TA1鈦板表面凹坑冷焊修復(fù)后的電學(xué)性能和鍍銅效果研究

曾延琦，張林偉，曾衛(wèi)軍，王佳偉，楊學(xué)兵，邱伊健

（1.江西省科學(xué)院應(yīng)用物理研究所，江西 南昌 330096；2.江西省銅鎢新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330096）

0 引言

陰極鈦輥是電解銅箔生產(chǎn)設(shè)備生箔機(jī)中最高值、最關(guān)鍵的零部件，其組織性能將影響生箔過(guò)程中銅離子在其表面的電沉積行為，而其表面質(zhì)量（包括粗糙度、光潔度性等）將在生箔過(guò)程中復(fù)制給銅箔毛面，進(jìn)而影響銅箔毛面的表面質(zhì)量。陰極鈦輥材質(zhì)為T(mén)A1，一般經(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)，其晶粒度為6～12級(jí)[1-3]。鈦輥在服役過(guò)程中，容易受到機(jī)械擊傷或電弧燒傷時(shí)在其表面留下凹坑等缺陷，這些缺陷對(duì)銅箔表面質(zhì)量造成極不利影響。目前，對(duì)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(huì)明顯減少鈦輥的使用壽命，且不經(jīng)濟(jì)。對(duì)于深度略深且靠近鈦輥邊部凹坑缺陷，一般是通過(guò)氬弧焊補(bǔ)焊將凹坑修復(fù)。但經(jīng)這種方法修復(fù)后，修復(fù)處與母材的組織和性能的一致性差，在高電流密度鍍銅時(shí)修復(fù)處與母材交界處容易結(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，進(jìn)而可能導(dǎo)致設(shè)備受損，影響生產(chǎn)。對(duì)于深度較深且靠近鈦輥中部凹坑缺陷，暫時(shí)沒(méi)有更好的解決方法，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[4]。

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

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

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

圖1 試驗(yàn)TA1鈦板及機(jī)加工的圓坑示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

冷焊修復(fù)設(shè)備選用型號(hào)為YJG-1的精密冷焊機(jī)。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(fù)前，對(duì)鈦板圓坑及其周?chē)M(jìn)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(zhì)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，選用的冷焊工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 冷焊工藝參數(shù)

采用FD-102數(shù)字便攜式渦流導(dǎo)電儀，在環(huán)境溫度25℃測(cè)量樣品不同位置的電導(dǎo)率。采用自制的小型生箔試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行修復(fù)鈦板的鍍銅試驗(yàn)，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(shí)電流密度為60 A/dm2。采用普通光學(xué)顯微鏡對(duì)鈦板樣品熔覆層和鈦板上鍍出的銅箔進(jìn)行宏觀形貌觀察。采用德國(guó)ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡對(duì)試驗(yàn)鈦板鍍出的銅箔進(jìn)行微觀形貌觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 電導(dǎo)率

圖2給出的是試驗(yàn)鈦板冷焊修復(fù)后的修復(fù)區(qū)域及其周?chē)暮暧^形貌和電導(dǎo)率測(cè)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(fù)區(qū)?？梢钥闯?，冷焊修復(fù)區(qū)外觀形貌良好，修復(fù)區(qū)與基體金屬之間過(guò)渡平滑，無(wú)氣孔、氧化焊渣、裂紋和飛濺物等冷焊缺陷。對(duì)修復(fù)后的試驗(yàn)鈦板進(jìn)行機(jī)加工后測(cè)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(fù)區(qū)的電導(dǎo)率，可以看出，試驗(yàn)鈦板修復(fù)區(qū)的電導(dǎo)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(fù)區(qū)和基材區(qū)電導(dǎo)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(yàn)鈦板為軋制態(tài)，熱影響區(qū)在冷焊帶來(lái)的熱量的影響下下，材料僅僅發(fā)生了輕微程度的回復(fù)，基體內(nèi)的應(yīng)力、位錯(cuò)、畸變等對(duì)電導(dǎo)率不利的缺陷得到了少量程度的消除，因此試驗(yàn)鈦板熱影響區(qū)的電導(dǎo)率較基材區(qū)稍高一些。修復(fù)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(guò)程中不可避免地會(huì)引入少量雜質(zhì)元素，對(duì)電導(dǎo)率不利，這兩個(gè)條件共同作用，造成修復(fù)區(qū)的電導(dǎo)率也僅僅略高于熱影響區(qū)、熔合區(qū)和基材區(qū)的電導(dǎo)率。總體來(lái)看各個(gè)區(qū)域的電導(dǎo)率差異的平均值小于2.33%，表明冷焊修復(fù)的試驗(yàn)TA1鈦板各區(qū)域的電導(dǎo)率略有差異。

圖2 試驗(yàn)鈦板冷焊修復(fù)區(qū)域及其周?chē)暮暧^形貌和電導(dǎo)率測(cè)試位置示意圖

圖3 試驗(yàn)鈦板電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果

2.2 鍍銅效果

冷焊修復(fù)的鈦板樣品機(jī)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(jī)加工后鈦板樣品的修復(fù)區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和基材區(qū)在宏觀上幾乎無(wú)差異，光學(xué)顯微鏡下無(wú)法區(qū)分各區(qū)域，同時(shí)，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(fù)的鈦板樣品機(jī)加工后形貌和鈦板上鍍出的銅箔宏觀形貌

試驗(yàn)鈦板對(duì)應(yīng)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(méi)有明顯的差異，圖5中銅箔表面平坦，均無(wú)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(wú)明顯粗大的晶粒，由此可以得出，在高電流密度鍍銅過(guò)程中，銅離子在試驗(yàn)鈦板各區(qū)域的沉積行為幾乎無(wú)差異。結(jié)合電導(dǎo)率測(cè)試分析結(jié)果，還可以推斷，盡管冷焊修復(fù)后試驗(yàn)TA1鈦板各區(qū)域的電導(dǎo)率略有差異，但是這些差異不會(huì)幾乎不會(huì)影響試驗(yàn)鈦板的鍍銅效果。因此，我們可以進(jìn)一步合理的推斷，采用冷焊技術(shù)對(duì)鈦輥表面凹坑等缺陷進(jìn)行修復(fù)，鈦輥上冷焊修復(fù)的修復(fù)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(yàn)鈦板不同位置鍍出的銅箔SEM微觀形貌

3 結(jié)論

綜上有以下結(jié)論：

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

（2）采用冷焊修復(fù)技術(shù)對(duì)陰極鈦輥表面凹坑等缺陷進(jìn)行修復(fù)，有望實(shí)現(xiàn)鈦輥的綠色修復(fù)再制造。