真空電子束焊接方法
2023-05-27 13:50:16
專利名稱：真空電子束焊接方法
技術領域：
本發明涉及焊接領域，特別涉及真空電子束焊接方法。
背景技術：
真空電子束焊接工藝是將被焊工件置於真空環境中利用定向高速運動的 電子束流撞擊工件使動能轉化為熱能而使工件熔化進行焊接的方法，由於電 子束高的能量密度使焊縫較窄，深寬比大，焊接應力和變形較小，在半導體 的濺射領域得到了廣泛的應用。
在實際生產中，真空電子束焊接工藝最大的問題是焊縫中存在氣孔，目 前國內降低氣孔率的常用方法主要是重複電子束焊和掃描電子束焊。其中， 重複電子束焊是指在同 一焊縫上反覆焊接，它的優點是相當於增大了焊縫熔 池保存時間，使得氣體容易逸出從而降低氣孔率，缺點是重複焊接會導致合 金元素的燒損，同時重複焊接引起的熱影響區溫度大幅度升高導致組件的變 形，而且重複幾次焊接以後，氣孔率降低將變得極其緩慢。掃描電子束焊是 指電子束在沿著焊縫方向移動時，在垂直焊縫方向上也作左右移動，移動頻 率一般在幾十赫茲左右，其優點是通過電子束的左右移動對熔池起到機械攪 拌作用，使得熔池中氣體容易逸出，缺點是掃描電子束焊對降低氣孔率的作 用有限，不能從根本上解決氣孔率的降低。
現有技術公開了一種焊接方法，包括如下步驟(l)焊前準備清洗靶 材坯料和背板，並將其移至真空室內進行隔離抽真空；(2)預熱焊縫；(3) 施行第一次真空電子束焊接；(4 )把完成步驟(3 )的靶材坯料組件進行真空保溫；(5)施行第二次真空電子束焊接；(6)淬火對完成步驟(5)的 耙材坯料組件取出真空室，進行急冷淬火。
但是在上述技術方案中，為了提高焊接質量，降低最終靶材坯料組件焊 縫中的氣孔率，通過在施行完第一次真空電子束焊接後進行真空保溫，然後 再施行第二次真空電子束焊接，工藝較為複雜。而且眾所周知，在進行第一 次焊接之後，最終靶材坯料組件的溫度很高，將其降低至一定溫度時間很長， 再加上保溫時間，總體製作靶材的循環周期較長。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種工藝簡便的真空電子束焊接方法，降低了 製作靶材的時間，同時可以降低焊接件的氣孔率。
為解決上述問題，本發明提供了一種真空電子束焊接方法，包括如下步 驟提供靶材坯料和用於支撐靶材坯料的背板；進行焊接準備；採用真空電 子束進行真空焊接，將靶材坯料焊接至背板上；還包括在真空焊接之後直接 進行表面修飾。
所述表面^f奮飾包括一次或者多次。
所述表面修飾次數為三次，第一、二次表面修飾工藝條件相同，第三次 表面修飾的電子束的焦距為第一、二次表面修飾工藝中的焦距的±10%。
所述表面修飾的工藝條件包括線速度為15 30mm/s,束流為60 100mA, 聚焦電流為680 750rnA。
所述真空焊接的工藝條件包括線速度為8 20mm/s，束流為80~100mA， 聚焦電流為625~700mA。
進行焊接準備之後、真空焊接之前還包括預熱步驟，所述預熱的工藝條 件包括線速度為8 ~ 20mm/s,束流為50 ~ 100mA,聚焦電流為650 ~ 700mA。所述焊接準備包括裝夾和清洗以及烘乾步驟。
所述裝夾步驟中夾具的平行度為0.05~0.10mm。 所述真空電子束焊接還包括冷卻步驟。 所述冷卻為空冷。
所述靶材坯料和用於支撐靶材坯料的背板材料相同，為鋁或鋁合金、銅 或銅合金、鈦或鈥合金、鉭或鉭合金。
與現有技術相比，本技術方案具有以下優點通過在進行真空焊接之後 直接進行表面修飾，無需真空保溫或者放入空氣進行降溫，避免了後續降溫 或者抽吸真空的步驟，加快了產品循環周期；同時，與現有技術相比，大幅 度提高了焊接質量。
本技術方案通過在線速度為8~20mm/s、束流為80 100mA、聚焦電流為 625 700mA範圍內進行真空焊接，在線速度為15 30mm/s、束流為60 100mA、 聚焦電流為680~750mA範圍內直接進行表面修飾，各種條件的組合，可以獲 得較為優化的工藝條件，提高焊接質量。
同時，本技術方案通過在施行真空焊接之前進行預熱步驟，可以進一步 降低氣孔率，提高焊接質量。
圖1本發明的的實施例的真空電子束焊接方法的流程示意圖2至3為本發明的實施例的進行真空電子束焊接方法的結構示意圖。
具體實施例方式
長期以來，在電子束真空焊接領域，形成了這樣的觀點為了防止長時 間焊接造成的焊接材料的揮發以及變形，在真空焊接過程中需要進行真空保 溫或者釋放真空以在空氣中冷卻。基於上述理論，現有技術的電子束真空焊
6接方法中通常進行多次真空焊接以降低氣孔率，並且在多次真空焊接工藝之 間通常進行真空保溫或者釋放真空腔的真空環境，在空氣中進行冷卻。
但是，本發明的發明人基於研究發現現有技術的進行真空焊接步驟之 後，在真空保溫或者釋放真空放入空氣進行降溫過程中，由於溫度下降，靶 材坯料和背板焊縫處材料會凝固，這樣會將氣體密封住，並不利於氣體的逸 出，儘管後續進行第二次真空焊接會將部分氣體釋放出來，但是後續氣體釋 放並不徹底，焊縫的氣孔率仍然較高，而且增加了工藝步驟，因此焊接成本 較高。
基於上述認識，本發明的發明人進行了研究，形成了這樣的理論釆用 特定的焊接工藝，在真空焊接之後直接進行表面修飾，可以改進焊接質量。 下面將進行詳細闡述。
本發明首先提供了一種真空電子束焊接方法，圖1給出本發明的真空電 子束焊接方法的流程示意圖，包括步驟Sll,提供靶材坯料和用於支撐靶材 坯料的背板；步驟S13,進行焊接準備；步驟S15,釆用真空電子束進行真空 焊接，將靶材坯料焊接至背板上；步驟S17,在真空焊接之後直接進行表面修 飾步驟。
以下通過結合上述步驟詳細地描述具體實施例，上迷的目的和本發明的 優點將更加清楚
首先請參照圖1，執行步驟Sll,提供靶材坯料200和用於支撐靶材坯料 的背板100，所述靶材坯料200和用於支撐靶材坯料200的背板100材料可以 相同也可以不同，但是就目前的工藝來說，所述靶材坯料200和背板100材 料相同，通常為鋁或鋁合金、銅或銅合金、鈦或鈦合金、鉭或鉭合金。
接著，執行步驟S13，進行焊接準備。所述焊接準備包括裝夾和清洗以及 烘乾步驟。
7所述裝夾是將靶材坯料200和用於支撐靶材坯料200的背板100裝載於 電子束焊接設備的真空腔內的夾具上，所述裝夾步驟中夾具的平行度為0.05 ~ 0.10mm。
所述清洗步驟的目的為去除靶材坯料200和背板100表面雜物及氧化物， 通常採用丙酮清洗，也可以採用其他有機溶劑比如四氯化碳、酒精等進行清 洗。
在進行清洗步驟之後，需要對靶材坯料200和背板100進行烘乾，防止 靶材坯料200和背板100表面的水份在焊接過程中由於升溫氣化形成氣泡影 響焊接質量。所述烘乾的條件與靶材坯料200和背板100材料有關，烘乾溫 度範圍是80至150攝氏度。
接著可以直接執行步驟S15,即採用真空電子束進行真空焊接，但是為了 達到更好的焊接質量，通常在進行真空焊接之前進行預熱，衡量所述焊接質 量需要考察的量包括氣孔率、焊接的深寬比等。
所述預熱過程是在靶材坯料200和背板100焊接處預熱一圏。進行預熱 的目的為使靶材坯料200和背板100表面需要焊接處溫度升高， 一方面去除 表面吸附的氣體、灰塵等雜質，同時可以使焊接處在焊接前激活材料內的分 子，使焊接處表面處於熔融狀態，為下一步焊接做準備，並且防止直接進行 焊接影響焊接材料的內部結構。
所述預熱的工藝條件與靶材坯料200和背板100材料是相關聯的，若靶 材坯料200和背板IOO材料為鋁或者銅，則預熱的工藝條件包括線速度為8 ~ 20mm/s,束流為50~100mA,聚焦電流為650 ~ 700mA。所述預熱的電壓為 50-70KV,真空度為-2次方兆帕的數量級，比如可以為7xl(T2MPa,後文均在 該真空度下進行。
作為本發明的一個具體實施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100均為鋁，所述預熱的條件為焊接腔室的真空度為7xl(T2MPa，電壓為60KV， 線速度為10mm/s,束流為60mA,聚焦電流為680mA。
作為本發明的另一個具體實施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100 均為銅，所述預熱的條件為焊接腔室的真空度為7xl(T2MPa，電壓為65KV， 線速度為15mm/s,束流為80mA,聚焦電流為690mA。
參照圖3,執行步驟S15，採用真空電子束進行真空焊接，將靶材坯料200 焊接至背板100上。
本申請的發明人還發現，真空焊接的工藝條件與靶材坯料200和背板100 材料是相關聯的，與前述預熱步驟的工藝條件也相關，若靶材坯料200和背 板100材料為鋁或者銅，在前述預熱條件下，相應的真空焊接的工藝條件包 括線速度為8 20mm/s,束流為80~100mA,聚焦電流為625 700mA,所述 真空焊接的電壓範圍為不大於80KV,作為一個優化實施例，所述真空焊接的 電壓範圍為60~70KV。
作為本發明的一個實施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100均為鋁， 在相應的前述預熱具體實施例條件下，所述真空焊接的條件為電壓為60KV， 線速度為10mm/s,束流為90mA,聚焦電流為650mA。
作為本發明的另一個實施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100均為 銅，在相應的前述預熱實施例條件下，所述真空焊接的條件為電壓為60KV, 線速度為15mm/s,束流為85mA,聚焦電流為640mA。
作為本發明的又一個實施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100均為 鈦，所述真空焊接的條件為電壓為70KV，線速度為18mm/s,束流為95mA， 聚焦電流為670mA。
經過上述真空焊接之後，將靶材坯料200和背板100焊接在一起，但是 由於靶材坯料200和背板100內部會溶解氣體以及靶材坯津+ 200和背板100之間會存在氣體，而這些氣體在一次真空焊接過程中釋放並不完全，這些氣
體會在焊縫中形成氣孔，而氣孔的存在會影響靶材坯料200和背板100之間 的連接力，當靶材坯料200在工作中，由於氣孔的隔熱作用使得氣孔周圍溫 度急劇上升，明顯高於周邊地區，當溫度上升到靶材坯料200的熔點後，有 可能導致焊縫開裂，靶面脫落損傷濺射機臺，此外，如果焊縫中氣孔比較多 以致形成通孔。本發明通過在真空焊接步驟之後直接進行表面修飾以減少焊 縫中氣孔的存在，具體參照如下步驟
執行步驟S17,在真空焊接之後直接進行表面修飾步驟。表面修飾的目的 為通過在真空焊接後，直接在熔融區採用電子束進行攪拌，可以使氣體釋放 得更為徹底，而現有技術的保溫或者釋放真空冷卻步驟會將氣體密封住，在 材料內部生成氣泡，不利於氣體的徹底釋放。
同時，本申請的發明人還發現，表面修飾的工藝條件與預熱、真空焊接 等工藝條件均相關聯，在前述預熱和真空焊接的條件下，表面修飾的工藝條 件包括線速度為15~30mm/s，束流為60 100mA,聚焦電流為680 750mA。
作為本發明的一個實施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100均為鋁， 在相應的前述預熱和真空焊接的實施例條件下，所述表面修飾的工藝為電壓 為60KV，線速度為18mm/s,束流為90mA,聚焦電流為700mA。
作為本發明的另一個實施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100均為 銅，在相應的前述預熱和真空焊-接的實施例條件下，所述表面^f'務飾的工藝為 電壓為60KV，線速度為22mm/s,束流為80mA,聚焦電流為720mA。
作為本發明的又一個實施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100均為 鈦，在前述預熱和真空焊接的條件下，所述表面修飾的工藝為電壓為70KV, 線速度為25mm/s,束流為85mA,聚焦電流為730mA。
本發明中，所述表面修飾可以進行一次或者多次，所述表面修飾的次數與焊接質量的要求有關，通常僅進行一次即可達到要求。
若為了進一步提高焊縫質量，可以多次進行表面修飾。而且發明人發現， 多次表面修飾之間的工藝條件是相互關聯的，首先進行的第一、二次表面修 飾工藝條件可以相同，但是在第三次表面修飾步驟及其後續進行的修飾步驟 中，其工藝條件需要進行優化，這是由於在進行真空悍接步驟之後絕大部分 氣體已經上升至焊接處的表面，無需高能量的電子束來穿透進入靶材坯料200 和背板100,僅需對表面進行修飾，若仍然採用與第一、二次表面修飾相同的 工藝條件，則可能由於溫度過高造成焊接處材料變形，因此需要優化工藝條 件。本發明的發明人發現通過調節電子束的焦距可以解決該問題，比如進行 第三次表面修飾工藝中，可以將第三次表面修飾工藝中的電子束的焦距調為
前面第一、二次表面修飾工藝中的焦距的±10%,即將第三次表面修飾工藝中 的電子束的焦點稍微偏離焊接處±10%範圍內。
但是，由於多次表面修飾會造成成本的增加，因此所進行的表面修飾的 次數的確定需要對焊接質量、成本進行綜合考慮。
本發明通過在進行真空焊接之後直接進行表面修飾，無需真空保溫或者
放入空氣進行降溫，避免了後續抽吸真空的步驟，加快了產品循環周期；同 時，由於在真空焊接後直接在熔融區採用電子束進行攪拌，即進行表面修飾， 可以使氣體釋放得更為徹底，可以避免現有技術的不利於氣體的徹底釋放而 導致耙材坯料200和背板100焊接後的氣孔率高的缺陷。
同時，本發明通過優化預熱、真空焊接、表面修飾工藝條件，形成相互 關聯的工藝條件，並將其進行組合，大幅度提高了焊縫的質量，具體請見後 文。
同時，本發明的所述真空電子束焊接方法還包括冷卻步驟。所述冷卻可 以為水冷、油冷等急劇冷卻方式，也可以為比較緩和的冷卻方式比如自然冷卻，即空冷，以防止產品急冷後內部組織結構發生變化在宏MJl產生變形。
雖然本發明己以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本 領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改， 因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。
權利要求
1.一種真空電子束焊接方法，包括如下步驟提供靶材坯料和用於支撐靶材坯料的背板；進行焊接準備；採用真空電子束進行真空焊接，將靶材坯料焊接至背板上；其特徵在於，還包括在真空焊接之後直接進行表面修飾。
2. 如權利要求1所述的真空電子束焊接方法，其特徵在於，所述表面》務飾包括一次或者多次。
3. 如權利要求1所述的真空電子束焊接方法，其特徵在於，所述表面修飾次數為三次，第一、二次表面修飾工藝條件相同，第三次表面修飾的電子束的焦距為第一、二次表面修飾工藝中的焦距的士10%。
4. 如權利要求2或3所述的真空電子束焊接方法，其特徵在於，所述表面修飾的工藝條件包括線速度為15~30mm/s，束流為60~100mA,聚焦電流為680~750mA。
5. 如權利要求2或3所述的真空電子束焊接方法，其特徵在於，所述真空焊接的工藝條件包括線速度為8~20mm/s，束流為80~100mA,聚焦電流為625~700mA。
6. 如權利要求2或3所述的真空電子束焊接方法，其特徵在於，進行焊接準備之後、真空焊接之前還包括預熱步驟，所述預熱的工藝條件包括線速度為8 ~ 20mm/s，束流為50 ~ 100mA,聚焦電流為650 ~ 700mA。
7. 如權利要求2或3所述的真空電子束焊接方法，其特徵在於，所述焊接準備包括裝夾和清洗以及烘乾步驟。
8. 如權利要求2或3所述的真空電子束焊接方法，其特徵在於，所述裝夾步驟中夾具的平行度為0.05 ~ O.lOmm。
9. 如權利要求2或3所述的真空電子束焊接方法，其特徵在於，所述真空電子束焊接還包括冷卻步驟。
10.如權利要求2或3所述的真空電子束焊接方法，其特徵在於，所述靶材坯 料和用於支撐耙材坯料的背板材料相同，為鋁或鋁合金、銅或銅合金、鈥或鈦合金、鉭或鉭合金。
全文摘要
一種真空電子束焊接方法，包括如下步驟提供靶材坯料和用於支撐靶材坯料的背板；進行焊接準備；進行預熱；採用真空電子束進行真空焊接，將靶材坯料焊接至背板上；還包括在真空焊接之後直接進行表面修飾步驟。本發明通過在進行真空焊接之後直接進行表面修飾，無需真空保溫或者放入空氣進行降溫，避免了後續抽吸真空的步驟，加快了產品循環周期，同時降低濺射靶材坯料焊接後的氣孔率。
文檔編號B23K15/06GK101559515SQ200910138450
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月13日 優先權日2009年5月13日
發明者慶 劉, 姚力軍, 歐陽琳, 傑 潘, 王學澤 申請人:寧波江豐電子材料有限公司