2.7 m锂电铜箔一体机钛筒阴极辊残余应力的超声检测

路 浩，黄亚峰，朱 政，徐向前

(1.西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065;2.西安近代化学研究所，西安 710065；3.南方科技大学 机械与能源工程系，深圳 518055)

铜箔是电子工业的基础材料，随着微电子技术的飞速发展，电路板的印制朝多层化、积层化、集成化的方向发展，行业对电路板主要材料铜箔的质量要求也越来越高，印刷线路用铜箔的厚度也从150 μm逐步减薄至12 μm，辊式连续电解法生产的铜箔最小厚度可达9 μm。同时，随着国家对新能源汽车的大力推广，高端锂电铜箔市场需求呈现爆发式增长，市场急需可生产高端锂电铜箔的生产设备。目前世界上高档铜箔生产设备的市场份额大部分被美国、日本等国的电解铜箔专业生产公司垄断。

电解法生产铜箔是近几十年发展起来的一种较为普遍的铜箔生产技术，阴极辊是电解铜箔装备的核心部件。由于技术原因，多年来国内制造出的阴极辊的直径一直在2 m以内，直径2.7 m的钛阴极辊技术长期被国外企业垄断。经过技术攻关，航天四院7414厂研发出了直径2.7 m钛筒阴极辊的高精度旋压成型技术，大型高端阴极辊批量生产能力初步形成。

高质量的电解铜箔很薄，其质量受阴极辊表面状态、内部应力影响很大，针对国产化锂电铜箔一体机铜箔质量提升的需求，国内首次对其核心部件阴极辊的残余应力进行了超声检测，采用盲孔法对测试点进行了验证，比较了经焊接、旋压等工艺处理的阴极辊表面残余应力分布的差异，指出3种阴极辊表面存在一定的压应力，为产品设计提供了重要借鉴。同时为评价阴极辊的振动法消应力工艺，采用超声法对阴极辊不同振动压力下的残余应力消除效果进行了测试与评价。

1 锂电铜箔一体机及核心阴极辊部件

1.1 大直径锂电铜箔一体机

锂电铜箔一体机在电解液中通过电沉积原理生成高品质的原箔，其主要部件包括大直径钛质阴极辊、阳极槽、阳极板、电解液供应装置、阴极导电装置、在线抛磨机构、高压喷淋式清洗机构、交流伺服变控张力收卷装置、交流伺服阴极驱动等。

航天四院7414厂自主研发的2.7 m高精度锂电箔一体机实物如图1所示。该一体机采用全钛背拉式阳极槽，可稳定生产厚度为6～12 μm的高档锂电铜箔；表面处理机具有故障自诊断、历史记录报表、模拟工艺动态显示等功能，且运行稳定可靠。

图1 直径2.7 m高精度锂电铜箔一体机实物

直径2.7 m的阴极辊不仅尺寸增大，对于辊体结构强度、导电铜板和铜套结构、焊接质量控制等的技术要求也很高。

1.2 核心部件阴极辊

阴极辊是高精度锂电铜箔一体机的核心部件，其实物如图2所示，大直径钛阴极辊的制造技术难度大，作为电解铜箔生产的核心设备，产品质量要求高，辊面粗糙度要求不低于0.2 μm。辊面必须为强耐蚀性金属材料，辊面应既能电镀上铜箔又方便剥离；辊面须保证其圆柱度、粗糙度，辊面电流应均匀分布。钛筒表面非均匀分布的电流容易导致辊体表面局部过热，严重时会导致铜箔和辊面的烧蚀。阴极辊钛筒成型工艺主要有整体旋压无缝成型、焊接成型等，旋压和焊接工艺是目前主要的制造方法。

图2 直径2.7 m阴极辊实物

以日本为代表的电解铜箔设备生产厂多采用焊接钛筒制造阴极辊，通过焊缝晶粒进行细化技术，成功地解决了焊接钛筒出现的“光亮带”问题。与焊接钛筒比较，旋压钛筒在细化晶粒方面表现比较突出，表面性能均匀，避免了焊接钛筒焊缝组织与母材晶粒度差异引起的铜箔表面“光亮带”问题。但钛筒环坯旋压工艺复杂，需经历真空熔炼、分锭、冲孔、扩孔、轧环、旋压等工艺步骤，工期较长，同时加工过程中会带来残余应力传递的问题[1-5]。

电解铜箔质量缺陷主要有以下几种。

(1)外观缺陷，包括针孔和气隙度、麻点和压痕、缺口和撕裂、皱折、划痕等。

(2)尺寸缺陷，包括面积和厚度偏差、箔轮廓超标等。

(3)物理性能缺陷，包括拉伸强度、疲劳延展性、延伸率、剥离强度、载体分离强度等。

(4)铜箔使用性能，包括箔表面粗糙度、可蚀刻性、可焊性、质量电阻率等。

铜箔品质的提高主要依赖于阴极辊制造技术以及与之相配套的阴极辊表面质量，现行钛筒材料多为TA1钛合金，采用旋压或焊接成型，需经过海绵钛熔炼、锻造、环轧、旋压、车加工、抛光等处理。在铜箔的批量生产中发现，阴极辊表面的残余应力分布影响了铜箔产品稳定性和质量，为了研究阴极辊表面残余应力的分布规律，分析焊接、旋压等不同阴极辊制造工艺残余应力分布的差异，评价测试阴极辊的表面消应力工艺，笔者对其进行了无损测量。

2 应力检测设备

2.1 超声法应力测量系统

2009年国内开发了第一套超声波无损应力测量系统，该系统具有无损、适时、快速的特点，并可对EH36钢、铝合金、镍基合金、碳钢、钛合金等多种材料、构件的残余应力进行无损测量，也可以进行服役状态下焊接结构件的应力在线测量，方法工程意义重大，应用范围较广[6-14]。

西安石油大学开发的超声法应力测量设备可在-20℃低温环境下稳定作业，环境适应性强。2018年以来，先后应用于西气东输在役管线、重大危化品爆燃模拟动态应力、相国寺储气库地基变形、某型弹体消应力等检测工程中，涉及油气管道、航天、兵器、车辆、新能源等多个行业[15-16]。笔者使用该设备对阴极辊表面残余应力的分布进行了测量，采用特殊的曲面探头来检测切向应力。

2.2 盲孔法检测设备

笔者使用传统的盲孔法对阴极辊的残余应力进行了检测，并使用超声法进行比对验证。阴极辊造价很高，盲孔法会破坏工件表面，因此大部分检测由超声法进行，对部分测试点进行盲孔测量比对。

盲孔法测试参照标准ASTM E837-2008 《通过钻孔应变计测量残余应力的标准试验方法》和CB/T 3395-2013 《残余应力测试方法 钻孔应变释放法》进行。根据标准ASTM E837-2008第6.1.1条，该测试选用B型应变片，应变片型号为BE 120-6CA，电阻为120 Ω±0.3%，灵敏系数为2.14±1%，级别为A级。

检测设备采用DH 3820型高速静态应变测试系统，其最高采样速率(连续采样)为100 Hz；应变计灵敏度系数为1.0～3.0；能实现1/4桥电阻、半桥、全桥电阻的任意切换(应变释放系数A、B根据标准ASTM E837-2008进行查表选择)。

3 检测结果及分析

3.1 3种制造工艺应力比对

定义“轴向应力”为阴极辊轴向方向的应力，即应力方向与阴极辊转轴中心线平行；定义“环向应力”为阴极辊切向方向的应力，即阴极辊周长方向的切向应力。

焊接、旋压等工艺制造的阴极辊的编号为G18，BX，J6。测量线位置如图3所示，3种工艺制造的阴极辊的残余应力检测结果如图4所示，其中BX辊测试2条测量线，J6辊测试3条测量线，G18辊测试4条测量线；后对G18号阴极辊的1号测量线选取5点进行盲孔法校验。试验对每条测量线上每点的轴向应力、环向应力都进行检测。

图3 测量线位置示意

图4 不同工艺制造的阴极辊残余应力检测结果

从检测结果可以看出，3种工艺制造的阴极辊的残余应力分布有以下特点。

(1)J6辊：轴向应力低于环向应力，每条测量线上的轴向应力与环向应力差值基本维持在某一定值；J6号阴极辊每条测量线上的应力状态比较均匀；J6的3号测量线存在轴向压应力较大的现象。

(2)BX辊：BX辊压应力绝对值在3种工艺辊中最小，应力分布曲线最平滑；环向应力略低于轴向应力；应力分布非常均匀，每条测量线上的压力值波动不大于±5 MPa。

(3)G18辊：轴向应力一般低于环向应力；G18辊的4号线有拉应力；G18辊1号线盲孔法的检测结果与超声法的结果接近。

3种制造工艺阴极辊的残余应力分布特征存在明显差异。BX辊压应力绝对值最小，应力分布曲线最平滑，表面残余应力控制最为均匀；J6辊的应力分布离散度次之,其中环向残余应力最大差值约为60 MPa，轴向残余应力最大差值为140 MPa；G18辊残余应力离散度最大，其中环向、轴向残余应力最大差值均超过160 MPa。

3.2 振动消应力检测及分析

笔者后续对G18辊的2号试验辊进行了振动法消除应力试验，采用毫克能超声振动设备消除残余应力。毫克能超声振动设备使用宽度为40 mm的振动头，固定振动头的同时旋转阴极辊，按照不同的工艺设计压力，沿阴极辊表面进行残余应力消除，消应力工艺参数(主要为毫克能旋压力工作参数)如表1所示。消应力试验结束后，再次使用超声法对消除应力效果进行检测，考察不同消应力工艺下的应力降低效果。

表1 消除残余应力工艺参数

G18辊2号试验辊振动消应力后的检测结果如图5所示，检测线的位置标记如图3所示，图5(a)，(b)分别为消应力处理后的环向、轴向残余应力分布；为观察不同设计压力下的消应力效果，绘制的消应力工艺与消除效果曲线如图5(c)所示。

从消除应力检测结果可以看出，检测结果具有以下特点。

(1)消应力处理后，残余应力的平滑分布变为跳动分布，即其分布由平滑、离散分布变为跳动、集中分布。

(2)随着消应力工艺压力的改变，最终残余应力的分布与消应力的压力曲线吻合良好。距离驱动端600～700 mm处的测量点的轴向应力最低、环向应力最低，此时消应力工艺的压力绝对值最大。

(3)从降低应力效果来讲，消应力压力超过0.3 MPa时，会出现过大的压应力，实际生产中可不采用。

4 结语

(1)3种工艺制造的阴极辊的残余应力分布(沿测量线)较为平缓，其表面以压应力为主。

(2)采用毫克能超声振动设备进行消除残余应力处理后，残余应力的分布由平滑、离散分布变为跳动、集中分布，残余应力的降低效果与振动消应力的压力密切相关。