NO750661L - - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte for feste av en kobberkontaktpinne til en bæreskinne av aluminium eller aluminiumlegering for en elektrodeplate.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for forbindelse

av en kobberkontaktpinne med en bæreskinne av aluminium eller aluminiumlegering for en elektrodeplate av den art som vanligvis anvendes for el ektrolyttisk utvinning av ikke jernholdige metaller,

for derved å oppnå en sterk mekanisk forbindelse med lav elektrisk kontaktmotstand, samt en elektrodeplate fremstilt ved denne fremgangsmåte.

I den elektrolytiske sinkindustri utvinnes f.eks. sinkmetall ved

hjelp av en prosess som er kjent som elektroutvinning. Sinkioner i den elektrolytt som'inneholdes i en celle påføres aluminiumkatode-plater under påvirkning av en likestrøm som føres gjennom elektrolyttløsningen fra inerte blyanoder til katodene. En celle for dette formål omfatter normalt et antall anoder og katoder med innbyrdes^mellomrom, og det er vanlig praksis å sammenkoble flere celler i serie for dannelse av en såkalt cellebank; For dannelse av sådanne serieforbindelser, forbindes katodene i en celle med anodene i den tilstøtende celle i banken ved hjelp av en kobberkontaktpinne som er festet til katodenes bæreskinne. En sådan kobberkontaktpinne kan festes til bæreskinnen ved forskjellige fremgangsmåter, men det er meget viktig å fremskaffe en lav kontaktmotstand mellom kobberkontaktpinnen. og aluminiumskinnen såvel som en sterk mekanisk forbindelse.

En tidligere anvendt fremgangsmåte av søkerne for sikring av kontakt-pinnenes forbindelse med sine bæreskinner gikk ut på å forsyne kontaktpinnene med en gjenget stuss og skru. denne inn i enden av vedkommende bæreskinne. Denne fremgangsmåte ga en sterk mekanisk forbindelse med tilfredsstillende lav kontaktmotstand. Etter noen få måneders drift degenererte imidlertid kobber/aluminium-forbindelsen over gjengene på grunn av elektrolytisk korrosjon og kjemisk angrep, samtidig som kontaktmotstanden øket raskt til et nivå hvor katoden måtte kasseres. I tillegg til dette har en sådan gjenget forbindelse vist seg å ikke være tilfredsstillende ved anvendelse av mekaniske midler for fjerning av metallbelegget på elektrode-platene, idet gjengeforbindelsen da hadde en tendens til å løsne etter en tid.

Det er derfor et formål for foreliggende oppfinnelse å angi en fremgangsmåte for forbindelse av en kobberkontakt med en bæreskinne av aluminium, og dette oppnås i henhold til oppfinnelsen ved at den ovenfor angitte gjengeforbindelse forsterkes av en sterk metallurgisk forbindelse mellom kontaktpinnen og bæreskinnen, således at det derved oppnås et kraftig mekanisk feste med varaktig lav elektrisk kontaktmotstand.

Oppfinnelsens fremgangsmåte omfatter således følgende prosesstrinn: a) kobberkontaktpinnen belegges med et tynt skikt av sølv; b) kontaktpinnen skrues mekanisk inn i bæreskinnen av aluminium eller aluminiumlegering; c) sammenstillingen av belagt kobberpinne og bæreskinne av aluminium eller aluminiumlegering foroppvarmes til en temperatur i området

90 - 480°C; og

d) den belagté>.:kobberkontak t-pinne sveises til den foroppvarmede bæreskinne av aluminium eller aluminiumlegering, hvorved den

mekaniske gjengeforbindelse forsterkes av en kraftig metallurgisk forbindelse med lav elektrisk motstand.

Sveisingen utføres fortrinnsvis som lysbuesveising ved anvendelse

av en fylningsstav av aluminium samt gassavicjerming med en inert gass som f.eks. argon. Ved anvendelse av denne sveiseteknikk, bør forvarmingstemperaturen ligge mellom 190 og 220°C.

Sveisingen utføres fortrinnsvis ved plassering av en sveisestreng

på gjengeforbindelsen for avtetning av denne for derved å motvirke degenerering av forbindelsen på grunn av elektrolytisk korrosjon og kjemiske angrep. Det er også fordelaktig med en avskråning av kontaktpinnen ved gjengeforbindésen for derved å muliggjøre innføring av en passende streng av en legering egnet for hårdlodding mellom kontaktpinnen og bæreskinnen.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart ved hjelp av utførelses-eksempler og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser i perspektiv en bank av elektrolyseceller, hvori innbyrdes adskilte katoder og anoder er anordnet og anodene i en celle er koblet i serie med katodene i den inntilliggende cellen. Fig. 2 viser sett fra siden en katodekonstruksjon som omfatter en bæreskinne av aluminium og med en kontaktpinne som er gjenget inn i skinnen og sveiset til denne. Fig. 3 viser hvorledes forbindelser er utført fra en katode i en celle til to nærliggende anoder i en inntilliggende celle,

for derved å koble cellenes elektroder i serie.

Fig. 4 viser i forstørret målestokk en kobberpinne gjenget inn i sin tilordnede bæreskinne. Fig. 5 viser i forstørret målestokk kobberpinnen og skinnen etter en første sveiseprosess, og Fig. 6 viser i forstørret målestokk vedkommende kobberpinne og bæreskinne etter en annen sveiseprosess.

I fig. 1 er det vist en elektrolytisk cellebank som omfatter et antall celler med hver sine innbyrdes adskilte anoder 12 og katoder 14. Hver celle 10 strekker seg over cellebankens hele bredde og anodene i en celle er forbundet til katodene i den inntilliggende celle.

Som vist i fig. 2, utgjøres hver katode av en rektangulær plate av valset aluminium 16 utformet for å nedsenkes i elektrolysecellen 10 ved hjelp av en støpt bæreskinne 20 som er sveiset til platen

16 ved hjelp av en hvilken som helst hensiktsmessig sveisernetode,

men fortrinnsvis er fastsveiset ved anvendelse av en fylningsstav av aluminiumlegering innenfor en skjerm av inert gass, f.eks. argon. Bæreskinnen er elektrisk isolert fra cellen ved hjelp av langstrakte strimler 21 utført i polyestermaterial. Bæreskinnen er normalt utført i en aluminiumlegering med innhold av 5 til 6% silisium for å lette støpeprosessen og forbedre skinnens stivhet. Hver bæreskinne er forsynt med to kroker 22 som anvendes for å trekke ut katodene fra cellene og erstatte disse med nye katoder. En kontaktpinne 24 av seigt elektrolytisk kobber og utført i form av en avstumpet konus samt forsynt med en gjenget stuss 25, er gjenget inn i hver katodeskinne og fastsveiset til denne i samsvar med oppfinnelsens fremgangsmåte, som vil bli nærmere omtalt senere i beskrivelsen. En plastduk 26 er fastfestet langs begge kanter av katodeplaten 16 på kjent måte, for derved å muliggjøre lett fjerning av det material som avsettes på platen under elektrolyseprosessen.

I fig. 3 er det vist en forstørret delskisse av to inntilliggende celler 10 med de£< formål å vise hvorledes anodene 12 er forbundet med katodene 14. Hver anode er utstyrt med en kobberkontakt 28 som er utført i et stykke med en utstikkende kobberstav 29 termisk forbundet ved hjelp av en sølv/kobber-legering til hovedkobberskinnen 30 for anoden. Den utstikkende stav og hovedkobberskinnen er dekket med bly for å utgjøre blyanoder på kjent måte. Hver side av kobberkontakten 28 har en uttagning med innvendig krumningsradius som hovedsakelig tilsvarer kontaktpinnens krumning, for derved å

sikre god elektrisk kontakt mellom de to elementer.

Den forsterkede mekaniske forbindelse mellom kobberpinnen 24 og bæreskinnen vil nå bli beskrevet under henvisning til fig. 4-6. Under sin tilvirkdng er kobberkonen 24 avskrånet i en vinkel på omkring 45° omkring stussen 25, for derved å muliggjøre innføring av en passende streng av hårdloddelegering mellom konen og bæreskinnen, slik det vil bli nærmere angitt senere. En skulder på 1.5 - 3 mm bør også være. igjen langs stussens forbindelse med konen for å beskytte konens gjengede avsnitt fra å trenge for langt inn i bæreskinnen. Før den gjenges inn i bæreskinnen, børstes konen med en stålbørste for fjerning av oksyder og almen rengjøring. Konen påføres derpå et tynt sølvbelegg ved neddypping i et bad av sølvcyanid under en tid på 3 til 5 sekunder og ved en temperatur på 75 - 90°C. Etter fjerning av konen fra badet blir den grundig skylt og tørket. Etter avslutning av sølvpåføringsprosessen gjenges pinnen mekanisk inn i aluminiumskinnen, slik det er vist i fig. 4. Det minste anvendte tiltrekningsmoment bør være omtrent 12 kg/m. Ikke oksyd-holding hydrokarbonfett kan anvendes for,smøring av gjengene, men dette.fett må være elektrisk ledende for ikke å medføre elektrisk isolasjon av gjengeforbindelsen. Før gjenging av pinnen 24 inn i bæreskinnen, bøir'\de områder av skinnen hvor sveising skal utføres, avslipes og/eller stålbørstes for fjerning av eventuelle oksyder og alminnelig rengjøring av skinnen. Sammenstillingen av bæreskinne og kontaktpinne forvarmes så til en temperatur mellom 90

og 480°C, avhengig av den sveis.emetode som skal anvendes. Under oppvarmingen kan et kontakt-pyrometer anvendes for overvåkning av sammenstillingens temperatur. Som vist i fig. 5 stilles så bæreskinnen i en vinkel på omkring 45° med horisontalplanet og således at pinnen 24 vender nedover, hvorpå en første sveiseprosess 31 utføres i den øvre del av forbindelsesområdet. Denne sveising utføres fortrinnsvis ved den velkjente MIG-metode. Denne metode innebærer anvendelse av en lysbue i forbindelse med en fyltingsstav av aluminiumlegering og inert beskyttelsesgass, som f.eks. argon. Fyllingsstaven må være utført i en legering som passer sammen med materiale.t i skinnen (aluminium med innhold av omkring 5-6% silisiumHog i kontak tpinnen (seigt elektrolysekobber) . Ved • anvendelse av en sådan sveisemetode bør temperaturen etter forvarmingen fortrinnsvis ligge mellom 190 og 220°C. Under sveisingen rettes lysbuen mot kobberpinnen for derved å unngå overheting av aluminiumet som har et lavere smeltepunkt enn kobber. Den første sveiseprosess utføres normalt i to trinn for plassering av en streng av hårdloddelegering rundt det avsnitt av sammenstillingen som vender oppover. Det vil forstås at det kreves to sveisetrinn på grunn av vanskeligheten ved å utføre en sveis mellom bæreskinnen og pinnen.

I det første trinn plasseres en streng fra den ene.side av skinnen og i neste trinn fra skinnens annen side, for derved å dekke hovedsakelig hele den øvre del av sammenstillingsområdet.. Det vil forstås at kontaktpinnen er forsynt med en avskråning, slik det tidligere er nevnt, for derved å tillate innføring av en passende streng av

hårdloddelegering mellom pinnens koniske område og skinnen.

Som vist i fig. 6, vippes derpå bæreskinnen til en slik skråstilling at den ende som bærer kontaktpinnen ligger høyest, og en annen sveiseprosess 32 utføres mellom kontaktpinnens konus og bæreskinnen for å fullføre strengsveisingen rundt hele pinnen. Den sveisede sammenstilling tillates så å avkjøles langsomt, f.eks. i asbest-pulver. Den kan så inspiseres for eventuelle deformeringer og underkastes mekaniske og elektriske prøver.

Skjønt MIG-prosessen er å foretrekke ved sveising av kontaktpinnen til bæreskinnen, vil det forstås at oksy-acetylen-sveising også

kan anvendes. MIG-sveisingen er imidlertid å foretrekke fordi den i mindre grad påvirker basismetaller og derfor krever mindre forvarming. Mindre legeringsgrad foreligger også ved ME-prosessen, hvilket medfører sterkere forbindelse. Videre gir MIG-prosessen en raskere sveising og det foreligger ingen påvirkning fra kobberets oksygeninnhold på grunn av dif us jon.':eller fra smørefettet på gj engene.

Pluggsvising fra toppen av bæreskinnen er også forsøkt. Dette ble utført ved boring og avskråning av borehullet på oversiden av bæreskinnen. Strengsveising rundt kontaktpinnen ble imidlertid foretrukket fremfor pluggsveising fra oversiden, fordi det ved de,h førstnevnte fremgangsmåte ble oppnådd større sveiset .overflate-område og således større styrke og ledningsevne. Strengsveisingen medfører også en avtetning av gjengeforbindelsen<p>g forhindrer derved elektrolytisk korrosjon og kjemisk angrep i forbindelse med gjengeforbindelsen. Endelig gir sveiser i området rundt kontaktpinnens konus høyere motstand mot skjærkrefter. Delesnitt ble skåretjgjennom midtområdet av forut utvalgte sammenstillinger av kontaktpinne og bæreskinne og utsatt for forskjellige metallurgiske prøver. Følgende observasjoner ble opptegnet: 1. Den mekaniske gjengeforbindelse ble ikke påvirket av sveisingen. Styrken av enhver mekanisk forbindelse oppnådd ved sveising kommer således i tillegg til gjengeforbindelsens styrke, sammen med ytterligere nedsatt elektrisk motstand-.. 2. Mikrostrukturen viste ingen varmepåvirkede soner i kobberpinnen, og dens fysiske egenskaper ble således bibeholdt. Det kan således ikke ventes noen forandring i kontaktpinnens ledningsevne eller styrke. 3. Det ble oppnådd sammensmelting mellom kontaktpinnen og fylnings-legeringen og således en metallurgisk materialovergang mellom disse deler. Denne materialovergang ble påvist ved nærvær av legering. Ingen porøsitet eller hulrom ble påvist i mikrofotografiene av struk/turen. 4. Legeringsskiktet ble målt på mikrofotografiene og skikttykkelser fra 0.0025 til 0.00075 mm ble'påvist. Legeringsledningsevnen kunne variere fra 7 til 40% av kobberets .ledningsevne avhengig av legeringens sammensetning og fasetilstand. Det er anslått at ved en tykkelse på 0.0075 mm og 7% ledningsevne (den mest ugunstige tilstand) vil skjøtens elektriske ledningsevne være 9.5 x 10 "^ ohm pr. cm 2. Sveiseskjøtens omfang (materialovergangen) ble anslått 2 2

til 4.5 cm for pluggs-\eLsen og 9.7 cm for strengsveisen rundt pinnens konus. Skjøtens totale elektriske motstand ble på denne bakgrunn beregnet til 0.95 x 10<->"'""'" ohm for strengsveisen og 2.5 x 10 ohm for pluggsveisen..1 begge tilfeller kan de angitte motstands-verdier anses for neglisible, og sveisingen forbedrer klart kontakten mellom kontaktpinnen og bæreskinnen.

De viktigste trekk ved den ovenfor angitte fremgangsmåte er påføringen av sølvbelegg og forvarming av kobberpinnen. Sølvbelegget er nødvendig for å oppnå god elektrisk ledende og metallurgisk forbindelse mellom kobber og aluminium. Forvarmingen er også vesentlig på grunn av forskjellene i termisk ledningsevne og smeltepunkt mellom aluminium og kobber. Forvarmningstemperaturen i området mellom 190 og 220°C ved anvendelse av MIG-sveisemetoden er kritisk, fordi materi al forbindelsen mellom kobber og aluminium må finne sted raskt for å hindre oksygendiffusjon fra kobberpinnen. Hvis rask sammensmelting ikke oppnås, vil aluminiumet bli overhetet

og den metallurgiske forbindelse ødelagt.

Skjønt bæreskinnen i beskrivelsen ovenfor hovedsakelig er blitt angitt som bestående av aluminium, vil det forstås at denne skinne kan utføres i ekstrudert ren aluminium eller en støpt aluminiumlegering med innhold av andre passende metaller som kan øke skinnens mekaniske eller elektriske egenskaper, eventuelt lette dens tilvirkning. Som det også er nevnt tidligere, kan bæreskinnen med fordel utføres i en støpealuminiumlegering som inneholder 5-6% silisium for forbedring av legeringens stivhet og for å lette støpeprosessen.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for feste av en kobberkontaktpinne til en bæreskinne av aluminium eller aluminiumlegering for en elektrodeplate, karakterisert ved at: a) Kobberkontaktpinnen belegges med et tynt skikt av sølv, b) Kontaktpinnen skrus mekanisk inn i bæreskinnen av aluminium eller aluminiumlegering, c) sammenstillingen av belagt kobberpinne og bæreskinne av aluminium eller aluminiumlegering foroppvarmes til en temperatur i området"90 - 480°C, og d) den belagte kobberkontaktpinne sveises til den foroppvarmede bæreskinne av aluminium eller aluminiumlegering, hvorved den mekaniske gjengeforbindelse forsterkes av kraftig metallurgisk forbindelse med lav elektrisk motstand.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at sveisingen utføres som lysbuesveisning og ved anvendelse av en fylningsstav av aluminiums-legering samt en inert skjermingsgass.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at f orvarmingstemper aturen ligger mellom 190 og 220°C.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at sveisingen utføres ved hjelp av en strengsveis plassert inntil gjengeforbindelsen, for derved å oppnå avtetning av denne forbindelse og forhindring av elektrisk korrosjon og kjemisk angrep i forbindelsen.

5.. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert ved at kontaktpinnen avskrånes for derved å muliggjøre innføring av en passende streng av kord-loddelegering mellom kontaktpinnen og bæreskinnen.

6. Elektrodeplate for anvendelse r-ved elektrolytisk utvinning av ikke jernholdige metaller, og som omfatter en bæreskinne utført i aluminium eller en aluminiumlegering, en plate av forholdsvis ren aluminium sveiset til nevnte bæreskinne og innrettet for nedsenkning i et el ektrolysebad, karakterisert ved at en kobberkontaktpinne er gjenget inn i nevnte bæreskinne for dannelse av en kraftig mekanisk forbindelse med skinnen, idet kontaktpinnen også er sveiset til nevnte bæreskinne for dannelse av en tilleggs-forbindelse av metallurgisk art og med lav elektrisk motstand mellom kontaktpinnen og bæreskinnen.

7. Elektrodeplate som angitt i krav 6, karakterisert ved at kobberkontaktpinnen ar sveiset til aluminiumskinnen ved hjelp av en strengsveis plassert inntil den gjengede forbindelse for derved å avtette denne forbindelse og forhindre at forbindelsen utsettes for elektrolytisk korrosjon og kjemisk angrep.

8. Elektrodeplate som angitt i krav 6, karakterisert ved at bæreskinnen er utført i en aluminiumlegering som inneholder 5-6% silisium for å forbedre skinnens stivhet og lette støpning av skinnen.