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气体保护实芯焊丝(简称焊丝)镀铜的一个重要目的就是提高焊丝的防锈性能, 因为使用锈蚀的焊丝会给焊接接头带来诸如气孔、夹渣、裂纹等一系列致命的缺陷。实践证明, 镀铜焊丝在存放过程中出现的锈蚀现象非常普遍, 从而造成焊丝生产企业的大量退货。特别是那些镀铜质量不好的焊丝, 在潮湿季节存放时间大多不超过两个月, 给焊丝企业的生产造成极大的困难。如何解决镀铜焊丝防锈性能低的问题已成为焊丝生产企业较棘手的技术难题之一。
1.焊丝锈蚀原因
焊丝镀铜的主要目的是提高焊丝的防锈性、增加焊丝的导电性。焊丝防锈能力主要依赖于表面镀铜层, 而铜在空气中具有较好的抗锈能力。按照常理, 焊丝表面的铜保护层只要致密, 即使只有非常薄的一层就足以保护焊丝免受潮湿空气的锈蚀, 在潮湿空气环境中的抗锈蚀能力能满足焊丝在半年内正常库存的需要。虽然有时镀铜层表面会因氧化而轻微变色, 但这种镀铜层的氧化并不影响焊丝的正常使用。如果镀铜层完全覆盖焊丝钢基体, 焊丝就不会在数月之内锈蚀。
研究结果已经充分证明, 焊丝的锈蚀并非表面铜层的锈蚀, 而是焊丝钢基体的锈蚀。镀铜焊丝一旦裸露钢基体(即使是微小的一点), 由于钢基体的电负性要比铜大得多, 在潮湿空气环境中裸露点的钢基体必然会与铜组成Cu-Fe原电池,造成钢基体的电化学腐蚀, 从而加速裸露钢基体腐蚀。特别是在有外来电解质的情况下(如手汗或裸露点存在易吸潮的润滑剂污斑), 这种电化学腐蚀速度会成数倍增大。这说明只要铜层对焊丝钢基表面保护不全(铜层覆盖不全), 那么镀铜层的存在反而会加速焊丝的腐蚀, 这已被许多实验所证实。有些企业利用苯并三氮唑处理镀铜焊丝表面来提高焊丝防锈能力的做法是缺乏依据的, 因为苯并三氮唑只能提高铜层表面的抗变色和抗锈能力, 却不能提高裸露钢基体的抗锈蚀能力。对锈蚀原因主要是钢基体锈蚀而非铜层锈蚀的焊丝防锈处理来说, 利用苯并三氮唑处理显然不会有太好的效果。
2.焊丝镀铜质量对其防锈性能的影响
以上分析可知, 焊丝铜层覆盖不全是造成焊丝快速腐蚀的主要原因, 焊丝钢基体裸露点数量越多、裸露面积越大, 焊丝的腐蚀速度就越快, 腐蚀程度越严重。决定成品焊丝镀铜层覆盖程度的主要因素是焊丝表面的镀铜层厚度和镀铜层结合力。
在分析焊丝表面的镀铜层厚度和镀铜层结合力对焊丝防锈能力的影响时, 要关注镀铜层厚度稳定性和结合力稳定性对焊丝防锈能力的影响。
2.1镀铜层厚度及其稳定性的影响
镀铜层厚度主要由焊丝在镀槽中镀铜时间和镀液的镀铜速度决定, 而镀铜速度则取决于镀液温度和镀液性能。由于焊丝镀铜过程是电化学过程, 受镀铜反应本身性质所限, 钢基焊丝表面不可能获得完整致密的镀铜层, 总是存在裸露的焊丝钢基体, 即存在所谓的“针孔”现象, 这是焊丝镀铜过程产生的正常现象, 无法避免。由于镀前清洗的问题, 焊丝表面或多或少存在如润滑剂、氧化物残留斑等污斑, 从而阻碍了这些区域焊丝表面正常的置换镀铜反应,也使焊丝表面存在一些镀不上铜的区域, 所以焊丝表面的镀铜层是一层不完整的保护层。
带有“针孔”或污斑的镀铜焊丝还要进行一道抛光工序, 镀铜层在抛光过程中会产生程度很大的塑性变形。如果焊丝表面镀铜层较厚, 在塑性变形过程中所有的针孔及绝大部分细小分散的污斑就会被流动的铜层覆盖;如果镀铜层过薄, 铜层在抛光过程中不足以覆盖整个焊丝表面时造成焊丝表面铜层覆盖不全。镀铜层越薄, 抛光后焊丝表面钢基裸露面积就越大, 存放过程中焊丝产生锈蚀的机会越大,焊丝锈蚀的速度和程度也会随之增加。表1是在同一镀液(含分子筛型添加剂)中经不同时间镀铜后获得的不同镀层厚度的焊丝, 经抛光后的盐雾试验结果。
试验结果表明, 镀层厚度对焊丝防锈能力的影响非常显著。国内化学镀铜方法生产的焊丝表面镀层厚度大多为0.20～0.30 μm,与国际标准对焊丝铜层厚度的规定(对直径1.20 mm焊丝相当于1.25 μm铜层厚度)相比, 铜层明显偏薄, 加上又存在许多裸露区域, 铜层对焊丝的保护能力就差。研究发现, 焊丝的防锈能力与表面镀铜层的厚度呈正比关系。只有镀铜层厚度达到5μm以上时, 才可能达到完全致密。虽然目前的镀铜焊丝生产工艺很难获得大于5 μm的镀铜层, 但在国家标准限定的范围内, 如何提高镀层厚度, 加强焊丝抛光过程中铜层对裸露点的覆盖能力, 对提高现行焊丝的防锈能力非常重要。
受焊丝镀铜槽体积和连续在线镀铜的生产方式所限, 再加上生产效率的要求, 焊丝在镀槽内的镀铜时间大多在1～3 s。要提高镀层厚度, 单纯依靠提高镀铜时间几乎是不可能的, 只能依靠提高镀液的镀铜速度来获得。
焊丝镀液镀铜速度的提高可以借助加热镀液,但在没有合适镀液添加剂的情况下, 镀液温度的提高会显著粗化焊丝镀铜层的晶粒度, 增加脆性,从而导致铜层结合力的下降, 加剧抛光和送丝过程中的掉铜现象, 不利于焊丝的防锈。另外, 随着温度的增加, 镀液稳定性会急剧下降, 焊丝表面镀铜层内Cu2 O等析出夹杂物数量会剧增, 也会严重影响镀铜层结合力, 而且导致镀铜槽中沉积的铜含量增加。据此, 要通过对镀液加温的方法来保证镀铜速度, 必须要在能对镀铜层晶粒度实行有效控制(添加镀铜添加剂)的基础上才可行。但是, 市场上的镀铜添加剂大多是通过络合铜离子、降低铜离子的电极电位、抑制镀液的镀铜速度来细化镀层晶粒、改善镀铜质量的。这类添加剂在提高镀层质量的同时势必降低镀液的镀铜速度, 从而降低焊丝镀层厚度, 对焊丝的防锈性能带来不利影响。这种镀液的镀铜速度对添加剂浓度非常敏感, 镀液中允许的添加剂浓度范围很窄, 而镀液中添加剂浓度的检测又非常困难。使用过程中, 添加剂浓度的变化会给镀层厚度带来波动, 造成镀层厚度均匀性下降。
分子筛型镀液添加剂完全克服了络合型镀铜添加剂的弊端,不仅可以显著提高镀铜层与焊丝结合力、光亮度,完全消除焊丝表面铜锈和镀槽“结铜”现象, 而且还可保持CuSO4·H2SO4水溶液的原有快速镀铜速度。这种添加剂只存在一个最低使用浓度, 只要镀液中添加剂浓度大于最低浓度, 焊丝的镀铜速度和镀层质量就可保持稳定(与添加剂浓度无关)。即使冬、夏季节使用, 也无须加热或冷却镀液, 可保持相对稳定的镀铜速度和镀层质量, 因而使用非常方便。这种分子筛添加剂完全抑制镀液中Cu2O等杂质的生成,提高镀液稳定性,有效屏蔽Fe2 +的有害作用, 延长镀液使用寿命。
2.2镀铜层结合力及其稳定性
焊丝镀层结合力是衡量焊丝镀铜层与焊丝钢基体结合强度的一个直观指标。GB8110中规定采用缠绕试验来检验焊丝镀铜层的结合力, 镀铜层结合力不好的直接表现是镀层结合力缠绕试验时铜层起毛或开裂, 或者在焊丝抛光和绕丝过程中掉铜。
焊丝镀层结合力及其稳定性对焊丝铜层覆盖程度和防锈能力有很大影响。镀层结合力稳定性不好的焊丝, 即使镀层结合力很好, 防锈能力很高, 仍难以保证整批焊丝镀层质量的均匀性, 在焊丝的某些地方可能会出现掉铜而锈蚀, 所以, 焊丝镀层结合力的稳定性指标实质上是一种焊丝的质量可靠性指标, 其重要程度并不低于镀层结合力。
2.3焊丝镀前表面质量的影响
由于焊丝是由热轧盘条经剥壳-碱洗-酸洗-拉拔-清洗-镀铜-抛光而成的, 焊丝表面因剥壳、酸洗不彻底残留的氧化皮碎片、拉拔过程中由于各种原因造成的焊丝表面润滑剂残留, 特别是那些非水溶性的钙基润滑剂的残留, 都会成为阻碍镀液对焊丝钢基表面润湿的天然屏障。如果镀前清洗不彻底, 这些污物所在的焊丝表面就会成为镀铜反应的空白点, 在随后的抛光过程中, 这些区域虽然有可能被流动的铜层覆盖, 但由于铜层与焊丝钢基表面之间有一层污物隔膜, 因而该处的铜层与焊丝的结合力很低, 在随后的缠绕和送丝过程中也容易剥落。由此可见, 焊丝镀前表面质量对焊丝镀铜层结合力至关重要。
2.4镀液性能的影响
镀液性能主要包括镀液对焊丝表面的润湿能力、均镀能力、镀液稳定性以及镀液的镀铜速度。
镀液的润湿能力主要反映了镀液的表面张力以及对焊丝表面常见污染物的清除或渗透能力。润湿能力强的镀液可显著降低焊丝镀前表面质量波动对镀铜质量的不利影响, 从而提高焊丝镀铜质量的稳定性。均镀能力高的镀液, 镀出的焊丝表面镀层内应力低、晶粒细密、平整性好、延展性高, 抛光时不易掉铜。使用分子筛型镀液添加剂可以显著提高镀液的润湿能力、均镀能力及镀液的稳定性, 从而提高镀层结合力及其稳定性。
3.结论
(1) 提高焊丝镀层厚度可以显著提高焊丝表面铜层的覆盖程度, 从而提高焊丝的防锈能力。提高焊丝镀层厚度主要依靠提高镀液镀速和温度, 但镀速和温度的提高则需通过选用合适的镀液添加剂才能实现, 如果在没有添加剂条件下单纯通过提高镀液温度来提高镀铜速度, 则会因镀层脆性的增加及镀液稳定性的下降而使镀层质量显著恶化。
(2) 焊丝镀铜层结合力及其稳定性明显影响焊丝防锈性能, 而影响结合力及其稳定性的主要因素是焊丝的镀前表面质量和镀液性能。
(3) 使用分子筛型镀液添加剂对提高镀层厚度、镀层结合力及其稳定性都非常有利, 因而会对提高焊丝镀铜质量稳定性及整体的防锈性能产生显著效果。