钛阴极辊质量控制要点研究

张淑鸽，何秀玲，杨勃，李博，苗东，訾茂德，王思琦，屈嘉彬，朱青

（西安泰金工业电化学技术有限公司，西安 710016）

0 引言

电解铜箔是覆铜板、印制电路板及锂离子电池等电子产品制造的基础材料之一。随着电子产业领域科技的高速发展，对电解铜箔的需求也逐年增加,特别是高品质电解铜箔，在电子信息产业发展中占有举足轻重的地位。而高品质电解铜箔的生产，主要依赖于工艺技术和与之相配套的设备技术的进步[1]。

而在电解铜箔制造成套设备中，阴极辊作为其成套设备的核心及关键部件，其质量决定着铜箔的档次和品质，被称为电解铜箔生产的心脏[2]。所以，阴极辊的质量至关重要。为了保证阴极辊的质量，阴极辊在制造过程中，我们必须严控每个环节，以保证阴极辊成品质量。本文主要从阴极辊的工作原理、阴极辊组成、关键零部件的质量控制等几个方面探讨制造过程的质量控制，以提高阴极辊的产品品质。

1 阴极辊的工作原理

在电解铜箔制造过程中，通过轴承架和安装在阴极辊钢轴两端的轴承，将阴极辊悬空架置在电解阳极槽内弧面中。由于阳极槽内弧面内安装涂层阳极板，这样使阴极辊和涂层阳极板之间形成一个电解工作区域。将电源正极连接电解阳极槽，电源负极连接阴极辊，然后通电；电流同时从阴极辊钢轴两端的导电环导入到两端导电铜排，再从两端导电铜排导入到两端导电铜板，再导入到整个钢辊芯面，最后导入到整个钛辊面。同时，从阳极槽底部的进液口，通过净液泵将硫酸铜溶液送入到阳极槽内的涂层阳极板上，进入电解工作区域，进行电解。由于阴极辊为负极导电体，所以导入到阴极辊辊面的电流必须充分均匀，这样铜离子才能向阴极辊辊面迁移，并均匀沉积。随着阴极辊驱动端减速机带动齿轮的转动，安装在阴极辊钢轴驱动端的齿轮也带动阴极辊连续匀速圆周转动；同时，随着硫酸铜溶液连续不断地循环，电解工作区域内铜离子增多，不断地向阴极辊工作区域的辊面迁移沉积。整个辊面沉积的铜箔由薄变厚，厚到一定厚度时，通过剥离装置，将铜箔从阴极辊辊面剥离并收卷。

2 阴极辊组成

阴极辊是由钢轴、钛端板、钛堵盖、钛环、塑料环、密封圈、钛筒、钢辊芯组焊而成，如图1所示。

图1 阴极辊组成

其中，钢轴1、钛筒7、钢辊芯8为阴极辊关键零部件，对于最终阴极辊生成铜箔的质量起着关键作用。所以这几个关键零部件每一步制作，都需要严格控制。下面主要从这几个零部件结构特点、作用及加工注意事项等方面，分析一下质量控制点及相关方法。

3 关键零部件的质量控制

3.1 钢轴

钢轴作为阴极辊关键零部件之一，起着支撑阴极辊，承受阴极辊所有重力的作用，为阴极辊的重心支柱。钢轴的材料选择强度、塑性都较高的45钢，经过调质处理，提高钢轴的金相组织均匀性和力学性能后方可使用。

钢轴的结构、尺寸选择匹配合理，经模拟软件测试其工作状态下满足所有承受力及疲劳强度后方可。

对于成品钢轴，必须通过动平衡、静平衡相关实验调整到一定范围内，表面跳动也有非常严格的要求。

3.2 钢辊芯

3.2.1 钢辊芯组成

钢辊芯由钢轴、导电铜排、保护钛套、定位块、导电铜板、铜钢复合板、支撑筋板、支撑钢板、钢筒等组焊而成。如图2所示。

图2 钢辊芯

3.2.2 钢辊芯作用与制作

首先，钢辊芯是阴极辊受力的支撑主体，保持阴极辊的几何形状不变形，不发生微变、蠕变。所以在制作钢辊芯时，钢轴保护套8-13与钢轴1一定要用销钉固定牢固，同时，在销钉固定处再进行焊接固定。保证钢轴保护套与钢轴之间无间隙，无摆动。支撑筋板8-7和8-8必须与钢轴保护套8-13满焊，支撑筋板8-10与支撑钢板8-9和钢筒8-11之间满焊，以防止阴极辊长期生产过程中，筋板掉落，引起辊面局部塌陷。钢筒8-11为钢板卷制而成，所以钢筒的整条焊缝必须进行100%超声检测，以保证焊缝质量，防止渗漏。钢筒卷制完成后，测量钢筒的圆度、直线度，如圆度、直线度较大，必须用卷板机对其进行校圆处理。由于空间限制，支撑钢板8-9的支撑位置距钢筒8-11端120处焊接时，焊接热影响区、焊缝处及两边容易出现凹陷或者局部焊缝周边区域存在硬棱边。尤其支撑钢板8-9与钢筒8-11之间是一个整圆焊缝，焊接量大，焊接热影响区域较大。这样容易引起钢筒两端局部凹陷。所以，焊接时，一定要小电流、对称焊接。同时，制作相应的工装，防止钢筒焊接时端面凹陷变形。

通过对焊缝处进行冷校形或者热校形等多次处理后，保证焊缝处圆度。从而提高钢筒圆度、直线度。减小钢辊芯外表面加工量，保证钢辊芯表面铜材的厚度，保证钢辊芯表面铜的导电量。

其次，由阴极辊工作原理可以看出，阴极辊在生产中，辊面上要有足够充分的电流，而且分布到整个辊面的电流要十分均匀。若辊面局部电流不均匀时，辊面局部就会出现过热、电击。同时，生成的铜箔不同部位克重有偏差，整个铜箔的厚度不均匀，影响铜箔的成品质量。而且，提高电流密度是提高产量的重要措施。所以，电流在阴极辊表面均匀分布是铜箔正常生产，保证质量的前提[3]。而影响辊面充分导电及导电均匀性的因素主要是导电系统和钛筒体。

而导电系统作为钢辊芯部件中的一部分，主要由图2钢辊芯组成中，铜钢复合板8-4、导电铜板8-5、8-6和导电铜排8-1组焊而成。

铜钢复合板8-4与支撑钢板8-9、导电铜板8-5、8-6之间通过焊接进行连接。其中导电铜板8-5、8-6和导电铜排8-1之间均焊接连接。由于进入阴极辊的电流，通过导电铜排导入到导电铜板，再从导电铜板导入到钢辊芯面，再导入到钛辊面，所以导电铜排与导电铜板处的焊缝至关重要。此处焊缝不仅要求焊接牢固，而且焊缝导电性必须好，为关键控制点。导电铜排与导电铜板间三者叠加起来为3层，焊接要求非常高。焊缝必须熔透、焊透、焊缝饱满，无凹坑、裂纹、咬边、夹渣、气孔等缺陷。因此，在导电铜排与导电铜板8-5、8-6焊接前，必须先进行同厚度、同坡口的铜试板焊接。焊接完成后，记录焊接参数，对铜试板焊缝进行100%探伤检测。同时，对铜试板焊缝进行导电性能检测。焊缝质量满足要求后，方可进行导电铜板8-5、8-6和导电铜排的焊接。要求导电铜板、导电铜排下料后，对焊接组对边进行机加工，按铜试板坡口形式加工其坡口，从而保证导电铜板、导电铜排与钢轴之间的装配尺寸，以及组对边的焊接间隙。焊前，先将焊接组对边及其周边擦洗干净，装配好位置，点焊，固定好各焊接件，测量焊缝组对边之间的间隙，尺寸均匀一致后，再按照铜试板焊接电流参数进行焊接。焊缝圆滑过渡，无气孔、夹渣、未熔合、焊瘤等缺陷，焊缝宽窄均匀一致、美观。焊接完成后，对焊缝进行100%超声探伤，并测量其导电性能。

钢辊芯制作完成后，便可进行表面车加工。车加工时，控制好转速和进刀量，保证辊面粗糙度；同时，控制好钢轴端到辊芯端面的尺寸，以及辊芯面的直线度和圆跳动。直线度和圆度直接影响后续部件的装配质量。

3.3 钛筒

在阴极辊制作中，钛筒体的控制更是重中之重。阴极辊钛筒体的外观和微观质量决定着铜箔成品的外观和微观质量。辊面应光滑平整，无光斑、色差、网纹；辊面粗糙度值越高，几何尺寸均匀性越好，生成的铜箔表面才会光滑、无色差。辊面微观晶粒越细小、大小相当，排列一致性越好，才能生成超薄超韧性的铜箔，铜箔品质才能大幅度提高。

因此，钛筒体毛坯料在车加工前，必须用特殊工装进行多方向校圆。校圆后，才可以进行车削加工。由于在生箔过程中，阴极辊表面始终是在变化的，当表面铜沉积达到一定厚度后，用放大镜可观察到明显的结晶凸点。这种变化基于阴极辊表面状态。所以，钛筒体与钢辊芯热装时，一定要保证钛筒体与钢辊芯同心度。这样，钛筒体与钢辊芯贴合率才会更高。在后续进行表面车削加工时，阴极辊钢轴与辊面同轴度才会更好。同时，辊面机加工时，转速、进给量、刀具材料的选择必须严格控制，这样车加工出来的辊面圆度、直线度、辊面微观和宏观一致性就会更好。整个辊面加工完成后，辊面两端必须保证直角，采用特殊工装保证端面无毛刺且为直角。

阴极辊面机械加工光洁度高了，辊面状态就相对稳定些。这样使阴极表面的电力线密度会更高，电场能才会更均匀。辊面沉积的铜箔微观晶粒就会更致密。

4 结语

随着电子产业对电解铜箔需求量的日益增加，以及对铜箔档次和品质的高要求，电解铜箔制造成套设备也进入高标准、高精度、高效率阶段。阴极辊作为电解铜箔成套设备的核心部件，也是电解铜箔生产的母体，其品质直接决定着铜箔品质。同时，由于其钛辊面状态为动态变化，为了使钛辊面在生产过程中这个动态变化量较小，阴极辊在制造过程中，必须严控每个环节，尤其是关键部件、关键点，每一环节都应在设计要求的范围之内。这样，我们才能制作出高档次的阴极辊，从而生产出高品质的铜箔产品。