CN111218703A

CN111218703A - 一种激光清洗辅助的电镀加工方法

Info

Publication number: CN111218703A
Application number: CN201811423213.XA
Authority: CN
Inventors: 孙博宇; 赵吉宾; 乔红超; 陆莹; 曹治赫
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2020-06-02

Abstract

本发明公开了一种激光清洗辅助的电镀加工方法，属于电镀加工方法技术领域。该方法是在对金属基体电镀前，先通过低功率激光处理待镀金属基体表面，除去基体表面的油污、粉尘；再通过高功率激光处理，在基体表面形成具有微凹坑状的表面熔融层；最后进行电镀处理。本发明采用激光直接作用于待镀金属基体表面，对基体表面进行清洗的同时使基体表面形成微凹坑状的熔融层，从而提高电镀过程中基材表面与镀液的接触面积，提高镀层结合力。

Description

一种激光清洗辅助的电镀加工方法

技术领域

本发明涉及电镀加工方法技术领域，具体涉及一种激光清洗辅助的电镀加工方法。

背景技术

电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，是一种传统的表面处理工艺。待镀的金属表面在电镀前需要进行前处理，金属零件电镀前处理的主要目的是清洁待镀金属表面的粉垢、氧化层、锈迹、油脂等污染物，露出新鲜的基体表面。前处理的结果直接影响镀层质量的优劣，在电镀加工中，常见的缺陷包括起皮、脱落、针孔、麻点、斑点、鼓泡、发花、耐蚀性差等都与前处理不规范有着一定的联系。据统计，85％以上的电镀缺陷都是因为前处理不当导致的。因此稳定、合理的前处理极为重要。

因为电镀前处理工艺非常重要，在电镀前，镀层一般需要经过打磨、化学除油、电化学除油、化学抛光、超声波清洗、阴极活化、烘干等工艺。这导致前处理复杂、繁琐，且各种化学溶液如化学抛光所用的腐蚀液对环境污染严重。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光清洗辅助的电镀加工方法，该方法在电镀前对基体采用激光清洗前处理，解决了传统电镀前处理工艺中存在的步骤复杂繁琐、环境污染大、镀层结合力差等缺点。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种激光清洗辅助的电镀加工方法，该方法是在对金属基体电镀前，采用激光直接作用于待镀金属基体表面，对基体表面进行清洗的同时使基体表面形成不平整(微凹坑状)的熔融层，从而提高电镀过程中基材表面与镀液的接触面积，提高镀层结合力。该方法具体包括如下步骤：

(1)通过脉冲激光器使用低功率激光处理待镀金属基体表面，以除去基体表面的油污、粉尘等污染物，使基体表面光亮；

(2)通过脉冲激光器使用高功率激光处理待镀金属基体表面，以除去基体表面的氧化层、锈蚀等污染物；激光处理后在露出新鲜的基体表面的同时，还在基体表面形成具有微凹坑状的表面熔融层，该表面熔融层能够提高基体表面与镀液接触面积，从而提高镀层结合力；

(3)将待镀金属基体接到阴极进行电镀，在基体上获得镀层；

(4)将电镀后的样品浸入沸腾的去离子水中5-10min，取出后获得最终电镀零件。

上述步骤(1)中，激光器的功率为5-10W；步骤(2)中，激光器的功率为20-30W。

上述步骤(1)和步骤(2)的激光处理过程中，基体固定，通过控制激光头使激光直接作用于待镀金属基体表面，且光斑垂直照射基体表面，作用点始终处于光斑焦点位置。

上述步骤(1)和步骤(2)的激光处理过程中，设定脉冲重复频率为100kHz，扫描速度为6000mm/s。

所述金属基体为紫铜，所述镀层为可以为金铜合金镀层或其他镀层。

当镀层为金铜合金镀层时，镀液组成为：亚硫酸金钠10-20g/L，硫酸铜1-3g/L，亚硫酸钠120-180g/L，HEDP为20-40g/L，ATMP为20-60g/，硫酸钾50-80g/L；镀液pH值8.5-9.5。

当镀层为金铜合金镀层时，电镀工艺参数为：占空比10％，脉冲频率600-1000Hz，电流密度0.2-0.5A/dm₂，镀液温度50-65℃，搅拌速率700-1100r/min。

本发明的设计机理如下：

激光清洗技术是采用高能激光束照射在工件表面，使表面的污物、锈斑或者涂层发生瞬间蒸发或剥离，从而达到洁净化的工艺过程，该过程实际上是激光与物质相互作用的过程，包括一系列的化学物理效应，破坏掉污染物和物体之间的作用力。

本发明首先使用低功率激光清洗处理待镀金属表面的粉垢和油污等污染物；然后采用高功率激光处理待镀金属表面，以除去氧化层、露出新鲜的基体表面，同时形成具有微凹坑结构的熔融层。之后在基体上电镀镀层。针对紫铜基体，本发明采用的激光功率为20-30W，功率偏低，则难以形成微凹坑结构，功率偏高，会使微凹坑变为深凹坑，导致后续电镀后基体表面不平整等问题。

本发明具有以下有益效果及优点：

1、本发明与传统电镀工艺方法相比整体工艺步骤简单，只需进行激光清洗工艺就能直接电镀。

2、使用成本低，无需建造传统前处理工艺所需的各种容器和自动化设备。

3、环境污染小，不需使用任何化学药剂和清洗液。

4、镀层结合力好，不易脱落。

5、激光可以通过光纤传输，与机器手和机器人相配合，方便地实现远距离操作，这在一些危险的场所使用可以确保人员的安全，更有利于工程运用。

附图说明

图1为本发明方法操作流程。

图2为高功率激光清洗后宏观图片。

图3为高功率激光清洗后表面微凹坑图。

图4为镀层宏观图片。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明为利用激光清洗作为前处理的电镀加工方法，具体过程如下(图1)：

使用激光清洗系统处理基体，基体固定，利用六轴机器人夹持系统夹持激光清洗设备激光头，激光直接作用于待镀金属表面。工艺参数为：设定重复频率为100kHz，扫描速度为6000mm/s，光斑垂直照射试件，且作用点始终处于光斑焦点位置。首先使用激光器功率为5-10W的激光清洗基体表面，去除表面的油污和粉尘，之后使用激光器功率为20-30w清洗基体表面，在大功率激光清洗中，基体温度迅速升高至熔点，基材发生熔融。脉冲过后，基体又快速冷却、重结晶，形成了一层新组织。另一方面，激光清洗过程中伴随着等离子体冲击波和表面声波的产生，基材在其作用下发生了塑性变形。因此，形成具有微凹坑的表面熔融层，提高基材表面与镀液接触面积，从而提高镀层结合力。

配置镀液，镀液配方为其中亚硫酸金钠10-20g/L，硫酸铜1-3g/L，亚硫酸钠120-180g/L，HEDP为20-40g/L，ATMP为20-60g/，硫酸钾50-80g/L，镀液pH值8.5-9.5。

将待镀金属接到阴极进行电镀，电镀参数为占空比10％，脉冲频率600-1000Hz，电流密度0.2-0.5A/dm₂，镀液温度50-65℃，搅拌速率700-1100r/min。

电镀后，从镀液中取出紫铜片之后，用去离子水进行冲洗，并将冲洗液回收到指定的容器中。电镀后得到的镀层浸入沸腾的去离子水中5～10分钟，从而清除镀层表面及孔隙中残留的氢气，并使孔隙闭合，提高镀层表面的疲劳强度及耐腐蚀能力。

实施例1：

使用中国科学院沈阳自动化研究所研制的激光清洗设备SIA-CLEANING-1.0处理紫铜片。采用纯度为99.9％的紫铜片作阴极，电镀部分的尺寸为20mm×10mm×0.5mm；采用纯度99.99％的金板作阳极，尺寸为40mm×20mm×2mm。试件的清洗范围为20mm×10mm。激光器功率为8W的激光清洗基体表面，之后使用激光器功率为20W清洗基体表面，形成具有微凹坑的表面熔融层，如图2-3所示。

镀液配方为：亚硫酸金钠19g/L，硫酸铜1.5g/L，亚硫酸钠165g/L，HEDP 30g/L，ATMP 40g/，硫酸钾70g/L，镀液pH值9.0。将待镀金属接到阴极进行电镀，电镀参数为占空比10％，脉冲频率1000Hz，电流密度0.3A/dm₂，镀液温度65℃，搅拌速率900r/min。电镀后，从镀液中取出紫铜片之后，用去离子水进行冲洗，电镀后得到的镀层浸入沸腾的去离子水中8分钟，从而清除镀层表面及孔隙中残留的氢气，并使孔隙闭合，提高镀层表面的疲劳强度及耐腐蚀能力。所得电镀零件如4图所示。

镀层性能测试：

从宏观照片图4上能够看出，本实施例所得镀层表面呈现亮金色，镀层均匀光亮。采用弯曲试验检验镀层与基体的结合力。弯曲试验为将镀件反复弯折两次，弯折角度为90°。镀层在弯折试验后，没有发现脱落和起皮等情况，试验结果说明，金-铜合金镀层与基体之间具有良好的结合力。

对比例1：

与实施例1不同之处在于：采用激光器功率为8W的激光清洗基体表面后，直接进行电镀。

经测试，镀层在弯折试验后，出现脱落和起皮情况。

实施例2：

使用沈阳自动化所研制的激光清洗系统SIA-CLEANING-1.0处理紫铜片。采用纯度为99.9％的紫铜片作阴极，电镀部分的尺寸为20×10×0.5mm；采用纯度99.99％的金板作阳极，尺寸为40×20×2mm。试件的清洗范围为20mm×10mm。激光器功率为10W的激光清洗基体表面，之后使用激光器功率为25W清洗基体表面，形成具有微凹坑的表面熔融层。镀液配方为：亚硫酸金钠15g/L，硫酸铜2g/L，亚硫酸钠180g/L，HEDP 40g/L，ATMP 50g/，硫酸钾650g/L，镀液pH值9.0。将待镀金属接到阴极进行电镀，电镀参数为占空比10％，脉冲频率1000Hz，电流密度0.3A/dm₂，镀液温度60℃，搅拌速率1000r/min。电镀后，从镀液中取出紫铜片之后，用去离子水进行冲洗，电镀后得到的镀层浸入沸腾的去离子水中8分钟，从而清除镀层表面及孔隙中残留的氢气，并使孔隙闭合，提高镀层表面的疲劳强度及耐腐蚀能力。

本实施例所得镀层表面呈现亮金色，镀层均匀光亮。采用弯曲试验检验镀层与基体的结合力，试验结果表明，镀层在弯折试验后，没有发现脱落和起皮等情况，试验结果说明，金-铜合金镀层与基体之间具有良好的结合力。

综上所述，采用特定的激光清洗工艺不仅可以较好的去除基体表面的污染物，还可以增大基体与镀液的接触面积，从而得到结合力较好的镀层。

Claims

1.一种激光清洗辅助的电镀加工方法，其特征在于：该方法是在对金属基体电镀前，采用激光直接作用于待镀金属基体表面，对基体表面进行清洗的同时使基体表面形成微凹坑状的熔融层，从而提高电镀过程中基材表面与镀液的接触面积，提高镀层结合力。

2.根据权利要求1所述的激光清洗辅助的电镀加工方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(3)将待镀金属基体接到阴极进行电镀，在基体上获得镀层；

(4)将电镀后的样品浸入沸腾的去离子水中，取出后获得最终电镀零件。

3.根据权利要求2所述的激光清洗辅助的电镀加工方法，其特征在于：步骤(1)中，激光器的功率为5-10W。

4.根据权利要求2所述的激光清洗辅助的电镀加工方法，其特征在于：步骤(2)中，激光器的功率为20-30W。

5.根据权利要求2所述的激光清洗辅助的电镀加工方法，其特征在于：步骤(1)和步骤(2)的激光处理过程中，基体固定，通过控制激光头使激光直接作用于待镀金属基体表面，且光斑垂直照射基体表面，作用点始终处于光斑焦点位置。

6.根据权利要求2或5所述的激光清洗辅助的电镀加工方法，其特征在于：步骤(1)和步骤(2)的激光处理过程中，设定脉冲重复频率为100kHz，扫描速度为6000mm/s。

7.根据权利要求1或2所述的激光清洗辅助的电镀加工方法，其特征在于：所述金属基体为紫铜，所述镀层为金铜合金镀层。

8.根据权利要求7所述的激光清洗辅助的电镀加工方法，其特征在于：当镀层为金铜合金镀层时，镀液组成为：亚硫酸金钠10-20g/L，硫酸铜1-3g/L，亚硫酸钠120-180g/L，HEDP为20-40g/L，ATMP为20-60g/，硫酸钾50-80g/L；镀液pH值8.5-9.5。

9.根据权利要求8所述的激光清洗辅助的电镀加工方法，其特征在于：当镀层为金铜合金镀层时，电镀工艺参数为：占空比10％，脉冲频率600-1000Hz，电流密度0.2-0.5A/dm₂，镀液温度50-65℃，搅拌速率700-1100r/min。

10.根据权利要求2所述的激光清洗辅助的电镀加工方法，其特征在于：步骤(4)样品浸泡时间为5-10min。