山东清铝金属有限公司

电积锌阴极板/铜铝导电梁技术进展

一、引言

据统计，世界锌产量的80%以上均是由湿法工艺生产的。在锌的湿法冶炼工艺中，电积是主要的耗电工序，其电耗占整个工艺能耗的70%以上。降低电积锌时的电力损耗，是提高冶炼厂经济效益的重要途径，也是衡量湿法冶炼企业技术管理水平的重要标志。在锌的电积生产中，铜铝复合导电头/导电梁、阴极铝板是其中不可或缺的关键产品，铜铝导电头/导电梁与阴极铝板构成的极板系统的导电效率好坏直接影响到电积锌耗电量，其中，铜铝复合技术是阴极板的最为关键和核心的技术。提高湿法炼锌的电效可以有效降低电耗、提高电积锌产量。

二、电积锌铜铝复合导电头

2.1铜铝复合导电头/导电梁技术及工艺现状

目前电积锌所用的块状铜铝复合导电头主要有以下几种工艺：一是传统浇铸式导电头，将熔化的高温铝液浇铸包裹经过表面处理的铜材，形成铜铝导电头；二是采用爆炸焊接的方法，生产大面积铜铝复合板后分割成所需要尺寸的铜铝导电头。三是扩散焊接铜铝导电头。采用专业设备，使铜铝面在强大压力作用下焊接面产生塑性变形，随塑性变形程度的增大，接触面的破坏新鲜金属接触，被破坏的氧化膜随塑性金属流动于接触面外，使对接面金属达到原子间扩散结合形成固相连接接头。

2.1.1浇铸铜铝复合工艺

对于浇铸式导电头，由于铜铝性能的差异，无法直接浇铸。在铝铜浇铸导电头的生产中，目前国内采用的工艺均为铜材表面酸碱洗处理后进行热镀锡，以避免铝铜性质差异较大导致的铝铜结合不紧密的现象。锡的电阻率较铝铜差异明显，在20°C时，铜的电阻率为1.7×10⁻⁸
Ω·m，铝的电阻率为2.83×10^-8Ω·m，而锡的电阻率则为12.6×10^-8Ω·m，锡的电阻率分别是铝铜电阻率的4.45倍和7.41倍。镀锡层与铜铝的反应生成的金属化合物电阻较纯净金属更为增大。因为镀锡层和镀锡与铜铝化合物层的存在，严重影响了铜铝结合面的导电系数。尽管如此，铜铝仍然不能实现无缝隙结合，在电解锌潮湿的酸性腐蚀环境下，腐蚀介质侵入铜铝间隙而形成原电池反应，造成铜块的松动、脱落。同时，铝铜导电头在电解锌环境中存在不同程度的温升，温度升高使导电效率更进一步的降低，使耗能增加，导电头寿命变差。

典型的铜铝浇铸复合导电头工艺及生产方式

典型的铜铝浇铸复合导电头的生产工艺如上图所示，铜铝性能差异大，铝铜浇铸无法形成冶金结合，铜铝接触电阻大。经过锡浸镀后的铜铝仍不能达到有效结合，铜铝间有微小缝隙，酸性环境下酸雾进入铜铝间隙，导致铜铝加速腐蚀，电阻增大，温升升高，温升升高又进一步恶化导电性能，形成恶性循环。因此，铜铝导电头使用效果随使用时间下降明显。另外，铜铝浇铸导电头尺寸精度差，不便于自动剥锌。

2.1.2铜铝爆炸焊接工艺

爆炸焊接利用炸药爆炸产生的冲击力造成工件迅速碰撞而实现焊接的方法，特别适用于大面积板材的对接。将爆炸焊接铜铝复合板用电积锌导电头，首先爆炸焊接2m²以上的铜铝复合板，经过校平后再进行切割。相对于爆炸焊接复合板而言，由于局部效应的存在，极易存在局部缺陷而发生导电性能下降的现象，严重的在加工过程中即发生铜铝脱落现象。

铜铝爆炸复合工作现场及铜铝爆炸复合后的板材

由于铜铝爆炸焊局限性，导致爆炸复合生产的铜铝导电头质量一致性差，存在电解槽中爆炸、脱落现象，导致电解槽其它极板过流导致铜铝接头爆炸、脱落，严重危及生产安全

2.1.3铜铝扩散焊接工艺

铜铝扩散焊采用专业设备，使铜铝面在强大压力作用下焊接面产生塑性变形，随塑性变形程度的增大，接触面的破坏新鲜金属接触，被破坏的氧化膜随塑性金属流动于接触面外，使对接面金属达到原子间扩散结合形成固相连接接头。扩散焊接工艺成熟，接头强度高，标准拉伸试验试样断裂在铝母材处而非铜铝结合界面，采用该方法生产的导电头结合牢靠，质量稳定，一致性优于爆炸焊导电头。

3.2平米和1.6平米搭接扩散焊接铜铝复合导电头

2.2铜铝导电头的结合强度分析

为了考察不同工艺制作的铜铝复合导电头的结合强度，分别进行了浇铸导电头、爆炸焊接导电头、扩散焊接导电头抗拉强度试验。其中浇铸导电头、爆炸焊接导电头的拉力测试均是在铜铝结合处断裂，显示铜铝未能实现有效冶金结合。对国内某知名锌冶炼企业实际使用的3.2平米扩散焊接导电头进行了拉力测试，测试结果表明试样断裂在铜铝复合试件铝母材处，表明铜铝结合强度非常好，铜铝扩散焊接是一种优良的连接工艺。

某锌冶炼公司实际使用的扩散焊接3.2平米导电头拉力测试试样

目前，采用扩散焊接生产的铜铝复合导电头/导电梁在多家国内知名冶炼企业批量使用数十万件，在阴极板全寿命周期无一松动、脱落现象，获得较好的技术经济效益。

2.3铜铝复合导电头导电性能测试

对某企业实际使用的3.2平米导电头进行了导电率的测试。在铜铝导电头上通100A直流电流，测量铜铝过渡接头电压，对铜铝复合接头进行导电率测试，扩散导电头电阻率为爆炸导电头电阻率的72.34%，电阻率更低，导电性能更好。

为进一步验证对比扩散焊接导电头与爆炸焊导电头的导电性能，将两种导电头加工成直径为5mm的标准电阻测试试样。选取的三件爆炸焊导电头在车削过程中即发生铜铝脱落，无法开展下步工作。将冷压扩散焊接的导电头加工成直径为5mm长度为30mm的标准电阻测试试样，无一脱落，更进一步的说明了冷压扩散焊接的导电头具有更低的缺陷率，更好的连接强度。电阻测试采用直流电桥法，分别测量铜铝接头（焊缝在正中间）、纯铜和纯铝的室温电阻，测量结果见下表。测量结果表明冷压扩散焊铜铝接头的电阻（R_铜铝接头）与纯铜纯铝的电阻为R_铜＜R_铜铝接头＜R_铝，冷压扩散焊铜铝接头具有良好的导电性能。

冷压扩散焊导电头标准电阻对比测试

2.4扩散焊接铜铝复合导电头承载能力分析

一般说来，铜的安全载流量为5~8A/mm2，铝的安全载流量为3~5A/mm2，对于扩散焊接导电头，按电阻率计算，铜铝导电头的导电性能优于同规格的铝，因此，其安全载流量可按铝的安全载流量计算。影响载流量的瓶颈因素不在铜铝结合处，而在于铜铝导电头铝的有效载流面积。对于50*31mm的某3.2平米导电头，截面积为1250mm²，其安全载流量为3750A~6250A。而对于60*31mm某的3.2平米导电头，截面积为1500mm²，其安全载流量为4500A~7500A。一般说来，对于1.6平米的搭接导电头，按厚度为20mm，长度为70mm计算，其有效截面积为1400 mm²，其安全载流量为4200A~7000A。

2.5夹接式导电梁/导电头/阴极板技术进展

传统夹接式导电夹采用铜铝惯性摩擦焊接，导电夹与梁采用氩弧焊+螺栓加强工艺，其特点(1)产品规格一致性差，通用性差；(2)夹接力不大，多次使用后易变形；(3)导电夹与导电梁结合面小，导致接触电阻增大；(4) 螺栓容易锈蚀；(5).铜铝片装配后，锥面形状不能保证。正是由于传统夹接式导电片的以上特点，导电片与阳极接触点较多，致使槽电压升高，增大电耗。

某单位阴极板导电夹差异很大

针对传统夹接式导电夹的缺点，山东清铝金属有限公司创新性的开发出焊接一体式导电梁，新型导电夹采用冷压扩散焊接，夹接锥面与导电梁本体整体一次成型。铜铝焊接采用固相低温焊接工艺，铜铝面结合强度大于铝母材，导电性大于铝母材。铜夹接锥面一次成型，表面光滑，弹性大，多次使用不变形，外观尺寸一致性好，通用性强。同时，该方法完全摒弃了常规夹接式导电梁必不可少的螺栓连接，不但从根本上避免了螺栓锈蚀对电解液造成的铁离子等杂质污染，更可以有效降低极间距，从而更进一步的提高电流效率。

新型导电夹采用冷压扩散搅拌等组合焊接，铜锥面整体一次成型，产品具有如下几个显著的优点：(1)一次成型的铜锥面与阳极吻合度高；(2)强度高，尺寸规整，产品的通用性强，避免阴阳极的的线或点接触； (3)精准尺寸，可以实现快速上下板，最大限度的实现机械化生产；(4)一致性好，通过每个阴阳极板的电流趋于相等且更接近设计电流，整体实现最大的电流效率，上锌率高；(5)强度高，尺寸精准，平整度高，有效防止自动剥锌机卡板现象；(6)梁采用挤压铝合金型材，电阻与纯率相当，比强度是纯铝3倍，故可减轻梁的重量。

新型导电夹及夹接式铜铝复合导电梁

新型夹接式阴极板与阳极板的配合情况

新型夹接式一体导电梁及阴极板

采用新型夹接式一体导电梁，产品的通用性强，避免了阴阳极的的线或点接触。尺寸精准，可以实现快速上下板，最大限度的实现机械化生产，防止自动剥锌机卡板现象。新型夹接导电梁一致性好，通过每个阴阳极板的电流趋于相等且更接近设计电流，整体实现最大的电流效率，有效提高电流效率。

三、国内铜铝复合导电梁新技术应用介绍

3.1铜铝复合导电梁生产技术

山东清铝金属有限公司作为铜铝先进连接技术的专业生产厂家，一直致力于改进铜铝导电头的连接工艺，以获得更好的导电性能和更高的连接强度。针对铜铝浇铸导电头在电解环境下易出现的腐蚀导致铜铝结合松动，影响导电效率进而影响生产效率的情况，我公司创新的开发了铜铝导电头新型连接工艺并完成了实现了阴极导电梁（含导电头）搅拌摩擦焊接。搅拌摩擦焊焊作为一种先进的铝合金固相焊接工艺，焊接过程中 无材料的熔化和凝固现象发生，因此避免了熔化焊接中的所有缺陷现象。同时，由于搅拌摩擦焊对焊缝的锻压作用，使得焊缝较母材更为致密，在电解锌环境下，搅拌摩擦焊缝较氩弧焊缝表现出更优异的导电性能和耐腐蚀性能。

采用搅拌摩擦焊接与铜铝冷压扩散焊接铜铝复合导电头的整体阴极导电梁，导电梁几何尺寸及外形等没有任何变化，无需对现有电解锌生产工艺进行任何调整，下表为两种不同工艺的技术经济性对比。

不同工艺阴极导电梁技术经济性对比

必须指出的是，传统搅拌摩擦焊在阴极铝梁与导电头的焊接过程中存在端部未焊合区域，该区域约8~10mm，占整个导电头有效载流面积的16~20%，较大的影响了导电头通过电流的能力。3.2平米导电梁端部未焊合现象是由于搅拌摩擦焊的工艺特点所决定的搅拌摩擦焊的特点要求搅拌头必须在被焊材料之内，在焊接锻压力的作用下搅拌针的搅拌破碎消除焊缝界面，形成材料的冶金结合。由于搅拌头结构设计的要求，必然导致最端头的材料无法实现焊接，具体到阴极导电梁和导电头的焊接中，端头大约存在6~7mm的未焊合区域。同时，在搅拌针扎入被焊材料的阶段，存在较大的焊接力，在热的作用下，材料向两侧挤压变形，最终形成了图中所示的端部缝隙，该缝隙属于局部现象，存在于焊缝端部不大于10mm范围内。同时，在焊接终了阶段留有直接约8mm的锥形尾孔。尾孔和焊接端部的裂隙尽管不属于焊接缺陷，但对导电梁的导电性能和外观质量造成比较大的影响。

针对搅拌摩擦焊（FSW）焊接的工艺特点，山东清铝创新性的提出了无尾孔无端部裂隙的新型FSW方法，实现了焊接导电梁无尾孔、无端部裂隙焊接，导电梁的外观更加美观，也改善了导电梁的导电性能。

传统搅拌摩擦焊生产的3.2平米导电梁（带有尾孔和端部裂隙的阴极导电梁）

批量生产的3.2平米及1.6平米无尾孔无端部裂隙阴极导电梁

3.2铜铝复合导电梁/阴极板在国内应用情况

铜铝导电头/导电梁作为电积锌电积效率的重要控制环节，国内各大厂家均积极采用新型的铜铝导电头/导电梁应用于实际生产中。其中，驰宏锌锗公司进行了1.6平米焊接铜铝导电梁的批量应用；中金岭南丹霞冶炼厂进行了导电梁的国产化，采用了国内生产的焊接3.2平米阴极导电梁，导电梁采用了扩散焊接导电头。河南豫光金铅股份有限公司在二期升级改造中1.6平米导电梁计划全部采用焊接一体铜铝复合导电梁，导电梁同样采用了扩散焊接导电头，目前首批产品已陆续到货。国内其他小型冶炼厂也积极采用新型的焊接导电梁或导电头技术，比如云南罗平一家单位采用的焊接一体铜铝复合导电梁，湖南某单位采用的焊接铜铝复合导电头等（见下图）。

批量生产的搭接式阴极板

目前国内已有数十家企冶炼企业已积极采用新型焊接式一体铜铝复合导电梁/导电头/阴极板，更有一些阴极板生产厂家采购我公司生产的铜铝扩散焊接导电头、导电梁产品。各家客户都给予了很高的评价。中金岭南丹霞冶炼厂评价“导电梁做工比国外进口产品都要漂亮，使用效果也完全媲美进口产品”，豫光金铅评价“焊接导电梁和导电头较之前浇铸式导电梁和导电头+氩弧焊的方式产品完全不是一个档次的”。

四、结束语

多年来，山东清铝金属有限公司生产的铝铜复合导电头在电积锌生产中表现可靠，成为湿法冶金生产企业和极板生产企业的不二之选。山东清铝金属有限公司有将继续深入研究钎焊、扩散焊、氩弧焊、电阻焊、爆炸焊、激光焊、摩擦焊及其它先进的焊接方法，提供各种规格的铜铝复合导电头、铜铝复合导电片等产品。

山东清铝致力于铝、铜复合导电头技术进步和最新技术的研发，精益求精，持续改进，以期生产出更好的产品，为客户降低能耗，提高效率，满足客户的各项要求。