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永久阴极铜电解技术因其短流程、效率高、寿命长、产量高和能耗低等优点渐渐取代了传统的始极片技术,而此技术的关键在于使用不锈钢阴极板代替了只能使用一次的电解始极板。目前永久型阴极板铜电解技术可分为ISA、KIDD、OT三种工艺方法,这三种工艺方法的阴极板都是采用钢铜包覆然后再与不锈钢连接的结构。此结构使得阴极板制造有一定难度,同时两次连接接头大大降低了接头的导电率,增加了电力消耗,如果能实现阴极板与导电杆铜/钢直接连接结构,不仅能提高其制造效率,而且一次连接的接头比原工艺的两次连接的接头产生的电阻更低,提高了电能-化学能的转化效率。因此针对新型铜/钢直连型电解铜永久型阴极板焊接接头的特殊要求,本文对T2紫铜和316L不锈钢的连接工艺、性能及焊接结构进行了研究。本文首先对比分析了激光焊和钨极氩弧焊两种不同熔焊工艺对铜/钢接头的焊缝成型、微观组织、力学性能和导电性能的影响;为提高腐蚀环境下阴极板的使用寿命,对比研究了TIG自熔焊与激光自熔焊所得铜/钢接头的抗腐蚀性能,同时采用三种不同Ni含量的铜-镍焊丝对铜/不锈钢进行TIG填丝焊接,研究Ni对铜/钢接头的导电性及腐蚀性能的影响;针对阴极板制造结构的具体要求对铜/钢角接结构的焊接进行了研究,获得了适合铜/钢异种金属角焊连接的焊接工艺参数,并进一步对铜/钢角焊接头的微观形貌、力学性能及导电性能进行了研究。首先采用TIG焊和激光焊两种焊接工艺对T2紫铜与316L不锈钢进行对接焊连接,通过优化焊接工艺参数得到了较为理想的单面焊双面成型的铜/钢焊接接头,其中激光焊所得铜/钢焊缝宽度明显比TIG焊窄。对铜/钢接头的微观组织研究发现,TIG焊和激光焊所得铜/钢接头焊缝与钢侧界面均出现明显分界线,有一定量铜渗入钢基体中,其中TIG焊所得铜/钢接头钢侧铜渗入更明显;铜/钢焊缝中心区组织多以铜固溶在铁中和铁固溶在铜中的双相固溶体组织为主,固溶体多以球状形式存在;TIG焊和激光焊对应的铜/钢接头焊缝与铜侧界面没有明显分界线,但有明显的富铁带的存在,其中TIG焊对应铜/钢接头局部有明显的铁组织卷入铜基体中。对两种焊接工艺所得铜/钢接头的抗拉强度进行实验,结果表明两种焊接工艺对应的铜/钢接头平均抗拉强度均能达到205MPa,拉伸断裂点均在铜侧热影响区。对铜/钢接头导电性能进行测量发现激光焊所得铜/钢接头电导率略大于TIG焊所得铜/钢接头电导率。由于电解铜阴极板工作环境使铜/钢接头直接暴露在酸性电解腐蚀环境中,因此对铜/钢接头抗腐蚀性能进行研究。首先对比TIG自熔焊与激光自熔焊所得铜/钢接头的抗腐蚀性能,考虑到永久阴极板制造时TIG填丝焊的效率更高,因此同时对铜/钢TIG填丝焊进行了研究,Ni是可提高铜钢合金材料抗腐蚀性能的元素,且镍与铁和铜都有良好的焊接性,因此选用S201、S231、NiCu-7三种Ni含量不同的铜-镍焊丝对T2紫铜和316L不锈钢进行TIG填丝焊,研究Ni对铜/钢接头的微观组织、力学性能、导电性及腐蚀性能的影响。研究表明采用三种Ni含量不同的焊丝均能得到焊接成型良好的铜/钢焊接接头;对三种焊丝形成的铜/钢接头微观组织进行观察,发现一定范围内,焊缝中存在少量Ni时会造成靠近钢侧的焊缝中出现少量微裂纹;焊丝中Ni元素的存在使得焊缝中出现片状和块状的Ni-CrFe相,而随着焊丝中Ni含量的增加焊缝中的Ni-Cr-Fe相也随之增加且微裂纹随之消失。对三种焊丝对应铜/钢接头的力学性能、导电性能和腐蚀性能进行实验,实验表明三种焊丝对应铜/钢接头力学性能优良,三种焊丝对应铜/钢接头断裂位置均发生在铜侧热影响区,断裂处出现明显“颈缩”现象;而铜/钢接头的电导率随其接头中Ni含量的增加而下降,但降幅很小;TIG填丝焊时铜/钢接头中Ni含量的增加可较为明显提高铜/钢接头在酸性条件下的耐腐蚀性能;激光自熔焊所得铜/钢接头在酸性条件下的抗腐蚀性能优于TIG自熔焊所得铜/钢接头,而TIG自熔焊所得铜/钢接头在酸性条件下抗腐蚀性能又优于TIG填丝焊所得铜/钢接头。考虑到激光自熔焊所得铜/钢接头的导电性能和抗腐蚀性能均较好的实验结果以及角焊结构本身的优点,最后对铜/钢角焊结构的激光焊接进行了研究,铜/钢角焊结构采用在铜棒中开槽、316L不锈钢板插入铜槽的结构方式。结果表明采用激光功率3000W、离焦量0mm、焊接速度4mm/s以及焊接两侧时连续焊接的方式即焊接完一侧不待试样冷却下来接着焊接另一侧的工艺方法对铜/钢进行焊接可以得到成型良好的铜/钢双侧角焊接头。对铜/钢角焊接头的拉伸试验表明,最优的铜/钢角焊接头名义抗拉强度约400MPa,接头力学性能优良,达到电解铜阴极板实际使用的力学性能要求,拉伸断裂位置在焊缝与不锈钢交界处。最优参数下得到的铜/钢角焊接头导电性能优良,分析认为铜/钢接头焊接裂纹的存在对接头导电性能的影响非常明显,而焊接裂纹是由于熔池冷却凝固过程中在焊接接头出现了拉伸应力,而随着凝固过程的进行拉伸应力随之增加最终导致焊接裂纹的出现。为保障铜/钢接头的导电性能,铜/钢焊接前可采取预热的方法减小焊接裂纹的出现。