一種真空電子束焊接方法
2023-05-19 07:14:26 1
專利名稱：一種真空電子束焊接方法
技術領域：
本發明涉及焊接領域，特別是一種真空電子束焊接方法。
背景技術：
在半導體工業領域，對於濺射靶材產品的製造工藝，通常要將符合濺射靶材性能的高純度鋁或鋁合金靶材與高強度鋁環經過焊接成形，然後再經過粗加工、精加工等工藝，最後加工成尺寸合格的濺射靶材產品。
對於濺射靶材來說，焊接後靶材表面溫度不能高於其再結晶溫度，否則會導致靶材內部晶粒大小和取向的變化，並且鋁合金的導熱係數特別大，傳熱迅速，只有採用能量非常密集的熱源才有可能確保焊縫熔化的同時能有效控制靶材表面溫度，目前的焊接方法中通常只有電子束焊接和雷射焊接能滿足這一要求，但後者投資過於巨大，因而人們往往選擇電子束焊接。所謂的電子束焊接是指利用高能電子束轟擊焊縫材料表面，產生熱量，使得焊縫處需要焊接的一種或多種金屬熔化，從而完成焊接過程。
對於高純鋁之間以及高純鋁與鋁合金之間的焊接，還存在另外一個問題焊縫中氣孔率極難控制，由於其在熔煉階段往往採取了各種手段使得吸收的氫不能形成氣孔，而以H原子的形式存在於材料中，當焊接鋁或者鋁合金時，焊縫的高溫給H原子足夠的能量擴散到一起形成氣孔，同時由於焊縫處溫度升高，氫的溶解度急劇上升，焊縫周圍熱影響區內H原子也會向焊縫中擴散，此外外界的水、有機物等的分解出的氫也會被焊縫吸收，因此利用電子束焊接高純鋁或者鋁合金時焊縫內的氣孔極難控制。
同時，濺射靶材一般都是工作在非常惡劣的環境之下，首先其工作溫度要高達300～400℃，其次靶材組件的一側充以冷卻水強冷，另一側則處在10-9Pa高真空下，因此在兩側形成了一個巨大的壓力差，如果焊縫存在較大或者較多的氣孔，則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，當溫度上升到鋁或者鋁合金的熔點後，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，在水會在壓力差作用下滲漏到另一側，損害濺射設備。靶材都是在高精密的濺射設備上使用的，價值昂貴的半導體生產設備是不允許出現這樣的情況的，因此，電子束焊接時對靶材中氣孔率的控制十分重要。
目前國內常用的鋁合金電子束焊接降低氣孔率的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，氣孔率降低將變得及其緩慢。掃描焊接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，缺點是掃描焊接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。
因此需要人們研究出一種新的、有效的降低焊縫氣孔率的真空電子束焊接方法。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術現狀而提供一種能有效降低焊縫氣孔率的真空電子束焊接方法。
本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為該真空電子束焊接方法，其特徵在於依次包括如下步驟(1)焊前準備清洗靶材和背板，並把裝配固定好的靶材和背板組成的靶材組件移至電子束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)的靶材組件取出真空室，進行急冷淬火。
根據不同氣孔率控制程度的要求，可以多次重複所述步驟(3)～(5)，進行多次電子束焊接。
為升高焊縫溫度，促使其周圍熱影響區的H富集到焊縫，並在施行完第一次真空電子束焊接後進行的真空保溫步驟中形成氣孔，在步驟(2)中，採用電子束對焊縫進行預熱。
所述的步驟(3)和步驟(5)中，焊接所需的電壓、電流和焊接速度，可根據不同焊縫材質和熔深大小自由選擇各個焊接參數。
為促使完成第一次真空電子束焊接的靶材組件焊縫中氣孔的形成，在步驟(6)中，靶材組件可保溫5分鐘至2小時，這個過程中，由於焊縫溫度非常高，內部吸附的H原子有足夠的能量擴散並結合成H2，此外，焊縫中金屬H含量遠遠低於其固溶度，與此同時周圍溫度低的區域H含量遠遠高於其固溶度，二者共同作用，形成一個泵吸效應，熱影響區的大部分H原子也將擴散到焊縫中，形成氣孔，由此可以確保有效降低或者去除焊縫及熱影響區的H含量，經過一次或者數次重複後，熱影響區和焊縫中的H含量都會降低到一個非常低的水平。
與現有技術相比，本發明的優點在於在施行完第一次真空電子束焊接後進行真空保溫，促使熱影響區的H原子大部分富集於焊縫並形成氣孔，再施行第二次真空電子束焊接去除這些氣孔，同時，對焊接完畢的靶材組件進行急冷淬火也防止少量剩餘的H原子擴散形成氣孔，從而能有效控制最終靶材組件焊縫中的氣孔率。
圖1為本發明實施例一的焊縫三維超聲波檢測儀的檢測圖；圖2為本發明實施例二的焊縫三維超聲波檢測儀的檢測圖。
具體實施例方式
以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
實施例一材料為Al-1％Si-0.5％Cu的鋁靶，設計焊縫熔深為20mm，氣孔率低於1％，焊接實施過程如下(1)焊前準備清洗靶材和背板，除去靶和背板焊接面的氧化物和雜質，再把裝配固定好的靶材和背板組成的靶材組件移至電子束真空室內進行隔離抽真空，電子槍真空度為6.67×10-3Pa，焊接室真空度為8×10-2Pa；(2)預熱焊縫採用137.8Kv的電壓，23.5mA的電流，0.5m/min的焊接速度預熱一圈；(3)施行第一次真空電子束焊接採用137.8Kv的電壓，31.6mA的電流，0.5m/min的焊接速度焊接一圈；(4)把完成步驟(3)的靶材組件進行真空保溫把施行完第一次真空電子束焊接的靶材組件在真空下保溫30分鐘；(5)施行第二次真空電子束焊接採用137.8Kv的電壓，31.6mA的電流，0.5m/min的焊接速度再焊接一圈；(6)淬火對完成步驟(5)的靶材組件取出真空室，放入水中進行急冷淬火。
利用三維超聲波檢測儀對按上述步驟完成真空電子束焊接的靶材組件的焊縫進行檢測，發現氣孔面積僅佔焊縫總面積的0.24％，如圖1所示為該焊縫三維超聲波檢測儀的檢測圖，圖中白色圓環為焊縫，黑點為氣孔。
如果進行完上述步驟後的焊縫氣孔率未能達到設計的氣孔率要求，可多次重複步驟(3)～(5)，實施多次電子束焊接，在第一次焊接後進行真空保溫促使氣孔形成，再進行第二次焊接，除去該形成的氣孔，如此反覆，一直達到所設計的氣孔率要求。
本實施例中所使用的各個焊接參數均只對本實施例有效，並不影響本發明其他實施方式。
實施例二材料為Al-1％Si的鋁靶，設計焊縫熔深為14mm，氣孔率低於1％，焊接實施過程如下(1)焊前準備清洗靶材和背板，除去靶和背板焊接面的氧化物和雜質，再把裝配固定好的靶材和背板組成的靶材組件移至電子束真空室內進行隔離抽真空，電子槍真空度為6.67×10-3Pa，焊接室真空度為8×10-2Pa；(2)預熱焊縫採用137.8Kv的電壓，14.4mA的電流，0.5m/min的焊接速度預熱一圈；(3)施行第一次真空電子束焊接採用137.8Kv的電壓，22.3mA的電流，0.5m/min的焊接速度焊接一圈；(4)把完成步驟(3)的靶材組件進行真空保溫把施行完第一次真空電子束焊接的靶材組件在真空下保溫15分鐘；(5)施行第二次真空電子束焊接採用137.8Kv的電壓，22.3mA的電流，0.5m/min的焊接速度再焊接一圈；(6)淬火對完成步驟(5)的靶材組件取出真空室，放入水中進行急冷淬火。
利用三維超聲波檢測儀對按上述步驟完成真空電子束焊接的靶材組件的焊縫進行檢測，發現氣孔面積僅佔焊縫總面積的0.18％，如圖2所示為該焊縫三維超聲波檢測儀的檢測圖，圖中白色圓環為焊縫，黑點為氣孔。
如果進行完上述步驟後的焊縫氣孔率未能達到設計的氣孔率要求，可多次重複步驟(3)～(5)，實施多次電子束焊接，在第一次焊接後進行真空保溫促使氣孔形成，再進行第二次焊接，除去該形成的氣孔，如此反覆，一直達到所設計的氣孔率要求。
本實施例中所使用的各個焊接參數均只對本實施例有效，並不影響本發明其他實施方式。
權利要求
1.一種真空電子束焊接方法，其特徵在於依次包括如下步驟(1)焊前準備清洗靶材和背板，並把裝配固定好的靶材和背板組成的靶材組件移至電子束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)的靶材組件取出真空室，進行急冷淬火。
2.根據權利要求1所述的真空電子束焊接方法，其特徵在於多次重複所述步驟(3)～(5)，進行多次電子束焊接。
3.根據權利要求1所述的真空電子束焊接方法，其特徵在於所述步驟(2)中，採用電子束對焊縫進行預熱。
4.根據權利要求1所述的真空電子束焊接方法，其特徵在於所述步驟(3)和步驟(5)中，由焊縫材質和熔深大小確定焊接所需的電壓、電流和焊接速度。
5.根據權利要求1所述的真空電子束焊接方法，其特徵在於所述步驟(4)中，靶材組件保溫時間為5分鐘至2小時。
全文摘要
一種真空電子束焊接方法，其特徵在於依次包括如下步驟(1)焊前準備清洗靶材和背板，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)的靶材組件取出真空室，進行急冷淬火。與現有技術相比，本發明的優點在於在施行完第一次真空電子束焊接後進行真空保溫，促使熱影響區的H原子大部分富集於焊縫並形成氣孔，再施行第二次真空電子束焊接去除這些氣孔，同時，對焊接完畢的靶材組件進行急冷淬火也防止少量剩餘的H原子擴散形成氣孔，從而能有效控制最終靶材組件焊縫中的氣孔率。
文檔編號B23K15/02GK1962153SQ20061015470
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月21日 優先權日2006年11月21日
發明者姚力軍, 潘傑 申請人:寧波江豐電子材料有限公司