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。比如近年來世界電子通信、新能源汽車等行業(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，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]。鈦輥在工作過程中，受到物理擊傷或電弧燒傷時(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。

我國是電解銅箔生產(chǎn)和消費(fèi)大國，2019年我國電解銅箔產(chǎn)量約43.69萬噸，較2018年增長16.1%，占全球產(chǎn)量的66%以上[3]。以年產(chǎn)萬噸電解銅箔生產(chǎn)線需要配置30個(gè)陰極鈦輥來估算，我國每年共有1300個(gè)陰極鈦輥在生產(chǎn)線上使用。若以陰極鈦輥售價(jià)100萬元，凹坑缺陷年發(fā)生率為10%來估算，陰極鈦輥修復(fù)技術(shù)可為我國銅箔行業(yè)帶來約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，攻克我國銅箔業(yè)行業(yè)亟需解決的關(guān)鍵、共性技術(shù)問題，不僅對(duì)提升我國銅箔行業(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)過強(qiáng)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(xì)，國產(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，通過研磨可以消除新陰極鈦輥表面的車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，詳見下表1。

表1 陰極鈦輥的相關(guān)技術(shù)要求

鈦輥在工作過程中，受到物理擊傷或高電流密度工況下的電弧燒傷時(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)處生長出的銅箔有明顯花斑、色差，重則造成修復(fù)處生長的銅箔出現(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)小；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)行無熱堆焊，來修復(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，也無熱應(yīng)力；修復(fù)處無硬化、無硬點(diǎn)現(xiàn)象，不影響后續(xù)車、銑、刨、磨等機(jī)械加；修復(fù)處與母材冶金結(jié)合，色差小或無色差；焊點(diǎn)周圍有氬氣保護(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、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)處生長出來的銅箔在外觀、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

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)。