曾延琦，胡強，張林偉，鄒晉，郭玉松，王佳偉，曾衛(wèi)軍

（江西省科學院應用物理研究所，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。隨著經濟的快速發(fā)展和科技的不斷進步，國內外對電解銅箔量的需求與質的要求不斷提升。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、動力電池等領域的需求顯著增長，同時對電解銅箔產品提出了高耐折、低輪廓、高柔性、高抗壓等性能需求[1]。生箔機在電解銅箔制造過程中是非常重要的生產設備，而陰極鈦輥是生箔機中最高值、最關鍵的零部件，其表面質量（包括粗糙度、均勻性等）將在生箔過程中復制或遺傳給銅箔的毛面，進而決定銅箔毛面的表面質量[2]。鈦輥在工作過程中，受到物理擊傷或電弧燒傷時，會在其表面留下凹坑缺陷，從而在其工作時會將凹坑缺陷復制或遺傳給銅箔，使銅箔出現花斑、色差、針孔或銅粉等缺陷，進而對銅箔表面質量造成不利影響。而鈦輥表面凹坑的修復一直是困擾銅箔生產廠家和鈦輥生產廠家的難題之一。

我國是電解銅箔生產和消費大國，2019年我國電解銅箔產量約43.69萬噸，較2018年增長16.1%，占全球產量的66%以上[3]。以年產萬噸電解銅箔生產線需要配置30個陰極鈦輥來估算，我國每年共有1300個陰極鈦輥在生產線上使用。若以陰極鈦輥售價100萬元，凹坑缺陷年發(fā)生率為10%來估算，陰極鈦輥修復技術可為我國銅箔行業(yè)帶來約1.3億元成本的節(jié)約。因此，針對電解銅箔陰極鈦輥表面凹坑缺陷的修復，探索經濟、可行的修復技術，實現鈦輥修復再制造，攻克我國銅箔業(yè)行業(yè)亟需解決的關鍵、共性技術問題，不僅對提升我國銅箔行業(yè)裝備技術水平具有非常重要的意義，同時，它潛在的市場和經濟效益也非?？捎^。

1 技術現狀

制造陰極鈦輥一般使用TA1鈦材，或者經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，國產陰極鈦輥晶粒度一般在6-8級，多用于生產低檔銅箔，進口陰極鈦輥晶粒度多為8-12級[4-5]。陰極鈦輥的拋光分為研磨和拋光兩個工序，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，進一步的拋光工序使輥面色澤均勻、微觀結構細膩，滿足銅箔生產工藝要求。陰極鈦輥的相關技術要求，如材質、組織狀態(tài)和表面質量等，詳見下表1。

表1 陰極鈦輥的相關技術要求

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，會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)內對鈦輥凹坑缺陷處理或修復方法為：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。現一般是通過氬弧焊補焊將凹坑修復好。但是實踐表明，這種氬弧焊補焊修復后，陰極鈦輥在鍍銅生產過程時容易在補焊修復部位處結銅瘤，而銅瘤容易脫落掉入電解液中極可能造成生箔系統陰陽極短路故障，造成陰極鈦輥、電源設備等受損，同時影響正常生產。③凹坑略深且靠近鈦輥中部。此時鈦輥只能作報廢處理，造成材料浪費和巨大的經濟損失。

圖1 陰極鈦輥電弧燒傷凹坑

2 分析討論

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

由以上分析討論可知，在修復技術方面，為了使修復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、基材和修復層氧化少等優(yōu)點的修復再制造技術，進行鈦輥表面凹坑修復，相對而言是較為合適和理想。目前，兼具有上述優(yōu)點，而且將來在工藝上易于推廣應用的、成本上較低廉的陰極鈦輥修復再制造技術，筆者認為激光熔覆復和冷焊堆焊技術值得進行探索。

（1）激光熔覆技術

激光熔覆技術是利用激光束熱量將修復基體表面和通入的金屬粉末熔融形成熔池，兩種材料相互擴散凝固成為一體，達到修復零件和模具的目的。由于在進行激光熔覆修復時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)生相關化學反應，形成具有更加優(yōu)良性質的組織結構[3]。激光熔覆技術具有以下優(yōu)點：加熱速度快，冷卻速度快，熱影響區(qū)??；熔覆層與基體冶金結合，組織致密；熔覆層殘余應力少，裂紋少；可靈活控制激光參數和粉末類型，熔覆層性能可控；可自動化控制，應用廣泛。

（2）冷焊堆焊技術

冷焊堆焊技術是利用高頻電火花放電原理，對工件進行無熱堆焊，來修復金屬工件的表面缺陷或磨損[7]。冷焊堆焊技術具有以下優(yōu)點：常溫焊補，基體不發(fā)熱，修復處附近金相組織不改變，也無熱應力；修復處無硬化、無硬點現象，不影響后續(xù)車、銑、刨、磨等機械加；修復處與母材冶金結合，色差小或無色差；焊點周圍有氬氣保護，修復處不會氧化發(fā)藍；焊補位置廣泛、靈活，只要缺陷眼睛看得到，且焊筆夠得著，就可修復；設備重量輕，攜帶方便，可實現現場、在線修復。

此外，在修復材料方面，為了使修復層的電化學性能與基體盡可能一致，首選的修復材料是與基體化學成分一致的材料，如采用激光熔覆技術時可選用TA1純鈦粉末，電火花堆焊修復時可選用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)，而通過激光修復或冷焊堆焊技術形成的修復層其組織狀態(tài)更接近鑄態(tài)，因此盡管選用與基材化學成分一致的材料進行修復，修復層電化學性能也很可能與基材存在一定的差異，造成陰極鈦輥修復處與非修復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TA1純鈦粉末或焊絲進行電化學性能改性[8]。

3 結語

電解銅箔生箔機陰極鈦輥表面凹坑缺陷當前的修復方法熱輸入量較大，易使修復部位存在氧化物夾渣、孔洞等缺陷，同時易造成基材組織粗大，從而使修復部位及其熱影響區(qū)域的電化學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、基材和修復層氧化少等優(yōu)點激光熔覆復或冷焊堆焊，同時選用適宜的修復材料，如TA1純鈦材或稀土元素微合金化改性TA1純鈦材等，是電解銅箔生箔機陰極鈦輥表面凹坑缺陷較理想的修復技術。