涂覆所用钎料的专用钎剂；在铝块焊接面涂覆的钎剂上铺设第一钎料，铺设第一钎料时，以铝块焊接面的中线为对称轴，将第一钎料对称铺设在铝块的焊接面上，第一钎料所围成图形的形状与铝块焊接面的形状相同，第一钎料所围成图形的各边界与各边界对应的铝块边界之间的距离为2～3mm；然后，将铜块堆叠在铝块的焊接面上，使铜块焊接面与铝块焊接面上的第一钎料相接触，形成第一坯料；将第一坯料加热至600±5℃，使第一钎料熔化，停止加热，取出，用手动压力机加压，使熔化后呈液态的第一钎料能更好地填满铜块焊接面与铝块焊接面之间的间隙，空冷；制得铜和铝异质金属复合的锌电解阴极导电头。第一钎料为专利申请《一种复合钎料药芯铝焊丝及其制备方法》（申请号201310553434.X，公布号CN103612026A，公布日2014.03.05）公开的复合钎料药芯铝焊丝中的外皮。步骤3中的专用焊剂为该专利申请公开的复合钎料药芯铝焊丝中的药芯。当所用铜块的材质为T2，铝块的材质为L6101时：在铝块焊接面铺设第二钎料，铺设第二钎料时，以铝块焊接面的中线为对称轴，将第二钎料对称铺设在铝块的焊接面上，然后，将铜块堆叠在铝块的焊接面上，使铜块焊接面与铝块焊接面上的第二钎料相接触，形成第二坯料；将第二坯料加热至520±5℃，使第二钎料熔化，停止加热，取出，用手动压力机加压，使熔化后呈液态的第二钎料能更好地填满铜块焊接面与铝块焊接面之间的间隙，空冷；用平口钳夹紧钎焊后的工件，使长度较长的两条焊缝中的一条焊缝向上，对该焊缝进行搅拌摩擦焊接，然后，翻转180°，使另一条长度较长的焊缝朝上，对该焊缝进行搅拌摩擦焊接；两次搅拌摩擦焊接的焊缝深度均大于5mm，对该焊缝进行搅拌摩擦焊接；切割去除搅拌摩擦焊的工艺孔，制得铜和铝异质金属复合的锌电解阴极导电头。第二钎料采用上海龙茂机电设备有限公司生产的E22NC铜铝药芯钎焊焊丝。搅拌摩擦焊时采用中航工业集团北京赛福斯特技术有限公司生产的FSW-TS-M16台式搅拌摩擦焊设备；坯料的加热温度应当高于钎料融化温度20～30℃。若温度偏低，熔融态钎料与焊接金属不能实现充分浸润，而导致焊接面缺陷较多，焊接效果差；由于钎剂有降低焊接金属熔点的作用，当温度过高时，将导致铝块的焊接面快速熔化，造成焊接失败。钎焊是利用熔点比被焊金属低的钎料，熔化后依靠毛细管作用和加压处理,使液态钎料填满焊接面间隙，并与母材之间相互扩散实现连接的。钎焊与熔焊的主要不同之处在于：钎焊时只有钎料熔化，被焊金属不熔化，液态钎料依靠润湿作用和毛细管作用进入两焊件之间的间隙内，从而形成焊接，依靠液态钎料和固态金属的相互扩散而达到原子的结合；同时这两种材料相互进行配合。摩擦焊是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。与常规焊接的不同之处在于，搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体外形的焊头伸进工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。本发明针对国内电解锌生产的实际工况条件，将铜/铝异质金属复合的非真空钎焊和搅拌摩擦技术应用于锌电解阴极导电头的制备，增大导电触头面积，提高金属界面的冶金结合比例，增强金属过渡界面的结合强度，降低接触电阻和电解锌生产中的直流电单耗。实施例1按现有的制备锌电解阴极导电头方法中所需铜块和铝块的规格，分别取铜块和铝块；铜块的材质为T2，铝块的材质为L1060。清理铜块铝块的焊接面；在清理后铜块的焊接面上和清理后铝块的焊接面上分别涂覆钎剂；在铝块焊接面涂覆的焊剂上铺设第一钎料，铺设第一钎料时，以铝块焊接面的中线为对称轴，将第一钎料对称铺设在铝块的焊接面上，第一钎料所围成图形的形状与铝块焊接面的形状相同，第一钎料所围成图形的各边界与各边界对应的铝块边界之间的距离为2～3mm；将铜块与铝块堆叠，使铜块的焊接面朝向铝块的焊接面，形成第一坯料，将该第一坯料置于加热装置内，升温至600℃，使第一钎料熔化，停止加热，用手动压力机加压，空冷；制得铜和铝异质金属复合的锌电解阴极导电头。在电解锌生产中,电解槽的槽电压是衡量直流电单耗的重要指标。槽电压降低10mV，每吨电积锌的直流电单耗可下降9kW.h。用现有的双金属铸造导电头和实施例1制得的导电头分别配装电解锌阴极。在工作电流28kA时，用实施例1制得的导电头配装的电解锌阴极的槽电压，低于双金属铸造导电头配装的电解锌阴极的槽电压11mV。在工作电流33kA时，用实施例1制得的导电头配装的电解锌阴极的槽电压，低于双金属铸造导电头配装的电解锌阴极的槽电压19mV。实测双金属铸造的导电头和实施例1制得的导电头分别配装的电解锌阴极各六槽槽电压的平均值，见图1。图1中横坐标上序号1～11的工作电流为28kA，序号12～26的工作电流为33kA，从图1中可看出,在不同工作电流条件下,槽电压的26次测定结果显示,用实施例1制得的导电头所配装电解锌阴极槽电压均低于用现有的双金属铸造导电头所配装电解锌阴极槽电压；二者的槽电压差值随工作电流的升高而增大。说明了用实施例1制得的导电头，改善了导电触头的搭接效果和铜/铝过渡层的电流传输，从而提高了电解锌阴极的导电性能。在排除车间通风所产生的差异条件下，分别各取6槽中间段的25只阴极导电头，测量其温度,以观察导电触头搭接和铜/铝界面接合状态。若搭接不良或导电头铜/铝接合界面的导电性能降低，则接触电阻增大时，会导致靠近搭接点位置的温度偏高或同组导电触头的温差较大。而实测温度较低的导电触头，说明金属间导电状态正常，所做无效功相对较少。对现有的双金属铸造导电头和实施例1制得的导电头分别配装的电解锌阴极导电触头上端30mm处的温度相比较，用实施例1制得的导电头所配装电解锌阴极导电触头的实测温度,较现有双金属铸造导电头所配装电解锌阴极导电触头的实测温度，平均低0.9℃。实测温度的变化趋势图，见图2。从图2看出，在排除车间通风所产生的差异条件下，在所测定导电触头平均温度的12天中，用实施例1制得导电触头上端30mm处的平均温度均低于用现有双金属铸造导电触头同一位置的平均温度。说明由于导电触头的搭接效果和铜/铝过渡层的电流传输的改善，降低了电流在传输过程中的无效能耗。用铜/铝异质金属复合的非真空钎焊技术，实现的铜/铝复合锌电解阴极导电头，具有铜/铝复合面冶金结合性好，消除了接触电阻，导电性好；铜导电触头面积大，可提高电流通过量，有利于降低直流电单耗；缺陷易于在生产过程中发现，有利于质量控制；制作工艺可控制性好，大批量生产产品质量稳定，以及成本较低等明显特点。实施例2按现有的制备锌电解阴极导电头方法中所需铜块和铝块的规格，分别取铜块和铝块；铜块的材质为T2，铝块的材质为L1060。清理铜块和铝块的焊接面；在清理后铜块的焊接面上和清理后铝块的焊接面上分别涂覆钎剂；在铝块焊接面涂覆的焊剂上铺设第一钎料，铺设第一钎料时，以铝块焊接面的中线为对称轴，将第一钎料对称铺设在铝块的焊接面上，第一钎料所围成图形的形状与铝块焊接面的形状相同，第一钎料所围成图形的各边界与各边界对应的铝块边界之间的距离为2～3mm；将铜块与铝块堆叠，使铜块的焊接面朝向铝块的焊接面，形成第一坯料，将该第一坯料置于加热装置内，升温至605℃，使第一钎料熔化，停止加热，用手动压力机加压，空冷；制得铜和铝异质金属复合的锌电解阴极导电头。实施例3按现有的制备锌电解阴极导电头方法中所需铜块和铝块的规格，分别取铜块和铝块；铜块的材质为T2，铝块的材质为L1060。清理铜块和铝块的焊接面；在清理后铜块的焊接面上和清理后铝块的焊接面上分别涂覆钎剂；在铝块焊接面涂覆的焊剂上铺设第一钎料，铺设第一钎料时，以铝块焊接面的中线为对称轴，将第一钎料对称铺设在铝块的焊接面上，第一钎料所围成图形的形状与铝块焊接面的形状相同，第一钎料所围成图形的各边界与各边界对应的铝块边界之间的距离为2～3mm；将铜块与铝块堆叠，使铜块的焊接面朝向铝块的焊接面，形成第一坯料，将该第一坯料置于加热装置内，升温至595℃，使第一钎料熔化，停止加热，用手动压力机加压，空冷；制得铜和铝异质金属复合的锌电解阴极导电头。实施例4按现有的制备锌电解阴极导电头方法中所需铜块和铝块的规格，分别取铜块和铝块；铜块的材质为T2，铝块的材质为L6101。清理铜块和铝块的焊接面；在铝块焊接面上铺设第二钎料，以焊接面中线对称放置第二钎料；将铜块与铝块堆叠，使铜块的焊接面朝向铝块的焊接面，形成第二坯料，将该第二坯料置于加热装置内，升温至520℃，使第二钎料熔化，停止加热，用手动压力机加压，空冷；用平口钳夹紧钎焊后的工件，使长度较长的两条焊缝中的一条焊缝向上，对该焊缝进行搅拌摩擦焊接，然后，翻转180°，使另一条长度较长的焊缝朝上，对该焊缝进行搅拌摩擦焊接；两次搅拌摩擦焊接的焊缝深度均大于5mm，对该焊缝进行搅拌摩擦焊接，切割去除搅拌摩擦焊的工艺孔，制得铜和铝异质金属复合的锌电解阴极导电头。用现有的双金属铸造导电头和实施例4制得的导电头分别配装电解锌阴极。在工作电流28kA时，用实施例4制得的导电头配装的电解锌阴极的槽电压，低于双金属铸造导电头配装的电解锌阴极的槽电压10.88mV。在工作电流33kA时，用实施例4制得的导电头配装的电解锌阴极的槽电压，低于双金属铸造导电头配装的电解锌阴极的槽电压18.85mV。实测双金属铸造的导电头和实施例4制得的导电头分别配装的电解锌阴极各六槽槽电压的平均值，在不同工作电流条件下,槽电压的26次测定结果显示,用实施例4制得的导电头所配装电解锌阴极槽电压均低于用现有的双金属铸造导电头所配装电解锌阴极槽电压；二者的槽电压差值随工作电流的升高而增大。说明了用实施例4制得的导电头，改善了导电触头的搭接效果和铜/铝过渡层的电流传输，从而提高了电解锌阴极的导电性能。在排除车间通风所产生的差异条件下，分别各取6槽中间段的25只阴极导电头，测量其温度,以观察导电触头搭接和铜/铝界面接合状态。若搭接不良或导电头铜/铝接合界面的导电性能降低，则接触电阻增大时，会导致靠近搭接点位置的温度偏高或同组导电触头的温差较大。而实测温度较低的导电触头，说明金属间导电状态正常，所做无效功相对较少。对现有的双金属铸造导电头和实施例4制得的导电头分别配装的电解锌阴极导电触头上端30mm处的温度相比较，用实施例4制得的导电头所配装电解锌阴极导电触头的实测温度，较现有双金属铸造导电头所配装电解锌阴极导电触头的实测温度，平均低0.8℃。在排除车间通风所产生的差异条件下，在所测定导电触头平均温度的12天中，用实施例4制得导电触头上端30mm处的平均温度均低于用现有双金属铸造导电触头同一位置的平均温度。说明由于导电触头的搭接效果和铜/铝过渡层的电流传输的改善，降低了电流在传输过程中的无效能耗。实施例5按现有的制备锌电解阴极导电头方法中所需铜块和铝块的规格，分别取铜块和铝块；铜块的材质为T2，铝块的材质为L6101。清理铜块和铝块的焊接面；在铝块焊接面上铺设第二钎料，以焊接面中线对称放置第二钎料；将铜块与铝块堆叠，使铜块的焊接面朝向铝块的焊接面，形成第二坯料，将该第二坯料置于加热装置内，升温至525℃，然后按实施例4的方法制得铜和铝异质金属复合的锌电解阴极导电头。实施例6按现有的制备锌电解阴极导电头方法中所需铜块和铝块的规格，分别取铜块和铝块；铜块的材质为T2，铝块的材质为L6101。清理铜块和铝块的焊接面；在铝块焊接面上铺设第二钎料，以焊接面中线对称放置第二钎料；将铜块与铝块堆叠，使铜块的焊接面朝向铝块的焊接面，形成第二坯料，将该第二坯料置于加热装置内，升温至515℃，然后按实施例4的方法制得铜和铝异质金属复合的锌电解阴极导电头。