鈦陰極輥質(zhì)量控制要點(diǎn)研究

張淑鴿，何秀玲，楊勃，李博，苗東，訾茂德，王思琦，屈嘉彬，朱青

（西安泰金工業(yè)電化學(xué)技術(shù)有限公司，西安 710016）

0 引言

電解銅箔是覆銅板、印制電路板及鋰離子電池等電子產(chǎn)品制造的基礎(chǔ)材料之一。隨著電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域科技的高速發(fā)展，對電解銅箔的需求也逐年增加,特別是高品質(zhì)電解銅箔，在電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占有舉足輕重的地位。而高品質(zhì)電解銅箔的生產(chǎn)，主要依賴于工藝技術(shù)和與之相配套的設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步[1]。

而在電解銅箔制造成套設(shè)備中，陰極輥?zhàn)鳛槠涑商自O(shè)備的核心及關(guān)鍵部件，其質(zhì)量決定著銅箔的檔次和品質(zhì)，被稱為電解銅箔生產(chǎn)的心臟[2]。所以，陰極輥的質(zhì)量至關(guān)重要。為了保證陰極輥的質(zhì)量，陰極輥在制造過程中，我們必須嚴(yán)控每個(gè)環(huán)節(jié)，以保證陰極輥成品質(zhì)量。本文主要從陰極輥的工作原理、陰極輥組成、關(guān)鍵零部件的質(zhì)量控制等幾個(gè)方面探討制造過程的質(zhì)量控制，以提高陰極輥的產(chǎn)品品質(zhì)。

1 陰極輥的工作原理

在電解銅箔制造過程中，通過軸承架和安裝在陰極輥鋼軸兩端的軸承，將陰極輥懸空架置在電解陽極槽內(nèi)弧面中。由于陽極槽內(nèi)弧面內(nèi)安裝涂層陽極板，這樣使陰極輥和涂層陽極板之間形成一個(gè)電解工作區(qū)域。將電源正極連接電解陽極槽，電源負(fù)極連接陰極輥，然后通電；電流同時(shí)從陰極輥鋼軸兩端的導(dǎo)電環(huán)導(dǎo)入到兩端導(dǎo)電銅排，再從兩端導(dǎo)電銅排導(dǎo)入到兩端導(dǎo)電銅板，再導(dǎo)入到整個(gè)鋼輥芯面，最后導(dǎo)入到整個(gè)鈦輥面。同時(shí)，從陽極槽底部的進(jìn)液口，通過凈液泵將硫酸銅溶液送入到陽極槽內(nèi)的涂層陽極板上，進(jìn)入電解工作區(qū)域，進(jìn)行電解。由于陰極輥為負(fù)極導(dǎo)電體，所以導(dǎo)入到陰極輥輥面的電流必須充分均勻，這樣銅離子才能向陰極輥輥面遷移，并均勻沉積。隨著陰極輥驅(qū)動(dòng)端減速機(jī)帶動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在陰極輥鋼軸驅(qū)動(dòng)端的齒輪也帶動(dòng)陰極輥連續(xù)勻速圓周轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，隨著硫酸銅溶液連續(xù)不斷地循環(huán)，電解工作區(qū)域內(nèi)銅離子增多，不斷地向陰極輥工作區(qū)域的輥面遷移沉積。整個(gè)輥面沉積的銅箔由薄變厚，厚到一定厚度時(shí)，通過剝離裝置，將銅箔從陰極輥輥面剝離并收卷。

2 陰極輥組成

陰極輥是由鋼軸、鈦端板、鈦堵蓋、鈦環(huán)、塑料環(huán)、密封圈、鈦筒、鋼輥芯組焊而成，如圖1所示。

圖1 陰極輥組成

其中，鋼軸1、鈦筒7、鋼輥芯8為陰極輥關(guān)鍵零部件，對于最終陰極輥生成銅箔的質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。所以這幾個(gè)關(guān)鍵零部件每一步制作，都需要嚴(yán)格控制。下面主要從這幾個(gè)零部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、作用及加工注意事項(xiàng)等方面，分析一下質(zhì)量控制點(diǎn)及相關(guān)方法。

3 關(guān)鍵零部件的質(zhì)量控制

3.1 鋼軸

鋼軸作為陰極輥關(guān)鍵零部件之一，起著支撐陰極輥，承受陰極輥所有重力的作用，為陰極輥的重心支柱。鋼軸的材料選擇強(qiáng)度、塑性都較高的45鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，提高鋼軸的金相組織均勻性和力學(xué)性能后方可使用。

鋼軸的結(jié)構(gòu)、尺寸選擇匹配合理，經(jīng)模擬軟件測試其工作狀態(tài)下滿足所有承受力及疲勞強(qiáng)度后方可。

對于成品鋼軸，必須通過動(dòng)平衡、靜平衡相關(guān)實(shí)驗(yàn)調(diào)整到一定范圍內(nèi)，表面跳動(dòng)也有非常嚴(yán)格的要求。

3.2 鋼輥芯

3.2.1 鋼輥芯組成

鋼輥芯由鋼軸、導(dǎo)電銅排、保護(hù)鈦套、定位塊、導(dǎo)電銅板、銅鋼復(fù)合板、支撐筋板、支撐鋼板、鋼筒等組焊而成。如圖2所示。

圖2 鋼輥芯

3.2.2 鋼輥芯作用與制作

首先，鋼輥芯是陰極輥受力的支撐主體，保持陰極輥的幾何形狀不變形，不發(fā)生微變、蠕變。所以在制作鋼輥芯時(shí)，鋼軸保護(hù)套8-13與鋼軸1一定要用銷釘固定牢固，同時(shí)，在銷釘固定處再進(jìn)行焊接固定。保證鋼軸保護(hù)套與鋼軸之間無間隙，無擺動(dòng)。支撐筋板8-7和8-8必須與鋼軸保護(hù)套8-13滿焊，支撐筋板8-10與支撐鋼板8-9和鋼筒8-11之間滿焊，以防止陰極輥長期生產(chǎn)過程中，筋板掉落，引起輥面局部塌陷。鋼筒8-11為鋼板卷制而成，所以鋼筒的整條焊縫必須進(jìn)行100%超聲檢測，以保證焊縫質(zhì)量，防止?jié)B漏。鋼筒卷制完成后，測量鋼筒的圓度、直線度，如圓度、直線度較大，必須用卷板機(jī)對其進(jìn)行校圓處理。由于空間限制，支撐鋼板8-9的支撐位置距鋼筒8-11端120處焊接時(shí)，焊接熱影響區(qū)、焊縫處及兩邊容易出現(xiàn)凹陷或者局部焊縫周邊區(qū)域存在硬棱邊。尤其支撐鋼板8-9與鋼筒8-11之間是一個(gè)整圓焊縫，焊接量大，焊接熱影響區(qū)域較大。這樣容易引起鋼筒兩端局部凹陷。所以，焊接時(shí)，一定要小電流、對稱焊接。同時(shí)，制作相應(yīng)的工裝，防止鋼筒焊接時(shí)端面凹陷變形。

通過對焊縫處進(jìn)行冷校形或者熱校形等多次處理后，保證焊縫處圓度。從而提高鋼筒圓度、直線度。減小鋼輥芯外表面加工量，保證鋼輥芯表面銅材的厚度，保證鋼輥芯表面銅的導(dǎo)電量。

其次，由陰極輥工作原理可以看出，陰極輥在生產(chǎn)中，輥面上要有足夠充分的電流，而且分布到整個(gè)輥面的電流要十分均勻。若輥面局部電流不均勻時(shí)，輥面局部就會(huì)出現(xiàn)過熱、電擊。同時(shí)，生成的銅箔不同部位克重有偏差，整個(gè)銅箔的厚度不均勻，影響銅箔的成品質(zhì)量。而且，提高電流密度是提高產(chǎn)量的重要措施。所以，電流在陰極輥表面均勻分布是銅箔正常生產(chǎn)，保證質(zhì)量的前提[3]。而影響輥面充分導(dǎo)電及導(dǎo)電均勻性的因素主要是導(dǎo)電系統(tǒng)和鈦筒體。

而導(dǎo)電系統(tǒng)作為鋼輥芯部件中的一部分，主要由圖2鋼輥芯組成中，銅鋼復(fù)合板8-4、導(dǎo)電銅板8-5、8-6和導(dǎo)電銅排8-1組焊而成。

銅鋼復(fù)合板8-4與支撐鋼板8-9、導(dǎo)電銅板8-5、8-6之間通過焊接進(jìn)行連接。其中導(dǎo)電銅板8-5、8-6和導(dǎo)電銅排8-1之間均焊接連接。由于進(jìn)入陰極輥的電流，通過導(dǎo)電銅排導(dǎo)入到導(dǎo)電銅板，再從導(dǎo)電銅板導(dǎo)入到鋼輥芯面，再導(dǎo)入到鈦輥面，所以導(dǎo)電銅排與導(dǎo)電銅板處的焊縫至關(guān)重要。此處焊縫不僅要求焊接牢固，而且焊縫導(dǎo)電性必須好，為關(guān)鍵控制點(diǎn)。導(dǎo)電銅排與導(dǎo)電銅板間三者疊加起來為3層，焊接要求非常高。焊縫必須熔透、焊透、焊縫飽滿，無凹坑、裂紋、咬邊、夾渣、氣孔等缺陷。因此，在導(dǎo)電銅排與導(dǎo)電銅板8-5、8-6焊接前，必須先進(jìn)行同厚度、同坡口的銅試板焊接。焊接完成后，記錄焊接參數(shù)，對銅試板焊縫進(jìn)行100%探傷檢測。同時(shí)，對銅試板焊縫進(jìn)行導(dǎo)電性能檢測。焊縫質(zhì)量滿足要求后，方可進(jìn)行導(dǎo)電銅板8-5、8-6和導(dǎo)電銅排的焊接。要求導(dǎo)電銅板、導(dǎo)電銅排下料后，對焊接組對邊進(jìn)行機(jī)加工，按銅試板坡口形式加工其坡口，從而保證導(dǎo)電銅板、導(dǎo)電銅排與鋼軸之間的裝配尺寸，以及組對邊的焊接間隙。焊前，先將焊接組對邊及其周邊擦洗干凈，裝配好位置，點(diǎn)焊，固定好各焊接件，測量焊縫組對邊之間的間隙，尺寸均勻一致后，再按照銅試板焊接電流參數(shù)進(jìn)行焊接。焊縫圓滑過渡，無氣孔、夾渣、未熔合、焊瘤等缺陷，焊縫寬窄均勻一致、美觀。焊接完成后，對焊縫進(jìn)行100%超聲探傷，并測量其導(dǎo)電性能。

鋼輥芯制作完成后，便可進(jìn)行表面車加工。車加工時(shí)，控制好轉(zhuǎn)速和進(jìn)刀量，保證輥面粗糙度；同時(shí)，控制好鋼軸端到輥芯端面的尺寸，以及輥芯面的直線度和圓跳動(dòng)。直線度和圓度直接影響后續(xù)部件的裝配質(zhì)量。

3.3 鈦筒

在陰極輥制作中，鈦筒體的控制更是重中之重。陰極輥鈦筒體的外觀和微觀質(zhì)量決定著銅箔成品的外觀和微觀質(zhì)量。輥面應(yīng)光滑平整，無光斑、色差、網(wǎng)紋；輥面粗糙度值越高，幾何尺寸均勻性越好，生成的銅箔表面才會(huì)光滑、無色差。輥面微觀晶粒越細(xì)小、大小相當(dāng)，排列一致性越好，才能生成超薄超韌性的銅箔，銅箔品質(zhì)才能大幅度提高。

因此，鈦筒體毛坯料在車加工前，必須用特殊工裝進(jìn)行多方向校圓。校圓后，才可以進(jìn)行車削加工。由于在生箔過程中，陰極輥表面始終是在變化的，當(dāng)表面銅沉積達(dá)到一定厚度后，用放大鏡可觀察到明顯的結(jié)晶凸點(diǎn)。這種變化基于陰極輥表面狀態(tài)。所以，鈦筒體與鋼輥芯熱裝時(shí)，一定要保證鈦筒體與鋼輥芯同心度。這樣，鈦筒體與鋼輥芯貼合率才會(huì)更高。在后續(xù)進(jìn)行表面車削加工時(shí)，陰極輥鋼軸與輥面同軸度才會(huì)更好。同時(shí)，輥面機(jī)加工時(shí)，轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、刀具材料的選擇必須嚴(yán)格控制，這樣車加工出來的輥面圓度、直線度、輥面微觀和宏觀一致性就會(huì)更好。整個(gè)輥面加工完成后，輥面兩端必須保證直角，采用特殊工裝保證端面無毛刺且為直角。

陰極輥面機(jī)械加工光潔度高了，輥面狀態(tài)就相對穩(wěn)定些。這樣使陰極表面的電力線密度會(huì)更高，電場能才會(huì)更均勻。輥面沉積的銅箔微觀晶粒就會(huì)更致密。

4 結(jié)語

隨著電子產(chǎn)業(yè)對電解銅箔需求量的日益增加，以及對銅箔檔次和品質(zhì)的高要求，電解銅箔制造成套設(shè)備也進(jìn)入高標(biāo)準(zhǔn)、高精度、高效率階段。陰極輥?zhàn)鳛殡娊忏~箔成套設(shè)備的核心部件，也是電解銅箔生產(chǎn)的母體，其品質(zhì)直接決定著銅箔品質(zhì)。同時(shí)，由于其鈦輥面狀態(tài)為動(dòng)態(tài)變化，為了使鈦輥面在生產(chǎn)過程中這個(gè)動(dòng)態(tài)變化量較小，陰極輥在制造過程中，必須嚴(yán)控每個(gè)環(huán)節(jié)，尤其是關(guān)鍵部件、關(guān)鍵點(diǎn)，每一環(huán)節(jié)都應(yīng)在設(shè)計(jì)要求的范圍之內(nèi)。這樣，我們才能制作出高檔次的陰極輥，從而生產(chǎn)出高品質(zhì)的銅箔產(chǎn)品。