永久型陰極板導(dǎo)電桿銅-鋼異種金屬連接工藝及性能分析.pdf

1、永久型陰極板銅電解技術(shù)是一種高效綠色的新型銅電解技術(shù)。此種技術(shù)的重要特點(diǎn)是將傳統(tǒng)方法中只能使用一次的電解始極板替換為可以反復(fù)使用的不銹鋼陰極板。由于傳統(tǒng)電解方法需要對工藝生產(chǎn)中種板加工系統(tǒng)和始極板剝離系統(tǒng)投入大量的人力和物力，而永久型陰極板銅電解技術(shù)則恰好省略了這兩大系統(tǒng)，因而其生產(chǎn)成本更低，生產(chǎn)效率更高。永久型陰極板銅電解技術(shù)因其效率高，壽命長，產(chǎn)量高，綠色環(huán)保特別適合優(yōu)質(zhì)電解銅大批量、大規(guī)模的生產(chǎn)，所以其成為了目前全球銅電解技術(shù)的主

2、要發(fā)展趨勢，也成為了我國當(dāng)前被大型銅電解廠和在建銅電解工程所更換和引進(jìn)的主流技術(shù)。陰極板導(dǎo)電桿作為此項(xiàng)新型技術(shù)的關(guān)鍵部件，在我國目前還沒有出現(xiàn)完全自主和廣泛使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝，仍需要大量進(jìn)口。因此，實(shí)現(xiàn)陰極板導(dǎo)電桿國產(chǎn)化的工藝與制造具有重要的工程與經(jīng)濟(jì)意義。
　　由于永久型陰極板導(dǎo)電桿一般采用鋼銅包覆結(jié)構(gòu)，焊縫處于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，其結(jié)合界面具有不可見性，而且銅和鋼物理性能相差較大，在焊接過程中容易產(chǎn)生變形、裂紋等焊接缺陷，因此使用

3、傳統(tǒng)的焊接工藝很難適應(yīng)此種特殊結(jié)構(gòu)的連接。高頻感應(yīng)釬焊具有焊接溫度較低，熱源可控性強(qiáng)，內(nèi)部焊縫的熱源可達(dá)性好，而且釬料中的合金元素能有效避免焊接缺陷產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)。所以本文提出了采用高頻感應(yīng)釬焊的方法進(jìn)行永久型陰極板導(dǎo)電桿的模擬釬焊試驗(yàn)。
　　針對永久型陰極板導(dǎo)電桿的模擬試驗(yàn)，首先，本文選用Sn-Cu系二元共晶釬料作為實(shí)驗(yàn)所用釬料，并在焊接前在不銹鋼工件的施焊表面進(jìn)行釬料的預(yù)置涂敷；其次，本課題共設(shè)計(jì)十八組工藝試驗(yàn)，主要分為五大部分，

4、其中涉及加熱電流、中停時(shí)間等五個(gè)重要的工藝參數(shù)并在其中涉及兩種工件類型；然后，再利用光學(xué)顯微鏡，掃描電子顯微鏡(SEM)，能譜儀(EDS)，X射線衍射儀(XRD)分析研究了不同工藝參數(shù)下形成釬焊接頭的微觀組織、物相種類及元素分布，同時(shí)采用智能金屬導(dǎo)體電阻率儀、電子萬能試驗(yàn)機(jī)和顯微硬度計(jì)對銅-鋼焊接接頭的導(dǎo)電性能、硬度、強(qiáng)度等各項(xiàng)性能進(jìn)行了檢測，通過不同試樣各項(xiàng)性能的不同反映出試樣在化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)上對接頭性能的影響以及實(shí)驗(yàn)工藝對接頭性

5、能造成的差異。
　　通過光學(xué)顯微鏡，掃描電子顯微鏡和能譜儀的分析結(jié)果可得，第一種工件在合理工藝參數(shù)下焊后釬縫無明顯的焊接缺陷且界面清晰；接頭可明顯分為銅側(cè)反應(yīng)擴(kuò)散層、焊縫中間層和鋼側(cè)反應(yīng)擴(kuò)散層；銅側(cè)反應(yīng)擴(kuò)散層的厚度均大于鋼側(cè)反應(yīng)擴(kuò)散層的厚度；第二種工件為銅鋼包覆模擬工件，此類工件焊后釬縫平整無缺陷；接頭處只含有一個(gè)反應(yīng)擴(kuò)散層，此反應(yīng)擴(kuò)散層與銅側(cè)母材無明顯界面區(qū)分，與不銹鋼側(cè)母材的界面清晰明顯；焊接時(shí)由于包覆結(jié)構(gòu)，工件內(nèi)部熱量集中，

6、預(yù)置錫層完全擴(kuò)散至銅側(cè)母材中。
　　綜合釬焊接頭組織形貌、元素分布、物相組成和試樣導(dǎo)電性能檢測結(jié)果可得，影響試樣接頭導(dǎo)電性能的原因主要有兩個(gè)：第一，加熱電流越大，加熱時(shí)間越長，保溫時(shí)間越長，即工件的焊接熱輸入過大，試樣的導(dǎo)電性能則會出現(xiàn)下降趨勢，這主要是由于工件焊接時(shí)，長時(shí)間處于高溫條件下Cu與Sn會生成Cu3Sn，此銅錫化合物會對導(dǎo)電過程中載流子的定向移動速度產(chǎn)生阻礙，導(dǎo)致試樣導(dǎo)電率的下降；第二，接頭缺陷越少，致密性越好，導(dǎo)電性

7、能越好，這主要是由于接頭連續(xù)性不好，接觸表面連接情況不均一影響電流在高低電勢的流動。通過接頭強(qiáng)度接頭硬度的檢測結(jié)果可得，第二類工件的接頭拉伸強(qiáng)度明顯優(yōu)于第一類工件的接頭拉伸強(qiáng)度，第二類工件的接頭硬度也高于第一類工件的接頭硬度，這說明包覆結(jié)構(gòu)會使焊接時(shí)的熱量在內(nèi)部較集中，導(dǎo)致銅錫鋼進(jìn)行了充分的冶金反應(yīng)并且生成了較多類似Cu3Sn的脆硬相。
　　綜合以上試驗(yàn)及檢測結(jié)果，本文獲得的最佳工藝參數(shù)能夠得到焊縫成形美觀、連接強(qiáng)度優(yōu)良、導(dǎo)電性能