激光清洗在銅材表面處理中的應(yīng)用分析

徐匡 陳衛(wèi)華 楊茂祥 王旭東

（第七一五研究所，杭州，310023）

換能器一般包括壓電陶瓷元件、金屬結(jié)構(gòu)件、非金屬結(jié)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)去耦件、匹配層和水密包覆層等，各個(gè)器件之間的組合基本上是通過膠粘進(jìn)行連接的，如壓電陶瓷元件-電極（銅）、壓電陶瓷元件-金屬蓋板、金屬件-無源材料。粘接強(qiáng)度是影響換能器性能的重要因素，強(qiáng)度取決于粘接劑、粘接件的表面處理技術(shù)和粘接工藝等三個(gè)方面。本文僅對粘接件的表面處理技術(shù)進(jìn)行研究。

圖1所示的屏蔽殼體是某型換能器生產(chǎn)制造中必不可少的器件之一，由0.2 mm銅材沖壓成型，按照設(shè)計(jì)要求需與聚氨酯橡膠粘接成一體。受銅材化學(xué)性質(zhì)所限，在存放過程中，殼體表面極易形成氧化層，直接影響屏蔽殼體與聚氨酯橡膠的粘接性，降低換能器的產(chǎn)品整體性能。

圖1 屏蔽殼體

由于屏蔽殼體屬于薄壁件，利用噴砂及砂紙打毛的工藝會發(fā)生處理后形變，目前在某型換能器生產(chǎn)中，屏蔽殼體表面氧化物采用化學(xué)腐蝕法進(jìn)行手工清洗。但該法受試劑濃度等多種因素影響，存在清洗工藝復(fù)雜、清洗效率不高、清洗質(zhì)量難以精確把控、清理不到位甚至漏清理等問題。同時(shí)在清洗過程中酸性化學(xué)試劑易對基體造成一定程度的損傷，清洗廢液也會造成環(huán)境污染，對操作人員的身體產(chǎn)生傷害[1-2]。因此針對屏蔽殼體表面氧化物清洗，尋求一種環(huán)保、高質(zhì)量的清洗新方法十分重要。

激光清洗作為新興的清洗技術(shù)，是一種高效環(huán)保的清洗工藝。與化學(xué)腐蝕法相比較而言，激光清洗的優(yōu)點(diǎn)非常明顯：控制精度好、一致性高；清洗時(shí)非接觸、無研磨，不會產(chǎn)生機(jī)械作用力，對基體損傷性低；清洗廢料為可回收固體粉末，不會造成環(huán)境污染；同時(shí)逐層清洗易損傷的零部件[3]。本文分別用激光清洗技術(shù)和化學(xué)腐蝕法對銅材表面氧化物進(jìn)行表面處理，利用粘接剝離試驗(yàn)方式進(jìn)行粘接強(qiáng)度性能對比，以驗(yàn)證激光清洗技術(shù)在銅材表面處理的可行性。

1 工藝機(jī)理

化學(xué)腐蝕法的清洗機(jī)理為：酸性化學(xué)試劑與金屬基體表面氧化物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而溶解掉氧化物。金屬氧化物激光清洗技術(shù)主要分為干式激光清洗、濕式激光清洗兩類。干式激光清洗法的清洗機(jī)理為：激光直接照射金屬基體表面氧化物，將能量傳遞至氧化物表面，使其表面溫度升高而發(fā)生熱膨脹，熱膨脹使氧化物或者基體振動(dòng)，從而使氧化物克服表面吸附力脫離基體表面，如圖2（a）所示[4]。濕式激光清洗法的清洗機(jī)理為：將液膜（水、酒精或其它液體）預(yù)先覆蓋在金屬基體表面，用激光進(jìn)行照射，液膜吸收激光能量急劇受熱，在固液交界處瞬間氣化，產(chǎn)生大量氣泡，氣泡瞬間爆炸對氧化物產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊力，從而使污染物克服表面吸附力脫離基體表面，如圖2（b）所示。

圖2 激光清洗機(jī)理示意圖

由于液膜存在，濕式激光清洗容易造成金屬基體表面二次氧化，本次試驗(yàn)采用干式激光清洗法進(jìn)行應(yīng)用研究。文獻(xiàn)[5]中不同清洗法清洗前后的銅材表面微觀形貌圖，如圖3所示。從圖中可以看出，不同清洗法在微觀上對銅材表面的處理效果存在明顯的差異。圖3 (b) 為化學(xué)腐蝕法處理后銅材微觀形貌，經(jīng)處理后表面產(chǎn)生一系列寬度約為40 μm的溝槽；圖3(c) 為干式激光清洗后銅材微觀形貌，清洗后，銅材表面氧化物剝離，且表面被刻蝕出均勻的“珊瑚”狀孔隙，孔隙間距小于10 μm。與化學(xué)腐蝕法相比，激光清洗極大程度提高了銅材的有效粘接面積，從而增加了表面活性分子與粘接劑分子間的吸引力。同時(shí)由于機(jī)械互鎖作用，處理后的銅材表面與聚氨酯橡膠粘接時(shí)，“珊瑚”狀孔隙容易與銅材表面形成更強(qiáng)的機(jī)械互鎖力，進(jìn)一步提高了銅材與聚氨酯橡膠的粘接強(qiáng)度。

圖3 不同表面清洗方法銅材微觀形貌

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用同一批次的銅材和聚氨酯橡膠作為試驗(yàn)材料。為了消除表面材料性質(zhì)不同對試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用線切割方法在厚度為1.5 mm的銅板上進(jìn)行試片切割。試片尺寸按照文獻(xiàn)[6]規(guī)定切割成200 mm×25 mm。

2.2 試驗(yàn)裝置

激光清洗法所采用的激光清洗試驗(yàn)設(shè)備由連續(xù)光纖激光器、光束調(diào)整系統(tǒng)、工作平臺、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及輔助設(shè)備構(gòu)成，工作原理如圖4所示。清洗時(shí)，為達(dá)到理想的清洗效果，需根據(jù)不同清洗對象選擇合適的設(shè)備參數(shù)，本試驗(yàn)清洗對象為銅試片。文獻(xiàn)[5]、[6]相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：功率，20 W；波長，1 064 nm；掃描速度，5 000 mm/s；光束聚焦后光斑直徑，0.02 mm；離焦量，50 μm等?；瘜W(xué)腐蝕法清洗試驗(yàn)主要是將草酸、二氧化硅按照固定比例配制擦銅水，在容器中利用酒精紗布或無塵布手工擦洗試片表面。整個(gè)試驗(yàn)除清洗設(shè)備外，還需使用粘接剝離試驗(yàn)所需的烘箱、拉力試驗(yàn)機(jī)。

圖4 激光清洗裝置原理示意圖

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用單因素對比法，除銅試片表面氧化物清洗方法不同外，其他試驗(yàn)操作仍嚴(yán)格按照現(xiàn)有工藝規(guī)程的要求進(jìn)行，試驗(yàn)流程如圖5所示。清洗過程中，不斷觀察銅試片表面的顏色，直至露出銅單質(zhì)的本色，判斷清洗完成。銅試片清洗完成后用干凈的酒精紗布反復(fù)擦洗，擦凈后晾干；在通風(fēng)柜中均勻涂覆底膠、晾干；現(xiàn)配聚氨酯橡膠，在模具內(nèi)對試片進(jìn)行灌注，然后放入烘箱加熱固化，自然冷卻。待上述操作完成，取出試片進(jìn)行編號并在常溫環(huán)境中放置約7天，試片如圖6所示。

圖5 試驗(yàn)流程

圖6 粘接固化后的試片

根據(jù)文獻(xiàn)[6]進(jìn)行試片-聚氨酯橡膠粘接剝離試驗(yàn)，測量各自剝離力。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了減少人為操作誤差，在不同時(shí)間內(nèi)多批次多數(shù)量進(jìn)行了試片制備。使用拉力試驗(yàn)機(jī)在相同條件下分別對兩種方法處理后的試片進(jìn)行粘接剝離試驗(yàn)，得到相應(yīng)的剝離曲線，圖7、8為第一批次部分試片的剝離曲線。

圖7 激光清洗法剝離曲線

圖8 化學(xué)腐蝕法剝離曲線節(jié)選

舍棄剝離曲線起始的25 mm剝離長度后，利用畫等高線方法取其余剝離曲線上力的平均值作為試片的平均剝離力，同時(shí)讀取每個(gè)試片剝離曲線上的最大剝離力、最小剝離力。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理如表1所示。

表1 試片剝離力

聚氨酯橡膠與銅試片粘接的剝離強(qiáng)度為：

式中，bσ為橡膠與金屬粘接剝離強(qiáng)度，kN/m；C為剝離曲線的負(fù)荷坐標(biāo)單位長度所代表的力，N/cm；H為剝離長度內(nèi)剝離曲線的平均高度，cm；B為試片粘接面的平均寬度，mm。按該公式分別計(jì)算激光清洗法和化學(xué)腐蝕法這兩種不同加工方法所得的試片的平均剝離強(qiáng)度、最大剝離強(qiáng)度、最小剝離強(qiáng)度如表2所示。

表2 試片剝離強(qiáng)度

該比對試驗(yàn)中，除處理銅材表面處理的方法不同，其余所有的工藝操作方法均完全一致。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，激光清洗方法與化學(xué)腐蝕法處理相比，平均剝離強(qiáng)度的算術(shù)平均值增加0.86 kN/m，提升21.1%；最大剝離強(qiáng)度的算術(shù)平均值增加0.99 kN/m，提升 19.1%；最小剝離強(qiáng)度的算術(shù)平均值增加1.13 kN/m，提升36.2%。因此該試驗(yàn)結(jié)果表明，采用激光清洗法清洗表面氧化物后的銅材與聚氨酯橡膠粘接，其粘接強(qiáng)度要明顯高于采用化學(xué)腐蝕法。用樣本方差這一數(shù)學(xué)工具統(tǒng)計(jì)分析激光清洗法和化學(xué)腐蝕法清洗銅材表面后與聚氨酯橡膠粘接的一致性情況。樣本方差的計(jì)算公式：

其中，S2為樣本方差，x為變量，為樣本均值，n為樣本例數(shù)。根據(jù)式（2）對以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 剝離強(qiáng)度方差

從表3可以看出，無論是最大剝離強(qiáng)度、最小剝離強(qiáng)度還是剝離強(qiáng)度平均值，激光清洗法的剝離強(qiáng)度樣本方差數(shù)值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于化學(xué)腐蝕法的剝離強(qiáng)度。方差越小，表明數(shù)據(jù)的波動(dòng)越小。因此可以確認(rèn)，相較于化學(xué)腐蝕方法，激光清洗方法清洗的效果更加穩(wěn)定，粘接強(qiáng)度性能的一致性更好。

4 結(jié)論

本文試驗(yàn)采用連續(xù)光纖激光設(shè)備，對銅材表面氧化物進(jìn)行清洗，并通過粘接剝離試驗(yàn)，與化學(xué)腐蝕法的清洗效果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了激光清洗銅材氧化物的工藝可行性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過激光清洗法處理的銅試片，粘接性能得到了有效提升，約為化學(xué)腐蝕法的1.19～1.36倍，且試片粘接效果一致性好。試驗(yàn)充分證明了激光清洗技術(shù)在銅材表面氧化物的清洗領(lǐng)域應(yīng)用的可行性、可靠性、優(yōu)越性。后續(xù)將結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，對激光清洗設(shè)備與生產(chǎn)線的結(jié)合方式進(jìn)行研究。