TA1鈦板表面凹坑冷焊修復后的電學性能和鍍銅效果研究

曾延琦，張林偉，曾衛(wèi)軍，王佳偉，楊學兵，邱伊健

（1.江西省科學院應用物理研究所，江西 南昌 330096；2.江西省銅鎢新材料重點實驗室，江西 南昌 330096）

0 引言

陰極鈦輥是電解銅箔生產(chǎn)設備生箔機中最高值、最關鍵的零部件，其組織性能將影響生箔過程中銅離子在其表面的電沉積行為，而其表面質量（包括粗糙度、光潔度性等）將在生箔過程中復制給銅箔毛面，進而影響銅箔毛面的表面質量。陰極鈦輥材質為TA1，一般經(jīng)過強力旋鍛加工而成，或者通過將軋制態(tài)的板材焊接而成，其晶粒尺寸較細，其晶粒度為6～12級[1-3]。鈦輥在服役過程中，容易受到機械擊傷或電弧燒傷時在其表面留下凹坑等缺陷，這些缺陷對銅箔表面質量造成極不利影響。目前，對于深度較淺的陰極鈦輥凹坑缺陷，一般用磨床把鈦輥磨削一層，將凹坑去除，但是這種方法會明顯減少鈦輥的使用壽命，且不經(jīng)濟。對于深度略深且靠近鈦輥邊部凹坑缺陷，一般是通過氬弧焊補焊將凹坑修復。但經(jīng)這種方法修復后，修復處與母材的組織和性能的一致性差，在高電流密度鍍銅時修復處與母材交界處容易結銅瘤，而銅瘤容易脫落掉入電解液中極可能造成生箔系統(tǒng)陰陽極短路故障，進而可能導致設備受損，影響生產(chǎn)。對于深度較深且靠近鈦輥中部凹坑缺陷，暫時沒有更好的解決方法，此時鈦輥只能作報廢處理，造成材料浪費和巨大的經(jīng)濟損失[4]。

冷焊技術是利用高頻電火花放電，瞬間加熱修復材料使其熔覆到零部件的損傷部位，來修復金屬工件的表面缺陷或磨損。由于放電時間與間隔時間相比十分短，修復區(qū)域的熱量會通過零件傳導到外界，使修復處與母材實現(xiàn)冶金結合的同時大幅降低熱集聚和熱影響，因此該技術具有精密度高、操作便捷、成本低廉等優(yōu)點[5-8]。因此，為了獲得陰極鈦輥凹坑缺陷冷焊技術修復后的電學性能和鍍銅效果，本研究制備了采用冷焊技術修復的TA1鈦板凹坑試樣，利用電導率儀測試了試樣不同部位的電導率，通過模擬陰極鈦輥服役工況，對修復后的TA1鈦板進行高電流密度鍍銅試驗，研究結果可為陰極鈦輥的再制造修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用與陰極鈦輥材質一致的軋制態(tài)TA1鈦板，尺寸為160 mm×45 mm×6 mm（長×寬×厚），模擬陰極鈦輥，在其表面開兩個直徑為4 mm，深度為2 mm，底部為圓弧過渡的圓坑模擬鈦輥上的凹坑缺陷，見圖1。冷焊修復使用材料為商用TA1純鈦焊絲，直徑為1.0 mm。

圖1 試驗TA1鈦板及機加工的圓坑示意圖

1.2 試驗方法

冷焊修復設備選用型號為YJG-1的精密冷焊機。為了減少未熔合、未焊滿、焊渣和氣孔等冷焊缺陷的出現(xiàn)，在冷焊修復前，對鈦板圓坑及其周圍進行噴丸打磨處理，以消除表面的氧化皮，并用丙酮清潔基體表面，除去油、垢等雜質。經(jīng)過反復試驗，選用的冷焊工藝參數(shù)見表1。

表1 冷焊工藝參數(shù)

采用FD-102數(shù)字便攜式渦流導電儀，在環(huán)境溫度25℃測量樣品不同位置的電導率。采用自制的小型生箔試驗機進行修復鈦板的鍍銅試驗，鍍銅溶液具體配置為：銅離子Cu2+90 g/L，硫酸H2SO4120 g/L，氯離子Cl-20ppm，添加劑若干。鍍銅溶液溫度為55℃，鍍銅時電流密度為60 A/dm2。采用普通光學顯微鏡對鈦板樣品熔覆層和鈦板上鍍出的銅箔進行宏觀形貌觀察。采用德國ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡對試驗鈦板鍍出的銅箔進行微觀形貌觀察。

2 結果與討論

2.1 電導率

圖2給出的是試驗鈦板冷焊修復后的修復區(qū)域及其周圍的宏觀形貌和電導率測試位置示意圖。圖中1和7位置是基材區(qū)，未受冷焊的影響，2和6位置是熱影響區(qū)，受到了冷焊的熱影響，3和5是熔合區(qū)，4是修復區(qū)?？梢钥闯觯浜感迯蛥^(qū)外觀形貌良好，修復區(qū)與基體金屬之間過渡平滑，無氣孔、氧化焊渣、裂紋和飛濺物等冷焊缺陷。對修復后的試驗鈦板進行機加工后測試了圖2中Ⅰ和Ⅱ兩處基材區(qū)、熱影響區(qū)、熔合區(qū)和修復區(qū)的電導率，可以看出，試驗鈦板修復區(qū)的電導率最高，熔合區(qū)和熱影響區(qū)分別次之，基材區(qū)最低。Ⅰ和Ⅱ處的修復區(qū)和基材區(qū)電導率差異分別2.36%和2.29%，均相差不大。由此可以得知，冷焊熱輸入量較小，盡管試驗鈦板為軋制態(tài)，熱影響區(qū)在冷焊帶來的熱量的影響下下，材料僅僅發(fā)生了輕微程度的回復，基體內(nèi)的應力、位錯、畸變等對電導率不利的缺陷得到了少量程度的消除，因此試驗鈦板熱影響區(qū)的電導率較基材區(qū)稍高一些。修復區(qū)的組織狀態(tài)與TA1鈦材的組織狀態(tài)接近，但是由于焊絲在冷焊能量輸入下發(fā)生熔化及后續(xù)的冷卻過程中不可避免地會引入少量雜質元素，對電導率不利，這兩個條件共同作用，造成修復區(qū)的電導率也僅僅略高于熱影響區(qū)、熔合區(qū)和基材區(qū)的電導率?？傮w來看各個區(qū)域的電導率差異的平均值小于2.33%，表明冷焊修復的試驗TA1鈦板各區(qū)域的電導率略有差異。

圖2 試驗鈦板冷焊修復區(qū)域及其周圍的宏觀形貌和電導率測試位置示意圖

圖3 試驗鈦板電導率測試結果

2.2 鍍銅效果

冷焊修復的鈦板樣品機加工后形貌和鈦板上鍍出的銅箔宏觀形貌,如圖4所示?？梢钥闯?，機加工后鈦板樣品的修復區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和基材區(qū)在宏觀上幾乎無差異，光學顯微鏡下無法區(qū)分各區(qū)域，同時，在各區(qū)域上鍍出的銅箔樣品的光澤度和粗糙度基本一致，在宏觀上也幾乎觀察不到差異。

圖4 冷焊修復的鈦板樣品機加工后形貌和鈦板上鍍出的銅箔宏觀形貌

試驗鈦板對應各區(qū)域鍍出的銅箔SEM微觀形貌如圖5所示。由圖5可以看出，各區(qū)域鍍出的銅箔的微觀組織在形貌上、尺寸上、均勻性上等方面沒有明顯的差異，圖5中銅箔表面平坦，均無凸起或異常顆粒，晶粒尺寸均在2～4 μm之間，而且較為均勻，且無明顯粗大的晶粒，由此可以得出，在高電流密度鍍銅過程中，銅離子在試驗鈦板各區(qū)域的沉積行為幾乎無差異。結合電導率測試分析結果，還可以推斷，盡管冷焊修復后試驗TA1鈦板各區(qū)域的電導率略有差異，但是這些差異不會幾乎不會影響試驗鈦板的鍍銅效果。因此，我們可以進一步合理的推斷，采用冷焊技術對鈦輥表面凹坑等缺陷進行修復，鈦輥上冷焊修復的修復區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)的鍍銅效果與鈦輥上的其他區(qū)域基本一致。

圖5 試驗鈦板不同位置鍍出的銅箔SEM微觀形貌

3 結論

綜上有以下結論：

（1）TA1鈦板凹坑缺陷采用冷焊修復后，修復區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)與基材區(qū)的電導率略有差異，但是各區(qū)域的鍍銅效果幾乎無差異。

（2）采用冷焊修復技術對陰極鈦輥表面凹坑等缺陷進行修復，有望實現(xiàn)鈦輥的綠色修復再制造。