電解銅箔生箔機(jī)陰極鈦輥表面凹坑修復(fù)技術(shù)研究

曾延琦，胡強(qiáng)，張林偉，鄒晉，郭玉松，王佳偉，曾衛(wèi)軍

（江西省科學(xué)院應(yīng)用物理研究所，江西 南昌 330096）

電解銅箔是覆銅板(CCL)及印制電路板(PCB)、鋰離子電池制造的重要材料。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外對(duì)電解銅箔量的需求與質(zhì)的要求不斷提升。比如近年來(lái)世界電子通信、新能源汽車(chē)等行業(yè)不斷發(fā)展，電解銅箔在5G、動(dòng)力電池等領(lǐng)域的需求顯著增長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)電解銅箔產(chǎn)品提出了高耐折、低輪廓、高柔性、高抗壓等性能需求[1]。生箔機(jī)在電解銅箔制造過(guò)程中是非常重要的生產(chǎn)設(shè)備，而陰極鈦輥是生箔機(jī)中最高值、最關(guān)鍵的零部件，其表面質(zhì)量（包括粗糙度、均勻性等）將在生箔過(guò)程中復(fù)制或遺傳給銅箔的毛面，進(jìn)而決定銅箔毛面的表面質(zhì)量[2]。鈦輥在工作過(guò)程中，受到物理?yè)魝螂娀齻麜r(shí)，會(huì)在其表面留下凹坑缺陷，從而在其工作時(shí)會(huì)將凹坑缺陷復(fù)制或遺傳給銅箔，使銅箔出現(xiàn)花斑、色差、針孔或銅粉等缺陷，進(jìn)而對(duì)銅箔表面質(zhì)量造成不利影響。而鈦輥表面凹坑的修復(fù)一直是困擾銅箔生產(chǎn)廠家和鈦輥生產(chǎn)廠家的難題之一。

我國(guó)是電解銅箔生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，2019年我國(guó)電解銅箔產(chǎn)量約43.69萬(wàn)噸，較2018年增長(zhǎng)16.1%，占全球產(chǎn)量的66%以上[3]。以年產(chǎn)萬(wàn)噸電解銅箔生產(chǎn)線需要配置30個(gè)陰極鈦輥來(lái)估算，我國(guó)每年共有1300個(gè)陰極鈦輥在生產(chǎn)線上使用。若以陰極鈦輥售價(jià)100萬(wàn)元，凹坑缺陷年發(fā)生率為10%來(lái)估算，陰極鈦輥修復(fù)技術(shù)可為我國(guó)銅箔行業(yè)帶來(lái)約1.3億元成本的節(jié)約。因此，針對(duì)電解銅箔陰極鈦輥表面凹坑缺陷的修復(fù)，探索經(jīng)濟(jì)、可行的修復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鈦輥修復(fù)再制造，攻克我國(guó)銅箔業(yè)行業(yè)亟需解決的關(guān)鍵、共性技術(shù)問(wèn)題，不僅對(duì)提升我國(guó)銅箔行業(yè)裝備技術(shù)水平具有非常重要的意義，同時(shí)，它潛在的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益也非?？捎^。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

制造陰極鈦輥一般使用TA1鈦材，或者經(jīng)過(guò)強(qiáng)力旋鍛加工而成，或者通過(guò)將軋制態(tài)的板材焊接而成，其晶粒尺寸較細(xì)，國(guó)產(chǎn)陰極鈦輥晶粒度一般在6-8級(jí)，多用于生產(chǎn)低檔銅箔，進(jìn)口陰極鈦輥晶粒度多為8-12級(jí)[4-5]。陰極鈦輥的拋光分為研磨和拋光兩個(gè)工序，通過(guò)研磨可以消除新陰極鈦輥表面的車(chē)削加工痕跡和舊陰極鈦輥表面的氧化、損傷，進(jìn)一步的拋光工序使輥面色澤均勻、微觀結(jié)構(gòu)細(xì)膩，滿足銅箔生產(chǎn)工藝要求。陰極鈦輥的相關(guān)技術(shù)要求，如材質(zhì)、組織狀態(tài)和表面質(zhì)量等，詳見(jiàn)下表1。

表1 陰極鈦輥的相關(guān)技術(shù)要求

鈦輥在工作過(guò)程中，受到物理?yè)魝蚋唠娏髅芏裙r下的電弧燒傷時(shí)，會(huì)在其表面留下凹坑缺陷。如下圖1箭頭所示鈦輥工作面邊部受電弧燒傷留下的凹坑缺陷。

目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)鈦輥凹坑缺陷處理或修復(fù)方法為：①凹坑深度較淺。通過(guò)磨床把鈦輥磨削一層，將凹坑去除。②凹坑深度略深且靠近鈦輥邊部?，F(xiàn)一般是通過(guò)氬弧焊補(bǔ)焊將凹坑修復(fù)好。但是實(shí)踐表明，這種氬弧焊補(bǔ)焊修復(fù)后，陰極鈦輥在鍍銅生產(chǎn)過(guò)程時(shí)容易在補(bǔ)焊修復(fù)部位處結(jié)銅瘤，而銅瘤容易脫落掉入電解液中極可能造成生箔系統(tǒng)陰陽(yáng)極短路故障，造成陰極鈦輥、電源設(shè)備等受損，同時(shí)影響正常生產(chǎn)。③凹坑略深且靠近鈦輥中部。此時(shí)鈦輥只能作報(bào)廢處理，造成材料浪費(fèi)和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 陰極鈦輥電弧燒傷凹坑

2 分析討論

根據(jù)前述電解銅箔生產(chǎn)工序生箔的工作原理，以及銅箔下游客戶對(duì)銅箔產(chǎn)品表面質(zhì)量和組織性能等技術(shù)要求日趨提高，對(duì)陰極鈦輥的導(dǎo)電、晶粒組織、表面質(zhì)量等的均勻性、一致性提出了更高的要求，可知當(dāng)前陰極鈦輥表面凹坑缺陷主流的修復(fù)方法，熱輸入量較大，容易使修復(fù)部位存在氧化物夾渣、孔洞等缺陷，同時(shí)容易造成基材組織粗大，從而使修復(fù)部位及其熱影響區(qū)域的導(dǎo)電性能與基體差異較大，容易造成陰極鈦輥在鍍銅生產(chǎn)過(guò)程時(shí)容易在補(bǔ)焊修復(fù)部位的電化學(xué)活性與鈦輥其他部位的電化學(xué)活性存在顯著差異，輕則造成修復(fù)處生長(zhǎng)出的銅箔有明顯花斑、色差，重則造成修復(fù)處生長(zhǎng)的銅箔出現(xiàn)針孔、銅粉或銅瘤等缺陷。

由以上分析討論可知，在修復(fù)技術(shù)方面，為了使修復(fù)過(guò)程盡可能少地影響基體的組織性能，可以采用具有熱輸入量少、基材熱影響區(qū)小、基材和修復(fù)層氧化少等優(yōu)點(diǎn)的修復(fù)再制造技術(shù)，進(jìn)行鈦輥表面凹坑修復(fù)，相對(duì)而言是較為合適和理想。目前，兼具有上述優(yōu)點(diǎn)，而且將來(lái)在工藝上易于推廣應(yīng)用的、成本上較低廉的陰極鈦輥修復(fù)再制造技術(shù)，筆者認(rèn)為激光熔覆復(fù)和冷焊堆焊技術(shù)值得進(jìn)行探索。

（1）激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)是利用激光束熱量將修復(fù)基體表面和通入的金屬粉末熔融形成熔池，兩種材料相互擴(kuò)散凝固成為一體，達(dá)到修復(fù)零件和模具的目的。由于在進(jìn)行激光熔覆修復(fù)時(shí)通入的金屬粉末元素在熔池狀態(tài)下可以和基體中元素發(fā)生相關(guān)化學(xué)反應(yīng)，形成具有更加優(yōu)良性質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)[3]。激光熔覆技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：加熱速度快，冷卻速度快，熱影響區(qū)??；熔覆層與基體冶金結(jié)合，組織致密；熔覆層殘余應(yīng)力少，裂紋少；可靈活控制激光參數(shù)和粉末類(lèi)型，熔覆層性能可控；可自動(dòng)化控制，應(yīng)用廣泛。

（2）冷焊堆焊技術(shù)

冷焊堆焊技術(shù)是利用高頻電火花放電原理，對(duì)工件進(jìn)行無(wú)熱堆焊，來(lái)修復(fù)金屬工件的表面缺陷或磨損[7]。冷焊堆焊技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：常溫焊補(bǔ)，基體不發(fā)熱，修復(fù)處附近金相組織不改變，也無(wú)熱應(yīng)力；修復(fù)處無(wú)硬化、無(wú)硬點(diǎn)現(xiàn)象，不影響后續(xù)車(chē)、銑、刨、磨等機(jī)械加；修復(fù)處與母材冶金結(jié)合，色差小或無(wú)色差；焊點(diǎn)周?chē)袣鍤獗Ｗo(hù)，修復(fù)處不會(huì)氧化發(fā)藍(lán)；焊補(bǔ)位置廣泛、靈活，只要缺陷眼睛看得到，且焊筆夠得著，就可修復(fù)；設(shè)備重量輕，攜帶方便，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)、在線修復(fù)。

此外，在修復(fù)材料方面，為了使修復(fù)層的電化學(xué)性能與基體盡可能一致，首選的修復(fù)材料是與基體化學(xué)成分一致的材料，如采用激光熔覆技術(shù)時(shí)可選用TA1純鈦粉末，電火花堆焊修復(fù)時(shí)可選用TA1純鈦焊絲。另外考慮到陰極鈦輥材料的組織狀態(tài)為軋制態(tài)或旋鍛態(tài)，而通過(guò)激光修復(fù)或冷焊堆焊技術(shù)形成的修復(fù)層其組織狀態(tài)更接近鑄態(tài)，因此盡管選用與基材化學(xué)成分一致的材料進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)層電化學(xué)性能也很可能與基材存在一定的差異，造成陰極鈦輥修復(fù)處與非修復(fù)處生長(zhǎng)出來(lái)的銅箔在外觀、組織和性能等方面存在較大的差異。為此，可以考慮通過(guò)稀土元素微合金化對(duì)TA1純鈦粉末或焊絲進(jìn)行電化學(xué)性能改性[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

電解銅箔生箔機(jī)陰極鈦輥表面凹坑缺陷當(dāng)前的修復(fù)方法熱輸入量較大，易使修復(fù)部位存在氧化物夾渣、孔洞等缺陷，同時(shí)易造成基材組織粗大，從而使修復(fù)部位及其熱影響區(qū)域的電化學(xué)性能與基體差異較大。采用有熱輸入量少、基材熱影響區(qū)小、基材和修復(fù)層氧化少等優(yōu)點(diǎn)激光熔覆復(fù)或冷焊堆焊，同時(shí)選用適宜的修復(fù)材料，如TA1純鈦材或稀土元素微合金化改性TA1純鈦材等，是電解銅箔生箔機(jī)陰極鈦輥表面凹坑缺陷較理想的修復(fù)技術(shù)。