电解铝阳极导杆钢—铝摩擦焊接性能与经济性的研究

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【摘要】本文主要通过对纯铝和铸钢的摩擦焊接进行实验，分析了其接头处的力学性能。结果说明：当在处于选定的工艺参数为条件的前提下，接头的成型良好，具有较低的残余应力，能有效增加电解铝铝钢连接的使用寿命，且与传统的爆炸焊接相比，此类方法更具经济效益且节能的效果明显。

【关键词】钢—铝摩擦焊接；残余应力；经济性

1铸铝-铸钢摩擦焊实验及接头性能分析

1.1实验方法

鉴于不同材料与相同材料的焊接性能不同，通过对不同材料在使用摩擦焊后进行焊接的性能分析，并结合铸钢和铸铝焊接时的特点，拟使用连续驱动的摩擦焊方式对铸钢棒与铸铝棒进行焊接实验。通过对焊接接头的性能分析，进而找到工艺的最佳参数和变化的规律。

另外，在此实验中所选用的母材是铸钢与铸态的纯铝。为了使接头的质量得到保证，对焊接的端面进行实验前，需要通过机械进行加工。

1.2影响电解铝导杆钢—铝连接使用寿命的主要因素分析

目前，大量应用于电解铝导杆钢—铝连接的是钢铝爆炸焊片，在爆炸焊接过程中，将产生很大的变形与热量，焊接完成后形成较大的残余应力；首先，较大的参与应力存在，在焊接钢爪与钢铝爆炸焊片、钢铝爆炸焊与阳极导杆时，因焊接产生形变与残余应力相互作用，而出现细微的分层等问题，直接影响使用安全与寿命；其次，由于在电解铝的使用环境中，具有较高的温度，残余应力易于产生热疲劳，从而降低钢铝连接的强度，影响了使用寿命。

2焊接工艺参数对接头残余应力的影响

2.1试样残余应力产生的原理

在摩擦过程中，以焊缝为中心的区域以远高于周围区域的速度被急剧加热。因焊缝为中心周围的热影响区材料受热而膨胀，膨胀受到温度较低区域的约束，受到挤压，产生塑性变形，形成压应力；在冷却过程中，受到挤压的塑形变形的这部分区域又收到周围区域的约束而无法变形，形成拉应力；而在中心区域，收缩受到热影响区约束而产生拉应力；不同区域受热和冷却过程中的体积变化，另外由于相变的影响，也会产生相变残余应力。

2.2试样残余应力数据分析

根据焊接残余应力测试结果，焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接残余应力的决定性因素。温度分布不均匀越大，焊接残余应力越大。通过对比2号样与3号样，可得出摩擦时间越长、转速越高，产生热量越大，温差越大，所产生的温度梯度大，温度分布不均匀大，因此产生的焊接残余应力大；对比1号样与2号样，1号样摩擦时间较长，转速越低，产生热量越较小，因时间较长所产生的温度梯度较小，因此得到较低的焊接残余应力。

3与爆炸焊接相比，摩擦焊的技术优势与经济优势

3.1摩擦焊的技术优势

（1）摩擦焊的焊接工艺易于调整和掌控，热影响区较窄，采用合理工艺可有效降低残余应力。

（2）扭矩与轴向的压力同时在摩擦焊的表面和附近产生作用，进而产生力学冶金的效益。

（3）摩擦的焊头不会产生跟凝固与融化冶金存在关联的焊接缺陷与焊接催化现象。

3.2摩擦焊的经济优势

对于电解铝企业来说，通过使用摩擦焊接铸铝-铸钢连接片，能有效增加阳极导杆与钢爪的使用寿命与连接质量，不仅能节省材料使用，同时可也大量节省人力成本，安全生产成本，能耗成本等。

对于生产钢铝连接片企业来说，使用摩擦焊的方法特别能够适用于大批量的生产。如果能够配备自动的上下料和焊前与焊后辅助工序中机械化的装置，企业的生产效率也将进一步得到提高；另外，此类方法在焊接时不需要特殊的电源，其所消耗的尽量仅为传统方式的20%且无需增加其他辅助材料，所以可以算得上是一种低消耗、节能的技术手段。

4结语

随着时代的发展和科技的进步，摩擦焊的方法正在逐步应用于电解铝导杆钢—铝的连接工艺当中，由于其具有技术与经济上的优势，备受广大企业的关注。尽管目前其应用范围较为有限，但随着时间的推移，摩擦焊在电解铝导杆钢—铝的连接工艺中的使用也将不断扩大，企业也将获得更好的经济效益。

参考文献：

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[2]刘希烈，许凝.世界及中国铝工业发展趋势（兼论280kt铝厂电解槽技术比选）[J].世界有色金属，2010.

[3]傅莉，毛信孚，史学芳.LF6防锈铝与HR-2抗氢不锈钢摩擦焊接[J].焊接学报，2008.

作者简介：

陈兴禄（1983—），男，汉族，贵州遵义，广西投资集团银海铝业有限公司，材料业务员，助理工程师，研究方向：铝加工工艺及材料成本控制管理。